DE1949586A1

DE1949586A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ultraschall-Werkstoffpruefung von Stahlplatten

Info

Publication number: DE1949586A1
Application number: DE19691949586
Authority: DE
Inventors: Sutekiyo Uozumi
Original assignee: ELECTRONICS RES CO Ltd
Current assignee: ELECTRONICS RES CO Ltd
Priority date: 1968-10-01
Filing date: 1969-10-01
Publication date: 1970-06-11
Also published as: US3625051A; JPS4949519B1; DE1949586C3; GB1271824A; DE1949586B2

Description

Electronics Research Go₀ Ltd. £ j (JK]" Kawasaki, Japan

Verfahren und Vorrichtung zur Ultraschall-Werkstoffprüfung von Stahlplatten

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ultraschall-Werkstoffprüfung von Stahlplatten.

Bei herkömmlichen Ultraschall-Prüfverfahren wird ein Wasserstrahl zur Erzielung der akustischen Kopplung benutzt. Das Grundprinzip des Wasserstrahl-Verfahrens be— ruht mithin in der akustischen Ankopplung mittels Wasser, wobei eine Wellenausbreitung zwischen einer flüssigen und einer festen Phase unter Vermeidung jeglichen Mediums in Gasphase erreicht werden soll. Wenn jedoch die Temperatur der zu prüfenden Stahlplatte einen bestimmten Wert übersteigt, wird infolge der Ableitung von Wärmeenergie von der Stahlplatte auf den Wasserstrahl dicht an der Stahloberfläche Wasserdampf erzeugt, wodurch ein eine Gasphase und eine flüssige Phase enthaltender Mischbereich entsteht, der für die akustische Kopplung höchst unerwünscht ist und anomale Gerüsche erzeugt, welche es unmöglich machen, bei über diesem Wert liegenden Temperaturen Materialfehler in einer Stahlplatte festzustellen. Außerdem tritt bei der Verwendung eines Wasserstrahls als akustisches Kopplungsmedium eine weitere Schwierigkeit auf, die bei der Erzielung der Hauptaufgabe beim Flüssigphasenkontakt physikalisch nicht ausgeschaltet werden kann und die darauf beruht, daß die kritische Temperatur und der kritische Druck von Wasser bei 374,1 C bzw. 218,5 At liegen und die Dichte unter diesen Bedingungen 0,324 g/cm⁵ beträgt (vergl. "International Critical Table" oder "Chronological Table of Physico-

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Chemistry" 1968, Material 68). Mit anderen Worten und theoretisch gesprochen ist es also unmöglich, sofern nicht die Temperatur der an der Grenzfläche zwischen dem Wasser und der heißen Stahloberfläche' erzeugten Dampf schicht auf unter 374,1⁰C gehalten wird, die Grasschicht zu "beseitigen und einen für die akustische Kopplung vorteilhaften Flüssigkeit-Feststoff-Grenzflächenzustand hervorzubringen, und zwar unabhängig davon, wie weit der Druck erhöht wird. Dies ist die grundsätzliche Temperaturbeschränkung für Ultraschall-Werkstoffprüfungen mittels eines Wasserstrahls. Zur Prüfung von Stahlplatten mit über diesem Grenzwert liegender Temperatur wäre es daher nötig, die Temperatur des zu untersuchenden Bereichs der Stahloberfläche kurzzeitig und zumindest während des Prüfvorgangs mit Hilfe einer Torkühleinrichtung unter den genannten Grenzwert zu senken.

Um andererseits die Dampfbildung an der Grenzfläche zu unterdrücken, muß der Druck bei '100⁰O auf über 1At, bei 150⁰O auf über 4,698 At, bei 200⁰O auf über 15,34 At, bei 250⁰O auf über 39,23 At und bei 35O⁰O auf über 163,2 At erhöht werden (vergl. "Chronological Table of Physico-Ghemistry" 1968, Material 69), so daß es außerordentlich schwierig ist, einen idealen Grenzflächen-Kontaktzustand zwischen der flüssigen und der festen Phase bei verhältnismäßig hoher Temperatur unter Anwendung eines Wasserstrahls zu verwirklichen. Aus diesem Grund wurde die Ultraschallprüfung üblicherweise in Gegenwart einer Dampfschicht durchgeführt, die im Tergleich zur Wellenlänge der angewandten Ultraschallwellen ausreichend geringe Dicke besitzt.

