Ultraschallprüfung: Grundlagen und industrielle Anwendungen

380 Pages·1997·17.25 MB·German

by  Prof. Dr. Ing. Volker Deutsch

Volker Deutsch· Michael Platte· Manfred Vogt / Ultraschallprüfung
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
Volker Deutsch / Michael Platte / Manfred Vogt
Ultraschallprüfung
Grundlagen und industrielle Anwendungen
Mit 303 Abbildungen
Springer
Prof. Dr. Ing. Volker Deutsch
Dr. rer. nato Michael Platte
Dipl.-Ing. Manfred Vogt
Firma Karl Deutsch
Prüf- und Meßgerätebau GmbH & Co. KG
Otto-Hausmann-Ring 101
42115 Wuppertal
ISBN 978-3-642-63864-0 ISBN 978-3-642-59138-9 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-59138-9
Die Deutsche Bibliothek -Cip-Einheitsaufnahme
Deutsch, Volker: Ultraschallprüfung: Grundlagen und industrielle Anwendungen /
Volker Deutsch/Michael Platte/Manfred Vogt.- Berlin; Heidelberg; New York; Barcelona;
Budapest; Hongkong; London; Mailand; Paris; Santa Clara; Singapur; Tokio: Springer, 1997
NE: Platte, Michael; Vogt, Manfred
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© Springer-Verlag Berlin Heide1berg 1997
Originally published by Springer-Verlag Berlin Heide1berg New York in 1997
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SPIN: 10560515 66/3020 -543 21 0
Vorwort
Dieses Buch ist genau wie das 1993 im VDI-Verlag erschienene über "Magnet
pulver-Rißprüfung" [1] für den Prüfpraktiker geschrieben. Die Grundlagen der
Ultraschallprüfung sollen in verständlicher Sprache soweit erläutert werden, wie es
für die praktische Prüfung erforderlich ist. Daher sind die Kapitel 2, 3 und 6 ver
hältnismäßig umfangreich gegenüber allen anderen, die kurz gefaßt wurden, um
den vorgegebenen Umfang nicht zu überschreiten. Dort werden vor allem die der
zeit tatsächlich angewendeten Prüfmethoden beschrieben. Die Hinweise auf aus
führlichere Literatur und auf einschlägige Regelwerke sollen dem speziell interes
sierten Leser weiterhelfen. Auf Vollständigkeit im wissenschaftlichen Sinn und
Erläuterung aller historischer, wenn auch durchaus interessanter Prüftechniken
wird ausdrücklich verzichtet. Das Buch soll die Ausbildung des Ultraschallprüfers
begleiten. Es soll ferner als schnelles Nachschlagewerk für alle diejenigen dienen,
die zwar selbst keine Fachleute auf dem Gebiet der zerstörungsfreien Prüfung
(ZfP) sind, sich aber mit der US-Prüftechnik befassen müssen, etwa weil diese in
ihr eigentliches Arbeitsgebiet eingreift. Das ist in heutiger Zeit immer öfter der
Fall, da die ZfP ja in steigendem Maße in die industrielle Fertigung integriert wird.
Der Grundsatz, daß Qualität nicht erprüft, sondern nur produziert werden kann, ist
dann selbstverständlich. Daher ist die ZfP wichtiger Bestandteil umfassender Qua
litäts-Sicherheits-(QS)-Systeme geworden. Die Autoren - alle drei sind in der Fa.
KARL DEUTSCH, Wuppertal tätig - konnten aufbauen auf dem im DVS-Verlag, Düs
seldorf erschienenen Fachbuch "Die Ultraschallprüfung von Schweißverbindun
gen" [2]. Dem DVS sei ausdrücklich gedankt für sein freundliches Einverständnis,
Teile daraus übernehmen zu dürfen. In diesem Buch wird allerdings über die
Schweißtechnik hinaus die ganze Palette der Ultraschall-Anwendungstechnik
erläutert.
Des möglichen Vorwurfs, die Bilder zeigten vorzugsweise Gerätschaften aus dem
Hause KARL DEUTSCH, sind sich die Verfasser durchaus bewußt. Sie halten aber
dagegen, daß ihnen darauf am einfachsten Zugriff gegeben ist und weisen aus
drücklich darauf hin, daß alle Beschreibungen und Inhalte dieses Buches so allge
mein gehalten sind, daß sie auf alle marktgängigen Geräte gleichermaßen zutref
fen.
Die Autoren danken all den Fachkollegen, die ihnen mit Ratschlägen, Literaturhin
weisen und dem Überlassen von Bildern geholfen haben.
