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Ultraschallprüfung in der Gießerei-Industrie


Anwendung

Dieses Anwendungsbeispiel enthält eine allgemeine Übersicht über Anwendungen für die zerstörungsfreie Ultraschallprüfung in der Gießerei-Industrie, einschließlich Dickenmessung, Fehlererkennung und Prüfung auf Kugelgraphitbildung.

Einführung

Die Kunst des Gießens von Metallen in bestimmte Formen wird seit tausenden von Jahren praktiziert, die moderne zerstörungsfreie Prüfung mittels Ultraschall wird aber erst seit den wenigen Jahrzehnten eingesetzt, um die Produktintegrität zu gewährleisten. In der Vergangenheit bewertete ein Gießer die Qualität eines Gussteils durch eine Klopfprüfung mit einem Hammer anhand des Klangs. Heute erzeugen mikroprozessorgesteuerte Ultraschallgeräte Schallwellen, die genauere Informationen über das Gefüge von ferritischen und nicht ferritischen Gussteilen bieten.

Ultraschallprüfung in der Gießerei-Industrie

Ultraschalldickenmesser können zur Messung der Wanddicke von hohlen Gussteilen eingesetzt werden. Ultraschallprüfgeräte können auch zur Erkennung von Diskontinuitäten, wie versteckter Porosität, Einschlüssen, Hohlräumen und Rissen, eingesetzt werden. Ultraschallprüfungen auf Schallgeschwindigkeitsbasis mit Dickenmessern oder Prüfgeräten können zudem eingesetzt werden, um die Kugelgraphitbildung in Gusseisen zu quantifizieren.

Die Ultraschalldickenmessung wird häufig zur Messung von hohlen Gussteilen mit komplexer Geometrie, wie Motorblöcken, eingesetzt. Kernversätze, die während des Gießverfahrens entstehen, können zu einem Gussteil mit einer zu dünnen Wand auf der einen Seite und einer zu dicken Wand auf der anderen Seite führen. Ein Ultraschalldickenmesser kann die Wanddicke von einer Seite messen, ohne dabei das Teil für einen Zugang trennen zu müssen.

Während des Gießverfahrens können Hohlräume, Porosität, Einschlüsse und Risse im Metall entstehen. Diese erzeugen im Ultraschall Muster, die von einem erfahrenen Prüfer mit einem Ultraschallprüfgerät und den passenden Prüfköpfen erkannt und klassifiziert werden können.

Die Größe und Verteilung von Graphiteinschlüssen (Kugelgraphitbildung) haben einen wesentlichen Einfluss auf die mechanische Festigkeit von Gusseisen. Die Prüfung auf Kugelgraphitbildung ist besonders in der Automobilindustrie und anderen Industriebereichen wichtig, in denen ein sicherer Betrieb von Gusseisenkomponenten maßgeblich ist. Ultraschallverfahren bieten eine zerstörungsfreie Alternative zu mikroskopischer Querschnittsuntersuchung und zu Zugfestigkeitstests zur Bestimmung des Umfangs der Kugelgraphitbildung, da sie mit der Schallgeschwindigkeit korreliert.

Ultraschalldickenmessung

Wanddickenmessungen können mit den Olympus Dickenmessern 38DL PLUS oder 45MG mit Einzelschwinger-Software durchgeführt werden. Für Metallteile mit einer Dicke von mehr als 12,7 mm sollte eine Software für hohe Schalldurchdringung eingesetzt werden. Die Prüfkopfauswahl ist abhängig von dem zu messenden Dickenbereich und den akustischen Eigenschaften des spezifischen Gussteils. Die am häufigsten eingesetzten Prüfköpfe sind M106, M1036 (beide mit 2,25 MHz), M109 und M110 (beide mit 5 MHz). Für Gussteile mit einer Dicke über 50 mm eignet sich oft ein niederfrequenter Prüfkopf M101 mit großem Durchmesser und 500 kHz.

Verfahren

Geräteeinstellungen und Kalibrierverfahren sind in den Benutzerhandbüchern zu den einzelnen Geräten ausführlich beschrieben. Koppelmittelauswahl, Oberflächenbeschaffenheit, Gussteilgeometrie, Gerätekalibrierung und Hintergrundrauschen können alle die genaue Messung von Gussteilen beeinträchtigen.

Koppelmittel
Raue Oberflächen, typisch für Sandgussteile, beeinträchtigen das Ankoppeln des Prüfkopfs. Daher sollte immer ein hochviskoses Gel-Koppelmittel (Typ D) oder Glycerin (Typ B) eingesetzt werden.

Oberflächenbeschaffenheit
Ist die Oberfläche sehr rau, nimmt die mittels eines bestimmten Prüfkopfs messbare Mindestdicke aufgrund der Schallstreuung durch die Koppelmittelschicht zu. Diese Schallstreuung muss ausgeblendet werden. Ebenso verringert sich die messbare maximale Dicke, aufgrund einer unzureichenden Ankopplung zwischen Prüfkopf und Gussteil. In den meisten Fällen können Dickenmessungen direkt auf der Oberfläche des Gussteils durchgeführt werden, aber bei schwierigen Anwendungen verstärkt eine Oberflächenbehandlung die Leistung.

