DE1573614A1

DE1573614A1 - Verfahren der Ultraschall-Werkstoffpruefung zur Analyse der Fehlerform

Info

Publication number: DE1573614A1
Application number: DE19651573614
Authority: DE
Inventors: Dr-Phys Josef Krautkraemer
Original assignee: J U H KRAUTKRAEMER GES F ELEKT
Current assignee: J U H KRAUTKRAEMER GES F ELEKT
Priority date: 1965-10-18
Filing date: 1965-10-18
Publication date: 1970-06-04
Also published as: FR1495728A; US3453871A; GB1104875A

Description

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y. I. 6. 6 R A V E

Patentanwalt

5256 Engeldorf, Post Hommepich bei Köln

Dr. J. u. ii. Krautkrämer

Gesellschaft für Elektrophysik . 1 ξ. jq ρ

5 Köln-Klettenberg

Luxemburger Str. 449 IG/tJch

Verfahren der Ultraschall-Werkstoffprüfung zur Analyse der Fehlerform.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Werkstoffprüfverfahren nach der Ultraschall-Impuls-Echo-Methode zur Bestimmung der Abweichung . einer Fehlstelle in einem Werkstück von einer glatten und ebenen Form, insbesondere zur Ermittlung einer Kenngröße hierfür.

Es ist bekannt, daß das Impuls- Echo-Verfahren der Ultraschall-Werkstoffprüfung genaue Angaben über den Abstand einer Fehlstelle in einem Werkstück von der Prüfstelle liefert, Wesentlich schwieriger ist es, aus dem Bchobild auf dem Bildschirm der Braunschen Röhre Angaben über die Größe und Form des Fehlers zu ermitteln. In vielen Fällen ist es für die Beurteilung eines Prüflings aber entscheidend, neben der Ausdehnung des Fehlers etwas Näheres über seine Form und damit auch Art und Ursache zu wissen. Bei der Sohweißnahtprüfung kann ein Sohlackeneinaohluß u.U. belassen werden, während indessen ein Hiß von der gleichen Ausdehnung wegen seiner y/achsturnstendenz oder auch ein flächiger Bindefehler wegen

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seiner Kerbwirkung nicht mehr zulässig ist. Ähnlich ist der Fall auch bei Schmiedestücken, wo die Unterscheidung von. Einschlüssen und Hissen wichtig ist.

Die Echohöhe allein ist im allgemeinen kein Merkmal der Fehlerform. Zwar gibt ein kugeliger oder allseitig unregelmäßiger oder zerklüfteter Fehler ein kleineres Echo als ein flächiger, z.B. kreisscheibenförmiger Fehler gleichen Durchmessers, der senkrecht zu seiner Hauptausdehnung angeschallt wird. Aber bei verschieden großen fehlern beider Arten können die Echohöhen durchaus gleich sein. Es sind zur Unterscheidung auch schon Verfahren bekannt, die darauf beruhen, daß sich die Echohöhe bei Veränderung der Anschallungsrichtung bei beiden Fehlerarten verschieden ändert: Glatte Flächenfehler haben ausgesprochene "Glanzwinkel"-, unter denen die reflektierte Welle wesentlich stärker ist als unter benachbarten Richtungen (s. angez. Druckschrift ^). Der Nachteil der Methode ist, daß sie eine Verschiebung des Prüfkopfes ohne Ankoppiungsänderungen mit einem gleichbleibend auf den Fehler gerichteten Schallstrahl verlangt, was nur in seltenen Fällen möglich ist. Deshalb ist es erforderlich, bei ruhendem Prüfkopf aus dem Echo einer Fehlstelle einen Meßwert für die Fehlerform zu finden.

