DE3003961C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Erfassen von Inhomogenitäten magnetisierbarer Werkstoffe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Ultraschalltechnik, und sie bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren zum Erfassen von Inhomogenitäten magnetisierbarer Werkstoffe sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Die Erfindung kann zur zerstörungsfreien Prüfung von magnetisierbaren Blechen. Rohren, Stäben und anderen Erzeugnissen unmittelbar an Fließbändern für deren Herstellung bei einer Transportgeschwindigkeit bis m/s benutzt werden. Darüber hinaus kann die Erfindung bei der Entwicklung von Folgesystemen zum Bestimmen der relativen Ortslage eines zu untersuchenden Objektes bei verschiedenen technologischen Prozessen zum Einsat/ kommen.

Die Erfindung kann auch bei der Durchführung von physikalisch-chemischen und magnetischen Messungen verwendet v. erden.

Zur Zeit ist eines der wichtigen Probleme der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung die Entwicklung von Verfahren und von Einrichtungen zum Feststellen von Inhomogenitäten magnetisierbarer Werkstoffe, mit deren Hilfe sich Leistung, Empfindlichkeit und Sicherheit der Prüfung erhöhen lassen.

Die Anwendung bekannter Verfahren und Einrichtungen zum Feststellen von Inhomogenitäten magnetischer Werkstoffe hemmt die Produktionskapazitäten im Herstellungsprozeß und erfordert Einrichtungen und kostspielige Ausrüstungen an den einzelnen Prüfungsstellen außerhalb der betreffenden Fertigungsstraße.

Die Notwendigkeit, neue Verfahren und Einrichtungen zu schaffen, wird auch durch die Forderung diktiert, die Empfindlichkeit gegen Inhomogenitäten des Werkstoffes bei Hochtemperaturprüfungen (über IGO⁰C) zu erhöhen.

to Die gegenwärtig in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung bekannten Verfahren und Einrichtungen zum Feststellen von Inhomogenitäten magnetisierbarer Werkstoffe lassen sich in zwei Gruppen unterteilen:

ι. Ultraschall-Prüfverfahren und Einrichtungen zu deren Durchführung;

2. magnetische Prüfverfahren und Einrichtungen zur Durchführung dieser Verfahren.

Bei einem zur ersten Gruppe gehörenden Verfahren (siehe das Nächächiggebuch »Geräte zur zerslSri;ngs freien Prüfung von Werkstoffen und Erzeugnissen«, herausgegeben von W. W. Kljuew, Moskau, Verlag »Maschinenbau«, 1976, S. 201 bis 234) arbeitet man mit der Erregung von Ultraschallwellen in einem zu untersuchenden Material, die mit einer Inhomogenität in Wechselwirkung trc-ten. worauf das Ergebnis dieser Wechselwirkung registriert wird.

Die Einrichtung zur Durchführung dieses Ultraschall-Prüfverfahrens enthält piezoelektrische Wandler und Mittel zur Gewährleistung eines akustischen Kontaktes mit der Oberfläche des zu prüfenden Werkstoffes.

In derartigen Einrichtungen werden die Erregung und der Empfang von Ultraschallwellen mit Hilfe der pic/.oelektrischen Wandler vorgenommen, die nach der Kontakt- oder Immersionsmethode betrieben werden.

Es ist auch eine Variante der Einrichtung möglich, bei der anstelle der piezoelektrischen Wandler magnetoakustische Wandler verwendet wei.'r n. Die Einrichtung umfaße in diesem Fall auch ein Magnetisicrungssystcm und einen stromdurchflossenen Leiter, der parallel zur Oberfläche des zu prüfer den Werkstoffes verläuft und in ein Magnetfeld eingebracht ist. Hierbei erfolgt die Ultraschallerregung durch Einwirkung der vom siromdurchflossenen Leiter ausgesendeten elektromagnetischen Wellen auf die Oberfläche des zu prüfenden Werkstoffes.

