DE1160667B - Einrichtung zur zerstoerungsfreien Gefuegeuntersuchung von Werkstoffen mit Ultraschall - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: GOIn

Deutsche KL. 42 k-46/06

Nummer: 1160 667

Aktenzeichen: L 24281IX b / 42 k

Anmeldetag: 6. März 1956

Auslegetag: 2. Januar 1964

Bei Materialuntersuchungen mit Ultraschall werden Fehlerstellen im Material dadurch festgestellt, daß ein in das Material gesandter hochfrequenter Impuls oder Wellenzug, dessen Länge klein ist zur Laufzeit im Material, sowohl an der äußeren Begrenzung des Materialstückes als auch an der Fehlerstelle reflektiert wird. Diese Reflexionen kann man beispielsweise auf einem Kathodenstrahloszillographen sichtbar machen.

Ein solches Oszillogramm zeigt den in das Material gesandten Impuls und die infolge der Laufzeit des Impulses zeitlich später eintreffende Reflexion, von der dem Sender gegenüberliegenden äußeren Begrenzung des Materials. Sind Fehlerstellen im Material vorhanden, so treten an diesen Fehlerstellen Reflexionen auf, die an ihrem zeitlichen Eintreffen gegenüber der Reflexion an der äußeren Materialbegrenzung, nämlich an ihrer Lage zwischen dem Sendeimpuls und der Reflexion von der dem Sender gegenüberliegenden äußeren Materialbegrenzung, auf dem Oszillogramm schnell und deutlich als Fehlerstellenreflexionen erkennbar sind. Auf einem solchen Oszillogramm ist die Tiefe der Fehlerstelle im Material abzulesen. Sie beträgt von der gesamten Materialstärke denselben Bruchteil, den die Laufzeit der Fehlerstellenreflexion von der Laufzeit der Reflexion an der dem Sender gegenüberliegenden äußeren Materialbegrenzung beträgt.

Für diese Untersuchungen wählt man die Frequenz derart, daß die Wellenlänge im Material größer ist als das Gefüge z. B. von Kristallen, Karbiden od. ä., aus dem das Material aufgebaut ist. Kommt man mit der Wellenlänge in die Größe des Materialgefüges, so tritt eine starke Schallabsorption ein, bzw. wenn Gefügeteile mit gröberer Struktur in ein feinkörniges Gefüge eingebaut sind, treten an der groben Struktur Reflexionen auf, wenn die Wellenlänge in die Größe der groben Struktur kommt. Diese Reflexionen werden in der Literatur als »parasitic echoes« bezeichnet.

Dieses Ultraschall-Impulsreflexionsverfahren ist für die ständige Anwendung in der industriellen Werkstoffprüfung weitgehend automatisiert worden. So ist eine Vorrichtung zur automatischen Meldung von Fehlerstellen bei der Ultraschallwerkstoffprüfung bekanntgeworden. In einem auf einem Kathodenstrahloszillogramm sichtbar gemachten im Impulsreflexionsverfahren gewonnenen Oszillogramm werden der Sendeimpuls und der von der dem Sender gegenüberliegenden äußeren Materialbegrenzung reflektierte Impuls durch verschiebbare Blenden abgedeckt, um allein die an Fehlerstellen reflektierten Impulse über eine Photozelle zur Anzeige zu bringen und zu melden. Daneben ist eine Vorrichtung zur Feststellung der örtlichen Lage von Fehlerstellen in einem im Ultraschall-Einrichtung zur zerstörungsfreien
Gefügeuntersuchung von Werkstoffen
mit Ultraschall

Anmelder:

Stätni VyzkumnY ustav tepelne" technikf Praha,

Prag

Vertreter:

Dipl.-Ing. A. Spreer, Patentanwalt,

Göttingen, Groner Str. 35

Als Erfinder benannt:

Horst R. Loos, Prag-Nebusice

Beanspruchte Priorität:

Tschechoslowakei vom 8. März 1955 (Nr. 792) - -

Impulsreflexionsverfahren untersuchten Materialstück bekanntgeworden. Mit dieser Vorrichtung wird ein der Anzeige des Vorhandenseins eines an einer Fehlerstelle reflektierten Impulses dienendes elektrisches Anzeigeinstrument durch einen besonderen in dieser Vorrichtung erzeugten elektrischen Tastimpuls, dessen Impulsdauer der Dauer des Sendeimpulses angepaßt ist und dessen zeitliche Lage nach Abgabe eines Sendeimpulses mit Hilfe einer Verzögerungseinrichtung einstellbar ist, ausgeschaltet, sobald der Tastimpuls den gleichen zeitlichen Abstand von dem Sendeimpuls hat wie die Reflexion von der Fehlerstelle.

