DE2245322B2 - Verfahren zur zerstörungsfreien Messung der Schichtdicke einer durch eine oberflächliche Werkstoffstrukturveränderung betroffenen Schicht eines Körpers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörangsfreien Messung der Schichtdicke emer durch eine oberflächliche Werkstoffstrukturversß<?er_ung betroffenen Schicht eines Körpers, insbesondere zur Messung der Eindringtiefe einer thermischen, thermochemischen oder galvanischen Behandlung des Körpers, unter Verwendung eines teilzylindrischen, mit der nicht zylindrischen Hache auf den zu untersuchenden Körper auflegbaren Blocks und eines sich radial an der Zylinderfiäche des Blocks abstützenden Ultraschallsenders unc Ultraschallempfängers, wobei auf die zu untersuchende Oberfläche des Prüflings ein Ultraschallwellenbündel gerichtet und die Energie des reflektierten Bündels bei unterschiedlichen Einfallwinkeln des Ultraschallwellenbündels gemessen

Die Wirkungsweise des vorstehend geschilderten Verfahrens beruht darauf, daß ein Ultraschallwellenbündel von geeigneter Orientierung ausgesandt wird, um an dem zu untersuchenden Prüfling Oberflächcnwellen zu erzeugen. Das von der untersuchten Oberfläche reflektierte Wellenbündel wird erfaßt und gemessen. Dieses Verfahren ertaubt die Bestimmung der Fortpflanzungsgeschwindigkeit von Rayleigh-Wellen auf der Oberfläche eines festen Körpers durch Messung des Einfallwinkels des Ultraschallwellenbündeis, durch das diese Oberflächenwelle^ hervorgerufen werden. Die entsprechende Theorie ist insbesondere durch die Arbeiten von G. Bradfield entwickelt worden (»The ultrasonic goniometer and its applications« — Zeitschrift »non destructive testing«, Februar 1968).

Im vorliegenden Fall wird im Prinzip die Tatsache ausgewertet, daß die Fortpflanzungsgeschwindigkeit dieser Oberflächenwellen durch die Gegenwart einer beispielsweise auf Stahl durch eine Wärmebehandlung erzielten Schicht beeinflußt wird, und insbesondere die Tatsache, daß die Geschwindigkeitsänderung von der Schichtdicke abhängt. Strahlt man das Ultraschallwellenbündel durch den von einem Generator beaufschlagten Ultraschallsender unter einem relativ kleinen Winkel zur Flächennonnalen auf die Ober* fläche des zu untersuchenden Prüflings, so wird das Ultraschallwellenbündel in ein Bündel gebrochener Querwellen und ein reflektiertes Bündel, das den größten Teil der eingespeisten Energie enthält, zerlegt. Vergrößert man den Einstrahlwinkel bis zu einem kritischen Winkel T„ so wird das gebrochene Querwellenbündel zu einem Bündel von Oberflächenwellen. Zu dieser Erscheinung kommt eine seitliche Versetzung des reflektierten Bündels hinzu, so daß die vom ultraschallempfäftger aufgenommene Energie ein deutliches Minimum anzeigt. Nach über-

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Eine bekannte Meßanordnung zur Analyse der sehen Hache auf einen zu untersuchenden Körper Signale, die durch deuUItraschaUerapf8nger aufge- auflegbaren Block und mit einem sieb radial an der nommen werden, besteht im wesentlichen «us einem a Zyiinöerfiäche des Blocks abstützenden Ultraschall-OsztUoskop, dem gegebenenfalls ein Registriergerat sender und UlirBsebaüempfiögw sowie einer Ein-55«gcöftfa§i m, und emer Einrichtung, die eine me- richtung zu deren Einstellung auf dem Block um eine cbanische Verbindung der beiden Ultrascballwandler mit der Zylinderachse des Blocks zusammenfallende herstellt und nuneis einer Anzahl von zusammen- Achse und ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil wirkenden Elementen deren symmetrische Verscbie- _u der zylindrischen Fläche des Blocks als Stützfläche bung auf: dem teilzyhndnschen Block gewährleistet für eine kombinierte Sender- und Empfangersonde (GB-PS 959 029). Die Ultraschallwellen können da- dient, während der andere Teil der zylindrischen J bei entweder to Form kurzzeitiger Impulse oder in Hache die reflektierende Oberfläche darstellt
Form von hinsichtlich ihrer Länge regelbaren WeI- Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen des Verfahlenzügen ausgestrahlt werden. In beiden Fällen kön- x$ rens und der Einrichtung zu dessen Durchführung ernen unterschiedliche Frequenzen verwendet werden. geben sich aus den Unteransprüchen.

