Ultraschallprüfung kurz erklärt
Wie alle zerstörungsfreien Prüfverfahren ist auch die Ultraschallprüfung genormt und wird nach bestimmten Richtlinien durchgeführt. Vor der Durchführung wird auf der Oberfläche des Werkstücks ein Koppelmittel aufgetragen.
Mittels eines Prüfkopfes, der Ultraschall von 0,2 bis 50 MHz aussendet und empfängt, wird die zu prüfende Oberfläche abgefahren. Dies kann manuell, mechanisiert oder automatisiert erfolgen. Bei Letzterem wird zur Übertragung des Schallsignals das Prüfstück oft in eine geeignete Flüssigkeit getaucht oder definiert benetzt.
Das Ultraschallprüfgerät zeigt auf einem Display die Schallechokurve (Amplitude) an. Bei Veränderungen des Materials ändert sich auch die Echokurve auf dem Display. Anhand dieser Veränderungen lässt sich erkennen, wie es um die Qualität des Werkstoffs bzw. der Schweißnaht steht. Sehr leicht und schnell kann mit Ultraschall auch die Wandstärke einzelner Komponenten und Bauteile ermittelt werden – etwa um den Ist-Zustand bestehender Verschleißteile zu messen.
Physikalische Grundlagen der UT Prüfung
Die Schwingungen von Wellen
Schwingungen und Wellen findet man überall. Eine vereinfachte Form einer Schwingung ist das Pendel. Hängt man eine Kugel an einem Faden auf und bewegt die Kugel leicht, so schwingt dieses Pendel ständig hin und her. Diese Bewegung über einen Ruhepol nennt man Schwingung.
Wird die Schwingungsenergie durch zum Beispiel Luftwiderstand verbraucht spricht man von einer gedämpften Schwingung. Wird die Schwingung sehr stark gedämpft spricht man von einem Impuls. Führt man die verbrauchte Energie wieder zu spricht man von einer ungedämpften Schwingung. Die ungedämpfte Schwingung hat eine gleichbleibende Amplitude.
Auslenkung/Amplitude
Die Auslenkung gibt den Abstand von der Ruhelage zu einem beliebigen Zeitpunkt an. Die maximale Auslenkung von der Ruhelage bezeichnet man als Amplitude.
Schwingungsdauer/ Frequenz
Die Schwingungsdauer T(s) ist der Zeitabschnitt in der eine volle Schwingungsperiode abläuft. Aus der Schwingungsdauer leitet sich die Frequenz ab. Die Frequenz steht für die Anzahl an Schwingungsperioden pro Zeiteinheit ( zum Beispiel 4 Perioden pro Sekunde = 4 Hertz).
Bei der Werkstoffanalyse mit Ultraschall werden meistens Frequenzen im Megahertz – Bereich verwendet. Das heißt mehrere Millionen Schwingungen pro Sekunde. Bei der Prüfung mittels Kontakttechnik zwischen 1 bis 5 MHz und bei der Tauchtechnik sind es bis zu 25 MHz.
Die Welle
Die Welle ist die räumliche Ausbreitung einer Schwingung. Während einer Schwingungsdauer T bewegt sich die Schwingung räumlich um eine Schwingungsperiode weiter. Diese Strecke nennt man Wellenlänge λ. Eine Wellenlänge pro Schwingungsdauer T ist somit die Schallgeschindigkeit c.
λ = Wellenlänge Lamda (mm)
c = Schallgeschwindigkeit (m/s)
f = Frequenz
Formel: c = λ : T oder C = λ * f
Ultraschallwellen zählen zu den mechanischen Schwingungen und können nicht im Vakuum übertragen werden. In Metallen sind Atome fest gebunden. Aufgrund dieser Anziehungskräfte spricht man hier von einer elastischen Kopplung. Bei unterschiedlichen Metallen führt das zu unterschiedlichen für jeden Werkstoff typischen Schallgeschwindigkeiten. Die Schallgeschwindigkeit ist Materialkonstant. Die richtige Wahl der Frequenz kann entscheidend für eine erfolgreiche Ultraschallprüfung sein. Aus der Wellenlänge kann die Nachweisgrenze für die kleinste, noch erkennbare Reflektorgröße abgeschätz werden. Die Nachweisgrenze entspricht ungefähr einer halben Wellenlänge.
