DE3008620A1 - Destruction-free testing of depth-of-hardness layers of steel - using ultrasonic transmitter and receiver to pick up transverse waves emitted at surface of specimen - Google Patents

Destruction-free testing of depth-of-hardness layers of steel - using ultrasonic transmitter and receiver to pick up transverse waves emitted at surface of specimen

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Abstract

The hardness tester consists of a transmitter (1) which is fixed obliquely to the surface of the steel specimen (2) to be tested, and emits sound impulses. The angle under which the ultrasonic impulses strike the surface of the specimen (2) amounts preferably to between 30 and 40 degrees, since the longitudinal waves are already reflected at the surface and can no longer influence the results. The considerably slower, and thus better to measure, transverse waves, penetrate the hard layer, until they strike the boundary zone between the hardened and unhardened structure, where they are reflected at the same angle and arrive back to the surface where they are picked up by the receiver (3). The results can be compared with another specimen whose hardness depth is known, and can be carried out without damage to the surface of the test specimen.

Description

Vorrichtung zur zerstörungsfreien Messung der Tiefe vonDevice for the non-destructive measurement of the depth of

Einhärteschichten an Stahlteilen mittls Ultraschall, in besondere an gekrümmten Flächen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Tiefe von Einhärteschichten von Stahlteilen mittels Ultraschall, vorzursweise nach dem Impuls-EchoVerfahren. Pfir die zerstörungsfreie Messung der Einhärtungstiefe an partiel1 gehärteten Teilen existiert noch Rein universelles Priifverfahren, welches insbesondere für die gekrümmten Flächen genaue und zuverlässige Werte liefert.Hardening layers on steel parts by means of ultrasound, in particular on curved surfaces The invention relates to a device for measuring depth of hardening layers of steel parts by means of ultrasound, vorzursweise after Pulse-echo method. Require the non-destructive measurement of the hardening depth Partially hardened parts still exist. Purely universal test method, which delivers accurate and reliable values, especially for the curved surfaces.

Bei einem bekannten Verfahren (DE-OS 26 00 720) der Ultraschall-Einhärtetiefen-Messung wird die Schallrückstreuung an den Rorngrenzen zwischen der feinkörnigen llärtezone und dem grobkörnigen Kernmaterial zur Bestimmung der Einhärtetiefe benutzt. Bei diesem wird auf die Oberfläche einer zu untersuchenden Probe ein Ultraschallbündel gerichtet und das Schallbündel in regelmäßiger Seise auf dem Probenkörper bei konstanten Einfallsbedingungen verschoben, wobei die Echowellen auf dem Probenkörper erraßt werden und mittels eines gleichen Empfängers die Energie ner aufeinanderfolgenden Echowellen wenigstens während eines bestimmten Abschnittes der Verschiebung oder Verlagerung des Schallbündels sichtbar gemacht werden. Ein ähnl nliches Verfahren ist in dem Aufsatz "Härtetiefenmessung an Stahlwalzen mit Ultraschall" von Koppelmann, erschienen in Materialprüfung 9 (1969), Nr. 11, S. 401 bis 405 beschrieben.In a known method (DE-OS 26 00 720) the ultrasonic hardening depth measurement the sound backscatter at the Rorn boundaries between the fine-grained hardness zone and the coarse-grained core material to determine the hardening depth. at This is an ultrasound beam on the surface of a sample to be examined directed and the sound beam in regular Seise on the specimen at constant Incidence conditions shifted, the echo waves eroding on the specimen and by means of the same receiver the energy ner consecutive Echo waves at least during a certain portion of the shift or Displacement of the sound beam can be made visible. A similar process is in the essay "Hardness depth measurement on steel rolls with ultrasound" by Koppelmann, published in Materialprüfung 9 (1969), No. 11, pp. 401 to 405.

Nachteilig bei diesem Verfahren ist der relativ hohe tlfwind, da bei die';'?tn Verfahren die Mittelwertkurve des Kornrauschens bestimmt werden muß, die infolge der großen Prequenzabhängigkeit der Schallstreuungsabsorption recht schwierig zu bestimmten ist. Außerdem kann dieses Verfahren nur bei ebenen Flächen angewendet werden.The disadvantage of this method is the relatively high tlfwind, since at the ';'? tn method is the mean value curve of the grain noise certainly must be, due to the large frequency dependence of the sound scattering absorption is quite difficult to determine. In addition, this procedure can only be used for planes Surfaces are applied.

