DE102007057696A1

DE102007057696A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Detektion von Verbundstörungen

Info

Publication number: DE102007057696A1
Application number: DE102007057696A
Authority: DE
Inventors: Boris Milmann; Rosemarie Helmerich
Original assignee: Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Current assignee: Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Priority date: 2007-11-30
Filing date: 2007-11-30
Publication date: 2009-06-10
Also published as: US8490493B2; EP2227688A1; US20110088472A1; WO2009068507A1

Abstract

Ein Verfahren zur Detektion von Verbundstörungen zwischen einem ersten Werkstoff und einem zweiten Werkstoff wird bereitgestellt, umfassend die Schritte: (a) Einleiten von horizontal polarisierten niederfrequenten Transversalwellen in eine obere Fläche des Verbundwerkstoffes; (b) Detektieren eines Ultraschallechos der eingestrahlten niederfrequenten horizontal polarisierten Transversalwellen; (c) Anzeigen des detektierten Ultraschallechos auf einem Anzeigegerät.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion von Verbundstörungen, insbesondere eine Detektion von Verbundstörungen mittels Ultraschall. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Detektion von Verbundstörungen zwischen nichtmetallischen Materialien mittels Ultraschall.
In verschiedensten technischen Bereichen werden Verbundmaterialien eingesetzt. Ein Verbundwerkstoff ist ein Werkstoff aus zwei oder mehr miteinander verbundenen Materialien, wobei der Verbundwerkstoff andere Werkstoffeigenschaften aufweist als seine einzelnen Komponenten. Für die Eigenschaften der Verbundwerkstoffe sind die stofflichen Eigenschaften und Geometrie der Komponenten von Bedeutung sowie die Qualität des Verbunds zwischen diesen Komponenten. So können Verbundstörungen beispielsweise zu Ablösungen, Rissbildung, schlechten Wärmeleitungseigenschaften etc. führen. Insbesondere sind solche Werkstoffverbünde im Bauwesen anzutreffen. Dort können Verbundstörungen beispielsweise eine Ablösung von Kohlefaserverstärkungen wie Lamellen, Stäben in Schlitzen oder Geweben oder auch von Putz vom nichtmetallischen Untergrund, wie etwa Beton oder Mauerwerk, verursachen. Insbesondere bei Last aufnehmenden Elementen können solche Ablösungen sicherheitstechnisch relevant sein.
Beispielsweise erfordert die Planung von Eisenbahnkorridoren sowie die Einführung einheitlicher Lastfaktoren für den Einsatz von Zügen mit Achslasten bis zu 30 t die Verstärkung zahlreicher Eisenbahnbrücken in fast allen europäischen Ländern. International werden zur Verstärkung von Betonbrücken zunehmend kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFK) verwendet.
Nur ein perfekter Verbund zwischen der CFK-Verstärkung, ausgeführt entweder als Lamelle oder als oberflächennahe Bewehrung in Schlitzen appliziert, garantiert den maximalen Verstärkungseffekt. Einige Eisenbahninfrastrukturverantwortliche mistrauen diesem neuen Verfahren der CFK-Verstärkung und wenden es fast nicht an. Um das Vertrauen in das neue Verfahren bei den Infrastruktureignern zu erhöhen und der ausführenden Firma den Nachweis zu ermöglichen, dass die von ihr erbrachte Leistung die Anforderungen erfüllt, ist es erforderlich, eine hinreichende Ausführungsqualität der Verstärkung eindeutig nachweisen zu können.
Bekannte Prüfverfahren zur Detektion von Ablösungen sowie Verbundstörungen umfassen beispielsweise das Impact-Echo-Verfahren (Tap-Test) mittels eines handgeführten Rades, das beispielsweise im Flugzeugbau zum Detektieren von Verbundstörungen eingesetzt wird. Ein weiteres Verfahren zur Detektion von Verbundstörungen ist die Schallemissionsanalyse. Insbesondere im Bauwesen wurde bislang der Verbund entweder gar nicht oder mit aktiver Infrarot-Thermografie untersucht. Bei dem bislang favorisierten Verfahren der aktiven Thermografie wird der Verbund erwärmt, und anschließend werden die Oberflächentemperaturen auf einer Querschnittsfläche von ca. 50 × 50 cm während einer Abkühlzeit von ca. 5 min aufgezeichnet. Für die Durchführung einer thermografischen Untersuchung ist teures Gerät erforderlich wie beispielsweise eine Thermokamera mit guter thermischer und geometrischer Auflösung. Weiterhin muss während der Erwärmung die Oberfläche des Verbundmaterials ständig überwacht werden, da zu hohe Temperaturen unter Umständen das Gefüge der beispielsweise epoxidharz-gebundenen Verstärkungen beeinträchtigen können. Außerdem ist das Thermografieverfahren aufgrund der langen Abkühlzeiten sehr langwierig. Zusammenfassend ist daher festzustellen, dass neben der energieaufwendigen Erwärmung der zu untersuchenden Flächen die langwierige Durchführung der Prüfung und die unzureichende Präzision bei der Untersuchung von Ablösungen an CFK-Stäben in Schlitzen durchaus nachteilig sind.
