Ultraschallprüfköpfe

M. Witzgall, Wintersemester 2013/14

Der Ultraschallprüfkopf ist diejenige Einheit eines Ultraschallprüfgerätes, die Ultraschallimpulse sowohl erzeugt (Sender), als auch empfängt (Empfänger). Die richtige Wahl des Prüfkopfes ist entscheidend für die Qualität und Zuverlässigkeit der Prüfaussage.

Ultraschallerzeugung

Im 19. Jahrhundert entdeckte Pierre Curie, dass bei mechanischer Beanspruchung von natürlichen Quarzkristallen durch Zug oder Druck elektrische Ladungen an den Oberflächen entstehen (direkter piezoelektrischer Effekt). Dieser Vorgang ist umkehrbar. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung zieht sich der Kristall in Abhängigkeit der Polarität der Spannung zusammen oder dehnt sich aus (indirekter piezoelektrischer Effekt). Damit kann der gleiche Kristall sowohl zum Erzeugen, als auch zum Empfangen von Ultraschall verwendet werden. (vgl. Deutsch, et al., 1995 S. 4)^[1]

Die gebräuchlichen Ultraschallprüfköpfe zur Prüfung von Schweißnähten arbeiten ausschließlich mit piezoelektrischen Schwingern. Anfänglich verwendete Materialien, wie Quarz, Lithiumsulfat und Bariumtitanat kommt dabei aber nicht mehr zum Einsatz. Die heute verwendeten Wandlermaterialien weisen unterschiedliche physikalische Eigenschaften auf, die je nach Anwendungsfall und gewünschten Prüfkopfeigenschaften ausgenutzt werden. (vgl. Deutsch, et al., 1997 S. 45 f.) ^[2]

Schwingermaterialien

Keramische Piezo-Materialien

Von den keramischen Piezo-Materialien ist Bleizirkonattitanat am bekanntesten. Weitere piezokeramische Materialien sind Bleititanat und Bleimetaniobat. Bleimetaniobat weist von ihnen mit < 30 MHz die höchste Resonanzfrequenz auf.

Die maximalen Temperaturen bei denen ein Einsatz noch möglich ist, liegen für Bleititanat bei 350 °C, für Bleizirkonattitanat bei 365 °C und für Bleimetaniobat bei 570 °C. (vgl. Deutsch, et al., 1997 S. 45)^[2]

Insgesamt weisen piezokeramische Schwingermaterialen eine hohe akustische Impedanz auf. Dies ist insoweit ein Problem, als dass bei großen Unterschieden in der akustischen Impedanz zweier Stoffe, zwischen denen Ultraschallwellen übertragen werden sollen, große Reflexionsverluste auftreten. So etwa zwischen piezokeramischen Schwingermaterialien und Wasser. Am geringsten ist die akustische Impedanz von Bleimetaniobat (20,5 × 10⁶ $//<![CDATA[ \begin{array}{l}\frac {kg}{m^2s}\end{array} //]]>$). (vgl. Deutsch, et al., 1997 S. 45 f.) ^[2]

Allerdings liegt die akustische Impedanz sehr nahe bei der von guten Dämpfungsmaterialien. Deshalb lässt sich Bleimetaniobat sehr gut bedämpfen. (vgl. Schuster, et al., 2004 S. 3)^[3]

Der Kopplungsfaktor für Dickenschwingung ist bei Bleititanat (0,51 %) und Bleizirkonattitanat (0,45 %) hoch. Dies bedeutet, dass viel Schallenergie in das zu untersuchende Bauteil eingeleitet und dort aufgenommen werden kann.

Bemerkenswert unter allen Schwingermaterialien ist der sehr kleine Kopplungsfaktor für Querschwingung von Bleititanat (< 0,01 %). Dies bedeute, dass die meiste Schallenergie durch Dickenschwingung erzeugt wird und nur wenige, störende Querschwingungen entstehen. (vgl. Schuster, et al., 2004 S. 3)^[3]

Polyvinylidenfluorid (PVDF)

Mit PVDF können hohe Resonanzfrequenzen von bis zu 160 MHz erzeugt werden.

Die maximale Einsatztemperatur liegt bei 80 °C. (vgl. Deutsch, et al., 1997 S. 45) ^[2]

Die akustische Impedanz von PVDF ist mit 3,9 × 10⁶ $//<![CDATA[ \begin{array}{l}\frac {kg}{m^2s}\end{array} //]]>$ gering und vergleichbar mit der von Wasser. Dies bedeutet, dass wie oben beschrieben nur geringe Reflexionsverluste an der Übergangsschicht entstehen und damit ein hoher Schallenergieanteil im Wasser übertragen werden kann. Diese Eigenschaft kommt einer Verwendung in der Tauchtechnikprüfung entgegen.