Im übrigen wurde festgestellt, daß die von der vergleichsweise hohen Yorschubgeschwindigkeit der Stahlplatte herrührende instabile Dickenschwankung dieser Dampfschicht

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und der plötzliche Wärmeschock im Augenblick des Auftreffens des Wasserstrahls auf der heißen Stahloberfläche offenbar die "Hauptursachen für die Erzeugung der anomalen Geräusch- bzw. Schallsignale bilden, welche beim PrüfVorgang an verhältnismäßig hohe Temperatur besitzenden Stahlplatten unter Anwendung dieses herkömmlichen Verfahrens beobachtet werden, (vergl. "Study Report on Automatic Supersonic Inspection for Thick Plates", Seiten 133 - 134-und 143, herausgegeben durch die Learning and Study Advancement Society of Japan).

Weiterhin gibt es noch eine andere große praktische Schwierigkeit, die darin besteht, daß ein Versuch, die vorbestimmte obere Grenze des Temperaturbereichs, in welchem die Prüfung durchgeführt wird, durch Verbesserung der Vorkühlwirkung höherzulegen, zur heftigen Dampfentwicklung führen würde, da ein die Oberfläche der eine außerordentlich große Wärmekapazität besitzenden Stahlplatte beaufschlagender größerer Kühlwasserstrahl den gesamten Prüfungsbereich von Wasserdampf einhüllen und zu übermäßigem Rostansatz an der Stahlplatte führen würde.

Die einen Wasserstrahl verwendenden herkömmlichen Ver—' j

fahren sind somit mit einer Reihe von Schwierigkeiten verbunden, die es ziemlich unmöglich machen, die Ultraschallprüfung bei hohen Temperaturen von bis zu etwa 1200⁰G durchzuführen. Es ist zwar bereits berichtet worden, daß die Prüfung von Stahl bei höheren Temperaturen zufriedenstellend unter Verwendung von geschmolzenem Salz anstatt Wasser als akustisches Kopplungsmittel durchgeführt worden ist, doch ist die Verwendung von geschmolzenem Salz als akustisches Kopplungsmittel für die kontinuierliche und automatische Materialprüfung

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niemals im praktischen Betrieb eingesetzt worden, was zum Teil auf die wirtschaftlichen Nachteile und zum Teil auf die Schwierigkeit der Entfernung des Salzes vom Stahl zurückzuführen ist.

Aufgabe der Erfindung ist mithin in erster Linie die Vermeidung der vorgenannten Nachteile und Schwierigkeiten herkömmlicher Verfahren und die Schaffung eines Materialprüfungsverfahrens, das innerhalb eines weiten Temperaturbereichs zwischen Normaltemperatur und 1200 durchgeführt werden kann, wie es seit langem durch die Stahlhersteller angestrebt worden ist.

Im folgenden ist die Erfindung in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

I¹Ig. 1 eine schematische Seitenansicht einer beispiel— , haften, herkömmlichen Prüfvorrichtung für heiße Stahlplatten, bei welcher ein Wasserstrahl als akustisches Kopplungsmittel dient,

Mg. 2 eine graphische Darstellung der Auswertung der Ultraschallwellendämpfung mit zunehmender Temperatur in einem Stahl-Werkstoff,

Pig. 3 eine graphische Darstellung einer Auswertung der Materialfehler-Feststellempfindlichkeit in Abhängigkeit vom Druck bei Flächen-Flächen-Berührung bei Normaltemperatur,

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Materialfehler-Feststellempfindlichkeit in Abhängigkeit vom Druck bei Zylinderflächen-Planflächenberührung bei Normaltemperatur,

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Fig. 5 eine graphische Darstellung der Materialfehler-Feststellempfindlichkeit als Funktion der Temperatur des zu prüfenden Materials bei Zylinderflächen-Planflächen-Berührung bei verschiedenen Drucken,

Fig. 6 eine teilweise weggebrochene Vorderansicht einer beispielhaften Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 7 eine Seitenansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 6.

Die graphischen Darstellungen gemäß den Fig. 2 bis 5 wurden unter der Voraussetzung aufgestellt, daß die Einteilung der Abszisse (dB) dem auf einem Dämpfungsglied angezeigten Wert entspricht, wenn die Bchoschema-Amplitude eines künstlichen Materialfehlers mit flachem Boden und von 6 mm Durchmesser fcS&atjadcxkwtxiiüt auf einer Kathodenstrahlröhre einen konstanten Ausschlag von 50 mm ergibt. In den Fig. 3 und 4 geben die Kurven B. das Rückecho und die Kurven F₁ das Fehler-Echo an.

