DE2915852C2

DE2915852C2 - Bezugskörper für zerstörungsfreie Untersuchungen mittels Ultraschall

Info

Publication number: DE2915852C2
Application number: DE2915852A
Authority: DE
Inventors: Christian Senlis Flambard; Alain Longueil-Ste Marie Vieu
Original assignee: Framatome SA
Current assignee: Areva NP SAS
Priority date: 1978-04-19
Filing date: 1979-04-19
Publication date: 1984-04-26
Also published as: GB2019566B; FR2423781A1; US4203315A; DE2915852A1; FR2423781B1; GB2019566A

Description

— daß das Einsatzteil (6,7,8,14) mindestens einen hinsichtlich Lage, Art und Größe vorbestimmten Fehler (A, B, C, 13) enthält,

— daß zur Erzielung gegenüber den zu erfassenden vorbestimmten Fehlern vernachlässigbaren Ultraschallreflexion an den Grenzflächen zwi- is sehen dem Einsatzteii und der Ausnehmung das Einsatzteil in die Ausnehmung eingepaßt fixiert ist und

— daß der Fehler mit dem Einsatzteil in der Ausnehmung eine vorbestimmte Lage aufweist.

2. Bezugskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Einsatzteil (6, 7, 8, 14) und der Ausnehmung eine metallische Zwischenschicht vorgesehen ist.

Die Erfindung betrifft einen Bezugskörper für zerstörungsfreie Untersuchungen mittels Ultraschall gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Zerstörungsfreie Materialprüfungen mittels Ultraschall sind (z.B. durch die US-PS 39 33 026 und die Literaturstelle »materials evaluation«, Nov. 1970, Nr. 11, S. 251 bis 256) bekannt. Für solche Untersuchungen ist der Vergleich zwischen den Meßergebnissen an Probekörpern mit bestimmten bekannten Fehlern bzw. Defekten notwendig. Zweck des Vergleiches ist dabei die Eichung des Kontrollgerätes, um die Meßempfindlichkeit definieren und gegebenenfalls die Art und Größe eines mit Probestück festgestellten Defektes genau bestimmen zu können.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Bezugskörper anzugeben, der an einer bestimmten Stelle wenigstens einen Fehler bekannter Art und Größe aufweist und dem Probekörper ausreichend ähnlich ist. Die Art und Größe des Fehlers in dem Bezugskörper, die Lage und die Erstreckung des Fehlers sollen dabei mit großer Genauigkeit wählbar sein.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Eine vorteilhafte Ausführung nach der Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen des Unteranspruches 2.

Das Einsatzteil kann eine zylindrische oder kegelförmige Mantelflache aufweisen. Es wird mit dem Bezugskörper in eine derart enge Verbindung gebracht, daß die Ultraschallwellen sich an den Grenzflächen zwischen dem Bezugskörper und dem Einsatzteil im wesentlichen nicht brechen. Hierzu wird in dem Bezugskörper an einer bestimmten Stelle eine der Gestalt des Einsatzteiles angepaßte rotationssymmetrische Ausnehmung hergestellt und das Einsatzteil in die Ausnehmung mehr oder weniger tief eingesetzt, so daß der hinsichtlich Lage, Art und Größe vorbestimmte t^:> Fehler des Einsatzteiles in dem Bezugskörper an einer genau vorbestimmten Stelle zu liegen kommt. Vorteilhafterweise wird der Bezugskörper mit dem Einsatzteil einer thermischen Behandlung unterworfen, um im Bereich der Grenzflächen zwischen dem Einsatzteil und dem Bezugskörper durch metallische Diffusion eine enge metallische Verbindung (Verschweißung) zu erhalten.

Hierzu können vorteilhafterweise die verschiedensten bekannten metallurgischen Techniken verwendet werden, .um eine weitgehend enge bzw. innige Verbindung zwischen dem Einsatzteil und dem Bezugskörper zu erreichen.

