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Anlage zum zerstörungsfreien Prüfen grossflächiger Blöcke u. dgl., insbesondere vorgewalzter Brammen, mit Ultraschall nach dem Impuls-Echoverfahren
Die Erfindung betrifft eine Anlage zum zerstörungsfreien Prüfen grossflächiger Blöcke u. dgl., insbesondere vorgewalzter Brammen, mit Ultraschall nach dem Impuls-Echoverfahren, bei der mehrere je einen Ultraschallsender und -empfänger aufweisende, für den Eingriff mit den relativ zu ihnen in einer Richtung verstellbaren Brammen bestimmte Schlitten quer zur Vorschubrichtung abstandsweise nebeneinander angeordnet sind und zumindest die in den einzelnen, durch die Schlitten bestimmten Spuren festgestellten Fehler an von den Sendern und Empfängern gesteuerten Anzeige-bzw. Registriergeräten aufgezeigt werden.
Bekannte Anlagen dieser Art lassen sich bisher praktisch nur dann verwenden, wenn einerseits der Abstand der einzelnen Spuren verhältnismässig gross gewählt wird und anderseits die geprüften Werkstücke zumindest an der mit dem Schlitten in Eingriff stehenden Seite eine saubere, möglichst glatte Oberfläche aufweisen. Werden diese Bedingungen erfüllt, dann wird es auch möglich, die Schallankoppelung der Schallsender und-empfänger im Wasserstrahl vorzunehmen, d. h. die Schlitten werden mit Wasser versorgt, das über Öffnungen auf die geprüfte Oberfläche gedrückt wird, so dass zwischen den Sendern und Empfängern und der Werkstückoberfläche eine Wassersäule vorhanden ist.
Diese Ankopplungsart ist verhältnismässig einfach und daher sehr erwünscht, weil für die Fortbewegung der geprüften Werkstücke einfache Rollengänge od. dgl. Verwendung finden können. In andern Fällen muss bisher eine Ankoppelung im Wasserbad vorgenommen werden, wobei das gesamte Werkstück in einen Trog getaucht werden muss.
Bei grossen Werkstücken, wie z. B. Brammen, wird die Herstellung derartiger Tröge äusserst aufwendig.
Überdies wird es notwendig, die Werkstücke vor der Prüfung in den Trog abzusenken, dann in diesem weiterzutransportieren und schliesslich wieder aus dem Trog herauszuheben, so dass sich ein komplizierter Fördermechanismus ergibt. Schliesslich ist noch zu bedenken, dass die meisten Prüfanlagen dieser Art erst nachträglich in eine bereits bestehende Fertigungsstrasse eingebaut werden müssen und bei der Verwendung eines Wasserbades zur Ankopplung Änderungen an der Fertigungsstrasse selbst vorgenommen werden müssten, was natürlich unerwünscht und wegen des langen Produktionsausfalles auch kaum durchführbar ist.
Prinzipiell stellt das Impulsechoverfahren eines der günstigsten bekannten Verfahren für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung mit Ultraschall dar, weil es eine Ortung der Fehler sowohl hinsichtlich ihrer Grösse als auch hinsichtlich ihrer Tiefenlage im Werkstück ermöglicht. Anlagen der eingangs genannten Art konnten bisher aber für die Brammenprüfung in Walzwerken praktisch nicht verwendet werden, weil die Brammen keine ebene, sondern eine genarbte Oberfläche besitzen. Es wäre nun bei derartigen Anlagen naheliegend, Sender und Empfänger der Tastköpfe auf einer gemeinsamen, quer zur Fortbewegungrichtung der Werkstücke liegenden Achse anzuordnen.
Dabei käme es aber wegen der notwendigen schrägen Anstellung der Schwinger und des dadurch bedingten bevorzugten Ausbreitens des Schalles in einer Richtung dazu, dass ein Sender bzw. der von ihm ausgesendete Schallstrahl den Empfänger eines andern, dem betreffenden Sender nicht zugeordneten Schlittens beeinflusst, dieser Empfänger wieder die fehlgeleiteten Schallstrahlen auffängt und der Fehleranzeige zuführt. Es würden dann sogar nicht vorhandene Fehler in einer falschen Spur vorgetäuscht.
Auch bei Werkstücken mit glatter Oberfläche können sich ähnliche Fehlanzeigen ergeben, wenn die einzelnen Spuren, wie dies für eine einigermassen sichere Prü-
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fung notwendig ist, nahe beisammen angeordnet werden und vorhandene Fehler ein bestimmtes Ausmass übersteigen bzw. entsprechend gerichtete Reflexionsflächen aufweisen, Aus allen diesen Gründen wird für die
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verwendeçderund Empfänger an gegenüberliegenden Seiten (meist oben und unten) am Werkstück angreifen. sodass dann, wennder vom Empfänger aufgefangene Schallimpuls unter den vorbestimmten Wert absinkt bzw. überhaupt ausbleibt, auf das Vorhandensein eines Fehlers geschlossen werden kann und auch ein Fehler registriert wird.