In Verbindung mit Fig. 2 ist zunächst darauf hinzuweisen, daß der Hauptgrund dafür, daß die Fehlerfeststellung von vergleichsweise heißen Stahlplatten mittels ^ Ultraschallwellen bisher unmöglich war, nicht die Temperaturabhängigkeit der Ultraschallwellen-Dämpfung im Stahl des Prüflings, sondern die Unzweckmäßigkeit der akustischen Kopplungseinrichtung ist. Wie durch die Kurve gemäß Fig. 2 angedeutet, hat es sich bestätigt, daß durch Temperaturgefälle im Bereich zwischen Normaltemperatur von 3O⁰O und Hochtemperatur von 1200⁰O, bei welcher der Stahl-Prüfling deutlich orangefarben wird, keine so große Ultraschallwellen-Dämpfung hervorgerufen

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wird, daß sie die Fehler—Feststellung unmöglich machen würde9

Es wurde somit deutlich, daß die Schwierigkeit in dem Verfahren zur akustischen Kopplung an der Grenzfläche zu suchen ist. Die Erfindung stützt sich auf zwei Tatsachen, nämlich einmal darauf, daß im allgemeinen der optimale Zustand zur Übertragung von Ultraschallwellen vom Medium A auf das Medium B erreicht ist, wenn die akustischen Impedanzen (d.h. Dichte multipliziert mit Schallgeschwindigkeit.) "beider Medien gleich sind. Die andere Tatsache "beruht auf dem vorerwähnten Umstand, daß die Änderung der Ultraschallwellen-Dämpfung "bei höchstens einigen dB (Dezibel) liegt, selbst wenn ein so starkes Temperaturgefälle wie zwischen 1200°0 und 3O⁰C im identischen Stahl bestehen sollte. Auf der Grundlage dieser beiden Tatsachen verwendet die Erfindung einen Stahl als Kopplungsmaterial zwischen dem Wandler und der Oberfläche der zu prüfenden Stahlplatte zwecks Einleitung eines Temperaturgefälles, wobei die beiden Stähle vorzugsweise fest gegeneinander gedruckt werden, um jegliche GrenzfMchen-Gasphase auszuschal« ten und auf diese Weise eine ausgezeichnete akustische Kopplung zu erzielen. Die praktische Anwendbarkeit dieses Grundgedanken wird durch die in Fig. 3 gezeigten Kurven eines Versuchs belegt.

Zur Durchführung einer kontinuierlichen Werkstoffprüfung wird das ankoppelnde Stahlstück in die Form einer hohlen, zylindrischen Rolle gebracht, die auf dem zu prüfenden Material abzurollen vermag. Außerdem wird an die Berührungsflächen ein hoher Druck angelegt, um jegliche Grenzflächen-Gasphase auszuschalten und eine

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ausgezeichnete akustische Kopplung zu gewährleisten. Selbstverständlich liegt dieser hohe Druck innerhalb des keine Zerstörungen verursachenden Bereichs, so daß das zu prüfende Material keiner schädlichen Yerformung oder sonstigen Qualitätsminderung ausgesetzt wird. Zur Vervollständigung des Ultraschallwellen-Übertragungssystems zwischen dem vorriehtungsfesten Wandler und dem bewegbaren Teil der Rolle kann jede beliebige, zweckmäßige Einrichtung angewandt werden. Vorzugsweise wird jedoch öl zur Kühlung durch die hohle, zylindrische Holle in Umlauf gesetzt und wird ein auf einen Sockel gesetzter öldichter Wandler an der zentralen, feststehenden Welle der Rolle unter Zurücklässung einer ölschicht zwischen dem Sockel und der Innenfläche der Rolle montiert, wobei der Sockel dann sowohl als vorgeschaltetes Temperatur-Verzögerungsleitungsmaterial als auch als Linse dienen kann, welche den Ultraschallstrahl auf der Oberfläche der zu prüfenden Stahlplatte konzentriert. Der Wirkungsgrad der vorstehend beschriebenen Vorrichtung für die kontinuierliche Werkstoffprüfung wird durch die bei einem Versuch erhaltenen Kurven gemäß Fig. 4 belegt.

Als Maßnahme zur Vermeidung unerwünschter anomaler Übergangssignale, die möglicherweise im Augenblick der Berührung zwischen dem akustischen Kopplungsmaterial und der heißen Stahlplatte erzeugt werden, ist außerdem im lall der mit vergleichsweise hoher Geschwindigkeit und bei hoher Temperatur erfolgenden Werkstoffprüfung die Anordnung derart getroffen, daß die Erzeugung plötzlicher Wärmeschocks an der Rolle im Augenblick der Berührung verhindert wird, indem die Oberflächentemperatur der Rolle derjenigen der Stahlplatte angenähert wird.

