DE2260932C3 - Verfahren zum Bestimmen der RiBtiefe von in Werkstücken auftretenden Rissen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Rißtiefe von in Werkstücken auftretenden Rissen, die im wesentlichen senkrecht zur Werkstücksoberfläche verlaufen, mit Hilfe von Ultraschallstrahlen, bei dem von einem Sender ein auf das Werkstück schräg einfallendes Longitudinalwellenbünde! ausgesandt wird und bei dem durch entsprechende Bewegung oder Anordnung von Ultraschallsender und/oder -empfänger nacheinander bzw. gleichzeitig von einem gerichtet empfangenden Empfänger uitrascnaiisignale aufgenommen werden, die von den vom Sender ausgehenden Ultraschallstrahlen herrühren.

Die bekannten Verfahren der obengenannten Art (vergL zum Beispiel DE-OS 19 60 458 und 2216 264 sowie US-PS 26 60 054) beruhen üblicherweise darauf, daß der direkte Strahlengang zwischen dem Sender und Empfänger von dem zu erfassenden Riß unterbrochen wird, wobei dieser Strahlengang eine Reflexionsstelle zum Beispiel an der dem Sender gegenüberliegenden

ίο Wand des Werkstückes umfassen kann, wenn Sender und Empfänger auf der gleichen Seite des Werkstückes angeordnet sind. Jedoch gestatten die bekannten Verfahren nicht, mit ausreichender Aussagesicherheit und Genauigkeit von einer Werkstoffoberfläche aus Rißtiefen zu vermessen, die in der Nähe derselben 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, — 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 RiUtiefen in der Größenordnung bis zu 5 mm eine Aussage zur Rißtiefe gewonnen werden. Bei größeren Rißtiefen kann keine Proportionalität erwartet werden.

Es ist demzufolge Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu finden, bei dem eine zur Rißtiefe proportionale Meßgröße auch für größere Rißtiefen, zum Beispiel bis zu 30/40 mm Tiefe, erhalten werden kann. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Empfänger auf eine Streustrahlung eingerichtet wird, die von auf unterschiedliche Korngrößen beruhenden Ungleichmäßigkeiten im Gefüge des Werkstücks ausgeht daß eine Abschirmung des Empfängers durch einen Riß als Verringerung der Streustrahlung ermittelt und daß die Tiefe des Risses aus dem Kreuzungspunkt der vom Sender ausgehenden und vom Empfänger aufgenommenen Ultraschallstrahlen für den Strahl bestimmt wird, bei dem die Abschirmung des Empfängers gegen die Streustrahlung endet.

Die bei der Erfindung benutzten Ungleichmäßigkeiten im Gefüge des Werkstücks liegen in »gleichförmiger

so Verteilung« über jeden Werkstoff vor, so daß damit ein schwaches, aber gleichförmiges Signal erhalten wird, solange keine Risse vorhanden sind. Zeigen sich jedoch Risse, so schirmen sie die Streustrahlung gegenüber dem Empfänger ab, so daß das Streustrahlungssignal im Empfänger geschwächt wird. Aus diesem Anzeichen für einen Riß kann man durch die Verstellung der Strahlungsrichtungen die Rißlänge bestimmen. Man ermittelt dazu den Übergang von der geschwächten Streustrahlung zu der ungeschwächten Streustrahlung beim Verändern der Strahlungsrichtungen, wobei die Streustrahlung ein Maximum dann hat, wenn der Kreuzungspunkt der Strahlungsrichtungen gerade am Ende des Risses liegt, weil Kreuzungspunkte, die vom Riß weiter entfernt sind, wegen der größeren Weglänge und dadurch stärkeren Streuungsmöglichkeiten ein kleineres Signal ergeben. Anders ausgedrückt, führt man durch Verändern der Strahlungsrichtungen von Sender und Empfänger den Kreuzungspuiiki der

ausgehenden und aufgenommenen Ultraschallstrahlen längs des Risses.

