DE2901818A1 - Verfahren zur fehlerbestimmung in werkstoffen mittels ultraschall - Google Patents

Description

• Verfahren zur Fehlerbestiinmung in Werkstoffen mittels Ultraschall
• nie -rft.ndung betrifft ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 zur Beschreibung von Fehlern in Bauteilen, Mrerkstücken bzw. Komponenten von großindustriellen Anlagen wie sie in der chemischen, der off-shore-Technik bzw. der Reaktortechnik heute üblich sind. Seit vielen Jehren werden fehlerhafte Bereiche mit Ultraschall untorsucht. Bisher gelingt es jedoch nur unzureichend, aus dem von dem Reflektor reflektierten Schallfeld die Kenndaten des Reflektors wie Größe, Form, Orientierung usw. zu beschreiben.
• Als wichtiges Kriterium hat sich in den letzten Jahren die Auswartung der Bchoortskurve bewährt, bei der die Ortsabhängigkeit der Signalhöhe bei rowngen des Prüfkopfes entlang der Oberfläche des zu prüfenden Werkstückes aufgetragen wird: (J.Kutzner, H. Wüstenberg: "Hilfsmittel zur Fehlergrößenabschätzung bei der Wiederholungsprüfung mit Ultraschall-Echodynamik", RS-27/2-Forschungsvorhaben, Oktober 74, zu beziehen durch GRS, Köln) und (R. Werneyer, F. alte, M. Klein: "Mathematisches Modell zur Fehlerrokonstruktion bei der Ultraschall-Impulsecho- und Tandemprüfung und Ergebnisse aus Modellvorsuchen" Materialprüfung 20 (1978) Nr.Z, S. 7?) Die Klassierung und Rekonstruktion ist jedoch nur an einfachen Modellreflektoren durchführbar und unterliegt auch zusätzlichen Einschränkungen, wie z.B. Fehlergröße kleiner als Schallbündel. Der Grund hierfür ist in der Verwendung von Prüfköpfen mit konstantem Einschellwinkel zu suchen, da hier bei der Bewegung des @rüfkopfes nur in Ausnahmefällen die Richtung der Schallkeulen vcn Prüfkopf und Fehler übereinstimmen.
• Grundlage der Erfindung ist die schnelle elektronische Strahlschwenkung eines phasengesteuerten Gruppenstrahlers (Arrays), (Thurstone, F.L.; von Ramm, O.T.: "A new ultrasound imaging technique employing two-dimensional electronic beam steeringf.
• Acoustical Holography, Vol. 5, p. 249, Plenum Press 1974) und (W. Gebhardt, F. Bonitz, H. Woll: "Das Phased Array, als neuer elektronisch steuerbarer Ultraschallwandler in der Werkstoffprüfung", FhG-Berichte 3-78, S. Ci0-65, whC., Miinchen) Hierbei wird der Schallstrahl über einen Sektor von beisplelsweise 900 geschwenkt und die zurückkehrenden Echos synchron auf einem helligkeitsgesteuerten Bildschirm so aufgezeichnet, daß ein maßstabgetreues Sektorbild aufgebaut wird. Aus dem radialen Abstand ergibt sich die Fehlertiefe. Aus der zeitlichen Veränderung des Fehlerechos im Sektorbild (Helligkeitsänderung, Art der Bewegung im Sektor) wird auf die Fehlerkenngrößen wie Form, Lage und Orientierung zurückgeschlossen. Als zweites Hilfsmittel wird der Verlauf der Ortskurve benutzt, die es gestattet zusätzlich zur Form, Lage und Orientierung auch die Abmessungen zu bestimmen. Die Besonderheit in der Anwendung des phasengesteuerten Gruppenstrahlers liegt darin, daß unabhängig von der Prüfkopfposition in Bezug auf die Fehlerposition der Schallstrahl automatisch elektronisch so nachgesteuert wird, daß die Hauptkeule stets in Richtung des Fehlers orientiert ist, wie es in Abb. 1 beschrieben ist. In dieser Richtung ist die vom Fehler zurückreflektierte Signalamplitude maximal. Zeichnet man über jeder Prüfkopfposition die maximale Signalamplitude gegen die Verschiebung x auf, so ergibt sich die Ortskurve des Arrays.
• Diese spezielle Ortskurve hat den Vorteil, daß zu ihrer Auswertung, d.h. zur Fehlergrößenbestimmung der Verlauf der Schallkeule in unterschiedlichen Winkeln zur Hauptachse nicht bekannt zu sein braucht. Die komplizierten analytischen Ausdrücke, die sonst bei der Berechnung der Ortskurve (s. Literaturhinweis Werneyer, Walte, Klein) aufgrund der Überlagerung von Sende-, Empfangs- und Fehlercharakteristiken auftreten und ihre Invertierung nur in besonderen Fällen zulassen, entfallen hier. Der Zusammenhang zwischen Fehlerkenngrößen und der Ortskurve wird außerordentlich einfach und wird in den folgenden Punkten an den Beispielen voluminöser, flächenhafter schrägliegender und großflächiger Reflektoren erläutert.
