Zerstörungsfreie Werkstoff- und Bauteilprüfung
Zerstörungsfreie Werkstoff- und Bauteilprüfung
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<strong>Werkstoff</strong>technik<br />
Prof. Dr.-Ing. G. Kötting<br />
Prof. Dr. J. Peterseim<br />
Dipl.-Ing. J. Schifter<br />
Schifter-VERS-11.DOC 01.05<br />
1. Gr<strong>und</strong>lagen<br />
• Zweck der zerstörungsfreien Prüfung<br />
Praktikum-Versuch Nr.11<br />
„<strong>Zerstörungsfreie</strong> <strong>Werkstoff</strong>- <strong>und</strong> <strong>Bauteilprüfung</strong>“<br />
Die Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung sind nicht als <strong>Werkstoff</strong>prüfung im engeren Sinne, sondern<br />
eher als Werkstückprüfung zu bezeichnen. Nur in Ausnahmefällen ist die Ermittlung von<br />
<strong>Werkstoff</strong>eigenschaften das Ziel der zerstörungsfreien Prüfung. In der Regel gilt es, Fehler eines Bauteiles<br />
rechtzeitig vor Inbetriebnahme oder auch während des Betriebes zu erkennen. Dabei sollen Fehler an der<br />
Oberfläche <strong>und</strong> im Innern des Werkstückes erfaßt werden.<br />
Die zerstörungsfreien Prüfverfahren können in vier Gruppen aufgeteilt werden:<br />
- Kapillarverfahren,<br />
- magnetische <strong>und</strong> induktive Verfahren,<br />
- Schallverfahren,<br />
- Strahlenverfahren.<br />
• Farbeindringverfahren (Kapillarverfahren)<br />
Farbeindringverfahren dienen zum Nachweis von Oberflächenfehlern, z.B. Haarrisse, feinste Poren.<br />
Farbeindringverfahren können für alle <strong>Werkstoff</strong>e, also auch unmagnetisierbare Metalle, angewandt<br />
werden. Prinzipiell wird eine erste Flüssigkeit mit sehr geringer Oberflächenspannung aufgebracht. Sie<br />
dringt (5 bis 10 Minuten) in die Risse ein. Nach dem Säubern (Abwischen, evtl. Spülen) der Werkstücke von<br />
der ersten Flüssigkeit, sie verbleibt in den Rissen, wird eine zweite Flüssigkeit aufgetragen. Sie hat eine<br />
große Affinität zur ersten Flüssigkeit <strong>und</strong> saugt diese aus den Rissen hervor. Durch Kontrastfarben oder<br />
ultraviolette Beleuchtung kann dann der Fehler deutlich gemacht werden.<br />
• Magnetpulververfahren<br />
Als magnetisierbares Pulver dient reines Eisenpulver, das<br />
aufgestreut oder in Mineralöl aufgeschlämmt (Magnetöl)<br />
wird. Zum besseren Erkennen wird gefärbtes Eisenpulver<br />
oder Magnetöl mit fluoreszierenden Zusätzen verwendet.<br />
Für die Magnetisierung der Werkstücke sind unterschiedliche<br />
Geräte entwickelt worden: Polmagnetisierungsgeräte<br />
[Querrisse], (Bild 2a), Geräte mit Wechselstromdurchflutung<br />
[Längsrisse], (Bild 2b), Stoßmagnetisierungsgeräte <strong>und</strong><br />
kombinierte Magnetisierungsgeräte.<br />
Die Magnetpulverprüfung dient zum Nachweis von Rissen,<br />
Fremdkörpereinschlüssen <strong>und</strong> Lunkern in oder nahe der Oberfläche<br />
von magnetisierbaren Werkstücken (Bild 1).<br />
Die magnetischen Feldlinien magnetisierter Werkstücke werden an den<br />
Fehlstellen abgelenkt <strong>und</strong> gehen durch die Luft, wenn sich die Fehlstellen<br />
nahe genug an der Werkstückoberfläche befinden. Dadurch wird auf das<br />
Werkstück aufgebrachtes magnetisierbares Pulver über den Fehlstellen<br />
festgehalten <strong>und</strong> deren Vorhandensein <strong>und</strong> Verlauf gekennzeichnet.
