DE2008625A1

DE2008625A1 - Verfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung

Info

Publication number: DE2008625A1
Application number: DE19702008625
Authority: DE
Inventors: Ibaraki Cit> Osaka Sugimoto Koichi (Japan) M
Original assignee: Sugimoto Koichi Iwatani & Co , Ltd , Osaka (Japan)
Priority date: 1969-02-25
Filing date: 1970-02-24
Publication date: 1971-02-11
Also published as: GB1250596A; FR2032956A5

Description

2008825 2 4. Feb. 1970

Kö.ichi Sugimoto und Iwatani & Go., Ltd. Osaka, Japan

Verfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Werkstoff-Proben und insbesondere ein Verfahren zur Untersuchung des Gefüges des Werkstoffs und Prüfung des strukturellen Zustands einer solchen Probe durch Messung der charakteristischen Resonanzfrequenz und der Dämpfung bei einem gegen die Probe geführten Schlag.

Im allgemeinen gibt eine Werkstoff-Probe bei einem gegen ihre Oberfläche geführten Schlag einen Ton ab, wobei die resultierende Schallwelle eine für die jeweilige Probe charakteristische Eigenfrequenz besitzt und in ihrer Amplitude in Abhängigkeit von der Zeit fortlaufend abnimmt, wobei die sich mit der Zeit verkleinernde Amplitude der Wellenform ebenfalls für die Probe charakteristisch ist. Die charakteristische Resonanzfrequenz und die Dämpfung variieren in strenger Abhängigkeit vom jeweiligen Werkstoff und dem strukturellen Zustand der Probe. Dieses Prinzip ist bereits bekannt und ist auch bereits zur Anwendung für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung vorgeschlagen worden. In diesem Fall erhält die Probe bzw. der Prüfling einen leichten Schlag auf die Oberfläche und wird akustisch mit dem Gehör bezüglich seines Gefüges und seines strukturellen Zustands geprüft. Dieses Verfahren ist beispielsweise zur Untersuchung des Bindungsausmaßes zwischen einem Lagermetall und seinen Futtern oder zur Prüfung auf das Vorhandensein von Lunkern in Gußstücken angewandt worden, es eignet eich jedoch nicht für jeden Fachmann, der nicht besondere akustisch geschult wurde, und die erhaltenen

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Daten sind wegen ihrer Instabilität bzw. schlechten Reproduzierbarkeit nicht immer zuverlässig.

Es ist auch bereits ein anderer Vorschlag bekannt, nach welchem die Resonanzfrequenz und die Dämpfung der Schallwelle unter Verwendung einer elektrischen Vorrichtung reproduzierbar genau gemessen werden. Bei diesem Verfahren wird beispielsweise ein Vibrator variabler Frequenz benutzt, und eine Probe mit Hilfe eines niederfrequenten Oszillators in Schwingung versetzt und es wird das Verhältnis von Schwingungsfrequenz f zu Amplitude A der Probe in einer Resonanzkurve etwa gemäß Fig.1 graphisch dargestellt, während die Dämpfung Q" durch die Formel

f — f

Q-1 . IS fi

ausgedrückt wird, in welcher f die durch den Scheitelpunkt auf der Kurve bestimmte Resonanzfrequenz, f* und fp die Schwingungsfrequenzen an den Punkten A^ bzw. k^ halber Leistung symmetrisch zum Scheitelpunkt bedeuten.

In diesem Fall werden jedouch Vorrichtung und Arbeitsweise infolge der Verwendung einer elektrischen Anordnung, wie eines niederfrequenten Oszillators, unweigerlich kompliziert. Da außerdem diese Vorrichtung so ausgelegt sein muß, daß die Probe an der Spitze einer Nadel o.dgl. aufgehängt wird, ist dieses Verfahren für eine schwere Probe ungeeignet und, was noch nachteiliger ist, sind die Proben bezüglich Gewicht, Form und Abmessung beträchtlichen Einschränkungen unterworfen· Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß zwangsläufig jede Resonanzkurve für jede zu untersuchende Resonanzfrequenz und jede zu untersuchende Dämpfung dargestellt wird, damit der betreffende Wert ermittelt werden kann.

