Schallemission

Prüfung mit der Schallemissionsanalyse

Prüfkonzept

Prüfkonzepte graduieren durch eine einfache Ja/ Nein- Aussage . Sofern spezielle Kenntnisse über die Schallemission in einem Stoff bei der vorgesehenen Beanspruchung vorhanden sind, so kann in einer geeigneten Prüfanordnung leicht entschieden werden, ob die Beanspruchung in der gewünschten Form erfolgt ist.

SE-Quellen werden in einem festen Werkstoff durch einen geeigneten Beanspruchungsvorgang erzeugt. Ein solcher Vorgang ist der plötzliche Abbau von Spannungen in einem Objekt, wodurch infolge der freigesetzten elastischen Energie Schallwellen abgestrahlt werden. Einen solchen Vorgang kann man zur schnellen Erzeugung von echten SE-Quellen nutzen, um echte Quellen für die erste Überprüfung eines SE-Systems zu erhalten. Sie erlauben die Aussage, ob in der gegebenen Umgebung und den bestehenden Bedingung die Registrierung von Burstemissionen bestimmter Größe geben ist oder nicht.

Stahlsägeblätter zeigen bei Beanspruchung akustische Emissionen auch im hörbaren Bereich. Durch die spezielle Bearbeitung (Härtung) der Randzonen verhalten sich diese spröder als die Mitte. Sie sind deshalb zur einfachen Erzeugung und zur Demonstration von Burstemissionen besonders geeignet. Verwendet werden aber auch Stahlzylinder, die mit einem Ermüdungsriss versehen wurden, dieser wird dann mit einer Schraube schrittweise aufgeweitet. Letztere sind industriell gefertigt im Handel zu beziehen (.......).

Das Bild1 zeigt ein Blockdiagram einer einfachen Test- und Demonstrationsanordnung. Ein Eisensägeblatt wird 1 cm breit in einem Schraubstock eingespannt und mit verschiedenen Geschwindigkeiten um definierte Winkel abgebogen. Dieser einfache Beanspruchungsvorgang ist nach Verschieben des Sägeblattes um einen cm schnell und leicht wiederholbar, ohne größere Kosten zu verursachen. Er hat außerdem den Vorteil den Schallübergang Objekt/Schallwandler mit zu erfassen. Dies ist bei den rein elektronischen SE-Quellen nicht der Fall. Wird ein Schallsender verwendet kommt ein zweiter Schallübergang ins Spiel.

Bild 1: Blockdiagramm der Test- Anordnung.

Neben dem Sägeblatt kann ein Mikrofon aufgestellt werden und mit einem einfachen Kassettenrekorder sind die hörbaren Burstemissionen leicht aufzuzeichnen. Der Aufnehmer, ein piezoelektrischer Schallwandler, ist mit blauem US-Gel über den Schraubstock akustisch angekoppelt und wandelt alle mechanischen Schwingungen zwischen 50 und 900 kHz in elektrische Schwingungen um. Der Schall-Aufnehmer wird an das einzusetzende SE-Analysesystem angeschlossen. In dem hier gezeigtem Fall ist dies ein Computer mit einer Schallemissionskarte (SEK) als Einschub ( z. Bsp. : SEK3243 der EADQ) , die von den SE-Quellen ausgehende Schallereignisse in Ereignisdatensätzen erfasst und verschiedene graphische Darstellungen der gemessenen Parametern erlaubt. Das Bild 2  zeigt typische Burstemissionen   (Signal Raten R _Sig/Sig s^-1 von einem Stahlsägeblatt).

Bild 2 : Typisches SE-Bild bei Burstemissionen (BSE).

Diese Burstemissionsbilder (SE-Bilder) sehen bei jedem Versuch entsprechend der Beanspruchungsgeschwindigkeit und den Strukturgegebenheiten des Objektes etwas anders aus, sind aber typisch für den Spannungsabbau in festen Werkstoffen.[1]

Industriell wird ein ähnlicher Versuch mit Schallemission zur Bestimmung der Zähigkeit von Werkstoffen durchgeführt. Bleche aus dem zu untersuchendem Werkstoff mit der Blechdicke s werden um einen Dorn mit dem Durchmesser d um 180^° gebogen. Am äußeren Biegeradius dürfen sich keine Risse zeigen. Diese sind oft nur schwer mit der Lupe oder dem Mikroskop zu entdecken. Am einfachsten und schnellsten sind diese Risse mit Hilfe der Schallemission anzuzeigen, wobei ein SE-Bild  wie in Abbildung 2 entsteht.