Das Verfahren nach der Erfindung wird vorzugsweise so ausgeführt, daß der Kreuzungspunkt der vom Sender ausgehenden und vom Empfänger aufgenommenen Ultraschallstrahlen durch Drehen >yid/oder Verschieben von Sender und/oder Empfänger verlagert wird. Derartige Verlagerungen sind zwar bei den bekannten Verfahren an sich bekannt, dort wird damit aber nur die Richtung des direkten Schallstrahles bzw. die Lage des Reflexionspunktes und der Reflexionswinkel verändert Damit wird aber kein Kreuzungspunkt von ausgehenden und aufgenommenen Ultraschallstrahlen als »Meßgröße« im Sinne der Erfindung variiert

Zur Eichung kann man das Verfahren nach der Erfindung so einsetzen, daß die Abhängigkeit der Empfängeramplitude von der Lage des Kreuzungspunktes der vom Sender ausgehenden und vom Empfänger aufgenommenen Ultraschallstrahlen mit Hilfe von Modellfehlern in Eichversuchen ermittelt wird und daß die Eichversuche zu einer Eichkurve zusammengefaßt werden, die eine genaue Bestimmung der Rißtiefe aus der Lage des Kreuzungspunktes und der Empfängeramplitude ermöglicht

Eine besonders gute Genauigkeit d. h. Auflösung im Fehlerbereich kann so erhalten werden, daß das Schallbündel so ausgebildet wird, daß es im Bereich des Kreuzungspunktes einen Fokusbereich mit konzentriertem Schallfeld aufweist Als fokussierende Eigenschaften in dem vorstehenden Sinne sind zum Beispiel S.rich- oder Punktfokus anzusehen.

Es ist ferner günstig, wenn für die einzelnen Schwingmembranen von Sender und Empfänger Abmessungen dieser Membranen verwendet werden, die Nahfeldlängen einer solchen Größe ergeben, daß der Kreuzungspunkt der fiktiven Schallstrahlen gerade im Bereich einer Nahfeldlänge der fiktiven Schallfelder der Membranen liegt

Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnungen in Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt die F i g. 1 eine Anordnung mit zwei Winkelprüfköpfen beiderseits iks Risses, die schräg einfallende Longitudinalwellenbiindel erzeugen bzw. empfangen unter gleichem Winkel zur Normalen an der Oberfläche.

F i g. 2 zeigt die gleiche Anordnung wie in F i g. 1 jedoch mit unterschiedlichem Einfallswinkel der Schallwellen bei beiden Prüfköpfen.

F i g. 3 zeigt zwei Winkelprüfköpfe mit verstellbaren Einfalls- bzw. Empfangswinkeln des Schalibündels.

F i g. 4 zeigt eine Anordnung mit einem Winkelprüfkopf für Longitudinalwellen als Sender und einem Normalprüfkopf als Empfänger.

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

Fig.6 zeigt ein typisches Schirmbild für eine Anordnung nach Fig. 1 bzw. Fig.2, wenn in Fig. 1 bzw. F i g. 2 die Prüfköpfe in gleichmäßiger Bewegung vom Riß entfernt werden.

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

In Fig. 1 erkennt man die beiden Winkelprüfköpfe mit der sendenden Membran 3 und der empfangenden Membran 5. Das vom Winkelprüfkopf 4 erzeugte Longitudinalwellenbündel 7 erregt einen begrenzten Volumenbereich und erzeugt in ihm Streuwellen an den

GciÜgcirinOfnögeiiiiäicn 12, die Vöü dem gcilCiiici

empfangenden Winkelprüfkopf 6 mit dem fiktiven Schallstrahl 8 aus dem skizzierten begrenzten Volumenbereich empfangen werden. Die Gefügestruktur des Werkstückes I 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 8 ebenfalls wieder am Gefüge gestreut wird Durch Wahl der von der Membran 3 erzeugten Arbeitsfrequenz des ausgesandten Ultraschallimpulses (zum Beispiel 2 oder auch 4 MHz) kann die Frequenz an das jeweilige Werkstück und sein Gefüge, — das zum Beispiel auch aus einer Kombination aus ferritischem Grundwerkstoff und einer im Gberflächenbereich aufgebrachten austenitischen Plattierungbestehen kann, — im jeweiligen Anwendungsfall angepaßt werden. Das hier zur Frequenz Gesagte gilt für die in den Fig.2, 3, 4 und 5 dargestellten Anordnungen ebenfalls.

