DE1281718B - Verfahren zum Ermitteln der Kornverfeinerung in den Randzonen eines stabfoermigen Metallkoerpers - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

GOIl

Deutsche Kl.: 42 k-46/06

Nummer: 1281718

Aktenzeichen: P 12 81 718.4-52 (U 8409)

Anmeldetag: 20. Oktober 1961

Auslegetag: 31. Oktober 1968

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ermitteln der Kornverfeinerung in den Randzonen eines stabförmigen Metallkörpers aus der Dämpfung von Ultraschallimpulsen, welche den in einer Flüssigkeit eingetauchten Stab in einer Querschnittsebene durchsetzen und welche bei Abwesenheit eines Prüflings von einem auf der einen Seite des Prüfstabes angeordneten Geber zu einem auf der anderen Seite angeordneten Empfänger längs einer außerhalb der Stabachse versetzten Sehne verlaufen.

Es ist bekannt, daß die Kornverfeinerung in der inneren oder Kernzone dadurch untersucht werden kann, daß ein impulsförmiger Ultraschallstrahl in Richtung des Stabdurchmessers eingeleitet und seine Dämpfung, bezogen auf ein Norm-Teststück, gemessen wird, wobei die Dämpfung um so größer ist, je größer die Kornabmessung ist.

Es ist ferner bekannt, daß die Kornverfeinerung eines dünnwandigen Rohres mit Ultraschall ermittelt werden kann. In solchen Fällen werden jedoch bekanntlich die Ultraschallwellen um das Rohr herum innerhalb des Rohrwerkstoffs übertragen, wie sie beispielsweise durch ein Metallblech übertragen würden. Betrachtet man die äußere Randzone eines stabförmigen Körpers (oder die Wandung eines rohrförmigen Stabes mit einer so starken Wanddicke, daß die Bohrung außer acht gelassen werden kannn), so besteht die Schwierigkeit darin, zu wissen, welchen Weg die Ultraschallwellen durch den Stab hindurch nehmen, und diese Kenntnis ist wesentlich, wenn die Messungen präzise auf die Struktur des stabförmigen Körpers bezogen werden sollen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung der Kornverfeinerung der äußeren Randzone eines stabförmigen Metallkörpers mittels Ultraschall zu schaffen, bei dem der Weg der Schallstrahlen festgelegt werden kann und eine exakte Trennung der Meßgrößen für Kernzone und Randzone ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art, das eine solche Versetzung der Sehne von der Stabachse aufweist, daß Impulse zum kleineren, über der Sehne liegenden Umfangsabschnitt des Stabes gebrochen werden, und durch die Auswahl solcher Impulse für die Dämpfungsmessung, welche nach einmaliger Totalreflexion an diesem Umfangsabschnitt den Empfänger beaufschlagen.

Ein Anwendungsgebiet der Erfindung ist das Messen der Korngröße in Uranstäben für Kernreaktorbrennelemente. Zum Herstellungsverfahren dieser Stäbe gehört ein Abschreckvorgang aus dem /3-Struk-

Verfahren zum Ermitteln

der Kornverfeinerung in den Randzonen

eines stabförmigen Metallkörpers

Anmelder:

United Kingdom Atomic Energy Authority,

London

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Schubert, Patentanwalt,

5900 Siegen, Eiserner Str. 227

Als Erfinder benannt:
Roy Samuel Sharpe,
Sydney Aveyard, London

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 25. Oktober 1960 (36 664)

tur-Gefügezustand, der eine ungleichmäßige Korn-S₅ Verfeinerung hervorruft, wobei die äußere Randzone des Stabes eine geringere Korngröße als der mittlere Bereich aufweist.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird der Vorteil erzielt, daß man für die Produktionskontrolle einen Nachweis der Kornverfeinerung in diesen beiden Bereichen erhält.

Die Erfindung ist in den Zeichnungen an Hand eines Ausführungsbeispiels veranschaulicht. Es zeigt Fig. 1 eine Blockschaltbilddarstellung der zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens verwendeten Vorrichtung,

Fig. 2 eine Oszillographenaufzeichnung mit bezifferten Impulsen,

Fig. 3 einen schematischen Querschnitt eines Uranstabes, bei dem die Bezifferung des Verlaufs der Ultraschallwege mit den in F i g. 2 gezeigten Impulsen übereinstimmt,

Fig. 4 mit dem vorliegenden Verfahren erzielte Registrierstreifenaufzeichnungen.