Nachteilig ist der mit 0,2 % geringe Kopplungsfaktor für Dickenschwingung. Damit ist PVDF für eine Prüfung in Koppeltechnik nicht empfindlich genug. (vgl. Schuster, et al., 2004 S. 4)^[3]

Piezo-Komposite

Piezo-Komposite bestehen aus Keramikstäbchen und Epoxidharz. Dabei werden die meist aus hochverdichtetem Bleizirkonattitanat hergestellten Keramikstäbe in einer Epoxitharz-Matrix parallel ausgerichtet. Durch gezielte Wahl der Piezokeramik, des Gießharzes, der geometrischen Abmessungen der Stäbchen und der Zwischenräume ist es möglich die physikalischen Eigenschaften in weiten Bereichen zu verändern. Dies ist allerdings mit einem aufwändigen Herstellungsverfahren verbunden, was den Einsatz im Eigenschaftenbereich der herkömmlichen Schwingermaterialien aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten ausschließt. (vgl. Deutsch, et al., 1997 S. 46 f.)^[2]

Die Resonanzfrequenz ist mit < 10 MHz gering.

Aufgrund von Schrumpfungs- und Zersetzungsprozessen im Epoxidharz ab 100 °C ist der Einsatz nur bei geringeren Temperaturen möglich. (vgl. Deutsch, et al., 1997 S. 45 ff.)^[2] Der Aufbau aus Piezokeramik und Epoxidharz bewirkt eine geringe Dichte und damit eine geringe akustische Impedanz von ca. 9 × 10⁶ $//<![CDATA[ \begin{array}{l}\frac {kg}{m^2s}\end{array} //]]>$. Damit ist wie bereits beschrieben eine Verwendung als Tauchtechnik-Prüfkopf sinnvoll. Auch aufgrund der geringen akustischen Impedanz lassen sich Piezo-Komposite gut bedämpfen. (vgl. Schuster, et al., 2004 S. 4)^[3]

Der Kopplungsfaktor für das Dickenschwingen beträgt 0,6 %, was die gute Schallübertragung auf das Prüfmedium charakterisiert.

Gleichzeitig ist der Kopplungsfaktor für Querschwingung mit 0,1 % gering. (vgl. Deutsch, et al., 1997 S. 45 ff.)^[2]

Aufbau

Senkrecht- oder Normalprüfkopf

Senkrechtprüfköpfe bestehen im Wesentlichen aus dem Prüfgehäuse, dem Dämpfungskörper, einem meist runden Piezoelement und einer Schutz-/Anpassschicht. (vgl. Abbildung 1)

Der Longitudinalwellen-Impuls tritt senkrecht aus der Kontaktfläche aus, die auf den Prüfling aufgesetzt wird .

Das Piezoelement ist rückwärtig mit einem Dämpfungskörper verbunden, dessen Aufgabe darin besteht die Impulsdauer des Piezoelements zu verkürzen und nach hinten gestrahlte Wellen zu absorbieren. Die Verkürzung der Impulsdauer ist nötig, da der gleiche Schwinger nicht nur zum Senden sondern auch zum Empfangen des Ultraschallsignals dient.

Um den Prüfkopf beim Bewegen über das Prüfobjekt nicht zu schädigen (mechanische Beschädigung) und ihn vor u. U. aggressiven Koppelmitteln zu schützen (chemischer Angriff) liegt zwischen Piezoelement und Prüfobjekt eine Schutz-/Anpassschicht. Diese kann entweder als harte Schutzschicht aus keramischen bzw. metallkeramischen Hartstoffen oder als weiche Schutzschicht aus Kunststoffen ausgeführt sein. Prüfköpfe mit harter Schutzschicht werden prinzipiell zur Ankopplung auf glatten Oberflächen verwendet, während Prüfköpfe mit weichen Schutzschichten auf rauen Oberflächen Anwendung finden. (vgl. Deutsch, et al., 1997 S. 37)^[2]

Winkelprüfkopf

Die entscheidenden Elemente eines Winkelprüfkopfes sind das Gehäuse, u. U. ein Dämpfungskörper, ein rechteckiger Schwinger, eine akustische Anpassschicht und ein Vorlaufkeil. (vgl. Abbildung 2)

Über den Keil wird der Longitudinalwellen-Impuls schräg auf die Kontaktfläche geleitet. Der Keil besteht aus Plexiglas, Polystyrol oder einem andern, gut schallleitfähigen Kunststoff.