Geometrie
Die innere und äußere Oberfläche eines Gussteils müssen ungefähr parallel oder konzentrisch sein, damit eine Dickenmessung mit Ultraschall erfolgen kann. Sind die Wände zu stark zueinander verschoben, können die reflektierten Schallwellen nicht vom Prüfkopf empfangen werden und es wird kein Echo auf dem Bildschirm angezeigt.

Gerätekalibrierung
Die Ultraschalldickenmessung ist nur dann genau, wenn die Schallgeschwindigkeit im Werkstoff der Gerätekalibrierung entspricht. Die Schallgeschwindigkeit kann in ferritischen und nicht ferritischen Gusseisen variieren, da sich die Härte und das Gefüge bei der Kugelgraphitbildung ändern. Bei großen Gussteilen, in denen verschiedene Bereiche unterschiedlich schnell abkühlen, kann sich die Schallgeschwindigkeit in einem Teil aufgrund des unregelmäßigen Gefüges ändern. Um eine optimale Messgenauigkeit zu erreichen, sollte die Kalibration der Schallgeschwindigkeit in einem Gerät immer anhand eines Referenzstandards mit bekannter Dicke erfolgen, der zudem eine metallurgische Ähnlichkeit mit dem Prüfteil aufweist.

Hintergrundrauschen
Bei dem grobkörnigen Gefüge einiger Metallgussteile folgt das Rückwandecho einem Hintergrundrauschen. Das Hintergrundrauschen kann zu falschen Messwerten und zum Aufhängen der Software des Dickenmessers führen, besonders bei Verwendung von Standardgeräteeinstellungen anstatt benutzerdefinierter Einstellungen. Dies kann ohne Weiteres anhand des A-Bilds erkannt werden. Internes Hintergrundrauschen kann gewöhnlich durch das Verwenden eines niederfrequenten Prüfkopfs oder durch einfache Anpassung und/oder Ausblendung der Geräteverstärkung (siehe das A-Bild des 38DL PLUS in Abbildung 1 und Abbildung 2) aufgehoben werden.

A-Bild des 38DL PLUS
Abbildung 1: Hintergrundrauschen führt zu falschen Messwerten (Rückwandecho wird rechts angezeigt).
A-Bild des 38DL PLUS
Abbildung 2: Richtiger Messwert nach Anpassung der Verstärkung und TDG-Flanke (Rückwandecho wird deutlich angezeigt).

Ultraschall-Fehlererkennung

Alle Olympus Prüfgeräte der EPOCH Serie (EPOCH 650, EPOCH 6LT und EPOCH 1000) können für die Prüfung von Gussteilen eingesetzt werden. Sender-Empfänger-Prüfköpfe, wie die DHC Serie, mit Frequenzen zwischen 1 MHz und 5 MHz werden häufig zur Prüfung von Gussteilen eingesetzt, um Reflexionen von Koppelmittelresten auf rauen Gussteiloberflächen zu reduzieren und um Reflexionen von unregelmäßig geformten Diskontinuitäten zu optimieren. In einigen Fällen können Winkelprüfköpfe zur Risserkennung eingesetzt werden. Spezialisierte Prüfsysteme für automatisierte Prüfungen werden mit Tauchtechnik-Prüfköpfen mit gleichem Frequenzbereich durchgeführt.

Verfahren

Die körnige Gefügestruktur von ferritischen und nicht ferritischen Gussteilen stellt aufgrund der Reflexionen, die durch Korngrenzen erzeugt wurden, wobei das Hintergrundrauschen bei zunehmender Korngröße zunimmt, eine Herausforderung für die Ultraschallprüfung dar. Zudem beeinträchtigt die raue Oberfläche von Sandgussteilen, auch bei Dickenmessungen, die Ankopplung und reduziert die Echo-Amplitude. Diese Faktoren bestimmen die kleinste erkennbare Fehlergröße in einer gegebenen Prüfung. Aus diesem Grund ist es wichtig, die Prüfkopfauswahl und die Gerätekonfiguration mit großer Sorgfalt vorzunehmen. Es wird empfohlen, die Auswahl und Konfiguration von Prüfköpfen zu optimieren. Dies erfolgt mit Referenzstandards mit bekannten Beispieldefekten der Prüfteile, die mittels der zerstörungsfreien Prüfung, Durchschallung oder anderen Prüfverfahren ohne Ultraschall erkannt wurden. Die Indikationen dieser bekannten Defekte können gespeichert und mit Indikationen von Prüfteilen verglichen werden. Bandpass-Filter, wie bei den Prüfgeräten EPOCH 650, EPOCH 6LT und EPOCH 1000, sind zur Reduzierung des Hintergrundrauschens sehr nützlich.