Bild 3 : Faltversuch mit Schallemissionsmessung.

Je kleiner der Dorndurchmesser d  bei einer rissfreien Biegung eines Werkstoffbleches der Dicke s gewählt werden kann, desto zäher ist der Werkstoff. Als Kennwert dient das Verhältnis s/d bei dem keine Anrissgeräusche zu verzeichnen sind.

In ähnlich einfacher Form können Versuche zur Ermittlung der zyklischen Ermüdung eines Werkstoffes durchgeführt werden. Die stabförmigen Rundproben von z.B. 10 mm Durchmesser und einer Länge von 20 - 30 cm werden an einem stabilen Schwingtisch mit einer Einspannvorrichtung befestigt. Auf der Einspannung wird der Schallwandler (AE-Sensor) akustisch optimal durch Anschrauben angekoppelt. Der Schallwandler ist an ein geeignetes SE-System (blau umrahmt) angekoppelt.  Das ist wie in Bild 1 ein Computer mit SEK (Schallemissionskarte), dann entstehen mit dem Beginn der Ermüdung typische BSE- Bilder  wie in Bild 2 dargestellt. Die erreichte Zyklenzahl ist ein Maß für die Ermüdung des Werkstoffes. Je höher diese Zahl, umso langsamer ermüdet der Werkstoff. Treten keine BSE-Bilder auf, so ist er unter den gegebenen Beanspruchungen dauerhaft stabil [2] [3]. In Bild 5 ist ein solcher Zustand bei einer speziellen zyklischen Auflösung gezeigt. Die Größe der Beanspruchung kann durch die Zusatzmasse am Ende des Probenstabes beeinflusst werden. Durch den AE-Sensor wird die Schwingbewegung über einen Schwingungsmessplatz , einen Leistungsverstärker und einen magnetischen Schwingungserreger auf die Probe zurückgekoppelt. Diese schwingt dadurch mit einer Eigenfrequenz, die durch die Probenlänge, die Probendicke, die Zusatzmasse, die Rückkoppelung bestimmt wird.

Bild 4 : Prüfung der zyklischen Ermüdung.

An einer Aluminiumprobe (Al 99,5 nach Din17121), ungekerbter Stab von 25 cm Länge und 10 mm Durchmesser, Zusatzmasse 192 g, wurde eine konstante Resonanzfrequenz von 25,35 Hz im Dauerschwingversuch ohne Schallemission gemessen (Bild 5 oben). Nach einsägen eines 3 mm tiefen Kerbes direkt oberhalb der Einspannung wurde nach 760 Zyklen die erste BSE registriert. Für eine direkte Zuordnung zum Belastungszyklus wurde der Schwingungsmessplatz und das SE-System an den digitalen Signalanalysator parallel zum direkten Vergleich angeschlossen. Bild 5 unten zeigt die eindeutige Zuordnung zum definierten Belastungszeitpunkt.

Bild 5 : Belastungszyklus ohne BSE (oben) und mit BSE nach 760 Zyklen (unten).

Die Kurve über der SE zeigt die Schwingbeschleunigung über der Zeit für einen Zyklus. Deutlich ist das Rissgeräusch beim aufreißen des Kerbes festzustellen.

Natürlich kann mit modernen Druck-Zug-Biege-Automaten eine solche Untersuchung ebenfalls schnell und leicht ausgeführt werden. Hier sind jedoch besondere Aufmerksamkeiten auf die Nebengeräusche zu richten, die durch die Hydraulik eingetragen wird.

Literatur :

[1] M. Leistner; Demonstrationen zur Schallemissionsanalyse  mit einem Sägeblatt   DGZfP, SEP4 Schall- Emissions- Prüferverfahren Heft 4 November 1994,S.33.

[2] R.v. Schäwen, G.  Mauersberger, TH Zittau ;  Untersuchung zeitlich hochaufgelöster SE-Signale von Aluminiumproben bei zyklischer Belastung mittels Signalanalysator DSA 601 ; DGZfP BB32 9.Kolloquium Schallemission S.87.

[3] R.v. Schäwen, M. Leistner, Th Zittau ; Schallemissionsparameter bei Biegewechselbeanspruchung ; DGZfP BB32 9. Kolloquium Schallemission S-307

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