Wie kann man Schweißnähte durch Schrägeinschallung prüfen?
Schall, der um die Ecke geht, ist im Hörbereich eine alltägliche Erfahrung. Ultraschall im MHz-Bereich zeigt jedoch eine sehr hohe Richtwirkung. Deshalb sind besondere Prüftechniken erforderlich, wenn Bereiche des Prüfstücks erfaßt werden sollen, in die die Ultraschallwellen nicht auf direktem Wege gelangen können. Vor allem die Schweißnahtprüfung muss mit diesen Schwierigkeiten
fertigwerden. Sie ist deshalb der Hauptanwendungsbereich der
Schrägeinschallung (Bild 49).
Zur Erzeugung eines schräg zur Oberfläche des Prüfstücks verlaufenden Schallbündels werden Longitudinalwellen über einen Keil eingeschallt. Entsprechend Kap. 10 und Bild 29 wird an der Grenzfläche Keil- Koppelmedium ein Teil des abgestrahlten Impulses reflektiert. Ein Dämpfungskörper absorbiert diese störende Welle. Beim Eintritt in das Prüfstück tritt eine Brechung auf, die im allgemeinen Fall sowohl Longitudinalwie Transversalwellen entstehen
lässt. ( Bild 29),
Damit die Anzeigen zweier Wellenarten keine Verwirrung stiften, benutzt man bei der Schrägeinschallung nahezu ausschließlich die Transversalwellen. Dazu muss der Einfallwinkel a so gewählt werden, daß im Prüfstück nach der Brechung keine Longitudinalwelle mehr auftreten kann, die Transversalwelle aber noch vorkommt. Nach Kap. 10, Gl. (33), (34) bedeutet dies:
Für die häufig auftretende Zusammenstellung Plexiglas — Stahl ist:
cp long = 2730 m/s,
cs long = 5920 m/s
cs trans = 3255 m/s
Da man die Schallbündelbreite mit einigen Winkelgraden berücksichtigen muss, ebenso einen Sicherheitsabstand, liegen die in der Prüfpraxis verwendeten Winkel in einem kleineren Intervall als Gl. (46) angibt. Der Begriff , Einschallwinkel' ist leider missverständlich. Genau genommen müsste der Winkel a zwischen dem Lot und dem Zentralstrahl der Schallwelle, die vom Wandler ausgeht, Einschallwinkel heißen. Man betrachtet aber den gesamten Prüfkopf als Schallquelle und bezeichnet den Brechungswinkel ß als Einschallwinkel, weil unter diesem Winkel die zur Prüfung verwendete Schallwelle in das Prüfstück hineinläuft. Die zu Gl. ( 46) zugehörigen Einschallwinkel β sind:
IIn Stahl sollte also mit Einschallwinkel β <= 35° nicht gearbeitet werden. Außerdem tritt schon bei etwa 70° wegen der Bündelbreite die Anregung von Oberflächenwellen auf (nicht erst bei β = 90°). Deshalb soll in Stahl auch an keiner reflektierenden Oberfläche mit Einschallwinkeln über 70° gearbeitet werden. Wegen der schräg verlaufenden Schallwege ist die Ortung eines Reflektors äus der Leuchtschirmanzeige (Laufzeit) und der Prüfkopfposition (Bild 49) nur mit etwas Mathematik möglich. Die untere Hälfte der Naht wird direkt angeschallt, wird also über den kürzesten Weg und mit schmalstem Schallbündel geprüft. Zwischen Schallweg s zum Reflektor und der Tiefenlage t gibt es dann folgende Beziehung:
Reflektoren in der oberen Hälfte der Naht werden durch den in Bild 49 gezeigten längeren Weg über eine Reflexion an der Unterseite des Prüflings angezeigt. Hier gilt zwischen Schallweg s, der Tiefenlage t und der Wanddicke d:
Die Projektion des vollen Zickzackweges in der Wand bezeichnet man als Sprungabstand p
Zur leichteren Ortung von Reflektoren hat man (auch auf speziellen AVG-Diagrammen und AVG-Skalen) den verkürzten projizierten Reflektorabstand a' eingeführt:
Der Schallweg s bis zum Reflektor wird auf die Prüfstücksoberfläche projiziert und um n den Abstand x zwischen Prüfkopfvorderkante und Schallaustrittspunkt verkürzt. Auf den entsprechenden Diagrammen und Skalen kann man so die Lage eines Reflektors vor dem Prüfkopf direkt ablesen und auf dem Werkstück abmessen. Transversalwellen (Scherwellen) zeigen bei der Schallschwächung einen anderen Mechanismus als Longitudinalwellen (Kompressionswellen), Schwächungen für Longitudinalwellen können deshalb nicht einfach in Schwächungen für Transversalweilen umgerechnet werden. Bei den hauptsächlich vorkommenden Stahlsorten liegt der Schwächungskoeffizient ß für Frequenzen
f <= 53 MHz
bezogen auf den gesamten Laufweg.
Da bei der Prüfung mit Schrägeinschallung die Reflektoren oft nur in einer Position nachgewiesen werden können, in der sie der Schallstrahl nicht senkrecht trifft, muss man entweder den Spiegeleffekt ausnützen ( Tandem- Methode, Bild 36) oder aber möglichst richtungsunempfindliche Schallbündel auswählen, d. h. mit möglichst großer Wellenlänge, also möglichst kleiner Frequenz arbeiten. (siehe nächster Artikel).
Welchen Prüfkopf sollte ich für die Ultraschall-Prüfung auswählen?