Vorteilhafterweise werden die gegenseitig in Berührung kommenden Flächen am Einsatzteil und in der Ausnehmung des Bezugskörpers einer genauen Oberflächenbehandlung ausgesetzt. Für die Ultraschallmessungen haben sich bestimmte Verfahrenskriterien für die Herstellung der Bezugskörper als besonders vorteilhaft herausgestellt

Hierzu gehört, daß wenigstens der Außenumfang des Einsatzteils oder die Innenfläche der Ausnehmung im Bezugskörper mit einer metallischen Schicht überzogen ist, die die enge Verbindung zwischen dem Einsatzteil und dem Bezugskörper erhöht. Vorteilhafterweise wird für diese Zwischenschicht ein geschmeidiges Metall ausgewählt, das als dünne Schicht in Kontakt mit dem Material des Bezugskörpers gute akustische Übertragungseigenschaften aufweist. Dabei soll das Verhältnis von Energieabfluß zu Energiezufluß der Schallwellen größer als 0,9 bzw. der Energieverlust kleiner als 0,1 sein. In der Praxis wird die metallische Zwischenschicht schon vor der Einführung des Einsatzteiles in die Ausnehmung des Bezugskörpers auf dem ganzen Umfang des Einsatzteiles aufgetragen, und zwar durch herkömmliche Oberflächenschutzverfahren, wie z. B. elektrolytische Ablagerung oder Aufsprüh- bzw. Aufspritzverfahren.

Bei Bezugskörpern aus Stahl hat sich eine Zwischenschicht aus Kupfer als besonders vorteilhaft erwiesen. Unter Berücksichtigung der dabei üblicherweise benutzten Vibrationsfrequenzen, beträgt die Stärke der Zwischenschicht 1 bis 200 m, vorzugsweise 30 bis 60 m. Außer oder anstelle von Kupfer können weitere Metallwckstoffe, wie z. B. Nickel oder Silber, in Frage kommen, die die erwünschten akustischen Übertragungseigenschaften von Stahl aufweisen.

Diese enge Verbindung zwischen dem Einsatzteil und dem Bezugskörper kann auch durch Materialspannungen an den Grenzflächen verbessert werden. Hierzu kann das Einsatzteil gegenüber der Ausnehmung im Bezugskörper ein Aufmaß besitzen. Das Einsatzteil wird dann in die Ausnehmung eingebracht, nachdem es vorher entsprechend seinem Aufmaß abgekühlt worden ist und/oder der Bezugskörper entsprechend erwärmt worden ist. Bei Einsatzteilen von zum Beispiel 20 bis 50 mm Durchmessern kann das Aufmaß bzw. Übermaß etwa 0,1% des Durchmessers betragen, wenn die Einsatzteile vor dem Einsetzen in die Bezugskörper in flüssigem Stickstoff zur Abkühlung gebracht worden sind.

Eine weitgehend enge Verbindung zwischen den Flächen des Einsatzteiles und dem Bezugskörper kann weiterhin verbessert werden, wenn die vorstehende Schrumpftechnik mit der Anbringung von metallischen Zwischenschichten kombiniert wird.

Nach dem Temperaturausgleich entsteht in Abhängigkeit von den erzielten Schrumpfspannungen und den Härten der sich gegenseitig berührenden Werkstoffe aufgrund von Mikrofließvorgängen im Bereich der Oberflächenrauheiten und aufgrund von plastischen

Deformierungen der metallischen Zwischenschicht eine enge metallische Verbindung zwischen dem Einsatzteil und dem Bezugskörper. Die metallische Verbindung wird um so enger, je sorgfältiger die Oberflächen des Einsatzteiles und die Innenfläche der Ausnehmung im Bezugskörper bearbeitet sind. Zur Verringerung der Oberflächenrauhigkeit können bekannte Fertigungstechniken verwendet werden. So lassen sich Abweichungen von einer Geraden kleiner 5 μίτι auf eine Länge von 200 mm halten, und es lassen sich Rauhigkeitswerte von Ra = 0,05 μΐη einhalten.

Eine weitere Verbesserung der metallischen Verbindung zwischen Einsatzteil und Bezugskörper kann durch eine thermische Behandlung des Bezugskörpers mit dem eingesetzten Einsatzteil erreicht werden.