Bei einem Erfindungsbeispiel des vorliegenden Verfahrens wird ein voller runder Uranstab mit 2,92 cm Durchmesser und 100 cm Länge in Wasser eingetaucht und auf Rollen gedreht, die mit ungefähr U/min angetrieben werden. Zwei für eine Frequenz von 6 MHz eingerichtete piezoelektrische Wandler mit 1 cm Durchmesser werden als Geber und als Empfänger an je einer Seite des Stabes in

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einer Aufspannvorrichtung angeordnet, die selbstän- reflektiert wird; Impuls 4 entspricht der Energie, die dig von einem Ende des Stabes zum anderen in etwa als eine Oberflächenwelle rund um den Stab läuft, einer Minute verschoben werden kann. Die resultie- und Impuls 5 entspricht der direkten Übertragung rende Abtastung besteht in einer Schraubenlinie mit durch das Wasser.

einer solchen Steigung, daß der gesamte Stab ausrei- 5 Die Amplitude des Impulses 3, der durch den chend untersucht werden kann. Die Aufspannvor- äußeren ringförmigen Bereich des Stabes läuft, wird richtung ist rechtwinklig zur Stabachse so einstellbar, mit dem vorliegenden Verfahren gemessen. (Daß der daß die Linie, die den Geber und den Empfänger Impuls 3 diesem Weg entspricht, ist durch Unterverbindet, den Stab als eine Sehne veränderlicher suchungen nachgewiesen worden, bei denen ein Loch Lage schneidet. Dem Geber werden Ultraschall- io in einem Stab dicht unter der Oberfläche parallel zu impulse von etwa einer Mikrosekunde Dauer mit seiner Achse gebohrt und der Stab gedreht wurde, einer Frequenz von 6 MHz zugeführt. Die Ausgangs- Die Amplitude des Impulses 3 durchläuft dann einen leistung vom Empfänger her wird an einem Oszillo- Kleinstwert, wennn das Loch sich in dem mittleren graphen dargestellt, wobei eine durch eine veränder- Bereich des kleineren Bogens befindet.) Die Lage der liehe Verzögerungsschaltung gesteuerte Torschaltung 15 Wandler wird so lange verändert, bis Impuls 2 ein es ermöglicht, daß die Amplitude eines ausgewählten Minimum darstellt, worauf die Verzögerungsschal-Zeitabschnittes des empfangenen Signals durch ein tung und Torbreite eingestellt wird, um den Impuls 3 Bandregister oder sonstiges Aufzeichnungsgerät wie- auszusieben und den Impuls 4 zu unterdrücken. Die dergegeben kann, wenn die Wandler am Stab ent- Schreibeinrichtung zeigt jetzt an, wie die Kornverlanggeführt werden. zo feinerung innerhalb des äußeren ringförmigen Berei-

In F i g. 1 ist ein Blockschaltbild des Gerätes dar- ches des Stabes in Richtung seiner Länge variiert, gestellt, bei dem der Stab B (im Querschnitt gezeigt) F i g. 4 zeigt paarweise vorliegende Schreiberaufauf drehbaren Rollen Q in einem Wassertank P ein- zeichnungen, die entstehen, wenn sechs kürzere Längetaucht ist, wobei ein Sendewandler T und ein Emp- genabschnitte I bis VI eines Uranstabes untersucht fängerwandler R jeweils auf einer Seite des Stabes 25 werden, in denen der Vergütungsgrad absichtlich verangeordnet sind. Der Impulsgenerator A liefert für ändert worden ist. Die obere Schreibspur bei beiden den Wandler T Ultraschallimpulse und gibt gleich- Aufzeichnungen entstand aus Impulsen, die durch zeitig Auslöseimpulse für das Zeitablenkungsgerät des den äußeren ringförmigen Bereich gelaufen sind (Im-Oszillographen C sowie für die veränderbare Ver- puls 3 in den Fig. 2 und 3), während die untere zögerungsschaltung D, welche die Torschaltung G 30 Schreibspur von Impulsen erzeugt worden ist, welche steuert. das Kernstück oder den Mittelteil des Stabes durch-

