Zerstörungsfreie Werkstoff- und Bauteilprüfung

Werkstofftechnik
Prof. Dr.-Ing. G. Kötting
Prof. Dr. J. Peterseim
Dipl.-Ing. J. Schifter
Schifter-VERS-11.DOC 01.05
1. Grundlagen
• Zweck der zerstörungsfreien Prüfung
Praktikum-Versuch Nr.11
„Zerstörungsfreie Werkstoff- und Bauteilprüfung“
Die Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung sind nicht als Werkstoffprüfung im engeren Sinne, sondern
eher als Werkstückprüfung zu bezeichnen. Nur in Ausnahmefällen ist die Ermittlung von
Werkstoffeigenschaften das Ziel der zerstörungsfreien Prüfung. In der Regel gilt es, Fehler eines Bauteiles
rechtzeitig vor Inbetriebnahme oder auch während des Betriebes zu erkennen. Dabei sollen Fehler an der
Oberfläche und im Innern des Werkstückes erfaßt werden.
Die zerstörungsfreien Prüfverfahren können in vier Gruppen aufgeteilt werden:
- Kapillarverfahren,
- magnetische und induktive Verfahren,
- Schallverfahren,
- Strahlenverfahren.
• Farbeindringverfahren (Kapillarverfahren)
Farbeindringverfahren dienen zum Nachweis von Oberflächenfehlern, z.B. Haarrisse, feinste Poren.
Farbeindringverfahren können für alle Werkstoffe, also auch unmagnetisierbare Metalle, angewandt
werden. Prinzipiell wird eine erste Flüssigkeit mit sehr geringer Oberflächenspannung aufgebracht. Sie
dringt (5 bis 10 Minuten) in die Risse ein. Nach dem Säubern (Abwischen, evtl. Spülen) der Werkstücke von
der ersten Flüssigkeit, sie verbleibt in den Rissen, wird eine zweite Flüssigkeit aufgetragen. Sie hat eine
große Affinität zur ersten Flüssigkeit und saugt diese aus den Rissen hervor. Durch Kontrastfarben oder
ultraviolette Beleuchtung kann dann der Fehler deutlich gemacht werden.
• Magnetpulververfahren
Als magnetisierbares Pulver dient reines Eisenpulver, das
aufgestreut oder in Mineralöl aufgeschlämmt (Magnetöl)
wird. Zum besseren Erkennen wird gefärbtes Eisenpulver
oder Magnetöl mit fluoreszierenden Zusätzen verwendet.
Für die Magnetisierung der Werkstücke sind unterschiedliche
Geräte entwickelt worden: Polmagnetisierungsgeräte
[Querrisse], (Bild 2a), Geräte mit Wechselstromdurchflutung
[Längsrisse], (Bild 2b), Stoßmagnetisierungsgeräte und
kombinierte Magnetisierungsgeräte.
Die Magnetpulverprüfung dient zum Nachweis von Rissen,
Fremdkörpereinschlüssen und Lunkern in oder nahe der Oberfläche
von magnetisierbaren Werkstücken (Bild 1).
Die magnetischen Feldlinien magnetisierter Werkstücke werden an den
Fehlstellen abgelenkt und gehen durch die Luft, wenn sich die Fehlstellen
nahe genug an der Werkstückoberfläche befinden. Dadurch wird auf das
Werkstück aufgebrachtes magnetisierbares Pulver über den Fehlstellen
festgehalten und deren Vorhandensein und Verlauf gekennzeichnet.