Zweck der Erfindung ist nun die Schaffung einer Anlage der eingangs genannten Art, die auch für
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Ermittlung aller wesentlichen Fehler gestatten soll.
Diese Aufgabenstellung wird gemäss der Erfindung im wesentlichen dadurch gelöst, dass die Schallsender und-empfänger der einzelnen Schlitten gegeneinander versetzt angeordnet sind, so dass die Sender und Empfänger sämtlicher Schlitten zwei in Vorschubrichtung gesehen abstandsweise angeordnete
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auswirken können, dass der abgelenkte Schallstrahl zu den Empfängern benachbarter Schlitten gelangt, Damit werden praktisch die bisher dadurch bedingten Fehlanzeigen auch dann ausgeschaltet, wenn die
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Prüfspuren nahe beisammen liegen.200 begrenzt, sondern kann auch kleiner oder grösser gewählt werden.
Der angegebene Wert erscheint deshalb besonders zweckmässig, weil dabei einerseits bei den vorkommenden Brammenstärken keine Ableitungen der Schallstrahlen zu benanchbarten Schlitten mehr vorkommen können und anderseits der Schallweg noch eine grosse Querkomponente besitzt, so dass die durch den effektiven Querabstand von Sender und Empfänger bestimmte Spurbreite nur unwesentlich kleiner wird als der tatsächliche Abstand von Sender und Empfänger.
Nach einer bevorzugten Ausführung sind Sender und Empfänger im Schlitten durch gegebenenfalls auswechselbare Metallstege getrennt, wobei vorzugsweise in einer Sohlplatte des Schlittens getrennte Bohrungen für Sender und Empfänger vorgesehen sind. Im Gegensatz zu der herrschenden Ansicht, dass stärkere Metallteile für eine akustische Trennung von Sender und Empfänger nicht ausreichen, hat sich gerade gezeigt, dass mit Metallstegen, die gegebenenfalls zur Anpassung an verschiedene Sender- und Empfängerabstände auswechselbar sein können, die beste akustische Trennung erzielt wird, wobei sich überdies auch bei einem auftretenden Verschleiss kaum Störungen ergeben.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist bei mit von den Sendern und Empfängern gesteuer-
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regten, als Stromtore geschalteten Multivibratoren bestehende Riegelschaltung zugeordnet, die hinsichtlich des Zeitabstandes ihres Ansprechens vom Sendeimpuls und ihrer Ansprechdauer über RC-Glieder od. dgl. einstelllbar ist und eine Registrierung von aus der obersten Schichte des geprüften Materialstückes einlangenden Fehlerechos verhindert. Diese Schaltungsanordnung ist praktisch nur dafür bestimmt, die erfindungsgemässe Anlage voll für Blöcke u. dgl. mit rauher Oberfläche verwendbar zu machen. Es besteht nämlich sonst die Gefahr, dass ein von einer Vertiefung der Oberfläche, über die die Schlitten laufen, erhaltenes Echo als Fehlerecho registriert würde, was den Tatsachen widerspricht.
Besonders wesentlich ist eine derartige Schaltungsanordnung dann, wenn in der Oberfläche der Bramme eingewalzte Schilfen od. dgl. vorhanden sind, da in diesem Fall überhaupt kein Echo erhalten wird und dieser an sich belanglose Fehler in der Kategorie der schwersten Fehler registriert würde. In diesem Fall wird man die
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erweitern,cher Fehler verbirgt, ist nämlich nur klein und würde auf keinen Fall die Behandlung der betreffenden Bramme als Ausschuss rechtfertigen.
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einen bei einer erfindungsgemässen Anlage verwendeten, mit Schallsender und-empfänger ausgestatte- ten Prüfschlitten in Vorderansicht, Draufsicht und Rückansicht, Fig. 4, ein Blockschaltschema einer erfindungsgemässen Prüfanlage und Fig.
5 einen'Kurvenzug, wie er bei der Prüfung mit einer erfindunggemässen Anlage am Schirmbild eines in der Anlage eingeschalteten Oszillographen aufscheint.
Der Schlitten nach den Fig. 1-3 besitzt ein Schutzgehäuse 1 mit kräftiger Sohlplatte 2,-die an ihrer Vorderseite nach unten einspringend abgeschrägt ist, um zu erreichen, dass der Schlitten bei der
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relativen Fortbewegung zu einem Prüfstück leicht über Unebenheiten hinweggleitet. Die Sohlplatte 2 besitzt zwei Bohrungen 3, 4,,, die über nicht dargestellte Schläuche u. dgl. vom Gehause l hermit unter Druck stehendem Wasser beschickbar sind, so dass sie während des Betriebes dauernd mit Wasser gefüllt sind. Die Bohrungen 3,4 sind unten erweitert, um den Wasserablauf zu erleichtern.