Die Ausgangsimpulse aus der Torschaltung werden lauf en haben (Impuls 1 in den F i g. 2 und 3). Das in einem Gleichstromverstärker H verstärkt, dessen Ansprechverhalten des Schreibgerätes war propor-Ausgangsgröße einem Schnellschreiber 5 zugeführt tional zur Amplitude des empfangenen Signals in werden. 35 Dezibel, d. h. proportional dem Logarithmus der Si-

An dem Wandlergestell sind Bürsten befestigt, gnalamplitude. Sämtliche sechs oberen Schreibspurwelche Luftblasen von der Staboberfläche entfernen; abschnitte wurden mit der gleichen Eingangsleistung die Wandlerflächen werden vor jedem Lauf über die und mit den gleichen Einstellungen am Verstärker Prüffläche des Stabes von Blasen befreit. gewonnen, wodurch sie sich direkt in der Amplitude

Wenn die Wandler diametral zum Stab angeordnet 40 vergleichen lassen. Sämtliche sechs unteren Schreibsind, ist der relativ grobkörnige Mittel- oder Kernteil, spurabschnitte wurden ebenfalls in gleichen Einstelder die Hälfte bis zwei Drittel des Stabdurchmessers lungen aufgezeichnet; diese letzteren Einstellungen ausmacht und eine hohe Dämpfung zeigt, die Haupt- unterscheiden sich von denjenigen für die oberen einflußgröße zur Bestimmung der Dämpfung. Der Schreibspuren, so daß die oberen und unteren Oszillographenstrahl stellt den Impuls 1 nach F i g. 2 45 Schreibspurabschnitte bezüglich ihrer Amplitude entsprechend dem Schallweg 1 in F i g. 3 dar. nicht direkt vergleichbar sind.

In dem Maße, wie die Wandler aus der diametralen In F i g. 4 bedeutet eine ansteigende Höhe der

Lage versetzt werden, erhöht sich der Einfallwinkel Schreibspur oberhalb der Null-Linie ein Maß für die des Schallstrahls an oder auf der Oberfläche infolge Verkleinerung der Korngröße, und es lassen sich die deren kurvenförmigen Verlaufs auf dem Stab B. Die 5° verschiedenen Verfeinerungsgrade der Randzone Impulsenergie spaltet sich jetzt in eine Anzahl ge- (d. h. der ringförmigen äußeren Bereiche des Stabes) trennter Impulse auf, deren Abstände auf dem und des Mittel- oder Kernabschnittes leicht erkennen. Oszillographenschirm Rückschlüsse auf die verschie- Die Stäbe III und VI sind Prüfproben mit einem denen Ausbreitungsarten, die verschiedene Weg- hohen Verfeinerungsgrad, die Stäbe I und V Proben längen besitzen, erlauben. Bei der diametralen Stel- 55 einer mittleren Verfeinerung, während die Stäbe II lung der Wandler ist der Impuls 1 (Fig. 2) der ein- und IV nur einen geringen Verfeinerungsgrad aufzige auf dem Bildschirm. Wenn die Wandler fort- weisen.

schreitend aus dieser Stellung versetzt werden, ver- Die Fähigkeit des vorliegenden Verfahrens, zwi-

schwindet Impuls 1, und es erscheint Impuls 2. Bei sehen der Kornvergütung in der Randzone und dem weiterer Bewegung wird Impuls 2 in seiner Amplitude 60 Mittelabschnitt unterscheiden zu können, ist deutlich verringert, und es erscheinen die Impulse 3 und 4 zu- beim Vergleich der Stäbe II und V erwiesen; sie besammen. Wenn schließlich der Schaltstrahl den Stab sitzen beide ähnliche (mittlere) Verfeinerungsgüten nicht mehr trifft, erscheint nur noch Impuls 5. Aus am Randabschnitt, während die Kornverfeinerung im F i g. 3 läßt sich erkennen, daß der Impuls 2 der Mittel- oder Kernabschnitt des Stabes II nur sehr geEnergie entspricht, die sich direkt auf einer Sehne 65 ring ist. Der Stab IV ist insofern kennzeichnend, als entlang ausbreitet; Impuls 3 entspricht der Energie, er einen stark veränderlichen Verfeinerungsgrad sodie im Inneren des Stabes von seiner Oberfläche in wohl als Rand- als auch des Kernbereiches über die Richtung des der Sehne gegenüberliegenden Bogens Länge des Stabes anzeigt.