Bei dem geschilderten bekannten Verfahren unter Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der

Anwendung der genannten Meßanordnung erfolgt Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
lediglich eine einzige Reflexion des Ultraschallwellen- Fig. 1 schematisch eine erste Ausführungsform

bündeis auf der zu untersuchenden Oberfläche. Die ao einer erfindungsgemäßen Einrichtung,
Meßempfindlichkeit ist daher relativ gering. Außer- F i g. 2 in perspektivischer Darstellung, teilweise

dem ist die zur symmetrischen Verschiebung der aufgebrochen, den wesentlichen Teil der Einrichtung beiden Ultraschallwandler notwendige Einrichtung gemäß F i g. 1, nämlich die Sonde,
vergleichsweise aufwendig. Fig. 3 in größerem Maßstab einen Schnitt längs

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, »5 der Linie III-III in Fi g. 2, und
ein Verfahren der eingangs erläuterten Art dahin- F i g. 4 bis 6 Ausführungsvarianten der Sonde,

gehend zu verbessern, daß die Meßempfindlichkeit Die in F i g. 1 dargestellte Einrichtung ist insbeson-

zur Erfassung der Energie des reflektierten Ultra- dere zur zerstörungsfreien Messung der Tiefenwirschallwellenbündels gegenüber dem bekannten Ver- kung einer thermischen uad/oder thermochemischen fahren gesteigert ist und außerdem eine Vereinfa- 30 und/oder galvanischen Oberflächenbehandlung eines chung der dazu verwendeten Meßanordnung eintritt. beispielsweise aus Stahl bestehenden Teiles 1 be-

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge- stimmt. Sie besteht im wesentlichen aus einem Genelost, daß eine gemeinsame kombinierte Sender- und rator 2, einer Anzeigeeinrichtung 3 und einer Meß-Empfängersonde verwendet wird und das auf die einrichtung 4. Der Generator 2 liefert elektrische Oberfläche des Prüflings eingestrahlte und von dort 35 Ultraschallsignale, beispielsweise in Form von Impulreflektierte Ultraschallwellenbündel danach min- sen kurzer Dauer oder auch in Form von Wellendestens ein weiteres Mal von einer oder mehreren zügen mit regelbarer Wellenlänge. Zu diesem Zweck weiteren reflektierenden Oberflächen derart reflek- können unterschiedliche Frequenzen verwendet wcrtiert wird, daß das zum Empfänger zurückgestrahlte den.

Ultraschallwellenbündel im umgekehrten Sinn im 40 Die Anzeigeeinrichtung 3 besteht in der Hauptwesentlichen längs der gleichen Bahn wie das aus- sache aus einem Oszilloskop und gegebenenfalls einer gestrahlte Ultraschallwellenbündel verläuft und dabei Registriervorrichtung zur Analyse der Signale. Die mindestens ein weiteres Mal auf die zu untersuchende Meßeinrichtung 4 besteht im wesentlichen aus einer Oberfläche des Prüflings gerichtet wird, bevor es in kombinierten Sender- und Empfängersonde 7 und Form des reflektierten Büudels zur Empfängersonde 45 einem Block8 zwischen der Sonde7 und dem zu zurückkehrt. untersuchenden Teil 1.

