DE1949586B2 - Vorrichtung zur ultraschallwerkstoffpruefung von stahlplatten - Google Patents

Description

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»uf über 1 At, bei 150° C auf über 4,698 At, bei eingangs genannten Gattung durch das Kennzeichen

200° C auf über 15,34 At, bei 250° C aui über des Anspruchs 1 charakterisiert, dessen Gegenstand

39,23 At, bei 300° C auf Über 84,78 At und bei durch die Unteransprüche in vorteilhafter Weise

350° C auf über 163,2 At erhöht werden (vgl. weitergebildet wird.

»Chronological Table of Physico-Chemistry«, 1968, 5 Im folgenden ist die Erfindung in einem bevorzug-

Material 69), so daß es außerordentlich schwierig ist, ten Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnungen

einen idealen Grenzflächen-Kontaktzustand zwischen näher erläutert. Es zeigt

der flüssigen und der festen Phase bei verhältnismä- F i g. 1 eine schematische Seitenansicht einer beißig hoher Temperatur unter Anwendung eines Was- spielhaften, herkömmlichen Prüfvorrichtung für serstrahls zu verwirklichen. Aus diesem Grund io heiße Stahlplatten, bei welcher ein Wasserstrahl als wurde die Ultraschallprüfung üblicherweise in Ge- akustisches Kopplungsmittel dient,
genwart einer Dampfschicht durchgeführt, die im Fig.2 eine graphische Darstellung der Auswer-Vergleich zur Wellenlänge der angewandten Ultra- tung der Ultraschallwellendämpfung mit zunehmenschallwellen ausreichend geringe Dicke besitzt. der Temperatur in einem Stahl-Werkstoff,

Im übrigen wurde festgestellt, daß die von der ver- 15 Fig. 3 eine graphische Darstellung einer Auswer-

gleichsweise hohen Vorschubges~hwindigkeit der tung der Materialfehler-Feststellempfindlichkeit in

Stahlplatte herrührende instabile Dickenschwankung Abhängigkeit vom Druck bei Flächen-Flächen-Be-

llieser Dampfschicht und der plötzliche Wärme- rührung bei Normaltemperatur,

Schock im Augenblick des Auftreffens des Wasser- Fig.4 eine graphische Darstellung der Material-

ftrahls auf der heißen Stahloberfläche offenbar die 20 fdilei-Festsldleinpfiiidlielikeil in Abhängigkeit vom

Hauptursachen für die Erzeugung der anomalen Ge- Druck bei Zylinderflächen-Planfllkhenberührung bei

rausch- bzw. Schallsignale bilden, welche beim Prüf- Ncrmaltemperatur,

Vorgang an verhältnismäßig hohe Temperatur besit- F i g. 5 eine graphische Darstellung der Material-

tenden Stahlplatten unter Anwendung dieses her- fehler-Feststellenipfindlichkeit als Funktion der

kömmlichen Verfahrens beobachtet weiden (vgl. 25 Temperatur des zu prüfenden Materials bei Zylin-

fcStudy Report on Automatic Supersonic Inspection der-Flächen-Plonflächen-Berührung bei verschiede-

for Thick Plates«, Seiten 133, 134 und 143, her- nen Drucken,

ausgegeben durch die Learning and Study Advance- F i g. 6 eine teilweise weggebrochene Vorderan-

ment Society of Japan). sieht einer beispielhaften Vorrichtung zur Druchfüh-

Wciterhin uibt es noch eine andere große prakti- 3° rung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

sehe Schwierigkeit, die darin besteht, daß ein Ver- F i g. 7 eine Seitenansicht der Vorrichtung gemäß

such, die vorbestimmte obere Grenze des Tempera- F i g. 6.

turbereichs, in welchem die Prüfung durchgeführt Die graphischen Darstellungen gemäß den Fig. 2

