DE2260932A1

DE2260932A1 - Verfahren und anordnung zur bestimmung von risstiefen bei der werkstoffpruefung mit ultraschall

Info

Publication number: DE2260932A1
Application number: DE2260932A
Authority: DE
Inventors: Hermann Dr Ing Wuestenberg
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-12-08
Filing date: 1972-12-08
Publication date: 1974-06-12
Also published as: US4137779A; NL178910B; NL7316868A; NL178910C; GB1453065A; DE2260932C3; DE2260932B2

Description

Anmelder und Minder;

Dr.-Ing. Hermann 7/üstenberg Ing. (grad.) Eduard Schulz

1 Berlin 37 ί Berlin 45·

Beuclrestr. ?0 Kirchs tr. 4 a

Bezeichnung der Erfindung;

"Verfahren und Anordnung zur Bestimmung von Rißtiefen bei der ■Werkstoffprüfung mit Ultraschall."

Patentbeschreibung;

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der liefenausdehnung voir Rissen in der ITähe der .Oberfläche eines Werkstückes, wobei die durch einen Riß behinderte Ausbreitung der am Gefüge gestreuten Ultraschallwellen eines Vinkelprüfkopfes ausgenutzt wird.

Zur Rißtiefenbestimmung mit dem Ultraschallverfahren sind verschiedene Methoden bekannt. Keine Methode aber gestattet es, mit' ausreichender Aussagesicherheit und Genauigkeit von einer Werkstoff oberfläche aus Rißtiefen zu vermessen, die in der Hähe der selben Oberfläche liegen, zum Beispiel senkrecht zu dieser orientiert sind. Dieser Fall ist für die Materialprüfung der allgemeinste, denn Risse treten meist in der .Nähe von Oberflächen auf oder gehen sogar von der Oberfläche aus. Die Schwierigkeit besteht darin, daß man solche Risse mit geeigneten Prüfköpfen mit der Ultraschallimpulsechomethode zwar nachweisen kann, 7- zum Beispiel mit unter flachem Winkel zur Oberfläche sich ausbreitenden Transversal- oder Longitudinalwellen oder auch Oberflächenwellen-, aber mit Hilfe der angezeigten Signale, zum Beispiel mit der Echohöhe keine genaue Aussage' über die Rißtiefe machen, kann. Üblicherweise kann aus der Echohöhe bei bearbeiteten Oberflächen nur für Rißtiefen in der Größenordnung bis zu 5 mm eine Aussage zur Rißtiefe gewonnen werden. Bei größeren Rißtiefen kann keine Proportionalität erwartet werden.

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BAD ORiGINAL

Es ist demzufolge Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu finden, bei dem eine zur Rißtiefe nroportionale Heßgröße auch für größere Rißtiefen zum 3eisniel bis an "50/40 mn Tiefe, erhalten werden kann. Diese Aufgabe wurde dadurch geltet, daß ein τοπ einem ^1>rinke !prüf kopf erzeugtes schr*igeinf eilendes . Longitudinalwellenbündel im Gefüge Streuwellen.Busiest»die mit einem zweiten Winkelprüfkopf, der als gerichteter Empfänger für Ultraschallwellen arbeitet, enrafangen werden und je nach Tiefe eines zwischen beiden Prüfköpfen liegenden Risses bei von der Rißtiefe abhängiger Position eine maximale Anzeige ergeben.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können pn fiteile zweier im gegenseitigen Abstand veränderlicher PrüfkHpfe auch zwei Prüfköpfe nit mehreren hintereinander angeordneten ^Tiembranen verwendet v/erden, wobei die Ponitionsver^nderung durch elektrisches Umschalten der !lenlr^n^n (-»iozokerpnische wienerfce in allr-ereiner■) ersetzt wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können zudem PrUfkönie oder Schwinger mit speziellen fokussierenden Eigenschaften, zum Beispiel Strich- oder Punktfokus, verwendet werden, um eine genauere Auflösung für die Feststellung der Rißtiefe zu erhalten.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von störenden Oberflnchenwellen longitudinalwel en erzeugende und empfangende ^inkelprüfköpfe verwendet werden.

