DE1573627C3

DE1573627C3 - Ultraschall- Impuls- Echo- oder Durchstrahlungsverfahren für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung von elektrisch leitenden Materialien, Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und Verwendungen des Verfahrens zur Ankopplungskontrolle und zur Dickenmessung des Prüflings

Info

Publication number: DE1573627C3
Application number: DE1573627A
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl.-Ing. 5000 Koeln Kaule
Original assignee: Krautkraemer GmbH
Current assignee: Krautkraemer GmbH
Priority date: 1966-08-06
Filing date: 1966-08-06
Publication date: 1975-09-04
Also published as: GB1199177A; FR1604775A; DE1573627A1; US3550435A; DE1573627B2; DE1573596A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Ultraschall-Impuls-Echo- oder Durchstrahlungsverfahren für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung von elektrisch leitenden Materialien, bei dem durch einen an den Prüfling angekoppelten elektromechanischen Wandler Ultraschall in den Prüfling eingeschallt und von demselben oder einem zweiten elektromechanischen Wandler aus dem Prüfling wieder empfangen wird und bei dem Amplitude und Eintrittszeitpunkt der in den Prüfling eintretenden Schallwelle ermittelt werden. Die Erfindung betrifft weiter eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und Verwendung des Verfahrens zur Ankopp

lungskontrolle und zur Dickenmessung des Prüflings.

Als Verfahren zur Kontrolle der Ankopplung sind bereits bekannt [vgl. (1), S. 244]:

a) Bei der Senkrechteinstrahlung Beobachtung der Rückwandechohöhe;

b) bei Schrägeinstrahlung, z. B. bei einem Blech, Benutzung eines zusätzlichen Senkrechtstrahlers und Beobachtung der Mehrfachechofolge aus der Blechdicke;

c) bei Schrägeinstrahlung Einbau eines zusätzlichen Kontrollschwingers, der die an der Trennfläche Vorsatzkeil/Prüfling reflektierte Schallampiitude mißt, und .:

d) bei Schrägeinstrahlung, z. B. bei Rohren, Erzeugung eines Kontrollechos durch einen entgegengesetzt einstrahlenden zweiten Wandlers [(1), S. 351 und 371].

Diesem Verfahren haften folgende Nachteile an:
Zu a) Bei schräg zum Schallstrahl orientierter Fehlerlage fällt das zur Ankopplungskontrolle benutzte Rückwandecho aus, und die Fehlstelle reflektiert den Schall vom Prüfkopf weg. Eine Ankopplungskontrolle ist dann nicht möglich.

Zu b) Die vom Senkrechtstrahler erzeugte Mehrfachechofolge überdeckt einen großen Teil des interessierenden Prüfbereiches. Deshalb ist in der Regel nur intermittierende Ankopplungskontrolle möglich.

Zu c) Die gemessene Amplitude hängt in sehr komplizierter Weise mit der austretenden Amplitude zusammen (2).

Zu d) Großflächige Fehlstellen im Nahbereich des Prüfkopfes (Störechozone) bringen das Kontrollecho zum Verschwinden, sind aber selbst nicht sichtbar, da sie in der Störechozone liegen.

Zu a bis d) Keines der Verfahren erlaubt eine Bestimmung des Zeitpunktes, zu denen der Schallimpuls in den Prüfling eintritt.

Zwar ist noch eine Schaltungsanordnung bekannt,

welche mit Hilfe eines Rückwandechos die Verstärkung des üblichen Impuls-Echo-Gerätes regelt, nach Art der Schwundregelung beim Rundfunkempfänger, um durch Ankopplungsschwankungen verursachte Schwankungen der Empfindlichkeit auszugleichen. Das Rückwandecho ist dazu aber nur schlecht geeignet, da es ja auch durch Fehlstellen im Prüfling geschwächt wird (DT-PS 1 147 779).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung von elektrisch leitenden Materialien mit Ultraschall anzugeben, bei dem von der in den Prüfling eintretenden Schallwelle sowohl die Amplitude als auch der Eintrittszeitpunkt möglichst exakt ermittelt wird. Weiter soll eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und eine besondere Verwendung zur Ankopplungskontrolle sowie zur Dickenmessung angegeben werden.

Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß an der Eintrittsstelle der Schallwelle in den Prüfling in diesem auftretende Magnetfeld-Änderungen in proportionale elektrische Signale (Kontrollimpulse) umgewandelt und diese angezeigt werden.

Das Verfahren ist nämlich in jedem elektrisch leitenden Material verwendbar. Der zugehörige physikalische Effekt ist der gleiche, wie bei der altbekannten Dynamomaschine: Wenn ein elektrischer Leiter in einem Magnetfeld bewegt wird, so wird in der Richtung senkrecht zur Bewegung ein elektrischer Strom induziert.

