Welchen Prüfkopf sollte ich für die Ultraschall-Prüfung auswählen?
Prüfköpfe sollen im Werkstück Schallwellen mit bestimmten Eigenschaften erzeugen, und diese Wellen sollen unter bestimmten Kriterien Fehlstellen des Werkstücks aufzeigen. Der Prüfkopf muß sich also den Bedingungen unterordnen, die das Werkstück nach Material und Form sowie die Prüfanforderungen (z. B. Mindestfehlergröße) stellen. Dies ist natürlich nur möglich, solange die Grundlagen der Akustik nicht im Wege stehen, wie z. B. bei der Forderung nach einem divergenzfreien Schallbündel, das zwar prüftechnisch durchaus sinnvoll, aber aus physikalischen Gründen leider nicht zu verwirklichen ist.
Als zweckmäßig hat sich erwiesen, zuerst die Prüffrequenz festzulegen und mit dieser dann die Abmessungen des geeignetsten Prüfkopfs zu ermitteln. Die Prüffrequenz muss sich richten nach:
16.1 Der Schallschwächung im Werkstück. Mit größerer Prüffrequenz ist eine höhere Schallschwächung verbunden.
16.2 dem kleinsten nachzuweisenden Reflektor, und der Struktur des Werkstoffs. Gefügestrukturen sollen nach Möglichkeit weit unterhalb
der Schallwellenlänge λ bleiben. Bei mittlerem Korndurchmesser dk empfiehlt sich für die praktische Prüfung:
Für den kleinsten noch nachzuweisenden Reflektor dr
sollte gelten:
16.3 nach den Prüfanforderungen an die Richtcharakteristiken. Ist mit flächigen Reflektoren zu rechnen, die nicht immer senkrecht vom suchenden Schallbündel getroffen werden können, so ist der Fehlernachweis um so schwieriger, je höher die Frequenz ist.Der Reflektor reflektiert dann nämlich in eine bevorzugte Richtung, die nicht mehr zum Empfangsprüfkopf zeigt: Der Reflektor wird übersehen
(Bild 50).
16.4 nach den Prüfanforderungen an das Fern-Auflösungsvermögen.
Je höher die Frequenz, desto besser lassen sich benachbarte Reflektoren getrennt nachweisen.
16.5 nach den besonderen Bedingungen, die Fehlerart und Werkstücksgeometrie stellen. Sie können erfüllt werden durch Änderung der Form und der Anordnung einer oder mehrerer Schallquellen. Also runde oder rechteckige Wandler; ebene oder fokussierende Schallquellen, Normal- oder Winkelprüfköpfe; einzelne
Wandler oder SE-Anordnung usw. SE-Prüfköpfe haben ein sehr gutes Nah-Auflösungsvermögen (keine tote Zone) und können deshalb auch Reflektoren sehr dicht unter der Oberfläche des Werkstücks
auffinden. Außerdem ist der Abstand zwischen Nutzsignal und Störpegel im Arbeitsbereich ( Fokusbereich) besser als bei Prüfköpfen mit einzelnen Wandlern. Das ist z. B. bei grobem Gefüge nützlich.
Nachteilig wirkt sich dagegen der kleine Arbeitsbereich aus.
Durch Fokussierung kann das Schallbündel von Prüfköpfen mit einzelnen Wandlern eingeschnürt werden, was die Prüfempfindlichkeit und das Nachweisvermögen für kleinste Reflektoren erhöht. Nachteilig ist die sich dadurch ergebende Verkleinerung des Arbeitsbereichs. Ein fokussierender Prüfkopf kann nur ein sehr kleines Volumen je Impuls prüfen. Kurze Impulse (also solche mit breitem Frequenzspektrum) ermöglichen die Auflösung sehr kurzer Laufzeiten, was z. B. bei der Wandickenmessung erwünscht ist. Auf flächige Reflektoren reagieren breitbandige Impulse dagegen sehr kompliziert. Der reflektierte Impuls müßte genau genommen auf alle beteiligten Frequenzen hin untersucht werden ( UltraschallSpoktroskopie). Zur Ersatzrotlektor-Bewertung liefern schmalbandige Impulse Ergebnisse, die einfacher zu interpretieren sind.
16.6 nach den Anforderungen des Prüfablaufs. Die manuelle Prüfung erfordert andere Prüfköpfe als die automatisierte Prüfung. Für die Prüfung im Produktionsfluß oder bei erhöhten Temperaturen müssen geeignete Koppelmedien und entsprechende Prüfkopfkonstruktionen ausgesucht werden.
Zwischen einer hohen Nachweiswahrscheinlichkeit beim Suchen (Prüfen mit niedriger Frequenz) und einer hohen Genauigkeit bei der Bestimmung von Ausdehnung und Form eines Reflektors (Prüfen mit hoher Frequenz) sind bei der Werkstoffprüfung immer Kompromisse zu schließen. Auch wenn hier nur der Prüfkopf besprochen wurde, so gilt die Qual der Wahl auch für das gesamte übrige Prüfsystem. Die Prüfeinrichtung aus Ultraschallsender, Prüfkopf, Empfänger, Prüfmaschine und Signalverarbeitung ist ein Informationssystem, in dem, wie
anderswo auch, das schwächste Glied die Qualität und Zuverlässigkeitbestimmt. Ein zu einem Prüfproblem optimaler Prüfkopf erfordert auch optimale Puiser, Verstärker und Auswertegeräte.
Wie kontrolliere ich die Eigenschaften von Ultraschall-Prüfköpfen?