(WT3-13) – Impuls-Echo-Verfahren

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Inhaltsverzeichnis:
In diesem Kursabschnitt befassen wir uns mit dem Impuls-Echo-Verfahren, welches eine zerstörungsfreie Werkstoffprüfung zulässt. 

Für ein optimales Verständnis helfen dir ein Videoclip und mehrere anschauliche Beispiele zu dem Thema.

Mehr zu diesem Thema und der Werkstofftechnik findest du im Kurs: WT3-Werkstoffprüfung

 

Merk’s dir!

Das Impuls-Echo-Verfahren dient als zerstörungsfreies Prüfverfahren zur Fehlersuche in Werkstoffen mit Hilfe von Ultraschall.

 

++ Videoclip – Impuls-Echo-Verfahren ++

In diesem Video vermittelt dir Jan einen ersten Überblick zum Verfahren.” 

 

Alle weiteren Informationen zur diesem Verfahren der Ultraschallprüfung findest du im nachfolgenden Text.

 

Grundlagen – Impuls-Echo-Verfahren

In einem vorherigen Kursabschnitt hast du bereits die Ultraschallverfahren im Allgemeinen kennengelernt. Jetzt wenden wir uns dem Impuls-Echo-Verfahren zu, als Unterform der Ultraschallverfahren. Es handelt sich bei diesem Verfahren um eines der gängigsten Verfahren zur Ultraschallprüfung.

 

Prinzip des Verfahrens

Das Impuls-Echo-Verfahren fußt auf dem Reflexionsgesetz. Sobald eine Schallwelle auf einen Riss oder eine Poren innerhalb des Bauteils trifft, wird die Schallwelle fast vollständig reflektiert. 

Merk’s dir!

Die reflektierte Schallwelle wird anschließend von dem sendenden Prüfkopf wieder aufgenommen. Der Piezokristall im Prüfkopf dient sowohl als Sender als auch Empfänger.

 

Impuls-Echo-Verfahren
Impuls-Echo-Verfahren

 

Wie ist sowas überhaupt möglich?…

Einfach gesprochen entscheidet hier das Timing. Innerhalb einer Zeitdauer von ca. 30-40 \mu s wird ein ca. 1-2 \mu s andauernder Sendeimpuls ausgesandt. In der Zeit zwischen zwei Sendeimpulse fungiert der Schallprüfkopf als Empfänger

So ist es möglich, die vorzeitig reflektierte Schallwelle infolge einer Fehlerstelle über eine Umwandlung zu elektrischen Spannungsimpulsen im Piezokristall (als Empfänger) im Prüfkopf auf einem Oszillographen-Bildschirm darzustellen.

 

Bildliche Darstellung von Ultraschall

Die Visualisierung erfolgt mit Hilfe einer Bildröhre. Bei dieser Bildröhre handelt es sich um einen Oszillographenschirm. In der nächsten Abbildung siehst du diese für den Fall dass eine fehlerfreie und ein fehlerbehafte Probe vorliegt. 

Impuls-Echo-Verfahren - Oszillographenschirm
Impuls-Echo-Verfahren – Oszillographenschirm

Der Kurvenverlauf startet mit dem ersten Ausschlag. Hier handelt es sich um den Sendeimpuls (Eingangssignal).

Bei einem ungestörten Verlauf, also bei einer fehlerfreien Probe, stellt der zweite Ausschlag das Rückwandsignal (Bodenecho) dar. 

 

Anders verhält es sich bei einer fehlerhaften Stelle. Hier ist der zweite Ausschlag als Fehlersignal weniger stark ausgeprägt, was dann auf einen Materialfehler in dem Bauteil hinweist. 

Kaum zu glauben…

Das menschliche Auge kann in einer Sekunde lediglich 30 Bilder wahrnehmen. Die Impulse werden jedoch 50 mal innerhalb einer Sekunde wiederholt. Aus diesem Grund erscheint der Verlauf des Bildpunktes lediglich als starres Bild. – Da hat das BIO-ENGINEERING wohl noch Nachholbedarf..

 

“In modernen Varianten des Impuls-Echo-Verfahren kommen zumeist keine Schirme mehr zum Einsatz, stattdessen ist der Prüfkopf über eine USB-Schnittstelle mit einem Tablet oder Laptop verbunden und die Darstellung erfolgt mit Hilfe einer geeigneten Software.” 

Merk’s dir!

Es werden akustische Wellen im Bereich des Ultraschalls mit Frequenzen zwischen 0,2 MHz bis 100 Mhz über einen Prüfkopf impulsartig in das zu prüfende Bauteil eingekoppelt.

 

Die Dauer eines Impulses beträgt im Normalfall lediglich nur Mikrosekunden. Jeder Schallimpuls breitet sich im Bauteil mit einer werkstoffabhängigen Schallgeschwindigkeit aus. 