Inhalt
1 Einführung .............................................. .
1.1 Geschichte der Ultraschallprüfung ............................. .
1.2 Zerstörungsfreie Prüfung als Teil der Qualitäts-Sicherung 2
2 Physikalische Grundlagen ................................... 4
2.1 Methoden der Ultraschallerzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.1 Allgemeines .......................................... 4
2.1.2 Piezoelektrischer Effekt ................................. 6
2.1.3 Magnetostriktion ...................................... 13
2.1.4 Elektrodynamische Ultraschallerzeugung ................... 15
2.1.5 Anregung durch Laser .................................. 17
2.2 Begriffe der Schwingungslehre ............................. ... 19
2.3 Schallfelder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 24
2.3.1 Begriffe zur Charakterisierung von Schallfeldern ............. 24
2.3.2 Schallabstrahlung von kreis-oder rechteckförmigen Flächen .... 25
2.3.3 Verhalten an Grenzflächen ............................... 30
3 Grundlagen der Ultraschallprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 37
3.1 Ultraschallprüfköpfe........ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 37
3.1.1 Aufbau und Einsatz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 37
3.1.2 Piezoelektrische Wandlermaterialien für Prüfköpfe . . . . . . . . . . .. 45
3.1.3 Verwendung der piezoelektrischen Materialien in Prüfköpfen . . .. 47
3.1.4 Ankopplung der Prüfköpfe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 50
3.2 Ultraschallprüfgeräte ........................................ 55
3.3 Ultraschallprüfverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 74
3.4 Fehlernachweis und Gerätejustierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 80
3.4.1 Voraussetzungen für den Fehlernachweis . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 80
3.4.2 Entfernungsjustierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 87
3.4.2.1 Allgemeines......................................... 87
3.4.2.2 Bestimmung der Fehlerlage am Beispiel der Schweißnaht-
prüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 91
3.4.3 Empfindlichkeitsjustierung und Fehlerbeschreibung ........... 104
3.4.3.1 Allgemeines ......................................... 104
vrn Inhalt
3.4.3.2 AVG-Justierung mit Hilfe von Rückwandechos ............. 107
3.4.3.3 AVG-Justierung mit Hilfe von Kontrollkörpern ............. 114
3.4.3.4 Die Bezugslinien-Methode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 125
3.4.3.5 Weitere Möglichkeiten der Fehlerbeschreibung . . . . . . . . . . . . .. 130
3.4.3.6 Rechnergestützte Fehlerbeschreibung ..................... 133
3.5 Werkstoffeint1üsse .......................................... 146
3.6 Qualifizierung des Prüfpersonals ............................... 164
3.7 Ultraschallprüfung nach Regelwerken ........................... 165
3.7.1 Allgemeines ........................................... 165
3.7.2 Allgemeingültige Regelwerke .......... .................. 167
3.7.3 Objektbezogene Regelwerke ............................. 175
3.8 Berichterstattung ............................................ 202
4 Automatisierte Haudprüfung ................................ 206
5 Automatische Ultraschallprüfung ............................. 214
6 Die Praxis der Ultraschallprüfung ............................ 220
6.1 Walzwerkserzeugnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 220
6.1.1 Bleche und Bänder ..................................... 220
6.1.2 Knüppel und Rundstangen ............................... 227
6.1.3 Schienen ............................................. 231
6.1.4 Nahtlose Rohre .. ...................................... 235
6.1.5 NE-Metalle ........................................... 244
6.2 Schweißverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 246
6.2.1 Stumpfnähte .......................................... 246
6.2.2 Kehl-und Stutzennähte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 250
6.2.3 Preßschweißungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 254
6.2.4 Geschweißte Rohre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 260
6.3 Fahrzeugkomponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 269
6.4 Flugzeuge und Raketen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 292
6.5 Ultraschallprüfung von Kernenergieanlagen ........... ... ........ 295
6.6 Bindungsprüfung ........................................... 298