Ein anderes Verfahren (Flambard, Lambert, "Zerstörungsfreie Messung der Einhärtetiefe mit Ultraschall". Vortrag auf der Eight World Conference of Nondestructive Testing 1976 in Cannes) geht von der Messung der Schallgeschwindigkeit von Oberflächenwellen aus, wobei der messbaren Tiefe durch die geringe Eindringtiefe der Oberflächenwellen Grenzen gesetzt sind. Die maximal messbare Einhärtetiefe liegt hier bei ca. 3 mm.Another method (Flambard, Lambert, "Non-Destructive Measurement the hardening depth with ultrasound ". Lecture at the Eight World Conference of Nondestructive Testing 1976 in Cannes) is based on the measurement of the speed of sound from surface waves the measurable depth due to the low penetration depth of the surface waves There are limits. The maximum measurable hardening depth is approx. 3 mm.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung auf Ultraschallbasis aufzuzeigen, die die vorgenannten Nachteile nicht aufweist, einfach in der Bedienung und Anwendung ist und universell eingesetzt werden kann.It is therefore an object of the invention to provide an ultrasound-based device to show that does not have the aforementioned disadvantages, easy to use and application is and can be used universally.

Das Lösungsprinzip basiert auf der Schrägeinschallung von Transversalwellen in die Härteschicht und deren Reflexion unter gleichen Winkeln an der Grenze des ungehärteten Grundmaterials. Die Transversalwellen werden hierbei von einem Longitudinalschwinger über die Brechung an der Härte schicht erzeugt und gleichfalls von einer Longitudianlschwinger empfangen. Beide Schwinger können auch im Impuls-Echo-Verfahren betrieben werden, da die Schwingeranordnung völlig symmetrisch ist. Die Ultraschallschwinger stecken hierbei in einem Gehäuse vorzugsweise aus Polymethylmetacrylat (PMMA) oder ähnlichem, wodurch sehr gute Schallübergänge gewährleistet sind. Außerdem läßt sich P1A gut der jeweiligen Prüfoberfläche anpassen, aa es leicht zu bearbeiten ist.The solution principle is based on the oblique irradiation of transverse waves into the hardness layer and its reflection at equal angles at the boundary of the uncured base material. The transverse waves are generated by a longitudinal oscillator Generated by the refraction on the hardness layer and also by a Longitudianlschwinger receive. Both transducers can also be operated using the pulse-echo method, because the transducer arrangement is completely symmetrical. The ultrasonic transducers are plugged in here in a housing preferably made of polymethyl methacrylate (PMMA) or similar, whereby very good sound transitions are guaranteed. In addition, P1A works well adapt to the respective test surface, aa it is easy to edit.

DieErfindung soll an nachfolgenden Figuren näher erläutert werden. Es zeigt: Fig. 1 eine Prinzipskizze des Meßverfahrens.The invention is to be explained in more detail using the following figures. It shows: FIG. 1 a basic sketch of the measuring method.

Fig. 2 die prinzipielle Anordnung der Ultraschallprüfvorrichtung (Anspruch 2).Fig. 2 shows the basic arrangement of the ultrasonic testing device (claim 2).

Fig. 3 die prinzipielle Anordnung der Ultraschallprüfvorrichtung nach Anspruch 3.3 shows the basic arrangement of the ultrasonic testing device according to FIG Claim 3.

Fig. 4 die prinzipielle Anordnug der Ultraschallprüfvorrichtung nach Anspruch 4 Fig. 5 die Ausbildung einer Ultraschallprüfvorrichtung nach Anspruch 5.4 shows the basic arrangement of the ultrasonic testing device according to FIG Claim 4 Fig. 5 the design of an ultrasonic testing device according to claim 5.

In Fig. 1 ist der Sender mit 1 bezeichnet. Von dem schräg angeordneten Sender 1 werden Schallimpulse auf die Oberfläche des zu prüfenden Werkstücks 2 gesandt. Dabei beträgt der Winkel unter dem die Ultraschallimpulse auf die Oberfläche des Prüflinge treffen, vorzugsweise zwischen 30 und 400. Dies ist besonders vorteilhaft, weil dadurch die Longitudinalwellen schon an der Oberfläche reflektiert werden und das Meßergebnis nicht mehr beeinflussen können. Die wesentlich langsameren und dadurch besser meßbaren Transveraiwellen durchdringen die gehärtete Schicht, bis sie auf die Grenzschicht zwischen gehärtetem und ungehärtetem Gefiige treffen. Dort werden sie unter t'lcm gleichen Winkel reflektiert und gelangen zur Oberfläche, wo sie vom Empfanger 3 empfangen werden. Nach diesem Prinzip bestehen nun drei Möglichkeiten die Einhärtetiefe zu bestimmen.The transmitter is denoted by 1 in FIG. 1. From the obliquely arranged Transmitter 1, sound pulses are sent to the surface of the workpiece 2 to be tested. This is the angle at which the ultrasonic pulses hit the surface of the Hit test objects, preferably between 30 and 400. This is particularly advantageous when because as a result, the longitudinal waves are already reflected on the surface and can no longer influence the measurement result. The much slower ones and therefore better measurable transverse waves penetrate the hardened layer until they appear meet the boundary layer between hardened and unhardened structure. There will be they are reflected at the same angle and reach the surface where they are can be received by the receiver 3. According to this principle, there are now three options determine the hardening depth.

