-
Anordnung zur Fehlerermittlung in Werkstücken mittels Schall oder
Ultraschall Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Fehlerermittlung in Werkstücken
mit einem von einem Impulsgenerator gespeisten Strahler zum Erzeugen von Schall-
oder Ultraschallimpulsen und einem Empfänger für die an Fehlerstellen reflektierten
Impulse und einer Bewegungsvorrichtung zum Erzeugen einer parallel zur Werkstückoberfläche
verlaufenden Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Strahler-Empfänger-Teil,
mit einer Anzeige- oder Aufzeichnungsvorrichtung zum Erzeugen einer graphischen
Darstellung in zwei Koordinaten, die der Relativbewegung bzw. dem Abstand der Fehlerstelle
vom Strahler-Empfänger-Teil entsprechen.
-
Es ist bisher allgemein angenommen worden, daß zur Erhöhung der Genauigkeit
der Fehlerortsbestimmung die Richtschärfe des Ultraschallimpulses vergrößert werden
muß. Der durch Vergrößerung der Richtschärfe zu erzielenden Genauigkeit in der Fehlerbestimmung
sind jedoch praktische Grenzen gesetzt. Es ist bekannt, daß eine Vergrößerung der
Richtschärfe entweder durch Verkürzung der Wellenlänge der gesendeten Wellen oder
durch Vergrößerung des Durchmessers des Strahlers erreicht werden kann. Die Wellenlänge
kann jedoch nicht unter eine bestimmte Grenze verkürzt werden, da dieZerstreu ung
an Kornteilchen nach höheren Frequenzen zunimmt, und die Klarheit der erzielten
Ergebnisse beeinträchtigt sowie verhindern kann, daß genügend Energie die Fehlerstelle
erreicht. Das Ausmaß der Zerstrenung hängt von der Korngröße und der elastischen
Anisotropie des zu prüfenden Materials ab. Beispielsweise können bei geschmiedeter
Aluminiumlegierung, da diese feinkörnig und verhältnismäßig isotropisch ist, Wellenlängen
in der Größenordnung von 0,25 mm angewendet werden. Die Benutzung solcher Wellenlängen
wäre jedoch für die Prüfung von Stahl, insbesondere wenn dessen Korngröße groß ist,
ungeeignet, und es werden deshalb hierfür im allgemeinen Wellenlängen von etwa 2,4
mm angewendet.
-
Durch eine Vergrößerung des Strahlerdurchmessers, obwohl sie die
Richtschärfe erhöht, wird außerdem das minimale Querschnittsgebiet des Strahles
vergrößert, was insbesondere bei kleinen Entfernungen von Nachteil ist. So kann
beispielsweise selbst bei Wellenlängen von 0,24mm unter Verwendung eines Kristalls
von 5 mm Durchmesser, der einen Halbwinkel der Streuung von nur 20 ergibt, die Lage
einer Fehlerstelle innerhalb von 2,5 mm nicht bestimmt werden, wenn nicht die Annahme
gemacht wird, daß die Reflexion von der Fehlerstelle ihre größte Amplitude hat,
wenn die
Fehlerstelle auf der Strahlachse liegt. Diese Annahme ist jedoch nicht immer
berechtigt, da Form und Ausrichtung der Fehlerstelle die Charakteristik des Echos
beeinflussen.
-
Es ist damit eine praktische Grenze -für die Genauigkeit gesetzt,
die durch Erhöhung der Strahlschärfe erzielt werden kann. Weiterhin bringt die Benutzung
eines besonders scharf gebündelten Strahles die Gefahr mit sich, daß bestimmte Arten
von Fehlerstellen, die selbst gerichtete Renektoren darstellen und ungünstig orientiert
sind, bei der Prüfung nicht erfaßt werden. Im Falle eines ebenen Risses, der unter
einem Winkel etwa parallel zum Strahl liegt, kann die Reflexionsamplitude völlig
irreführend sein.