Bei Verwendung des Verfahrens und der Einrichtungen dieser Gruppe entsteht die Notwendigkeit, einen akustischen Kontakt zwischei den piezoelektrischen Wandlern und dem Erzeugnis /.u sichern und die pic/oelektrischen Wandler an entsprechenden Prismen an/u kleben, was die zulässige Temperatur für das /u prüfen de Erzeugnis und die Geschwindigkeit der Prüfung be· grenzt. Die Anwendung der inagnetoakustischen Wandler im Rahmen der ersten Gruppe wird weiter durch eine geringe Empfindlichkeit beschränkt, die insbeson dere von den konkreten Charakteristiken der /u prüfen den Erzeugnisse, z. B. von deren Konstanten der dynumischen Magnetostriktion abhängt.

Bei einem zur zweiten Gruppe gehörenden magnetischen Prüfverfahren (siehe das Nachschlagcbuch: »Geräte zur zerstörungsfreien Prüfung von Werkstoffen und Erzeugnissen«, herausgegeben von W. W. Kljuew, Moskau, Verlag »Maschinenbau«, 1976, S. 30 bis 7!) nutzt man die Erscheinung einer Verzerrung des Magnetfeldes des Magnetisierungssystems beim Vorhandensein von Inhomogenitäten im zu prüfenden Werk-

stoff aus, wobei diese örtlichen Verzerrungen registriert werden.

Die Einrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens enthalten ein Magnetisierungssystem für einen zu prüfenden Werkstoff (Induktionsspulen, Ferrosonden, Hall-Geber usw.), magnetisch empfindliche Elemente und eine Anzeigeanordnung.

Das Verfahren und die Einrichtung dieser Gruppe kennzeichnen siA durch eine geringe Empfindlichkeit bei der Feststellung von inneren Inhomogenitäten, was durch das kleine Signal/Rausch-Verhältnis bedingt ist, das seinerseits damit zusammenhängt, daß man das Nutzsignal und das durch die magnetische Struktur bedingte Rauschen nicht abtrennen kann. Hinzu kommt, daß sich bei der Durchführung dieses Verfahrens Schwierigkeiten ergeben, die mit der Umwandlung von magnetischen Gleichfeldern der Inhomogenitäten in Hochfrequenzsignale bei Verwendung der Induktionsspulen, Ferrosonden usw. verbunden sind.

Bekannt ist weiter ein Verfahren zum Nachweis von Inhomogenitäten in magnetisierbarer. Materialien mit Hilfe von magnetischen Streufeldern und eine Einncntung zu dessen Durchführung (siehe z. B. W. Lo.-d, D. J. Oswald »international Journal of Nondestructive Testing«, 1972, vol.4,p. p.249-274).

Dieses Verfahren besteht darin, daß man das zu prüfende Material in ein magnetisches Gleichfeld bringt, das in Anwesenheit einer örtlichen Inhomogenität des Materials teilweise verzerrt wird und aus der Oberfläche des Erzeugnisses heraustritt, so daß ein magnetisches Streufeld entsteht.

Die Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens enthält ein Magnetisierungssystem für ein magnetisierbares Material, z. B. einen Dauer- oder Elektromagneten, ein magnetisch empfindliches Element, durch das das lokale Feld einer Inhomogenität in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, einen Verstärker und ein Registrierungssystem.

Bei der Durchführung dieses Verfahrens erfolgt in der Einrichtung unweit des Inhomogenitätsbereichs eine Änderung der Verteilung des magnetischen Feldes, die durch das magnetisch empfindliche Element registriert wird.

Das Anwendungsgebiet dieses Verfahrens und der dazugehörigen Einrichtung ist durch die geringe Emp- findlit hkeit beim Nachweis innerer Inhomogenitäten und durch die geringe Prüfungssicherheit aufgrund des niedrigen Werts des Signd/Rausch-Verhältnisses begrenzt.

Es isi ferner ein Verfahr jn zum Feststellen von Inhomogenitäten (FR-PS 20 53 185) bekannt, bei dem man das zu prüfende Material in ein Magnetfeld bringt, auf die Oberfläche eines magnetostriktiven Mediums mittels Schwingungen einwirkt, das in der Nähe des Inhomogenitatsbereiches des Materials angeordnet ist, und Signale registriert, die durch magnetoakustische Umwandlung im Medium entstehen. Bei diesem Verfahren wird die Oberfläche des zu prüfenden Materials, das ein magnetostriktives Medium darstellt, einer Einwirkung von Ultraschallwellen unterworfen.

