Zerstörungsfreie Schweißnahtprüfung mit dem Durchstrahlungsverfahren

4.1 Allgemeines über das Prüfverfahren

Inhomogenitäten und ImperfektionenRöntgenverfahren und die Grobstrukturprüfung mit Isotopen bilden die Gruppe der Durchstrahlungsverfahren. Mit diesen Verfahren können Inhomogenitäten undImperfektionen, also Fehler in Schweißnähten, durch Streuung und durch Absorption hochenergetischer Strahlen und damit erfolgenden Intensitätsänderungen imStrahlenfeld mit optischen Hilfsmitteln sichtbar gemacht werden.Angewandt werden die Durchstrahlungsverfahren mit Einschränkungen hinsichtlich der vom Material abhängigen durchstrahlbaren Materialstärke bei allen Werkstoffen.Mit den Durchstrahlungsmethoden können die Fehlerart und die Fehlergröße direkt sichtbar gemacht werden.Die Tiefe ist allerdings nicht zu bestimmen.

Bildgüte/SchärfeDie Fehlererkennbarkeit bei der Prüfung mit Röntgenstrahlung hängt direkt von der erzielbaren Bildgüte ab. Diese ist gekennzeichnet durch den Kontrast und dieSchärfe. Diese sollen beide möglichst hoch sein. Geht beides nicht gleichzeitig, dann ist eine hohe Schärfe zu bevorzugen.Haupteinflussfaktoren sind:

MaterialartMaterialdickeStrahlungsenergieObjektflächeObjektabstand

Schattenbild aller UnregelmäßigkeitenRadioaktive Strahlung (Gammastrahlung) bestimmter Qualität und Quantität aus einer kontrollierbaren Strahlenquelle durchdringt ein Prüfstück, wird dort unterschiedlichgeschwächt und gibt ihre dadurch erhaltene Bildinformation an einen hinter der Prüfzone angeordneten Empfänger weiter. Da sich Röntgenstrahlung geradlinigausbreitet, wird auf dem Empfänger (z.B. Film, Videokamera) ein Schattenbild aller Unregelmäßigkeiten (Einschlüsse, Kerben usw.) erzeugt und festgehalten.Hohlraumerzeugende Unregelmäßigkeiten (Poren, Risse, Einschlüsse usw.) bewirken eine lokal geringere Wanddicke und folglich eine entsprechend geringereSchwächung. An diesen Stellen wird der Röntgenfilm stärker geschwärzt (direktes Abbild des Fehlers!).

AnwendungDie Durchstrahlungsprüfung spielt bei der Sicherung der Güte von Schweißarbeiten eine ganz besondere Rolle.Dies hat mehrere Gründe:

Erzeugung eines projizierten Abbilds (Fehlergröße)gute Dokumentierbarkeit (Filme werden aufbewahrt)Auswertung kann getrennt vom Prüfvorgang erfolgen (z.B. in „Expertenrunde“)Güte der Prüfung kann nachvollzogen werden (Film)

Die Durchstrahlungsprüfung findet besonders bei der Prüfung von Stumpf- und durchgeschweißten Nähten (eine Kehlnaht ist weniger gut geeignet) eine breiteAnwendung. Die Prüfung darf jedoch nur von qualifiziertem Schweißgüteprüfpersonal durchgeführt werden.

4.1.1 RöntgenprüfungVorteile der Röntgenprüfung:

nicht nur Oberflächenverfahren, auch verdeckte Teile prüfbarDokumentation des Befunds auf FilmFehlergröße und Fehlerform sichtbarkein direkter Zugang zum Prüfbereich erforderlichbesonders geeignet für voluminöse Fehler wie Poren, Einschlüsse, Warmrisse und Schweißnahtfehlervielseitiges und universelles Prüfverfahren

Nachteile der Röntgenprüfung:

nur begrenzte Materialdicken prüfbarFehlererkennbarkeit relativ zur durchstrahlten Dickefür Risse nur gezielt anwendbarFehlerlage muss bekannt seinFehlertiefenbestimmung schwierigzeitlich und apparativ aufwendiges VerfahrenStrahlengefährdunghoher Schulungsaufwand

Anwendungsbeispiele:

Rissprüfung an verdeckten Bauteilen, z.B. mehrlagige StrukturenSchweißnahtprüfung, LötverbindungenFremdkörperkontrolleMaterialüberprüfung

Abbildung 10: Durchstrahlungsprüfung

Bedingungen:

zugängliche Naht (beidseitig)Wanddicke < 40 mmOberfläche max. 70 °C (sonst Sondermaßnahmen)mit Mikrofokustechnik bis 60-fache VergrößerungSicherheitsvorkehrungen (Strahlenschutz > 10–20 m)

Erkennbare Fehler:

innenliegende FehlerFehlergröße bis ca. 0,1–0,01 mm (Mikrofokus)Risse, Poren, Kerben, Bindefehler, Einschlüsseungenügende Durchschweißung