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Bei diesem Verfahren ist das im Augenblick der Berührung erzeugte Rauschsignal gemäß !ig, 5 so klein, daß es kaum wahrnehmbar ist.

In den lig. 6 und 7 ist ein Beispiel des mechanischen Aufbaus einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens angewandten Vorrichtung zur Prüfung einer Stahlplatte 1 dargestellt. Diese Vorrichtung weist als wesentlichste Bauteile eine Kettenverbindung 2, eise oder mehrere Tischwalzen 3, einen Zulaß 4 zur Einführung von W&&S&&, «inen Öldruck-Zylinder 5, einen Auslaß 6 für die ifsxoEesjabfuhr, der in einem Hochfrequenzkabel zum Wandler führt, eine in ihrem Inneren den Wandler aufnehmende zylindrische Eolle 7, Walzenlager 8, Lagerböoke 9 sowie einen Heizbrenner 10 auf. Die axiale Länge 1 der Rolle 7 kann je nach Bedarf gewählt werden. Wenn beispielsweise eine gleichmäßige Werkstoffprüfung über die ganze Breite der Stahlplatte hinweg durchgeführt werden soll, kann ein die ganze Plattenbreite überstreichender langgestreckter Zylinder, möglicherweise unter Hinzufügung einer Stützwalze 11, angewandt werden. Im lall einer solchen langgestreckten zylindrischen Rolle können in deren Innerem je nach der Anzahl der erforderlichen Kanäle mehrere Wandler angeordnet sein.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung und aus den Zeichnungen hervorgeht, schafft die Erfindung ein wirksames kontinuierliches Ultraschall-Prüfverfahren für heiße Stahlplatten, deren Temperatur zwischen Normaltemperatur von 30⁰O und etwa 1200⁰C liegen kann.

Es ist zu beachten, daß das vorstehend beschriebene Ultraschall-Prüfverfahren für die Werkstoffprüfung von

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Stahlplatten nicht nur bei einem einzigen Wandlersystem angewandt werden kann, bei welchem Signal-Aussendung und -Empfang durch den gleichen Wandler an der einen Seite der zu prüfenden Stahlplatte in Abhängigkeit von einem Impulsecho erfolgen, sondern auch bei einem Doppel-Wandlersystem, bei welchem Signal-Aussendung und -Empfang jeweils von getrennten Wandlern übernommen werden, oder bei einem Signal-Durchstrahlsystem zur Anwendung kommen kann, bei welchem die ein Signal, beispielsweise eine Impulswelle oder eine stehende· Welle, aussendenden und empfangenden Wandler jeweils an gegenüberliegenden Seiten der zu prüfenden Stahlplatte mit an beiden Seiten vorgesehenen akustischen Kopplungsrollen λ

angeordnet sind· In den !Fig. 6 und 7 ist das Impuls-Echosystem veranschaulicht.

Da dem Fachmann selbstverständlich verschiedene Änderungen und Abwandlungen der Offenbarung möglich sind, sollen alle vorstehend beschriebenen oder in den Zeichnungen dargestellten Einzelheiten lediglich als erläuternd und keinesfalls die Erfindung einschränkend angesehen werden·

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Ultraschall-Werkstoffprüfung von Stahlplatten, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Aussendung als auch der Empfang von Ultraschallsignalen in die bzw. von der Stahlplatte durch eine Ankopplung aus einem Stahlmaterial derselben Qualität wie der Stahlplatte hervorgebracht wirdY%iix liner Fläche der Stahlplatte in Berührung gebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale mittels eines einzigen, mit der einen Oberfläche der Stahlplatte in Berührung stehenden Wandlers über die Ankopplung ausgesandt und empfangen werden«

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Wandler angewandt werden, die so angeordnet sind, daß der eine die Signale aussendet und der andere die Signale empfängt, und zwar jeweils über die gleiche Ankopplung.

4· Verfahren naoh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale über zwei getrennte Ankopplungen durch zwei getrennte Wandler ausgesandt und empfangen werden, wobei die beiden Ankopplungen mit der Oberbzw, der Unterseite der Stahlplatte in Berührung gebracht werden·

5· Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Wandler innerhalb des Stahlmaterials der betreffenden Ankopplung montiert wird bzw· werden·

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Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß als Ankopplung eine hohle , zylindrische Stahl-Walze bzw. -rolle verwendet wird, durch welche Kühlöl in Umlauf versetzt wird, daß ein aur einem Sockel sitzender
roidichter Wandler ^MM^^Sxmc&cxäsx^xK^a. an einer zentralen, feststehenden Welle der Holle montiert wird und daß zwischen dem Sockel und der Innenfläche der Rolle ein Ölfilm aufrechterhalten wird, wobei der Sockel sowohl als vorgeschaltetes Temperaturverzögerungs—Leitungsmaterial als auch als Linse wirkt, welche einen Ultraschallstrahl auf der Oberfläche der Stahlplatte konzentriert, und daß die Stahlplatte durch das Zusammenwirken von Rolle und Tischwalzen " kontinuierlich in Bewegung versetzt wird.