Durch hochgradiges Erhitzen kann eine Metalldiffusion im Grenschichtbereich erreicht werden, wodurch restliche Lücken und Klüfte im Grenzflächenbereich beseitigt werden. Solch eine vorzugsweise unter Vakuum durchgeführte thermische Behandlung verhinden jede Beeinflussung von außen und eliminiert eventuelle Oxydationsspuren. Die Temperatur liegt vorteilhafterweise im Bereich von 70 bis 80% der Schmelztemperatur des als Zwischenschicht verwendeten Metalls, bei Kupfer etwa 700 bis 900°C, während die Behandlungszeit 1 bis 10 Stunden betragen kann.

Um die Wirkung der thermischen Diffusionsbehandlung weiter zu verbessern, kann es vorteilhaft sein, zwischen dem Einsatzteil und dem Bezugskörper ein ausgewähltes Zwischenmaterial vorzusehen, das hinsichtlich seiner Art und seiner Kristallstruktur für eine Metalldiffusion im Grenschichtbereich besonders geeignet ist. Hieraus folgt, daß es vorteilhaft sein kann, bei einem gute mechanische bzw. akustische aber schlechte Diffusionseigenschaften autweisenden Zwischenmetall, wie z. B. Kupfer, bei einem Bezugskörper und einem Einsatzteil jeweils aus Stahl eine weitere dünne Zwischenschicht aus Metall vorzusehen, die gute Diffusionseigenschaften aufweist, jedoch dünn genug gewählt ist, daß hierdurch keine akustischen Übertragungsfehler auftreten. In diesem Sinne kann zum Beispiel auf der Zwischenschicht aus Kupfer eine etwa ί μίτι starke Nickelschicht vorgesehen sein.

Die Wirksamkeit einer solchen thermischen Behandlung kann andererseits durch eine spezielle Art der Oberflächenbehandlung des Einsatzteiles noch verbessert werden, und zwar z. B. durch eine Kaltverformung, •ie das Brünieren (Polierdrücken), weil hierdurch mikroskopische Lücken in der Oberflächenstruktur entstehen, die eine metallische Diffusion bei einer Erwärmung erleichtern.

Die Einsaizieiie. die in Ausnehmungen von Bezugskörpern eingesetzt weiden, weisen jeweils mindestens einen bestimmten Defekt bzw. Fehler auf, das heißt, die Einsaizieiie besitzen mindestens einen Dichtigkuitsfehkr (Riss, Lunker usw.). oer aui Ultraschalluntersuchun- 'ZQn in charakteristischer We'se anspricht. Die Einsatz· •.eile können auf verschiedene Weise unter Zuhilfenahme bekannter Techniken hergestellt wcrder. So kann ::-.zv, Probestücke in kleinen Abmessungen mit Defekten t.iler Gattungen herstellen. Diese Probestücke zur Herstellung eines Einsa'/.teiis stehen in keiner größenvaBis-en Abhängigkeit :um Bcrugskörper. Die Gestalt

^ ;V'!t>e.s!':i xcs '.;:ii:: . .inu ·τ derart uewahlt werden. ciitß sie der HerMeiii;;,;: c.-.es Defektes besonders ι npepaiit is'. Λπμ. !!lie;⁽:-'U ν, -Λ '.!ann ons Fiiisatzteil mit .!cm Defekt aus Hem P- -i-s-.i κ her ^'isg, arbeitet. Auch •Rinnen ti ic r einem W.t^hhcs. /ti'äliie auftretenden

Defekte in der Gestalt von Probestücken entnommen werden, um aus diesen erfindungsgemäße Einsatzteile herzustellen. In jedem Fall ist es möglich, die Lage des Defektes im Bezugskörper beliebig wählen zu können, insbesondere auch deren Schrägstellung, wobei entweder d>e Anordnung des Defektes im Einsatzteil oder die Lage des Einsatzteiles in der Ausnehmung im Bezugskörper ausgewählt bzw. vorbestimmt wird.