Auf die Möglichkeit der Untersuchung des Materialgefüges mit Ultraschallwellen hat die einschlägige Literatur hingewiesen. Sie erkennt diese Möglichkeiten aus der wissenschaftlichen Entdeckung, daß Gefügebestandteile sich einerseits durch Reflexion durch Ultraschallwellen an denselben und andererseits durch starke Schallabsorption innerhalb derselben bei Ultraschalluntersuchungen bemerkbar machen, wenn die Größe der Gefügebestandteile gleich einer halben Schallwellenlänge oder einem Vielfachen derselben ist. Dieser Einfluß auf das Schalleitvermögen ist die Grundlage für ein Untersuchungsverfahren zur Feststellung der Korngröße von Materialgefügen geworden: Durch Änderung der Prüffrequenzen und der dabei resultierenden unterschiedlichen Absorption läßt sich die Korngröße ermitteln aus dem Einsetzen der starken Absorption, sobald die Wellenlänge so klein wird, daß

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sie der zweifachen Korngröße oder einem geradzahligen Vielfachen derselben entspricht. Dieses Untersuchungsverfahren erlaubt es lediglich, die größte Korngröße des Gefüges festzustellen. Sind neben den großen Körnern noch kleine vorhanden, so ist deren Vorhandensein und Struktur mit diesem Meßverfahren nicht zu ermitteln. Sind die großen Körner nur innerhalb gewisser Bereiche ausgebildet, so ist die Lage dieses Bereiches mit diesem Meßverfahren nicht feststellbar.

die Impulsdauer möglichst klein ist, einen beliebigen Abstand mechanisch oder elektrisch auszunehmen und diesen Abschnitt mit Verfahren der mathematischen Statistik zu prüfen. Unter einem Verfahren der mathe-5 matischen Statistik ist hierbei nicht eine an die menschliche Verstandestätigkeit gerichtete Rechenanweisung, sondern ein technisches Rechenverfahren verstanden, nämlich eine Aufeinanderfolge von Vorgängen, wie sie z. B. auch von einer Rechenmaschine ausgeführt

deckt waren, nun erfaßbar sind.

Die Zeichnung dient der Erläuterung eines Ausführungsbeispiels des Erfindungsgedankens. Es zeigt

Fig. 1 das Blockschaltbild einer Einrichtung zur zerstörungsfreien Materialprüfung mit Ultraschall,

Fig. 2 ein Oszillogramm einer Echofolge,

Fig. 3 einen Ausschnitt aus dem Oszillogramm der Fig. 2,

Fig. 4 die Anordnung des piezoelektrischen Sende- und Empfängerkristalls auf dem Prüfling.

Fig. 5 das Blockschaltbild der an einer Photozelle als mechanisches Mittel für Ausblendung eines Teiles der Echofolge angeschlossenen Auswertgeräte,

Fig. 6 das Blockschaltbild der an den Ausgang der Einrichtung zur Ultraschallwerkstoffprüfung elektrisch angeschlossenen Auswertgeräte.

Der mit der Netzfrequenz synchron arbeitende Impulsgenerator 1 (F i g. 1) erzeugt rechteckige

Aber gerade die Untersuchung der Lage bestimmter io werden.
Strukturbereiche und die Feststellung sämtlicher Korn- Die Untersuchungsmethode der Erfindung ist dem

