Durchstrahlungsprüfung

Die Durchstrahlungsprüfung ist ein bildgebendes Verfahren der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung (ZFP) zur Darstellung von Materialunterschieden. Mit Hilfe eines geeigneten Strahlers (einer Röntgenröhre, eines Teilchenbeschleunigers oder eines gammastrahlenden Radionuklids, z. B. Cobalt-60 , Iridium-192 oder Selen-75) wird die Dichte eines Bauteils auf einem Röntgenfilm abgebildet. Auf dem Röntgenfilm erscheint ein Projektionsbild des Bauteils. An der unterschiedlichen Schwärzung lässt sich die abweichende Materialdicke oder -dichte erkennen. Je dicker oder dichter ein Bauteil, desto weniger Strahlung kann es durchdringen und desto heller erscheint der Röntgenfilm.

Anwendung

Die Röntgen- und Gammadurchstrahlung ist eine zerstörungsfreie Werkstoffprüfung. Sie wird angewendet zur Fehleraufdeckung im Inneren von Bauteilen. Insbesondere an Schweißnähten von Blechen, Rohren und Behältern. Die häufigsten Fehler sind Lunker, Poren, Seigerungen und Risse. Damit Fehler gut erkennbar sind, müssen Strahlungsintensität, Wellenlänge der Strahlen, Dicke des Bauteils und Belichtungszeit aufeinander abgestimmt sein. Die Durchstrahlungsprüfung (Kürzel RT gem. EN 473) ist geeignet zum Nachweis von volumenhaften Fehlern. Bei Unterschieden der Dichte zwischen Fehlstelle und Grundmaterial ist der Fehler nachweisbar. Auch feine Risse lassen sich bei geeignetem Einstrahlwinkel finden. Kontrast und Auflösung beeinflussen das Erkennen solcher Details. Der Kontrast ist abhängig von der Werkstoffdicke, Dichte, Masse- sowie Ordnungszahl des Materials, der Strahlerqualität / Höhe der Energie, sowie dem Auflösungsvermögen und dem Typus des Films.

Sie ist insbesondere ein Standardverfahren zur Prüfung sicherheitsrelevanter Bauteile bspw. Schweißnähten (EN 1435), sowie sicherheitsrelevanter Gussteile (EN 12681 und EN 444) z. B. in Kraftwerken.

Zur Beurteilung der Bildgüte werden Karten (DIN 54109) mit sieben Drahtstegen unterschiedlicher Breite auf das belichtete Bauteil gelegt. Der Drahtdurchmesser ist dabei um 1,25 mm abgestuft. Anhand des dünnsten noch zu erkennenden Drahtes, kann auf die kleinste erkennbare Fehlergröße geschlossen werden.

Eigenschaften

Röntgen- und Gammastrahlen sind elektro-magnetische Schwingungen. Physikalisch gleichen sie dem Licht, haben aber wesentlich kleinere Wellenlängen und dadurch höhere Frequenzen. Auf den kleinen Wellenlängen beruht die Fähigkeit, zwischen den Atomen der Materie einzudringen und mit genügend hoher Energie (Frequenz) auch zu durchdringen (Bedingung: Wellenlänge muss kleiner als der Abstand zwischen den Atomen im Kristallgitter sein). Beim Durchdringen werden sie dann verschieden stark durch Fehler abgeschwächt und dadurch zeigt die austretende Strahlung Intensitätsunterschiede. Sie durchdringen Stahl bis etwa 300 mm, Leichtmetall bis 400 mm und Kupfer bis 50 mm. Das Durchdringungsvermögen der Röntgen- und Gammastrahlen ist umso besser, je kleiner die Dichte des Bauteils, die Wellenlänge der Strahlen und je größer die Frequenz ist. Gammastrahlen haben größere Eindringtiefen, weil sie kurzwelliger sind.

Erzeugung der Strahlen

Gammastrahlen: Gammastrahlen entstehen durch den Kernzerfall von radioaktiven Elementen. Die wichtigsten Gammastrahler für die Werkstoffprüfung sind Natürliche (Radium, Radon, Mesothor) und Künstliche (Cobalt, Tantal, Cäsium, Thulium). Strahlenquelle ist das eigentliche Isotop(Elemente mit gleich viel Protonen, aber verschieden vielen Neutronen) das zylinderförmig und etwa 0,5 – 6 mm groß ist. Da Gammastrahler nicht „abgestellt“ werden können ist sie gasdicht in der Strahlerkapsel mit W-Abschirmung(innen) und Pb-Abschirmung(außen) eingeschlossen, damit die Strahlung nicht allseitig austreten kann. Da sie wesentlich kleiner als eine Röntgenröhre ist, lässt sie sich auch dichter an den Prüfling heranbringen, wie z.B. beim Isotopenmolch, ein Gerät, das zur Schweißnahtprüfung auf Baustellen durch Rohre gezogen wird. Röntgenstrahlen: Röntgenstrahlen werden in Röntgenröhren erzeugt. Dort werden Elektronen von glühenden Wolframdrähten (Glühkatode) abgegeben und in hochevakuierten Röhren durch ein elektrisches Hochspannungsfeld beschleunigt. Dort treffen sie auf eine Wolframplatte und werden durch die Elektronenhülle der W-Atome abgebremst. Dadurch entstehen Röntgenstrahlen. Röntgenstrahlen entstehen wenn schnelle Elektronen auf feste Körper auftreffen und gebremst werden. Die Wellenlänge ergibt sich aus dem Anodenwerkstoff(Kupfer) und aus der angelegten Spannung. Sie wird mit zunehmender Spannung kürzer und somit durchdringender (=härter). Weiche und harte Röntgenstrahlen unterscheidet man nach ihrem Durchdringungsvermögen.