-
Besondere Schwierigkeiten ergeben sich, wenn in Impulsrichtung verlaufende
Risse vorliegen. Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, ist es bekannt, - fünf Schallgeber
gleichzeitig zu verwenden, die in gewissen Abständen hintereinander auf beispielsweise
einer zu prüfenden Eisenbahnschiene aufgesetzt werden. Dabei durchstrahlt der mittlere
Schallgeber das Werkstück in senkrechter Richtung, während die übrigen Schallgeber
das Werkstück unter verschiedenen Winkeln schräg durchstrahlen Auf diese Weise soll
erreicht werden, daß ein. schräg verlaufender Riß, der von einem der Schrägstrahler
nicht entdeckt wird, dafür von dem anderen Schrägstrahler mit um so größerer Intensität
angezeigt wird. Die Echoimpulse der verschiedenen zusammenarbeitenden
elektroakustischen
Wandler werden von einer einzigen Anzeigevorrichtung verarbeitet. Die Diskussion
der Fehleraufzeichnungen bzw. ihrer Analyse ist sehr schwierig, da wegen der verschiedenen
Strahler eine große Zahl von Echoimpulsen gleichzeitig bei der Anzeigevorrichtung
eintrifft. Es wird nicht nur jede Fehlerstelle unter.gewissen Bedingungen von mehreren
Strahlern gleichzeitig entdeckt, sondern es addieren sich hierzu noch die entsprechenden
Anzeigeimpulse, die von den reflektierenden Grenzflächen des Prüflings herrühren.
Generell ist festzustellen, daß jegliche Zunahme der Zahl von unabhängigen Strahlern
schwer zu analysierende Fehleraufzeichnungen ergibt, was insbesondere bei schwieriger
geformten Werkstücken der Fall ist, die sich nicht durch eine Gleichmäßigkeit auszeichnen,
wie sie beispielsweise Eisenbahnschienen aufweisen.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur Fehlerermittlung
in Werkstücken der eingangs erwähnten Bauart zu schaffen, die die Benutzung eines
scharf gebündelten Richtstrahles zur Erzielung hoher Meßgenauigkeit überflüssig
macht und darüber hinaus durch die entstehende Fehlerkurve einen Hinweis auf die
Art und die Lage des Fehlers gibt. Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Strahler,
der einen flachen divergierenden Fächerstrahl erzeugt, und durch eine solche Ausbildung
und Anordnung der Bewegungsvorrichtung, daß die Relativbewegung zwischen dem Werkstück
und dem Strahler-Empfänger-Teil in der Ebene des Fächerstrahles erfolgt.
-
Die Fehlerstelle ändert also während-der Relativbewegung ihre Position
innerhalb des Strahlungsfächers. Jeder Fehler wird nur durch eine einzige Fehlerkurve
angezeigt, wenn man von der zugehörigen Reflexionskurve absieht. Es handelt sich
dabei um Hyperbelspuren, die auf dem Schirm des Oszillographen angezeigt werden.
Dabei läßt der Scheitel der Hyperbel Rückschlüsse auf die Tiefe der Fehlerstelle
zu. Auch ein winklig orientierter Bruch läßt sich nach Lage und Tiefe im Werkstück
sehr genau bestimmen. Da zudem nur ein Strahler nebst Empfänger vonnöten ist, wird
der zur Fehlerermittlung erfordetliche Aufwand gegenüber den bekannten Anordnungen
bei der erfindungsgemäßen Anordnung entscheidend lierabgesetzt.
-
Die Erfindung ist im folgenden an Hand von in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 ein Blockschaltbild einer
Ausführungsform für die Prüfung von Materialblöcken mit rechteckigem Querschnitt
auf Risse oder andere Fehlerstellen, F i g. 2 a bis 2 d verschiedene Anzeigebilder
auf dem Schirm des Kathodenstrahloszillographen in der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform;
F i g. 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung
und Fig.4a bis 4d typische Anzeigebilder auf dem Schirm eines Oszillographen, der
in der an Hand von F i g. 3 erläuterten Ausführungsform verwendet verd.
