Schweißen Schweißnähte in Kunststoffen zerstörungsfrei prüfen

Oft gestaltet sich die zerstörungsfreie Prüfung von Kunststoff-Schweißnähten mit konventionellen Ultraschallhandprüfgeräten schwierig oder ist nicht möglich. Ein mobiles Ultraschallgerät untersucht mit Gruppenstrahlerprüfköpfen Schweißverbindungen, die durch konvektive und konduktive Schweißverfahren hergestellt wurden. Die bildliche Darstellung der Nahtbereiche macht eine schnelle Bewertung möglich.

Anbieter zum Thema

Murtfeldt Kunststoffe GmbH & Co. KG

Novotechnik Messwertaufnehmer OHG

microsonic GmbH

Fachhochschule Kaiserslautern

Informationen über einen Werkstoff- oder Bauteilzustand zu erhalten, ist die Zielsetzung der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP). Fehler und Schäden sollen erkannt und charakterisiert werden. Prinzipiell beruht die ZfP darauf, dass ein zu untersuchendes Bauteil in irgendeiner Weise angeregt und sein „Antwortverhalten“ zur Charakterisierung verwendet wird. Hierfür treffen auf den Werkstoff unterschiedliche Wellen lokal oder an vielen Punkten rasterartig auf und die Messwerte werden als Bild dargestellt.

Für die Bauteilprüfung von Kunststoffen mit Hilfe von Ultraschall werden Prüffrequenzen zwischen 0,5 und 10 MHz verwendet. Bei dünnwandigen polymeren Verbundwerkstoffen wie beispielsweise CFK sind auch Prüffrequenzen bis 75 MHz möglich. Bei geringen Fehlergrößen und/oder höheren Schallgeschwindigkeiten im Prüfmaterial müssen höhere Frequenzen verwendet werden.

Ultraschallprüfung für die Qualitätssicherung eingesetztDie Ultraschallprüfmethode ist geeignet, Wanddickenmessungen und Werkstoffgütekontrollen am Grundwerkstoff, an Kleb- und an Schweißverbindungen zerstörungsfrei durchzuführen.

In der Halbzeugfertigung von Rohren, Formteilen und Platten wird die Ultraschallprüfung zur Qualitätssicherung eingesetzt. Vorwiegend findet die Methode Anwendung, um die Wanddicken zu messen und Dickenschwankungen zu minimieren. In der diskontinuierlichen Halbzeugfertigung ist die Ultraschallprüfung ein etabliertes Verfahren. Mittels Ultraschall werden Fehlstellen in den Halbzeugen erkannt, so dass diese Teile ausgesondert werden können. Die Größe der Fehler, die detektiert werden können, ist vom Material, der Dicke und den Ultraschallbedingungen, wie Frequenz und Einstrahlwinkel abhängig.

Signalaufzeichnung durch Impuls-Echo-Verfahren

Die Einbringung des Ultraschalls erfolgt über Prüfköpfe mit piezoelektrischen Sensoren, die bei Anlegen einer Wechselspannung die hochfrequenten mechanischen Schwingungen aussenden. Bei der Impuls-Echo-Technik dient im Gegensatz zur Durchschallung ein Prüfkopf als Sender von kurzen Ultraschall-Impulsen und Empfänger der Reflexionen. Die einfachste Auswertung dieses Signals besteht in der Auftragung der Amplitude über der Laufzeit, dem sogenannten A-Bild. Zur besseren Schallübertragung wird zwischen Sender und Prüfobjekt ein Koppelmedium (Glycerin, Wasser) benötigt.

Nach dem Durchlaufen der sog. „Wasservorlaufstrecke“ wird ein Teil der Welle an der Grenzfläche Wasser/Probe reflektiert und läuft zum Prüfkopf zurück („Eintrittsecho“). Ist der Werkstoff homogen, so erfolgt die nächste Reflexion erst an der Probenrückseite („Rückwandecho“). Sind jedoch innere Grenzflächen, wie beispielsweise Korngrenzen, Poren oder Fehlstellen, vorhanden, so wird ein Teil der Welle schon vorher zurückgestreut („Fehlerecho“).

