Zerstrungsfreie WerkstoffprfungWerkstoffpraktikum Versuch III

Gruppe 10Versuchsdatum: 16.5.2011

Jonathan Ebert Joniebert@gmx.net Handy: 0151/23314802 Handy: 0151/2334802 04.07.2011

WERKSTOFFPRAKTIKUM VERSUCH III

4 Juli 2011

Inhalt:

1. Grundlagen 2. Versuchsdurchfhrung 3. Ergebnisse + Diskussion 4. Quellen

Seite 1 von 20

WERKSTOFFPRAKTIKUM VERSUCH III

4 Juli 2011

Zerstrungsfreie Werkstoffprfung1. GrundlagenIm Versuch III beschftigten wir uns mit der Ultraschallprfung von Werkstoffen, es ist das gngigste Verfahren zur Qualittskontrolle in der zerstrungsfreien Werkstoffprfung. Die Ultraschallprfung ist Fehlerortung und Fehlergrenbestimmung mittels Ultraschall. Hierzu werden Frequenzen von > 20 khz, also oberhalb des Hrbereiches, zum Detektieren von Lunkern, Lufteinschlssen, Poren und Rissen innerhalb eines Werkstcks verwendet. Es wird ausgenutzt, dass der Schall bei einem Durchgang durch ein Werkstck an Fehlern zurckgeworfen wird. Dieses Echo wird vom Prfgert empfangen und ausgewertet. Die Methode basiert auf dem, von der Schallgeschwindigkeit linear abhngigen Schallwellenwiederstand.

Es gilt: (1.0)

Wi = Schallwellenwiderstand im Material i i = Dichte des Materials i ci = Schallgeschwindigkeit im Material i

Seite 2 von 20

WERKSTOFFPRAKTIKUM VERSUCH III

4 Juli 2011

Aus der Differenz der Wellenwiderstnde W1 und W2 errechnet man den Wert des Reflexionskoeffizienten R (Verhltnis zwischen dem Schalldruck von reflektierter und einfallender Welle). W1 steht hierbei fr den Schallwellenwiederstand des zu prfenden Werkstoffes, W2 steht fr den Schallwellen-wiederstand des Fehlers. Es gilt (1.1)

Der Transmissionskoeffizient T ist mit T = 1 + R definiert. Reflexions- und Transmissionskoeffizienten zeigen wie viel Prozent der Welle jeweils reflektiert oder durchgelassen werden. Je geringer die Dichte von Werkstoff 2, desto strker wird die Welle reflektiert. Die Schallwellen in einem Festkrper kann man sich als annhernd elastische, atomare Schwingungen vorstellen. Man unterscheidet 2 Arten von Wellen, die Longitudinalwelle und die Transversalwelle.

Abb.1: Transversalwelle

Abb.2: Longitudinalwelle

Quelle: PDF Ultraschallprfung FH Dsseldorf (Link siehe: Literaturverzeichnis: c. ) Seite 3 von 20

WERKSTOFFPRAKTIKUM VERSUCH III

4 Juli 2011

Fllt die Schallwelle schrg auf eine Grenzflche, so wird die Welle reflektiert und gleichzeitig in Transversalwelle (Abb.1) und Longitudinalwelle (Abb.2) gebrochen. Fr den reflektierten Strahl gilt: Einfallswinkel = Ausfallswinkel. Die Ausfallswinkel des gebrochenen Strahls lassen sich mit Hilfe der Schallgeschwindigkeit des jeweiligen Werkstoffes berechnen. Es gilt:

Longitudinalwelle Transversalwelle

(1.2) (1.3)

Abb.3: Schallwelle

Quelle: Skript Versuch III

Beim Durchgang durch ein dichtes Medium werden Schallwellen absorbiert (Abb.3). Die dabei ausschlaggebende Messgre ist der Schalldruck p, bei jeder Schicht des Atomgitters nimmt er um einen bestimmten Prozentsatz ab (Abb.4). Deshalb verringert sich der Schalldruck mit zunehmender Tiefe z im Medium exponentiell.