Eine Anordnung zur Ausführung des Verfahrens besteht darin, daß auf beiden Seiten eines auf" andere Weise nachgewiesenen Risses an der Oberfläche des Y'erkstückes je ein Winkel prüf kopf angekoppelt wird. Einer der Uinkelprüfkönfe arbeitet als Sender, der andere als Empfänger. Das erste nach dem Sendeimpuls am Empfänger eintreffende Signal - eine Longifcudinalwelle, wenn Oberflnchenwellen ausgeschaltet v/orden sind - wird in der Höhe registriert. Die "3inschallwinkel beider Prüfköpfe sind gleich, die Abstünde rl er PrMf-

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BAD ORIGiWAi

V^;ru'e π in "if. ebenfalls. Die Prüfköpfe werden so bewegt, da^r in ,ieden .Augenblick der Prüf kopf bewegung der Abstand «■»inen TrUfIvO¹Sfes vom RiF gleich dein Abstand des anderen vom i;ir int. Bei der Bewegung der Prüfkb'pfe wird die Höhe des von enpfangenden Prüfkopf registrierten Signale, das. aus von dem Go^"-e gestreuten Longitudinalwellen besteht, registriert.. Da bei kleinen Abstanden der Prüf, köpfe vom Riß der Riß bei genügender Tinfe den Üohallstrahl des 'sendenden Koüfes abschaltet, können vom empfangenden-Prüfkopf, dann keine Anzeigen in größerer Höhe aus ,·?,«-_ (-.c."üTe er--nf^iirm .werden. Erst wenn das och^llbündel des g enden- for- Prüflronfcp mit seinem ITaximum die untere Grenze des Risses erreicht h~t, nteift die Höhe des sue. dem Gefüge ennof anger, en. 3iglnlp deutlich an. Dadurch markiert sich die Ri(Ttiefe im Verlauf de:: ν ignalhöhe über dem Abstand der Prüfköpfe vom Riß.

In einer andei.-en Anordnung kann die Bewegung der Prüfköpfe ersetzt werden durch mehrere in wachsender Entfernung vom Riß angebrachte kleinere Prüfkrnfe, oder durch mehrere piezoelektrische Fchwinrelemente auf einem Kunststofftr^f-^;ger, wobei durch elektrische Umschaltung Oev tender bsw. J^ripfHnger die Dynamik der Prüfkopfbe*- we:".r\·: ri^chg-eahnt wird. ' ■

"1-ρ weitere Anordnung zur Ausführung des Verfahrens ist dadurch ■-c^enn^eichnet, daß zwei feststehende Prüf köpfe in gleicher Entfevimng zupi Riß aui beiden Seiten desselben angebracht werden und durch Veränderung des V^rinkels der schwingenden llembran im Prüfkopf ¹OHgItudinalwellen mit unterschiedlichem ^infallswinkel im ^rrerkstück prrvsu.r-i; werden. Γ^πdurch wird der Riß seiner Tiefe nach abgetastet und erst bei Entpichen der untersten Rißgrenzen können stärkere ■rc.ausohansoigen fms den Gefüge vom emnfangenden Prüfkopf errpfangen werden.

■^ine '-/eitere Ar, ortung ist dadurch [j^'i nn sei ohne t, daß ein Prüiko^f auf einer ^ei +ο des "lisss-s feet-"t^'it, diec kann dann auch ein

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Normslprüfkopf zum Empfang von senkrecht zur Oberfläche hin gestreuten I.ongituöinalwellen sein, und daß der zweite PrUfkopf auf der anderen Seite des Risses ein Winkelprüfkopf für schrHgeinfeilende Longitudinalwellen ist, der entweder in seinem Einfallswinkel verändert wird oder in seiner Position zum Riß oder aber auch durch mehrere Schwingmembranen mit unterschiedlichem Abstand zum Riß ersetzt wird.

Der besondere Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß Rißtiefen von einer Oberfläche eines Werkstückes aus ohne starke Störungen durch Ankopplungsschwankungen und andere die absolute Echohöhe bei normalen Ultraschallimpulsechoverfahren beeinflussende meist stark schwankende Parameter mit Hilfe der Streuung am Gefüge ermittelt werden können, und dies auch dann, wenn der Riß nicht bis zur Oberfläche vordringt.

Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnungen in AusfUhrungsbeispielen na'her erl'p'utert. Es zeigt die Figur 1 eine Anordnung mit zwei Winkelprüfköpfen beiderseits des Risses, die schrRgeinfallende longitudinalwellenbündel erzeugen bzw. empfangen unter gleichem Winkel zur Normalen an der Oberfläche.