Abbildung 3 und 4 zeigen eine typische Prüfung auf Porosität in einem Gussteil von 40 mm mit einem EPOCH 650 Prüfgerät mit einem DHC709-RM (5 MHz, Ø 12,7 mm) Sender-Empfänger-Prüfkopf. Abbildung 3 zeigt rechts ein Rückwandecho eines Gussteils mit typisch geringem Oberflächenrauschen und Kornstreuung auf der Basislinie. Abbildung 4 zeigt die Indikation eines Hohlraums, der sich deutlich vom Hintergrundrauschen unterscheiden lässt.

Gussteil ohne Fehler
Abbildung 3: Gussteil ohne Fehler
Porosität
Abbildung 4: Porosität

Am häufigsten werden Gussteile auf Hohlräume, Porosität und Einschlüsse geprüft. Manchmal muss auch auf Risse und Brüche geprüft werden. Rissprüfungen müssen immer unter Berücksichtigung der spezifischen Geometrie des Gussteils sowie Ort, Größe und Ausrichtung der vermuteten Risse erstellt werden. Auch bei Rissprüfungen müssen entsprechende Referenzstandards mit bekannten oder zusätzlich zugefügten Defekten verwendet werden. Prüfköpfe für Senkrechteinschallung werden verwendet, wenn sich die Rissfläche parallel zur Ankoppelfläche des Prüfkopfs befindet. Prüfköpfe für Schrägeinschallung werden verwendet, wenn sich der Riss lotrecht oder schräg zur Ankoppelfläche befindet. Beachten Sie dabei, dass aufgrund der niedrigeren Schallgeschwindigkeit in Gusseisen und nicht ferritischen Gussteilen die Einschallwinkel von Vorlaufkeilen, die für Stahl vorgesehen sind, geringer sind. Diese Winkel sollten anhand des Snelliussche Brechungsgesetzes immer dann neu berechnet werden, wenn UT-Vorlaufkeile für Stahl auf anderen Materialien eingesetzt werden.

Prüfung auf Kugelgraphitbildung

Die empfohlenen Dickenmesser für die Prüfung auf Kugelgraphitbildung sind der 38DL PLUS und 45MG mit Einzelschwinger-Software, die ein direktes Auslesen der Schallgeschwindigkeit basierend auf einer angegebenen Dicke liefert. Die Softwareoptionen für eine hohe Durchdringung werden für die Dickenmesser 38DL PLUS und 45MG empfohlen, wenn Metallteile eine Dicke über 12,5 mm aufweisen. Es kann aber auch jedes Olympus Prüfgerät der EPOCH Serie eingesetzt werden, wenn die Schallgeschwindigkeit durch mittels Kalibrierung angepasst wird. Dieses wichtige Thema wird im Anwendungsbeispiel „Messung der Kugelgraphitbildung in Gusseisen“ behandelt.

Olympus IMS
ProductsUsedApplications

Das tragbare Ultraschallprüfgerät EPOCH 6LT ist für die Bedienung mit einer Hand optimiert und bietet eine hervorragende Leistung in Verbindung mit der Seilzugangstechnik und anderen anspruchsvollen Anwendungen. Das leichte und ergonomische Gerät kann sicher mit der Hand gehalten oder für die Seilzugangstechnik an einem Bein befestigt werden.
Das EPOCH 650 ist ein außerordentlich leistungsstarkes Ultraschallprüfgerät, das für zahlreiche Anwendungen eingesetzt werden kann. Dieses intuitive und robuste Prüfgerät mit zusätzlichen Funktionen ist eine Fortführung des bekannten EPOCH 600.
Das 45MG ist ein Ultraschalldickenmesser mit Standardmessfunktionen und optionalen Softwarefunktionen. Dieses einzigartige Gerät ist mit der gesamten Palette von Olympus Einzelschwinger- und Sender-Empfängermessköpfen kompatibel, was dieses innovative Gerät zu einer Universallösung für nahezu jeden Anwendungsbereich in der Dickenmessung macht.
Das 38DL PLUS ist ein hochentwickelter Ultraschalldickenmesser. Es misst mit Sender-Empfängerschallkopf Korrosionen im Inneren von z. B. Rohren und besitzt eine THRU-COAT und Echo-Echo-Funktion. Es misst mit Einschwingermessköpfen dünne, sehr dicke oder mehrschichtige Werkstoffe sehr genau.
Das EPOCH 1000 ist ein hochenwickeltes Prüfgerät für konventionellen Ultraschall, das in einer zugelassenen Olympus Kundendienststelle mit der Phased-Array-Darstellung aufgebessert werden kann. Seine wichtigsten Merkmale sind Konformität mit EN12668-1, 37 einstellbare Digitalfilter am Empfänger und Impulsfolgefrequenz von 6 kHz für schnelle Prüfung.
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