-
In F i g. 1 wird ein Block 11 mit rechtecl'igem Querschnitt aüs dem
auf Fehlerstellen zu untersuchendem Material auf Stützen 12 in einem Tank 13 gehalten,
der eine Flüssigkeit 14, beispielsweise Wasser, enthält. Ein Strahler-Empfänger-Teil
15, der in die Flüssígkeit N eintaucht, ist starr an einem Wagen 16 befestigt, der
auf einer sich über den Tank 13 erstreckenden Führungsbahn 17 ge-
lagert ist. Die
Führungsbahn 17 ist verschiebbar auf parallelen Schienen 18 gelagert, so daß sie
über die Öffnung des Tanks 13 in senkrechter Richtung zur Bahn 17 verschoben werden
kann und demnach beim Betrieb der Anordnung eine mäanderförtnige Abtastung erfolgt.
-
Der Wagen 16 wird auf der Bahn 17 durch einen Antrieb 18 a mit einem
Motor konstanter Geschwindigkeit (nicht dargestellt) hin- und hergehend angetrieben,
wobei der Motor durch Betätigung der I(leinschalter 19 und 20 umgepolt wird, wenn
diese durch den Wagen 16 am Ende der Bewegung über die Bahn 17 betätigt werden.
Eine Welle am Wagen 16 treibt den Schleifer eines Potentiometers 21 an, so daß ein
variabler Widerstand geschaffen ist, dessen Größe ein Maß für die Entfernung ist,
die der Wagen 16 von einer bestimmten Stelle auf seiner Bahn zurückgelegt hat.
-
Der Strahler-Empfänger-Teil 15 wird vom Impulsgenerator 22 mit elektrischen
Impulsen gespeist und ist so ausgebildet, daß er pulsierende Ultraschallwellen erzeugt
und durch die Flüssigkeit 14 in den Block 11 sendet, und zwar in Form eines flachen
divergierenden Fächerstrahles mit einem Halbwinkel der öffnung von 45 in einer vertikalen
Ebene parallel zur Bewegungsrichtung des Wagens 16 auf der Bahn 17.
-
Die dem Strahler-Empfänger-Teil 15 vom Impulsgenerator 22 zugeführten
Impulse werden außerdem einem Verstärker 22a zusammen mit den durch den Strahler-Empfänger-Teil
15 empfangenen Echoimpulsen zugeleitet. Diese Echos setzen sich zusammen aus einem
oberen Grenzflächenecho des Blockes 11, aus Echos von Fehlerstellen, einem unteren
Grenzflächenecho des Blockes 11 und aus Echos, die sich durch mehrfache Reflexionen
innerhalb des Blockes 11 ergeben.
-
Als Anzeigevorrichtung wird in bekannter Weise eine Kathodenstrahlröhre
23 verwendet, deren Strahlintensität in Abhängigkeit von der Stärke der vom Verstärker
22a empfangenen Impulse moduliert wird. Der Ablenkanordnung der Röhre für die eine
Richtung wird eine Spannung proportional der Relativbewegung zwischen dem Strahl
und dem Werkstück, der Ablenkanordnung für die andere, auf der ersten senkrechten
Richtung jeweils bei einem &enderimpuls eine von einer Zeitablenkschaltung 26
erzeugte ansteigende Spannung zugeführt.
-
Beispielsweise bewirkt die Zeitablenkschaltung, die vom Impuls generator
22 gesteuert wird und an die Platten 24, 2in' angeschlossen ist, jedesmal eine vertikale
Ablenkung des Kàth-odenstrahles um einen bestimmten Betrag, wenn ein Impuls vom
Generator auf den Strahler-Empfänger-Teil 15 gegeben wird.
-
Ein horizontaler Kippgenerator 27, der vomPotentiometer 21 gesteuert
wird, ist an die Platten25, 25' angeschlossen und bewirkt eine Horizontal ablenkung
des Kathodenstrahles.
-
Bei Inbetriebsetzung werden der Antrieb 18a und der Impulsgenerator
22 eingeschaltet. Der Wagen 16 läuft auf der Bahn 17 hin und her, und Ultraschallimpulse
in Form des flachen, divergierenden Fächerstrahles werden auf den Block 11 übertragen.