Durchführung

Von der Strahlenquelle wird das Schattenbild des Prüfstückes auf eine photographische Schicht geworfen. Die Anordnung besteht aus Strahlenquelle, durchstrahlter Probe und Registriereinrichtung. Wenn z.B. ein Lunker oder ein Einschluss, mit niedrigerer Dichte als die der Probe in der Probe vorhanden ist wird der dahinterliegende Film stärker geschwärzt. Wenn aber ein Einschluss von Material mit höherer Dichte vorhanden ist, dann wird der Film dahinter weniger stark geschwärzt. Die Güte des Films wird nach DIN EN 462-1:1994 mit Drähten unterschiedlicher Dicke kontrolliert. Die Drähte werden auf die Probe aufgelegt und werden auf dem Film als helle Streifen zu sehen sein. Auf dem Film müssen die Drähte die der Dicke des Prüfstückes zugeordnet wurden sichtbar sein. Bei der Durchführung der Röntgen- oder Gammaprüfung sind umfangreiche Strahlenschutzregeln (DIN 54113, DIN 54115) zu beachten.

Fehlernachweismöglichkeiten

Filmaufnahmen: Die aus den Werkstoff austretenden Strahlen treffen auf eine doppelbeschichtete Filmfolie, die auf der Rückseite mit Bleifolien abgedeckt ist um Streustrahlen fernzuhalten. Intensitätsunterschiede setzen sich in Schwärzungsunterschiede des Films um. Durch unterschiedlich starke Schwärzungen des Films sieht man die geometrische Form sowie die Lage des Fehlers. Die Filmaufnahme ist mit Röntgen- und Gammastrahlen möglich. Anwendung: Kontrolle von Schweißnähten und Gussteilen mit Dicken bis zu 100 mm (Stahl) und 400 mm (Al); Revisionsuntersuchungen in Kessel-, Brücken- und Flugzeugbau.

Leuchtschirm: Röntgenstrahlen regen bestimmte Kristalle zur Abgabe sichtbarer grün - gelber Strahlen an. Eine durch diese Kristalle beschichtete Platte bildet den Leuchtschirm. Auf ihm erscheint ein Schattenbild des Prüflings, jedoch mit geringer Lichtstärke. Fehler mit geringer Dichte sind auf dem Schattenbild heller, Fehler mit höherer Dichte dunkler. Der Beobachter muss durch Bleiglas vor der Streustrahlung geschützt werden. Anwendung: Die Durchleuchtung mit Röntgenstrahlen, ist für Stahldicken bis zu 20 mm anwendbar. Außerdem für Leichtmetalle und Kunststoffe.

Röntgenbild - Verstärkerröhre: Mit Hilfe von Elektronik kann das Röntgen - Leuchtschirmbild verkleinert und verstärkt werden. Es erhöht dann eine 10³ fache Helligkeit auf dem Monitor und kann fernsehtechnisch übertragen werden. Beobachter können dann in einem strahlengeschützten Raum sitzen. Anwendung: Prüfung von Längs- und spiralgeschweißten Rohren.

Normen für die Durchstrahlungsprüfung

Deutsches Institut für Normung (DIN)

• DIN EN 444, Zerstörungsfreie Prüfung - Grundlagen für die Durchstrahlungsprüfung von metallischen Werkstoffen mit Röntgen- und Gammastrahlen
• DIN EN 462, Zerstörungsfreie Prüfung - Bildgüte von Durchstrahlungsaufnahmen
• DIN EN 584, Zerstörungsfreie Prüfung - Industrielle Filme für die Durchstrahlungsprüfung
• DIN EN 1330-4, Zerstörungsfreie Prüfung - Terminologie - Teil 3: Begriffe der industriellen Durchstrahlungsprüfung
• DIN EN 1435, Zerstörungsfreie Prüfung von Schweißverbindungen - Durchstrahlungsprüfung von Schmelzschweißverbindungen (voraussichtlich Anfang 2011 ersetzt durch DIN EN ISO 17636-1 und DIN EN ISO 17636-2)
• DIN EN 12681, Gießereiwesen - Durchstrahlungsprüfung

Weblinks

• Übersicht über die Ausbildung durch die DGZfP
• Normenausschuss Materialprüfung