Metalltechnik

Es kann beim Gießen von Metallen interessant sein, einerseits die Schmelztiefe zu überwachen, aber auch Heißrisse (aka Warmrisse, Erstarrungsrisse) im frisch gegossenen und noch heißen Gussbaren zu finden. Beides ist mit Laser-Ultraschall möglich und wurde von uns schon untersucht. In der Abbildung ist eine Rekonstruktion und das entsprechende Foto des Schnittes durch einen Rundbarren aus Aluminium zu sehen, der einen ausgeprägten Kernriss hat.  

Die zerstörungsfreie Prüfung von Schweißnähten ist mit Laser-Ultraschall möglich. Dank der Automatisierbarkeit können auch inline bereits Messungen mit hoher Geschwindigkeit durchgeführt werden. Mit Wiederholraten, abhängig von der geforderten Auflösung, von 10Hz, 100Hz oder sogar höher können Fehlstellen, Einschlüsse, Heißrisse und hohe Porenkonzentrationen gefunden werden. 

Mit Laser-Ultraschall kann die frequenzabhängige Geschwindigkeit von akustischen Oberflächenwellen in einer Schicht gemessen werden. Die Daten können ausgewertet werden, um die Schichteigenschaften, zum Beispiel die Schichtdicke, zu bestimmen. Mit unseren Systemen sind wir in der Lage, SAW-Dispersionskurven bis zu 1 GHz zu messen, wodurch wir Schichten von 500 nm bis zu mehreren mm Dicke charakterisieren können. Die Abbildungen zeigen ein Kernmaterial (rot) mit einer darüber liegenden oszillierenden Schicht (blau) bei von Fall 1 bis 4 ansteigenden Frequenzen einer geführten Wellenmode, wobei die Eindringtiefe des Verschiebungsfeldes abnimmt, bis nur noch das Schichtmaterial die Wellenausbreitung beeinflusst (4). So können je nach Geometrie und elastischen Eigenschaften des zu untersuchenden Schichtmaterials die entsprechenden Parameter der Messung gewählt werden.
Die Untersuchung von Schichtstrukturen mit höherer Komplexität (z.B. Multilayer oder graduelle Schichten) ist durch Anpassung der theoretischen Modelle zur Berechnung der Dispersionskurven möglich.

Wie hier am Beispiel einer Münze gezeigt, kann die Topographie oder Rauheit (Parameter vgl. ISO 25178) einer Probe sehr einfach mittels Optischer Kohärenztomographie (OCT) bestimmt werden. Der große Vorteil von OCT gegenüber anderen Methoden ist dabei die Möglichkeit auch steile Flanken zu vermessen. Die Genauigkeit bei der Vermessung von Höhenprofilen liegt dabei unter 1 Mikrometer.

Mittels Laser-Ultraschall können auch Schweißpunkte in kurzer Zeit gescannt und Zonen mit tatsächlicher Materialverbindung (Schweißlinse) bildlich dargestellt und beurteilt werden.

Da Laser-Ultraschall (LUS) aus einer sicheren Distanz betrieben werden kann, ist diese Technologie in sehr frühen Prozessschritten der Metallverarbeitung, also auch bei sehr hohen Temperaturen, einsetzbar. Dabei können beispielsweise Blechdicken und Wandstärken von Rohren noch im glühenden Zustand vermessen werden (auch bei nur einseitiger Zugänglichkeit). Auch Änderungen der Mikrostruktur (z.B. Kornwachstum), die im Walzprozess interessant sind, können mit LUS charakterisiert werden.

Unterschiedliche Materialien (Stahl, Aluminium, Kupfer, Halbleiter) - unterschiedlichste Fragestellungen (Blechdicke, Fehlstellen, elastische Eigenschaften, Kornwachstum, Anisotropie): Die LUS-Technologie gepaart mit innovativer Datenauswertung ist höchst flexibel einsetzbar.

Laser-Ultraschall-Technologie kann auch für die Prüfung von Haft- und Verbindungsschichten, z.B. für Lötverbindungen bestens eingesetzt werden.
Durch die Beeinflussung der hochfrequenten Ultraschallwellen an den Grenzflächen kann ein exaktes Abbild dieser kritischen Zone aus dem Inneren der Bauteile generiert werden.

Oft werden metallische Teile mit dielektrischen Beschichtungen versehen um deren Betriebseigenschaften (z.B. bzgl. Tribologie) zu optimieren.
Mittels Terahertz-Technologie (THz) ist eine inline-fähige Vermessung derartiger Beschichtungen sehr effizient möglich.

Die rasanten Entwicklungen der letzten Jahre auf dem Gebiet des 3D-Drucks von Kunststoffen und Metallen und die damit verbundene Qualitätsverbesserung erlauben immer mehr Anwendungen, auch in der Serienproduktion von kritischen Komponenten. Die OCT-Messtechnik (für Kunststoffe, Keramik) und die Laser-Ultraschall-Technologie (für Metalle, harte Polymere) bieten dabei die Möglichkeit, bestimmte Fehlstellen des Drucks offline oder sogar inline zu detektieren und somit den Prozess zu überwachen, damit gegebenenfalls sofort korrigierend eingegriffen werden kann.

Durch die Möglichkeit glühende Proben zu untersuchen, können mit Laser-Ultraschall auch metallurgisch Interessante Informationen während thermomechanischer Zyklen von neuen Stählen gewonnen werden. Dazu werden die Proben in unserem modifizierten Abschreck- und Umformdilatometer der Firma Linseis Messgeräte induktiv erhitzt und bei Bedarf umgeformt, wobei mittels LUS in-situ die Schallgeschwindigkeit und akustische Dämpfung gemessen werden. Aus diesen Parametern ist es bei entsprechender Kalibrierung möglich, auf das Kornwachstum, Phasenumwandlungen und Texturänderungen zu schließen.

Die Bestimmung der Einhärtetiefe in Stahl von thermisch (z.B. induktiv) behandelten Bauteilen ist für die Qualitätskontrolle wesentlich. State-of-the-Art ist es, an den aufgeschnittenen Proben Ätzungen bzw. Härtemessungen durchzuführen. Laser-Ultraschall bietet hier eine zerstörungsfreie Alternative. Damit können Zonen verschiedener Mikrostrukturen an beliebigen Positionen dargestellt werden bis hin zur Tomographie der Einhärtetiefe.