größen des Gefüges ist erforderlich, um z. B. dem bisher bekannten Ultraschall-Impulsreflexionsverfah-Maschinenbauer zuverlässiger Auskunft über die ren, mit dem sich nur grobe Strukturänderungen, wie Materialeigenschaften hochbeanspruchter Maschinen- Lunker, Risse oder dergleichen Fehlerstellen, erfassen teile, insbesondere deren Härte und Zähigkeit an den 15 lassen, auch darin überlegen, daß sehr kleine Fehlerverschiedenen Stellen des Materialstückes zu geben. stellen, deren Reflexionen bisher vom Rauschen ver-Das ist durch die Erfindung erreicht.
Die Erfindung geht aus von einer bekannten Einrichtung zur zerstörungsfreien Untersuchung von
Werkstoffen auf Homogenität und Korngrößen ver- 20
mittels von Ultraschallimpulsen unter Verwendung des
Impulsreflexionsverfahrens mit einer Trägerfrequenz,
deren Wellenlänge der Größenordnung der Kristalle
entspricht. Diese Einrichtung erlaubt die Ausblendung
von aus beliebig wählbaren Gebieten des Prüflings 25
stammenden Reflexionen. Die Erfindung macht sich
die obengenannte wissenschaftliche Entdeckung zunutze, daß Reflexionen an sehr grobkörnigen und stark
inhomogenen Gefügen auftreten, indem sie diese zu
der ihr zugrunde liegenden Erkenntnis ausweitet, daß 30
bei geeigneter, d. h. den Kristallabmessungen entsprechender kleiner Schallwellenlänge der Trägerfrequenz und möglichst kurzer Impulsdauer alle
Kristalle des Werkstoffes reflektieren, wobei die diffuse

Reflexion der Ultraschallimpulse an den Kristallen als 35 Steuerimpulse, die den eine Trägerfrequenz erzeugen- »Rauschen« vom Schallempfänger der obengenannten den Sender 2 tasten. Der Sender 2 erregt einen piezo-Einrichtung aufgenommen wird. elektrischen Schwinger 3, der das zu prüfende Material-

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß stück 4 stoßweise zum Schwingen anregt. Der piezodieses Rauschen alle Informationen über die Kristall- elektrische Schwinger 3 vollführt während der stoßstruktur und die räumliche Lage der Kristalle enthält 40 weisen Anregung nur wenige Schwingungen mit der und daß sich diese Informationen mit Hilfe der Metho- Trägerfrequenz. Zwischen den einzelnen Schallstößen den mathematischer Statistik ermitteln lassen. liegt der Sender 2 still, und die Schallwellen im Prüf-

Die Erfindung löst das ihr zugrunde liegende Problem ling 4 löschen vollständig aus, bevor ein neuer Impuls der Ermittlung der verschiedenen im Material vorhan- gesendet wird. Der Steuerimpuls löst gleichzeitig ein denen Kristallgrößen, -arten und -formen bzw. Struk- 45 Zeitbasis-Kippgerät 5 aus, welches den Elektronenturen und die Feststellung deren räumlicher Lage und strahl der Bildröhre 6 in Richtung der Zeitachse, d. h. Verteilung dadurch, daß sie ein Auswertgerät, welches in horizontaler Richtung ablenkt,
die Auswertung nach Methoden mathematischer Stati- Um ein gut auswertbares Oszillogramm zu erzielen,

stik gestattet und sich daher aus einem Mittelwert- wird der Elektronenstrahl nur während der Ablenkung anzeiger, einem Effektivwertanzeiger und einer Ein- 50 hell gesteuert, was durch das Hellsteuergerät 7 erzielt richtung zui Darstellung der Autokorrelationsfunktion wird, welches ebenfalls durch den Steuerimpuls des oder des Leistungsspektrums zusammensetzt, an ein Generators 1 betätigt wird. Dieser Steuerimpuls löst an sich bekanntes Mittel zur mechanischen oder elek- ferner einen Zeitmarkengeber 8 aus, welcher eine Folge trischen Ausblendung eines bestimmten einstellbaren sehr kurzer die Zeitlinie verdunkelnder Impulse erzeugt. Teiles der Echofolge in der obengenannten Einrichtung 55 Die Zeitmarken werden mit den HilfsSteuerimpulsen in zur zerstörungsfreien Untersuchung von Werkstoffen der Stufe 9 gemischt und dann der Bildröhre 6 zuanschließt, geführt.

In einem Ausführungsbeispiel dieses Erfindungs- Die aus dem Prüfling 4 zurückkehrenden Impulse

gedankens ist das Auswertgerät an eine vor einem (Reflexionen) werden durch den piezoelektrischen Oszillographenschirm obengenannter Einrichtung an- 60 Schwinger 3 aufgenommen und durch einen Hochgeordnete Photozelle entweder direkt oder über einen frequenzimpulsverstärker 10 verstärkt. In einer weite-Verstärker angeschlossen. ren Stufe 11 werden die Impulse gleichgerichtet (de-

Diese Lösung der Erfindung beruht auf dem Zu- moduliert) und über einen Niederfrequenzimpulssammenwirken dreier Verfahren: Die vorliegende Er- verstärker 12 den Ablenkplatten für die F-Richtung, findung lehrt, aus einer in bekanntem Ultraschall- G5 d. h. dem senkrechten Plattenpaar der Bildröhre 6 zu-

Impulsreflexionsverfahren gewonnenen Echofolge, wobei die Trägerfrequenz so hoch zu wählen ist, daß die Wellenlänge den Kristallabmessungen entspricht, und

geführt.