Darstellung von MaterialunterschiedenDie Durchstrahlungsprüfung ist also ein bilderstellendes Verfahren zur Darstellung von Materialunterschieden. Mithilfe einer geeigneten Strahlenquelle (z.B. einerRöntgenröhre oder eines radioaktiven Isotops) wird die Dichte eines Bauteils auf einem Röntgenfilm abgebildet. Auf dem Röntgenfilm erscheint ein Projektionsbild einesBauteilbereichs. An der unterschiedlichen Schwärzung lässt sich die abweichende Materialdicke oder -dichte erkennen.Je dicker oder dichter ein Bauteil, umso weniger Strahlung kann es durchdringen, umso heller ist also der Röntgenfilm. Bei der üblichen Durchstrahlungsprüfung befindetsich die Strahlenquelle auf der einen Seite des zu prüfenden Bauteils und ein Röntgenfilm auf der gegenüberliegenden Seite.

Prüfung von Oberflächen- und InnenfehlernNeben einer Reihe von Prüfverfahren, die nur solche Fehler zeigen, die auch Zugang zur Oberfläche haben, ist die Durchstrahlungsprüfung mit Röntgen- undGammastrahlen eines der am häufigsten eingesetzten Verfahren zur Prüfung von Oberflächen- und Innenfehlern. Bei Unterschieden der Dichte zwischen Fehlstelle undGrundmaterial ist der volumenhafte Fehler nachweisbar. Auch feine Risse lassen sich bei geeignetem Einstrahlwinkel finden.

4.1.2 Isotopenquellen

VorteileVorteile von Isotopenquellen gegenüber Röntgenröhren:

Unabhängigkeit von Strom und Wasser, Verwendung auf Baustellen, z.B. im Grabenkleine Abmessungen der Ausrüstung, leichte Handhabbarkeitgeringerer Platzbedarf am Bauteil, z.B. der bei Prüfung von Schweißnähten an Rohren kleinerer Durchmesser von innen nach außenhöheres Durchdringungsvermögen als bei den Röntgenröhren, Energie von 200 keV bis 1,33 MeV

NachteileNachteile von Isotopenquellen gegenüber Röntgenröhren:

im Allgemeinen schlechtere Bildqualität gegenüber RöntgenröhrenaufnahmenStrahlung kann nicht abgeschaltet werdenEnergie der Strahlung nicht regulierbar

Anwendungsbereiche:

Schweißverbindungen aller ArtAluteileschwere Gussteile (Dicken bis ca. 100 mm)TurbinenschaufelnWellenGFK/CFKdickwandige industrielle RohrleitungenStahlbeton (Dicken bis ca. 300 mm)

4.2 Grundprinzip der Durchstrahlungsprüfung

Projektionsbild mit verschiedenen SchwärzungenBei der Durchstrahlungsprüfung wird mithilfe eines geeigneten Strahlers (Röntgenröhre, Isotop) die Dichte des Bauteils auf einem Röntgenfilm abgebildet. Durchunterschiedliche Dichte oder Dicke des Bauteils erscheint das Projektionsbild mit verschiedenen Schwärzungen. Je dichter oder dicker ein Bauteil ist, desto wenigerStrahlung kann es durchdringen. Dadurch kommt es zu einer geringeren Schwärzung des Films.

AnwendungsbereichDie Durchstrahlungsprüfung ist hauptsächlich zum Nachweis von volumenhaften Fehlern geeignet. Je höher der Dichteunterschied zwischen Fehlstelle undGrundmaterial, desto besser ist die Nachweisbarkeit. Mit geeigneten Einstrahlwinkeln ist auch das Auffinden von feinen Rissen möglich. Diese müssen dazu jedochweitgehend parallel zur Einstrahlrichtung verlaufen.

KontrastDie Detailerkennbarkeit wird dabei durch den Kontrast und die Auflösung (Unschärfe, Körnigkeit) beeinflusst. Der Kontrast ist wiederum abhängig von folgendenFaktoren:

Dicke des PrüfstücksStrahlenqualitätStreustrahlungFilmtypEntwicklungsgradSchwärzung

FehlernachweisBeim Fehlernachweis gibt es bezüglich des Prüfprinzips keine grundsätzlichen Unterschiede zwischen Röntgen- und γ-Prüfung.Je nach Werkstoffdicke, Schwächungskoeffizient und eventuell vorhandenen Fehlern durchdringen die Strahlen das Werkstück unterschiedlich stark und der direktdahinter befindliche Film wird unterschiedlich geschwächt.Fehler werden demzufolge dunkler (geringere Schwächung z.B. durch Lunker, Risse) oder heller (Pb-Einschluss in Stahl, W-Einschluss in Aluminium) abgebildet.