• Ultraschallprüfung (DIN 54 126)
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Ultraschall, meist im Bereich f = 0,5 bis 12 MHz, kann zur zerstörungsfreien Prüfung von Werkstoffen auf
Innenfehler, wie z.B. Risse, Lunker, Doppelungen und Werkstofftrennungen, herangezogen werden. Von einem
auf die Prüfteile aufgesetzten Schallgeber (piezoelektrischer Wandler) ausgehend, breitet sich der Schall linear
im Prüfkörper als Longitudinalwelle (senkrecht zur Prüfoberfläche arbeitende Normalschallköpfe) oder
Transversalwelle (Winkelschallköpfe) aus. Die Schallgeschwindigkeit der Longitudinalwellen beträgt in Stahl
5900 m/s, Eisengußwerkstoffen etwa 4600 m/s, Aluminium 6300 m/s, Wasser 1483 m/s und Luft 330 m/s. Der
Schall wird an Grenzflächen nach den Gesetzen der Brechung in seiner Laufrichtung verändert, in Longitudinal-
und Transversalwellen aufgespalten und auch gespiegelt, was neben dem Sendestrahl eine Reihe anderer
Schallstrahlen im Werkstück zur Folge hat.
Die Schallgeber und Empfänger (piezoelektrische Wandler aus Bariumtitanat oder Bleizirkonat -
bruchempfindlich!) müssen mit einer Koppelflüssigkeit, Wasser oder Öl, schall-leitend mit dem zu prüfenden
Werkstück verbunden werden.
Große Prüffrequenzen geben eine gute Fehlererkennbarkeit auch kleinerer Fehler, aber eine schlechtere
Fehler-
auflösung im Nahbereich. Auch muß der Werkstoff relativ feinkörnig und homogen sein, damit der Schall nicht
zu stark an den Komgrenzen gestreut wird. Gußeisen muß daher wegen der Graphitlamellengröße mit niednger
Frequenz mit 0,5 bis 2 MHz, Beton sogar mit Frequenzen unter 0,2 MHz geprüft werden. Die üblichen Prüf-
frequenzen liegen für Stähle zwischen 4 und 6 (10) MHz. Prüfbare Werkstoffdicken liegen von einigen
Millimetern bis zu mehreren Metern Schallweg.
Normalschallköpfe (Longitudinalwellen) senden den Schall senkrecht zur Werkstückoberfläche ein, während
Winkelschallköpfe (Transversalwellen) den Schall unter einem Winkel einsenden.
Neben dem sog. Durchschallungsverfahren -
Schallgeber auf einer Werkstückseite und
getrennter Schallaufneh-
mer auf der anderen Werkstückseite - bei dem
lediglich die gegenüber der eingestrahlten
Schallenergie ankommende Restenergie
gemessen wird und Fehler im Schallweg diese
Restenergie drastisch reduzieren, hat sich
insbesondere das “Impuls-Echo-Verfahren‘
eingeführt. Dabei wird ein piezoelektnscher
Wandler nur sehr kurze Zeit von etwa 1 bis 10
ps zur Aussendung eines Schallimpulses als
Schallgeber benutzt und dann als
Schallaufnehmer geschaltet. Die Laufzeit des
Schallimpulses durch das Werkstück bis zu
seiner Rückankunft wird auf einem
Oszillographenbildschirm angezeigt. Die Laufzeit
ist proportional zur zurückgelegten
Gesamtwegstrecke, s = c x t. Je nachdem wie
oft ein Schallimpuls den gleichen Weg nach
mehrfacher Reflexion zurückgelegt hat,
erscheinen auf dem Anzeigebildschim
Mehrfachechos. Bild 3 zeigt diese Verhältnisse
in einem fehlerfreien Werkstück für einen
senkrecht einschallenden Normalschallkopf.
Befindet sich ein Fehler senkrecht zur Schallausbreitungsrichtung, so wird das Fehlerecho entsprechend den
Wegverhältnissen abgebildet, Bild 4. Bei komplizierten Teilen ist es nicht einfach, die Anzeigenbilder richtig zu
deuten und eventuelle Fehlerechos zu lokalisieren. Es sind Vorstellungen über den tatsächlichen Schallweg und
die mögliche Fehlerlage und Erstreckungsrichtung notwendig.

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Winkelschallköpfe senden Transversalwellen unter einem Winkel in das Werkstück aus, Bild 5, wobei die
Schallgeschwindigkeit der Transversalwellen niedriger als die der Longitudinalwellen ist, z.B. Ctransversal für Stahl
3230 m/s, für Aluminium 3130 m/s und für Eisengußwerkstoffe 2200 bis 3100 m/s.