6.7 Weitere Anwendungen der Ultraschallprüfung .................... 299
6.7.1 Nichtmetallische Werkstoffe .............................. 300
6.7.2 Gast1aschen ........................................... 302
6.7.3 Geschoßhülsen ......................................... 302
6.7.4 Walzen ............................................... 303
6.7.5 Pipelines .............................................. 303
6.7.6 Forschungsbohrungen ................................... 305
Inhalt IX
6.7.7 Prozeßsteuerung bei der Extrusion von Kunststoffrohren 306
6.7.8 Spaltmessung an Wasserkraftmaschinen .................... 307
7 Ultraschall-Meßtechnik ..................................... 309
7.1 Füllstandsmessung .......................................... 309
7.2 Schallgeschwindigkeits-und Wanddickenmessung ................. 310
7.3 Ermittlung von Werkstoffeigenschaften ............ .. ............ 313
8 Die Ultraschallprüfung innerhalb der ZfP ...................... 323
8.1 Durchstrahlungsprüfung mittels Röntgen- und Gammastrahlen ....... 323
8.2 Wirbelstromverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 325
8.3 Streuflußprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 326
8.4 Eindringprüfung ............................................ 329
8.5 Potential-Sonden-Verfahren ................................... 331
8.6 Magnetinduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 332
8.7 Schallemissionsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 334
8.8 Thermische Verfahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 334
8.9 Sichtprüfung ............................................... 334
8.10 Die Ultraschallprüfung im Vergleich mit anderen ZfP-Verfahren ...... 335
9 Literatur-und Quellenangaben ............................... 342
10 Formelzeichen und Abkürzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 357
10.1 Formelzeichen................................... ........... 357
10.2 Verwendete Abkürzungen ..................................... 361
11 Sachwortverzeichnis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 363
1 Einführung
1.1 Geschichte der Ultraschallprüfung
In diesem Kapitel werden Fachausdrücke benutzt, die dem Anfänger in der Ultra
schall-Prüftechnik noch nicht geläufig sind. In diesem Fall wird geraten, es zu
nächst zu überschlagen und erst später zu lesen.
Die Grundlagen der Ultraschall-Erzeugung sind bereits in der 2. Hälfte des 19. Jahr
hunderts von weltberühmten Physikern beschrieben worden. J. P. JOULE entdeckte
1847 den magnetostriktiven und die Brüder J. und P. CURIE 1880 den piezoelek
trischen Effekt. Die erste praktische Anwendung schlug der Brite R!CHARDSON vor.
1912 war die "Titanic" untergegangen und die technische Welt diskutierte über
Früherkennung von Eisbergen. R!CHARDSONS Vorschlag, das mit Ultraschall zu ver
suchen, führte aber erst zu Konsequenzen, als CHILOWSKY and LANGEVIN began
nen, Ultraschall im 1. Weltkrieg zur Ortung von U-Booten anzuwenden. Die so
entwickelte Ortungstechnik wurde in den Jahren zwischen den WeltkIiegen zur
Beschreibung der Meerestopologie weiterentwickelt.
Der Russe SOKOLOW schlug 1928 erstmals vor, Ultraschall zur Werkstoffprüfung ein
zusetzen. Erwähnenswert sind auch Arbeiten von POHLMAN, der 1937 Ultraschallfel
der durch einen mit dünnen Metallplättchen gefüllten Bildwandler sichtbar machte.
Während des 2. Weltkrieges wurde zwischen 1940 und 1943 die Ultraschall-P.rüfung
in den USA, in Deutschland und in England von FIRESTONE, TROST und SPROULE
natürlich ohne Kenntnis voneinander, aber zur Lösung des gleichen Prüfproblems
eingesetzt. Dopplungen in Panzerplatten und feine Lunker in Halbzeug waren mit
keinem bis dahin bekannten ZfP-Verfahren nachweisbar. Während TROST wie beim
Durchstrahlungsverfahren mit getrennten Sendern und Empfängern arbeitete, was
zur sog. "TRosTschen Ultraschallzange" führte, erfand FIRESTONE das zukunftsträch
tige Reflexionsverfahren mit einem einzigen Schwinger. Sein "Reflectoscope" wurde
in der Folgezeit von der Firma SPERRY, später AUTOMATION INoUSTRIES, zur Anwen~
dungsreife gebracht. SPROULE arbeitete nicht nur zu Beginn, sondern auch später aus
schließlich mit SE-prüfköpfen. Sein Gerät wurde von der Fa. HUGHEs, später KELvIN
HUGHES gebaut. Die Geräteentwicklung in Deutschland schloß nicht an die Arbeiten
von TROST in der "Reichsröntgenstelle" an. Sowohl J. KRAUTKRÄMER als auch
K. DEUTSCH, dieser zusammen mit H. W. BRANSCHElD, begannen mit Geräteentwick
lungen, ohne voneinander zu wissen, aber in Kenntnis der Arbeiten von FIRESTONE.