Seite 4 von 20

WERKSTOFFPRAKTIKUM VERSUCH III

4 Juli 2011

Quelle: Skript Versuch III

Abb.4: Schalldruck

Es gilt: pA (z) = p0 exp{-z}. (1.4)

PA= Schalldruck (am Punkt A) P0= Schalldruck (beim Eintritt) = Absorbtionskonstante

Zustzlich divergiert die Welle mit: pD(z) = k 1/z2 k = Konstante (medium spezifisch) (1.5)

weil sich die Intensitt auf einer grer werdenden Kugeloberflche verteilt.

Die Schwchung des Schalls wird als Verhltnis zu einer Bezugsgre in Dezibel (dB) angegeben. Dabei ist pHS der minimal messbare Schalldruck.

Es gilt: L = 20log p/pHS (1.6)

Seite 5 von 20

WERKSTOFFPRAKTIKUM VERSUCH III

4 Juli 2011

Trifft nun eine Schallwelle in einem Werkstck auf ein dichteres oder weniger dichtes Medium, so ndert sich die Abnahme des Schallpegels im Verhltnis der Gleichung (1.7):

Es gilt: L(z) = L0 20 z 40log z (1.7)

Fr das Auflsungsvermgen der Ultraschallmethode ist ebenfalls die Wellenlnge der Schallwellen entscheidend. Wird sie zu klein gewhlt entsteht ungewollte Streuung, durch kleinste Defekte, die fr die Werkstoffprfung nicht relevant sind.

Es gilt: =c/f (1.8)

Optimal ist eine Wellenlnge in der Gre der zu suchenden Defekte im Werkstck. In unserem Fall lagen die Fehler in der Gre von 1,5 mm, fr Stahl mit der Schallgeschwindigkeit cT= 3220 m/s ist deshalb ein Prfkopf mit einer Frequenz von mehr als 3 Mhz notwendig. Im Praktikum arbeiteten wir mit 4 Mhz.

Seite 6 von 20

WERKSTOFFPRAKTIKUM VERSUCH III

4 Juli 2011

2. VersuchsdurchfhrungUm einen kurzen Einblick in die Ultraschallprfung zu erlangen, wird die Kalibrierung der Prfkpfe anhand eines Normprfkrpers (DIN 54120) durchgefhrt. Das Gert wird auf folgende Werte eingestellt:Tabelle 1

Bildbreite Schallgeschwindigkeit Frequenz Wellenlnge

100 mm 5920 m/s 4 MHz 1,5 mm

Fr die normgerechte Justierung des Gertes mssen folgende Aufgaben der Din 54120 durchgefhrt werden: 2.I. Justierung der Entfernungsanzeige (DIN 54120 Abs. 3.1): Die zu durchschallende Strecke Sa von 25 mm (einfach) ist bekannt. Somit kann der Prfkopfvorlauf so justiert werden, dass die ausgegebene Strecke des ersten Echos genau 25 mm betrgt. Zur Kontrolle wird auch das zweite (50mm) bzw. dritte Echo (75mm) verwendet.

2.II.

Linearitt von Zeitablenkung und Verstrker (DIN 54120 Abs. 4): Diese Messung lsst sich gemeinsam mit der Entfernungsjustierung durchfhren. Hierbei werden bei verschiedenen Schalldrcken die Hhen der Echos gemessen. Wenn Linearitt vorliegt, mssen sich Intensitt und Verstrkung gleichermaen ndern. Durchfhren sollten wir den Versuch fr die Werte: 100%, 80% und 60%.

Seite 7 von 20

WERKSTOFFPRAKTIKUM VERSUCH III

4 Juli 2011

2.III.

Kontrolle der Gerteempfindlichkeit (DIN 54120 Abs. 6.1 letzter Absatz): Zur Kontrolle der Gerteempfindlichkeit wird eine 1,5 mm durchmessende Bohrung berprft. Der Normalprfkopf wird, wie in Abb.5 gezeigt, angesetzt und so lange bewegt, bis das Echo der Bohrung seine grte Hhe erreicht hat.

Quelle: Din 54120Abb. 5: Normprfkrper bei der Messung der Gerteempfindlichkeit

2.IV.

Beurteilung des Tiefenauflsungsvermgens (DIN 54120 Abs. 7): Bei der Beurteilung des Tiefenauflsungsvermgens werden zwei dicht

nebeneinander liegende Reflexionsstellen gemessen, hierbei ist wichtig, dass das Prfgert die unterschiedlichen Reflexionsstellen deutlich getrennt anzeigt.