Nach einer Eichung kann am Oszillographen-Monitor der Abstand zwischen Fehler und Oberfläche des
Prüfstückes angezeigt werden. Winkelschallköpfe werden zum Aufsuchen von Fehlern eingesetzt, die von
Normalschallköpfen wegen schlechter Zugänglichkeit der Prüfstellen oder einer dafür ungeeigneten
Fehlerausbreitungsrichtung nicht gefunden und nachgewiesen werden können. Beispielsweise werden
senkrecht zur Oberfläche des Werkstückes liegende Risse in Schweißnähten wegen der bei
Normalschallköpfen dann parallel zur Rißausbreitung liegenden Schallrichtung nicht erfaßt.
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• Röntgenprüfung
Kurzwellige elektromagnetische Strahlen (Röntgenstrahlen oder auch Gammastrahlen) durchdringen
auch Metalle. Dabei werden sie je nach Werkstoff, Bauteildicke und Wellenlänge abgeschwächt. Die
Reststrahlung hinter dem Bauteil wird auf Fotomaterial (Röntgenfilm, Gammafilm) registriert.
Befindet sich in dem Bauteil eine Werkstofftrennung mit nennenswerter Ausdehnung parallel zur
Strahlenrichtung, so werden die Strahlen dort nicht abgeschwächt. Die Intensität der Strahlung hinter dem
Bauteil ist folglich in diesen Bereichen höher (Bild 6), und die Defekte werden durch stärkere Schwärzung
des Films abgebildet.

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Damit Fehler gut erkennbar sind, müssen
Strahlungsintensität, Wellenlänge, Dicke des
Bauteils und Belichtungszeit aneinander
angepaßt sein. Zum Überprüfen der
Abstimmung und Bestimmen der Bildgüte dienen
amtlich geprüfte Drahtstege nach DIN 54109.
Die Drahtstege werden so auf das Bauteil
gelegt, daß sie ebenfalls auf dem Film
abgebildet werden. Der dünnste, gerade noch
erkennbare Draht kennzeichnet die Bildgüte und
damit die Fehlererkennbarkeit.
Das Durchdringungsvermögen von Röntgen- oder Gammastrahlen ist um so besser, je kleiner die
Wellenlänge, d.h., je höher die Frequenz ist. Andererseits nehmen mit zunehmender Frequenz die
Kontraste ab, so daß kleine Fehler schlechter erkennbar werden. Ebenso wie die Ultraschallprüfung hat
auch die zerstörungsfreie Prüfung mit hochfrequenten elektromagnetischen Strahlen besondere Bedeutung
bei der Prüfung von Schweißnähten (DIN 54 111 Teil 1).
Bei der Durchführung von Röntgen- oder Gammaprüfungen sind umfangreiche Strahlenschutzregeln
(DIN 54 115) zu beachten.
2. Aufgaben und Durchführung des Praktikum-Versuchs
• Magnetpulver- und Farbeindringverfahren
Die Durchführung dieser Verfahren wird an Beispielen demonstriert.
• Ultraschallprüfung
Nach Erläuterung des Ultraschallgerätes soll ein vorhandenes Werkstück auf Fehler hin untersucht werden:
Eine Skizze des Werkstücks und der Fehlerlage sind anzufertigen
• Röntgenprüfung
Die Durchführung der Röntgenprüfung und Ergebnisse von Durchstrahlungsprüfungen werden an
verschiedenen Objekten erläutert. Anschließend soll anhand einer Röntgenaufnahme eine Fehlerbewertung
(Bildgütebewertung) durchgeführt werden.
Bei der Durchführung aller praktischen Versuche ist zu beachten:
1. vorherige Einweisung durch das Laborpersonal;
2. Einhaltung der Laborordnung (Sicherheitsunterweisung);
3. den für den jeweiligen Versuch wichtigen Betriebsanweisungen
ist unbedingt Folge zu leisten!!!
Die Betriebsanweisungen befinden sich im besonders
gekennzeichneten Sicherheitsordner in jeweiliger Laboretage.