Verfahren nach Anspruch 4i dadurch gekennzeichnet, daß die "beiden mit Ober- und Unterseite der Stahlplatte in Berührung stehenden Ankopplungen jeweils die 3?orm einer hohlen, zylindrischen Stahlwalze bzw. -rolle besitzen, durch welche jeweils Kühlöl in Um-

aur einem Sockel sitzender lauf versetzt wird, daß jeweils einYöldichter Wandler

an einer zentralen, feststehenden Welle jeder Rolle montiert wird und daß zwischen dem Sockel und der Innenfläche jeder Rolle ein Ölfilm aufrechterhalten wird, wobei der Sockel sowohl als vorgeschaltetes Temperaturverzögerungs-Leitungsmaterial als auch als Linse wirkt, welche einen Ultraschallstrahl auf der Oberfläche der Stahlplatte konzentriert bzw. einen von dieser ausgesandten Ultraschallstrahl sammelt, und wobei eine der Rollen als Tischwalze wirkt.

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8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 "bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Ankopplung bzw. Ankopplungen mit Hilfe von Hydraulik- oder Druckluft-Zylindern fest gegen die Stahlplatte angedrückt wird bzw. werden, um die Bildung einer Gasphase an der Grenzfläche zu verhindern, und daß der Druck in einem zerstörungsfreien Bereich gehalten wird, so daß die Stahlplatte keine schädliche Verformung oder Qualitätsminderung erleidet.

9» Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Vermeidung der Entstehung plötzlicher Warmeschocks das Material der Ankopplung "bzw, Ankopplungen mittels einer Heizeinrichtung ungefähr auf die Temperatur der Stahlplatte erwärmt wird.

10. Vorrichtung zur Durchführung von Ultraschall-Werkstoffprüfungen nach dem Verfahren gemäß einem der vorangehenden .nsprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl für die Aussendung als auch für den Empfang von Ultraschallsignalen in die bzw. von der Stahlplatte eine Ankopplung aus einem Stahlmaterial derselben Qualität wie der Stahlplatte vorgesehen ist, welches mit einer Fläche der Stahlplatte in Berührung bringbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit der einen Oberfläche der Stahlplatte in Berührung bringbarer Wandler zur Erzeugung der Ultra-r schallsignale vorgesehen ist.

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12. Vorrichtung nach Anspruch 10» dadurch gekennzeichnet, daß zwei getrennte Wandler zur Erzeugung bzw. zum Empfang der Ultraschallsignale vorgesehen sind, die beide über dieselbe Ankopplung mit einer fläche der Stahlplatte in Berührung bringbar sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet» daß zwei getrennte Wandler zur Erzeugung bzw· zum Empfang der Ultrasohallsignale vorgesehen sind, die beide über verschiedene Ankopplungen mit der Oberseite bzw. der Unterseite der Stahlplatte in Berührung bringbar sind«

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 - 13, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Wandler innerhalb des Stahlmaterials der betreffenden Ankopplung montiert ist bzw. sind.

1*5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 „ 11 oder 12, daduroh gekennzeichnet, dad die Ankopplung aus einer hohlen» zylindrischen Stahlwalze bzw, -rolle besteht, durch.welche Kühl81. in Umlauf versetzt wird» daß ein auf einem Socicer sitzender* * /äldiohter Wandler xixa^^KDtWBic^eoiito^xoeiaqit an einer zentralen, feststehenden Welle der Holle montiert ist und daß„zwisohen dem Sockel und der Innenfläche der j Bolle/vorgesehen ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankopplungen jeweils aus einer hohlen, zylindrischen Stahlwalze bzw. -rolle bestehen, durch welche jeweils Kühlöl in Umlauf versatzt wird, daß je«

auf einem Sockel sitzender
wells elnVöldichter Wandler aÄfc3eto5eaKÄH2teeSxx5aBCK an einer zentralen, feststshenden Welle jeder Rolle montiert ist und daß swisohea dem Sockel und der Innenfläohe jeder Rolle ein Ölfilm vorgesehen iat.

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