2.V.

Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in verschiedenen Stoffen: Vor der Ultraschallmessung wird die Lnge der Prfkrper mithilfe eines Messschiebers bestimmt. Nun wird die Schallgeschwindigkeit so angepasst, dass die ausgegebene Strecke der zuvor gemessenen entspricht. Auf diese Weise wurden die Schallgeschwindigkeiten von Plexiglas, Stahl, Aluminium und Kupfer bestimmt. Im Anschluss sollte noch der E-Modul mithilfe des Gewichts bestimmt werden. Die gemessenen Schallgeschwindigkeiten und die errechneten E-Module sollen mit Literaturwerten verglichen werden.

2.VI.

Bestimmung des Schallaustrittspunktes, des Prfkopfvorlaufes und Kontrolle der Justierung und des Einschallwinkels (38) des Winkelprfkopfes (DIN 54120 Abs.5.1 5.3):

Seite 8 von 20

WERKSTOFFPRAKTIKUM VERSUCH III

4 Juli 2011

Zur Bestimmung des Schallaustrittspunktes wird der Winkelprfkopf wie in Abb. 6 auf den Normprfkrper gestellt und solange verschoben bis das Echo sein Maximum erreicht. Auf dem Prfkrper befindet sich eine Markierung die den Mittelpunkt des Kreisbogens Maximalreflexion kennzeichnet. entsteht, wenn Die dieAbb. 6: Positionieren des WinkelprfkopfsQuelle: Din 54120

Schallwelle senkrecht auf die Oberflche des Kreisbogens (r = 100 mm) fllt. Am Winkelprfkopf selbst kann abgelesen bzw. abgemessen werden, wo der Schallaustrittspunkt liegt. Der Prfkopfvorlauf kann analog zu Aufgabe 2.I. bestimmt werden, nur dass der Prfkopf nicht mehr vom Punkt der Maximalreflexion verschoben werden darf, da sich sonst die Entfernung von 100 mm Radius verndert und somit das Ergebnis verflscht wird. Der Einschallwinkel wird mithilfe des

Normprfkrpers festgestellt. Dabei wird der

Abb. 7: EinschallwinkelQuelle: Din 54120

Schall auf die groe Bohrung gelenkt und wiederrum so eingestellt, dass das Echo sein Maximum erreicht. Da der Schallaustrittspunkt bereits bekannt ist kann anhand dessen der Einschallwinkel auf der Skala des genormten Prfkrpers abgelesen werden.Abb. 8: Ausrichtung auf groe BohrungQuelle: Din 54120

Seite 9 von 20

WERKSTOFFPRAKTIKUM VERSUCH III

4 Juli 2011

2.VII.

Untersuchung einer Schweinaht auf Fehler sowie der Lage und Ausrichtung des Fehlers. Dokumentation dieser Fehler in einer Skizze:

Man untersucht einen Stahlquader, der aus zwei zusammengeschweiten Teilen besteht. Man benutzt diesmal das Ultraschall-Impulsecho Gert mit einem Winkelprfkopf.

Bild 1: Untersuchen der Schweinaht

Der Winkelprfkopf besitzt folgende Daten: Schallaustrittspunkt Prfkopfvorlauf Einschallwinkel 13 mm 4,680 s 38

Seite 10 von 20

WERKSTOFFPRAKTIKUM VERSUCH III

4 Juli 2011

Um die Schweifehler zu finden, fhrt man mit dem Winkelprfkopf, in senkrechter Ausrichtung zur Schweinaht, die glatte Flche ab. Dabei betrachtet man das Display und sucht nach aufflligen Peaks. Hierbei muss man beachten, dass das grte Echo das angezeigt wird kein Fehler im Werkstck sondern der Boden des Werkstcks ist. Jetzt muss durch vorsichtiges Bewegen des Winkelprfkopfes das Echo mit der maximalen Hhe fr diesen Fehler gefunden werden. Der Prfkopf darf nicht mehr bewegt werden, da die Lage des Prfkopfes notiert werden muss. Einmal mssen die Abmessungen vom Schallaustrittspunkt des Prfkopfes bis zur Schweinaht, und zum anderen die Abmessungen vom Schallaustrittspunkt des Prfkopfes bis zur hinteren Kante der Stahlplatte gemessen werden. Es wird somit ein Koordinatensystem auf die Platte gelegt. Am Messgert muss der Schallweg Sa abgelesen werden, den der Schall bis zum reflektierenden Fehler zurcklegt. Um den Fehler aus diesen Werten zu orten, muss man zunchst unterscheiden ob es sich um eine direkte oder indirekte Anstrahlung des Fehlers handelt. Bei der direkten Anstrahlung trifft der Schall geradewegs auf den Fehler. Bei der indirekten Anstrahlung wir die Welle vor dem Auftreffen auf den Fehler am Plattenboden reflektiert.

