DE2118595A1

DE2118595A1 - Vorrichtung zur Ultraschall Werk stoffprufung

Info

Publication number: DE2118595A1
Application number: DE19712118595
Authority: DE
Inventors: Sutekiyo Hachioji Tokio Uozumi (Japan) P
Original assignee: ELECTRONICS RESEARCH CO
Current assignee: ELECTRONICS RESEARCH CO
Priority date: 1970-04-18
Filing date: 1971-04-16
Publication date: 1971-11-04
Also published as: CA946506A; DE2118595B2; DE2118595C3; JPS5017151B1; US3745813A; GB1347356A

Description

Patentanwalt Patentanwälte

Dr. phil. Gerhard Henkel Dr. rer. nat. Wolf-Dieter Henkel

-757 Baden-Baden Balg ~ - - _{ö P ft} - Dip I.-Ing. Ralf M. Kern

%& 2118595 Dr. rer. nat. Lothar Feller

T*i«gr.-Adr.:Eiiip§okiBwjM-BwiM D-8 München 90

Eduard-Sdimld-Str. 2 ρ -η Tel.: (0811) 643197

T*l*gr.-Adr. t Ellipsoid MOndien

Ltd.

Electronics Research Company,
Ltd.

Kawasaki, Japan

L J

Unter Zeichen:

■·»'«' Vorrichtung zur Ultraschall-Werkstoffprüfung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Weiterentwicklung einer kontinuierlich arbeitenden Ultraschall-Werkstoffprüfvorrichtung für heiße Stahlplatten bzw. -bleche und andere Werkstoffe und betrifft insbesondere die baulichen Grundlagen einer Ultraschallprüfung-Wal ζ enanordnung zur Durchführung einer kontinuierlichen Werkstoffprüfung durch Ultraschallsignale, welche über zwei jeweils ein Temperaturgefälle einführende Verzögerungsleitungen auf den zu prüfenden Werkstoff übertragen und von diesem empfangen werden. Insbesondere stellt die Erfindung eine Weiterentwicklung der Vorrichtung dar, wie sie in der deutschen Offenlegungsschrift 1 9^9 586 beschrieben ist.

Diese Offenlegungssohrift beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Ultraschallprüfung von heißen Stahlplatten, bei welchem eine hohle zylindrische Walze aus einem Werkstoff derselben Qualität wie der des zu prüfenden Werkstücks sowohl als akustische Ankopplung als auch als eine zweite, ein Temperaturgefälle einführende Verzögerungsleitung verwendet und Kühlöl durch die hohle Walze zirkuliert wird, wobei ein aus Vollmaterial bestehender Sockel, der an

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der zentralen, festen Welle der Walze befestigt ist, sowohl als die erste, ein Temperaturgefälle einführende Verzögerungs leitung als auch als Linse wirkt, welche die Ultraschallstrah len auf die Oberfläche des zu prüfenden Werkstoffs konzentriert. Diesem Verfahren und dieser Vorrichtung haften jedoch immer noch ungelöste Probleme bezüglich des Systemaufbaus an, ■um eine realistischere und wirksamere Leistung zu gewährleisten.

Bei der in dieser Offenlegungsschrift vorgeschlagenen Vorrichtung sind die beiden Verzögerungsleitungen nämlich unweigerlich einem Verschleiß unterworfen, da die Walze der zweiten Verzögerungsleitung ständig in Berührung mit dem Prüfling auf diesem abrollt und die erste Verzögerungsleitung an der zentralen, festen Welle der Walze montiert ist und die Fehler-Feststellempfindlichkeit infolge von möglichen Lagenänderungen der Walzen-Berührungslinie am Prüfling, welcher mit hoher Geschwindigkeit gefördert wird, oder infolge möglicher Druckschwankungen der Walze verschlechtert werden kann. Weiterhin war es dabei unmöglich, das Material der einfach angeordneten ersten Verzögerungsleitung als einen akustischen Strahl konzentrierende Linse einzusetzen.

Aufgabe der Erfindung ist mithin in erster Linie die Ausschaltung einer möglichen unerwünschten Auswirkung, die durch Abrieb der Werkstoffe der beiden in einer Ultraschall-Prüfwalzenanordnung verwendeten Verzögerungsleitungen hervorgerufen wird. Weiterhin soll durch die Erfindung die erste, in einer hohlen Prüfwalze montierte Verzögerungsleitung in der Weise angeordnet werden können, daß sie ein Ultraschallstrahl-Sammellinsensystem bildet.