Auf diese Weise können sich die für das Auftreten In dem dargestellten Ausführungsbeispiel besteht

von Oberflächenwellen verantwortlichen Erscheinun- der Block 8 aus Polymethyl-Methacrylat und besitzt gen mindestens einmal wiederholen, so daß folglich die Form eines Halbzylinders, dessen plane Fläche die Meßempfindlichkeit für die Energie des reflek- 50 auf die ebenfalls plane Oberfläche des zu untersuchentierten Bündels nach der letzten Reflexion an der den Teiles 1 aufgesetzt wird. Die Sender- und Emp-Oberfläche des Prüflings entsprechend gesteigert fängersonde 7 ist ein Wandler, der auf die zylinwird. Darüber hinaus geht mit diesem Vorschlag eine drische Oberfläche des Blockes 8 aufgesetzt wird. Die Vereinfachung der bei dem Verfahren verwendeten Sonde 7 läßt sich in Umfangsrichtung auf der Block-Anordnung einher, da an Stelle der bisher symme- 55 oberfläche so verschieben, daß dadurch die Richtung trisch zueinander auf der teilzyündrischen Oberfläche des vor ihr ausgesandten und auf die Oberfläche des des Blocks aufgesetzten Ultraschallwandler eine korn- zu analysierenden Teiles 1 auftreffenden Ultraschallbinierte Sender- und Empfängersonde verwendet wer- wellenbündels 11 verändert wird,
den kafra. Dies führt zu einer erweiterten Anwend- Der Generator 2 liefert elektrische Signale zur barkeit der Meßanordnung insbesondere an schwer 60 Sonde 7, so daß diese das Uliraschallwellenbündel 11 zugänglichen öder größenmäßig beschränkten Prüf- ausstrahlt, das auf die Oberfläche des Teiles 1 am üllgen. Punkt A auftrifft und dort in Form eines Bündels 12

Gemäß einer Weiterbildung des erfindun^sgemä- reflektiert wird. Das reflektierte Bündel 12 trifft somit ßen Verfahrens wird als weitere reflektierende Ober- radial (oder weitgehend radial) auf die zylindrische fläche eine feste Oberfläche mit gekrümmtem Profil, 65 Trennfläche zwischen dem Block 8 und der umgebenbeispielsweise des teilzylindrischen Blocks, ver- den Atmosphäre, so daß sich ein weiteres reflektiertes wendet. Bündel 13 ausbildet, das in umgekehrtem Sinne je-

Di# Vorrichtung zur Durchführung des erfindungs- doch weitgehend auf der gleichen Bahn wie das

reflektierte Bündel 12 zurückgestrahlt wird. Es wird ebenfalls von neuem am Punkt A auf der Oberfläche des Teiles 1 reflektiert und folgt somit im umgekehrten Sinne der gleichen Strahlenbahn wie das ursprüngliche Ultraschallwellenbündel 11. Es bildet dort ein zweites reflektiertes Bündel 14, das in die Sonde 7 eintritt. Die Sonde 7 arbeitet somit auch als Empfängersonde. Das einfallende Ultraschallwellen· bündeln erfährt somit auf der zu untersuchenden Oberfläche des Teiles 1 zwei aufeinanderfolgende Re* to flexionen, bevor es in Form des reflektierten Bündels 14 zur Empfängersonde 7 zurückkehrt.

Um zu verhindern, daß in der Sonde? zwischen dem ausgestrahlten und dem empfangenen Wellenbündel Interferenz auftritt, erfolgt die Ausstrahlung in Perioden, die durch Intervalle voneinander getrennt sind, in denen nicht gesendet wird und in deren Verlauf empfangen wird.

Der Werkstoff des Blockes 8 ist so gewählt, daß die Änderung des Grenzwinkels T₁. relativ zu einer ao Änderung der Geschwindigkeit vr so groß wie möglich ist. Die Beziehung zwischen dem Grenzwinkel T_r und der Fortpflanzungsgeschwindigkeit vr der Oberflächenwellen lautet:

»5

sin T₁.=

vr

wobei ν die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Längswellen in dem Verbindunpraum Sonde/Teil ist.