In Fig. 2 ist ein typisches Oszillogramm, wie es mit einer derartigen Einrichtung erzielt wird, dar-

gestellt. In horizontaler Richtung ist die Zeit T aufgetragen, in senkrechter die Stärke des registrierten Ultraschallsignals Y (Γ). In diesem Fall sind auf dem Oszillogramm außer dem ausgesendeten Impuls 13 und dem von der Rückseite 16 des Prüflings 4 reflektierten Echos 14 noch zwei weitere Impulse 15 geringerer Intensität sichtbar, welche durch Reflexion des ausgesendeten Impulses an Fehlstellen 17 im Prüfling 4 entstehen. Je nach Form und Lage und Größe dieser Impulse 15 kann die Güte des geprüften Gegenstandes beurteilt werden.

Neben den beiden Reflexionen 15 von Fehlstellen 17 im Prüfling 4 kann im Oszillogramm der Fig. 2 eine Erscheinung 18 beobachtet werden, die man mit »Rauschen« bezeichnet.

Sie ist besonders in den Fällen sehr stark ausgeprägt, wo sich die Wellenlänge des Ultraschalles im Material größenordnungsmäßig den Abmessungen der Kristalle nähert, und wird durch Reflexionen an den einzelnen Kristallen verursacht. Dieses Rauschen kann gegebenenfalls so stark sein, daß die Echos von Materialschäden überdeckt werden und so das Oszillogramm nicht mehr auswertbar ist. Aus diesem Grunde arbeitet man bei den bisher bekannten Verfahren mit möglichst niedriger Frequenz und engt durch geeignete Dirnensionierung der Elemente 10,11 und 12 den Frequenzbereich des Empfängers auf das kleinste zulässige Maß ein. Grundlage der Erfindung ist die Benutzung dieser bisher unerwünschten Erscheinung zur Untersuchung der Materialstruktur und zurPrüfung seinerHomogenitat. Die Erfindung ermöglicht somit eine Erweiterung der Ultraschall-Defektoskopie auf den strukturellen Aufbau des Werkstoffes eines Prüflings insbesondere bei Schmiede- und Gußstücken und ist wahrscheinlich auch zur Untersuchung von Betonteilen geeignet.

Das Material des Prüflings setzt sich aus einzelnen Kristallen oder Körnern zusammen, welche je nach Art des Materials eine bestimmte mittlere Größe, Form und Verteilung aufweisen. Wenn die Ultraschallwellenlänge im Material so gewählt wird, daß sie den Abmessungen der Kristalle nahekommt, wächst die Energie der von den einzelnen Kristallen reflektierten Impulse stark an. Die Gesamtzahl der reflektierten Impulse setzt sich zu einem unregelmäßigen Verlauf zusammen, welchen man mit »Rauschen« bezeichnet. Der Verlauf dieses Vorganges hängt von Verteilung, Art, Größe und Form der Kristalle ab.

Das Rauschen enthält Informationen über die Struktur des Prüflings. Damit dieses so stark als möglich ausgeprägt ist, ist es notwendig, die Ultraschallfrequenz so hoch zu wählen, daß die Wellenlänge größenordnungsmäßig den Kristallabmessungen entspricht (bei Stahl z. B. muß sie höher als 20 MHz sein), ferner daß die Impulsdauer möglichst klein ist. Bei der Anwendung der Erfindung ist es notwendig, den Sender 2, den piezoelektrischen Schwinger 3 und den Empfänger, welcher sich aus den Elementen 10, 11 und 12 zusammensetzt, entsprechend zu dimensionieren.

Die Auswertung des Oszillogramms ist aus F i g. 3 ersichtlich. Es ist ein beliebiger Abschnitt 19 der Echofolge untersucht, der als Teil der Echofolge aus dem Gesamtdiagramm mechanisch oder elektrisch herausgenommen, d. h. ausgeblendet wird. Der Abschnitt 19 entspricht dem Bereich 20 des zu prüfenden Gegenstandes 4 (Fig. 4). Die aus dem Abschnitt 19 gewonnenen Informationen geben Auskunft über den strukturellen Werkstoffaufbau des Bereiches 20 des Prüflings 4.