Durch Wahl geeigneter Membranformen kann das Schallfeld des sendenden Prüfkopfes (durch das Bündel 7 in F i g. 1 angedeutet) und des empfangenden Prüfkopfes (durch das Bündel 8 in F i g. 1 angedeutet) im Kreuzungsbereich der beiden Schallbündel als Strichfokus oder auch Punktfokus ausgebildet werden. Wenn dann der Riß U 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 Prüfköpfe vom Riß so groß sind, daß der Kreuzungspunkt beider Schallstrahlen unterhalb des Risses liegt, können wieder stärker Streuanzeigen vom Prüfkopf 6 empfangen werden.

In F i g. 6 ist im Schirmbild 13 eines Ultraschallimpulsechogerätes die entstehende Echohüllkurve 18 gestrichelt dargestellt, außerdem sind 14 die Sendeimpulse, 15 der empfangene Longitudinalwellenimpuls der Streuanzeigen, 16 parasitäre Oberflächenwellen unu Transversalwellen und 17 die Nullinie des Schriebes auf der Kathodenstrahlröhre eingezeichnet An geeigneten Testkörpern kann die Lage des steilen Anstieges der Hüllkurve 18 in Abhängigkeit von der Rißtiefe an Modellfehlern festgestellt werden. Mit Hilfe einer auf solche Art ermittelten Eichkurve können Rißtiefen an Werkstücken dann sehr genau ermittelt werden.

In F i g. 2 ist eine ähnliche Anordnung wie in F i g. 1 dargestellt, jedoch mit unterschiedlichen Winkeln der Schallstrahlen bei sendendem und empfangendem Prüfkopf. Auf diese Weise kann das Verfahren auch bei ungünstiger Geometrie, wenn zum Beispiel auf einer Seite des Rißortes nicht mehr genügend Raum für eine große Prüfkopfbewegung zur Verfügung steht, angepaßt werden.

In Fig.3 haben die Prüfköpfe 4 und 6 keine feststehenden Membranen, sondern drehbar angeordnete, so daß der erzeugte Schallstrahl in seinem Einfallsbzw. Empfangswinkel verändert werden kann. Der Kreuzungspunkt der Schallstrahlen 7 und 6 kann so an der ganzen Rißausdehnung entlang wandern, bis er an der unteren Spitze des Risses wieder eine deutliche Streuanzeige beim empfangenden Prüfkopf 6 ergibt. Durch automatische Registrierung der Abhängigkeit der empfangenden Streuanzeige vom Winkel kann die

6> Rißtiefe nach ähnlicher Eineichung wie bei der Anordnung unter F i g. 1 an Hand von Modellfehlern zur genauen Ermittlung der Rißtiefe verwendet werden. In F i g. 4 wird siait des empfangenden Winkeiprüfkopies 6

ein Normalprüfkopf verwendet, der ein Longitudinalwellenbündel, das sich senkrecht zur Oberfläche ausbreitet, empfangen kann. In im F i g. 4 dargestellten FaI! schattet der Riß 11 das erregende Schallbündel 7 vollständig ab, so daß der Normalprüfkopf 6 kaum Streuanzeigen empfangen kann.