Scharfe und kontrastreiche AbbildungenUm möglichst „scharfe“ und kontrastreiche Abbildungen in vertretbaren Belichtungszeiten zu erhalten, ist der Abstand zwischen Strahlungsquelle und Film inAbhängigkeit von der Werkstücksdicke zu optimieren. Zu große Entfernungen verringern die Intensität und erhöhen die Belichtungszeiten, zu geringe Entfernungenvergrößern die geometrische Unschärfe (Halbschattengebiet am Fehlerrand).Der Röntgenfilm muss sich immer unmittelbar hinter dem Werkstück befinden, um die Unschärfen gering zu halten. Je nach Werkstücksform empfehlen sich dazuunterschiedliche Filmanordnungen.

BildgüteklasseDie Bildgüteklasse erlaubt eine Aussage zur Qualität der Röntgenaufnahme und zur Zulässigkeit einer Auswertung. Bei Filmauswertungen werden z.B. Fehlerart,Fehlergröße, Fehlerform und Fehlerverteilung bestimmt.Je nach Anwendungsfall werden für einen Werkstoffeinsatz bestimmte, kleine Fehlstellen geringer Anzahl zugelassen. Insbesondere für Schweißnähte existierenBewertungsvorschriften. Die Auswertung der Röntgenfilme gestattet also im Unterschied zur Ultraschallprüfung eine eindeutige Aussage zur Fehlerart.

Aussage zur TiefenlageDie seitliche Ausdehnung ist erkennbar, zur Tiefenlage ist eine Aussage nur bei Mehrfachaufnahmen aus verschiedenen Richtungen möglich, was nur in speziellen Fällenerfolgt.Im Vergleich zum Ultraschall sind die prüfbaren Materialdicken wesentlich geringer, die Prüftechnik ist aufwendiger und kann bei Filmtechnik nur diskontinuierlicheingesetzt werden.

Zu beachten sind bei einem Verfahrensvergleich die Erfordernisse des Strahlenschutzes.

Wichtige Eigenschaften der Röntgen- und GammastrahlenFolgende Eigenschaften der Röntgen- und Gammastrahlen sind für die Prüftechnik bedeutsam:

Durchdringungsfähigkeitchemische Wirkung (Schwärzung fotografischer Filme)fluoreszierende Wirkung (bestimmte Stoffe werden angeregt, ihre eigene sichtbare Strahlung auszusenden)ionisierende Wirkungbiologische Wirkung (Arbeitsschutz)

Die Durchdringungsfähigkeit ist die Voraussetzung für die Durchstrahlungsprüfung.

Fehlernachweis beruht auf der Schwächung der StrahlenDer Fehlernachweis beruht auf der Schwächung der Strahlen beim Durchdringen von Stoffen. Es können jedoch nur solche Fehler erfasst werden, die die Strahlen andersschwächen als der durchstrahlte Werkstoff. Dadurch entsteht auf dem Röntgenfilm ein Schwärzungsunterschied, durch den der Fehler erkennbar wird. ZurKontrastverbesserung werden vor und hinter dem Röntgenfilm, der im Gegensatz zu üblichen Fotofilmen doppelseitig mit einer lichtempfindlichen Silberbromidschichtbeschichtet ist, Verstärkerfolien angeordnet.

Durchstrahlungsprüfung mit Röntgen- und GammastrahlenZum Überprüfen der Abstimmung und zum Bestimmen der Bildgüte werden amtlich geprüfte Drahtstege nach DIN bzw. ASTM verwendet. Sie werden auf das Bauteilgelegt und ebenfalls durchstrahlt. Der dünnste gerade noch erkennbare Draht kennzeichnet die Bildgütezahl (BGZ) und damit das Maß der Fehlernachweisbarkeit. AlsStrahlenquelle wird Röntgenstrahlung (x-Ray) aus einer Röntgenröhre oder die Strahlung eines radioaktiven Isotops wie z.B. Iridium 192 (γ-Strahler) verwendet.

Beide Strahlungsquellen sind gesundheitsschädlich und unterliegen dem Strahlenschutzgesetz (DIN 54113 und DIN 54115). Die Prüfung mit diesen Strahlendarf daher nur unter Sicherheitsvorkehrungen durchgeführt werden und obliegt speziell ausgebildetem Personal.

4.3 Arbeitsschutz

Wirkung auf den menschlichen OrganismusDa Röntgenstrahlen nicht nur Werkstoffe, sondern auch den menschlichen Organismus in starkem Maße beeinflussen, ist auf besondere Schutzmaßnahmen zu achten.Die Wirkung auf den menschlichen Organismus tritt erst nach Tagen oder Wochen ein, sodass mit Spätschäden zu rechnen ist.Zum Schutz dienen Bleimäntel, Blenden und Filter, die die Strahlenmenge beschränken sollen. Das Bedienpersonal von Röntgenanlagen muss eine „Plakette“ tragen, inder sich ein Röntgenfilm befindet, durch dessen Schwärzung die Strahlendosis ermittelt werden kann.

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