Darüberhinaus strebt die Erfindung die Verhinderung einer Verschlechterung der Feststell-Empfindlichkeit und des Signal:Rauschen-Verhältnisses beispielsweise infolge einer

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Lagenverschiebung einer Berührungslinie einer Prüfwalze mit dem zu prüfenden Werkstück bei hoher Durchiaufgeschwindigkeit (maximal 120 m/min) des Prüflings oder infolge von Andruckschwankungen der Walze an.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine vorbestimmte Sicherheitszone gegen Verschleiß der Werkstoffe der beiden Verzögerungsleitungen im Ultraschall-Prüfwalzensystem vorgesehen wird, daß die in der Walze vorgesehene erste Verzögerungsleitung als Linse eingesetzt wird, welche die Ultraschallstrahlen auf die Oberfläche des zu prüfenden Werkstücks konzentriert, und daß die Eingangs- und Ausgangssignale der einzelnen, auf die erste Verzögerungsleitung aufgesetzten Wandler so geschaltet werden, daß sie die Oberfläche des Prüflings mit hoher Frequenz mittels Ultraschallstrahlen abtasten.

Im folgenden sind einige beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Teilschnitt zur schematischen Veranschaulichung

des Prinzips eines grundsätzlichen Ultraschall-Prüfsystems unter Verwendung von zwei Verzögerungsleitungen,

Fig. 2 einen Querschnitt zur schematischen Veranschaulichung einer Anordnung einer Ultraschall-Prüfwalzenkonstruktion, bei welcher das grundsätzliche System gemäß Fig. 1 zwecks Ermöglichung einer kontinuierlichen Prüfung zu einem Walzensystem weiterentwickelt wurde,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der mit der Ultraschall-Prüfwalzenvorrichtung mit den Merkmalen der Erfindung erzielten Echozeiten,

- 4 109845/1261

Fig. 4 eine graphische Darstellung typischer Echo-Schemata,

wie sie mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhalten werden,

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines durch.die erfindungsgemäße Doppel-Verzögerungsleitung gebildeten Ultraschallstrahl-Sammellinsensystems,

Fig. 6a eine schematische Darstellung eines eine Quetschwalze verwendenden Systems,

^ Fig. 6b eine schematische Darstellung eines Biegewalzen ver-

' wendenden Systems,

Fig. 7a eine graphische Darstellung des Verhältnisses zwischen Rückecho-Empfindlichkeit und Zylinderdruck bei Verwendung einer Quetschwalze,

Fig. 7b eine graphische Darstellung des Verhältnisses zwischen Rückecho-Empfindlichkeit und Zylinderdruck bei Verwendung einer Biegewalzenanordnung,

Fig. 8a einen Teil-Querschnitt zur schematischen Veranschaulichung eines Beispiels für die Wandler-Positionen bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Fig. 8b eine schematische Darstellung der Richtwirkungen der von den Wandlern gemäß Fig. 8a abgegebenen Ultraschallsignale auf die Oberfläche der Prüfwalze.

In den Fig. 1 bis 4 bezeichnet der Buchstabe F die Stelle eines Werkstoff-Fehlers. Fig. 4 zeigt ein Beispiel für typische Echo-Schemata von sechs künstlichen, eine flache Sohle besitzenden Fehlern in einem Prüfling, deren Echozeiten im Kreis von Fig. 3 veranschaulicht sind. Die Fig. 7a und "Jb sind graphische Darstellungen für den Fall, in welchem die Prüflinge aus Stahl-

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platten vom Typ S-45C mit einer Dicke von 14 mm und einer Rahheit ihrer die Ultraschallwellen empfangenden Oberfläche von etwa 12 S bestanden, wobei die Teilung der oberen Abszisse die Größe des Zylinderdrucks in kg/cm und die Teilung der Ordinate den am Dämpfer angezeigten Wert in db bei Anwendung einer Frequenz von 5 MHz darstellt, wenn die Amplitude des Echoschemas auf einer Kathodenstrahlröhre einen konstanten Wert von beispielsweise 50 mm bei Normaltemperatur darstellt. Die untere Abszisse in Pig. Ja. gibt die Größe der Gesamtlast in Tonnen (t) an. In Fig. 7a bedeutet der Buchstabe "b" die Breite des Prüflings (in mm) und in Fig. 7b gibt der Buchstabe "L" den Abstand zwischen den Drehpunkten der beiden Tischwalzen (in mm) an, während der Buchstabe "Y" die Abwärtsversetzung an der Berührungslinie des Prüflings (in mm) angibt.

Fig. 1 veranschaulicht das Bauprinzip eines Ultraschallprüfsystems mit zwei Verzögerungsleitungen, das aus einem Dämpferblock 1 mit flächig anliegendem Wandler 2 besteht, welcher an das zu prüfende Werkstück bzw. den Prüfling 5 über zwei das Temperaturgefälle verzögernde Werkstücke 3 und 4 Ultraschallsignale aussendet und von diesem empfängt.

Wie in der genannten Offenlegungsschrift ausgeführt ist, muß

zur Gewährleistung einer akustischen Impedanzanpassung zwischen

dem die zweite Verzögerungsleitung bildenden Werkstück 4 und

dem Prüfling 5 die Gleichung

^P2^V2 -Vx

erfüllt sein, in welcher

P₂ die Dichte der zweiten Verzögerungsleitung 4j

P_v die Dichte des Prüflings 5 J

ν« die Schallgeschwindigkeit in der zweiten Verzögerungsleitung 4 und

ν die Schallgeschwindigkeit im Prüfling 5

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bedeuten.