■wird, durch Verbesserung der Vorkühlwirkung bis Fig. 5 wurden unter der Voraussetzung auige-

höherzulegen, zur heftigen Dampfentwicklung führen 35 stellt, daß die Einteilung der Abszisse (dB) dem auf

würde, da ein die Oberfläche der eine außerordent- einem Dämpfungsglied angezeigten Wert entspricht,

lieh sroße Wärmekapazität besitzenden Stahlplatte wenn die Echoschema-Amplitude eines künstlichen

beaufschlagender größerer Kühlwasserstrahl den ge- Materialfehlers mit flachem Boden und von 6 mm

samten Prüfuncsbereich von Wasserdampf einhüllen Durchmesser auf einer Kathodenstrahlröhre einen

und zu übermäßigem Rostansatz an der Stahlplatte 40 konstanten Aussehlag von 50 mm ergibt. In den

führen würde. F i g. 3 und 4 geben die Kurven B₁ das Rückecho und

Die einen Wasserstrahl verwendenden hcrkömmli- die Kurven /■', das Fehler-Echo an.
chen Verfahren sind somit mit einer Reihe von In Verbindung mit Fig. 2 ist zunächst darauf hin-Schwierigkeiten verbunden, die es ziemlich unmög- zuweisen, daß der Hauptgrund dafür, daß die Fehlerlich machen, die Ultraschallprüfung bei hohen Tem- 45 feststellung von vergleichsweise heißen Stahlplatten peraturen von bis zu etwa 1200 C durchzuführen. mittels Ultraschallwellen bisher unmöglich war, nicht Es ist zwar bereits berichtet worden, daß die Prüfung die Temperaturabhangigkeit der Ultraschallwellenvon Stahl bei höheren Temperaturen zufricdenstel- Dämpfung im Sl; hl des Prüflings, sondern die Unlend unter Verwendung von geschmolzenem Salz an- Zweckmäßigkeit der akustischen Kopplungseinrichstatt Wasser als akustisches Kopplungsmittel durch- 50 tung ist. Wie durch die Kurve gemäß F i g. 2 angegeführt worden ist, doch ist die Verwendung von ge- deutet, hat es sich bestätigt, daß durch Temperaturschmolzenem Salz als akustisches Kopplungsmittel gefälle im Bereich zwischen Normaltemperatur von für die kontinuierliche und automatische Material- 30 C und Hochtemperatur von 1200 C, bei welprüfung niemals im praktischen Betrieb eingesetzt eher der Stahl-Prüfling deutlich orangefarben wird, worden, was zum Teil auf die wirtschaftlichen Nach- 55 keine so große Ultraschallwcllen-Dämpfung hervorteile und zum Teil auf die Schwierigkeit der Ent- gerufen wird, daß sie die Fehler-Feststellung unmögfernung des Salzes vom Stahl zurückzuführen i«t. lieh machen würde.

Der Erfindung liegt unter Vermeidung der oben Es wurde somit deutlich, daß die Schwierigkeit in

beschriebenen Nachteile und Schwierigkeiten her- dem Verfahren zur akustischen Kopplung an der

kömmlicher Ultraschall-Prüfverfahren die Aufgabe 60 Grenzfläche zu suchen ist. Die Erfindung stützt sich

zugrunde, die Ermittlung von Inhomogenitäten in auf zwei Tatsachen, nämlich einmal darauf, daß im

einem Stahlmaterial innerhalb eines weiten Tempera- allgemeinen der optimale Zustand zur Übertragung

turbereichs zwischen Normaltemperatur und von Ultraschallwellen vom Medium A auf das Medi-

1200° C mittels Ultraschallprüfung, insbesondere in umß erreicht ist, wenn die akustischen Impedanzen

einem Fließ-Herstellungsprozeß mit eindeutiger und 65 (d. h. Dichte multipliziert mit Schallgeschwindigkeit)

sicher reproduzierbarer Aussage zu ermöglichen. beider Medien gleich sind. Die andere Tatsache be-

Die Erfindung ist bei einer Vorrichtung zur Ultra- ruht auf dem vorerwähnten Umstand, daß die Ände-

schall-Werkstoffprüfung von Stahlplatten nach der rung der Ullraschallwellen-Dämpfung bei höchstens

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einigen dB (Dezibel) liegt, selbst wenn ein so starkes Berührung verhindert wird, indem die Oberflächen-Temperaturgefälle wie zwischen 1200⁰C und 3O⁰C temperatur der Rolle derjenigen der Stahlplatte angeim identischen Stahl bestehen sollte. Auf der Grund- nähert wird.