Die Ultraschallwellen breiten sich im magnetischen Material aus und wirken mit der Inhomogenität zusammen, so daß eine durch die Magnetostriktion bedingte magnetoakustische Umwandlung stattfindet, d.h. die Ultraschallwellen modulieren magnetische Gleichfelder der Inhomogenität mit der Ultraschallfrequenz und verwandeln diese in magnetische Wechselfelder, die dann registriert werden.

Es ist auch eine Einrichtung zum Feststellen von Inhomogenitäten magnetisierbarer Werkstoffe bekannt, die nach diesem Verfahren arbeitet, wobei sie ein Magnetisierungssystem, dessen Magnetfluß das magnetostriktive Medium durchläuft, das in der Nähe des Inhomogenitätsbereiches angeordnet ist und zwei Wandler aufweist, die auf der Oberfläche des magnetostriktiven Mediums angebracht und mit einem Haupt-HF-Impulsgenerator und einem an einen Anzeiger angeschlossenen Hauptverstärker elektrisch verbunden sind. In der bekannten Einrichtung ist einer der Wandler piezoelektrisch ausgebildet und an den Haupt-HF-Impulsgenerator angeschlossen, während der andere Wandler eine Induktionsspule darstellt und mit dem Hauptverstärker in Verbindung steht.

Der Haupt-HF-Impulsgenerator erregt den piezoelektrischen Wandler, von dem im zu prüfenden Werkstoff Ultraschallwellen erzeugt werden, mit deren Hilfe die magnetischen Gleichfelder der Inhomogenitäten in magnetische Wechselfelder umgewarfelt werden, die von der Induktionsspule aufgenommen ι. verstärkt und registriert werden.

Die Anwendung dieses bekannten Verfahrens zum Feststellen von Inhomogenitäten und der Einrichtung zu dessen Durchführung ist dadurch begrenzt, daß keine Erkennung innerer Inhomogenitäten möglich ist. Dies ist dadurch bedingt, daß magnetische Wechselfelder, die von einer Inhomogenität ausgesendet werden, infolge des Skin-Effektes abgeschirmt werden. Außerdem kann man bei der Durchführung des bekannten Verfahrens nur Materialien untersuchen, die genügend hohe Werte der Konstante der dynamischen Magnetostriktion aufweisen, was die Klasse der prüfbaren Werkstoffe einschränkt. Werden in der Einrichtung piezoelektrische Wandler eingesetzt, so muß ein akustischer Kontakt dieser Wandler mit dem zu prüfenden V/erkstoff gesichert werden, was seinerseits zu Begrenzungen für die Prüfgeschwindigkeit und die Temperatur des zu prüfenden Werkstoffes führt.

Aus der DE-PS 19 38 107 ist ein Streuflußprüfverfahren ■ ur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung bekannt, bei dem ein durch ein Gleichmagnetfeld an seiner Oberfläche magnetisierter Prüfling mit Ultraschallwellen beaufschlagt wird und der an Inhomogenitäten auftretende magnetische Streufluß gemessen wird. Dieses Verfahren erlaubt ebenfalls nur Matenalfehler an der Oberfläche des Prüflings zu erfassen, da magnetische Wechselfelder, die von einer inneren Inhomogenität ausgesendet werden, infolge des Skin-Effektes abgeschirmt werden.

Die US-PS 41 84 3.'4 beschreibt ein Verfahren zum Untersuchen zylinderförmiger Gegenstände mit Ultraschall. Dabei wird der zylinderförmige Gegenstand in ein Gleichmagnetfeld eingebracht und zusätzlich über elektromagnetische Wandler mit einem HF-¹^eId beaufschlagt. Durch Magnetostriktion werden im zu untersuchenden Gegenstand magnetisch angeregte Ultraschallwellen erzeugt. Diese wechselwirken mit Inhomogenitäten an der Oberflä· he des zu untersuchenden Gegenstands und erzeugen magnetische Streufelder, die von den elektromagnetischen Wandlern erfaßt werden. Die Eindringtiefe der von den Wandlern erzeugten Wechselfelder ist wiederum begrenzt, wodurch auch die Untersuchungstiefe eingeschränkt ist.