Ein flächiger, annähernd ebener Fehler reflektiert ein Echo, das dem ausgesandten Impuls weitgehend gleicht. Hat dieser wiejüblich eine steile Anstiegsflanke, so findet diese sich auch im Echo. Bei einem zerklüfteten Fehler überlagern sich im Echo aber Teilwellen mit etwas verschiedenen Laufzeiten. Durch diese Störung wird die Anstiegsflanke aber immer nur abgeflacht. Das Maximum der Echoamplitude wird erst nach einer größeren Zahl von Schwingungen erreicht, und oft gibt es auch anstatt eines Maximums deren mehrere. Ein geübter Prüfer erkennt die Unterschiede bei typischen Fehlstellen· beider Formen auf dem Bildschirm besonders gut bei Geräten, welche eine gleichgerichtete (Video-)Anzeige des Echoimpul-

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ses haben und bei der Gleichrichtung noch einen genügend hohen Anteil Hochfrequenz; mit durchlassen. Diese zeigt sich auf der Kontur des Echos als sog. Hochfrequenzknoten. Auf einer steilen Echoanstiegsflanke zeigen sich nur wenige Knoten vor dem Maximum, im Gegensatz zum Echo mit einer abgeflachten Flanke. Das ist bekannt und wird in der Praxis zur Fehlerbeurteilung benutzt ( s. '-■· , :j. 281 ff.).

Es wird aber für einen geübten Prüfer schon schwieriger, hischtypen beider Fehlerarten zu klassifizieren oder in einer Kombination beider Fehlerarten (Einschluß mit Anriß) den gefährlichen zu erkennen. Schließlich ist dieses an den Prüfer und seine Beobachtungsgabe gebundene Verfahren nicht mehr brauchbar, wenn zwecks Automatisierung der Prüfung die Fehleranzeige kontinuierlich registriert wird, indem die Echohöhe in eine proportionale Registrierspannung umgeformt wir wird. Dann fallen die Feinheiten der Echoform unter den Tisch. Zwar kann man bei einem Registrierverfahren nach Hartin und Werner (s. ^uj ,S. 218, Abb. 2.81) u,li. auch die Hochfrequenzknoten erkennbar machen, aber bei komplizierten Schirmbildern nur unvollkommen und zudem nur nach dem umständlichen fotografischen Registrierverfahren.

Es ist bereits bekannt, die Frequenzverteilung des Echos durch einen Frequenzanalysator zu ermitteln und mit der

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des ausgesandten Impulses zu vergleichen, (s. ^J). Das Verfahren benötigt jedoch sehr aufwendige Heßgeräte, ist außerdem zeitraubend und für eine fortlaufende Aufzeichnung bei einer kontinuierlichen Prüfung ungeeignet. Ob eine weitere Lösung der Aufgabe vielleicht die Hehrfachfrequenz-Hethode liefert, bei der nacheinander oder auch gleichzeitig Impulse verschiedener Frequenzen ausgesandt werden, (y. )» ist nicht erkennbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gleichfalls bei ruhendem Prüfkopf aus dem Echo einer Fehlstelle einen Meß-

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wert für die Fehlerform zu finden, wobei jedoch der apparative Aufwand verringert und die Analyse der Fehlerform auch einem ungeübten Prüfer erleichtert bzw. überhaupt unabhängig vom Prüfer automatisch ausgeführt werden kann. Hierzu wird vorgeschlagen, daß die elektrische Spannung eines ungestörten Echos einer glatten Rückwand durch einen Verstärker verstärkt und ein erster Echohöhenwert gewonnen wird, dann die Bandbreite des Verstärkers verringert, die Echospannung verstärkt und ein zweiter Echohöhenwert gewonnen und ein Verhältnis dieser Echohöhenwerte gebildet wird, sowie dann ein entsprechend^!ajjpjjtos Verhältnis der Echohöhenwerte auch aus den Fehlerechospannungen gebildet wird und die Abweichung, insbesondere aber der Verhältniswert dieser einzelnen Echohöhenverhältnisse gebildet, gemessen oder registriert wird. Im Vergleich zu den bekannten Verfahren geht die erfindungsgemäße Lehre also einen anderen Weg und benutzt die

