DE1573558C3

DE1573558C3 - Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Blechen und Bändern mit Ultraschall

Info

Publication number: DE1573558C3
Application number: DE1966H0058806
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Phys. Boettcher; Hermann-Josef Dr.Rer.Nat. Kopineck; Gernot Dr.Phil. Sommerkorn (Verstorben)
Original assignee: Hoesch Werke AG
Current assignee: Estel Hoesch Werke AG
Priority date: 1966-03-15
Filing date: 1966-03-15
Publication date: 1979-02-15
Also published as: BE695522A; GB1171494A; DE1573558A1; LU53175A1; AT288739B; DE1573558B2; FR1514029A; NL6703761A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die zerstörungsfreie Prüfung von Blechen und Bändern mit Ultraschall.

Es ist bekannt, Bleche und Bänder mit Ultraschall-Plattenwellen nach dem Prinzip der Durchschallung oder der Impuls-Echo-Methode zerstörungsfrei zu prüfen, wobei durch zeitlich aufeinanderfolgende Veränderungen des Winkels zwischen der Schallschwinger-Normalen und der Oberfläche des Prüflings unterschiedliche Plattenwellentypen, die auf verschiedene Fehlerarten im Prüfling ansprechen, erzeugt, empfangen und vermessen werden (J. und H. Krautk r ä m e r, "Werkstoffprüfung mit Ultraschall, Berlin-Göttingen-Heidelberg, 1961, Seiten 335 und 336; Feingeräte-Technik, 1960, Heft 12, Seiten 556 bis 559; Materialprüfung, Bd. 4, 1962, Nr. 9, Seiten 331 bis 337; Archiv für Eisenhüttenwesen, 1962, Heft 10, Seite 699 bis 710). Es ist auch schon bekannt, daß bestimmte Fehler von einer oder mehreren Wellentypen besser als auf anderen Wellentypen angezeigt werden (J. und H. Krautkrämer, Werkstoffprüfung mit Ultraschall, Berlin-Göttingen-Heidelberg, 1961, Seiten 335 bis 337,insbes.Seite337). ,':-'i .:■ -

Diese bislang übliche Art und Weise der Prüfung ist in mehrfacher Hinsicht mit Mangeln behaftet. Die Erkennbarkeit der Fehler ist weitgehend vom jeweils erzeugten Wellentyp abhängig. Es kann also vorkommen, daß ein Fehler infolge der Wahl eines ungeeigneten Wellentyps nur schlecht oder überhaupt nicht nachgewiesen wird. Der zu einem Wellentyp gehörende Einschallwinkel muß darüberhinaus sehr genau eingestellt werden. Die Abweichung vom Sollwinkel darf nur sehr gering sein, z.B. ±0,5 bis 1°: Diese scharfe Winkeleinstellung ist besonders bei kontinuierlich arbeitenden Prüfanlagen nicht immer gewährleistet, zumal wenn das Prüfmaterial nicht plan ist. Die Umstellung auf eine andere zu prüfende Blech- bzw. Banddicke macht jeweils die Einstellung eines anderen Winkels notwendig.

Bekannt war auch schon die Möglichkeit, verschiedene Plattenwellentypen gleichzeitig anzuregen (Archiv für Eisenhüttenwesen, 1962, Heft 10, Seiten 699 bis 710, insbes, Seite 700).

Die Amplituden der hiernach durch parallel zur Blechoberfläche eingestrahlten Longitudinalwellen erzeugten Plattenwellen sind jedoch sehr klein, und die so erzeugten Plattenwellen sind somit zur Vermittlung einer erschöpfenden Aussage nicht geeignet

Bekannter Stand der Technik ist des weiteren das Entstehen von Plattenweilen in dicken Werkstücken als Indikator für oberflächennahe Fehler in den beschallten Werkstücken heranzuziehen (US-PS 31 65 922). Dabei kann es dann unter Umstanden auch zur Ausbildung unterschiedlicher Plattenwellentypen kommen.

Der. Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zerstörungsfreie Prüfung von Blechen und Bändern mit "> Ultraschall-Plattenwellen so auszugestalten, daß mit Sicherheit alle möglichen Fehler erfaßt werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Anwendung eines Verfahrens zur zerstörungsfreien Prüfung von metallischen Werkstücken mit Ultraschall nach dem

i" Prinzip der Durchschallung oder der Impuls-Echo-Methode mit Hilfe von einem Bestandteil eines schalloptischen Systems mit zylindrischen Schallinsen bildenden . Schallschwingern als Sender und Empfänger zum

■'■■■·■ Anregen, Empfangen und Vermessen einer Mehrzahl von unterschiedlichen Plattenwellentypen in Blechen und Bändern bis ca. 20 mm Dicke, gelöst.
^: Diese Verfahrensweise vermeidet die mit der bekannten, auf der Verwendung von diskreten Wellentypen beruhenden Ultraschallprüfung verbundenen Nachteile und ermöglicht eine umfassende· Aussage über die Beschaffenheit von Bändern und Blechen.

