DE1648768A1

DE1648768A1 - Verfahren zur Werkstoffpruefung metallischer Werkstuecke mit Ultraschall

Info

Publication number: DE1648768A1
Application number: DE19671648768
Authority: DE
Inventors: Alain Sulmont
Original assignee: Vallourec SA; Vallourec Usines a Tubes de Lorraine Escaut SA
Current assignee: Vallourec SA; Vallourec Usines a Tubes de Lorraine Escaut SA
Priority date: 1966-03-14
Filing date: 1967-03-02
Publication date: 1972-04-06
Also published as: SE325426B; NL6703845A; FR1499910A; DE1648768B2; US3543566A; DE1648768C3; GB1166717A

Description

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Firma Vallouree, Paris 8eme, 6 rueDaru

Verfahren zur Werkstoffprüfung metallischer Werkstücke mit Ultraschall.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung von metallischen Werkstücken, insbesondere Stahlrohren, mit Hilfe von Ultraschall.

Es ist bekannt, die Werkstoffprüfung metallischer Werkstücke mit Hilfe von Ultraschallbündeln durchzuführen, die in das Metall hineingeleitet werden und die das Vorhandensein von Fehlern dadurch anzeigen, daß Wellen an den im allgemeinen scharfe Kanten aufweisenden Fehlerstellen reflektiert und darm aufgefangen werden.

Es sind auch bereits Verfahren zur Werkstoffprüfung metallischer Rohre mit Ultraschall bekannt, bei denen man ein Ultraschallbündel in einer Ebene in das Innere der Rohre einführt, die im wesentlichen senkrecht oder unter einem Winkel zur Rohrachse orientiert sind, wobei in einem Empfänger am Austritt des Schallstrahlbündels aus dem Rohr die im Rohr vorhandenen Fehler festgestellt werden. Diese bekannten Verfahren haben jedoch den Nachteil, daß Fehler kleiner Abmessungen nicht mehr festgestellt werden können, weil die Abschwächung der Intensität des Bündels, die sich aufgrund der Ablenkung ergibt, nicht groß genug ist, um beim Empfang abgelesen werden zu können. Außerdem geht ein großer Teil

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Neue Ur. i, . lagen (Art. 7 § 1 Ab₈.2 Nr, 1 Sab 3 des Änderungsge*. v. 4.9.

der Sahallenergie verloren, wenn in der linführungsebene des Bündels in da» Rohr keine exakt senkrechte Lage der Ebene in bezug auf dii Achse gegeben ist, sondern ein bestimmter Neigungswinkel vorliegt.

Obwohl diese Verfahren in allgemeiner Anwendung sind, lassen sich mit ihnen nur schwierig Fehler erfassen, die sich aus einer Abweichung von der üblichen geometrischen Formgebung von Körpern ergeben.

Außerdem geschieht es häufig, daß derartige Fehler beispielsweise bei der Herstellung der Stahlrohre entstehen, indem Metall- oder Oxydteilchen in die Oberfläche des Rohres während der Walzung derselben eingedrückt werden. Hierdurch ergeben sich lokale Änderungen in der Dicke des Rohres, die, auch wenn dieselben nicht bedeutend sind, unvereinbar mit den Ansprüchen an die gute Qualität des Produktes sind.

Derartige Fehler können durch eine visuelle Prüfung entdeckt werden. Diese stößt aber wegen des erforderlichen Personalbedarfes und der Zeit, die sie benötigt, auf Schwierigkeiten. Diese Fehler können durch andere bekannte Verfahren festgestellt werden, indem eine direkte und automatische Dickenmessung des Rohres an allen Stellen desselben durchgeführt wird.

Aber auch diese mit Ultraschall arbeitende Methode führt zu Schwierigkeiten, weil das jeweils untersuchte Volumen des metallischen Werkstückes relativ klein ist, wodurch der Zeitaufwand zur Durchführung der Prüfung sehr groß wird. Eine solche Prüfung der Dickenabmessungen kann insbesondere nicht gleichzeitig mit den klassischen Prüfverfahren durchgeführt werden, bei denen die Fehler durch das Vorhanden- · sein von scharfen Graten oder Kanten gegeben sind.

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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Werkstoffprüfung metallischer Teile, insbesondere von Rohren, bei denen die Fehler in einer geringen Abweichung von der angestrebten geometrischen Form des Werkstückes liegen, z.B. XNrenn sich leichte Eindellungen in der Oberfläche der Werkstücke befinden.