Techniken zum festen Einsetzen von metallischen Einsatzteilen in Metallkörpern sind an sich bekannt, um eine enge metallische Verbindung zwischen dem Einsatzteil und dem Körper zu erzielen. Die hierzu erforderlichen Flächenbearbeitungen sind ebenfalls bekannt. So kann z. B. das Diffusionsschweißverfahren angewendet werden, um Körper miteinander zu verbinden.

Zur Herstellung eines Einsatzteiles mit mehreren Defekten lassen sich z. B. zwei, einen bestimmten Defekt enthaltene Teile durch Elektronenstrahlen miteinander stumpf verschweißen.

Nachfolgend wird die Erfindung lediglich anhand von Ausführungsbeispielen mehr im einzelnen beschrieben, die beispielsweise für Ultraschalluntersuchungen von Schweißnähten vorgesehen sind. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Bezugskörpers nach der Erfindung,

F i g. 2 die Herstellung eines in eine Ausnehmung des den Bezugskörpers nach F i g. 1 einzubringenden Einsatzteiles mit einem vorbestimmten Fehler und

Fig. 3 die Herstellung eines weiteren, einen vorbestimmten Fehler enthaltenden Einsatzteiles, das ebenfalls für den Einsatz in eine Ausnehmung des Bezugskörpers nach Fi g. 1 bestimmt ist.

Der in Fig. 1 dargestellte Bezugskörper besteht aus einem bestimmten Kohlenstoffstahl. Er dient zur Simulierung eines Abschnittes einer relativ großen Schweißnaht, die von Fehlern (Defekten) durchsetzt ist, also nicht dicht ist. Die Prüfung erfolgt nur von der Außenseite aus, die durch die Fläche 2 gebildet wird. Zur Prüfung der Schweißnaht kann irgendein bekanntes Prüfverfahren mittels Ultraschall benutzt werden. Durch gestrichelte Linien 3 sind die Grenzen einer gedachten Schweißnaht zur Verbindung zweier Teile 4 und 5 angedeutet. Der äußere Umriß des Bezugskörpers bzw. seine Größe spielt dabei keine Rolle. Im vorliegenden Beispielsfalle handelt es sich um einen quaderförmigen Block mit einer Länge von 1400 mm. Der Querschnitt der angenommenen Schweißnaht beträgt 250 · 200 mm. Im vorliegenden Beispielsfalle

■rd vorausgesetzt, daß im Bezugsköroer drei Defekte vornanden sind, nämlich de^r

— Defekt A: ein JO nmi lirfer Riß von iüO mm Lange, der senkrecht zur Untersuchungsfiäche !ie?t und von dieser 5 mm weit entfernt ist;

— Defekt B: ein ebener, ellipsenförmiger Fehler mit 25 mm bzw. 15 mm langen Achsen und einer Stärke in der Größenordnung von 10 μηχ Der Abstand des Defektes von der Oberfläche 2 beträgt 160 mm, er ist etwa mittig im Bezugskörper angeordnet und verläuft zur Oberfläche 10° und zur Seitenfläche ίίθ° geneigt:

— Defekt C: ein ebener, rechteckiger Fehler mit 10 · 30mm Abmessung und ΙΟμίη Stärke. Es handelt sich um einen Bindefehler, der 160 mm weit von der Oberfläche entfernt liegt und mittig im Bezugskörper angeordnet ist. Der Fehler ist so

orientiert, daß seine Ebene und die dor gedachten Schweißnaht zusammenfallen bzw. parallel verlaufen.

Die drei Defekte A. B, Cs'md in drei Einsatzteilen 6, 7, 8 enthalten, die in den Bezugskörper eingesetzt sind. Jedes Einsatzteil ist zylindrisch und ist in eine entsprechende zylindrische Ausnehmung im Bezugskörper eingesetzt.

Die Ausnehmungen stellen Bohrungen in dem m blockförmigen Bezugskörper dnr Die für die Einsatzteile 6 und 8 bestimmten Bohrungen verlaufen senkrechi zu den Seitenflächen, während die für das Einsatzteil 7 bestimmte Bohrung schräg verläuft, und zwar je nach der für den Defekt B gewünschten Schräglage. Die Lage ι des Defektes Cergibt sich aus der Lage des Einsatzteiles 8 in seiner Bohrung.