Bei einer Vorrichtung nach Fig. 2 sind Sender 1 und Empfänger 3 unter einem konstanten Winkel in einem Gehäuse 5 vorzugsweise aus PMMa angeordnet. Die beiden Gehause 5 sind in einer Führung 4 befestigt und lassen sich gegeneinander verschieben. Das Verfahren zum essen der Einhärtetiefe beruht bei dieser Ausführung darin, daß die beiden Gehäuse 5 nun so lange gegeneinander verschoben werden, bis die von dem Empfänger registrierte Energie des Schallimpulses ein Maximum erreicht. Aufgrund des Abstandes zwischen Sender und Empfänger läßt sich nun die Einhärtetiefe bestimmen, indem der Abstandswert mit einem vorgegebenen Eichstück verglichen wird, dessen Einhärtetiefe bekannt ist.In a device according to FIG. 2, transmitter 1 and receiver 3 are below arranged at a constant angle in a housing 5, preferably made of PMMa. the two housings 5 are attached in a guide 4 and can be against each other move. The method of eating the hardening depth is based on this embodiment is that the two housings 5 are now moved against each other for so long until the energy of the sound pulse registered by the receiver reaches a maximum achieved. Due to the distance between the transmitter and receiver, the Determine the hardening depth by setting the distance value with a specified calibration piece is compared, the hardening depth of which is known.

Die Vorrichtung nach Fig. 3 benutzt ein ähnliches Prinzip, wobei allerdings bei konstantem Abstand zwischen Sender 1 und Empfänger 3 die Sender 1 und E,pfanger 3 jeweils in einem Gehäuse 5 angeordnet sind, wobei jedoch beide in einem drehbeweglichen Teil 6 angeordnet sind. Bei diesem Verfahren werden Sender 1 und Empfänger 3 synchron gedreht, so daß sich der Ein- und Ausfallswinkel wandert. Sender 1 und Empfänger 3 werden nun so gedreht, daß die vom Empfänger 3 empfangene Energie des an der Grenzschicht reflktierten Schalls ein Maximum erreicht. Bei diesem Verfahren läßt sich über den Ein- bzw. Ausfallswinkel des Ultraschallimpulses ebenfalls die Einhärtetiefe bestimmen, indem der Winkel mit einem Eichstück, das eine bekannte Einhärtetiefe aufweist, verglichen wird.The device according to FIG. 3 uses a similar principle, although with a constant distance between transmitter 1 and receiver 3, transmitters 1 and E, pfanger 3 are each arranged in a housing 5, but both are rotatable in one Part 6 are arranged. With this method, transmitter 1 and receiver 3 become synchronous rotated so that the angle of incidence and emergence moves. Sender 1 and receiver 3 are now rotated so that the energy received by the receiver 3 is at the boundary layer reflected sound reaches a maximum. With this method, the The angle of incidence and emergence of the ultrasonic pulse also determine the hardening depth, by the angle with a calibration piece that has a known hardening depth, is compared.

Eine besonders vorteilhafte und einfache Vorrichtung zur RlrcElfiihrung des Verfahrens ist in Fig. 4 dargestellt. Dabei sind Sender 1 und Empfänger 3 mit konstantem Abstand und konstantem Einfalls- bzw. Ausfallswinkel in einem Gehäuse 5 aus PMMA angeordnet. Gemessen wird hierbei die Laufzeit des Schallimpulses, die bei größerer Einhärtetiefe entsprechend länger ist. Ein Vergleich der Laufzeit mit einem Eichstück mit bekannter Einhärtetiefe ermöglicht die Bestimmung der Einhirtetiefe des zu pi-jifenden Werkstücks.A particularly advantageous and simple device for guidance of the method is shown in FIG. Sender 1 and receiver 3 are included constant distance and constant angle of incidence or reflection in one housing 5 arranged from PMMA. The duration of the sound pulse is measured, which is correspondingly longer if the hardening depth is greater. A comparison of the running time with A calibration piece with a known hardening depth enables the depth of the hardening to be determined of the workpiece to be pi-jifed.