Die Gleichung (1) umfaßt den Fall, daß für die zweite Verzögerungsleitung 4 ein Werkstoff derselben Qualität wie der Werkstoff des Prüflings 5 verwendet wird, d.h. wenn der Prüfling 5 aus Stahl besteht, wird obiger Gleichung durch Verwendung von Stahl für die zweite Verzögerungsleitung entsprochen» In diesem Fall ist. P₀ =·P und v_o = ν .

Zur Vermeidung von nachteiligen Auswirkungen infolge von Verschleiß bzw. Abrieb der Werkstoffe der Verzögerungsleitungen muß eine vorbestimmte Sicherheitszone gegen solchen Abrieb festgelegt werden. Fig. 2 zeigt eine Anordnung, bei welcher ™ das grundsätzliche System gemäß Fig. 1 zu einem eine kontinuierliche Prüfung ermöglichenden Walzensystem weiterentwickelt wurde und bei welcher die mit dem Prüfling 15 in Berührung stehende zweite Verzögerungsleitung 14 die Form einer hohlen, zylindrischen Walze besitzt, die um ihre zentrale, feste Welle 16 herum drehbar angeordnet ist und ein KUhI-fluidum 17 aufnimmt oder von diesem durchströmt wird. Die einen Wandler 12 aufweisende erste Verzögerungsleitung Ij5 ist an der zentralen, festen Welle 16 montiert und steht mit ihrer Außenumfangsfläche mit der Innenfläche der hohlen Walze in Berührung.

\ Bei dieser Ausführungsform ist die Dicke der ersten Verzögerungsleitung 13 mit d, die Dicke der zweiten Verzögerungsleitung 14 mit 1, die Dicke des Prüflings 15 mit 1 . die Schallgeschwindigkeit in der ersten Verzögerungsleitung mit V₁, die Ultraschallwellen-Ausbreitungszeit in der ersten Verzögerungsleitung mit t,, die Ultraschallwellen-Ausbreitungszeit in der zweiten Verzögerungsleitung mit tg und die Ultraschallwellen-Ausbreitungszeit im Prüfling mit t bezeichnet. Dann lassen sich t,, t_g und t wie folgt ausdrücken:

t - ^
^fcl- V₁

_t _ 21

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χ. _ 21x

wobei tg> t_x> t_x (2)

sein muß. Dieses numerische Verhältnis wird anhand von Fig. 2 und 3 erläutert.

Wenn bei der Anordnung gemäß Fig. 2 sowohl der Prüfling 15 als auch die zweite Verzögerungsleitung 14 aus Stahl bestehen und die Dicke der zweiten Verzögerungsleitung (l = R₂ - R₁) im Verhältnis

(R₂-R₁) - (Δ 1 + fe) ₍₃₎

^{= V}l

zu Dicke d der ersten Verzögerungsleitung festgelegt wird, wobei Δ 1 die Sicherheitszone gegen Rotor-Verschleiß und £- die Sicherheitsspanne, welche der Breite des zweiten Echos S₁ zumindest für die Auswahl des für das elektronische System nötigen ersten Echos S₂ äquivalent ist, bedeuten, dann läßt sich die in Fig. 3 dargestellte Echozeitfolge erzielen.

- (Ix + ΔΙ - 2 t) (=i) (4}

^V2

In Fig. 3 ist die Abszisse, d.h. die Zeitachse, durch auf Stahl-Äquivalente bezogene Werte angegeben, wobei der Zeitpunkt des Auftretens des Impulses S_Q mit 21, des ersten Echos S₁ mit 22, des zweiten Rückechos S₁ mit 23* des ersten Rückechos S₂ von der Walzenoberfläche mit 24, des ersten Rückechos S, vom Boden des Prüflings mit 25, des dritten Rückechos S₁ mit 26, des zweiten Rückechos S₂ mit 27 und der Fehler-Rückechos mit F₂ und F, bezeichnet sind.

Fig. 4 veranschaulicht ein Beispiel des Echoschemas, wie es bei einer erfindungsgemäßen Versuchsvorrichtung erzielt wird. Anhand von Fig. 4 ist das Verhältnis mit der Echozeitfolge gemäß Fig. 3 verständlich.

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In Fig. 5 ist ein ein anderes wesentliches Merkmal der Erfindung darstellendes akustisches Strahlsammei-Linsensystem darge stellt, wobei GH einen Wandler, R_n den Krümmungsradius O⁴G des Wandlers, R, einen Walzen-Bohrungsradlus OA, R₂ den Radius des Walzen-Außenumfangs OB und Rp-R₁ ^d*^e Walzendicke CB bedeuten und GH gleich 2D ist. Dann gilt für die Bestimmung .der Konvergenz-Bedingungen der Ultraschallstrahlen gemäß Pig. 5 nach der am Ende der Beschreibung angegebenen theoretischen "Grundsatzanalyse der Ultraschallstrahl-Konzentration in einem Verfahren zur akustischen Ankopplung durch Doppel-Verzögerungsleitung"