Die vorliegende Erfindung zeigt einen Weg für eine Prüfung auch dieser Fehler und gestattet gleichzeitig, eine Fehlerprüfung der klassischen Art durchzuführen, wobei das Rohr in bezug auf die Prüfvorrichtung eine schraubenlinienförmige Relativbewegung mit großer Ganghöhe ausführt. Die vorliegende Erfindung ermöglicht auch Fehler von viel kleinerer Ausprägung, als es mit den bekannten Verfahren möglich ist, festzustellen.

So kann das erfindungsgemäße Prüfverfahren z.B. ohne Schwierigkeit mit den bekannten Ultraschall-Prüfverfahren kombiniert werden, bei denen die Fehler mittels transversaler Ultraschallwellen durch von diesen erzeugte Echoimpulse festgestellt werden.

Die vorliegende Erfindung löst die vorgenannte Aufgabe dadurch, daß man in das zu prüfende Werkstück ein Ultraschallbündel so einleitet, daß sich mehrfach Reflektionen des Bündels zwischen den Begrenzungsflächen des Werkstückes ergeben, wobei vorzugsweise das Schallbündel in derselben Ebene verbleibt und der Empfang des Bündels an einer begrenzten Austrittszone erfolgt, die in bestimmtem Abstand von der Eintrittsstelle des Bündels liegt.

Wenn man das erfindungsgemäße Verfahren in einem Falle durchführt, in dem die Oberflächen des metallischen Werkstückes, die sich in der Zone zwischen dem Eintritt des Ultraschallbündels und dem Punkt befindet, wo das Schallbündel empfangen, wird, immer gleich bleiben, wird das Schallbündel nach auf-

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einanderfolgenden Reflektionen an den Oberflächen des Metallwerkstückes immer denselben Weg zurücklegen und wird immer unter den gleichen Bedingungen empfangen werden. Wenn hingegen die Oberfläche des metallischen Werkstückes an irgendeinem Punkt des Verlaufes des Ultraschallbündels eine geometrische Abänderung gegenüber dem üblichen Verlauf aufweist (auch wenn dies nur eine leichte Deformation ist), so wird das Ultraschallbündel abgelenkt und verläuft in einer anderen Richtung, so daß es nicht mehr in der gleichen Weise empfänger werden kann. Auf diese Weise kann man sehr einfach Fehler der infrage stehenden Art nachweisen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für die Werkstoffprüfung von Rohren, Blechen und Folien interessant, welche vor der Prüfvorrichtung verschoben werden können, ohne daß die Form ihrer Oberflächen hierdurch geändert wird.

Die vorliegende Erfindung gestattet es aber auch, Fehler in Form von dichten Einschlüssen oder von Doppelungen, die sich im Innern des metallischen Werkstückes befinden, festzustellen. Das Ultraschallbündel wird nämlich wenigstens teilweise absorbiert, wenn es auf solche Fehler stößt und es kann nicht mehr am Detektor ankommen, der ein Signal auslöst, das den Fehler anzeigt.

Die Entfernung zwischen der Eintrittsstelle und der Empfangsstelle des Ulfraschallbündels hängt in starkem Maße von der Genauigkeit ab, mit der man die Prüfung durchführen will. Wenn das Ultraschallbündel eine große Entfernung im Innern des Werkstückes zurücklegt (was eine große Anzahl von Reflektionen bedingt), so wird das Bündel offensichtlich sehr empfjnolieh gegen eine Winkelabweichung, die sich bei irgendeiner Reflektion ergeben könnte.

Wenn man eine große Genauigkeit der Prüfung erzielen will, so ist es weiterhin erforderlich, ein Ultraschallbündel mit kleinem öffnungswinkel zu verwenden, so daß jede Ablericung

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des Bündels bei den aufeinanderfolgenden Reflektionen im Innern des Werkstückes zu einer so großen Ablenkung führt, daß das Bündel nicht empfangen wird.

Erfindungsgemäß liegt die Entfernung zwischen der Eintrittsstelle und der Austrittsstelle des Ultraschallbündels in der Größenordnung von 20 bis 200 mm; der Winkel, den das Ultraschallbündel zur Normale der Begrenzungswand des Prüfstückes einnimmt, liegt vorzugsweise zwischen 5° und l8 > wobei der Winkel in Wasser gemessen ist. Wenn das zu prüfende Werkstück zwei parallele Flächen aufweist, ist dieser VJinkel auch der Austrittswinkel des Ultraschallbündels.

Um die Erfindung besser verständlich zu machen, wird diese anhand eines Ausführungsbeispieles in den Figuren beschrieben, ohne daß hierin eine Beschränkung des Erfindungsgedankens liegt.