Der Erfindung liege die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erfassen von Inhomogenitäten magnetisierbarer Werkstoffe zu entwickeln, bei dem der zu prüfende Werkstoff einer Einwirkung von Wellen derart un-

terworfeii wird, daß die Möglichkeit gegeben ist, sowohl innere als auch äußere Inhomogenitäten der Werkstoffe festzustellen und die Prüfung einer breiten Klasse von zu untersuchenden Werkstoffen unter Gewährleistung einer hohen Empfindlichkeit und Sicherheit bei erhöhter Leistung der Prüfung vorzunehmen, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens bereitzustellen, die in baulicher Hinsicht genügend einfach und betriebssicher ist und eine erhöhte Störunempfindlichkeit besitzt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren, wie es im Patentanspruch 1 angegeben ist, bzw. durch eine Vorrichtung nach Patentanspruch 3. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sowohl dieses Verfahrens als auch dieser Einrichtung sind jeweils in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erfassen von Inhomogenitäten magnetisierbarer Werkstoffe und die Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ermöglichen die Prüfung von über die gesamte Dicke des zu prüfenden Werkstoffes verteilten Inhomogenitäten mit einer hohen Empfindlichkeit und Sicherheit. Dabei erweist es sich als möglich, die Prüfung magnetisierbarer Werkstoffe mit verschiedenen Konstanten der Magnetostriktion bei hohen Temperaturen (über 100° C) und hoher Leistung (bis 10 m/s) ohne Abtastung des zu prüfenden Werkstoffes durchzuführen. Das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörige Vorrichtung können in Fertigungsstraßen zur Herstellung von Blechen, Rohren, Stäben. Draht usw. benutzt werden. Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in konstruktiver Hinsicht genügend einfach und betriebssicher, und sie kann in Verbindung mit beliebigen Ultraschallwandlern unter in Industriebetrieben mit hohem Rauschpegel herrschenden Bedingungen arbeiten.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand konkreter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschema für eine Vorrichtung zum Feststellen von Inhomogenitäten magnetisierbarer Materialien;

Fig.2 die Lage der Schalterkontakte der Schalteinheit in F i g. 1 bei Einwirkung von Ultraschallwellen auf den magnetostriktiven Werkstoff;

F i g. 3 die Verhältnisse von F i g. 2 für den Fall, daß auf den magnetostriktiven Werkstoff elektromagnetische Wellen einwirken:

F i g. 4 die Verhältnisse von F i g. 2 bei gleichzeitiger Einwirkung von Ultraschallwellen und elektromagnetischer Wellen auf den magnetostriktiven Werkstoff;

F i g. 5 eine charakteristische Abhängigkeit der relativen dynamischen Konstante der Magnetostriktion von der Feldstärke eines Magnetfeldes.

Das angewandte Verfahren zum Feststellen von Inhomogenitäten magnetisierbarer Werkstoffe besteht darin, daß man den zu prüfenden Werkstoff in ein Magnetfeld bringt, auf die Oberfläche des magnetostriktiven Werkstoffes mittels Ultraschallwellen, deren Polarisationsvektor eine Komponente enthält die normal zur Oberfläche des Werkstoffs verläuft, oder mittels elektromagnetischer Weilen, deren Polarisationsvektor senkrecht zum Vektor des Magnetfeldes liegt, oder mittels gleichzeitig auftretender Ultraschallwellen und elektromagnetischer Wellen, die auf die genannte Weise polarisiert sind, einwirkt und Signale registriert, die durch magnetoakustische Umwandlungen im Werkstoff entstehen.

Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung zum Feststellen

von Inhomogenitäten magnetisierbarer Werkstoffe nach einem solchen Verfahren enthält ein Magnetisicrungssystem 1 dessen Magnetfluß einen magnetostrikti-

"5 ven Werkstoff 2 passiert.