Figur ?. zeigt die gleiche Anordnung wie in Figur 1 iedoch mit unterschiedlichem Einfallewinkel der Schallwellen bei beiden PrUfkb'pfen.

Figur 3 zeigt zwei Winkelprtlfköpfe mit veretellbaren Einfalle- bzw. Empfangswinkeln des Schallbündels.

Figur 4 zeigt eine Anordnung mit einem WinkelprUfkopf für Longitudinalwellen eis Sender unfl einem NormelprUfkopf als Empfänger.

Figur 5 zeigt eine Anordnung mit zwei Prüfköpfen beiderseits des Risses, wobei jeder der Prüfköpfe mit mehreren Membranen bestückt ist.

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■ * " ■ -'ΐί-ΊΛί/ν'

Figur 6 zeigt ein typisches Schirmbild für eine Anordnung nach Figur 1 "bzw. Figur 2, wenn in Figur 1 bzw. Figur 2 die· Prüfköpfe in gleichmäßiger Bewegung vom Riß entfernt werden.

Im einzelnen sollen die Merkmale der Erfindung mit Hilfe der Abbildungen beschrieben werden. .

In Figur 1 erkennt man die beiden Winicelprüfköpfe mit der sendenden Membran 3 und der empfangenden Membran 5. Das vom Winkelprüfkopf erzeugte Longitudinalwellenbündel 7 erregt einen begrenzten ■Volumenbereich und erzeugt in ihm Streuwellen an den Gefügeinhomogenitäten 1?, die von dem gerichtet enrDfangenden Wlnkelprüikopf 6 mit den fiktiven Schallstrahl 8 sus dem skizzierten begrenzten Volumenbereich empfangen werden. Die Gefügestruktur des Werkstückes 1 mit der Oberfläche 2 spielt insofern eine Rolle, daß bei gröberem Korn zunächst deutlichere Anzeigen zu erwarten sind, die allerdings bei dann noch gröberem Korn wieder schwächer werden, da die empfangende »Schallwelle 6 ebenfalls wieder am Gefüge gestreut wird. Durch Wahl der von der Membran 5 erzeugten Arbeitsfrequenz des ausgesandten Ultraschallirapulses (zum Beispiel ?· oder auch 4 HFIz) kann die Frequenz an das jeweilige Werkstück und sein Gefüge, - das zum "Beispiel auch aus einer Kombination aus ferritischem Grundwerkstoff und einer im Oberflächenbereich aufgebrachten austenitischen Plattierung bestehen kann, - im jeweiligen Anwendungsfall angepaßt werden. Das hier zur Frequenz Gesagte gilt für die in den Figuren 2, 3, 4 und 5 dargestellten Anordnungen ebenfalls.

Durch 'iTihl geeigneter Membranformen kann das Schallfeld des sendenden Prüfkopfes "(durch das Bündel 7 in Figur 1 angedeutet) und des empfangenden Prüfkopfes' (durch das Bündel S in Figur 1 angedeutet) im Kreuzungsbereich der beiden Schallbündel·als Strichfokus oder auch Punktfokus ausgebildet werden. Wenn dann der Riß 11 mitten ' in diesem Kreuzungsbereich liegt, dann werden vom empfangenden Prüfkopf 6 nur sehr schwache Streusignale aufgenommen,. Erst wenn, die Entfernung.9 und 10 zwischen den Prüfköpfen und der Projektion des Risses an die Oberfläche durch gleichmäßiges Entfernen der

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Prüfköpfe vom Riß so groß sind, daß der Kreuzungspunkt beider SchaXIstrahXen unterhalb des Risses liegt, können wieder starker Streuanzeigen vom Priifkonf 6 empfangen werden. ■

In Figur 6 ist im Schirmbild 1? eines UltraschPllimpulsechoger^tes die entstehende Echohüllkurve 1ö gestrichelt dargestellt, außerdem sind 14 der Sendeimpulse, 15 der empfangene Longitudinalwelleniii:- puls der Streuanzeigen, 16 parasitäre Oberfl^chenwellen und Troncversalwellen und 17 die Hullinie des Cchriebes auf der Kathodenstrahlröhre eingezeichnet. An geeigneten Testknrpern kann die lage des steilen Anstieges der Hüllkurve 18 in Abhängigkeit ^ν°η der Rißtiefe an riodellfehlern festgestellt werden. Mit Hilfe einer *>uf solche Art ermittelten Pichkurve können Rißtiefen an '''"erkstiieken dann sehr genau ermittelt werden.