Fig. 1 veranschaulicht schematisch wie die erfindungsgemäße Prüfung der Dicke eines Stahlrohres ausgeführt wird,

Fig. 2 entspricht der Fig. 1, betrifft aber den Fall, daß ein Fehler im Lauf des Ultraschallbündels liegt,

Fig. 5 veranschaulicht im Querschnitt das in Fig. 2 veranschaulichte Rohr und zeigt, wie das Ultraschallbündel | aus der Ebene abgelenkt wird, in der es normalerweise verlaufen würde.

In den Zeichnungen ist ein Stahlrohr 1 veranschaulicht, welches mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geprüft wird.

Ein als Schaltquelle arbeitender Wandler 2 leitet ein Bündel von Ultraschallwellen, welches einen kleinen Öffnungswinkel aufweist, auf den Punkt A der· Erzeugenden oder Erzeugungslinie 3 der äußeren Zylinderfläche des Rohres Io

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In einer gewissen Entfernung vom Punkt A ist auf den Punkt B, der sich gleichfalls auf der Linie der Erzeugenden j5 befindet, die Achse eines als Schallempfänger arbeitenden Wandlers 4 gerichtet, der die von dem Wandler 2 ausgehenden Schallwellen empfängt.

Um die Übertragung des Ultraschallbündels zwischen dem Prüfling und den Wandlern sicherzustellen, verwendet man Wasserschläuche oder Wasserstrahlen 5* die schematisch in den Zeichnungen veranschaulicht sind, weil sie für die Ankoppelung von Ultraschallwellen in der Ultraschalltechnik allgemein gebräuchlich sind.

Die Achse des Schallbündels 6, welches von dem Wandler 2 ausgesandt wird, wird so eingestellt, daß sie in einer Durchmesserebene des Rohres verläuft, wobei die Durchmesserebene durch die Erzeugende 3 hindurchgeht.

Wenn also das Rohr 1 genau zylindrische und konzentrische Begrenzungsflächen aufweist, führt das Bündel 6, wie dies aus Pig. 1 ersichtlich ist, eine Anzahl von Reflektionen an der inneren und äußeren Oberfläche des Rohres aus, bleibt aber hierbei immer genau in der Durchmesserebene wie an der Eintrittsstelle des Strahlenbündel. Das austretende Bündel 7 befindet sich somit in derselben Ebene wie das eintretende Bündel 6 und tritt in der Richtung aus, in der die Achse des Wandlers 4 verläuft.

Wie man aus der Zeichnung ersehen kann, bildet das Ultraschallbündel β mit der Normalen der Rohroberfläche einen Winkel (dieser Winkel wird in Wasser gemessen, welches als Koppelflüssigkeit für die Portpflanzung des Ultraschallbündels zum Punkt A dient). Es ist ersichtlich, daß man, indem einerseits der Wert dieses Winkels und andererseits die Entfernung zwischen den Punkten A und B verändert wird, es so einrichten kann, daß nach einer bestimmten Anzahl von Reflektionen an den Wandungen des Rohres das Bündel im Punkt B empfangen wird.

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In den Fig. 2 und 3 ist veranschaulicht, wie ein Fehler 8, der in einer leichten Dickenvariation des Rohres 1 besteht, eine Ablenkung des Ultraschallbündels hervorruft, welches dann den Weg 7¹ einschlägt ₉ und außerhalb des Ansprechbereiches des Wandlers 4 an diesem Vorbeiläuft. Man ersieht insbesondere aus Fig. 3, daß die Projektion des einfallenden Bündels in die Ebene der Fig. 3, die senkrecht zur inneren und äußeren Oberfläche des Rohres verläuft, nicht mehr senkrecht an der inneren Oberfläche reflektiert wird, wenn es sich um einen Fehler nach der Art des Fehlers 8 handelt, der in der Zeichnung veranschaulicht ist.

Unter solchen Bedingungen wird der an der Fehlerstelle reflektierte Schallstrahl aus der Ebene, welche durch die Erzeugende 3 und die Achse des Rohres läuft, ausgelenkt und durcheilt eine Bahn von sehraubenlinienförmigem Verlauf im Innern des Rohrmantels, auch wenn der Schallstrahl nicht auf einen weiteren Fehler trifft.

Es ist somit ersichtlich, daß es die Erfindung ermöglicht, mit großer Genauigkeit alle Fehler festzustellen, die sich auf der Oberfläche des Rohres 1 befinden.

Die nachfolgenden Ergebnisse sind hierbei beachtenswert. Um die Prüfung eines Stahlrohres mit einem äußeren Durchmesser von 244 mm und eine Dicke von 8,9 mm durchzuführen, verwendet man die Wandler 2 und 4, die einen Durchmesser von 10 mm aufweisen und deren Achse in der gleichen Ebene liegen, die durch die Rohrachse hindurchgeht.