Die Vorrichtung umfaßt auch einen Haupt-HF-Impulsgenerator 4, einen Hauptverstärker 5 sowie einen zusätzlichen HF-!mpuIsgenerator 6 und einen zusätzlichen Verstärker 7, die an eine Schalteinheit 8 angcschlossen sind. Die Verstärker 5 und 7 stehen mit einem Anzeiger 9 in Verbindung. Auf der Oberfläche des ma· gnetisierbaren Werkstoffs 2 sind zwei Wandler 10 und 11 angebracht, die an die Schalteinheit 8 angeschlossen sind. Die gezeigte Schalteinheit 8 weist einen Satz aus Dreistellungsschaltern A. B. C. D auf, die jeweils mil dem Hauptgenerator 4 und dem zusätzlichen Generator 6 bzw. mit dem Hauptverstärker 5 und dem zusätzlichen Verstärker 7 verbunden sind und die Arbeitsteilungen I bzw. 11 haben. Jedoch kann die Schatieinheii S auch am der Basis von polarisierten Relais oder anderen Schaltelementen ausgeführt sein. Bei der gezeigten Ausführungsform sind der Ultraschallwandlcr 10 als piezoelektrischer Wandler und der Wandler 11 als flache Indukstionsspule ausgebildet. Bei anderen Varianten der Vorrichtung können jedoch die Wandler eine magnctoaku stische Ausführung aufweisen.

Das Verfahren zum Feststellen von Inhomogenitäten magnetisierbarer Werkstoffe wird in der Vorrichtung nach Fig. I bei der Einwirkung von Ultraschallwellen auf das magnetostriktive Medium mit der entsprechend der in F i g. 2 gezeigten Tabelle festgelegten Stellung der Schalter A. 8. C. Dder Schalteinheit 8 durchgeführt. In Fig.2 und den entsprechenden weiteren Darstellungen entspricht das Zeichen » + « einem gcschlosseneu Kontakt und das Zeichen »—« einem geöffneten Kontakt.

D^r UitraschaUviarKÜer 10 ist über die SehaUeinheii 8 mit dem Hauptgenerator 4 verbunden, während der Wandler 11 an den Hauptverstärker 5 angeschlossen ist.

Bei einer Magnetisierung des zu prüfenden Werkstoffes in Anwesenheit von Inhomogenitäten 3 entsteht ein magnetisches Streufeld. Mit Hilfe des Hauptgenerators 4 erregt der Ultraschallwandler 10 im magnetisierbarcn Werkstoff 2 Ultraschallwellen, deren Polarisationsvcktor eine Komponente enthält, die normal zur Oberfläche des magnetisierbaren Werkstoffs 2 liegt.

Bei der Abtastung der Oberfläche des zu prüfenden Werkstoffs 2 mit Hilfe der Wandler 10 und 11 modulieren die Ultraschallwellen infolge des Effektes der Magnetostriktion magnetische Gleichfelder der Inhomogenität 3, die in elektromagnetische Wellen umgewandelt werden, die durch den Wandler 11 registriert und vom Hauptverstärker 5 verstärkt werden und von dort an den Anzeiger 9 gelangen. Die angegebene Auswahl der Polarisation der Ultraschallwellen läßt sich wie folgt erklären. Bei der Prüfung des eine innere Inhomogenität 3 einschließenden Werkstoffs 2 ist ein magnetisches Streufeld durch Vorhandensein von effektiven »magnetischen Ladungen« bedingt, die im Inhomogenitätsbereich gebildet werden. Die Ultraschallwellen modulieren, wie erwähnt, infolge der Magnetostriktion die Dichte der »magnetischen Ladungen« und folglich das durch diese erzeugte Feld. Befindet sich die Inhomogenität 3 . genügend weit von der Oberfläche des zu prüfenden '.

Werkstoffs 2 entfernt und zwar in einem Abstand, der ; die Dicke der Skin-Effektschicht übersteigt, in der die | elektromagnetischen Wellen gedämpft werden, wird je- j doch das Nutzsigna! vom Wandler 11 nicht registriert, j