Der Winkel des Keiles wird so gewählt, dass im Werkstück nur eine Transversalwelle entsteht. Der Winkel der Transversalwelle im Werkstück ist dann größer 30°. Übliche Winkel sind 35°, 45°, 60°, 70° und 80°. (vgl. Deutsch, et al., 1995 S. 14).^[1]

Die akustische Impedanz der Anpassschicht liegt zwischen der des Piezoelements und der des Vorlaufkeils. Ihre Dicke beträgt ein Viertel einer Wellenlänge. Dies bewirkt eine gute Schallübertragung sowie eine hohe mechanische Bedämpfung des Schwingers. Aufgrund der Wirkung dieser Schicht kann bei Winkelprüfköpfen auf den Dämpfungsköper z. T. verzichtet werden. (vgl. Deutsch, et al., 1997 S. 39)^[2]

SE-Prüfkopf

Zu den Elementen eines SE (Sender/ Empfänger)-Prüfkopfes gehören das Gehäuse, u. U. zwei Dämpfungskörper, zwei Schwinger, zwei akustische Anpassschichten, zwei Vorlaufstrecken sowie eine elektrische und eine akustische Trennschicht. (vgl. Abbildung 3)

Die akustischen Anpassschichten sind analog derer bei den Winkelprüfköpfen.

Beide Schwinger sind ähnlich dem Winkelprüfkopf auf Vorsatzkeilen aufgebracht. Dabei dient ein Schwinger als Sender und der andere als Empfänger. Diese sind durch die elektrische und akustische Trennschicht voneinander entkoppelt.

Aufgrund der elektrischen Trennung von Sender und Empfänger weisen SE-Prüfköpfe grundsätzlich eine hohe Nahauflösung auf. Nahauflösung beschreibt die Fähigkeit eines Prüfkopfes Schallreflexionen aus Bereichen dicht unter der Oberfläche eines Werkstücks aufzulösen. Gute Fernauflösung bedeutet entsprechend, dass weit entfernte, aber zeitlich dicht zusammenliegende Schallreflexionen gut getrennt werden können. (vgl. Deutsch, et al., 1997 S. 42)^[2]

Weitere Abbildungen von Normal-, Winkel- und SE-Prüfköpfen können den Datenblättern diverser Hersteller von Ultraschallprüfköpfen entnommen werden. (vgl. [1], [2], [3])

Dämpfung

Dämpfungskörper bestehen aus Gemischen von Schwermetallpulver und Kunststoffen. (vgl. Deutsch, et al., 1997 S. 47) ^[2]

Dabei hängt die akustische Impedanz des Dämpfungskörpers vom Schwermetallanteil ab. Diese steigt mit zunehmendem Schwermetallanteil.

Aus dem Verhältnis der akustischen Impedanzen von Schwingungskörper und Dämpfungskörper leitet sich die Schwingungsform des Prüfkopfsignals ab.

Sind beide akustischen Impedanzen nahezu gleich, weist der Impuls eine kurze Schwingungsform auf. Man spricht von einem stark bedämpften Prüfkopf. Besteht der Ultraschallimpuls aus nur einer oder eineinhalb Sinusschwingungen, so spricht man von Stoßwellen.

Prüfköpfe mit wenig angepassten Dämpfungskörpern, bei denen ein größerer Unterschied in den akustischen Impedanzen von Dämpfungskörper und Schwingermaterial vorliegt weisen eine längere Schwingungsform auf.

Aus der Schwingungsform leitet sich das Frequenzspektrum des Prüfkopfes ab. Je kürzer die Schwingungsform, umso breiter ist das Frequenzspektrum. Hierbei spricht man von einem breitbandigen Prüfkopf.

Umgekehrt gilt je länger die Schwingungsform, umso schmäler ist das Frequenzspektrum.

Eine Aussage über das Frequenzspektrum liefert die Bandbreite Δf eines Prüfkopfes. Sie definiert sich aus der Differenz von oberer und unterer Grenzfrequenz. Mit Grenzfrequenzen sind die Frequenzen gemeint, bei denen der Amplitudenbetrag des Spektrums um 6 dB abgefallen ist.

$//<![CDATA[ \begin{array}{l}\Delta f = f_o-f_u [Hz]\end{array} //]]>$

Die Prüfkopfmittelfrequenz f_m dient der Charakterisierung mittel und schwach bedämpfter Prüfköpfe.