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Wenn jedoch die Dämpfung außergewöhnlich niedrig ist, treten wegen der besonderen Frequenzcharakteristik erhebliche Schwierigkeiten auf, da die Lage des Scheitelpunkts gemäß Fig. 2 wegen der zu stark abfallenden Kurve in der Nähe der Resonanzfrequenz unbestimmt wird, was die Bestimmung der Resonanzfrequenz f und des

—Ί

Dämpfungsvermögens Q unmöglich machtund was andererseits einen hohen Stabilitätsgrad der Schwingungsfrequenz erfordern und die Vorrichtung selbst sehr kostspielig werden lassen würde.

Aufgabe der Erfindung ist demgegenüber in erster Linie die Schaffung eines Verfahrens zur einfachen und sicheren, zerstörungsfreien Prüfung von Werkstoffen und Proben auf ihren strukturellen Zustande

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß e¹) / w f 'die Probe aerart gelagert bzw. aufgehängt wird, daß sie frei abklingend zu schwingen vermag, und daß die durch den Dchlag erzeugten Schwingungen in elektrische Signale umgewandelt werden, die Anzahl der Schwingungen während ausgewählter Zeitspannen, in welchen die Dämpfung der Schwingung andauert, gezählt und hierdurch die Dämpfung der Probe gemessen wird und schließlich die Frequenz der festgestellten Signale bestimmt und hierdurch die Resonanzfrequenz der Probe gemessen wird.

Wenn eine Probe an ihrer Oberfläche angeschlagen wird, wodurch eine frei ausklingende ochwingung hervorgerufen wird, nimmt die Amplitude während der iuisschwingi£ von A_Q bis A (-^A ) nach der Gleichung

A = A₀ exp (-*f_o|)

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ab· In dieser Gleichung bedeuten:

f ■ Resonanzfrequenz;

exp « Exponent zur Basis des natürlichen Logarithmus

TC « Kreiskonstante
Q = Dämpfung

Wenn sich die Amplitude der Schwingung verringert, wird nach einer bestimmten Anzahl von Schwingungen A gleich A_Q exp (-JC) sein. In diesem Augenblick ist

A₀ exp (-Z) = A₀ exp (- |

I -¹

Da die Schwingungszahl gleich N = ft ist, gilt N - f_Qt - Q, d.h. N=Q.

Umgekehrt ausgedrückt läßt sich ersehen, daß die letztere Gleichung zur Bestimmung der Dämpfung Q" aus der Anzahl von Schwingungen N führen kann, welche der Zeit t des Abfalls von A auf A entspricht, w^s der Gleichung A = A exp (-jO genügt. Mit anderen Worten läßt sich das Dämpfungsvermögen ohne weiteres durch Zählen der Schwingungszahl N für die Zeit t des Abfalls von A auf A exp (-1Q messen. Ebenso läßt sich auch die Resonanz-

N
frequenz f einfach aus f = r erhalten.

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

Fig. 1 und 2 graphische Darstellungen der nach dem bekannten Verfahren erzielten Frequenzcharakteristik,

Fig. 3 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung

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des Grundgedankens der Erfindung,

Pig* 4 eine schematische Darstellung eines Beispiels für eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer-auf einer Auflage ruhenden Probe zur Veranschaulichung der Schlagstelle,

!"ig. 6 eine graphische Darstellung der Niveauverschiebung in einem selektiven Verstärker,

Fig. 7 eine graphische Darstellung der Niveauverschiebung in einem Relais,

Fig. 8 eine graphische Darstellung der Niveauverschiebung in einer Rechteckwellen-Schaltung,

Fig. 9 eine graphische Darstellung der Niveauverschiebung in einer Vergleichsschaltung,

Fig. 1o eine graphische Darstellung der Niveauverschiebung in einer Rechteckwellen-Schaltung und

Fig. 11 eine graphische Darstellung der einem Zähler eingespeisten Eingangssignale.