R_n - R₁ + d ι

21> (5)

mit N = J und η = -Λ (β)

Aus den Gleichungen (5) und (6) ergibt sich, daß eine Strahl-Konvergenz möglich ist, wenn die folgenden Bedingungen erfüllt sind, auch wenn der Krümmungsradius des Wandlers R_n unendlich ist, d.h. wenn ein planer Wandler verwendet wird:

R₁ 2 ο

R₁ >( i - 1) ( R₂ - R₁ ) (8)

Hierdurch kann eine Konstruktion geschaffen werden, welche·der Ultraschall-Prüfwalzenanordnung die Punktion einer akustischen Strahl-Sammellinse verleiht, die eine ausgezeichnete Ausstrahlungs- und Empfangs-Empfindlichkeit sowie ein bevorzugtes Signal: Rauschen-Verhältnis der Ultraschallsignale gemäß Fig. 4 zu erzielen vermag und konvergierende akustische Strahlen an der Berührungsiinie einer kleinen Fläche zwischen dem Prüfwerkstoff und der Walze erzeugt.

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Im folgenden werden einige andere Merkmale der Erfindung erläutert, welche für eine in der Praxis anwendbare Konstruktion der Ultraschall-Prüfwalzenanordnung gelten. Bei der kontinuierlichen Ultraschall-Werkstoffprüfung wird das zu prüfende Werkstück im allgemeinen auf einem sogenannten Rollentisch gefördert, wobei die Ultraschall-Prüfwalze in Andruckberührung mit dem Prüfling steht. Die Rollentischanordnung kann aus dynamischen Gründen entweder eine Quetschwalzenanordnung oder eine Biegewalzenanordnung sein. Wenn der Andruck der Prüfwalze am Prüfling vergleichweise niedrig ist oder die Dicke des Prüflings vergleichsweise groß ist, so daß letzterer durch den angewandten Andruck kaum durchgebogen werden kann, besteht kein wesentlicher Unterschied in den praktischen Eigenschaften zwischen den beiden genannten Walzenanordnungen. Ist der Prüfling dagegen ziemlich dünn, so besteht ein merklicher Unterschied zwischen den beiden Anordnungen. Bei der Ultraschallprüfung unter Verwendung einer sogenannten trockenen Ankopplung, bei welcher für den Kontaktabschnitt keine akustische FlUssigkeits-Ankopplung verwendet wird, besteht ein wesentlicher Unterschied des für die akustische Ankopplung erforderlichen Drucks zwischen den beiden Anordnungen. Dieses Verhältnis ist graphisch in den Pig. 7a und 7b veranschaulicht, welche die Ansprechempfindlichkeiten in Abhängigkeit von dem durch die Quetschwalzenanordnung bzw. die Biegewalzenanordnung ausgeübten Druck aufzeigen.

Welche der!beiden Rollentischanordnungen gewählt werden soll, hängt vom Zweck der Ultraschall-Prüfwalzenanordnung, von den Bedingungen des zu prüfenden Werkstücks und von anderen Faktoren ab. Bei der in der Fertigungsstraße erfolgenden Durchführung der Untersuchung eines Prüflings von vergleichsweise geringer Dicke bei hoher Temperatur von bis zu mehr als einigen hundert Grad Celsius unter Verwendung der Biege-, walzenanordnung hat es sich beispielsweise als undurchführbar erwiesen, den Berührungsdruck, wie im Fall eines dickeren Prüf-

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lings, in ausreichendem Maß zu erhöhen, selbst wenn eine ziemlich große Druckverlagerung Y des Prüflings am Mittelpunkt der Drehpunkte der beiden Tischwalzen gegeben ist. Außerdem führt eine Zufuhr mit hoher Geschwindigkeit von bis zu 120 m/min große Lagenänderungen der Berührungslinie zwischen der Prüfwalze und der Oberfläche des Prüflings sowie erhöhte Druckschwankungen ein, die zu verringerter Stabilität der Ultraschallprüfung-Ansprechempfindlichkeit führen. Das vorgenannte Ultraschallstrahl-Sammelsystem ist daher in dieser Hinsicht ziemlich unvorteilhaft, doch wenn aus diesem Grund die Ultraschallstrahlen einfach so angeordnet werden, daß ψ sie breite Richtwirkung besitzen, werden beide Bedingungen der Ansprechempfindlichkeit und des Signal:Rauschen-Verhältnisses verschlechtert.