hei der. zu verschiedenen Pehlerarten gehörenden Echoimpulse«. Hierbei wird das Echo wie üblich gleichgerichtet und in einem Video-Verstärker verstärkt; und es wird nun die Anstiegs- und Abfallzeit dieses Verstärkers durch Herabsetzen der G-renzfrequenz, durch Anwendung von Tiefpaßfiltern oder besonderen Integrationsschaltungen (Hifier-Integrator) vergrößert und der. Einfluß dieser Veränderung auf die Echohöhe beobachtet. In vorteilhafter Weise benötigt man hierbei nicht nur einen ruhenden, sondern einen einzigen Prüfkopf und außerdem nur eine Ultraschallfrequenz.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann das gleichgerichtete Echo gleichzeitig durch zwei verschiedene Video-Verstärker mit verschiedener Bandbreite verstärkt und auf zwei oder auch auf einer gemeinsamen Bildröhre wieder angezeigt werden, um das Verhältnis ihrer Echohöhen bilden zu können, um die gesuchte Kenngröße zu erhalten.

Auch kann erfindungsgemäß das Fehlerecho in bekannter Weise

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durch einen Torverstärker aus dem übrigen Bildinhalt ausgeblendet und nun durch zwei Video - Verstärker mit verschiedener Bandbreite geschickt werden.

Die Ausgangsspannungen werden in bekannter Weise in Gleichspannungen proportional zur Eohohöhe umgeformt. Zur Bildung einer, ihrem Verhältnis proportionalen Spannung werden bekannte elektronische Schaltungen,

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Meßwerke oder elekxröfSiäehe G-eräte, wie z.B. Quotientenmeßgeräte, benutzt. Damit ist auch die Möglichkeit gegeben, diesen " Formfaktor " des Echos durch Zeigerinstrumente oder Registriermeßwerke fortlaufend zu registrieren, z.B. gleichzeitig mit einer Registrierung der Fehlerechohöhe bei automatischer Abtastung, z,B. bei der Schweißnahtprüfung.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht darauf beschränkt, daß die Vergrößerung der Anstiegszeit des Verstärkers durch Veränderungen im Videoteil erfolgen; auch durch Verkleinern der Bandbreite im Hochfrequenzteil des Empfängers wird die gewünschte Erhöhung der Anstiegszeit erreicht. Die Verfahren zur Verkleinerung der HP - Bandbreite sind aus der Rundfunktechnik bekannt, z.B. die Verwendung von umschaltbaren Bandfiltern.

Der Erfindungsgegenstand wird anhand der beiliegenden Zeichnung erläutert, die ein schematisches Ausführungsbeispiel darstellt. Eb zeigen:

Figur 1a mit einer unterbrochenen Linie in idealisierter Form einen schmalen Echoimpuls, reflektiert von ebenen Fehlstellen, mit ausgezogener linie den Impuls am Ausgang des Video - Verstärkers.

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Pig. 1b die der Fig. 1a entsprechend gleiche Darstellung, aber für einen schmalbandigen Videokanal des Verstärkers.

Pig. 2a _v eine der Pig. 1a entsprechende Darstellung»wobei aber statt eines ebenen ein zerklüfteter Fehler vorhanden ist.

Pig. 2b eine der Pig. 2a entsprechende Darstellung, aber für einen schmalbandigen Verstärker.

Im Falle der Fig. 1awird ein Video-Verstärker mit geringer . Lglßichbedeutend mit hoher Bandbreite C4J } : a , verwendet, sodaß der schmale Echoimpuls 1 einer ebenen Fehlstelle im Verstärkerausgang als ein Impuls 2 mit zwar geringfügig abgeflachten Flanken

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erscheint,wobei jedoch die /pulshöhe nicht beeinflußt wird.