Weiterhin sind Prüfverfahren mittels Ultraschall für Verbundwerkstoffe bekannt. Beispielsweise ist aus dem Flugzeugbau die Anwendung trocken ankoppelnder Ultraschallsensoren zum Rissnachweis in mehrlagigen Aluminiumstrukturen bekannt. Dabei kommt das trockene elektromagnetische Senden und Empfangen, das so genannte EMUS-Verfahren zur Anwendung. Dabei wird in der obersten Schicht nach dem Prinzip der EMUS-Wandlung eine Ultraschallwelle angeregt. Dieses Verfahren kann jedoch nicht bei den im Bauwesen typischerweise verwendeten nichtmetallischen Materialien angewendet werden. Für das EMUS-Verfahren werden typischerweise Frequenzbereiche um 100 MHz verwendet. Weitere Ultraschallprüfverfahren nutzen die akustische Impedanz des zu prüfenden Werkstoffes aus. Zur Charakterisierung der Ergebnisse solcher impedanzabhängigen Verfahren ist jedoch ein Vergleichsprüfkörper erforderlich.
Im Hinblick auf das oben gesagte, schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung gemäß Anspruch 10 vor. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Einzelheiten, Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen.
In den beigefügten Zeichnungen zeigt:
1 ein Beispiel für einen Probekörper mit definierten Fehlstellen, der zur Erprobung der Vorrichtung und des Verfahrens gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
2 das Ergebnis einer Messung an einem Probekörper.
3 und 4 eine Fotodokumentation mit Aufnahmen der Ausführung von Verstärkungsmaßnahmen sowie eines ersten Feldversuchs.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur ultraschallbasierten Detektion von Verbundstörungen bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst trockene Punktkontaktsensoren, die angepasst sind, horizontal polarisierte niederfrequente Transversalwellen in die oberste Schicht des Verbundes einzuleiten. Typischerweise ist die Vorrichtung angepasst, ein Ultraschallsignal mit Frequenzen im Bereich von 40 bis 60 kHz, insbesondere ungefähr 55 kHz bereitzustellen. Die Punktkontaktsensoren sind dabei als trocken ankoppelnde Ultraschalltransversalwellensensoren ausgebildet. Diese Sensoren sind angepasst, um niederfrequente horizontal polarisierte Transversalwellen, so genannte SH-Plattenwellen, in der Sender-Empfänger-Echotechnik in die oberste Schicht des Verbundes einzuleiten. Gemäß einer Fortbildung der vorliegenden Erfindung kann die oben beschriebene Vorrichtung mit bekannten Scansystemen kombiniert werden. Insbesondere kann die obige Vorrichtung in ein bekanntes Scansystem integriert werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Scannen vollautomatisiert durchgeführt werden.
Gemäß einer Weiterbildung kann die Vorrichtung mehrere trockene Punktkontaktsensoren umfassen. Dabei kann die Anordnung der mehreren trockenen Punktkontaktsensoren zueinander so angepasst sein, dass oberflächennahe Ablösungen besonders gut detektiert werden. In einer andere Ausführungsform kann die Anordnung der mehreren trockenen Punktkontaktsensoren zueinander so angepasst sein, dass tiefer gelegene Schädigungen besonders gut detektiert werden. Gemäß einer Weiterbildung können beide Sensorkonfigurationen in einer gemeinsamen Vorrichtung bereitgestellt werden, um sowohl oberflächennahe als auch tieferliegende Fehlstellen gut detektieren zu können.
Bei einem Prüfverfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden mittels einer geeigneten Vorrichtung, beispielsweise einer Vorrichtung gemäß den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen, horizontal polarisierte niederfrequente Transversalwellen, so genannte SH-Plattenwellen, in Sender-Empfänger-Echotechnik in die oberste Schicht des Verbundes eingeleitet. Typischerweise weisen dabei die niederfrequenten Transversalwellen Frequenzen im Bereich zwischen 40 kHz und 60 kHz, insbesondere ungefähr 55 kHz auf. Dabei können Defekte sofort im B-Bild, d. h. dem Vertikalschnitt, der sich aus den aneinander gereihten Messkurven der Messpunkte entlang der vorgegebenen Messlinie ergibt, im Display angezeigt werden. Nachdem zuerst eine Triggergröße eingestellt wird, ist dann bei Vorliegen eines Defekts, zum Beispiel einer Verbundstörung, ein Signal im B-Bild vorhanden oder bei intaktem Verbund liegt kein Signal im B-Bild vor. Auf diese Weise gibt das B-Bild sofort in Echtzeit Auskunft über das Vorhandensein einer Fehlstelle. So kann beispielsweise direkt nach dem Erkennen einer Fehlstelle diese mit einem dichteren Messraster noch detaillierter untersucht werden. Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfabrens kann aus den aufgenommen B-Bildern nachträglich ein C-Bild, d. h. ein Schnitt parallel zur Oberfläche, erstellt werden wenn mehrere parallele Linienscans aufgenommen wurden. Auf diese Weise lässt sich eine in Echtzeit im B-Scan detektierbare Verbundstörung nachträglich dreidimensional rekonstruieren.