Für eine gegebene Veränderung von vr erhält man also eine Veränderung des Winkels T_n die um so größer ist, je größer die Geschwindigkeit ν in dem Verbindungsmilieu ist Aus diesem Grund verwendet man in der Anordnung Werkstoffe, in welchen die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Ultraschall-Längswellen so groß wie möglich ist. Diese Geschwindigkeit muß aber kleiner als die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Oberflächenwellen in dem zu untersuchenden Material bleiben. Andernfalls, d. h. wenn ν größer als vr ist, wäre es unmöglich, Oberflächenwellen zu erzeugen. Bei Stahl liegt vr in der Größenordnung von 3000 m/s. Die Geschwindigkeit ν muß also in der « Nähe dieses Wertes, jedoch darunter gewählt werden. Matt erhält gute Resultate, wenn man als Werkstoff für den Block Polymethyl-Methacrylat einsetzt, für das ein Wert von ν in der Größenordnung von 1700 m/s gilt

Um eine optimale Übertragung der Schwingungen m der ganzen Anordnung zu erhalten, wird die Sonde7 auf die zylindrische Oberfläche des Blockes 8 voizugsweise mittels eines öl- oder Fettfilmes aufgesetzt. Die akustische Koppelung zwischen dem Block 8 und dem zu untersuchenden Teil 1 wird gleichfalls mittels eines öl- oder Fettfilmes hergestellt, der zwischen diesen beiden Teilen liegt Die Koppelung läßt sich auch mittels einer fiüssigkeitsgefuHten Kammer herstellen, wobei als Flüssigkeit z.B. Wasser oder öl dient und deren Druckbeaufschlagung durch leichten Druck zu einer Deformation einer Membran führt, die exakt der Form der zu untersuchenden Oberfläche entspricht und an dieser anliegt ⁶S

In Fig. 4 ist ein Block8/1 mit einer insofern abweichenden Gestaltung dargestellt, als eine Hälfte seiner planen Oberfläche, wie bei 21 angedeutet, leicht hochgezogen ist. Dies erleichtert die vollkommene Auslösung der Ultraschallwellen.

In F i g. 5 ist eine weitere modifizierte Ausführungsform für den Block 8 B dargestellt, bei der eine Hälfte des Blockes einen kleineren Krümmungsradius r aufweist als die andere Hälfte mit dem Krümmungsradius/!, auf der die Sonde7 aufgesetzt ist, Man erhält dadurch einen Block kleineren Volumens.

Die F i g. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Block 8 C von noch kleinerem Volumen, der den Zugang zu Winkeln oder Ecken erlaubt, wie sie z. B. in Schwalbenschwanzführungen 23 gebildet werden. Der Einfallswinkel T kann bei diesem Ausführungsbeispiel nur in engen Grenzen verändert werden, während er bei den Ausfuhrungsformen gemäß den voranstehenden Figuren zwischen 0 und 90° veränderbar ist.

Zur Untersuchung und Überwachung der Oberfläche von Teilen besonderer Gestaltung, beispielsweikr von zylindrischer oder kugelförmiger Ausbildung, braucht lediglich die Tragfläche des Verbindungsblockes, mit der dieser an dem zu untersuchenden Teil anliegt, in die entsprechende Form gebracht zu werden.

In den F i g. 2 und 3 ist im einzelnen der Aufbau der Einrichtung gemäß Fig. 1 dargestellt. Der Block 8 besitzt auf seinen beiden Stirnseiten Radialnuten 31, 32 mit Schwalbenschwanzquerschnitt, mit denen er längs zweier entsprechend geformter fester Zungen 33, 34 gleiten kann. Die Zungen 33, 34 sind beispielsweise mittels Schrauben, von denen lediglich die Achsen 35 angedeutet sind, an den Innenflächen zweier Wangen 38, 39 befestigt. Die Wangen 38, 39 haben Halbkreisform und liegen koaxial zum Block 8. Sie sind durch Traversen 41, 42 miteinander verbunden.

Die Sender- und Empfangersonde 7 ist in einer Radialführung 44 verschiebbar und wird an die zylindrische Oberfläche des Blockes 8 durch eine Feder 45 angedrückt, deren eines Ende sich auf einer vorspringenden Schulter 46 der Sonde abstützt, während ihr anderes Ende an der Innenfläche einer Ringscheibe 48 anliegt, die mittels Schrauben 49 an der Radialführung 44 befestigt ist. Die Radialführung 44 weist zwei kreisbogenförmige Seitennoten 51, 52 auf, in die entsprechend bogenförmig gestaltete Vorsprünge 53, 54 an den Innenflächen der beiden Wangen 38,39 hineinragen.