Gemäß Fig. 4 wird eine Probe 5 in der Weise auf zwei unter Spannung an gegenüberliegenden Seiten eimes Kastens 1 befestigten Saiten 2 und. 2' aufgelegt, daß sie beim Anschlagen frei ausschwingend bzw. abklingend zu schwingen vermag. Wahlweise kann die Probe auch an einer einzigen Saite aufgehängt oder auch auf eine Anzahl von punktartigen Auflagern aufgelegt werden; wesentlich ist nur, da£f sie an einem ihrer charakteristischen Schwingungsknotenpunkte unterstützt ist. Wenn die Probe bei-

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spielsweise eine Stange oder eine Platte ist, liegen die charakteristischen Schwingungsknotenpunkte in einer Entfernung bei 0,224 L (L « Länge der Probe) vom jeweiligen Ende der Probe, wo die Probe unterstützt werden sollte, wenn eine Wellenform gemäß Fig· 5 gewünscht • wird. Bei der Untersuchung der Probe wird dann gegen die Mitte zwischen den Knotenpunkten, d.h. im Schwingungs— bauch, ein Schlag ausgeübt. In Fig. 4 zeigt der Pfeil die Stelle an, gegen welche der Schlag gerichtet wird. Ein mittels eines Halters 5 freitragend unter einem rechten Winkel zur Probe 3 gehalterter elektromagne-

* tischer Abnehmer 4 wandelt die magnetischen Schwingungen in elektrische Signale um. Auf diese Weise kann eine metallische oder nicht-metallische Probe untersucht werden, doch wenn die Probe nicht ausreichend magnetisierbar ist. wie dies bei einem Holzbrett der Fall ist. muß notwendigerweise ein Stück eines stark magnetischen Werkstoffs, wie ein Eisenstück, neben dem elektromagnetischen Abnehmer 4 an der Probe angebracht werden. Die vom elektromagnetischen Abnehmer gelieferten elektrischen Signale werden dem selektiven Verstärker 7 einer Verstärkeranordnung eingespeist, in welchem das erforderliche Frequenzband zweckmäßig ausgewählt wird, worauf die verstärkten Signale einer Arbeitsschaltung

W eingespeist werden, wo ihre Spannung zunächst in einem Spannungsteiler 9, dessen Widerstand innerhalb eines bestimmten Bereichs variabel ist, auf den vorbestimmten Wert E^₁ reduziert wird. Beim Auftreten dieser Spannung öffnet ein Heiais 10 einen Schalter A und schließt einen Schalter B, so daß die Spannung plötzlich vom Wert E^ auf die Maximalspannung E₂ erhöht wird, von welcher aus die Dämpfung des Spannungssignala mit der Zeit fortschreiten soll. Der zeitliche Spannungsverlauf im Verstärker 7 und am Relais 10 ist in Fig. 6 bzw. Fig. 7 dargestellt. Die am Relais 10 abgenommenen

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Spannungssignale werden über einen Verstärker 11 und einen Gleichrichter-Filterkreis 12 einem Vergleicher eingespeist und hierbei einer Verstärkung, einer Gleichrichtung in Gleichstrom sowie einer Umwandlung in Impulse P^ und P₂ unterworfen· Die Impulse P^ und P₂ werden erzeugt, wenn die Spannung von E_x, auf E₂ erhöht und von E₂ auf E. reduziert wird, wie dies zu dem Zeitpunkt t. bzw. t₂ in Fig. 9 dargestellt ist. Ein sich an den Vergleicher 13 anschließender Rechteckwellen-Generator 14 gibt diese Impulse P^ und P₂ über einen Q-f -Wähler 15 an einen Zähler 17 weiter, in welchem die Anzahl der Impulse gezählt wird, welche während der Zeitspanne t. bis t₂ auftreten. Diese Impulse sind in Fig. 11 dargestellt, aus welcher insbesondere ersichtlich ist, daß die Amplitude durch einen nicht dargestellten Begrenzer daran gehindert wird, den vorbestimmten Vvert zu überschreiten. Beim Abklingen des Durchlaßsignals zum Zeitpunkt t₂ öffnet das Relais 10 wieder den Schalter B und schließt wieder den Schalter A. Der Q-f -Wähler 15 dient zum Umschalten des Zählers 17, G^e nachdem, ob die Dämpfung oder die Resonanzfrequenz untersucht werden sollen, die entsprechende Seite Q oder f wird gewählt, bevor die Probe angeschlagen wird. Die Dämpfung ergibt sich aus der am Zähler 17 angezeigten Zahl, multipli-ziert mit dem Reziprokwert des am Spannungsteiler 9 eingestellten Spannungsverhältnisses, während f aus der durch den Zähler 17 angezeigten Zahl bestimmt wird, die durch ein weiteres Durchlaßsignal von einem Zeitbasis-Generator 16 beeinflußt wird.