Es gilt: bei direkter Anstrahlung:

(2.1)

Bei indirekter Anstrahlung:

(2.2)

Seite 11 von 20

WERKSTOFFPRAKTIKUM VERSUCH III

4 Juli 2011

3. Ergebnisse + Diskussion3.I. Justierung der Entfernungsanzeige (DIN 54120 Abs.3.1): Wir verwenden als 3. Echo eine durchschallende Strecke von 125mm.Tabelle 2

Sa [mm] 25 50 125

Prfkopfvorlauf [s] 0,800 0,830 0,900

Auffllig ist hierbei, dass man statt den zu erwartenden konstanten Prfkopfwerten, steigende Werte gemessen hat. Eine Fehlerquelle knnte zu wenig Schmiermittel sein. Die nderung des Prfkopfvorlaufes begrndet man auerdem damit, dass die Zeit die die Ultraschallwelle bentigt vom Prfgert nicht exakt linear Messbar ist. 3.II. Linearitt von Zeitablenkung und Verstrker (Din 54120 Abs. 4):Tabelle 3

Sa [mm] 25

Ha [%] 103 83 62

Schalldruck [dB] 29,0 27,0 24,5 32,5 30,5 28,0 43,5 41,5 39,0Seite 12 von 20

50

102 80 60

125

102 81 62

WERKSTOFFPRAKTIKUM VERSUCH III

4 Juli 2011

Linearitt Zeitablenkung und Verstrker120 100 Max. Echo Ha [%] 80 60 40 Sa [mm]25 Sa [mm]50 Sa[mm]125

200 29 27 24,5 32,5 30,5 28 43,5 41,5 39 Verstrkung in [dB]

Abb: 9 Diagramm der Werte von Tabelle 3

Man erkennt in den Werten der Tabelle eine lineare Abhngigkeit.

3.III.

Kontrolle der Gerteempfindlichkeit (DIN 54120 Abs. 6.1 letzter Absatz:)

Der Prfkopf wird wie auf Bild 2 auf die Bohrung ausgerichtet, sodass das Echo seinen Maximalwert erreicht. Damit wird die Genauigkeit des Gertes getestet, diese ist wichtig, fr zB. Gerte in der Industrie, die stetig genutzt werden. Im Normalfall lsst die Gerteempfindlichkeit im Laufe der Zeit nach. Lsst sich die Bohrung detektieren ist eine ausreichende Gerteempfindlichkeit vorhanden.

Seite 13 von 20

WERKSTOFFPRAKTIKUM VERSUCH III

4 Juli 2011

Bild 2: Kontrolle der Gertempfindlichkeit

Durchmesser Bohrung: 1,5mm Frequenz Prfkopf: 4MHz Geschwindigkeit: 5920 m / s = 1,48mm

Die Wellenlnge der Longitudinalwelle ist kleiner als der Durchmesser der Bohrung. Daher kann die Bohrung mit dem vorliegenden Prfgert detektiert werden.

3.IV.

Beurteilung des Tiefenauflsungsvermgens (DIN 54120 Abs.7): Auf Bild 3 werden drei verschiedene Reflexionsstellen mit unterschiedlicher Tiefe und Breite gemessen. Das Bild 4 zeigt die dazugehrigen Messschaubilder des Gertes.

Seite 14 von 20

WERKSTOFFPRAKTIKUM VERSUCH III

4 Juli 2011

Bild 3: Beurteilung der Tiefenauflsung

Bild 4: Display Tiefenauflsung

Man erkennt deutlich die drei unterschiedlichen Reflexionsstellen.