Wenn keine Fehlerstellen im Block 11 enthalten sind, werden lediglich Echos von
der oberen und unteren Fläche des Blockes 11 und Mehrfachreflexionen des Bodenechos
durch den Strahler-EDI-npfänger-Teil aufgenommen und zur Modulation der Intensität
des
Kathodenstrahles weitergeleitet. Diese Echos erzeugen horizontale
Linien auf dem Röhrenschirm, wie dies in F i g. 2 a, 2 b und 2 c gezeigt ist, und
zwar wird die Linie T durch das Echo an der oberen Fläche, die Linie B, durch das
erste Bodenecho und die Linie B2 durch das zweite Bodenecho erzeugt.
-
Es sei nun angenommen, daß ein kleiner, kugelförmiger Fehler im Block
11 enthalten ist. In diesem Falle entsteht ein Echo an diesem, wenn die vordere
Grenzlinie des Fächerstrahles ihn erreicht, und dieses Echo bleibt bestehen, bis
die hintere Grenzlinie des Fächerstrahles ihn verläßt. Die Entfernung des Strahler-Empfänger-Teils
15 von dem Fehler, die im folgenden als Strecker r bezeichnet ist, wird ständig
kleiner, wenn sich der Strahler-Empfänger-Teil 15 über den Block 11 bewegt, erreicht
ein Minimum, wenn er senkrecht über dem Fehler steht, und wird wieder größer, wenn
sich der Strahler-Empfänger-Teil von dem Fehler entfernt.
-
Zur besseren Erläuterung sei zunächst angenommen, daß der Strahler-Empfänger-Teil
15 in Kontakt mit der oberen Fläche des Blockes 11 hin- und herbewegt wird. In diesem
Falle ist bei einer Tiefe d des Fehlers unterhalb des Strahler-Empfänger-Teils und
bei einem horizontalen Abstand x zwischen der Vertikalachse der Strahler-Empfänger-Teil
und dem Fehler:
Die Entfernung ist am kleinsten, wenn x= 0 ist; dann wird r=d.
-
Eine dieser Gleichung folgende Kurve würde infolgedessen auf den
Röhrenschirm geschrieben werden. Die die Gleichung darstellende Kurve ist eine Hyperbel,
deren Krümmung von der Tiefe des Fehlers abhängt. Ein kugelförmiger Fehler in der
Nähe der oberen Fläche würde eine Linie ergeben, wie sie bei 28 in Fig. 2 a gezeigt
ist, Eine derartige Linie wäre leicht zu entdecken. Ein kugeliger Fehler nahe an
der Bodenfläche würde Spuren ergeben, wie sie bei 29, 29' gezeigt sind, wobei die
Spur 29' von einer inneren Mehrfachreffexion im Block 11 herrührt. Die hauptsächliche
Hyperbeispur Z9 beginnt und endet unter der HorizontallinieBl, die durch Reflexionen
von der Bodenfläche hervorgerufen wird, und kann leicht entdeckt werden.
-
Gerichtete Fehlerstellen, wie winklig orientierte Brüche, können
beim Auftreffen der Impulse starke Reflexionen hervorrufen, wenn sich der Strahler-Empfänger-Teil
15 in einiger Entfernung von der Stellung geringsten Abstandes befindet, und überhaupt
keine Reflexionen, wenn die Stellung geringsten Abstandes erreicht ist. In diesem
Falle würde nur ein Teil der Hyperbel auf dem Röhrenschirm ausgeschrieben, und das
Minimum würde fehlen.
-
Eine derartige Anzeigespur ist in F i g. 2 c bei 30 gezeigt und die
von einer Mehrfachreflexion herrührende Spur bei 30'. Durch Extrapolation, wie durch
die gestrichelte Linie 30" angedeutet, können die Stellung des Strahler-Empfänger-Teils
15 beim kleinsten Abstand und der kleinste Abstand d leicht festgestellt werden.
Wenn der Winkel der Fehlerstelle von der Achse des Strahler-Empfänger-Teils sowie
die Amplituden-Winkel-Variationscharakteristik desselben bekannt sind, so kann die
durch Strahlintensität dargestellte Amplitude der reflektierten Impulse zur Bestimmung
der Natur der Fehlerstelle benutzt werden. Die Charakteristik der Spur wird wesentlich
von
der eines kugelförmigen Fehlers verschieden sein, und man kann sich eine Reihe von
Vergleichsmustern herstellen, um die Identifizierung der Fehlerarten zu erleichtern.