Die Entfernung des Rohres von dem Ende jedes Wandlers kann leicht variieren und liegt beispielsweise zwischen 5 "^nd 25mm. Man verwendet Wasser als Koppelflüssigkeit. Den Winkel, den jeder der Wandler mit der Normale des Rohres bildet, beträgt

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Auf dem Bildschirm des Empfangsgeräte« findet man ziemlich dichte Echofolgen, die gruppenweise gegliedert sind und dir eine gewisse Entfernung vom Ausgangsecho einnehmen. Jedes des gruppierten Echos entspricht einem leicht unterschienlichen Verlauf des Bündels, welches an den beiden Grenzflächen des Rohres reflektiert wird.

Wenn die beiden Wandler 100 mm voneinander entfernt sind (gemeint ist die Entfernung der Punkte A und B voneinander), so kann man eine Dickenveränderung des Rohres von 0,5 mm erfassen, wobei die Dickendifferen^ über eine Zone von ungefähr 50 mm umfänglich verteilt ist. Der Empfang des Ultraschallbündels findet wieder statt und die Registrierung des Fehlers wird somit ausgeschlossen, wenn der Abstand zwischen den beiden Wandlern weniger als 65 nun beträgt.

Man hat gleichfalls festgestellt, daß, selbst wenn die Entfernung zwischen den Wandlern in der Größenordnung von 65 mm liegt, man leicht Fehler entdeckt, die eine Tiefe von 1/2 mm haben, wenn diese Fehler nur über eine Zone verteilt sind,

ρ die beispielsweise einem Oberflächenbereich von 1 bis 2 ein" entspricht.

Man sieht, daß das erfindungsgemäße Verfahren eine besonders leichte Feststellung von Fehlern ermöglicht, die sich in elm? Dickenvariation von Rohren äußern. Wenn die Entfernung zwischen den beiden Wandlern in der Größenordnung von 100 mm liegt, so genügt es zur Prüfung des Rohres, dasselbe in bezug auf die Prüfvorrichtung eine Schraubenlinie mit einer Ganghöhe von etwa 100 mm durchlaufen zu lassen. Eine solche Bewegung entspricht den Verschiebungen, die bei konventionellen Einrichtungen zur Werkstoffprüfung mit Ultraschall allgemein zugelassen sind.

Es versteht sich von selber, daß die oben beschriebene Verfahrensweise keine Beschränkung des Erfindungsgedankenπ bringen kann und daß alle gewünschten Modifikationen vorge-

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,sehen werden können, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.

Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren anstatt zur Prüfung von Stahlrohren auch zur Prüfung von Blechen und anderen Flacherzeugnissen Anwendung finden.

Ansprüche

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Claims

Ansprüche

1. Verfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung der Dickenkonstanz von metallischen Rohren oder von ähnlichen Werkstücken, indem ein Ultraschallbündel in das Innere des Rohres eingeführt, dieses Ultraschallbündel mehrere Male an den Oberflächen des Werkstückes reflektiert und schließlich an einer anderen Stelle des Rohres das austretende Schallbündel empfangen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das einfallende Ultraschallbündel in Giner Ebene verläuft, die durch eine Erzeugende des Rohres und die Achse desselben definiert ist, daß das austretende Schallbündel in derselben Ebene empfangen wird, und daß die Dickenvariationen durch die Schwächung der Intensität des empfangenen Schallbündels gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das einfallende Ultraschallbündel von einem als Schallquelle dienenden Wandler ausgesandt wird, während für* den Empfang des austretenden Strahlbündels ein anderer Wandler vorgesehen ist, und daß die Wandler mit dem Rohr über i/aaserschläuche oder über Wasserstrahlen in Verbindung stehen.

JJ. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung zwischen der Eintrittsstelle des einfallenden Bündel., un:i der Austrittsstelle desselben längs der Erzeugendfjri ι ns Rohres zwischen 20 und 200 mm beträgt.

h. Verfahren nach wenigstens einem eier vorherigen Ansprüche, dadurch gekernt;u:hru:t, daß das ei.nstrahl.jncU-: iio:u)..l 1 b'"ridel mit der Normalein der Rohrf Lache? einen Winkel, einschließt, der r,vn.o(ihen 5 und l.o^v liegt.

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[j. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche;, dadurch gekennzeichnet, daß man zwischen dem Rohr und dem einfallenden und austretenden Bündel eine sehrnubenlinjenförmige Relativbewegung um die Achse des Rohres herum mit einer Ganghöhe diirchführt, die höchstens Clejch dem Abstand ist. der zwischen der Eintrittsstelle des Bündelη und der Austrittsstolle desselben besteht.

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