Der Nachweis innerer Inhomogenitäten 3, die sich in einer die Dicke der Skin-Effektschicht übersteigenden Tiefe befinden, ist nichtsdestoweniger möglich, weil die »magnetischen Ladungen« der Inhomogenität 3 durch ihr im Inneren des zu prüfenden Werkstoffs 2 erzeugtes Magnetfeld sekundäre »magnetische Ladungen« auf der Oberfläche des Werkstoffes induzieren. Die UltraschallmouiJlation der sekundären »Ladungen« führt zur Ausstrahlung elektromagnetischer Wellen, die vom Wandler 11 registriert werden. Die Modulation der sekundären Oberflächenladungen kann aber infolge des Longitudinaleffekts der Magnetostriktion im zu prüfenden Werkstoff nur durch akustische Wellen erhalten werden, deren Polarisationsvektor eine Komponente enthalt, die normal zur Oberfläche des magnetischen Werkstoffes 2 verläuft. So ergeben z. B. Longitudinalwellen, die sich parallel zur Oberfläche des Werkstoffes 2 ausbreiten und bei denen die Normalkomponente des Polarisationsvektors gleich Nuii ist. keine erforderliche Modulation. Im Gegensatz hierzu wird durch die Oberflächenwelle Rayleigh'scher Art, die eine normal zur Oberfläche verlaufende Polarisationskomponente enthält, die Erkennung der Inhomogenität 3 gewährleistet. Das gleiche gilt auch für Transversalwellen in begrenzten Medien, bei denen im allgemeinen Fall die erforderliche Polarisationskomponente vorhanden ist. Somit gewährleistet die angegebene Auswahl der Polarisation der Ultraschallwellen die Feststellung innerer Inhomogenitäten.

Das angewandte Verfahren zum Feststellen von Inhomogenitäten magnetisierbarer Werkstoffe wird dann, wenn man auf das magnetostriktive Medium mit elektromagnetischen Schwingungen einwirkt, mittels der in F i g. 1 gezeigten Vorrichtung mit der in F i g. 3 gezeigten Stellung der Kontakte der Schalter A, B. Q D der Schalteinheit 8 durchgeführt.

Hierbei steht der Wandler JI triis dsm Hauptgeneralor 4 in Verbindung, während der UltraschaHwandler 10 an den Hauptverstärker 5 angeschlossen ist.

Bei der Abtastung der Oberfläche des zu prüfenden Werkstoffs 2 mittels der Wandler 10 und 11 strahlt der Wandler 11 mit Hilfe des Hauptgenerators 4 elektromagnetische Wellen aus, die in Anwesenheit eines magnetischen Feldes der Inhomogenität 3 infolge der Magnetostriktionswirkung im zu prüfenden Werkstoff Ultraschallwellen erregen, die vom UltraschaHwandler 10 registriert und vom Hauptverstärker 5 verstärkt werden und von dort aus zum Anzeiger 9 gelangen. Die Auswahl der Polarisation des elektromagnetischen Wechsclfcldes, bei der der Vektor eines magnetisierenden Gleichfeldes senkrecht zum Vektor des magnetischen Wechselfeldes ist, führt dazu, daß bei Nichtvorhandensein der Inhomogenität 3 keine Ultraschallwellen im zu prüfenden Werkstoff erregt werden. Bei Vorhandensein der Inhomogenität 3 wird die Verteilung des magnetischen Feldes im zu prüfenden Werkstoff 2 geändert Insbesondere treten Komponenten des magnetischen Feides auf. die früher nicht vorhanden sind, so daß eine Ultraschallerregung möglich wird. Es ist zu bemerken, daß bei der Auswahl einer von der obenbeschriebenen abweichenden Polarisation der elektromagnetischen Welle, bei der die Ultraschallerregung auch bei Fehlen der Inhomogenität 3 möglich ist, das Auftreten einer Inhomogenität 3 zu einer Änderung der Uitraschallamplitude führt Durch eine solche Änderung kann das Vorhandensein einer Inhomogenität 3 nachgewiesen werden, jedoch wird dabei das Signal/Rausch-Verhältnis beträchtlich verschlechtert Nach dem betrachteten Verfahren erweist es sich als möglich, sowohl äußere als auch innere Inhomogenitäten 3 festzustellen. Man muß beachten, daß die Ultraschallamplitude, nach der man über das Vorhandensein der Inhomogenität 3 gemäß dem vorliegenden Verfahren urteilt, die Amplitude des akustischen Nutzsignals nach den bekannten Verfahren übersteigt, weil die zu erfassende akustische Welle im Gegensatz zu den bekannten Verfahren kein Ergebnis der Streuung des erregten Ultraschalls an der Inhomogenität 3 ist. Außerdem kann bei der beschriebenen Methode das Richtdiagramm der an der Inhomogenität 3 erregten Ultraschallwellen durch den Wandler 11 formiert werden, so daß sich der die akustischen Schwingungen registrierende Ukraschallwandler 10 im Strahlungsmaximumbereich befindet. Hingegen wird bei den bekannten Verfahren und Einrichtungen das Richtdiagramm der gestreuten Ultraschallwellen durch die Inhomogenität 3 bestimmt, deren Orientierung und Größe im vut aus nicht bekannt sind, so daß nur ein kleiner Te

der akustischen Streuenergie registriert wird.