Die nachfolgende Tabelle gibt die Anzahl der Kornauszählung (Anzahl der Körner pro Längeneinheit) für die in F i g. 4 angegebenen sechs Stäbe an. Eine Zählung wurde an jedem Ende der Stäbe vorgenommen, wobei jede Kornzählung in dem Randbereich die Summe von vier Zählungen unter 90° langen Abständen rund um den Stab ausmacht; für die Kornzählung im mittleren Bereich oder im Kernabschnitt diente eine einzige Zählung über die Kernfläche mit den größten Körnungen.

Stab	{	Randzone	Mittel abschnitt	}	Verfeinerungs grad
I	J	48 50	5 5	}	mittel
II	{	44 42	1 1	}	gering
III	{	58 59	Ux Ux	I 1	gut
IV	J ι	14 76	1 7	I	gering
V	{	43 46	4 4	I	mittel
VI	56 64	4 6	gut

Es läßt sich erkennen, daß ein gute Übereinstimmung zwischen den Veränderungen in der Dämpfung entsprechend F i g. 4 und den Veränderungen bei der Kornauszählung besteht, welche aus der Tabelle hervorgehen. Wenn die Stäbe III oder VI als Toleranzstäbe angesehen werden (d. h. daß sie den annehmbaren Kleinstwert des Verfeinerungsmaßes aufweisen), so sollten die verbleibenden Stäbe unter Berücksichtigung der aufgezeichneten Schreibspuren als »Ausschuß« behandelt werden, da sie nicht den erforderlichen Verfeinerungsgrad besitzen.

Es hat sich herausgestellt, daß die Impulsauflösung verbessert wird, wenn Gummiabdeckungen mit rechtwinklig ausgeschnittenen Öffnungen in die Wandlerflächen eingepaßt werden, wobei die längeren Seiten der Öffnungen parallel zur Stabachse liegen.

Die Untersuchung des ringförmigen Bereiches sowie des Kernbereiches oder Mittelabschnittes läßt sich gleichzeitig durchführen, indem ein zweites Wandlerpaar in diametraler Stellung angeordnet wird. Andererseits läßt sich auch ein einzelnes Paar von in vorbeschriebener Weise abgedeckten großflächigen Wandlern zur Erzeugung zweier Ultraschallstrahlen verwenden, wobei ein Strahl in diametraler Stellung für den Kernbereich und der andere davon versetzt ίο für die Untersuchung im ringförmigen Bereich verwendet wird.

Es sei darauf hingewiesen, daß das Verfahren sowohl bei dickwandigen rohrförmigen Stäben als auch bei vollen Stäben angewendet werden kann.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Ermitteln der Kornverfeinerung in den Randzonen eines stabförmigen Me-

ao tallkörpers aus der Dämpfung von Ultraschallimpulsen, welche den in einer Flüssigkeit eingetauchten Stab in einer Querschnittsebene durchsetzen und welche bei Abwesenheit eines Prüflings von einem auf der einen Seite des Prüfstabes angeordneten Geber zu einem auf der anderen Seite angeordneten Empfänger längs einer außerhalb der Stabachse versetzten Sehne verlaufen, gekennzeichnet durch eine solche Versetzung dieser Sehne von der Stabachse, daß Impulse zum kleineren, über der Sehne liegenden Umfangsabschnitt des Stabes gebrochen werden, und durch die Auswahl solcher Impulse für die Dämpfungsmessung, welche nach einmaliger Totalreflexion an diesen Umfangsabschnitt den Empfänger beaufschlagen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallstab aus Uran besteht.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Französische Patentschriften Nr. 1 174 582,
044;

USA.-Patentschrift Nr. 2 848 891;
»Gießerei«, 44, 1957, Nr. 17, S. 477 bis 485;
»Stahl und Eisen«, Bd. 79, Nr. 11, 1959, S. 786 bis 795;

»Blech«, Bd. 4, Nr. 6, 1957, S. 25 bis 28.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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