DD236166A1

DD236166A1 - MEASURING ARRANGEMENT FOR DETERMINING THE TOTAL REFLECTION ANGLE OF ULTRASOUND

Info

Publication number: DD236166A1
Application number: DD27492285A
Authority: DD
Inventors: Horst-Dieter Tietz; Lothar Pfeiffer
Original assignee: Zwickau Ing Hochschule
Priority date: 1985-04-08
Filing date: 1985-04-08
Publication date: 1986-05-28

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Erfassen des Werkstoffzustands mit Ultraschall nach dem Goniometerprinzip, vorzugsweise in metallischen und keramischen Bauteilen mittels einer Vorrichtung. Es wird eine Vorrichtung erstellt, mit der es moeglich ist, zerstoerungsfrei Gefuege- und Eigenspannungszustaende mit Ultraschall an fertigen Bauteilen zu ermitteln. Dabei ist die Vorrichtung so ausgelegt, dass diese in bekannte Ultraschallgoniometer eingebaut werden kann. Durch das Erfassen der seitlichen Strahlversetzung ist der kritische Winkel der Totalreflexion mit geringerer Unsicherheit anzugeben und damit der Gefuege- und Eigenspannungszustand genauer zu charakterisieren. Durch das Messen unter Auswertung der Groesse des Schalldruckmaximums bei dem Grenzwinkel der Totalreflexion und unter verschiedenen Prueffrequenzen werden zusaetzliche Informationen zur Werkstoffzustandscharakterisierung gewonnen. Mit dieser erfindungsgemaessen Loesung koennen der Gefuege- und der Eigenspannungszustand an unterschiedlichen metallischen und keramischen Bauteilen mit verschiedenen geometrischen Abmessungen mittels Ultraschallgoniometer-Prinzips bestimmt werden. Vorzugsweise ist der Einsatz in der Industrie und in Forschungseinrichtungen vorgesehen.The invention relates to the detection of the material state with ultrasound according to the goniometer principle, preferably in metallic and ceramic components by means of a device. It is created a device with which it is possible to determine destructive Gefuege- und Eigenspannungszustaende with ultrasound on finished components. The device is designed so that it can be installed in known ultrasonic goniometer. By detecting the lateral displacement of the beam, the critical angle of total reflection with less uncertainty is to be specified and thus to characterize the microstructure and residual stress state more accurately. By measuring under evaluation of the size of the maximum sound pressure at the critical angle of total reflection and at different test frequencies, additional information on the material condition characterization is obtained. With this inventive solution, the Gefuege- and the residual stress state can be determined on different metallic and ceramic components with different geometrical dimensions by means of ultrasonic goniometer principle. Preferably, the use is provided in the industry and in research institutions.

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings

Field of application of the invention

Die Vorrichtung ist anwendbar zur zerstörungsfreien Charakterisierung des Gefüge-und Eigenspannungszustands, vorzugsweise metallischen und keramischen Werkstoffen bei Verwendung des Ultraschallgoniometer-Prinzips.The device is applicable to the nondestructive characterization of the microstructure and residual stress state, preferably metallic and ceramic materials using the ultrasonic goniometer principle.

Characterization of the known technical solutions

Es ist bekannt, daß Proben, die nach dem Ultraschallgoniometer-Prinzip untersucht werden, auf entsprechende Einrichtungen/ Vorrichtungen aufgebracht werden müssen. In der Regel sind diese Einrichtungen/Vorrichtungen nur für Proben mit kleinen Abmessungen geeignet.It is known that samples which are examined according to the ultrasonic goniometer principle, must be applied to appropriate devices / devices. In general, these devices / devices are only suitable for small-sized samples.

Bekannt ist, daß das Prinzip des mittelpunktfreien Ultraschall-Goniometers für Gefüge- und Eigenspannungsuntersuchungen geeignet ist. Diese dazugehörige Geräteeinheit ist notwendigerweise transportabel, da das Goniometer über eine Flüssigkeitsstrecke auf das Bauteil bzw. die Probe aufgesetzt wird.It is known that the principle of the mid-point free ultrasonic goniometer is suitable for structural and residual stress investigations. This associated device unit is necessarily transportable, since the goniometer is placed over a liquid path on the component or the sample.