• 2.1 Der voluminöse Reflektor Bei der Prüfung des Werkstückes - Abb. 2 - wird der Prüfkopf parallel zur Oberfläche bewegt. Wird der Fehler erfaßt vom Ultraschallbündel, der unter einem Sektor von ca. 900 das Werkstück absucht, so erscheint das Echo in der Sektorbilddarstellung auf dem Bildschirm (s. Abb. 2, oben). Da ein Voluminöser Fehler keine eigene Richtcharakteristik besitzt, wird eine Ortskurve entsprechend Bildmitte der Abb. 2 zu erwarten sein. Das Ortskurvenmaximum wird genau über dem Fehler liegen, da hier der Schallaufweg am geringsten ist. Im Sektorbild wird daher der Fehler am hellsten in Bildmitte sein. Befindet sich der Prüfkopf nicht exakt über dem Fehler, so wird wegen der leicht zunehmenden Entfernung Prüfkopf-Reflektor die Echohöhe leicht abnehmen, und zwar für eine Kugel entsprechend r und für einen Zylinder entsprechend S.
• Im Sektrobild wird der Fehler nach rechts bzw. nach links wandern, bei geringen Intensitätsänderungen.
• 2.2 Der flächenhafte schrägliegende Reflektor Da ein flächenhafter Reflektor eine ausgeprägte Richtcharakteristik besitzt, ergibt sich eine Ortskurve nach Abb. 3. Die Echohöhe wird maximal, wenn sich der Prüfkopf in Position P befindet, d.h. der vom Array ausgesandte Ultraschall in sich selbst zurückreflektiert wird. Das Ortskurvenmaximum wird nicht mehr genau über dem Fehler liegen, sondern um die Strekke w verschoben sein. Diese Strecke hängt ab, von der Fehlerneigung Z . Diese Verschiebung stellt ein wesentlich markanteres Kriterium für die Unterscheidung voluminös-flächenhaft dar, als der geänderte Ortskurvenverlauf. Im Sektorbild wird das Bild des Fehlers nicht mehr von links nach rechts über die Bildmitte wandern, sondern sich nur in einem kleineren Bereich in der einen oder der anderen Sektorhälfte bewegen.
• Die Intensität ändert sich stark und erreicht bei Prüfkopfposition P ihr Maximum. Die Richtung dieses Radialstrahles im Sektorbild ergibt somitunmittelbar die Schräglage des Reflektors. Mit Kenntnis der Fehlerschräglage kann nun aus der Ortskurvenbreite B, der Ultraschallwellenlänge und der Entfernung Fehler-Prüfkopfposition unmittelbar die Reflektorgröße bestimmt werden.-Der Zusammenhang ist in Abb. 4 wiedergegeben. Die Breite der Ortskurve kann in verschiedenen Höhen vermessen werden. Es ist dann jeweils ein anderer Faktor k zu berücksichtigen, der sich nach (Lehrbuch Krautkrämer, J.,Krautkrämer, H.: "Werkstoffprüfung mit Ultraschall, 3. Auflage 1975, Springer Verlag), bei 80 %, 90 t bzw. 95 % Höhe der Signalamplitude zu k = 0,4, k = 0,3 bzw. k = X,2 ergibt. Der Faktor 2 ergibt sich bei Anwendung des Impulsecho-Verfahrens; wird das Array nur als Empfänger benutzt, und ein zweiter Prüfkopf als konstante Beleuchtungsquelle, so muß die Gleichung durch 2 dividiert werden.
• 2.3 Der großflächige Reflektor Da ein großflächiger- Reflektor nicht nur von einer Prüfkopfposition aus, sondern über eine mehr oder weniger große Strekke vom Schallstrahl senkrecht getroffen wird, muß sich nach Abb. 5 eine Ortskurve mit einem ausgeprägten Plateau ergeben.
• Der Mittelpunkt des Plateaus ist wiederum um eine von der Fehlerschräglage « abhängige Strecke seitlich verschoben. Diese Verschiebung ist im Sektorbild konstant, der Winkel kann unmittelbar abgelesen werden. Bei Verschiebung des Prüfkopfes hleibt das Echo sehr lange im Sektorbild und wandert lediglich in Abhängigkeit von der Schräglage in radialer Richtung. Mit Kenntnis der Fehlerschräglage o( ergibt sich aus der Halbwertsbreite AB der Ortskurve die Reflektorgröße zu . D =#B . cosα 3. Beschreibung des Prüfvorjgans Aus den Ergebnissen von 2.1 bis 2.3 läßt sich ein einfacher Ablaufplan - s. Abb. 6 - aufstellen, wobei die Klassierungskriterien noch einmal in einer Tabelle - Abb. 7 - aufgeführt sind.