$//<![CDATA[ \begin{array}{l}f_m=\sqrt{f_u \times f_o} [Hz]\end{array} //]]>$

Die in Prozent angegebene relative Bandbreite Δf_rel berechnet sich zu:

$//<![CDATA[ \begin{array}{l}\Delta f_{rel} = \frac {f_o-f_u}{f_m} [Hz]\end{array} //]]>$

(vgl. Deutsch, et al., 1997 S. 38 f.)^[2]

Starke Bedämpfung von Prüfköpfen führt zu geringerer Schallenergie und damit zu geringeren Reichweiten.

Schwach bedämpfe Prüfköpfe erzeugen zwar mehr Schallenergie, haben damit eine hohe Leistung und Empfindlichkeit, weisen aber auch eine schlechter Auflösung auf. (vgl. Deutsch, et al., 1995 S. 17)^[1]

Frequenz

Die prüfkopfspezifische Frequenz ist abhängig von der Eigenfrequenz f_e des Schwingers.

Diese wird von der Dicke d_s [m] und der Schallgeschwindigkeit c_s [m/s] des Schwingermaterials bestimmt.

$//<![CDATA[ \begin{array}{l}f_e=\frac{c_s}{2 \times d_s} [Hz]\end{array} //]]>$   (vgl. Deutsch, et al., 1995 S. 14)^[1]

Der angegebene Nennwert ist aber nicht gleich dieser, sondern wird durch die Bedämpfung maßgebend beeinflusst. Die auf dem Prüfkopf angegebene Frequenz entspricht der Mittelfrequenz des tatsächlich gemessenen Spektrums. (vgl. Deutsch, et al., 1995 S. 17)^[1]

Für den Nachweis kleiner Fehler sollte die Prüfkopffrequenz möglichst hoch gewählt werden. Um allerdings einen möglichst hohen Signal-Rausch-Abstand zu erzeugen sollte die Frequenz so niedrig gewählt werden, wie es der jeweils zu prüfende Werkstoff zulässt. (vgl. Deutsch, et al., 1997 S. 44)^[2]

In der Praxis sind minimale Fehlstellen in der Größe der Wellenlänge λ [m] noch nachweisbar. Über die Formel

$//<![CDATA[ \begin{array}{l}f=\frac{c}{\lambda} [Hz]\end{array} //]]>$

(Prüffrequenz f, Wellengeschwindigkeit c [m/s]) kann auf die idealerweise einzusetzende Prüffrequenz geschlossen werden. (vgl. Schuster, et al., 2004 S. 12 f.)^[3]

Schallfeld

Das Schallfeld, das ein Prüfkopf im Werkstück erzeugt, hängt ab vom Aufbau des Prüfkopfes (Senkrecht-, Winkel-, SE-Prüfkopf), dem Schwingerdurchmesser d_s, der Prüffrequenz f und der Schallgeschwindigkeit im Prüfteil c.

Im Nahfeld liegen stark wechselnde Schalldrücke in Form eines sich leicht verjüngenden Schallbündels vor. Das daran anschließende Fernfeld öffnet sich scheinwerferartig unter dem Divergenzwinkel ϑ. Bei Prüfköpfen mit runden Schwingern liegt im Fernfeld der maximale Schalldruck stets auf der Mittellinie des Schallbündels. Bedingt durch den Brechungsvorgang der Wellen bei Winkelprüfköpfen sind die, durch den Divergenzwinkel beschriebenen Randstrahlen nicht mehr ganz symmetrisch zur Mittellinie des Schallbündels. (vgl. Deutsch, et al., 1995 S. 17 ff.)^[1]

Die Länge des Nahfeldes N für einen runden Schwinger berechnet sich wie folgt:

$//<![CDATA[ \begin{array}{l}N=\frac{f \times d_s^2}{4 \times c} [m]\end{array} //]]>$

Der Divergenzwinkel ϑ, der den Bereich des Fernfeldes, in dem der Schalldruck um einen angegebenen Wert abgefallen ist, begrenzt, berechnet sich für einen runden Schwinger für einen Abfall auf z. B. 10 % zu:

$//<![CDATA[ \begin{array}{l}\sin \vartheta_{10 \%}=0,87 \times \frac{c}{f \times d_s}\end{array} //]]>$   (vgl. Schuster, et al., 2004 S. 5)^[3]

Oben genannte Formeln zeigen, dass mit zunehmender Schwingergröße die Nahfeldlänge zunimmt und der Öffnungswinkel abnimmt. Aus diesem Zusammenhang lässt sich ableiten, dass große Prüfköpfe für große Prüfobjekte geeignet sind und umgekehrt. (vgl. Deutsch, et al., 1995 S. 21)^[1]