• Ultraschallprüfung (DIN 54 126)<br />
- 2 -<br />
Ultraschall, meist im Bereich f = 0,5 bis 12 MHz, kann zur zerstörungsfreien Prüfung von <strong>Werkstoff</strong>en auf<br />
Innenfehler, wie z.B. Risse, Lunker, Doppelungen <strong>und</strong> <strong>Werkstoff</strong>trennungen, herangezogen werden. Von einem<br />
auf die Prüfteile aufgesetzten Schallgeber (piezoelektrischer Wandler) ausgehend, breitet sich der Schall linear<br />
im Prüfkörper als Longitudinalwelle (senkrecht zur Prüfoberfläche arbeitende Normalschallköpfe) oder<br />
Transversalwelle (Winkelschallköpfe) aus. Die Schallgeschwindigkeit der Longitudinalwellen beträgt in Stahl<br />
5900 m/s, Eisengußwerkstoffen etwa 4600 m/s, Aluminium 6300 m/s, Wasser 1483 m/s <strong>und</strong> Luft 330 m/s. Der<br />
Schall wird an Grenzflächen nach den Gesetzen der Brechung in seiner Laufrichtung verändert, in Longitudinal-<br />
<strong>und</strong> Transversalwellen aufgespalten <strong>und</strong> auch gespiegelt, was neben dem Sendestrahl eine Reihe anderer<br />
Schallstrahlen im Werkstück zur Folge hat.<br />
Die Schallgeber <strong>und</strong> Empfänger (piezoelektrische Wandler aus Bariumtitanat oder Bleizirkonat -<br />
bruchempfindlich!) müssen mit einer Koppelflüssigkeit, Wasser oder Öl, schall-leitend mit dem zu prüfenden<br />
Werkstück verb<strong>und</strong>en werden.<br />
Große Prüffrequenzen geben eine gute Fehlererkennbarkeit auch kleinerer Fehler, aber eine schlechtere<br />
Fehler-<br />
auflösung im Nahbereich. Auch muß der <strong>Werkstoff</strong> relativ feinkörnig <strong>und</strong> homogen sein, damit der Schall nicht<br />
zu stark an den Komgrenzen gestreut wird. Gußeisen muß daher wegen der Graphitlamellengröße mit niednger<br />
Frequenz mit 0,5 bis 2 MHz, Beton sogar mit Frequenzen unter 0,2 MHz geprüft werden. Die üblichen Prüf-<br />
frequenzen liegen für Stähle zwischen 4 <strong>und</strong> 6 (10) MHz. Prüfbare <strong>Werkstoff</strong>dicken liegen von einigen<br />
Millimetern bis zu mehreren Metern Schallweg.<br />
Normalschallköpfe (Longitudinalwellen) senden den Schall senkrecht zur Werkstückoberfläche ein, während<br />
Winkelschallköpfe (Transversalwellen) den Schall unter einem Winkel einsenden.<br />
Neben dem sog. Durchschallungsverfahren -<br />
Schallgeber auf einer Werkstückseite <strong>und</strong><br />
getrennter Schallaufneh-<br />
mer auf der anderen Werkstückseite - bei dem<br />
lediglich die gegenüber der eingestrahlten<br />
Schallenergie ankommende Restenergie<br />
gemessen wird <strong>und</strong> Fehler im Schallweg diese<br />
Restenergie drastisch reduzieren, hat sich<br />
insbesondere das “Impuls-Echo-Verfahren‘<br />
eingeführt. Dabei wird ein piezoelektnscher<br />
Wandler nur sehr kurze Zeit von etwa 1 bis 10<br />
ps zur Aussendung eines Schallimpulses als<br />
Schallgeber benutzt <strong>und</strong> dann als<br />
Schallaufnehmer geschaltet. Die Laufzeit des<br />
Schallimpulses durch das Werkstück bis zu<br />
seiner Rückankunft wird auf einem<br />
Oszillographenbildschirm angezeigt. Die Laufzeit<br />
ist proportional zur zurückgelegten<br />
Gesamtwegstrecke, s = c x t. Je nachdem wie<br />
oft ein Schallimpuls den gleichen Weg nach<br />
mehrfacher Reflexion zurückgelegt hat,<br />
erscheinen auf dem Anzeigebildschim<br />
Mehrfachechos. Bild 3 zeigt diese Verhältnisse<br />
in einem fehlerfreien Werkstück für einen<br />
senkrecht einschallenden Normalschallkopf.<br />
Befindet sich ein Fehler senkrecht zur Schallausbreitungsrichtung, so wird das Fehlerecho entsprechend den<br />
Wegverhältnissen abgebildet, Bild 4. Bei komplizierten Teilen ist es nicht einfach, die Anzeigenbilder richtig zu<br />
deuten <strong>und</strong> eventuelle Fehlerechos zu lokalisieren. Es sind Vorstellungen über den tatsächlichen Schallweg <strong>und</strong><br />
die mögliche Fehlerlage <strong>und</strong> Erstreckungsrichtung notwendig.