Als Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung dient ein eine Mehrzahl von Schallwellentypen anregender, Bestandteil eines schalloptischen Systems bildender Schallschwinger, und ein, Bestandteil eines schalloptischen Systems bildender, die angeregten Schallwellen empfangender und vermessender Schallschwinger. Es kann sich dabei auch um einen kombinierten, Schallwellen anregenden sowie Schall-

■JO wellen empfangenden und vermessenden Schallschwinger handeln.

Bei dem dem Schallschwinger zugeordneten schalloptischen System kann es sich um Zerstreuungs- oder um Sammellinsen oder um entsprechende Linsensysteme

⁾⁵ handeln. Diese schalloptischen Systeme bewirken, daß der Schallstrahl unter Bildung eines breiten, stark divergierenden Schallbündels auseinandergespreizt wird und einen dementsprechend weiten Winkeibereich überstreicht. Ein solches Schallbündel führt zur Anregung einer Vielzahl von Plattenwellentypen, die durch Empfänger mit einer dem Erreger entsprechenden Schalloptik empfangen und vermessen bzw. ausgewertet werden. :
Für die vorgesehene Prüfung ist es von Vorteil, wenn die Linsen bzw. die Linsensysteme eine Brennlinie erzeugen, womit eine größere Fläche des Prüfmaterials beaufschlagt wird. Solche Brennlinien werden durch zylindrische Linsen bzw. entsprechend gestaltete Linsensysteme hervorgerufen.

so Der Schallschwinger kann auch selbst schalloptisch ausgebildet sein.

Bei der Verwendung von Zerstreuungslinsen wird ein stark divergierendes Schallbündel direkt auf das Prüfmaterial übertragen. Bei der Verwendung von Sammellinsen kann man dafür sorgen, daß die Brennpunkte bzw. Brennlinien der schalloptischen Systeme sich im Prüfmaterial befinden. Auf diese Weise ergibt sich ein für alle anzuregenden Wellentypen nahezu einheitlicher Ausgangspunkt und eine nahezu einheitliche, im Prüfmaterial zurückzulegende Laufstrecke für die Wellen. Diese Art der Anordnung ist dann angebracht, wenn man lediglich an einer umfassenden Aussage über das Vorliegen von Fehlern im Prüfmaterial interessiert ist. Sorgt man dafür, daß die Brennpunkte bzw. Brennlinien der schalloptischen Systeme außerhalb des Prüfmaterials zu liegen kommen, so werden die einzelnen Wellentypen wie bei der Verwendung von Zerstreuungslinsen an verschiedenen

Stellen des Prüfmaterials angeregt. Daraus ergeben sich dann unterschiedliche Laufstrecken der einzelnen Wellentypen. Diese differierenden Laufstrecken in Verbindung mit den voneinander verschiedenen Fortpflanzungsgeschwindigkeiten ermöglichen eine Sortierung der verschiedenen Wellentypen. Im Hinblick darauf, daß die verschiedenen Wellentypen individuell auf die verschiedenen Fehler im Prüfmaterial reagieren, wird somit eine umfassende Überprüfung des Prüfmaterials auf das Vorliegen von Fehlern schlechthin, in Verbindung mit einer speziellen Aussage über die einzelnen Fehler ermöglicht.

Je nach dem zu überstreichenden Dickenbereich der zu prüfenden Materialien ist der öffnungswinkel der Schallbündel von Bedeutung. Es hat sich in der Praxis gezeigt, daß eine öffnung der Schallbündel, gemeint ist damit der Winkel zwischen der Schallbündelachse und einer Mantellinie, zwischen 5 und 35° liegen soll. Vorzugsweise sollte der Schallbündel-Öffnungswinkel bei 25° liegen. Bei der Überprüfung der Abhängigkeit des Schalldurchgangs vom Winkel, den die Schallbündelachse mit der Normalen auf der Oberfläche des Prüfmaterials bildet, stellte sich überraschender Weise heraus, daß dieser Winkel unkritisch ist. Besonders günstig erwies sich dabei jedoch die Einhaltung eines Winkels zwischen 5 und 45°. Vorzugsweise sollte dieser Winkel 35° betragen. Im Gegensatz zu den einleitend geschilderten herkömmlichen Verfahren sind daher Unterschiede in der Winkeleinstellung von einigen Graden ohne meßtechnische Bedeutung. Die Möglich- jo keit einer relativ großen »Schwankungsbreite« bedeutet, daß auch nicht plane Bleche und Bänder unter vorgegebenen Bedingungen einwandfrei geprüft werden können.