In F i g. 5 wird die in F i g. 1 notwendige Bewegung beider Prüfköpfe 4 und 6 ersetzt durch feststehende Prüfköpfe 4 und 6, die allerdings mehrere Membranen auf einem geeignet geformten Kunslstoffkörper tragen. Die sendenden Membranen 3, 3A 3ß, 3C bzw. die empfangenden Membranen 5, SA, 5B, 5C sind unter einem Winkel aufgekittet, so daß in jedem Falle Longitudiiialwellenbündel (7 beim Senden und 8 beim Empfangen) ausgesandt bzw. empfangen werden. Die Einfallswinkel können je nach geometrischen Bedingungen dem Problem angepaßt werden. Bei Betrieb dieses Prüfkopfes werden nacheinander die Membranen 3 und 5, 3AI5A, 3O5C als Sender bzw. Empfänger an ein Ultraschallimpulsechogerät angeschaltet Bei geeigneier 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 3Cund die empfangende Membran 5C) eine stärkere Anzeige der Gefügestreuungen. Auch diese Anordnung kann an Hand von Modellfehlern an einem Testkörper justiert werden. Hier ergibt sich eine weitere einfache Möglichkeit der Justierung auf folgende Art: Bei Position des Prüfkopfes an einer rißfreien Werkstoffoberfläche werden nacheinanciei alle Membrankombinalionen 3/5, 3A/5A, 3B/5B, 3C/5C durchgeschaltet und bei jeder Kombination die Streuanzeige auf gleiche Höhe gestellt, was zum Beispiel durch Veränderung der Sendeleistung oder der Empfindlichkeit des empfangenden Prüfkopfes geschehen kann. Wenn dann die Höhe der Streuanzeige sich zwischen den Takten für die Membranen 3B/5B bzw. 3C/5C deutlich verändert, dann kann daraus entnommen werden, daß der Riß mit seinem untersten Ausläufer sich im Bereich zwischen den Kreuzungspunk ten der Schallbündel der Kombination 3ß/5ßund 3C/5Cbefindet.

Die in den F i g. 1 bis 5 gezeigten Ausführungsmöglichkeiten des Verfahrens können in vielfältiger Weise variiert werden. So können die Membranen verschieden geformt sein (schmale Rechtecke als Schwinger mit vorgesetzten Zylinderlinsen zum Erzielen eines geeigneten Fokusbereiches und ähnliches), aber all diese technischen Variationsmöglichkeiten 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Bestimmen der Rißtiefe von in Werkstücken auftretenden Rissen, die im wesentlichen senkrecht zur Werkstücksoberfläche verlaufen, mit Hilfe von Ultraschallstrahlen, bei dem von einem Sender ein auf das Werkstück schräg einfallendes Longitudinalwellenbündel ausgesandt wird und bei dem durch entsprechende Bewegung oder Anordnung von Ultraschallsender und/oder -empfänger nacheinander bzw. gleichzeitig von einem gerichtet empfangenden Empfänger Ultraschallsignale aufgenommen werden, die von den vom Sender ausgehenden Ultraschallstrahlen herrühren, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger auf eine Streustrahlung eingerichtet wird, die von auf unterschiedliche Korngrößen beruhenden Ungleichmäßigkeiten im Gefüge des Werkstücks ausgeht, daß eine Abschirmung des Empfängers durch einen Riß als Verringerung der Streustrahlung ermittelt und daß die Tiefe des Risses aus dem Kreuzungspunkt der vom Sender ausgehenden und vom Empfänger aufgenommenen Ultraschallstrahlen für den Strahl bestimmt wird, bei dem die Abschirmung des Empfängers gegen die Streustrahlung endet

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreuzungspunkt der vom Sender ausgehenden und vom Empfänger aufgenommenen Ultraschallstrahlen durch Drehen und/oder Verschieben von Sender und/oder Empfänger verlagert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abhängigkeit der Empfängeramplitude von der Lage des Kreuzungspunktes der vom Sender ausgehenden und vom Empfänger aufgenommenen Ultraschallstrahlen mit Hilfe von Modellfehlern in Eichversuchen ermittelt wird und daß die Eichversuche zu einer Eichkurve zusammengefaßt werden, die eine genaue Bestimmung der Rißtiefe aus Lage des Kreuzungspunktes und der Empfängeramplitude ermöglicht

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schallbündel so ausgebildet wird, daß es im Bereich des Kreuzungspunktes einen Fokusbereich mit konzentriertem Schallfeld aufweist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die einzelnen Schwingmembranen von Sender und Empfänger Abmessungen dieser Membranen verwendet werden, die Nahfeldlängen einer solchen Größe ergeben, daß der Kreuzungspunkt der fiktiven Schallstrahlen gerade im Bereich einer Nahfeldlänge der fiktiven Schallfelder der Membranen liegt.