In Figur ? ist eine ähnliche Anordnung wie in Ilgur 1 dargestellt, jedoch mit unterschiedlichen "inkeln der r.chnllstrahlen bei eanderrdem und empfangendem Prüflrcpf. Auf diese '.'ei~e k--nn d-^s Verfahren auch bei ungünstiger Geometrie, wenn zum Beispiel auf einer .V.eite des Rißortes nicht mehr genügend Raum für eine große Prüfkönfbewegung zur Verfugung steht, angepasst werden.

In Figur 3 haben die Prüfköpfe 4 und 6. keine feststehenden■Membranen, sondern drehbar angeordnet, .so daß der erzeugte Schallstrahl in seinem Einfalls- bzvv. 3mpfangswinkel verändert v/erden kann. Der Kreuzungspunkt der Schallstrshlen 7 und ο kann so an der ganzen Rißausdehnung entlang wandern, bis er an der unteren Snitze des Risses wieder eine deutliche Streuanzeige beim empfangenden Prüfkopf 6 ergibt. Durch automatische Registrierung der Abhängigkeit der emnfangenden Gtreuanzeige vom ^winkel kann die Rißtieie nach ähnlicher Eineichung wie bei der Anordnung unter Figur 1 an Hand von Modellfehlern zur genauen Ermittlung der Rißtiefe verwendet werden. In Figur,4 wird statt des empfangenden Winkelprüfkopfes f> ein ITormalprüfkopf verwendet, der ein Longitudinelwellenbündel, das sich senkrecht zur Oberfläche ausbreitet, empfangen kann. In im Figur 4 dargestellten Fall schattet, der Riß 11 das

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erregende Schallbandel 7 vollständig ab, so daß der Korraal-■nrüfkopf 6 kaum Streuanzeigen empfangen kann.

In "Figur 5 wird die in Figur 1 notwendige Bewegung beider Prüfköpfe 4 und 6 ersetzt durch feststehende Prüfköpfe-4 und 6, die allerdings mehrere Membranen auf einem geeignet geformten Kunststoff körper tragen. Die sendenden Membranen 3, νΑ,^Β, 30' bzw. die empfangenden Membranen 5, 5A, 5B, 50 sind unter einem Winkel auf gekittet, so daß in jedem Falle I.ongitudinalwellenbündel (7 beim Senden und 5 beim Empfangen) ausgesandt bzw. empfangen werden. Die .«Unfalls winkel können je nach geometrischen Bedingungen dem Problem angepasst werden. Bei Betrieb dieses Prüfkopfes werden" nacheinander die Membranen 3 und 5, 3A/5A, JC/5G als Sender bzw. Empfänger an ein Ultraschallimpulsechoger-* t angeschaltet. Bei geeigneter Fokussierung der einzelnen Membranen-auf den Bereich des Kreuzungspunkts im Bereich des Risses 11 erhält man erst bei Lage" des Kreuzungspunktes an dem unteren"Ende des Risses (im dargestellten Fall für die sendende Membran 30 und die empfangende Membran 50) eine stärkere Anzeige der Gefügestreuüngen. Auch diese Anordnung kann an Hand von Modellfehlern an einem Testkörner justiert werden. Hier ergibt sich eine weitere einfache Möglichkeit der Justierung auf folgende Art: Bei Position des Prüfkopfes an einer rißfreien Werkstoffoberfläche werden nacheinander- alle-Membrankombinationen 3/5, 3-A/5A, 33/5-B, 3C/5C durchgeschaltet und bei 3eder Kombination die Streuanzeige auf gleiche Höhe gestellt, was Run "Beispiel durch Veränderung der Sendeleistung oder der Enrnfindlichkeit des empfangenden Prüf kopf es geschehen kann. Wenn dann die Höhe der Streuanzeige sieh zwischen den Takten für die Membranen 73/5B bzw. 30/50 deutlich verändert, dann kann daraus entnommen werden, daß der Riß mit seinem untersten Ausläufer sich im Bereich zwischen den Kreuzungspunkten der Schallbündel der Kombination 3B/53 und 30/5C befindet.