Die in den Bohrungen gebildeten Wassersäulen dienen zur Ankopplung je eines Schallsenders und-empfängers, welche beiden Teile in stabartigen, bis in die Bohrungen 3, 4 reichenden Halterungen 5,6 untergebracht sind und in bekannter Weise aus über Elektroden erregten Piezoschwingen od. dgl. bestehen. Für Sender und Empfänger ist oben jeweils ein Anschlusssteckkontakt 7 bzw. 8 vorgesehen. Sender und Empfänger sind im Schlittenbereich durch den zwischen den Bohrungen 3, 4 der Sohlplatte 2 stehenbleibenden Steg und gegebenenfalls innerhalb des Gehäuses 1 durch einen weiteren, auswechselbaren Metallsteg 36 akustisch getrennt und oben am Schlitten in Tragplatten 9,10 gehalten, mit denen sie jeweils für sich um parallele Achsen 11,12 verschwenkbar lagern.
Zur Einstellung der Schwenkstellung sitzen auf herausgeführten Enden der Achsen 11,12 Hebel 13,14, die über vertikale Stellschrauben 15 und zusätzliche Fixierschrauben 16 verstellbar und justierbar sind. In der Praxis wird die Einstellung so vorgenommen, dass sich die geometrischen Längsachsen, die etwa auch den akustischen Achsen entsprechen, von Sender und Empfänger im Bereich der vom Schlitten abweisenden Mantelfläche eines geprüften Materialblockes oder auch innerhalb dieses Blockes schneiden, so dass vom Sender ausgesendete Schallstrahlen auf jeden Fall von der genannten Mantelfläche zum Empfänger reflektiert werden.
Die Längskanten 17 des Schlittens sind in Richtung der relativen Fortbewegung des Schlittens gegenüber dem zu prüfenden Materialstück angeordnet, wobei es gleichgültig ist, ob der Schlitten entlang dem Werkstück gezogen wird oder der Schlitten feststeht und das Werkstück unter ihm weiterbewegt wird. Sender und Empfänger 5, 6 sind, wie ersichtlich, zwar nebeneinander, zugleich aber in der Fortbewegungsrichtung gegeneinander versetzt angeordnet. Im Bereich der gesamten Anlage sind mehrere, jeweils eine Spur des geprüften Werkstückes untersuchende Schlitten nebeneinander ange-- ordnet, u. zw. so, dass jeweils die Sender 5 und die Empfänger 6 auf einer gemeinsamen, normal zur Fortbewegungsrichtung liegenden Achse 18 bzw. 19 liegen.
Zufolge der Versetzung von Sender und Empfänger schneidet die durch die akustischen Achsen von Sender und Empfänger bestimmte Ebene 20 die beiden Achsen 18,19 in einem Winkel oc von beispielsweise 200, wodurch erreicht wird, dass auch mehrfach reflektierte, vom Sender eines Schlittens ausgesendete Schallstrahlen nur entweder den zugehörigen Empfänger erreichen können oder im Werkstück weiterlaufen, aber keinesfalls zu dem Empfänger eines benachbarten Schlittens gelangen und dort Fehlsteuerungen bzw. Fehlanzeigen hervorrufen.
In dem in Fig. 4 veranschaulichten Blockschaltschema für die erfindungsgemässe Anlage wurden gleichartige Teile jeweils nur durch ein einziges Schaltsymbol veranschaulicht, obwohl mit Ausnahme der Teile 22,29 und. 30 (und natürlich auch der eben geprüften Bramme 24) die übrigen Teile in einer der Anzahl der bei der jeweiligen Anlage verwendeten Prüfschlitten entsprechenden Anzahl vorhanden sind.
Für jeden Prüfschlitten, der mit Schallsender 5 und-empfänger 6 ausgestattet ist und beim Prüfbetrieb in seiner vorbestimmten Spur mit der Bramme 24 in Eingriff steht, ist ein Stromversor-- gungsteil 21, ein Sender 23, ein Verstärker 26 mit Regelmonitor 25, ein Sperrkanal 28 und ein Registriersteuermonitor 27 vorgesehen, während für alle Teile der Anlage ein gemeinsamer Taktgeber 22, ein gemeinsames Registriergerät 29, ein gemeinsamer Oszillograph 30 vorgesehen sind, wobei der Oszillograph vorzugsweise über ein nicht dargestelltes Wählschaltwerk jeweils wahlweise mit einem der Verstärker 26 und damit mit einem der Empfänger 6 verbunden werden kann.