Seite 15 von 20

WERKSTOFFPRAKTIKUM VERSUCH III

4 Juli 2011

3.V.Tabelle 4

Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in verschiedenen Stoffen:

Grup Stoff pe:

Abma [mm]

Volumen [dm]

Gewicht [g]

Dichte [g/dm] (vgl. Literaturwert)

Geschwindigkeit [m/s] (gemessen)

1

Alu Plexiglas

105*47*25 136*101*51 157*30*30 70*41*18

0,1234 0,701 0,141 0,052

344 819 1262 396

2,8 (2,7) 1,17(1,18) 8,93(8,96) 7,62(7,86)

6348 2769 4339 5369

2

Kupfer Stahl

Bei Plexiglas ist aufgrund der starken Absorption nur ein Peak zu erkennen. Der E-modul lsst sich mit der Gleichung berechnen: Es gilt: (3.1) (3.2)

v := Querkontraktionszahl G := Schubmodul E := E-Modul

Querkontraktionszahlen der verwendeten Stoffe: Alu: v=0,34 ; Kupfer: v= 0,3; Stahl: v=0,3; Plexiglas: v=0,42;

(Quelle: Tabellenbuch Metall)

Seite 16 von 20

WERKSTOFFPRAKTIKUM VERSUCH III

4 Juli 2011

Tabelle 5

Stoff

EModul (Literaturwert) [kN/mm]

EModul (errechnet) [kN/mm] 68,4 2,9 123 212,8

Schallgeschwindigkeit (Literaturwert)

Alu Plexiglas Kupfer Stahl

70 2,7-3,2 100-130 210

6200 2670 4700 5920

3.VI..

Bestimmung des Schallaustrittspunktes, des Prfkopfvorlaufes und Kontrolle der Justierung und des Einschallwinkels (38) des Winkelprfkopfes. Hierbei sind folgende Werte gemessen worden. PK- Vorl. 4,911 s Schallaustrittspunkt: 13 mm Winkel 39

Die gemessene Abweichung des Einschallwinkels um 1 knnte durch ungleich verteiltes Gleitgel zwischen Prfkopf und Werkstck entstanden sein.

Seite 17 von 20

WERKSTOFFPRAKTIKUM VERSUCH III

4 Juli 2011

3.VII. Untersuchung einer Schweinaht auf Fehler sowie der Lage und Ausrichtung des Fehlers.Tabelle 6

Gefundene Fehler:

Koordinaten: (xF / y) [mm] 61/15 43/23 24/24 44/16 36/17

Tiefe: t [mm]

1 2 3 4 5

31,37 12,55 19,75 31,19 25,17

Tabelle 7 : Auftragung der Messwerte X/Y Ebene

Position der Messwerte im Querschnitt30 25 20 Y in [mm] 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 60 70 XF in [mm]

xF = Abstand zwischen Prfkopf und Schweinaht y = Abstand zwischen Prfkopf und Kante (zur Rckseite)

Seite 18 von 20

WERKSTOFFPRAKTIKUM VERSUCH IIITabelle 8: Auftragung der Messwerte X/Z Ebene

4 Juli 2011

Position der Messwerte im Querschnitt35 30 25 Z in [mm]

2015 10 5 0 0 10 20 30 40 50 60 70 XF in [mm]

xF = Abstand zwischen Prfkopf und Schweinaht z = Abstand zwischen Prfkopf und Fehler (tiefe)

Seite 19 von 20

WERKSTOFFPRAKTIKUM VERSUCH III Literaturverzeichnis:

4 Juli 2011

a. Skript Versuch III b. DIN 54120 c. http://docs.google.com/viewer?a=v&q=cache:zsh3xlH-bF0J:et.fhduesseldorf.de/e_einr/d_labore/physik/Ultraschall.PDF+Fachhochschule+d%C3%BCs seldorf+Ultraschallpr%C3%BCfung&hl=de&pid=bl&srcid=ADGEESixIILNXrKnCrAslkZw qZxjD8Ze1yRhXtZna901BtiiLCdFUxoGttJqrSeZUuog3eoRfJeLq8GSChUqouL7MWTlgwM2O3QkKVWWMys3P7ONWvaxkFgcSmJKeCNRtOTtE3hOS&sig=AHIEtbQ3ZkKXM30nL63A1Aq7-1XE6Ym1WA d. Tabellenbuch Metall (Ulrich Fischer)

Seite 20 von 20