Mit dem Wiederaufbau der europäischen Stahlindustrie ergab sich in den Folgejahren
ein großes Marktpotential, so daß auch für weitere Filmen (SIEMENS, LEHFELDT,
KRETZTECHNIK) Geräteentwicklungen lohnend erschienen. Die dann folgende stürmi
sche Aufwärtsentwicklung aller ZfP-Verfahren dauert auch heute noch an.
V. Deutsch et al., Ultraschallprüfung
© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1997
2 I Einführung
1.2 Zerstörungsfreie Prüfung als Teil der Qualitätssicherung
Jede Prüfung oder Kontrolle von Werkstücken soll klären, ob die Prüfobjekte in
der Lage sein werden, die künftige betriebliche Beanspruchung ohne Versagen zu
ertragen. Zerstörende Prüfungen liefern dazu quantitative Vergleichswerte, setzen
allerdings Gleichartigkeit mit den nicht zerstörten Teilen voraus, da nur dann eine
Übertragung der Ergebnisse zulässig ist. Naturgemäß werden zerstörende Prüfun
gen an möglichst wenigen Prüfgegenständen durchgeführt. Nur zerstörungsfreie
Prüfungen (ZfP) können ausnahmslos alle Werkstücke erfassen. Dabei lassen sich
nicht nur Werkstoffeigenschaften ermitteln, sondern auch sporadisch vorkommen
de Fehlstellen auffinden und bewerten. Sind Inhomogenitäten aufgefunden, ist es
wichtig zu wissen, inwieweit diese belassen werden können oder sogar müssen.
Dies ist dann der Fall, wenn von einer Nacharbeit nicht nur Verbesserungen der
IGebr auchsfähigkeit erwartet werden können. Daraus läßt sich die Aufgabe der ZfP
so defmieren:
Durch reproduzierbare Prüftechnik ist sicherzustellen, daß die zur Weiterver
wendung freigegebenen Werkstücke keine Fehler oberhalb der vorher definier
ten Bewertungsschwelle aufweisen. Das Ergebnis muß so dokumentiert sein,
daß der Bezug zwischen Prüfgegenstand und Prüfbefund keinem Zweifel unter
liegt.
Eigentliches Ziel der ZfP ist daher, diejenigen geplüften Werkstücke zur prak
tischen Verwendung freizugeben, die eine definierte Mindestqualität erreichen oder
übertreffen. Damit ist die ZfP fester Bestandteil der Qualitätssicherung (QS), neu
erdings als Qualitäts-Management (QM) bezeichnet, aber nur einer von vielen.
Deshalb ist die früher viel gepriesene Rolle der Werkstoffprüfung als Teil einer der
Produktion übergeordneten Inspektion zu Ende. Insbesondere international aner
kannte Qualitäts-Normen wie DINIISO 9000 ff. fordern eine Prozeßlenkung, bei
der Qualität produziert und nicht erprüft wird. Mit der gewandelten AufgabensteI
lung gewinnt die Frage der möglichen Reproduzierbarkeit der Prüfverfahren hohen
Stellenwert. Die Sicherheit, fehlerhafte oder fehlerfreie Befunde reproduzierbar
festzustellen, kann sehr hoch sein. Dazu müssen jedoch grundsätzliche Mängel im
angewendeten Verfahren berücksichtigt sein sowie Veränderungen der Ergebnisse
durch Prüflingseigenschaften oder Prüfbedingungen, durch Umgebungseinflüsse,
fehlerhafte Prüfgeräte und menschliche Unzulänglichkeiten ausgeschlossen wer
den. Setzt man Prüfverfahren nur dann ein, wenn ein sicheres Ergebnis erwmtet
werden kann, kontrolliert, daß gleiche Prüflings eigenschaften und konstante Plüf
bedingungen herrschen und hält Umgebungseinflüsse ab, dann können fehlerhafte
Prüfaussagen nur noch durch schlechte Gerätschaften oder Fehlverhalten des Prü
fers entstehen. Heute sind die Eigenschaften der Geräte und des Zubehörs in engen
Grenzen vorgeschrieben und deren Einhaltung in QS-Systemen erfaßt und doku
mentiert. Die größte Fehlerquelle liegt beim ausführenden Menschen, denn "Nobo
dy is perfect". Sie wiederum kann durch richtige Personal auswahl, durch Aus- und
Weiterbildung sowie durch Motivation erheblich verringert werden; ganz auszu
schließen ist sie freilich nicht. LetzIich ist in jedem Einzelfall zu entscheiden,
durch welche Maßnahmen das Restrisiko weiter herabgesetzt werden kann und ob