Bei SE-Prüfköpfen liegt der Arbeitsbereich dort, wo sich die Schallfelder von Sender und Empfänger überlappen. Durch Variation der Dachwinkel, das ist der Winkel, in dem die Schwinger zueinander angeordnet sind, dem Abstand der Schwinger und der Länge der Vorlaufstrecke kann der Arbeitsbereich variiert werden. Der Arbeitsbereich wird durch das Abstands-Empfindlichkeits-Diagramm beschrieben. Ihm kann die tote Zone sowie der Empfindlichkeitsverlauf entlang der Achse entnommen werden. (vgl. Deutsch, et al., 1997 S. 42)^[2]

Ankoppeltechnik

Entscheidend für jede Form der Ankopplung ist, dass der im Prüfkopf erzeugte Schallimpuls in das Prüfobjekt eingeleitet wird. Schon eine sehr geringe Luftschicht ist nahezu schallundurchlässig, da die meiste Schallenergie reflektiert wird.

Bezüglich der Ankopplung des Prüfkopfes an das Bauteil kann zwischen der Hand- und der Tauchtechnikprüfung unterschieden werden.

Bei der Handprüfung besteht direkter Kontakt zwischen dem Prüfkopf und dem Bauteil. Die Ankopplung selbst kann entweder trocken oder mit Flüssigkeit erfolgen. Bei der Trockenankopplung muss der Prüfkopf aus weichem Material bestehen, sodass durch entsprechenden Kraftaufwand ein ausreichender Kontakt hergestellt werden kann. Auch bei glatten Oberflächen ist eine Trockenankopplung denkbar. Da die Reflexion mit steigender Frequenz zunimmt erfolgt eine Prüfung in Trockenankopplung maximal mit einer Frequenz von 1 MHz. (vgl. Deutsch, et al., 1997 S. 50 f.)^[2]

Eine weitere Möglichkeit bei der Handprüfung besteht in der Ankopplung mit Flüssigkeit. Als Ankopplungsmittel sind z. B. Maschinenöle und Staufferfett geeignet. Koppelmittel auf Wasserbasis bieten den Vorteil, dass sie weniger schmutzen. Durch Einstellen der Viskosität können eine gute Benetzung der Oberfläche, sowie gute Haftung auf den Untergrund, auch über Kopf, erreicht werden. (vgl. Deutsch, et al., 1997 S. 51 f.)^[2]

Die Tauchtechnikprüfung stellt ein berührungsloses Verfahren dar und eignet sich insbesondere für die automatisierte Ultraschallprüfung. Dabei wird das Werkstück vollständig in eine Flüssigkeit eingetaucht, in der sich auch der Prüfkopf befindet. Dies macht es erforderlich, dass Gehäuse und Kabelanschluss wasserdicht ausgeführt werden. Tauchtechnikprüfköpfe werden nicht von Hand auf den Prüfling aufgesetzt, sondern in speziellen Vorrichtungen befestigt. Deshalb weisen sie meist eine zylindrische Form auf. Ihr Aufbau entspricht Senkrechtprüfköpfen, mit denen in diesem Verfahren neben der Senkrechteinschallung auch Winkeleinschallung möglich ist. Entgegen der Kontakttechnik wird bei der Tauchtechnik mit jeder Reflexion Schallenergie an die umgebende Flüssigkeit abgegeben. Dies bewirkt eine verringerte Reichweite im Prüfobjekt. (vgl. Abbildung 4) Durch Ankopplung in Pfützentechnik wird dieser Effekt vermieden.

Bei der Pfützentechnik liegen nur der Prüfkopf und der Bereich des Werkstücks, in den der Schall eingeleitet wird unter Wasser. Da der restliche Bereich des Werkstücks von Luft umgeben ist findet keine nennenswerte Abgabe von Schallenergie statt. (vgl. Abbildung 5)

Das gleiche Prinzip kommt bei der Wasserstrahlkopplung zum Tragen. (vgl. Abbildung 6) (vgl. Deutsch, et al., 1995 S. 22 f.)^[1]

Literatur

1. Deutsch, Volker; Vogt, Manfred: Ultraschallprüfung von Schweißverbindungen. Düsseldorf: Deutscher Verlag für Schweißtechnik, 1995.
2. Deutsch, Volker; Platte, Michael; Vogt, Manfred: Ultraschallprüfung. Berlin: Springer-Verlag, 1997.
3. Schuster, V.; Lach, M.; Platte, M.: Die Qual der Wahl: Welcher Prüfkopf für welchen Einsatz. Salzburg, 2004.