DE2802278B2 - Verfahren und Anordnung zum Nachweis von oberflächennahen Fehlern bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nachweis oberflächennaher Fehler in einem metallischen Werkstück mit Hilfe von Ultraschallwellen, die längs der Oberfläche verlaufen und als Impuls-Echo aufgefangen werden. Sie hat ferner einen Prüfkopf zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Gegenstand.

Als Ultraschallwellen hat man zur Messung oberflächennaher Felder unter anderem die sogenannten Rayleigh-schen Wellen eingesetzt. Sie werden, wie zum Beispiel in dem Buch »Werkstoffprüfung mit Ultraschall« von Krautkrämer, Springer-Verlag 1975, Seiten 6 und 7, ausgeführt ist, auch als Oberflächenwellen bezeichnet und sind Transversalwellen, wobei die Materieteilchen an der Oberfläche elliptische Bewegungen ausführen können. Auf Grund der Querkomponente werden sie durch Fremdschichten, wie öl oder Schmutz, stark gedämpft, wie auf der Seite 333 des genannten Buches ausgeführt ist. Deshalb sollen die bekannten Rayleigh-schen Oberflächenwellen nur für Werkstücke mit blanken Oberflächen eingesetzt werden.

Zur Erzeugung der genannten Oberflächenwellen werden, wie in dem Aufsatz »Surface wave generation by comb transducers« in der Zeitschrift »Ultrasonics« vom Nov. 1974, Seiten 257 bis 259, angegeben ist, kammförmige Übertragungsglieder eingesetzt. Die gleiche Anordnung wird auch in der Zeitschrift »Microtecnic«. Vol. VIII, No. 2, 10.4. t954, Seite 88, vorgeschlagen. Die Erzeugung nvt Winkelköpfen setzt nach der britischen Patentschrift 7 14 564 einen bestimmten Einfallwinkel voraus, der bei Stahl 57° beträgt.

Demgegenüber beschäftigt sich die Erfindung mit der Aufgabe, oberflächennahe Fehler, zum Beispiel von der Oberfläche eines metallischen Werkstückes ausgehende Risse, auch dann sicher zu erfassen, wenn diese 5 Oberfläche größere Rauhigkeiten oder auch Welligkeiten aufweist, wie das zum Beispiel bei Schmiedeteilen oder nur grob spanabhebend bearbeiteten Teilen der Fall ist, sowie auch dann, wenn Flüssigkeiten tropfenförmig oder in anderer Weise die zu prüfende Oberfläche

ίο benetzend vorliegen. Hier ist der Einsatz von Rayleighschen Oberflächenwellen für einen zuverlässigen Fehlernachweis nicht mehr geeignet, da neben der erwähnten starken Dämpfung sehr viele Störanzeigen auftreten.

Gemäß der Erfindung werden an der Oberfläche entlang kriechende Longitudinalwellen (Kriechwellen) durch Winkel-Prüfköpfe erzeugt, die in an sich bekannter Weise in ihrem Keilwinkel auf Totalreflexion der Longitudinalwelle abgestimmt sind, und die Kriechwellen werden durch eine an sich bekannte akustische Bedämpfung der Prüfköpfe in einer zeitlich sehr kurzen Einflußzone in einem Bereich bis höchstens zum loschen der Schwingergröße zum Nachweis der Fehler benutzt

Ein Prüfkopf zur Ausübung des anmeldungsgemäßen Verfahrens ist im Anspruch 3 angegeben.

Die im folgenden durchweg als Kriechwellen bezeichneten Longitudinalwellen werden von den Zufälligkeiten der Oberflächenstruktur oder angekop-

jo pelte Flüssigkeiten, Schweißspritzern, Lack oder ähnlichem praktisch nicht gestört. Allerdings geht ihre Ausbreitung mit der Abstrahlung von Transversalwellen unter einem vom Poissonmodul abhängigen Winkel einher, so daß die Reichweite nur klein ist. Sie genügt jedoch, wenn, wie bei der Erfindung, durch eine akustische Bedämpfung der Prüfköpfe in einer zeitlich sehr kurzen Einflußzone gemessen wird, weil dann nur die im Nahbereich des Prüfkopfes liegenden Fehleranzeigen registriert werden, so daß ferner liegende Slörechos ausgeschlossen sind. Dieser Nahbereich umfaßt insbesondere den Bereich des 2- bis 5fachen der Schwingergröße.