Erfindungsgemäß werden diese einander entgegenstehenden Auswirkungen durch Verwendung eines Ultraschall-Abtastsystem überwunden, welches eine noch zu beschreibende elektronische Sehaltfunktion verwendet. Bei diesem System wird eine Anzahl von m Wandlern je Kanal auf die in Fig. 8a dargestellte Weise an der ersten Verzögerungsleitung IJ montiert, die beispielsweise auf einem konzentrischen Kreis gegenüber dem Walzen-■ Mittelpunkt in die Walzen-Bohrungsfläche eingelassen ist. | Mithin sind die Wandler gemäß Fig. 8b so angeordnet, daß die Richtwirkung ihrer Ultraschallstrahlen auf der Walzenoberfläche derart orientiert ist, daß die von einander benachbarten Wandlern ausgesandten Ultraschallstrahlen einander an der —3 db -Position kreuzen bzw. schneiden. Selbstverständlich kann das vorgenannte Ultraschallstrahl-Sammelsystem für jeden Wandler realisiert werden. Bei dieser Anordnung sei angenommen, daß die von jedem Wandler eingenommene -5 db-Empfangsfläche eine Umfangslänge a auf der Walzenoberfläche besitzt, wobei der Bereich von m χ a insgesamt im -3 db-Pegel empfangen werden kann.

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Sodann werden die Ausgangs- oder Eingangssignale dieser Wandler elektronisch mit hoher Folgefrequenz ~- geschaltet, welche mit der Wiederholungsperiode Tr des elektronischen Systems für die Ultrasehallprüfung synchronisiert istj nach dem Schalten werden die Ausgänge parallelgeschaltet, so daß sie einen Ausgang für den Kanal bilden.

Auf diese Weise ist es möglich, eine wirksame Ultraschallstrahl-Abtastung in der Nähe der Berührungslinie der Ultraschall-Prüfwalze zu realisieren und die Leistung der Prüfwalze auf hoher Ansprechempfindlichkeit und hohem Signal: Rauschen-Verhältnis zu halten, indem die durch Änderung der Kontaktposition und des Andrucks der Walze verursachten nachteiligen Auswirkungen unterdrückt werden.

Aus den vorstehenden Ausführungen geht hervor, daß die erfindungsgemäße Ultraschall-Prüfwalzenanordnung eine in der Fertigungsstraße durchgeführte kontinuierliche Ultraschallprüfung zu realisieren vermag, die ohne Herabsetzung der Durchlaufgeschwindigkeit einsatzfähig ist, welche bei Warm- und/oder Kalt-Blechwalzwerken bis zu 120 m/min betragen kann. Mit diesem System ist es auch möglich, eine kontinuierliche Prüfung heißer Brammen auf der Fertigungsstraße durchzuführen, wobei die Vorrichtung so stark konzentrierte Ausseigerungen festzustellen, wie sie nahe des Mittelbereichs der Enden einer Bramme oder eines Knüppels auftreten, und Steuersignale dafür zu liefern vermag, wo der Schnitt vorgenommen werden soll. Weiterhin kann eine kontinuierliche Messung einer Schalendicke bei sogenanntem "Draht" bzw. bandförmigem Strahlmaterial, in erster Linie derjenigen Dicke vorgenommen werden, die an der sich an die Form einer kontinuierlichen Gießanlage anschließenden Zone gebildet wird.

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- 12 -

Grundsatzanalyse der Ultraschallkonzentration in einem
Verfahren zur akustischen Ankopplung durch Doppel-Verzögerungsleitung

In Fig. 5 gilt sin ©-=»§- , cos β - Ji - ($- )² (9)

^R1 und ^slnö

I₁ - dT

Andererseits gilt

f|g-p = τ¹ ξ η V₁ = 1500 m/s (Wasser), 1450 m/s (Hg)
· (T . 2 ₂₇^_{0 m}/_s (_Aoryl)_{# 2700 m}/_s (vespel)

V₂ = 5870 m/s (Stahl)

Dies bedeutet, im Wasser-Stahl-System gilt η = ¹ = 0,256 im Hg-Stahl-System gilt η = = 0,247 im Acryl-Stahl-System gilt η = · - 0,465 im Vespel-Stahl-System gilt η « ^β Ο,46θ

sin

sin/-

Rp
/, sin ΐΛ = ^- .sin (^- i - Θ) (12)

ΐΛ = ^- .sin (^- i - Θ)

Aus (11) und (12) ergibt sich

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(1) Bei Erreichen des Zustande, in welchem die Brechungslinie A B parallel zur Mittellinie O¹O B zu liegen kommt, wenn der Einfallswinkel zu diesem Zeitpunkt als I_n angenommen wird (R₂ mithin unendlich wird), gilt:

f - ¹O - ^{Q =} ° · V" ¹O ^{+ β}

sinr« sin (i_Q + θ)

Bei Einfügung dieses Ergebnisses in Gleichung (11) ergibt

sich sin I_n

sin (I₀ + 0) -

sin

sin i_Q cosQ + sin θ cos I

_Q cosQ + sin θ cos I_n = —-

Angenommen, daß sin I_n ξ χ , so gilt

χ cos θ + sin θ

sin θ» ρ - χ² = x_Q (^- cos θ)

Durch Quadrieren beider Seiten ergibt sich sin² © .(1 - x² ) - x² ( 1 - cos θ )²

sin² θ - sin² θ > χ² » C_n"- ^{cos θ})²· ^xq '1 -cos Θ)² + ein² ©/· x² « sin² θ

^~2 -\' cos θ + cos θ + sin θ) χ² » sin²©

|I · cos ö + 1) x² » sin² Q

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-'14 -

und durch Einsetzen der Gleichungen (9) und (10) in obiges Ergebnis folgt

Wenn ^— « N, so ist im allgemeinen ο

sin² 1 , " ' (15)

(2) Für Konvergenz gilt f- i-- 0 > 0, d.h. f> i + θ somit sinf) sin (i + Θ).