Weiterhin ist an der zylindrischen Außenfläche des Vorsprunges 54 an der Wange 39 eine Skala 55 angebracht, um die Position der Radialführung 44 auf der Oberfläche des Verbindungsblockes 8 und somit den Winkelwert des Einfallwinkels T des Ultraschallwellenbündels zu markieren.

Bei der Verwendung der Einrichtung wird die Wmkelposition der Sonde aufgesucht, bei der die Energie des reflektierten Weüeubündels 14 ein Minimum ist Dies gibt gleichzeitig den Wert des kritischen Winkels T₁. des einfallenden Ultraschallwellenbündels 11 an, der zur Erzeugung von Oberflächenwellen auf dem zu untersuchenden Teil führt

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentanspriiche:

1. Verfahre« gut *ö«i8iaop&öioD Messung der Schichtdicke einer durch eine oberflächliche δ Werkstoflstruktiirveränderung betroffenen Schicht «ines Körpers, insbesondere zur Messung der Kndringtiefe einer thermischen, therraochemischen oder galvanischen Behandlung des Körpers, unter Verwendung eines teflzylmdrfechen, mit der nicht » «ylmdrischen Hache auf den zu untersuchenden Körper auflegbaren Blocks und eines sich radial an der Zylinderfläche des Blocks abstützenden Ultraschallsenders und Ultraschallempfängers, wobei auf die zu untersuchende Oberfläche des is Prüflings ein Ultraschallwellenbündel gerichtet und die Energie des reflektierten Bündels bei un-•erschiedlichen Einfallwinkeln des Ultiaschallwellenbündels gemtosen wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine gemeinsame korn- ao binierte Sender- und Empfängersonde (7) verwendet wird und das auf die Oberfläche (A) des Prüflings (1) eingestrahlte (11) und von dort reflektierte (12) Ultraschallwellenbündel danach mindestens ein weiteres Mal von einer oder a₅ mehreren weiteren reflektierenden Oberflächen derart reflektiert wird, daß das zum Empfänger zurückgestrahlte Ultiaschallwellenbündel im umgekehrten Sinn, ;-n wesentlichen längs der gleiehen Bahn wie das ausgestrahlte Ultraschallwellenbündel verläuft und dabei mindestens ein weiteres Mal auf die zu untersuchende Oberfläche (A) des Prüflings (I) gericht wird, bevor es in Form des reflektierten Bündels (14) zur Empfängersonde (7) zurückkehrt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als weitere reflektierende Oberfläche eine feste Oberfläche mit gekrümmtem Profil verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch 4p gekennzeichnet, daß die Ausstrahlung des Ultra-Schallwellenbündels während Perioden erfolgt, die durch Intervalle voneinander getrennt sind, in denen nicht gesendet, sondern nur empfangen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ultra-Schallwellenbündel in Impulsform ausgesendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das UltraschaHwellenbündel in Form von Wellenzügen mit regelbarer Wellenlänge ausgestrahlt wird.

6. Einrichtung zur zerstörungsfreien Messung der Schichtdicke einer durch eine oberflächliche Werkstoffstrtikturveränderung betroffenen Schicht eines Körpers, insbesondere zur Messung der Eindringtiefe einer thermischen, thermochemlschefl oder galvanischen Behandlung des Körpers, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Au- «o Sprüche 1 bis 5, «it einem teilzylindrischen, mit der nicht zylindrischen Fläche aiif einen zu untersuchenden Körper auflegbaren Block und mit einem sich radial an der Zylinderfläche des Blocks abstützenden Ultraschallsender und Ultraschall- s_s empfänger sowie einer Einrichtung zu deren Ein-Stellung auf dem Block um eine mit der Zylinder' achse des Blocks zusammenfallende Achse, dadweh gekennzeichnet, daß ein Teil der zyltadrischen Fllcne des Blocke (8, BA, 83, 8 C) als Stützfläche für eine kombinierte Sender- und Eiapfängersonde (7) dient, wagend der andere Teil der zylfcdrjse&en Flaene m reflektierenüe Oberfläche darstellt*

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Oberfläche koaxial zur Stützfläche für die Sender- und Ernpfängersonde (7) liegt, jedoch emen klemeren Radius (r) als diese hat