Das angewandte Verfahren wird bei gleichzeitiger Einwirkung von Ultraschallwellen und elektromagnetischer Wellen auf das magnetostriktive Medium in der Einrichtung von F i g. 1 mit der in F i g. 4 gezeigten Stellung der Kontakte der Schalter .4. B, C, D ir> der Schalteinheit 8 durchgeführt.

Dabei ist der UltraschaHwandler 10 an den Hauptgenerator 4 und den zusätzlichen Verstärker 7 angeschlossen, während der Wandler 11 mit dem Hauptverstärker 5 und mit dem zusätzlichen Generator 6 in Verbindung steht.

Bei der Abtastung der Oberfläche des zu prüfenden Werkstoffs 2 mittels der Wandler 10 und 11 erregt der UltraschaHwandler 10 mit Hilfe des Hauptgenerators 4 im Werkstoff 2 Ultraschallwellen der obengenannten Polarisation, die bei Anwesenheit einer Inhomogenität 3 statische Magnetfelder der Inhomogenität 3 in elektromagnetische Schwingungen verwandeln, die vom Wandler 11 registriert werden. Diese Schwingungen werden durch den Hauptverstärker 5 verstärkt und gelangen von dort zum Anzeiger 9. Gleichzeitig mit diesem Vorgang spielt sich noch folgender Vorgang ab. Mit Hilfe des zusätzlichen Generators 6 wirkt der Wandler 11 auf den magnetisierbaren Werkstoff 2 mit elektromagnetischen Wellen bestimmter Polarisation ein, wie dies oben angegeben wurde. Hierbei werden bei einer im zu prüfenden Werkstoff 2 vorhandenen Inhomogenität 3 akustische Wellen angeregt, die vom UltraschaHwandler 10 registriert und von dort der Reihe nach auf den zusätzlichen Verstärker 7 und den Anzeiger 9 gegeben werden.

Dadurch, daß gleichzeitig Ultraschall- und elektromagnetische Wellen benutzt werden, die auf das magnetostriktive Medium einwirken, werden zu ein und demselben Zeitpunkt zwei Nutzsignale geliefert, wodurch die Sicherheit und Störunempfindlichkeit der Methode erhöht wird.

Bei der Feststellung vor. Inhomogenitäten magnetisierbarer Werkstoffe nach der beschriebenen Methode ist es, wie schon erwähnt, erforderlich, die durch die Magnetostriktion bedingte magnetoakustische Transformation von auf bestimmte Weise auf der Oberfläche des zu prüfenden Werkstoffs polarisierten Wellen zu gewährleisten. Daraus folgt, daß das unmittelbare Zusammenwirken der Wellen mit der Inhomogenität nicht unbedingt ist Das bedeutet insbesondere, daß bei der Auswahl der Schwingungsfrequenz nach dem vorliegenden Verfahren die Erfüllung der für die bekannten

Ultraschallmethoden unbedingten Beziehung f<L nicht mehr nötig ist, in der / die Schwingungsfrequenz und (, eine kennzeichnende Korngröße des Werkstoffes bedeuten.

Andererseits ist es bekannt, daß die Prüfung grobkörniger Materialien wegen der Streuung des Ultraschalls an Körnern die mit der Erhöhung der Frequenz f zunimmt, wesentlich komplizierter ist. Indem man bei der Verwendung des beschriebenen Verfahrens die Frequenz nach der Bedingung f<-f wählt, in der /eine Schwingfrequenz und Ci eine Phasengeschwindigkeit für die Ultraschallausbreitung im zu prüfenden Werkstoff bedeuten, ist es somit möglich, das strukturbedingte Rauschen wesentlich zu vermindern und die Prüfung grobkörniger Materialien zu gewährleisten.