Das Magnetfeld ist zunächst ständig deshalb vorhan-

den, weil ein Erdmagnetfeld eben ständig vorhanden ist, bzw. man verwendet eine passende Vormagnetisierung, um das Erdmagnetfeld zu verstärken oder es zu ersetzen. Dann entspricht, bezogen auf das Dynamomaschinen-Prinzip, das zu prüfende Material dem elektrischen Leiter, während die Bewegung des Leiters der Schwingung der Materialteilchen im Prüfling entspricht, wobei diese Schwingung durch Anregung mittels Ultraschall zustande kommt. Der »induzierte« Strom ist folglich ein Wechselstrom im Takt der Ultraschallbewegung, und die Wirkung dieses Wechselstroms wird nach dem Prinzip des Transformators auf die Abnahmespule übertragen.

Wenn der Prüfling aus magnetostriktivem Material besteht, wird Vorstehendes durch die Wirkung der Magnetostriktion verstärkt, d. h. die Einwirkung der Magnetostriktion trägt zusätzlich zum dynamoelektrischen Effekt bei. Der Anteil der Magnetostriktion kann aber auch schwächer als die Wirkung des elektrodynamischen Effektes sein.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bei der der elektromechanische Wandler ein piezoelektrischer Kristall ist, der über eine Vorlaufstrecke mit dem Prüfling angekoppelt ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Umwandlung der Magnetfeld-Änderung in dem elektrisch leitenden Prüfling in proportionale elektrische Signale durch eine Spule erfolgt. Tritt Ultraschall in das Werkstück ein, d. h. ist Ankopplung zwischen dem Prüfkopf und dem Werkstück vorhanden, so wird in der Spule eine Änderung des Magnetfeldes und als Folge hiervon ein elektrischer Impuls erzeugt, dessen Amplitude der eintretenden Schallamplitude proportional ist. Weil die Änderung des magnetischen Feldes, die dem magnetoelastischen Effekt zugrunde liegt, sich praktisch verzögerungsfrei ausbreitet, gleichfalls das sekundär gebildete elektrische Feld, entsteht der Kontrollimpuls in der Spule gleichzeitig mit dem Eindringen des Ultraschall-Impulses in den Prüfling. Ist die Amplitudenverteilung der eindringenden Ultraschallwelle über die Kontaktfläche ungleichmäßig, so mißt der Kontrollimpuls den Mittelwert. Eine passende Vormagnetisierung des Werkstückes erhöht die Empfindlichkeit der Anzeige. Der Kontrollimpuls kann auf dem Bildschirm des Impuls-Echo-Gerätes, aber auch auf einem zweiten Oszillog^raphen-Leuchtschirm nach Amplitude und Zeit sichtbar gemacht werden.

Verwendungen des Verfahrens zur Ankopplungskontrolle und zur Dickenmessung des Prüflings sind in den Ansprüchen 5 bzw. 6 angegeben.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine vereinfachte Prüfanordnung,

F i g. 2 die zugehörige Schirmbilddarstellung mit dem Zwischenecho,

F i g. 3 eine separate Schirmbilddarstellung auf einer zweiten Braunschen Röhre,

F i g. 4 bis 6 bzw. 7 bis 9 bzw. 10 bis 12 eine gruppenweise, entsprechende Darstellung wie bei F i g. 1 bis 3.

F i g. 1 zeigt eine Anordnung des an ein fehlerfreies Werkstück angekoppelten Prüfkopfes mit magnetoelastischem Empfänger. 11 ist der piezoelektrische Sender-Empfänger, 12 sei eine feste oder flüssige Vorlaufstrecke, 13 ist das ferromagnetische Werkstück und 14 der magnetoelastische Empfänger.

F i g. 2 zeigt das bekannte Leuchtschirmbild eines Impuls-Echo-Gerätes mit dem Sendeimpuls 15, dem Zwischenecho 16 vom Ende der Vorlaufstrecke und dem Rückwandecho 17 des Werkstückes.

F i g. 3 zeigt das z. B. mit einer zweiten Braunschen Röhre erhaltene Leuchtschirmbild der Ankopplungskontrolle mit dem Ankopplungskontrollecho 18 und dem Rückwandecho 17a bei gleicher Laufzeit-Skala.

F i g. 4 zeigt die gleiche Anordnung mit einem Fehler 19 im Werkstück 13.

In F i g. 5 erscheint zusätzlich das bekannte Fehlerecho 20.

F i g. 6 zeigt außer dem Kontrollecho 18 auch das Fehlerecho 20 sowie das Rückwandecho 17.

F i g. 7 zeigt die gleiche Anordnung wie F i g. 4, jedoch mit schrägliegendem Fehler 6.

In F i g. 8 ist weder ein Fehlerecho noch ein Rückwandecho zu sehen. Es liegt aber Ankopplung vor, da das Leuchtschirmbild F i g. 9 das Kontrollecho KE zeigt.