Der Taktgeber 22 erzeugt zur Bestimmung der Impulsfolgefrequenz eine Sägezahnspannung, die über Leitungen den einzelnen Sendern 23, Regelmonitoren 25, Registriermonitoren 27, Sperrkanälen 28 und auch den horizontalen Ablenkplatten des Oszillographen 30 zugeführt wird. Durch die Sägezahnspannung gesteuert sendet der Sender 23 in der Impulsfolgefrequenz kurze hochfrequente elek- trische Impulse zum zugehörigen Schallsender 5 im Schlitten, in dem diese Impulse in Ultraschallim- pulse umgesetzt und in das Prüfstück 24 eingestrahlt werden. Von der Rückwand 31 oder auch von Fehlern erhaltene Echos gelangen zum Empfänger 6, der sie dem Verstärker 26 zuführt.
Der dem
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echos erhaltene Spannung am Verstärkerausgang etwa konstantgehalten wird, wodurch Änderungen in der Ankopplungsgüte ausgeglichen werden. Dem Verstärker ist ein Registriermonitor 27 nachgeordnet, der seinerseits dieSchreibeinrichtung für die betreffende Spur im gemeinsamen Registriergerät 29 steuert.
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Die Schreib einrichtung kann aus Linienschreibem zur Aufzeichnung der erhaltenen Echokurven oder auch aus Digitalschreibern bestehen, die durch verschiedene Schriftzeichen auf einem synchron mit dem Werkstückvorschub angetriebenen Registrierstreifen anzeigen, ob im eben geprüften Teil Fehler vorhanden sind oder nicht, wobei die Stärke der jeweiligen Fehler durch verschiedene Schriftzeichen differenziert werden kann. Ebenso ist eine Differenzierung der Angabe durch Wahl verschiedener Schriftzeichen für aus verschiedenen Höhenlagen des Prüfstückes einlangende Fehlerechos möglich.
Die Sperrkanäle 26
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geschaltetenbesteht die vom Taktgeber 22 synchron mit den Sendeimpulsen erregt werden, wobei der Zeitabstand der Erregung und die Erregungsdauer durch in die Sperrkreise eingeschaltete RC-Glieder einstellbar ist, Aus dem Zeitabstand ergibt sich praktisch der Bereich, für den die Riegelschaltung 28 wirksam ist.
Normalerweise wird man die Riegelschaltung so einstellen, dass sie dann, wenn unmittelbar aus der obersten Zone des Prüfstückes 24 ein beispielsweise durch eine Unebenheit hervorgerufenes Echo einlangt bzw. wenn überhaupt kein Echo empfangen wird (was auf eine Schilfe an der Werkstückoberfläche schlie- ssen lässt) eine Fehlerregistrierung verhindert.
In Fig. 5 ist ein am Schirmbild eines Oszillographen ablesbarer Kurvenzug ersichtlich. Dabei wurde der aufgezeigte Sendeimpuls 32, die Kurve des Rückwandechoimpulses 33 und ein erhaltenes Fehlerecho 34 veranschaulicht. Die unter dem Kurvenzug dargestellte Strecke 35 bedeutet die Werkstück- stärke, währenddierechteckkurve 36 denWirkungsbereichderRiegelschaltung 28 andeutetwasbedeu-
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während der Zeitdauerlerregistrierung sperren, so dass die betreffende Werkstückstelle am Schreiber 29 als"gut"aufgezeichnet wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Anlage zum zerstörungsfreien Prüfen grossflächiger Blöcke u. dgl., insbesondere vorgewalzter Brammen, mit Ultraschall nach dem Impuls-Echoverfahren, bei der mehrere je einen Ultraschallsender und-empfänger aufweisende, für den Eingriff mit den relativ zu ihnen in einer Richtung verstellbaren Brammen bestimmte Schlitten quer zur Vorschubrichtung abstandsweise nebeneinander angeordnet sind und zumindest die in den einzelnen durch die Schlitten bestimmten Spuren festgestellten Fehler an von den Sendern und Empfängern gesteuerten Anzeige- bzw.
Registriergeräten aufgezeigt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallsender (5) und-empfänger (6) der einzelnen Schlitten (l, 2) gegeneinander versetzt angeordnet sind, so dass die Sender und Empfänger sämtliche Schlitten zwei in Vor" schubrichtung gesehen abstandsweise angeordnete Querreihen (18,19) bilden und die durch die akustischen Achsen der zusammengehörigen Sender und Empfänger (5,6) der einzelnen Schlitten bestimmten Ebenen (20) die durch die Reihen bestimmten Achsen (18, 19) in der Grössenordnung von etwa 200 gehaltenen Winkeln (ot) schneiden.