Eine Ausnehmung in dem Bezugskorpet zur Aufnahme eines Einsatzteiles läßt sich wie folgt herstellen:

2(1

— Durchlochen und Aufbohren der Ausnehmung auf 31,5 mm Durchmesser mit einem Fehler kleiner als 5 μίτι auf die ganze Bohrlochlänge bezogen. Die oberflächliche Rauhigkeit /?_ader Bohrlochwandung soll ca 1 μπι betragen. :>

— Polierdrücken der Bohrlochwandung (Brünieren): Dieser Arbeitsgang erfolgt auf einer Drehbank mittels eines in die Bohrung drehend eingeführten und kegelförmige Rollen tragenden Werkzeuges. Das Werkzeug soll so geführt werden, daß damit so eine oberfläche Kaltverformung mit eine Rauhigkeit R₃ < 0,1 μπι erzielt werden kann.

Jedes Einsatzteil ist aus einem den entsprechenden Defekt enthaltenden Block herausgearbeitet und als Zylinderstück auf 32 mm Durchmesser abgedreht.

Um den Defekt A zu erzeugen, kann man einen mit einer Kerbe versehenen Stab einer Dauerschwingung unterziehen. Die Schwingung wird durchgeführt bis der von der Kerbe ausgehende Riß die erwünschte Tiefe, z.B. 10mm, erreicht hat. Aus diesem Stab wird ein blockartiger Probekörper mit einem Riß herausgeschnitten, der sich über die Länge des Probekörpers erstreckt. Der Abschnitt wird an seinen beiden Enden mit zwei Blöcken aus dem gleichen Material durch Elektronenstrahlverfahren stumpfverschweißt, so daß der Probekörper auf die spätere Einsatzlänge des aus dem Probekörper herzustellenden Einsatzteiles verlängert ist. Der so hergestellte verlängerte Probekörper wird unter oxydierender Atmosphäre einer thermischen so Behandlung unterworfen, und zwar 1 Stunde lang bei ca. 850° C. Zweck dieser Behandlung ist es, eine Verbindung der beiden Flanken des Risses zu vermeiden, indem die Rißobcrfiächen zur Oxidation gebracht weiden. Durch die Wärmebehandlung werden außerdem die im Elektronenstrahlverfahren verschweißten Zonen homogenisiert.

Die V-förmige Einkerbung in dem Probekörper, von der der Riß 13 (Fig.2) ausgeht, wird nach der Rißherstellung zu einem rechteckigen Querschnitt aufgefräst, der in F i g. 2 mit 11 bezeichnet ist. Anschließend wird die erweiterte, Einkerbung mit Schweißgut 12 aufgefüllt. Der Riß selbst ist in F i g. 2 mit 13 bezeichnet Zum Schluß wird der Probekörper zu einem gestrichelt angedeuteten Einsatzteil 14 abgedreht Die ebenen Defekte B und C sind in der gestrichelt angedeuteten Trennfläche 19 zweier durch Diffusionsverfahren aneinandergeschweißter Probeteilkörper 15a, 156 (Fig. 3) hergestellt, von denen mindestens einer einen Defekt aufweist. Der Defekt B läßt sich durch ein ΙΟμίτι tiefes chemisches Beizen in einer F.llipsenform gewünschter Abmessung herstellen

Der Defekt C wird durch ein Eiektroerosionsverfahren im Bereich einer rechteckigen Zone hergestellt und zwar in einer Tiefe von 10 bis 20 μπι. Die Oberflächenrauhigkeit R_t beträgt etwa 20 μηι. Die beiden aneinandcrgeschweißten Probeteilkörper 15a, 156 bilden den ir, Fig. 3 mit 15 bezeichneten Probekörper, der den Defekt 16 !rag!

Um die Gesamtlänge des spateren Einsatzteiies zu erhalten, werden an den Probekörper 15 zwei blockartige Abschnitte 17 und 18 mit der gleichen Stahlqualität wie der Probekörper im Elektronenstrahl verfahren beidseitig stumpf angeschweißt. Nach einer thermischen Behandlung durch Erhitzung des beidseitig verlängerten Probekörpers auf 850" während einer Stunde wird, entsprechend wie in F i g. 2 angedeutet, aus dem Probekörper ein Einsatzteil hergestellt.