F i g. 10 zeigt die gleiche Anordnung wie F i g. 7, jedoch ist keine Ankopplung zwischen Prüfkopf und Werkstück vorhanden.

Während F i g. 11 das gleiche Schirmbild wie in F i g. 8 zeigt, beweist das Fehlen des Kontrollechos in F i g. 12, daß keine Ankopplung vorhanden ist.

Der magnetoelastische Empfänger ermöglicht also in obigem Beispiel den sicheren Nachweis der Ankopplung, unabhängig von einem Rückwandechoausfall infolge ungünstiger Fehlerlage.

In gleicher Weise erlaubt die Erfindung die Ankopplungskontrolle beim Durchstrahlungsverfahren und allgemein bei Benutzung getrennter Prüfköpfe als Sender und Empfänger. Der magnetoelastische Empfänger wird in diesen Fällen beim Senderprüfkopf angeordnet. Die Erfindung kann auch dazu verwendet werden, unabhängig vom Abstand des Prüfkopfes von der Prüflingsoberfläche ein Kontrollecho von dieser zu erzeugen und dieses als Startpunkt z. B. einer Monitorblende zu benutzen, wie es gemäß einer Patentanmeldung (3) in anderer Weise gelöst worden ist, insbesondere für den Fall der Wanddickenmessung an heißen Oberflächen, wobei sich die Laufzeit in der Vorlaufstrecke infolge Erwärmung laufend ändern kann. Dabei kann es, etwa für eine digitale Dickenmessung dünner Wände, vorteilhaft sein, den Kontrollimpuls als Startmarke laufzeitmäßig vorzuverlegen, um ihn deutlich vom Rückwandecho zu trennen, wenn das Ultraschall-Zwischenecho 16 in F i g. 2 bereits durch Benutzung eines SE-Prüfkopfes unterdrückt ist [vgl. (1) S. 185 und (3)]. Das kann in bekannter Weise durch Verzögerung aller piezoelektrischen Echoanzeigen im Verstärker des üblichen Impuls-Echo-Gerätes erfolgen. Wenn bei einer solchen Einrichtung die magnetoelastisch angezeigten Rückwandechos 17 wie in Fig.3 stören, läßt sich in bekannter Weise im Verstärkungszweig für den magnetoelastischen Empfänger eine elektrische Unterdrückungsschaltung für alle auf das Kontrollecho folgenden Anzeigen während einer bestimmten Zeitspanne einbauen.

Literatur:

(1) J. u. H. Krautkrämer, Werkstoffprüfung mit Ultraschall, Springer, Berlin 1961

(2) G. J. K ü h η und A. L u t s c h, Elastic Wave Mode Conversion at a Solid-Solid Boundary with Transverse Slip, J. A. S. A. 33 (1961) S. 949 bis 954

(3) Deutsche Patentanmeldung K 56 796 IX/42b

(4) DT-PS 1 147 779

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ultraschall-Impuls-Echo oder Durchstrahlungsverfahren für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung von elektrisch leitenden Materialien, bei dem durch einen an den Prüfling angekoppelten elektromechanischen Wandler Ultraschall in den Prüfling eingeschallt und von demselben oder einem zweiten elektromechanischen Wandler aus dem Prüfling wieder empfangen wird und bei dem Amplitude und Eintrittszeitpunkt der in den Prüfling eintretenden Schallwelle ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet,' daß an der Eintrittsstelle der Schallwelle in den Prüfling in diesem auftretende Magnetfeld-Änderungen in proportionale elektrische Signale (Kontrollimpulse) umgewandelt und diese angezeigt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfling mindestens teilweise vormagnetisiert wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, bei der der elektromechanische Wandler ein piezoelektrischer Kristall ist, der über eine Vorlaufstrecke mit dem Prüfling angekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwandlung der Magnetfeld-Änderung in dem elektrisch leitenden Prüfling (13) in proportionale elektrische Signale durch eine Spule (14) erfolgt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (14) in konzentrischer Lage um die Vorlaufstrecke (12) in der unmittelbaren Nähe der Kontaktfläche Prüfling/Vorlaufstrecke (13,12) angeordnet ist.

5. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 zur Ankopplungskontrolle, bei der in an sich bekannter Weise der Verstärkungsgrad des Verstärkers für den elektromechanischen Empfänger-Wandler oder die Senderspannung entsprechend der Amplitude der Kontrollimpulse nachgeregelt wird.

6. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 zur Dickenmessung des Prüflings, bei der die Laufzeit der Echoimpulse des elektromechanischen Empfänger-Wandlers verzögert, diejenige des Kontrollimpulses jedoch nicht verzögert und der Kontrollimpuls früher als laufzeitrichtig in einem Schirmbild dargestellt wird und bei der nach dem Eintreffen des Kontrollimpulses eine bestimmte Zeitlang alle weiteren auf Grund der Magnetfeld-Änderungen gewonnenen elektrischen Signale unterdrückt werden.