Der durch den Spannungsteiler 9 vorzubestimmende Spannungswert wird vorzugsweise in Übereinstimmung mit der geschätzten Größe der zu untersuchenden Dämpfung ausgewählt. Vorteilhafterweise besteht der Vergleicher

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aus einem Multivibrator mit zwei Transistoren oder Vakuumröhren in einer positiven Rückkopplungsschaltung, während der Rechteckwellen-Generator Ή einen monostabilen Multivibrator aufweist, bei welchem jeder Betriebszustand schnell auf den anderen umschaltbar ist.

Die Erfindung besitzt folgende vorteilhafte Merkmale:

Der mechanische und elektrische Aufbau der verwendeten Vorrichtung kann stark vereinfacht werden, wobei der von Hand durchzuführende Arbeitsgang einfach aus einem gegen die Oberfläche der Probe geführten Schlag besteht. Da die Probe auf beschriebene Weise stabil auf ihrem Widerlager ruhend unterstützt ist, was sich weitgehend von den herkömmlichen Verfahren unterscheidet, können auch ziemlich schwere Proben, wie eine Welle oder eine Eisenbahn-Radachse, ohne Schwierigkeit geprüft werden. Die Probe ist mithin keinen Einschränkungen bezüglich Gewicht, Form und Abmessung unterworfen, so daß die Anwendbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens praktisch uneingeschränkt ist. Die erhaltenen Daten sind sehr genau, da die Dämpfung durch Zählung der Anzahl von Schwingungen, die in einem angegebenen Bereich des Abfalls der frei abklingenden Schwingung auftreten, gemessen wird, und zwar unabhängig von der tatsächlichen Große der Dämpfung. Die sich ergebenden Daten werden dadurch zugänglich, daß die Dämpfung und die Resonanzfrequenz einfach durch Zählung der Schwingungszahl während der ausgewählten Zeiteinheit-Intervalle gemessen werden, deren resultierender Wert durch eine Reihe von mathematischen Vorgängen auf einem Zähler angezeigt wird, wodurch die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens für jedermann möglich und die verwendete Vorrichtung weniger aufwendig wird.

Zusammenfassend schafft die Erfindung mithin ein Ver-

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fahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung. Die Resonanzfrequenz und das Dämpfungsvermögen, die für eine Probe charakteristisch sind, haben sich als für die Prüfung des Gefüges und des strukturellen Zustands der -^robe bei einem Verfahren auswertbar erwiesen, bei welchem die Schwingungszahl mit Hilfe einer erfindungsgemäß aufgebauten Vorrichtung festgestellt und während ausgewählter Zeitintervalle im Verlauf der Schwingungsdämpfung gezählt wird·

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Claims

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Patentanspr u c h

Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung dee Werkstoffs und des strukturellen Zustande von Proben, wobei die zu untersuchende Probe an ihrer Oberfläche

s angeschlagen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe derart gelagert bzw. aufgehängt wird, daß sie frei abklingend zu schwingen vermag und daß die durch

k den Schlag erzeugten Schwingungen in elektrische Signale umgewandelt werden, die Anzahl der Schwingungen während ausgewählter Zeitspannen, in welchen die Dämpfung der Schwingung andauert, gezählt und hierdurch die Dämpfung der Probe gemessen wird und schließlich die Frequenz der festgestellten Signale bestimmt und hierdurch die Resonanzfrequenz der Probe gemessen wird.

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