lage dieser beiden Tatsachen verwendet die Erfin- Bei diesem Verfahren ist das im Augenblick der dung einen Stahl als Kopplungsmaterial zwischen 5 Berührung erzeugte Rauschsignal gemäß Fig. 5 so dem Wandler und der Oberfläche der zu prüfenden klein, daß es kaum wahrnehmbar ist.
Stahlplatte zwecks Einleitung eines Temperaturgefäl- In den F i g. 6 und 7 ist ein Beispiel des mechaniles, wobei die beiden Stähle vorzugsweise fest gegen- sehen Aufbaus einer Ausführungsform einer erfineinandergedrückt werden, um jegliche Grenzflächen- dungsgemäßen Vorrichtung zur Prüfung einer Stahl-Gasphase auszuschalten und auf diese Weise eine io platte 1 dargestellt. Diese Vorrichtung weist als \veausgezeichnete akustische Kopplung zu erzielen. Die sentlichste Bauteile eine Kettenverbindung 2, eine praktische Anwendbarkeit dieses Grundgedankens oder mehrere Tischwalzen 3, einen Zulaß 4 zur Einwird durch die in F i g. 3 gezeigten Kurven eines Ver- führung von öl, einen Öldruck-Zylinder 5, einen suchs belegt. Auslaß 6 für die ölabfuhr, der in einem Hochfre-

Zur Durchrührung einer kontinuierlichen Werk- 15 quenzkabel zum Wandler führt, eine in ihrem Inne-

stoffprüfung wird das ankoppelnde Stahisiück in die ien den Wandler aufnehmende zylindrische Rolle 7,

Form einer hohlen, zylindrischen Rolle gebracht, die Walzenlager 8, Lagerböcke 9 sowie einen Heizbren-

auf dem zu prüfenden Material abzurollen vermag. ner 10 auf. Die axiale Länge 1 der Rolle 7 kann je

Außerdem wird an die Berührungsflächen ein hoher nach Bedarf gewählt werden. Wenn beispielsweise

Druck angelegt, um jegliche Grenzflächen-Gasphase _zo eine gleichmäßige Werkstoffprüfung über die ganze

auszuschalten und eine ausgezeichnete akustische Breite der Stahlplatte hinweg durchgeführt werden

Kopplung zu gewährleisten. Selbstverständlich liegt soll, kann ein die ganze Plattenbreite überstreichen-

dieser hohe Druck innerhalb des keine Zerstörungen der langgestreckter Zylinder, möglicherweise unter

verursachenden Bereichs, so daß das zu prüfende Hinzufügung einer Stützwalze 11, angewandt wer-

Material keiner schädlichen Verformung oder sonsti- 25 den. Im Fall einer solchen langgestreckten zylin-

gen Qualitätsminderung ausgesetzt wird. Zur Ver- drischen Rolle können in deren Innerem je nach der

vollständigung des Uhraschallwellen-Übertragungs- Anzahl der erforderlichen Kanäle mehrere Wandler

systems zwischen dem vorrichtungsfesten Wandler angeordnet sein.

und dem bewegbaren Teil der Rolle kann jede belie- Wie aus der vorstehenden Beschreibung und aus

bige, zweckmäßige Einrichtung angewandt werden, go den Zeichnungen hervorgeht, ermöglicht die Erfin-

Vorzugsweise wird jedoch Öl zur Kühlung durch die dung eine wirksame kontinuierliche Ultraschall-Prü-

hohle, zylindrische Rolle in Umlauf gesetzt und wird fung heißer Stahlplatten, deren Temperatur zwischen

ein auf einen Sockel gesetzter öldichter Wandler an Normaltemperatur von 30 C und etwa 1200^c C lie-

der zentralen, feststehenden Welle der Rolle unter gen kann.

Zurücklassung einer Ölschicht zwischen dem Sockel 35 Es ist zu beachten, daß die vorstehend beschrie- und der Innenfläche der Rolle montiert, wobei der bene Ultraschall-Prüfvorrichtung für die Werkstoff-Sockel dann sowohl als vorgeschaltetes Temperatur- prüfung von Stahlplatten nicht nur bei einem einzi-Verzögerungsleitungsmaterial als auch als Linse die- gen Wandlersystem angewandt werden kann, bei weinen kann, weiche den Ultraschallstrahl auf der Ober- chem Signal-Äussendung und -Empfang durch den fläche der zu prüfenden Stahlplatte konzentriert. Der 40 gleichen Wandler an der einen Seite der zu prüfen-Wirkungsgrad der vorstehend beschriebenen Vor- den Stahlplatte in Abhängigkeit von einem Impulsrichtung für die kontinuierliche Werkstoffprüfung echo erfolgen, sondern auch bei einem Doppclwird durch die bei einem Versuch erhaltenen Kurven Wandlersystem, bei welchem Sisnai-Aussendung und gemäß F i g. 4 belegt. -Empfang jeweils von getrennten Wandlern über-