Bildliche Darstellung der Prüfergebnisse

Die Prüfung von Fügeflächen durch Schweißen und Kleben mittels Ultraschall stößt oftmals auf geometrische Schwierigkeiten, da der Schweißwulst und/oder die gekrümmte Oberfläche die Ankopplung des Prüfkopfes stört. Darüber hinaus liegen Bindefehler oftmals senkrecht zur Oberfläche vor und sind mit einer senkrechten Einschallung kaum zu finden. Letztlich ist es zur Zeit noch etabliert, Handprüfgeräte zu verwenden, die lediglich über einen Sendeprüfkopf verfügen und nur eine A-Welle auswerten. Eine bildliche Darstellung vom Ultraschallprüfergebnis mittels B- oder C-Bild ist somit kaum möglich.

Einen Ausweg bieten an dieser Stelle Handprüfgeräte mit Gruppenstrahlerprüfköpfen (Phased-array), aufgebaut aus einer Anzahl (8 bis 64) von Einzelschwingern, die ähnlich Ultraschallgeräten im Medizinbereich eine sofortige bildliche Darstellung des Prüfbereichs in Form von B-Bildern und so genannten Sektorbildern (S-Bilder) ermöglichen. S-Bilder entspringen dem zweiten Alleinstellungsmerkmal dieser Geräte: der Fähigkeit, die Ultraschallwelle bei der Einschallung zwischen +90 und -90° zur Prüfkopfnormalen durchzuschwenken.

Mit diesen Prüfköpfen ist daher eine Schrägeinschallung ohne Aufsatzkeil möglich. Auf eine Prüfung unter Zuhilfenahme der Rückwand als Reflektor, eines Verfahrens, das bei unverstärkten Kunststoffen auf Grund langer Schallwege und somit hoher Absorption schlecht funktioniert, kann so oft verzichtet werden. Allerdings können manche Bereiche der Schweißnaht trotzdem nicht geprüft werden, weil die Schweißnahtwulst die Manipulation des Prüfkopfes behindert.

Materialabhängige Störungen erschweren Fehlerdetektion

Thermoplastische Kunststoffe weisen im Gegensatz zu Metallen oder auch Duromeren eine sehr hohe Dämpfung auf, so dass die Ultraschallprüfung mit einer entsprechend hohen Verstärkung durchgeführt werden muss. Die Dämpfung ist materialabhängig und nimmt exponentiell mit der Frequenz zu. Die hohe Verstärkung führt zu einem großen Oberflächenecho, dass eine oberflächennahe Fehlerdetektion unmöglich macht. Morphologische Umwandlungen während des Schweißprozesses können zu zusätzlichen Störungen bei der Ultraschallprüfung führen.

Basierend auf den Einflussfaktoren Oberflächenecho und Einschallwinkel lässt sich die Mindesttiefe eines zu detektierenden Fehlers berechnen. Bei stark dämpfenden Materialien liegt diese Mindestfehlertiefe tiefer. Eine Detektion dieser Fehler ist indirekt über eine Absenkung des Rückwandechos nicht möglich, da dieses, wie bei einer senkrechten Einschallung, nicht existiert. Die Schweißnahtprüfung muss daher entweder von mehreren Seiten erfolgen oder die Schweißwulst muss an der Oberfläche abgetragen werden.

*Prof. Dr. Schuster ist Studiengangsleiter des Studiengangs Kunststofftechnik, M. Richter ist Projektassistent zur Bearbeitung des Projektes „Ultraschallprüfung an hochfluorierten Kunststoffen“. Beide beschäftigen sich mit der Prüfung von Kunststoffen an der FH Kaiserslautern Campus Pirmasens.

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