Wenn dieses Ergebnis in Gleichung (15) eingesetzt wird, ergibt sich

sin (i + Θ) <

sin i cos θ + sin θ cos IS

Angenommen, es gilt sin 1 ~ x, so folgt

χ cos θ + sin θ ' Ji - x² ( g

sin Q»y1 - x² </~ - cos θ) χ sin²© (1 - x²)< (i - cos β)² x²

ff 1 - cos Θ)² sin² qLx²} sin² ©

- I ^cos

/D γ

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Dies bedeutet, es erweist sich als in Ordnung, wenn i>i . Mit anderen Worten ergibt sich Konvergenz, wenn der Einfallswinkel i größer wird als der Winkel i_Q im Verhältnis gemäß Formel (14), sofern N und η gegeben sind. Wenn dagegen i<i_Q» so ergibt sich Divergenz.

Im folgenden sei betrachtet, welche Bedingungen für i>i_o erfüllt sein müssen.

Aus Gleichung (10) folgt

R - (R₁ - d)

sin i - -2— sin θ

^R1

R - R₁ + d _n (R_n - R₁ + d) N

^R1 ^Ro ^R1

Daher gilt:

Das bedeutet nach den Gleichungen (6 ) und (7 ) (R - R₁ + d) N .

worin N_s(g~

d8)

Obige Gleichung ist die erste Annäherung, welche den Gleichungen (13) und (14) gemäß der Beschreibung äquivalent ist.

Da in diesem Fall N « j^1 ^ _{wird Qleichung (18)} ^Ro * ^R1 ^{+ d} > 1

- 16 -1Q9845/U61

2 jf( (Ein Fehler ist in der Größenordnung von N =L—J für ¹ ·)

I ο ·

R - R₁ + d Dies bedeutet ——?r—' ^

1 /_ η ) η

bei Anordnung des obigen Resultats in der richtigen Folge

ergibt sich

^Ro ^{+ U}!l η . _{1 m} η + 1 - η _ η

R₁ /" ^ - η ^τ ' ϊ-η 1 - η '

d.h., es wird eine allgemeine Annäberungsformel erzielt, beispielsweise j,

^R1 wodurch aufgezeigt wird, daß mit ' ^ein ^^l°^^:uss:i-^er"

abstand erreicht werden kann.

Da im Wasser-Stahl-System oder im Hg-Stahl-System η = 0,25, ergibt sich für Gleichung (19)

^Ro

^{+ d} - 5 ^R1 '

d.h. im Fall von η = 0,25 ergibt sich

Konvergenz für R_Q + d) ~ R₁

Parallelität zur Mittellinie für R + d = | R.

»o 3 * 4
und Divergenz für R₀ + d < ^ R₁ .

Da im Acryl-Stahl-System η = 0,465 ist, folgt aus Gleichung (I9)

^d =07555 ^{= 1}'^{87 R}1

^Ro

Mit anderen Worten ergibt sich bei η - 0,465

Konvergenz für R + d >1,87 R₁ ,

Parallelität zur Mittellinie für R_Q + d =1,87

und Divergenz für R_Q + d <1,87 R₁ .

- 17 -1098A5/U61

Da im Vespel-Stahl-System η = 0,460 ist, folgt aus Gleichung

(19) > R₁

^Ro ^{+ d} - ÜTPÖ= ¹'⁸5 R₁ (22)

Mit anderen Worten ergibt sich bei η = 0,460 Konvergenz für R_Q + d>1,85 R₁

Parallelität zur Mittellinie für R_Q + d = 1,85 R₁ und Divergenz für R_Q + d < 1,85 R₁ .

(j5) Im folgenden sei der Fall betrachtet, in welchem R -* 00 ,

d.h. in welchem der Wandler flach ist: _

/ 1 ) Zunächst ist in diesem Fall selbstverständlich R + d ) '' J * so daß sich ersichtlicherweise Konvergenz ergibt. Außerdem ist in diesem Fall θ -*0, so daß sich aus Gleichung ergibt:

^R2 (

5— ) sin/i cos i - cos/'.sin i

^R1 I ύ /

^R2 (sin i cos i L /sin i) ² r7/ η ^¹ -(—5—/ ^sin

bei Annahme von sin i = χ

χ "2 ί* Λ -xi. J₁ /χ)².,

η R₁ / η

^R2 (χ h x²

2 I X rf 1 - X X L2 _ν2

d.h.