In Fig. 1 ist das Anwendungsbeispiel einer Durchschallungseinrichtung mit Ultraschall-Sammellinsen schematisch dargestellt. Die Schallbündelachse 1 des sendenden Schallschwingers 2 ist gegen die Normale 3 auf der Oberfläche des Bleches 4 um den Winkel <xi geneigt angeordnet. Die vom Schallschwinger 2 erzeugten Ultraschallwellen werden durch die Sammellinse 5 derart fokussiert, daß der Brennpunkt 6 in der Oberfläche des Bleches 4 liegt und das Schallwellenbündel einen öffnungswinkel ß\ erhält. Die so eingestrahlte Schallenergie wird im Blech 4 in Form von Schallwellen transportiert. Ein Teil der energie wird vom empfangenden Schallschwinger 7 nach dem physikalisch umgekehrten Prinzip wieder empfangen. Ihm ist wiederum eine eine Schallbündelöffnung βη hervorrufende Sammellinse 8 vorgeschaltet, derart, daß der Brennpunkt 9 ebenfalls in der Oberfläche des Bleches 4 liegt. Die Schallbündelachse 10 des empfangenden Schallschwingers 7 ist gegen die Normale 3 auf der Oberfläche des Bleches 4 um den Winkel <%2 geneigt. Im gezeichneten Beispiel ist αϊ = <x₂ =35° und ß\=ß₂ = 25°. Als Ankoppelungsmedium dient in diesem Fall Wasser.

Fig.2 zeigt schematisch das Anwendungsbeispiel einer Durchschallungseinrichtung mit Ultraschall-Zerstreuungslinsen. Die Schallbündelachse 11 des sendenden Schallschwingers 12 ist gegen die Normale 13 auf der Oberfläche des Bleches 14 um den Winkel xz geneigt. Die vom Schallschwinger 12 erzeugten Ultraschallwellen werden durch die zylindrische Zerstreuungs-Linse 16 unter einem öffnungswinkel ft zerstreut und regen im Blech 14 Schallwellen an. Ein Teil der Energie wird wiederum durch einen entsprechend ausgebildeten empfangenden Schallschwinger 17 empfangen, dessen Schallbündelachse 18 gegen die Normale 13 der Oberfläche des Bleches 14 um den Winkel <X4 geneigt ist, dem ebenfalls eine Zerstreuungslinse 19 mit dem öffnungswinkel 04 vorgeschaltet ist. Im gezeichneten Beispiel ist «3=a4=35° und ft=04 = 25°. Als Ankopplungsmedium dient auch in diesem Fall Wasser.

Im nicht dargestellten Fall der Impuls-Echo-Methode entfällt in F i g. 1 und 2 sinngemäß die Empfangseinrichtung, deren Funktion dann von der verbleibenden Sendeeinrichtung mit übernommen wird.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wurden in warm- und kaltgewalzten Blechen mit Dicken von 0,5 bis 5 mm Materialfehler verschiedener Größe sicher nachgewiesen Bei der Änderung der Blechdicke wurde die Winkeleinstellung der Schallschwinger nicht verändert. Bei dieser Praxis stellte sich der oben bereits genannte Vorteil der Anordnung heraus, nämlich die erheblich größere unempfindlichkeit gegenüber Änderungen und Ungenauigkeiten der Winkeleinstellungen der Schallschwinger, wie sie z. B. leicht bei der Prüfung von kontinuierlich durchlaufenden Blechbändern auftreten können. Winkeländerungen an einem oder beiden Schallschwingern, wie sie sich z.B. bei der Prüfung laufender Bänder ergeben können, können rund ±10° um die Mittellage bei etwa 35° festgelegtem Einschallwinkel betragen. Bei der Verwendung von Bildschirmanzeigen ergab sich, daß bei der Durchschallung mit Impulsen der Schallwechseldruck der empfangenen Schallimpulse sich nur um 2 bis 3 db verändert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Anwendung eines Verfahrens zur zerstörungsfreien Prüfung von metallischen Werkstücken mit Ultraschall nach dem Prinzip der Durchschallung oder der Impuls-Echo-Methode mit Hilfe von einem Bestandteil eines schalloptischen Systems mit zylindrischen Schallinsen bildenden Schallschwingern als Sender und Empfänger zum Anregen, Empfangen und Vermessen einer Mehrzahl von unterschiedlichen Plattenwellentypen in Blechen und Bändern bis ca. 20 mm Dicke. : .