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Anordnung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung nach dem Ultraschall-Impulsrefle- xionsverfahren, insbesondere für zylindrische Werkstücke
Für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung sind Verfahren bekannt, bei denen Ultraschall-Impulse in das zu prüfende Werkstück gesandt werden, die nach Reflexion an der Störstelle durch Erzeugung einer Steuerspannung a1 ? - den Ablenkplatten eines KathodenstraIil-Oszillographen eine Ablenkung des Kathodenstrahles in Form von Zacken innerhalb einer sonst glatten Schreiblinie verursachen.
Diese Verfahren stellen an die Erfahrungen des Prüfers grosse Anforderungen, da diese Zackenlinien nicht immer eindeutig sind und ausserdem wegen der eindimensionalen Erfassung eines bestimmten Raumbereiches durch den Schallgeber in der Schallausbreitungsrichtung über Ausdehnung, Form und Grösse nur annähernde Aussagen gemacht werden können. Ferner lässt sich mit diesem eindimensionalen ImpulsVerfahren bei einer Einstellung des Prüfkopfes nur ein sehr beschränkter Raum erfassen. Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile durch eine Vergrösserung des vom Schallgeber erfassten Raumes zu vermeiden.
Die Erfindung richtet sich auf eine Anord- nung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung lach dem Ultraschall-Impulsreflexionsverfahren, ) ei der die vom zu prüfenden Werkstück reflek- : ierten Impulse zur Steuerung einer Kathoden- : trahlröhre ausgenutzt werden.
Gemäss der Er- 'indung ist bei einer derartigen Anordnung eine erstelleinrichtung vorgesehen, die den Schall- ; ber eine Verschiebebewegung parallel zur LängsLchse des zu prüfenden Werkstückes ausführen ässt und gleichzeitig um die Längsachse des Werkstückes eine rotierende Relativbewegung zwischen Schallgeber und Werkstück erzeugt,
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kuppelt ist, durch die der Kathodenstrahl zusätzich zu der dem Fortschreiten des Ultraschallim- mises Im Material des Werkstückes entsprechenlen Ablenkung in diametraler Richtung synhuron mit der rotierenden Relativbewegung zwi- ohen Schallgeber und Werkstück um den Mittel- ) unkt des Bildschirms der Kathodenstrahlröhre 'otierend abgelenkt wird, so dass auf dem Bildchirm ein Querschnittsbild d'es Werkstücks ichtbar ist.
Die erfinduagsgemä e Anordnung lässt sich auf verhältnismä@ig einfache Weise durch An- wendung der jeweils geeigneten Prüfmethodik den verschiedenen Formen der zu prüfenden
Werkstücke anpassen. Es lassen sich zwei grund- sätzliche Ausführungsformen, die denselben elek- trischen Teil benutzen und sich nur in der Art ihrer mechanischen Betätigung unterscheiden, an- wenden.
In den Fig. 1-3 sind verschiedene Anwen- dungsmöglichkeiten des erfindungsgemässen Ver- fahrens als Beispiele näher erläutert. In Fig. 1 ist eine Anordnung gezeigt, bei der ein zylindri- scher Körper 1 in einer nur bis zu einer bestimm- ten Höhe mit einer Koppelflüssigkeit 2, beispiels- weise Wasser, gefüllten Wanne 3 durch einen
Antriebsmotor 4 über ein Vorgelege 5, 6 zur
Rotation gebracht wird. Genau unter der Dreh- achse des Prüflings befindet sich ein Schallgeber 7, dessen nur wenige mm betragender Durchmesser von der verwendeten Frequenz abhängt. Dieser kleine Schallgeber ist so eingerichtet, dass er gleichzeitig als Empfänger und Sender benutzt werden kann.
Er wird durch einen nicht darge- stellten Sender mit kurzzeitigen HF-Impulsen von einigen Zehntel /sec Länge erregt und erzeugt Ultraschall-Impulse, die scharf gebündelt auf den Prüfling auftreffen, diesen entlang seines Durchmessers durchqueren und entweder an Störstellen oder von seiner Rückwand 8 reflektiert werden. Durch das senkrechte Auftreffen werden keine Transversalwellen im Prüfling angeregt. Die Abbildung kann daher nicht wegen eventueller Laufzeiteffekte gestört werden. Lässt man nun den Prüfling bei feststehendem Schallgeber rotieren, so bleibt die Schallstrahlrichtung immer auf die Achse des Prüflings gerichtet.
Erzeugt man mit Hilfe eines mit der Drehachse ge- kuppelten Sinuspotentiometers 9 zwei zu dieser Bewegung nach Lage und Zeit synchrone sinusförmige Ablenkspannungen, so kann man, nachdem man die eine mit dien horizontalen und die andere mit den vertikalen Ablenkplatten eines Kathodenstrahl-Oszillographen verbunden hat, auf dessen Leuchtschirm ein Querschnittsbild des zu prüfenden Körpers erhalten. Um ein gut stehendes Bild zu erhalten, ist es erforderlich, einen ge-
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nügend lange nachleuchtenden Bildschirm für das Braunsche Rohr zu verwenden.
Auf diese Weise erhält man nur ein Querschnittsbild an einer Stelle im Zylinder körper.
Es ist jedoch möglich, den gesamten Körper in seiner ganzen Länge zu prüfen, wenn der Schall-
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oder antreibbaren Anordnung, beispielsweise auf einer Spindel 10, in Richtung der Längsachse bewegt wird. Man kann auf diese Weise an jeder gewünschten Stelle des Prüflings ein Querschnittsbild erzeugen.