Γ^ 2) ^R2

I ^; R₁

- x² - Jn² - x

mit anderen Worten:

- x² - \r? - x²

109845/1261 " ¹⁸ "

Am Punkt B kann Konvergenz auftreten, wenn ein der vorgenannten Gleichung genügender Einfallswinkel vorhanden ist, und da das Innere der Wurzel kein Minuswert sein kann, muß zuerst x<n<1 sein und

fiT?..2i

i2 2

ⁿ "^x entsprechen.

Durch Quadrierung beider Ausdrücke ergibt sich

,2

2 R

2 R₁
ST"

n² - x² -

1-

- η ,2

- η

und χ η sin i = ι η -

wenn das Verhältnis hergestellt wird:

1 -fjlj - n²

(23)

Damit der Wurzelinhalt nicht zu einem Minuswert wird, muß auch die Bedingung

ι Jb) - h²

(24)

erfüllt sein.

- 19 -

Gleichung (23) kann auch in der Form

,2

geschrieben werden, was der Gleichung (7) entspricht.

In diesem Fall beträgt der Wert für η etwa 0,5, so daß der

Wert für (1 - η ) mindestens im Bereich von

1 - (0,5)² - 0,75 liegt, weshalb er nur sein kann: Tj / 0,75 oder ~ / 0,866

R₁ R- = R₁ + (Rp - R₁) .', ( 0*866

(Dicke der Walze)

R₁< 0,866 R₁ + 0,866 (R₂ - R₁) R₁^ 0,866 (R₂ - R₁)

oder R₁ < §^|! (R₂ - R₁) - 6,46 (R₂ -

(Dicke der Walze)

Dieser Bedingung kann natürlich entsprochen werden, d.h. Gleichung (23) kann erfüllt werden.

Daher braucht nur die Bedingung von Gleichung (24) untersucht zu werdei, die sich auch in der Form

2 ^

- 20 -1Q98A5/1261

schreiben läßt. Hieraus ergibt sich, daß erfüllt sein muß

^R1 _i - '

κ¹ -* 1 - η (26)

R₂

^RJ 2 1 - η ₌ 1 - η

R₂-R₁ - 1 - (1 - nj ~ η

^) ^z^i ■ ⁽²⁷⁾

(Dicke der Walze) was Gleichung (8) entspricht.

Da beim Wasser-Stahl-Systew und beim Hg-Stahl-System

η = 0,25 ist, 1 - η - 0,75,

wird in diesem Fall Gleichung (27) zu

0,25 ^K 2 1^; "

oder R₁ 2 3 (R₂ _ R₁) (28)

Beim Acryl-Stahl-System ist

η = 0,465 1 - n■- 0,555

so daß die Gleichung (27) nur erfüllt zu sein braucht

109845/1281 - 21 -

ϋΤίδ5 ^ 2 "¹V - ^R1 oder R₁ i 1,15 (R₂ - R₁) - (29)

Beim Vespel-Stahl-System gilt:

η = 0,460 1 _ η = 0,540

daher braucht die Bedingung nur zu sein:

0,540 _(Tt _R \ i _R 0,460 ^{R2 " ^R1' - ^R1

oder R₁ i 1,174 (R₂ - R₁) (?0)

Praktische Annäherungen sind

V = D (3D

Q - i (32)

κ; ' ^Ro - ^Ri ^{+ 1}

- Jl

- i - θ

2 ^R1

d.h. Gleichung (17) wird zu

^Ro - ^R1 ^{+ d}

(34)

Wenn Gleichung (33) in Gleichung (34) eingesetzt wird, folgt

I - i - ο i _m η * ^w _m i 1_ Q_-

η R₂ * " R₁ ^e,n,R_1!;i", R₁, ,' R₁ . . . ,. ; .

- 22 -

10984 5/1*2eV'

• · θ "/ 1

( η R₁ "R₁ "η R₂ /Ί (η η

Aus (35) und (36) folgt

^Ro - ^R1

R«

R₀ - R₁ + d (37)

.oder

Wenn R -^

θ = unabhängig.

. ein flacher Wandler 1st, gilt

1 ^R1 1 ^R1

1 ( 1 - gl; = 1 , d.h. 1 - gl = η

" ⁿ ^R1 ₌ 1 - (1 - η) _ η . 1 - η ~" 1 - η

l.h. R₁ -(I - 1) χ (R₂ - R₁) (38)

worin (R₂ - R₁) die Dicke der Walze ist.

Da beim Wasser-Stahl-System oder beim Hg-Stahl-System η = 0,25 ist, gilt für Gleichung (37)

^Ri ■_ _!_ Λ _ Hl J _ t

R_o - R₁ + d T 0,25 "I R₂ *

(39)

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Damit wird im Fall eines flachen Wandlers Gleichung (38) zu

oder R₁ = 3(R₂ - R₁)* (40)

worin (Rp -R₁) die Dicke der Walze bedeutet.

Da beim Acryl-Stahl-System η = 0,465 ist, gilt für Gleichung (37)

-j

d * 0,465

Damit wird Gleichung (38) zu

^R1 ⁼(ο7ϊ55 - ¹)' (^R2 - ^R1

R^ ι
" R^/ "

oder R₁ = 1,15 (R₂ - R₁)* (42)

mit (R₂ - R₁) gleich der Dicke der Walze.