Jeder Einsatzteil wird einer Reihe von Behandlungen unterworfen, bevor er in einen Bezugskörper eingesetzt wird. Zunächst wird er mit einer Oberflächenrauhigkeit von R_a = 0,2 μπι auf einen Durchmesser von 31,48 mm abgeschliffen. Dann wird auf die Oberfläche in einem elektrolytischen Bad eine Kupferschicht von !ΟΟμίτι aufgetragen. Das Sollmaß des Finsatzteiles ist mit Rücksicht auf die erwünschten Spannkräfte, denen es in einer Bohrung im Bezugskörper ausgesetzt ist, und dem Istmaß der Bohrung mit plus minus μπι-Toleranz gewählt. Das Einsatzteil ist dabei mit einem Fehler 2 μπι bezogen auf eine Länge von 200 mm geschliffen. Die Rauhigkeit R_a ist 0,1 μηι. Das Einsatzteil wird bei einem möglichst großen Temperaturunterschied zwischen ihm und dem Bezugskörper in die Bohrung des Bezugskörpers eingeführt, damit möglichst hohe Schrumpfkräfte auf die Trennflächen zwischen dem Einsatzteil und dem Bezugsteil zur Wirkung kommen.

Die letzten Vorbereitungen vor der Einführung des Einsatzteiles in eine Bohrung im Bezugskörper sind die folgenden:

— Beizen des Einsatzteiles: Das Einsatzteil wird gebeizt, um seine Oberfläche zu entfetten. Die Beizung erfolgt auf elektrolytischem Wege mittels eines alkalischen Bades, wobei das Einsatzteil fünf Minuten lang in dem Bad an positiver Spannung Hegt;

— Beschichtung: Gegebenenfalls wird auf die Zwischenschicht aus Kupfer eine dünne Nickelschicht von ungefähr 1 μΐη Stärke elektrolytisch aufgetragen;

— Temperatureinstellung: Das Einsatzteil wird getrocknet und anschließend in flüssigen Stickstoff eingetaucht, bis es eine Temperatur von — 196°C angenommen hat;

— Beizen der Bohrung: Das Bezugsteil wird unter Einwirkung einer kHz Ultraschallvibration in einem Trichlorbad gereinigt;

— Terhperatureinstellung: Das Reinigungsbad für das Bezugsteil weist eine solche Temperatur auf, daß das Bezugsteil auf 40° bis 50" C gebracht wird und damit für den letzten Arbeitsgang zum Einsetzen der Einsatzteile vorbereitet ist.

Aufgrund der vorstehenden Behandlung lassen sich die Einsatzteile ohne weiteres in die entsprechenden Bohrungen des Bezugstetles einsetzen. Dabei können

die Fehler der Einsatzteile durch Verdrehen und/oder Verschieben der Einsatzteile in den Bohrungen in die gewünschte Lage gebracht werden.
Dieser Einsetzvorgang muß in sehr kurzer Zeit, das heißt in wenigen Sekunden seit dem Herausnehmen eines Einsatzteiles aus dem Stickstoffbad abgeschlossen sein. Anschließend wird der Bezugskörper mit dem Einsatzteil einer thermischen Behandlung unterworfen, die unter Vakuum bei 750°C 10 Stunden lang durchge-

führt wird.

Dank der besonderen Behandlung der Teile und der Auswahl der Werkstoffe wird an den Grenzflächen zwischen dem Einsatzteil und der Wandung der Bohrung im Bezugskörper eine weitgehend enge metallische Verbindung erzielt, die so gut ist, daß die Grenzflächen praktisch keinen Einfluß auf die Ultraschailuntersuchung ausüben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Bezugskörper für zerstörungsfreie Untersuchungen mittels Ultraschall, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugskörper (3, 4) mindestens eine rotations-symmetrische Ausnehmung zur Aufnahme eines rotations-symmetrischen Einsatzteiles aufweist,