H.-D.Tietz (Ultraschall-Meßtechnik, Berlin 1974) beschreibt ein Goniometer im Impuls-Echo-Betrieb, bei dem ein elektroakustischer Wandler (Prüfkopf) in Tauchtechnik um die Probe herum bewegt wird. Die Reflexion des vorher an der Probenoberfläche reflektierten Schallstrahls erfolgt an einer Wand in Form eines Zylinders, in dessen Mittelpunkt das Auftreffen des Schallstrahls auf die Probe erfolgt. Andrews, K.W. u. R. L. Keightley (An ultrasonic goniometer for surface stress measurement, Ultrasonics Sept. 1978 S. 205-209) beschreibt ein mittelpunktfreies Goniometer, bei dem im Sende- und Empfangsbetrieb (SE-Betrieb) 2 Prüfköpfe, deren Bewegung miteinander gekoppelt ist, den Prüfling über eine Flüssigkeitsvorlaufstrecke unter verschiedenen Winkeln anschallen. Damit können große Bauteile geprüft werden. K.J. Reimann und N.J. Larson (Ultrasonic Measurements of cold-work percentages in type 316 stainless steel; materials evaluation, July 1973, S. 128-144) beschreiben das Auftreten eines Minimums des Schalldrucks, das für die Werkstoffcharakterisierung herangezogen werden soll.H.-D.Tietz (Ultraschall-Meßtechnik, Berlin 1974) describes a goniometer in the pulse-echo mode in which an electroacoustic transducer (probe) is moved around the sample in a dipping technique. The reflection of the previously reflected at the sample surface sound beam takes place on a wall in the form of a cylinder, in the center of which the impact of the sound beam is applied to the sample. Andrews, K.W. u. RL Keightley (An ultrasonic goniometer for surface stress measurement, Ultrasonics Sept. 1978 pp. 205-209) describes a midpoint-free goniometer, in the transmit and receive mode (SE mode) 2 probes whose movement is coupled together, the test specimen on sound a liquid flow path at different angles. This allows large components to be tested. K. J. Reimann and N.J. Larson (Ultrasonic Measurements of cold-work percentages in type 316 stainless steel, materials evaluation, July 1973, pp. 128-144) describe the occurrence of a minimum of the sound pressure to be used for material characterization.

Bekannt ist fernerhin, daß bei der Reflexion an der Grenzfläche zweier Medien flüssig/fest eine seitliche Strahlversetzung auftritt, indem der Schallstrahl, in Abhängigkeit von der Art der aneinandergrenzenden Medien, einen Weg zwischen Einfall und Reflexion entlang der Oberfläche zurücklegt. Dieser Strahlenversatz ist abhängig von den Werkstoffen an der Grenzfläche und dem Einfallwinkel des Schallstrahls. Der Nachteil aller bisher bekannten Ultraschall-Goniometeranordnungen besteht darin, daß zur Auswertung von Gefüge- und Eigenspannungsmessungen nur ein geringer Teil des Schalldrucks erfaßt und herangezogen werden kann, da eine systematische Fehlmessung durch die unbekannte Größe der seitlichen Strahlversetzung erfolgt.It is further known that in the reflection at the interface of two media liquid / solid lateral beam displacement occurs by the sound beam, depending on the nature of the adjacent media, a path between incidence and reflection along the surface travels. This beam offset depends on the materials at the interface and the angle of incidence of the sound beam. The disadvantage of all previously known ultrasonic goniometer arrangements is that only a small part of the sound pressure can be detected and used for the evaluation of microstructural and internal stress measurements, since a systematic incorrect measurement takes place due to the unknown size of the lateral beam displacement.

Object of the invention

Der Erfindung liegt die Zielstellung zugrunde, zur Gewährleistung der erforderlichen Genauigkeit, die Prüfköpfe des Goniometers unter Berücksichtigung der seitlichen Strahlversetzung, in die erforderlichen Positionen bringen zu können.The invention is based on the objective to be able to bring the probes of the goniometer, taking into account the lateral beam displacement, in the required positions to ensure the required accuracy.

Explanation of the essence of the invention

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine einstellbare Meßanordnung zur Ermittlung des Totalreflexionswinkels von Ultraschall, zur zerstörungsfreien Charakterisierung von Gefüge- und Eigenspannungszuständen, vorzugsweise an metallischen und keramischen Werkstoffen,zu schaffen, dessen Prüfköpfe beweglich auf Führungsbahnen angeordnet sind und durch eine zentrale Verstelleinrichtung, übereinen vorbestimmten Bewegungsbereich und in jederStellung winkelsymmetrisch einstellbarThe object of the invention is to provide an adjustable measuring arrangement for determining the total reflection angle of ultrasound, for non-destructive characterization of structural and residual stress states, preferably on metallic and ceramic materials, whose probes are arranged movably on guideways and by a central adjusting device, one predetermined range of motion and angle symmetrically adjustable in each position

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß auf einen Prüfling ein Goniometer im Sende- und Empfangsbetrieb aufgesetzt wird, wobei die Prüfköpfe auf Führungsbahnen, welche durch bewegliche Distanzleisten gekoppelt sind, über eine Verstelleinrichtung symmetrisch höhen- und winkelverstellbar angeordnet sind.According to the invention the object is achieved in that a goniometer is placed in the transmitting and receiving operation on a specimen, the probes are arranged on guideways, which are coupled by movable spacer strips, symmetrically adjustable in height and angle via an adjusting device.

Die Verstelleinrichtung bewirkt eine axiale Höhenverstellung des Prüfkopfhalterungssystems bis die Totalreflexion der Ultraschallwellen, unter Berücksichtigung der seitlichen Strahlversetzung, als ein Maximum des Schalldrucks im Empfängerprüfkopf erfaßt wird.The adjustment causes an axial height adjustment of the Prüfkopfhalterungssystems until the total reflection of the ultrasonic waves, taking into account the lateral beam displacement, is detected as a maximum of the sound pressure in the receiver test.

embodiment

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung in der Vorderansicht.The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. The accompanying drawing shows the device according to the invention in front view.