Dabei ist keiner Lei Verstellung von Sender und Empfänger erforderlich, was das Verfahren sehr einfach macht.There is no need to adjust the transmitter and receiver, which makes the process very easy.

In einer speziellen Ausführung sind Sender 1 und Empfänger 3 in einem gemeinsamen Gehäuse 5 vorzugsweise aus PEMA angeordnet. m Gehäuse 5 befindet sich eine Koppelflüssigkeit,'um den Scball zu übertragen. Besonders vorteilhaft ist es, die Schallübertragungsfläche 7 der Vorrichtung der Form der zu prüfenden Fläche anzupassen, da so eine optimale Übertragung der eingestrahlten Schallenergie erfolgen kann.In a special embodiment, transmitter 1 and receiver 3 are in one common housing 5 preferably arranged from PEMA. m housing 5 is located a coupling fluid to transfer the ball. It is particularly advantageous the sound transmission surface 7 of the device corresponds to the shape of the surface to be tested to adapt, as this results in an optimal transmission of the radiated sound energy can.

Claims (6)

Schutzansprüche Ultraschallprüfvorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens der zerstörungsfreien Messung der Tiefe von Einhärteschichten in Stahlteilen durch Schrängeinschallen von Transversalwellen in die Isärteschichts die am ungehärteten Grundmaterial reflektiert von einem Empfänger aufgenommen werden, dadurch gekennzeichnet, daß Sender (1) und Empfänger (3) örtlich getrennt in einem Gehäuse (5) aus Kunststoff schräg zur Oberfläche des Prüflings (2) angeordnet sind.Protection claims Ultrasonic testing device for carrying out a Method of non-destructive measurement of the depth of hardening layers in steel parts due to the oblique sound of transversal waves in the Isärteschicht the most unhardened Base material reflected by a receiver, characterized in that that the transmitter (1) and receiver (3) are spatially separated in a housing (5) made of plastic are arranged obliquely to the surface of the test object (2). 2. Ultraschallprüfvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Sender (1) und Empfänger (3) in je einem Gehäuse (5) aus Kunststoff schräg zur Oberfläche des Prüflings (2) angeordnet sind und die Gehäuse (5) auf einem Führungssystem (4) gegeneinander verschiebbar sind.2. Ultrasonic testing device for performing the method according to Claim 1, characterized in that the transmitter (1) and receiver (3) are each in one Housing (5) made of plastic are arranged obliquely to the surface of the test object (2) and the housings (5) can be displaced relative to one another on a guide system (4). 3. Ultraschallprüfvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Sender (1) und Empfänger (3) in einem gemeinsamen Gehause (5) aus Kunststoff drehbeweglich angeordnet sind, wobei das drehbewegliche Teil (6) ebenfalls aus Kunststoff besteht und daß sich zwischen dem Gehäuse (5) und dem drehbeweglichen Teil (6) eine den Schall übertragende Koppelflüssigkeit befindet und der Schallkopf im drehbeweglichen Teil (6) angeordnet ist, der zugleich als Koppel stück dient.3. Ultrasonic testing device for carrying out the method according to Claim 1, characterized in that the transmitter (1) and receiver (3) in a common Housing (5) made of plastic are rotatably arranged, the rotatable Part (6) also consists of plastic and that between the housing (5) and the rotatable part (6) a coupling liquid which transmits the sound is located and the transducer is arranged in the rotatable part (6), which at the same time serves as a coupling piece. 4. Ultraschallprüfvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Sender (1) und Empfänger (3) symmetrisch mit konstantem Abstand unter einem festen + in einem gemeinsamen Gehäuse (5) angeordnet sind.4. Ultrasonic testing device for performing the method according to Claim 1, characterized in that the transmitter (1) and receiver (3) are symmetrical arranged at a constant distance under a fixed + in a common housing (5) are. 5. Ultraschallprüfvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäusefläche (7) die auf den Prüfling (2) aufgesetzt ist, der Form des Prüflings (2) angepaßt ist.5. Ultrasonic testing device according to one of the preceding claims, characterized in that the housing surface (7) is placed on the test item (2) is adapted to the shape of the test object (2). 6. Ultraschallprüfvorrichtung nach ein ncr vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Sender (1) und Empfänger (3) im Impuls-Echo-Betrieb arbeiten.6. Ultrasonic testing device according to one of the preceding claims, characterized in that the transmitter (1) and receiver (3) operate in pulse-echo mode work.
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