Im Gegensatz zu den derzeit verwendeten aktiven Thermografie-Verfahren muss bei dem Prüfverfahren gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung die Oberfläche des Verbundes nicht mit Energieaufwand erhitzt werden und eine zu starke Erwärmung der Oberfläche ist ebenfalls ausgeschlossen. Gleichzeitig kann im Gegensatz zur EMUS-Wandlung die Prüfung unabhängig von der Art des Untergrundes ermittelt werden, insbesondere können nichtmetallische Verbünde untersucht werden. Weiterhin hat das beschriebene Verfahren den Vorteil, dass es mit bekannten Scansystemen kombinierbar und somit vollautomatisierbar ist. Ebenfalls ist das beschriebene Verfahren leicht erlernbar und kann nach kurzer Einführung durch einen Ultraschallfachmann beispielsweise von einem Brückenprüfer angewendet werden. Darüber hinaus benötigt man für die Prüfung CFK-verstärkter Stahlbetonkonstruktionen lediglich einen niederfrequenten Sensortyp in verschiedenen Anordnungsvarianten zur Detektion oberflächennaher Ablösungen und für das Detektieren von tiefer gelegenen Schädigungen. Schließlich ist das beschriebene Prüfverfahren genauer als die bisher angewendeten Thermografieverfahren. So konnten Verbundstörungen bis 1 cm² sicher detektiert werden.
Beispiel
1 zeigt einen Probekörper, in den definierte Fehlstellen zur Erprobung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingebracht wurden. Der Probekörper weist einen Grundkörper aus Beton auf, der eine Länge von 2000 mm und eine Breite von 600 mm aufweist. Der Grundkörper aus Beton weist weiterhin drei parallel zueinander angeordnete Längsnuten auf, die jeweils über die volle Länge von 2000 mm des Grundkörpers verlaufen und jeweils eine Breite von 15 mm aufweisen. In eine jeweilige der Längsnuten ist ein Stab aus CFK-Material eingeklebt. Auf diese Weise wird ein typischer Verbundwerkstoff, wie er bei der Verstärkung von Betonbrücken mit kohlefaserverstärkten Kunststoffen verwendet wird, simuliert.
Entlang der CFK-Stäbe sind gezielt Verbundstörungen als definierte Fehlstellen eingebracht. Dabei variieren sowohl der Typ als auch die Länge der Fehlstellen. So werden Fehlstellen in drei verschiedenen Längen (1 cm, 2,5 cm, 5 cm) bereitgestellt. Die jeweilige Länge der Fehlstelle kann in 1 anhand der Länge des der Fehlstelle zugeordneten farbigen Balkens abgelesen werden. Darüber hinaus werden vier verschiedene Typen von Fehlstellen verwendet. Typ A bezeichnet eine einseitig abgelöste Fehlstelle und wird durch einen blauen Balken gekennzeichnet. 1 zeigt eine Fehlstelle vom Typ A in der Schnittansicht, wobei die abgelöste Seite durch einen PU-Schaum simuliert wird. Die Fehlstelle vom Typ B ist einseitig und unten abgelöst und wird durch einen grünen Balken gekennzeichnet. Fehlstellen vom Typ C sind lediglich unten abgelöst und werden durch gelbe Balken gekennzeichnet. Fehlstellen vom Typ D sind vollständig abgelöst und werden durch rote Balken gekennzeichnet.
2 zeigt das Ergebnis einer Messung mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei wurde der oben in 2 gezeigte CFK-Stab mit den entsprechenden definierten Fehlstellen vermessen. Darunter sind die aufgenommen B-Bilder der Ultraschallmessung gezeigt. Darin sind alle Fehlstellen vom Typ A sowie die Fehlstelle vom Typ D eindeutig erkennbar. Weiterhin sind die 2,5 cm und 5 cm großen Fehlstellen vom Typ B deutlich erkennbar. Ebenfalls deutlich erkennbar ist die 5 cm große Fehlstelle vom Typ C. Die 1 cm und 2,5 cm großen Fehlstellen vom Typ C sowie die 1 cm große Fehlstelle vom Typ B sind deutlich schwacher sichtbar als die zuvor beschriebenen Fehlstellen von anderen Typen. Jedoch kann eindeutig festgestellt werden, dass das oben beschriebene Verfahren zur sicheren Detektion von 1 cm² großen Verbundstörungen geeignet ist.
3 zeigt eine Fotodokumentation mit Aufnahmen der Ausführung von Verstärkungsmaßnahmen. Dabei zeigen 3(a) und 3(b) den Probekörper aus Beton, in der mit CFK-Stäben verstärkt wurde. Die 3(d), 3(e) und 3(f) zeigen die definierten Fehlstellen verschiednen Typs. In 3(c) sind typische Materialien und Werkzeuge gezeigt, wie sie bei der Präparation des Probekörpers verwendet wurden.
In 4 zeigen die Abbildungen (a) bis (c) weitere Aufnahmen des Probenkörpers. Die 4(d) bis 4(e) zeigen eine Fotodokumentation mit Aufnahmen eines ersten Feldversuchs.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Diese Ausführungsbeispiele sollten keinesfalls als einschränkend für die vorliegende Erfindung verstanden werden.