Im Falle Fig. 1b wird derselbe Impuls 1 aber auf einen schmalbandigen Videokanal mit großer Anstiegszeit gegeben, hier werden die Flanken (Impuls 2) stark abgeflacht, gleichzeitig aber auch die Höhe reduziert, da infolge der Trägheit des Verstärkers der Spitzenwert garnicht erreicht werden kann. Fig. 2a, 2b zeigen die analogen Verhältnisse für den Fall eines Bchoimpulses 3, der durch Reflexion an einem zerklüfteten Fehler verbreitert iat. Fig. 2a ist wiederum der Fall eines breitbandigen Video-Verstärkers mit geringer Anstiegszeit, Fall Fig. 2b der eines schmalbandigen Verstärkers mit großer Anstiegszeit. Im Gegensatz zu den Verhältnissen in Fig. 1a und 1b wird aber auch mit dem sohmalbandigen Verstärker in Fig. 2b der Impuls 3 mit voller Höhe übertragen, da dieser Impuls breit genug ist, die Verstärkerträgheit zu überwinden.

Der Unterschied der Echohöhe hinter einem schmal- und breitbandigen Video-Verstärker (mit gleichem Verstärkungafaktor) ist also erfindungsgemäß ein Haß dafür, inwieweit der reflektierende Fehler eben und glatt oder zerklüftet ist.

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Der Vergleich der 3?ig. 1b und 2b zeigt, dass diese gewünschte Abhängigkeit der Echohöhe von der Impulsform (insbesondere Breite) nur für Echoimpulse vorliegt, die schmaler als die Anstiegszeit dea sclimalbandigen Verstärkerkanals sind. Für die Praxis wird man also diesen Verstärkerkanal so schmalbandig machen, daß er eine Anstiegszeit aufweist, die der Impulsbreite des stärksten zerklüfteten Fehlers, der ausgewertet werden soll, entspricht.

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Claims

Patentansprüche.

1. Werkstoffprüfverfahren der Ultraschall-Impuls-Echo-Methode zur Bestimmung der Abweichung einer Fehlstelle in einem Werkstück von einer glatten und ebenen Form, insbesodere zur Ermittlung einer Kenngröße hierfür, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Spannung eines ungestörten Echos einer glatten Rückwand durch einen Verstärker verstärkt und ein erster Echohöhenwert gewonnen wird, dann die Bandbreite des Verstärkers verringert, die Echospannung verstärkt und ein zweiter Eohohöhenwert gewonnen und ein Verhältnis dieser Echohöhenwerte gebildet wird sowie dann ein entspreche nd_si***fejes Echohöhenverhältnis auch aus den Fehlerechospannungen gebildet wird und die Abweichungen, insbesondere aber der Verhältniswert-, dieser einzelnen Eohohöhenverhältnisse, gebildet, gemessen oder registriert wird.

2. Werkstoffprüfverfahren nach der Ultraschall-Impuls-Echo-Methode zur Bestimmung der Abweichung einer Fehlstelle in einem Werkstück von einer glatten und ebenen Form, insbesondere zur Ermittelung der Kenngröße hierfür, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Spannung des Echos gleichzeitig zwei verschiedenen Verstärkern mit verschiedener Bandbreite zugeführt, verstärkt und dann die Ausgangaechospannung auf einer gemeinsamen oder zwei getrennten Bildröhren, wie einzeln an sioh bekannt, angezeigt und aus dem Verhält-r nie der Echohöhe, die Kenngröße gebildet wird.

3. Verfahren naoh Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannungen der beiden Verstärker auf Torverstärker gegeben werden, durch diese aus dem Bildinhalt nur ein

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bestimmtes Echo herausgeblendet und die Echospannung in eine für kontinuierliche Registrierung geeignete (ileichspannungs- oder auch Impulsform gebracht, hieraus ein üichohöhenquotient gebildet und dann der Quotient während einer kontinuierlichen Ultraschallabtastung eines Prüflings fortlaufend angezeigt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kenngröße der Echoform gleichzeitig neben der Echohöhe registriert wird.

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