Da beim Vespel-Stahl-System η = 0,460 ist, gilt für Gleichung (37)

Damit wird Gleichung (38) zu

^R1

oder R₁ - 1,174 (R₂ - R₁T (44)

^l1

mit (Rg - R₁) gleich der Dicke der Walze,

- 24 -109845/1261

Bei Berechnung des Werts von R aus den Konstanten R₁, R₂ und d für die Walze Nr. 3 ergibt sich gemäß Gleichung (41) beim Acryl-Stahl-System

R = 150 mm Rp = 200 mm d = 32 mm

Bei Einsetzen der obigen Werte in Gleichung (41) ergibt sich:

130

R₀ - 130 + 32 130

R₀ - 98

	1
0,	465
	1
0,	465
0

Ci - IM) -

V 20Ö/

07455

( 1 - 0,65) - 1 - 1 - 0,753

- 1

0,247

0,247 (R₀- 98) = 130

/_§ R₀ - 526,3 +98 - 624,3 m

Bei Berechnung des Werts von R aus den Konstanten R₁, Rp und d für die Walze Nr. 3 ergibt sich gemäß Gleichung (43) beim Vespel-Stahl-System

1 *	130	mm
2 ⁼	200	mm
S	32	mm

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Bei Einsetzen obiger Werte in Gleichung (43) ergibt sich:

	130	32 -	1	Λ	13	O^	- 1
^Ro	- 130 +	sz	0,460	\ '	20
		ac	1	( 1 -	o,	65)
		- 98) »	0,460	- 1	1	- 0,	760
	240 (R_o	- 98 =	0,35 0746
ο,	^Ro	130
		150	541

0,240

541,7 + 98 * 639,7 mm

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Claims

Patentansprüche

ilJ Vorrichtung zur Ultraschall-Werkstoffprüfung auf in einem Werkstück enthaltene Fehlerstellen, t)ei welcher im Betrieb Ultra-• schallsignale über zwei jeweils ein Temperaturgefälle einführende Verzögerungsleitungen in den Prüfling eingestrahlt und die reflektierten Ultraschallsignale wieder empfangen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Verzögerungsleitung aus einer eine akustische Ankopplungs- und Kühlflüssigkeit enthaltenden hohlen zylindrischen Walze besteht und die erste Verzögerungsleitung zusammen mit einem Wandler an der zentralen, vorrichtungsfesten Welle der Walze montiert ist und eine Außenfläche aufweist, die in akustischer Übertragungsbeziehung zur Innenfläche der Hohlwalze steht, daß die zweite Verzögerungsleitung aus einem Werkstoff besteht, dessen akustische Impedanz derjenigen des Prüflings äquivalent ist, und daß die beiden Verzögerungsleitungen derart aufeinander und auf den Prüfling abgestimmt sind, daß die Ultraschall-Ausbreitungszeit t₂ in der zweiten Verzögerungsleitung größer ist als die Ultraechall-Ausbreitungszeit t, in der ersten Verzögerungsleitung und diese wiederum größer ist als die Ultraschall-Ausbreitungszeit t im Prüfling und auf diese Weise eine Sicherheitsspanne gegen Verschleiß der Werkstoffe der beiden Verzögerungsleitungen geboten wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Erzielung von Konvergenz der Ultrasehallstrahlen der effektive Krümmungsradius R_Q des Wandlers, der Innenradius R₁ der Walze, der Außenradius R₂ der Walze, die Größe 2D des Wandlers, die Dicke d der ersten Verzögerungsleitung, die Schallgeschwindigkeit v, in der ersten Verzögerungsleitung und die Schallgeschwindigkeit V₂ in der zweiten Verzögerungsleitung derart

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aufeinander abgestimmt sind, daß

^R0"^Rl^+d

R, 12/, „2 . _χ

gilt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler plan ausgebildet ist und die Konvergenz durch Erfüllung der Gleichung

"R

( ^ )² < 1 - n² und R₁ > ( I - 1) erzielt ist.

Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der ersten Verzögerungsleitung mehrere Wandler auf einem konzentrisch zum Walzen-Mittelpunkt liegenden Kreis montiert sind, deren Ultraschallstrahlen so auf die Walzenoberfläche gerichtet sind, daß die Strahlen benachbarter Wandler einander jeweils in der -J5 db-Position schneiden, und daß eine Einrichtung zum elektronischen Schalten der Ausgangs- oder der Eingangssignale der Wandler der Reihe nach mit hoher Frequenz in Synchronismus mit einer Wiederholungsfrequenz eines elektronischen Systems für die Ultraschallstrahlen vorgesehen ist, wobei die Ultraschallstrahlen die Fläche nahe der Berührungslinie der Walze mit dem zu prüfenden Werkstoff abtasten, so daß die durch eine mögliche Lagenverschiebung der Walzen-Berührungslinie hervorgerufenen Auswirkungen berücksichtigt werden.

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