verschiedenen Werkstoffen
| Material | Longitudinalwelle | Transversalwelle |
|---|---|---|
| Wasser | 1.48 km/s | – |
| Blei | 2.16 km/s | 0.70 km/s |
| Plexiglas | 2.73 km/s | 1.36 km/s |
| Messing | 4.70 km/s | 2.10 km/s |
| Grauguss | 3.50 km/s | 1.90 km/s |
| Kupfer | 4.70 km/s | 2.26 km/s |
| Stahl | 5.90 km/s | 3.20 km/s |
| Titan | 6.10 km/s | 3.10 km/s |
| Aluminium | 6.40 km/s | 3.10 km/s |
Wellenarten
- Longitudinalwelle (Druck- oder Kompressionswelle)
- Transversalwelle (Scherwelle)
- Rayleighwelle (Oberflächenwelle)
- Lambwelle (Plattenwelle)
Reflexion und Brechung von Ultraschallwellen
Ultraschallwellen breiten sich in Werkstoffen ohne innere Grenzen ungehindert aus. Sie ändern weder Richtung noch Intensität. Treffen sie jedoch auf eine Grenzfläche (zum Beispiel einen Fehler), ändern sie ihre Intensität (Schalldruck) und Richtung sofort. Man spricht von einer akustischen Grenzfläche. Akustische Grenzflächen können Begrenzungen (Oberfläche), Materialfehler (Fremdkörper oder Luft) oder ein Interface (Verbindung zweier Metalle, Beschichtungen) sein.
An einer akustischen Grenzfläche gibt es zwei Prozesse für die Ultraschallwelle: Reflexion und Durchlass. Meistens laufen beide Prozesse gleichzeitig ab, jedoch in sehr unterschiedlicher Ausprägung. An der Grenzfläche von Metall zu Luft wird die Welle fast vollständig reflektiert. An der Grenzfläche zwischen zwei Metallen teilen sich die Anteile des reflektierten und durchgelassenen Ultraschalls auf. Fällt der Schall senkrecht auf eine Grenzfläche, wird er sehr gut reflektiert und kann an seinem Ausgangspunkt wieder empfangen werden. Dies macht man sich unter anderem bei der Wanddickenmessung zunutze.
Fällt der Schall schräg auf die Grenzfläche, ändern die reflektierten Wellen ihre Richtung. Diese Richtungsänderung wird auch Brechung genannt. Im Prinzip können an einer Grenzfläche vier neue Schallwellen entstehen, wobei jede in einem anderen Winkel abstrahlt. Bei Reflexion und Brechung können Wellenumwandlungen stattfinden. Mit dem Gesetz von Snellius lässt sich die Richtung vorhersagen. Die wichtigste Kenngröße für die Richtungsänderung (Winkel) ist die Schallgeschwindigkeit: Je größer das Verhältnis der Schallgeschwindigkeiten der beteiligten Medien, desto größer die Richtungsänderung.
Impuls-Echo-Technik
Heutzutage wird in der Werkstoffprüfung meistens die Impuls-Echo-Technik verwendet. Hierbei wird ein Impuls in den Prüfgegenstand gesendet und der reflektierte Impuls wieder empfangen.
Grob gesagt zielt die senkrechte Einschallung darauf, Materialfehler im Inneren des Werkstoffs zu finden; mit der schrägen Einschallung sucht man Materialfehler an der Oberfläche. Das Auffinden äußerer Fehler ist vor allem bei Teilen wichtig, deren innere Oberfläche nicht zugänglich ist. Natürliche Begrenzungen des Werkstoffs ergeben ähnliche Reflexionen wie Materialfehler – damit sicher alle Fehler identifiziert werden, ist eine Ultraschallprüfung immer aus verschiedenen Positionen bzw. Winkelrichtungen erforderlich.