Als physikalisches Meßprinzip wird die geschwindigkeits- und damit werkstoffzustandsabhängige Totalreflexion von Ultraschallwellen im Prüfling gemessen, wozu ein Goniometer verwendet wird. 2 Prüfköpfe verändern in gekoppelter Bewegung ihre Neigung zur Prüflingsoberfläche, so daß Einfallswinkel und Reflexionswinkel gleich sind. Erfindungsgemäß besteht die Vorrichtung aus einer Spindelhalterung, bestehend aus einer Buchse mit Bund, durchbohrtem Gewindebolzen, Spindel, Stell- und Klemmschrauben sowie Stütz- und Lagerelementen. Durch Verdrehen der durchbohrten Gewindebuchse ist eine Verschiebung des Prüfkopfhalterungssystems in vertikaler Richtung gegeben, wobei sukzessive der Strahlversatz ausgeglichen bzw. gemessen und die Rückstrahlwinkel verändert werden können.As a physical measuring principle, the speed and thus material state-dependent total reflection of ultrasonic waves in the test object is measured, for which purpose a goniometer is used. Two probes change their inclination to the surface of the specimen in coupled motion, so that the angle of incidence and the angle of reflection are the same. According to the invention, the device consists of a spindle holder, consisting of a bushing with collar, pierced threaded bolt, spindle, adjusting and clamping screws and support and bearing elements. By rotating the cannulated threaded bush a displacement of the Prüfkopfhalterungssystems is given in the vertical direction, wherein successively offset the beam offset or measured and the return angle can be changed.

Erfindungsgemäß kann diese Vorrichtung in alle Ultraschallgoniometer, die im Sende- und Empfangsbetrieb arbeiten, eingebaut werden. Wie üblich^ ist diese Vorrichtung so angeordnet, daß die Neigung der Schallfeldachse des Sende- und des Empfangsprüfkopfes zur Prüflingsoberfläche gleich sind. Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Meßanordnung ist wie Folgt:According to the invention, this device can be installed in all ultrasonic goniometers which operate in the transmission and reception mode. As usual ^ this device is arranged so that the inclination of the sound field axis of the transmitting and the Empfangsprüfkopfes are the same to Prüflingsoberfläche. The mode of operation of the measuring arrangement according to the invention is as follows:

Der Auflagetisch 7 mit einer Aussparung für den Schalldurchtritt wird auf die Probe 6 aufgesetzt. Die über die Distanzleiste 8 und die Führungsbahnen 4 in der Bewegung gekoppelten Prüfkopfhalterungen werden durch eine über ein Handrad 1 ausgelöste Bewegung der Gewindespindel 1 so zur Prüfkopfoberfläche geneigt, daß ein Winkel der Totalreflexion einer Longitudinal- oder Fransversalwelle im Prüfling eintritt. Dieser Fall macht sich durch ein scharfes Minimum des Schalldrucks im Empfängerprüf kopf Demerkbar. Durch Verdrehung der Spindelhalterung und Manipulation mittels Handrad 5 wird das Prüfkopfhalterungssystem in axialer Richtung verschoben, bis ein Maximum des Schalldrucks auftritt. Der Gesamtbetrag der Verschiebung parallel zur ^Drüflingsoberfläche ist die seitliche Strahlversetzung. Der fiktive Schnitt der Schallfeldachsen kann durch die Strahlversetzung, e nach Vorzeichen, unter der Prüflingsoberfläche oder über ihr liegen.The support table 7 with a recess for the sound passage is placed on the sample 6. The coupled via the spacer bar 8 and the guideways 4 in the movement Prüfkopfhalterungen be inclined by a triggered by a handwheel 1 movement of the threaded spindle 1 to the Prüfkopfoberfläche that an angle of total reflection of a longitudinal or Fransversalwelle enters the DUT. This case is characterized by a sharp minimum of sound pressure in the receiver test head demerkbar. By rotation of the spindle holder and manipulation by means of hand wheel 5, the Prüfkopfhalterungssystem is moved in the axial direction until a maximum of the sound pressure occurs. The total amount of the shift is parallel to the ^D rüflingsoberfläche the lateral beam offset. The fictitious section of the sound field axes can be due to the beam displacement, e to sign, under the specimen surface or above it.

Claims

Invention claim:

1. Measuring arrangement ₄ for determining the total reflection angle of ultrasound, for nondestructive characterization of microstructure and residual stress states, preferably on metallic and ceramic materials, according to the goniometer principle characterized in that a goniometer placed on a test specimen (6) in the transmitting and receiving operation is, with the probes on guideways (4), which are coupled by movable spacer strips (8), via an adjusting device (1) are arranged symmetrically height and angle adjustable.

2. Measuring arrangement according to claim 1, characterized in that by the adjustment (your axial height adjustment of the Prüfkopfhalterungssystems takes place to the total reflection of the ultrasonic waves, taking into account the lateral beam displacement, is detected as a sharp maximum of the sound pressure in the receiver test.