Einen Sonderfall bildet die Prüfung eines Hohlzylinders, wie z. B. einer Kugellagerschale. Gemäss Fig. 2 kann man hiebei den radial nach aussen strahlenden Geber 11 sich um eine Achse 12 drehen lassen, wobei der hohlzylindrische Prüfling 13 stehen bleibt. Durch Verschieben des Schallgebers in seiner Rotationsachse, d. h. in Pfeilrichtung, wird auch hier das gesamte Volumen erfasst. Die Drehachse des Schallgebers ist hiebei mit der Achse des Sinuspotentiometers 9 verbunden. Zur Vermeidung von zu grossen Wasserwiderständen hat der Schallgeber in diesem Falle vorzugsweise die Form einer Kugel oder eines Zylinders.
Das beschriebene Gerät lässt sich, wie Fig. 3 zeigt, auch für die Prüfung von grösseren Hohlzylindern verwenden, indem es in der Mitte des sich langsam drehenden Prüfkörpers 21 in radialer Richtung eine sich laufend ändernde Querschnittsfläche abtastet. Dabei kann natürlich auch der Prüfling stillstehen und der Schallgeber 22 sich langsam weiterdrehen. Auf dem Bildschirm erscheint jeweils das elektronische Bild der Querschnittsfläche 23, die in Fig. 3 in der Zeichenebene liegt mit der Abbildung darin befindlicher Störungsstellen 24.
Mit den verschiedenen Anwendungsformen des erfindungsgemässen Verfahrens ist es möglich, in einer einzigen Wanne Körper weitgehend verschiedener Form zu prüfen. Dabei werden die Ablenkspannungen einem Sinuspotentiometer entnommen, welches sich entweder ausserhalb der Wanne, aber mit der Drehbewegung des Prüfkörpers gekuppelt oder aber direkt im Prüfkopf befindet. Man kann nun einfache Umschaltmittel vorsehen, die wahlweise das eine oder das andere Potentiometer zur Erzeugung der Ablenkspannungen benutzen. Auch die Aufgabe, im Betrieb befindliche, d. h. nicht ausgebaute Wellen während der Drehbewegung zu prüfen, lässt sich dadurch lösen, dass das an der Wanne befindliche Potentiometer von dieser entfert und in geeigneter Weise mit der Welle verbunden wird, so dass eine Synchronisation der Drehbewegung mit der Strahlablenkung des Braunschen Rohres erreicht wird.
Die notwendige Flüssigkeitskopplung lässt sich dabei dadurch erreichen, dass eine Koppelflüssigkeit in ausreichender Menge fördernde Düse einen Flüssigkeitsstrahl zwischen Schallgeber und Prüfling leitet. Die Düse kann z. B. am Schallkopf angebracht sein.
Bei der Durchbildung des elektrischen Teiles einer solchen Anlage muss gegenüber den sonstigen reflektoskopischen Methoden auf besondere Kurzzeitigkeit des Primärimpulses von einigen Zehntel [t/sec Dauer geachtet werden. Der in Breit- band-Verstärkern auftretende Zeitdehnungseffekt bedarf einer besonderen Beachtung, da ein gedehnter Impuls auch ein entsprechend verwaschenes Bild liefert. Es lässt sich mathematisch leicht nachweisen, dass ein Impuls grosser Amplitude auch eine entsprechende zeitliche Dehnung am Ausgang des Verstärkers besitzt.
Die grossen Amplituden entstehen bevorzugt aber immer bei senkrechtem Einfall des Schallstrahles, wobei je nach dem Reflexionsgrad um mehrere Grössenordnungen zu grosse Amplituden reflektiert werden im Vergleich zu den Amplituden in der Umgebung bei nicht senkrechtem Einfall und 1m Vergleich zu den Amplituden, wie sie von Fehlerstellen entstehen, die sich unmittelbar unter der Oberfläche des Prüflings befinden. Bei Anwendung der mit pendelndem Abtaststrahl arbeitenden Anordnung beim Durchgang des Schallstrahles durch die senkrechte Einfallsrichtung immer mit solchen Obersteuerungen und entsprechenden Zeitdehnungen zu rechnen, die das Bild zu hell schreiben und ausserdem störende Bilderwaschungen hervorrufen.
Gegen diese Erscheinungen lässt sich durch Verwendung automatisch arbeitender Elemente Abhilfe schaffen, die die zu grossen Amplituden herabsetzen. Solche Mittel sind z. B. Germaniumdioden mit kleinster Kapa- zität in Gegentaktschaltung im Gitterkreis einer oder mehrerer Verstärkerstufen.
Das nach einem der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens erhaltene Bild wird im allgemeinen auf dem Bildschirm nicht sofort nach Lage und Massstab befriedigen. Aus diesem Grund ist es erforderlich, das Bild so auf dem Braunschen Rohr zu verschieben, dass es die beste Fehlererkennbarkeit gewährleistet.
Solche Mittel sind die Anbringung einer elektrisch wirksamen Verzögerungseinrichtung, die de : 1 Start des Elektronenstrahles gegenüber dem Sendeimpuls einstellbar zu verzögern gestattet. Damit lässt sich das Bild besser in den nutzbaren Bereich des Bildschirms verschieben. Unter Umständen empfiehlt es sich auch, den Abbildungmassstab zu verändern. Dies geschieht am einfachsten durch Veränderung der den Plattenpaa- ren zugeführten Ablenkspannungen.
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