-
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird der Strahler-Empfänger-Teil
15 in einem festen Abstand h über der oberen Fläche des Blockes 11 hin-und hergeführt.
In diesem Falle wird die Beziehung zwischen dem wirksamen Abstand R und dem seitlichen
Abstand x der Achse des Strahler-Empfänger-Teils von der Fehlerstelle durch folgende
zwei Gleichungen ausgedrückt: R = h 2 sec 0, + d sec 02, vl x = h htan01 + d tan
0,.
-
Darin bedeutet: v2 die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Wellen im
Block 11, v1 ihre Geschwindigkeit in der Flüssigkeit 14, h die Höhe des Strahler-Empfänger-Teils
15 über der Materialoberfläche, 6) den Einfallswinkel, 92 den Brechungswinkel und
d die Tiefe der Fehlerstelle unter der oberen Fläche des Blockes 11.
-
Die Kurven, die diese Gleichungen darstellen, sind generell von der
gleichen Form wie die Hyperbel, und es erscheinen deshalb ebenfalls Kurven, wie
sie in F i g. 2 a bis 2d gezeigt sind, auf dem Röhrenschirm. Für kleine Werte von
d ist die Länge der Spur sehr kurz; mit einer Vergrößerung von d vergrößert sich
hingegen auch die Länge der Spur.
-
Es ist vorgesehen, daß die Zeitbasis der Kathodenstrahlröhre erweitert
werden kann, so daß der ganze Röhrenschirm während der Beobachtungen und Messungen
ausgenutzt wird.
-
Die gleichen Betrachtungen gelten, wenn feste Übergangsstücke als
Bestandteile des Strahler-Empfänger-Teils 15 mit diesem verbunden sind. In diesen
Fällen müssen die Werte von v2 und vj bei der Berechnung der Kurven berichtigt werden.
-
Es kann auch eine Vorwärtsabtastung angewendet werden, beispielsweise
bei der Prüfung von Schweißstellen. Die Ultraschallimpulse werden in das Material
durch einen Festkörperblock eingeführt, der so geformt und angeordnet ist, daß er
den Strahl entlang der Länge des zu prüfenden Materials leitet. Der Strahl hat die
gleiche Charakteristik wie bei der ersten und zweiten Ausführungsform, und der Strahler-Empfänger-Teil
wird mit dem Festkörperblock schnell in der Ebene des Strahles in Richtung der Länge
des Materials hin- und herbewegt.
-
Die Beziehung zwischen der Strecke R und dem seitlichen Abstand x
ist die gleiche wie vorher erläutert, mit Ausnahme des Unterschiedes, daß v1die
Fortpflanzungsgeschwindigkeit in dem Festkörper und v2 die Fortpflanzungsgeschwindigkeit
in dem zu prüfenden Material sind. Es wurde festgestellt, daß normalerweise nur
ein Ende einer hyperbolischen Spur erhalten werden kann, da der Betrag von x unvermeidlich
hoch ist.
-
Es wurde ferner festgestellt, daß zwei oder mehr Reflexionen von
einer Fehlerstelle erhalten werden, wenn die Vorwärtsabtastung angewendet wird,
und
zwar ist eine der Reflexionen eine direkte Reflexion von der
Fehlerstelle, während die andere eine Reflexion von der Fehlerstelle ist, die durch
eine Begrenzung des Materials nochmals reflektiert wird. Die durch diese Reflexion
hervorgerufenen Spuren ändern sich in verschiedener Weise, jedoch mit größer werdendem
Abstand neigen sie zum Zusammenlaufen. Bei der Schweißprüfung sollte die Untersuchung
natürlich von beiden Seiten der Schweißnaht vorgenommen werden. Wenn dabei die Ausbildung
des Strahler-Empfänger-Teils und die Abstände die gleichen sind, können die Verhältnisse
zwischen den zwei Spuren einer Fehlerstelle die Identifizierung der Art des Fehlers
unterstützen.