Wie in F i g. 1 angedeutet ist, wird die mit einem Winkelprüfkopf 1 erzeugte Transversalwelle 2 durch eine an der Oberfläche 3 eines nicht weiter dargestellten metallischen Werkstückes 10, zum Beispiel eines austenitisch plattierten Reaktordruckbehälters, entlanglaufende Longitudinalwelle 4 begleitet. Die Ausbreitung der durch eine Schwingungslinie angedeuteten Longitudinalwelle 4 an der Oberfläche 3 ist nur möglich unter ständiger Abstrahlung von Transversalwellen unter einem vom Poissonmodul des Materials abhängigem Winkel 5. Für Stahl der Schallgeschwindigkeiten der Norm DIN 54 120 liegt dieser Winkel bei 33,2° zur

« Normalen, die durch strichpunktierte Geraden angedeutet ist. Bei diesen Transversalwellen spricht man auch von Kopfwellen 6. Die Spitze der Kopfwelle, gebildet durch die Longitudinalwelle 4 an der Oberfläche 3 und die sich ablösende Transversalwelle, wird an oberflächennahen Störungen, wie dem dargestellten, von der Oberfläche 3 ausgehenden Riß 7 reflektiert und kann vom Prüfkopf 1 wieder empfangen werden.
Gemäß der weiteren Erfindung wird der Keilwinkel 8 des Prüfkopfes 1 so gewählt, daß die Intensität der kriechenden Longitudinalwelle 4 gegenüber allen anderen Wellen optimiert wird. Das ist beim Winkel der Totalreflexion der Longitudinalwelle der Fall. Für

Plexiglas als Keilmaterial zwischen einem Schwinger und dem Werkstück mir. der Ausbreitungsgeschwindigkeit a = 2730 m/s und Stahl als Werkstoff mit cut = 5980 m/s ist dies z. B. ein Keilwinkil 8 von 27,27°. Der dann auftretende genaue Wert des in der Figur mit 12 bezeichneten Einschallwinkels <x des erzeugten Longitudinalwellenbündels 13 kann in Abhängigkeit von der Prüffrequenz und der in der Figur mit 9 bezeichneten Schwingergröße d aus dem Diagramm nach Fi?. 2 ermittelt werden. Dort ist der optimale Einschallwinkel λ über der logarithmisch geteilten Abszisse mit dem Verhältnis von Schwingergröße c/zur Wellenlänge A aufgetragen.

Aus dem Aufsate »On the Propagation of Tremors over the Surface of an Elastic Solid« von H. Lamb in der is Zeitschrift Philosophical Transactions Vol. 203-A359 (1904), S. 1/42« und dem Aufsatz »The field and radiation impedance of mechanical radiators on the free surface of a semi-infinite isotropic solid« \ an G.F. Miller und H. Pursey in der Zeitschrift »Proc. Roy, Soc, London, A 223 (1954), S. 521/41« kann man entnehmen, daß die Longitudinalwelle 4 mit der Entfernung χ vom Prüfkopf 1 mit Mx² abnimmt Die Benutzung der Longitudinalwelle 4 zum Nachweis von Rissen 7 erfolgt daher nur in der näheren Umgebung des Prüfkopfes 1, zum Beispiel in einem Bereich vom zwei- bis zum fünffachen der Schwingergröße d, höchstens etwa dem lOfachen.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung nach F i g. 3 werden die Sende- und Empfangsfunktion jo eines Ultraschallprüfkopfes 1' voneinander getrennt, um eine hohe, nicht durch die Sendeimpulseinflußzone gestörte Nachweisfähigkeit in unmittelbarer Nähe des Prüfkopfes Γ zu erhalten. Zum Nachweis oberflächennaher Fehler wird hier der Keilwinkel 8 so gewählt, daß J5 die an der Oberfläche entlang kriechende Longitudinalwelle 4 maximale Intensität hat. Der Prüfkopf Γ wird im folgenden Kriechwellenprüfkopf in Sende-Empfangstechnik genan.it.

Die Membrangröße des sendenden und des empfangenden Prüfkopfteiles 14, 15 werden vor allem in ihren Breitenabmessungen 16 und 17 so gewählt, daß der durch Überlappung der Schallbündel beider Teile entstehende Empfindlichkeitsbereich eine dem Prüfproblem angepaßte Breite der Empfindlichkeitsverteilung 4^r> aufweist. Nach F i g. 4 entsteht eine solche Empfindlichkeitsverteilung durch Überlagerung der Schallfelder beider Prüfkopfhälften 14, 15. Der Schwinger 18 auf dem Keil 14 sendet ein Schallfeld 20 aus. Der Schwinger 19 auf dem Keil 15 empfängt Signale, die nach seiner Feldverteilung 21 bewertet werden. Die Überlagerung der Srhallfeldverteilung 20 mit der Feldverteilung 21 ergibt die Empfindlichkeitsverteilung 22 der Prüfkopfes Γ. Die Halbwertsbreite 23 dieser Empfindlichkeitsverteilung 22 kann durch Wahl der Schwingergrößen 16 « und 17 bzw. 9 sowie der Vorlaufstrecken in den Teilen 14 und 15 dem Prüfproblem angepaßt werden.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Schallfelder in einem Prüfkopf nach F i g. 4 fokussierende Wandler anstelle der Schwinger eingesetzt werden. Die Fokussierung kann durch gekrümmte Schwinger, durch vorgesetzte akustische Linsen, aber auch durch phasengesteuerte Gruppenstrahlen (phased-array) erreicht werden. Durch die Fokussierung läßt sich die Konzentration der von der Membrui abgestrahlten Energie auf eine an der Oberfläche entlang kriechende Longitudinalwelle zusätzlich steigern.

Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung vcn kriechenden Longitudinalwellen an der Oberfläche ist durch die Benutzung von sogenannten Kammwandlern gegeben. Auch diese Art der Anregung der kriechenden Longitudinalwelle kann nach dem Sende-Empfangs-Prinzip durch akustisch voneinander getrennte Prüfkopfteile aufgebaut werden.

Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung von kriechenden Longitudinalwellen ist dadurch gekennzeichnet, daß die Anregung elektrodynamisch nach den in der Dissertation D 83 von H. Wüstenberg »Untersuchungen zum Schallfeld von Winkelprüfköpfen für die Materialprüfung mit Ultraschall« TU-Berlin 1972 für andere Anwendungsfälle dargestellten Prinzipien berührungslos erfolgt.

Als Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Winkelprüfkopf 1 mit einem Schwinger, der zugleich Sender und Empfänger ist (Fig. 1), werden der Keil dieses Prüfkopfes 1 und der Schwinger durch bei der Herstellung von Ultraschallprüfköpfen bekannte Maßnahmen akustisch bedämpft, so daß eine auf dem Schirmbild 27 in F i g. 5 angedeutete, dem Sendeimpuls 24 folgende zeitlich sehr kurze Einflußzone 25 entsteht und damit die Möglichkeit gegeben ist, im Nahbereich des Prii!kopfes 1 Fehleranzeigen 28 zu registrieren.

Bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung von Sende-Empfangsprüfköpfen Γ, d. h. Prüfköpfen, bei denen die Sende- und Empfangsfunktion in akustisch voneinander getrennte Prüfkopfteile 14, 15 verlegt wird, werden die Einfallswinkel 12 der Longitudinalwelle und die Vorlaufstrecken der Keile 14 und 15 sowie die Schwingerabmessungen 9 und 16, 17 in Fig.3 wie bei der Ausführungsform nach F i g. 1 so gewählt, daß die kriechende Longitudinalwelle 4 die maximale Intensität hat. Zusätzlich wird bei der Auswahl dieser Parameter beachtet, daß die Empfindlichkeitsverteilung 22 nach F i g. 4 dem Problem angepaßt ist.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann durch Wahl der Neigungswinkel 26 der Prüfkopfkeile gegeneinander nach F i g. 3 und 4 gesichert werden, daß auch auf gekrümmten Oberflächen die Erzeugung von kriechenden Longitudinalwellen möglich ist.

Eine dritte Ausführungsform der Erfindung verwendet anstelle der ebenen Schwinger fokussierende Wandlersysteme durch gekrümmte Schwinger, Linsen oder gesteuerte Gruppenstrahler.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Nachweis oberflächennaher Fehler in einem metallischen Werkstück mit Hilfe von Ultraschallwellen, die längs der Oberfläche verlaufen und als Impuls-Echo aufgefangen werden, dadurch gekennzeichnet, daß an der Oberfläche entlang kriechende Longitudinalwellen (Kriechwellen) durch Winkel-Prüfköpfe erzeugt werden, die in an sich bekannter Weise in ihrem Keilwinkel auf Totalreflexion der Longitudinalwelle abgestimmt sind, und daß die Kriechwellen durch eine an sich bekannte akustische Bedämpfung der PrOfkopfe in einer zeitlich sehr kurzen Einflußzone in einem Bereich bis höchstens zum lOfachen der Schwingergröße zum Nachweis der Fehler benutzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Benutzung im Bereich des 2- bis 5fachen der Schwingergröße erfolgt.

3. Prüfkopf zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 mit zwei akustisch voneinander getrennten Prüfkopfteilen, dadurch gekennzeichnet, daß der Einschallwinkel (12) sowie der Winkel (26) der beiden Prüfkopfteile (14, 15) gegeneinander einer Ankopplung der Prüfköpfe (Γ) an gekrümmte Oberflächen entspricht und daß die genannten Winkel (12,26), die Schwingerabmessungen und die Vorlaufstrecken der beiden Prüfkopfteile (14,15) so gewählt sind, daß der aus der Überlagerung des ausgesandten Schallstrahles (20) und des empfangenen Schallfeldes (21) gebildete Empfindlichkeitsbereich (22) im Nahbereich de.s Prüfkopfes (V) liegt.