AIs Maßnahme zur Vermeidung unerwünschter 45 nommen werden, oder bei einem Signal-Durchstrah'.-

anomaler Übergangssignale, die möglicherweise im system zur Anwendung kommen kann, bei welchem

Augenblick der Berührung zwischen dem akustischen die ein Signal, beispielsweise eine Impulswelle oder

Kopplungsmaterial und der heißen Stahlplatte er- eine stehende Welle, aussenden und empfangenden

zeugt werden, ist außerdem im Fall der mit ver- Wandler jeweils an gegenüberliegenden Seiten der zu

gleichsweise hoher Geschwindigkeit und bei hoher 50 prüfenden Stahlplatte mit an beiden Seiten vorgese-

Temperatur erfolgenden Werkstoffprüfung die An- henen akustischen Kopplungsrollen angeordnet sind.

Ordnung derart getroffen, daß die Erzeugung plötzli- In den F i g. 6 und 7 ist das Impuls-Echosystem ver-

cher Wärmeschocks an der Rolle im Augenblick der anschaulicht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

ι 2 materials mehrere UltrascLaUwaiidler vorgesehen PatentansDriiche· sind, die im Inneren von Hohlwalzen angeordnet Patentansprüche. sind zwischen denen das zu überprüfende Material

1. Vorrichtung zur Ultraschall-Werkstoffprü- durchläuft. Die dabei an Am Grenzflächen bei Emfung von Stahlplltten mit mindestens einer dreh- 5 und Austritt des,Ultraschalls entstehenden Reflebar gelagerten hohlzylindrischen RoUe, in deren xionssignale werden gegcc ein der gewünschten Innern ein Ultraschallwandler in winkelmäßig fe- Materialstärke entsprechendes Normsignal vergI₁-ster Position derart angeordnet ist, daß die Ultra- chen. Zur Verhinderung von,Reibungan Ultraschall- schallsignale in Richtung auf die Stahlplatte ab- wandlerkippen und angeblich zur Erzielung einer gu- gestrahlt werden und daß über einen Ölfilm eine io ten Ankopplung ist dort auch vorgeschlagen die Ankopplung an die Innenfläche der RoUe erfolgt Walzeninnenflächen mit einem Schmiermittel zu und die ohne Verformung der Stahlplatte an überziehen. Zur Ermittlung von Inhomogenitatse.r.-diese für eine gute akustische Ankopplung auf Schlüssen im Material selbst, vollends in einem noch einer kleinen Fläche zur Herstellung eines anmit- rotglühenden Stahlwalzmaterial, eignet sich diese betelbaren Kontakts zwischen der RoUe und der 15 kannte Vorrichtung jedoch nicht, da die Ansprech- Stahlplatte angedrückt wird, dadurch ge- empfindlichkeit viel zu gering ist, um Streurefkkennzeichnet, daß die Rolle (7) zur konti- xionen auf Grund solcher Einschlüsse sicher von unnuierlichen Prüfung auf Fehler in heißen Stahl- vermeidlichen Stör- oder Rauschsignalen unterseilplatten aus einem Stahl mit einer akustischen Im- den zu können.

pedanz hergestellt ist, die gleich der der zu pm- ao ß.;i Iu:.königlichen Ultraschall-Prüfverfahren v,.r

fenden heißen Stahlplatte (1) ist und daß der Ul- Ermittlung vun Fehlern in einem im Fließpro/ ß he* -

traschallwandler auf einem an der Rollenwelle zustellenden Material wird daher ein Wasserst ι a >.!