-
Bei der Ausführungsform nach Fig.3 wird ein zylinderförmiges Werkstück
31 untersucht. Dabei ist dasselbe um seine Längsachse drehbar angeordnet und der
Strahler-Empfänger-Teil 32 so gelagert, daß die Ebene des Fächerstrahles senkrecht
zur Längsachse des Werkstückes steht.
-
Ein mib konstanter Drehgeschwindigkeit laufender Motor dreht das
Werkstück mit konstanter Geschwindigkeit.
-
Bei dieser letzteren Ausführungsform kann die Beziehung des augenblicklichen
Abstandes r und des Winkels 0 zwischen der Achse des Strahler-Empfänger-Teils und
einem zu einer FehlerstelleF im Körper31 führenden Radius wie folgt ausgedrückt
werden:
wobei a der Radius des zylinderförmigen Werkstückes 31 und n das Verhältnis der
Fehlertiefe d unter d Oberfläche zu dem Radius a ist.
-
Eine graphische Darstellung der Kurve, die dieser Gleichung folgt,
wird auf dem Schirm einer Kathodenstrahlröhre mit einem Polarkoordinatensystem erzeugt,
wobei r der Radiusvektor und - 0- der Winkel zwischen dem Radiusvektor und einer
horizontalen Linie durch den Anfang des Koordinatensystems ist. Die. Strahlintensität
wird in Abhängigkeit von der Stärke der reflektierten Impulse moduliert, und dem
azimutalen Ablenksystem wird synchron mit der Drehbewegung eine dem Drehwinkel des
Werkstückes proportionale Spannung, dem radialen Ablenksystem hingegen jeweils bei
einem Sendeimpuls eine von einer Zeitablenkschaltung erzeugte ansteigende Spannung
zugeführt.
-
Der Kathodenstrahl zeichnet Kurven, wie sie bei 33, 34, 35 und 36
in Fig. 4a bis 4d gezeigt sind.
-
Die Kurve 33 - ist durch einen kugelförmigen Fehler hervogerufen worden,
der sich auf der Oberfläche des Werkstückes 31 befindet. Die Kurve 34 rührt von
einem kugelförmigen Fehler her, der sich in einer Tiefe d unter der Oberfläche befindet.
Wie ersichtlich, besitzt die Kurve einen Wendepunkt in Form einer Spitze, deren
Abstand vom Anfangspunkt auf dem Schirm ein Maß für d ist, woraus der Wert d ermittelt
werden kann. Die Kurve 35 ist durch einen Fehler nahe der Mitte des Werkstückes
und die Kurve 36, die ein Kreis ist, durch einen Fehler in der Mitte desselben erzeugt.
-
Wenn die Prüfung von der Innenflåche eines ringförmigen Körpers durchgeführt
wird, werden ähn-
liche Kurven auf dem Röhrenschirm erhalten. In diesem Falle kann
die Beziehung zwischen dem Abstand r und dem Winkel e wie folgt ausgedrückt werden:
worin a' der innere Radius des ringförmigen Körpers und n' das Verhältnis der Fehlertiefed
unter der inneren Fläche und dem inneren Radius a' bedeutet.
-
Man könnte annehmen, daß die Verwendung eines festen Strahler-Empfänger-Teils,
der einen breiten Strahl erzeugt, eine geringere Empfindlichkeit ergibt.
-
Wenn jedoch der Strahl nur in einer Ebene verbreitert wird, ist die
Dämpfung auf Grund der Strahlstreuung nicht sehr schwerwiegend, insbesondere in
Anbetracht neuerer Erkenntnisse über die Anwendung von Hochleistungssendern und
von Bariumtitanat. Nach der Erfindung kann auch erforderlichenfalls ein bekannter
Strahler mit keulenförmiger Charakteristik verwendet werden, der zur Erzeugung des
Flächenstrahles durch eine Antriebsvorrichtung in eine rasche Pendelschwingung um
einen vorbestimmten Winkelbereich versetzt wird.
-
Weiterhin ist es zweckmäßig, als Strahler und Empfänger einen Kristallschwinger
in Form eines Zylindermantelauschnittes gleichmäßiger Dicke zu verwenden.