• Liegt das Bild des Fehlers außerhalb der Mitte des Sektorbildes, so kann es sich nicht um einen voluminösen Fehler, sondern nur um einen flächigen, geneigt zur Oberfläche verlaufenden Fehler handeln. Die Neigung ergibt sich bei Erreichung maximaler Helligkeit durch Ablesen des entsprechenden Radialstrahles im Sektorbild. Handelt es sich um einen großflächigen Fehler, so wird sich im Sektorbild bei Bewegung des Prüfkopfes nur das Bild entlang des Radialstrahles bewegen. Handelt es sich um einen kleineren Fehler, so wird sich das Bild des Fehlers weniger in Richtung des Radialstrahles ändern, sondern mehr von links nach rechts bzw. umgekehrt bewegen. Die Größe des großflächigen Fehlers ergibt sich nach AB.cosz , die Größe des kleineren flächigen Fehlers nach der Formel in Abb. 4. Im Übergangsbereich zwischen flächigen und großflächigen Fehiern wird die Fehlergröße durch beide Gleichungen richtig wiedergegeben.
• Liegt das Bild des Fehlers in der Mitte des Sektorbildes, so kann es sich um einen flächigen Fehler handeln, der parallel zur Oberfläche verläuft bzw. um einen voluminösen Fehler. Das Wandern des Echos aus der Sektormitte bei Verschiebung des Prüfkopfes ergibt unmittelbar die Aussage, daß es sich um einen voluminösen Fehler handeln muß. Diese Aussage kann noch gestützt werden durch den flacheren Verlauf der Ortskurve. Ändert sich die Amplitude der Ortskurve stark beim Verschieben des Prüfkopfes, so wandert das Eaho im Sektorbild nur wenig aus der Sektormitte, dann handelt es sich. um einen flächigen Fehler, der parallel zur Oberfläche verläuft. Die Fehlergröße wird dann wiederum nach Formel Abb. 4 bestimmt.
• 4. Anwendungsbeispiele Die folgenden Beispiele an ebenen und voluminösen Reflektoren demonstrieren, daß es mit diesem Verfahren möglich ist, voluminöse Fehler wie Poren, metallische und nichtmetallische Einschlüsse von fläciienhaften ltelllern wie Risse bzw. Bindefehlern in Schweißnahtflanken zu unterscheiden. Das Verfahren ist nicht beschränkt auf das Impulsechoverfahren.bei senkrechter bzw. schräger Einschallung, sondern gilt uneingeschränkt auch für getrennte Anordnungen von Sender und Empfänger, wie sie z.B. in der Tandemtechnik üblich sind.
• Die Messungen an einem flächigen Reflektor - in Abb. 8 dargestellt -, die an einem 10 mm großen um 300 geneigten Flachbodenbohrloch in 100 mm Tiefe durchgeführt worden sind, bestätigen das in Abb. 3 aufgeführte Prinzip. Analog kann das gleiche gesagt werden von den Messungen an einem voluminösen Fehler, hier eine 10 mm zylindrische Bohrung in 65 mm Tiefe. Abb. 9 und Abb. 2 zeigen deutlich Übereinstimmung Prinzip - Experiment.

Claims (3)

1. P a t e n t a n s p r ü c h e 1'. Verfahren zur Fehlerbestimmung in Werkstoffen mittels Ultraschall, wobei der Ultraschall mittels phasengesteuerter Gruppenstrahler (arrays) mit veränderbarem Einschallwinkel in den Werkstoff eingestrahlt wird, zu u r c h ß c k e n n z e i c h n e t, daß a) der Schallstrahl ilber einen Sektor von 900 geschwenkt wird und die zurückkehrenden Echos synchron auf einem wilclschirm so aufgezeichnet werden, daß ein maßstabgetreues Sektorbild aufgebaut wird und b) daß aus dem Sektorbild die Entfernung (r,) und der Winkel oC gemessen werden, c) dpß die maximale Signalamplitude Ux in Abhängigkeit von der Verschiebung x gemessen und aufgezeichnet wird und die Ortskurvenbreite # Bk bei einem bestimmten Wert von K ermittelt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zur Ermittlung der Fehlerdaten die örtliche Veränderung des Fehlers ermittelt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g -e k e n nz e i c h n e t, daß bei maximaler Intensität des Fehlerechos α,#B, z ermittelt werden und nach der Formel D = 2K # 2 # z### bestimmt wird.