Claims

Verfahren zur Detektion von Verbundstörungen zwischen einem ersten Werkstoff und einem zweiten Werkstoff, umfassend die Schritte: (a) Einleiten von horizontal polarisierten niederfrequenten Transversalwellen in eine Oberfläche des Verbundwerkstoffes; (b) Detektieren eines Ultraschallechos der eingestrahlten niederfrequenten horizontal polarisierten Transversalwellen; (c) Anzeigen des detektierten Ultraschallechos auf einem Anzeigegerät.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die niederfrequenten horizontal polarisierten Ultraschallwellen SH-Plattenwellen sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ultraschallwellen geführte Ultraschallwellen sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Frequenz des eingeleiteten Ultraschallsignals im Bereich von 40 kHz bis 60 kHz liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Frequenz des eingeleiteten Ultraschallsignals ungefähr 55 kHz beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein B-Bild des Verbundwerkstoffs aufgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend die Erstellung eines C-Bilds aus vorher aufgenommenen parallelen Linienscans.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verbundwerkstoff lediglich nichtmagnetische Komponenten umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verbundwerkstoff lediglich nichtmetallische Komponenten umfasst.
Vorrichtung zur Detektion von Verbundstörungen in einem Verbundwerkstoff, umfassend zumindest einen trockenen Punktkontaktsensor, der angepasst ist, horizontal polarisierte niederfrequente Transversalwellen in die oberste Schicht des Verbundwerkstoffes einzuleiten.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Sensor angepasst ist, SH-Plattenwellen in die oberste Schicht des Verbundwerkstoffes einzuleiten.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Punktkontaktsensor angepasst ist, das Ultraschallsignal in der Sender-Empfänger-Echotechnik einzuleiten und zu detektieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei der Sensor angepasst ist, ein Ultraschallsignal im Frequenzbereich von 40 kHz bis 60 kHz in den Verbundwerkstoff einzuleiten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei der Sensor angepasst ist, ein Ultraschallsignal von ungefähr 55 kHz in die oberste Schicht des Verbundwerkstoffs einzuleiten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die Vorrichtung mehrere trockene Punktkontaktsensoren umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Anordnung der mehreren trockenen Punktkontaktsensoren zueinander so angepasst ist, dass oberflächennahe Ablösungen besonders gut detektiert werden.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Anordnung der mehreren trockenen Punktkontaktsensoren zueinander so angepasst ist, dass tiefer gelegene Schädigungen besonders gut detektiert werden.