Die Ultraschallmodulation magnetischer Gleichfelder der Inhomogenitäten wie auch die Erregung von Ultraschall durch elektromagnetische Wellen in Anwesenheit einer Inhomogenität resultiert aus dem magnetostriktiven Charakter des Mediums. Dabei erfolgt bsi Einwirkung von Ultraschallwellen auf das magnetostriktive Medium die Umwandlung durch den reziproken Magnetostriktionseffekt. während bei der Einwirkung von elektromagnetischen Wellen die Erregung des Ultraschalls durch den direkten Magnetostriktionseffekts bedingt ist. Daneben ist es bekannt, daß die Konstanten der direkten und reziproker, dynamischen Magnetostriktion für die meisten magnetisierbaren Metalle, insbesondere für Magnetstähle, von der Stärke eines magnetischen Gleichfeldes extremal abhängen. In F i g. 5 ist eine charakteristische Abhängigkeit der relativen direkten dynamischen Konstante MA°_max der Magnetostriktion (aufgetragen auf der Ordinatenachse) von der Feldstärke W(Oe) des magnetischen Feldes (aufgetragen auf der Abszissenachse), dargestellt, wobei A° _mj< der maximale Wert der direkten dynamischen Konstante der Magnetostriktion ist. Daraus folgt, daß bei dem angewandten Verfahren der Wen der magnetischen Feldstärke aus der Bedingung des maximalen Wertes der dynamischen Konstante der Magnetostriktion zu wählen ist, was den optim?Wn Bedingungen der magneloakustischen Transformation entspricht. Dagegen werden bekannten Verfahren zum Feststellen von Inhomogenitäten magnetischer Werkstoffe magnetische Felder größtmöglicher Stärke benutzt. Somit ist die optimale magnetische Feldstärke H im vorliegenden Verfahren bedeutend (etwa mehrere bis Dutzende Oersted) kleiner als die entsprechenden magnetischen Feldstärken bei den bekannten Verfahren. Daraus folgt, daß es möglieh ist, indem man den Wert der magnetischen Feistärke nach der Bedingung des maximalen Wertes der Konstante der dynamischen Magnetostriktion wählt und damit die maximale Effektivität der Umwandlung sichert, die konstruktiven Anforderungen an das Magnetisierungssystem abzuschwächen, weil die erforderlichen Werte der magnetischen Feldstärke verkleinert sind.

Das beschriebene Verfahren, das sich mit Hilfe der betrachteten Vorrichtung durchführen läßt, gestattet es somit, Fehlstellen in verschiedenen zu untersuchenden Materialien (Blechwalzgut, Rohre, Draht, Stäbe) mit einem hohen Genauigkeitsgrad und einer erhöhten Störunempfindlichkcil unter Industriebedingungen festzustellen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Erfassen von Inhomogenitäten in magnetisierbaren Werkstoffen, bei dem der zu prüfende Werkstoff einem Gleichmagnetfeld ausgesetzt wird, die Oberfläche des zu prüfenden Werkstoffs zusätzlich mit einem Wechselfeld beaufschlagt wird und ein daraus durch magnetoakustische Umwandlung gebildetes Meßsignal von dem zu prüfenden Werkstoff abgenommen und ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal ein Ultraschalisignal ist, v/elches aufgrund einer durch vorhandene Inhomogenitäten bedingten Anisotropie der magnetoakustischen Umwandlung eines beaufschlagten Wechselmagnetfeldes erzeugt wird, dessen Polarisationsvektor senkrecht zum Vektor des Gleichmagnetfeldes verläuft

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, (Saß im Bereich der festzustellenden Inhomogenitäten neben dem durch magnetoakusiische Umwandlung eines Wechselmagnetfeldes gebildeten zu messenden Ultraschallsignal gleichzeitig ein zu messendes Wechselmagnetfeldsignal durch magnetoakustische Umwandlung aus einem eingestrahlten Ultraschallfeld erzei/gt wird, dessen Polarisationsvektor eine zur Oberfläche des zu prüfenden Werkstoffs senkrechte Komponente hat.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2 unter Verwendung zweiu Wandler, von weichen der eine als Wechselfeldgeber und der andere als Meßsignalempfänger dient, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßsignalempfänger ein Ultra' "hallwandlerilO) ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch, eine Schalteinheit (8), mit welcher ein Wechselfeldgenerator (6) sowie Meßverstärker (5, 7) wahlweise mit einem Ultraschallwandler (10) und/ oder einer Magnetfeldspule (11) verbindbar sind.