Die Ausblendung eines beliebigen Oszillogrammabschnittes wird entweder mechanisch durch eine einstellbare Blende oder elektrisch durch einen entsprechenden Impuls, welcher nur den gewünschten Teil des Oszillogramms hellsteuert, bewirkt.

Im eingestellten Teil 19 des Oszillogramms wird das Signal statistisch ausgewertet. Die statistischen Angaben sind:

1. der Mittelwert

y{t),

2. der Effektivweit

3. die Autokorrelationsfunktion

+τ

r (τ) = lim \y{t + r)y(t)dt

T-V no -^ * J -T

oder das Leistungsspektrum des Rauschens

ψ(^ω) — τ I ^r(^T) ·^cos (^{ω 7}O ^^τ ·

2π J

-OO

Die beiden letzten Begriffe sind durch das Chintschin-Wienersche Theorem verknüpft und enthalten die gleiche Information.

In Fig. 5 sind schematisch notwendige Einrichtungen zur Ausführung der erfindungsgemäßen Messung dargestellt. Das Oszillogramm auf dem Schirm der Bildröhre 6 eines entsprechend ausgebildeten Defektoskopes wird mittels Photozelle 21 aufgenommen und entweder direkt oder über den Verstärker 22 dem Auswertgerät, welches sich aus

anzeigenden Ein1. einer den Mittelwert y{t) anzeigenden Einrichtung 23, ,

2. einer den Effektivwert [^²
richtung 24 und

3. einer die Autokorrelationsfunktion r(r) oder das Leistungsspektrum φ(ω) anzeigenden Einrichtung 25

zusammensetzt, zugeführt. Dabei dient die Photozelle als mechanisches Mittel zur Ausblendung eines Teils der Echofolge.

Eine andere Möglichkeit der Messung geht aus F i g. 6 hervor. Hier wird das Auswertgerät, bestehend aus den Elementen 23, 24 und 25, direkt über den Verstärker 22 an ein entsprechend dimensioniertes Impuls-Defektoskop angeschlossen. Um nur einen bestimmten Ausschnitt 19 des Oszillogramms einzustellen, ist es notwendig, den Empfänger, welcher sich aus den Elementen 10, 11 und 12 (s. Fig. 1) zusammensetzt, so zu tasten, daß nur der gewünschte Ausschnitt 19 des Oszillogramms, welcher einer bestimmten Zone 20 im Prüfling 4 entspricht, verstärkt wird. Das wird erzielt durch ein einstellbares Impulsverzögerungsglied 26, über welches auf den niederfrequenten Impulsverstärker 12 ein Steuerimpuls wirkt, so daß das Signal y(t) nur in einem bestimmten Zeitintervall verstärkt wird. In diesem Fall dient die Bildröhre 6 lediglich der visuellen Verfolgung der Echofolge y{t).

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur zerstörungsfreien Untersuchung von Werkstoffen auf Homogenität und

Korngröße mittels Ultraschallimpulsen unter Verwendung des Impulsreflexionsverfahrens mit einer Trägerfrequenz, deren Wellenlänge der Größenordnung der Kristalle entspricht, und unter Auswertung der durch diffuse Reflexion der Ultraschallimpulse an den Kristallen des Werkstoffes entstehenden, mit »Rauschen« bezeichneten und aus beliebig wählbaren Gebieten des Prüflings stammenden Signale, dadurch gekennzeichnet, daß ein Auswertgerät, welches sich aus einem Mittelwertanzeiger (25), einem Effektivwertanzeiger (24) und einer Einrichtung zur Darstellung der Autokorrelationsfunktion oder des Leistungsspektrums (25) zusammensetzt, an ein an sich bekanntes Mittel zur mechanischen oder elektrischen Aus-

blendung eines bestimmten, einstellbaren Teiles der Echofolge angeschlossen ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1 mit einer einem Kathodenstrahloszillographen zugeordneten Photozelle, dadurch gekennzeichnet, daß das Auswertungsgerät an die Photozelle entweder direkt oder über einen Verstärker (22) angeschlossen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 664 360;
USA.-Patentschrift Nr. 2 603 966;
Bergmann, »Der Ultraschall«, 6. Auflage (1954), S. 864;

Schweizer Archiv für angewandte Wissenschaft und Technik, Bd. 17 (1951), H. 4, S. 107 bis 113.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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