angeordneten Sockel montiert ist, welcher als fe- zur Erzielung der akustischen Kopplung benutzt. D.;s

stes Koppelglied zwischen dem darauf fest ange- Grundprinzip des Wasserstrahl-Verfahrens beruht

brachten Wandler und der Innenfläche der Rolle «5 dabei auf der akustischen Ankopplung mittels Was-

als das Temperaturgefälle streckender Teil und scr, wobei eine Wellenausbreitung zwischen cinu

als IHtraschall-I.insedient. flüssigen und einer festen Phase unter Vermeidung

2. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch ge- jeglichen Mediums in Gasphase erreicht weiden soii. kennzeichnet, daß die Rolle (7) zur Kühlung mit Wenn jedoch die Temperatur der zu prüfenden öl gefüllt ist, welches einen öldichten Wandler 30 Stahlplatte einen bestimmten Wert übersteigt, wird umgibt. infolge der Ableitung von Wärmeenergie von du

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Stahlplatte auf den Wasserstrahl dicht an der Stahl-Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet. oberfläche Wasserdampf erzeugt, wodurch ein eine daß die Rolle (7) mittels Hydraulik- oder Druck- Gasphase und eine flüssige Phase enthaltende ■ luft-Zylindern (5) mit genügendem Druck an die 35 Mischoereich entsteht, der für die akustische Kopp Stahlplatte (1) angedrückt ist, um die Ausbildung lung höchst unerwünscht ist und anomale Geräusche einer Gasphase an der Grenzfläche zu verhin- erzeugt, welche es unmöglich machen, bei über diedern. sem Weit liegenden Temperaturen Materialfehler in

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 einer Stahlplatte festzustellen. Außerdem tritt bei der bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Heizein- 40 Verwendung eines Wasserstrahls als akustisches richtung (10) zur Erwärmung der Rolle (7) etwa Kopplungsmedium eine weitere Schwierigkeit auf. auf dieselbe Temperatur wie die der Stahlplatte die bei der Erzielung der Hauptaufgabe beim Flüs-(1) vorgesehen ist. sigphasenkontakt physikalisch nicht ausgeschaltet

werden kann und die darauf beruht, daß die kritische

45 Temperatur und der kritische Druck \on Wasser bei

374, 1 C bzw. 218.

5 At liegen und die Dichte unter

diesen Bedingungen 0,324 g/cm³ beträgt (vgl. »International Critical Table« oder »Chronological Table of Physico-Chemislry«, 1968, Material 68). Mit ande-50 ren Worten und theoretisch gesprochen ist es also

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ultra- unmöglich, sofern nicht die Temperatur der an der schall-Werkstoffpiüfung von Stahlplatten mit minde- Grenzfläche zwischen dem Wasser und der heißen stens einer drehbar gelagerten hohlzylindrischen Stahloberfläche erzeugten Dampfschicht auf unter Rolle, in deren Innern ein Ultraschallwandler in win- 374,P C gehalten wird, die Gasschichl zu beseitigen kelmäßig fester Position derart angeordnet ist, daß 55 und einen für die akustische Kopplung vorteilhaften die Ultraschallsignale in Richtung auf die Stahlplatte Flüssigkeit-Feststoff-Grenzflächenzustand hervorzuabgestrahlt werden und daß über einen Ölfilm eine bringen, und zwar unabhängig davon, wie weit der Ankopplung an die Innenfläche der Rolle erfolgt und Druck erhöht wird. Dies ist die grundsätzliche Temdie ohne Verformung der Stahlplatte an diese für peraturbeschränkung für Ultraschall-Wcrksioffpiüeine gute akustische Ankopplung auf einer kleinen 60 fungen mittels eines Wasserstrahls. Zur Prüfung von Fläche zur Herstellung eines unmittelbaren Kontakts Stahlplatten mit über diesem Grenzwert liegender zwischen der Rolle und der Stahlplatte angedrückt Temperatur wäre es daher nötig, die Temperatur des wird. zu untersuchenden Bereichs der Stahloberfläche

Zur Überprüfung der Dicke von Walzmaterial ist kurzzeitig und zumindest während des Prüfvorgangs aus der USA.-Patentschrift 3 401 547 bereits eine Ul- 65 mit Hilfe einer Vorkühleinrichtung unter den getraschall-Meßvorrichtung bekannt, bei der zur Elimi- nannten Grenzwert zu senken.

nation möglicher Dickenmeßfehler auf Grund von Um andererseits die Dampfbildung an der Grenz-

Materialinhomogenitäten über die Breite des Walz- fläche zu unterdrücken, muß der Druck bei 100° C