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Die Prinzipien der Ultraschallausbreitung in festen Medien sind seit langem bekannt und können heute durch mathematische Modelle recht umfassend beschrieben und simuliert werden. In der Praxis zeigt sich aber, dass gerade bei komplexen Geometrien, sowie inhomogenen und anisotropen Materialien die Modelle immer noch an ihre Grenzen stoßen.
Das ist insbesondere in der fehlenden Möglichkeit begründet, die akustischen Eigenschaften inhomogener Prüfgegenstände vollständig mathematisch zu beschreiben.
Deshalb wird in letzter Zeit verstärkt nach Techniken gesucht, mit denen man die Schallausbreitung in solchen Materialien messen und anschaulich darstellen kann. Ziel dieser Entwicklung ist es, die Schallausbreitung in Festkörpern, insbesondere in solchen mit akustisch anisotropen Eigenschaften, besser zu verstehen und die Möglichkeit zu schaffen, die Simulationsrechnungen am realen Objekt zerstörungsfrei verifizieren zu können.
In der Literatur werden verschiedene Methoden zur messtechnischen Visualisierung der Ultraschallausbreitung in Festkörpern beschrieben. Am bekanntesten sind optische Verfahren wie die Schlierentechnik, die schon seit langem genutzt wird, um den momentanen Schallfeldverlauf im Inneren von optisch transparenten Materialien sichtbar zu machen. Heute kommen verstärkt lasertechnische Methoden, wie z. B. das Laserinterferometer, zum Abtasten von nicht transparenten Materialoberflächen zum Einsatz. Da diese Verfahren mit einem hohen technischen Aufwand verbunden sind, werden häufig auch einfachere Methoden, wie z. B. das Abtasten mit punktförmigen piezoelektrischen Aufnehmern, verwendet.
Die Modellierung von Schallausbreitungsvorgängen ist eine
notwendige Grundlage für die Optimierung von Prüfparametern bei der
zerstörungsfreien Prüfung mit Ultraschall. Das gilt insbesondere bei der Anwendung
der Gruppenstrahlertechnik. Außerdem besteht vielfach der Wunsch, die komplexen
physikalischen Effekte bei der Schallausbreitung in Festkörpern anschaulich
darzustellen.
Als Modell dient eine vollständige mathematische Beschreibung einer
Punktquelle an der Oberfläche eines isotropen Halbraumes bei impulsförmiger
Anregung. Ein Ansatz für die Erweiterung auf transversalisotrope Medien ist
vorhanden. Die Berechnung der Schallfelder von ausgedehnten Schwingern und
Schwingersystemen, wie bei einem Gruppenstrahler-Prüfkopf, erfolgt durch
Überlagerung der Felder mehrerer Punktquellen mit der so genannten Punktquellensynthese.
Zur Verifizierung der Modellrechnungen wird ein Verfahren zur Schallfeldmessung
verwendet, das sich durch seine einfache Handhabung und einen hohen
Signal-Rausch-Abstand auszeichnet. Dabei wird das streifende Schallfeld an der
Oberfläche von Festkörpern mit einer elektrodynamischen Sonde als Amplituden-
Zeit-Funktion der parallel zur Oberfläche orientierten Teilchenverschiebung
aufgezeichnet. Durch entsprechende Aufbereitung der Messdaten kann so der
zeitliche Verlauf der Wellenfronten sichtbar gemacht werden.
An mehreren Beispielen werden gerechnete Simulationsergebnisse mit
gemessenen Schallfeldverläufen von Gruppenstrahler-Prüfköpfen in Festkörpern
verglichen. Daran kann zum einen gezeigt werden, dass die eingesetzte Methode zur
Messung und Visualisierung von Schallfeldern an der Oberfläche von Festkörpern
sehr anschauliche Darstellungen der Ultraschallausbreitung ermöglicht. Zum
anderen ist erkennbar, dass mit dem hier verwendeten Punktquellenmodell der
Verlauf von Schallfeldern mit qualitativ guter Übereinstimmung zu den Messdaten
berechnet werden kann.
In der jüngeren Vergangenheit wurden verschiedene Verfahren
vorgestellt, um Schallfeldverläufe in Festkörpern messtechnisch zu erfassen und in
anschaulicher Form darzustellen. Hier soll ein Verfahren mit elektrodynamischen
Sonden vorgestellt werden, das sich durch einfache Handhabung und einen hohen
Signal-Rausch-Abstand auszeichnet. Es ermöglicht, das streifende Schallfeld an der
Oberfläche von Festkörpern aus beliebigem Material als Amplituden-Zeit-Funktion
abzutasten, wobei die Teilchenauslenkungen in allen drei Raumrichtungen erfasst
werden können.
Am Beispiel einer anisotropen Engspaltschweißnaht zwischen Chromstahl und einer
Nickellegierung (Alloy617) wird die Leistungsfähigkeit dieses Verfahrens
demonstriert. Die Messmethode erlaubt es, die Wellenausbreitung durch die
Schweißnaht sichtbar zu machen und das Reflexions- und Streuverhalten an den
anisotropen Strukturen sowie an eingebrachten Testfehlern zu zeigen. Ziel dieser
Entwicklung ist es, die Schallausbreitung in Festkörpern, insbesondere in solchen
mit akustisch anisotropen Eigenschaften, besser zu verstehen, die vorhandenen
Modellvorstellungen zu verifizieren und die Prüfmethoden zu optimieren bzw.
weiterzuentwickeln.
Die Prüfung von anisotropen Schweißnähten auf Querfehler stellt auch heute noch eine Herausforderung für die Ultraschallprüfung dar. Das gilt insbesondere für das Auffinden kleiner rissartiger Fehlstellen in einer unbeschliffenen Wurzel. Ursachen dafür sind zum einen das ausgeprägte Beugungs-, Streuungs- und Reflexionsverhalten solcher Nähte und zum anderen die störenden Formanzeigen aus dem Wurzelbereich, die sicher von den Fehlstellen unterschieden werden müssen, um Fehlinterpretationen bei der Bewertung der Anzeigen zu vermeiden.
In der vorliegenden Arbeit werden an einer 85 mm dicken und 6 bis 10 mm breiten Engspaltschweißnaht mit stängelkristalliner Struktur rissartige Testfehler in Form erodierter Nuten untersucht. Die 2 und 4 mm tiefen Nuten sind mit 5 mm Länge kürzer als die Wurzelbreite. Die Wurzel ist nicht beschliffen und hat eine Überhöhung von ca. 2 mm. Ziel ist es, die Fehlstellen von den Form- und Gefügeanzeigen
zu unterscheiden und sicher zu detektieren. Eine Größenbestimmung ist
nicht vorgesehen.
Durch den Einsatz der Gruppenstrahlertechnik ist es möglich, optimale Einschallparameter zu finden, mit denen diese Aufgabe gelöst werden kann. Es werden zwei azimutal schwenkende lineare Gruppenstrahlerprüfköpfe mit Vorsatzkeil in SE-Technik verwendet, die so auf beiden Seiten der Schweißnaht angeordnet sind, dass sich ihre Schallfelder unabhängig von der Einschallrichtung in der Schweißnahtwurzel überlagern. Damit ist es möglich, optimale Einschallwinkel für das Prüfproblem zu finden und in einer Prüffahrt gleichzeitig in beiden Einschallrichtungen längs der Schweißnaht zu prüfen.