- 3 -<br />
Winkelschallköpfe senden Transversalwellen unter einem Winkel in das Werkstück aus, Bild 5, wobei die<br />
Schallgeschwindigkeit der Transversalwellen niedriger als die der Longitudinalwellen ist, z.B. Ctransversal für Stahl<br />
3230 m/s, für Aluminium 3130 m/s <strong>und</strong> für Eisengußwerkstoffe 2200 bis 3100 m/s.<br />
Nach einer Eichung kann am Oszillographen-Monitor der Abstand zwischen Fehler <strong>und</strong> Oberfläche des<br />
Prüfstückes angezeigt werden. Winkelschallköpfe werden zum Aufsuchen von Fehlern eingesetzt, die von<br />
Normalschallköpfen wegen schlechter Zugänglichkeit der Prüfstellen oder einer dafür ungeeigneten<br />
Fehlerausbreitungsrichtung nicht gef<strong>und</strong>en <strong>und</strong> nachgewiesen werden können. Beispielsweise werden<br />
senkrecht zur Oberfläche des Werkstückes liegende Risse in Schweißnähten wegen der bei<br />
Normalschallköpfen dann parallel zur Rißausbreitung liegenden Schallrichtung nicht erfaßt.<br />
-<br />
- -<br />
-<br />
• Röntgenprüfung<br />
Kurzwellige elektromagnetische Strahlen (Röntgenstrahlen oder auch Gammastrahlen) durchdringen<br />
auch Metalle. Dabei werden sie je nach <strong>Werkstoff</strong>, Bauteildicke <strong>und</strong> Wellenlänge abgeschwächt. Die<br />
Reststrahlung hinter dem Bauteil wird auf Fotomaterial (Röntgenfilm, Gammafilm) registriert.<br />
Befindet sich in dem Bauteil eine <strong>Werkstoff</strong>trennung mit nennenswerter Ausdehnung parallel zur<br />
Strahlenrichtung, so werden die Strahlen dort nicht abgeschwächt. Die Intensität der Strahlung hinter dem<br />
Bauteil ist folglich in diesen Bereichen höher (Bild 6), <strong>und</strong> die Defekte werden durch stärkere Schwärzung<br />
des Films abgebildet.
- 4 -<br />
Damit Fehler gut erkennbar sind, müssen<br />
Strahlungsintensität, Wellenlänge, Dicke des<br />
Bauteils <strong>und</strong> Belichtungszeit aneinander<br />
angepaßt sein. Zum Überprüfen der<br />
Abstimmung <strong>und</strong> Bestimmen der Bildgüte dienen<br />
amtlich geprüfte Drahtstege nach DIN 54109.<br />
Die Drahtstege werden so auf das Bauteil<br />
gelegt, daß sie ebenfalls auf dem Film<br />
abgebildet werden. Der dünnste, gerade noch<br />
erkennbare Draht kennzeichnet die Bildgüte <strong>und</strong><br />
damit die Fehlererkennbarkeit.<br />
Das Durchdringungsvermögen von Röntgen- oder Gammastrahlen ist um so besser, je kleiner die<br />
Wellenlänge, d.h., je höher die Frequenz ist. Andererseits nehmen mit zunehmender Frequenz die<br />
Kontraste ab, so daß kleine Fehler schlechter erkennbar werden. Ebenso wie die Ultraschallprüfung hat<br />
auch die zerstörungsfreie Prüfung mit hochfrequenten elektromagnetischen Strahlen besondere Bedeutung<br />
bei der Prüfung von Schweißnähten (DIN 54 111 Teil 1).<br />
Bei der Durchführung von Röntgen- oder Gammaprüfungen sind umfangreiche Strahlenschutzregeln<br />
(DIN 54 115) zu beachten.<br />
2. Aufgaben <strong>und</strong> Durchführung des Praktikum-Versuchs<br />
• Magnetpulver- <strong>und</strong> Farbeindringverfahren<br />
Die Durchführung dieser Verfahren wird an Beispielen demonstriert.<br />
• Ultraschallprüfung<br />
Nach Erläuterung des Ultraschallgerätes soll ein vorhandenes Werkstück auf Fehler hin untersucht werden:<br />
Eine Skizze des Werkstücks <strong>und</strong> der Fehlerlage sind anzufertigen<br />
• Röntgenprüfung<br />
Die Durchführung der Röntgenprüfung <strong>und</strong> Ergebnisse von Durchstrahlungsprüfungen werden an<br />
verschiedenen Objekten erläutert. Anschließend soll anhand einer Röntgenaufnahme eine Fehlerbewertung<br />
(Bildgütebewertung) durchgeführt werden.<br />
Bei der Durchführung aller praktischen Versuche ist zu beachten:<br />
1. vorherige Einweisung durch das Laborpersonal;<br />
2. Einhaltung der Laborordnung (Sicherheitsunterweisung);<br />
3. den für den jeweiligen Versuch wichtigen Betriebsanweisungen<br />
ist unbedingt Folge zu leisten!!!<br />
Die Betriebsanweisungen befinden sich im besonders<br />
gekennzeichneten Sicherheitsordner in jeweiliger Laboretage.