Sobald sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschallimpulses an einer Stelle ändert, werden die Schallwellen reflektiert. Dieses Echo weist dann auf einen Bauteilfehler wie eine Pore oder einen Riss hin. 

 

Dichte und Schallgeschwindigkeit von Werkstoffen

In der nachfolgenden Abbildung findest du eine entsprechende Übersicht von ausgewählten Werkstoffen inklusive der Angabe ihrer Dichte und der Schallgeschwindigkeiten von Druckwellen und Schubwellen. 

Impuls-Echo-Verfahren - Schallgeschwindigkeiten
Impuls-Echo-Verfahren – Schallgeschwindigkeiten

 

Schaut man sich die Kennzahlen innerhalb der Tabelle mal genau an, so fällt direkt ins Auge, dass die Schallgeschwindigkeit der Druckwellen \nu_1 ungefähr doppelt so groß ist, wie die Schallgeschwindigkeit der Schubwellen \nu_t

 

Prüfköpfe

Das Aussenden und das Empfangen der Ultraschallwellen wird mit Hilfe der Prüfköpfe realisiert. In diesen befinden sich Piezokristalle.

Wir unterscheiden zwei Formen von Prüfköpfen.

  1. Normalschallprüfköpfe
  2. Winkelschallprüfköpfe

 

Merk’s dir!

Damit der Prüfkopf die Ultraschallimpulse auch in das Werkstück einkoppeln kann und nicht bereits an der Außenseite des Werkstückes die gesamten Schallimpulse zurückgeworfen werden (Eingangsecho), muss die gesamte Fläche des Prüfkopfes vollständig auf dem Prüfstück aufliegen. Die von Fehlerstellen oder von der Rückwand reflektierten Schallimpulse werden durch einen Empfänger wieder registriert. 

 

Normalschallprüfkopf

“Der Normalprüfkopf besitzt nur ein einzelnes Piezoelement (Schwinger), welches abwechselnd als Sender und Empfänger geschaltet wird.”

 

Der Normalschallprüfkopf funktioniert mit einer senkrechten Einschallung mit Ultraschall. In der nächsten Abbildung ist dieser schematisch dargestellt:

Prüfkopf - Normalschallprüfkopf
Prüfkopf – Normalschallprüfkopf

 

Er erzeugt dabei Druckwellen mit einer starken Richtung. Alternativ spricht man hier auch von Longitudinalwellen. Wie diese aussehen zeigt dir die nächste Abbildung:

Impuls-Echo-Verfahren Normalschallprüfkopf Schallbündel
Impuls-Echo-Verfahren Normalschallprüfkopf Schallbündel

 

In der Abbildung kannst du erkennen, dass der höchste Schalldruck auf der akustischen Achse vorliegt und nach außen hin abfällt. 

Was ist dein Problem?…

“Problematisch ist, dass während der Sendezeit kein Empfangen möglich ist. Hinzu kommt die Abklingphase im schwingenden Kristall, bei welchem auch noch kein Empfangsmodus geschaltet werden kann. Wenn jetzt ein sehr oberflächennaher Fehler eine vorzeitige Reflektion innerhalb der Abklingphase erzeugt, dann wird dieser Fehler nicht registriert.

Aus diesem Grund eignet sich dieser Prüfkopf (Normalschallprüfkopf) nicht für die Erfassung von oberflächennahen Fehlern.”

 

Winkelschallprüfkopf

Der Winkelschallprüfkopf nutzt eine schräge Einschallung mit Ultraschall. Der Aufbau und die Funktionsweise des Winkelschallprüfkopfs ist nachfolgend dargestellt:

Impuls-Echo-Verfahren Winkelschallprüfkopf
Impuls-Echo-Verfahren Winkelschallprüfkopf

 

Die Schalldruckwellen werden nach dem optischen Brechungsgesetz an der Grenzfläche vom Einfallslot weg gebrochen. Es werden mit dem Vorgang des Eindringens Druck- und Schubwellen erzeugt. Alternativ spricht man hier auch von Transversalwellen

Merk’s dir!

Den Winkelschallprüfkopf setzt man vorrangig bei der Schweißnahtuntersuchung ein.

 

Was kommt als Nächstes?

Nachdem du jetzt das Impuls-Echo-Verfahren kennengelernt hast und den Unterschied zwischen Normalschallprüfkopf und Winkelschallprüfkopf kennst, möchten wir dir in der folgenden Lerneinheit mit dem Bild-und-Rekonstruktionsverfahren eine weitere Variante der zerstörungsfreien Prüfverfahren vorstellen. 

Was gibt es noch bei uns?

Tausende interaktive Übungsaufgaben

Übungsbereich

Quizfrage 1

 

Quizfrage 2

 

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