Die in den Figuren 1 bis 5 gezeigten Ausführungsmöglichkeiten des Verfahrens können in vielfältiger Weise variiert v/erden. So können

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die Membranen verschieden geformt sein (schmale Rechtecke als Schwinger mit vorgesetzten Zylinderlinsen zum Erzielen eines geeigneten Fokusbereiches und ähnliches), aber all diese technischen V8riationsmöglichkeiten sind vom erfinderischen Gedanken umfaßt, der die Streuung am Gefüge ausnutzt, um eine Aussage darüber zu erhalten, ob der Kreuzungspunkt zweier fiktiver Schallstrahlen sich im Bereich der Tiefenausdehnung eines Risses befindet oder darunter.

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Claims

Schutzanspräche

Ί.}Verfahren zur Ermittlung der Tiefenausdehnung von Rissen bei der Werkstoffprüfung mit Ultraschall, dadurch gekennzeichnet, daß die mit zwei Prüfköpfen mit sich kreuzenden Schallstrahlen erzeugte Streuanzeige aus dem Gefüge zur Rißtiefenbestimmung benutzt "wird. ·■·...
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von . den empfangenen Streuanzeigen nur die zuerst eintreffende Longitudinalwelle berücksichtigt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abhängigkeit'der Anzeigenamplitude von der Lage des Kreuzungspunktes zweier fiktiver Schallstrahlen mit Hilfe von Modellfehlem in Eichversuchen ermittelt wird, und mit Hilfe der Eichkurven dann eine genaue Bestimmung der Tiefenausdehnung eines Risses ermöglicht wird.
4. Anordnung zur Ausführung des Verfahrens .nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß von einem Winkelprüfkopf ausgehende Longitudinalwellen Streuungen im Gefüge erzeugen, die in einem kleinen Volumenbereich, definiert durch den Kreuzungspunkt zweier fiktiver Schallstrahlen, von einem zweiten Winkelprüfkopf für den Empfang von Longitudinalwellen senkrecht zur Oberfläche oder schräg zur Oberfläche empfangen werden, wobei durch Veränderung der Entfernung des empfangenden und des sendenden Prüfkopfes von der Projektion des Risses an die Werkstückoberfläche eine dynamische Streuanzeige erzeugt wird, aus deren Abhängigkeit von der Position der Prüfköpfe zur Projektion des Risses an die Oberfläche auf die Rißtiefe geschlossen wird.
5·. Anordnung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein sendender Winkelprüfkopf und ein empfangender Winkelprüfkopf Longitudinalwellen-Schallstrahlen unter veränderlichem Winkel erzeugen bzw. empfangen, und dadurch der Kreuzungspunkt beider Schallstrahlen in der Tiefe verändert wird.

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6. Anorflnung zur Ausführung des Verfahrens, nach Anspruch 1, ? ' •oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf 2 Prüfköpfen zu beiden Seiten Schwingmembranen angeordnet werden, mechanisch-elektrisch oder elektronisch als Sender "bzw. Empfänger an das Ultraochallgerät angeschaltet werden, wobei durch die unterschiedliche Position der Schwingmembranen zur Lage des Rieses Kreuzungspunkte der fiktiven Schallstrahlen mit verschiedenen Tiefenlagen erzielt werden.
7. Anordnung nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß Schwingmembranen mit fokussierenden Schellbündeln oder Linsen vor den Schwingmembranen verwendet werden, so daß das Schallbündel im Bereich des Kreuzungspunktes der fiktiven Schallbündel einen Fokusbereich mit konzentriertem Schallfeld aufweist.
6. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die einzelnen Schwingmembranen Abmessungen dieser Membranen verwendet werden, die Nahfeldlängen einer solchen Größe ergeben, da6 der Kreuzungspunkt der fiktiven Schallstrahlen gerade im Bereich einer Nahfeldlünge der fiktiven Schallfelder der Membranen liegt.
9. Verwendung der Anordnung nach Anspruch 4» 5 -und 6 zur Bestimmung von Werkstoffeigenschaften in verschiedenen Tiefenbereichen eines Werkstückes mit Hilfe einer Frequenz- und Korrelationsanalyse des empfangenen Signals.
10. Verwendung der Anordnung nach Anspruch 4 oder 6 zur Bestimmung der Schallschwächung im Werkstück unter Ausnutzung der Echsllwegabhängigkeit der Amplitude des empfangenen Signals.

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