DE3217947C2 - Method and device for determining the depth of surface cracks - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung geht von der Tatsache aus, daß Oberflächenwellen eine von ihrer Frequenz abhängige Eindringtiefe besitzen. Um die Tiefe (T) von Oberflächenrissen (30) zu ermitteln, wird daher zunächst, vorzugsweise mit Hilfe eines Lasers, ein Ultraschall-Oberflächenwellenimpuls mit breitem Frequenzspektrum erzeugt und anschließend dann, bei Messung in Transmission, das durch den Riß (30) nicht abgeschattete Frequenzspektrum des empfangenen Ultraschallimpulses ermittelt.The invention is based on the fact that surface waves have a penetration depth that is dependent on their frequency. In order to determine the depth (T) of surface cracks (30), an ultrasonic surface wave pulse with a broad frequency spectrum is generated first, preferably with the aid of a laser, and then, when measured in transmission, the one not shaded by the crack (30) Frequency spectrum of the received ultrasonic pulse determined.
Description
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch !,dadurch gekennzeichnet.2. Device for performing the method according to claim!, Characterized.
2525th
daß zur Bestimmung des Frequenzspektrums (600) des empfangenen Ultraschallimpulses mehrere Bandfilter (13,14,15) vorgesehen sind, deren Bereiche Af\, Ah,..., Afn derart gewählt sind, daßthat to determine the frequency spectrum (600) of the received ultrasonic pulse several band filters (13,14,15) are provided, the ranges Af \, Ah, ... , Af n are chosen such that
3030th
ist, wobei Af die Bandbreite des Sendeimpulsspektrums
(60) bedeutet, und
daß jedem der Bandfilter (13, 14, 15) eine Anzeigevorrichtung (16, 17, 18) nachgeschaltet
ist, die die Amplitude des entsprechenden spektralen Anteils des empfangenen Ultraschallimpulses
anzeigt.is, where Af means the bandwidth of the transmission pulse spectrum (60), and
that each of the band filters (13, 14, 15) is followed by a display device (16, 17, 18) which displays the amplitude of the corresponding spectral component of the received ultrasonic pulse.
3535
4545
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Rißtiefe von Oberflächenrissen mit Hilfe von an der Oberfläche sich ausbreitenden impulsförmigen Ultraschallwellen. Die Erfindung bezieht sich ferner auf Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for determining the crack depth of surface cracks with the aid of an Surface of propagating pulse-shaped ultrasonic waves. The invention also relates to Device for carrying out the method.
Aus dem Artikel von W. C. Minton »Inspection of Metals With Ultrasonic Surface Waves«, nondestructive testing 12 (1954), Seite 13-16 ist bekannt, daß die Eindringtiefe von Oberflächenwellen etwa gleich ihrer Wellenlänge ist. Die Ausnutzung dieser Tatsache zur Bestimmung der Tiefe von Oberflächenrissen mit Hilfe des Impuls-Echo-Verfahrens, erschien dem Verfasser auf einfache Weise nicht möglich.From the article by W. C. Minton "Inspection of Metals With Ultrasonic Surface Waves", nondestructive testing 12 (1954), pages 13-16 it is known that the depth of penetration of surface waves is approximately equal to their Wavelength is. Taking advantage of this fact to help determine the depth of surface cracks the impulse-echo method, seemed to the author not possible in a simple way.
Es ist ferner bekannt, daß Oberflächenwellen sowohl durch piezoelektrische Schwinger (vgl. J. & H. Krautkrämer, »Werkstoffprüfung mit Ultraschall«, 3. neubearbeitete Auflage (1975), Seite 332 ff.) als auch durch Laserlicht-Impulse (vgl. A. M. Aindow, »Laser-generated ultrasonic pulses at free metal surfaces«, J. Acoust. Soc. Am. 69 (2), Feb. 1981, Seite 449-455) erzeugt werden können. Einen Hinweis auf die Tiefenbestimmung von Oberflächen- oder oberflächennahen Rissen, kann diesen Druckschriften nicht entnommen werden.It is also known that surface waves are caused by piezoelectric oscillators (cf. J. & H. Krautkrämer, "Material testing with ultrasound", 3rd revised edition (1975), page 332 ff.) As well by laser light pulses (see A. M. Aindow, "Laser-generated ultrasonic pulses at free metal surfaces", J. Acoust. Soc. At the. 69 (2), Feb. 1981, pages 449-455) can be generated. A reference to the These publications cannot determine the depth of surface or near-surface cracks can be removed.
Aus der Zeitschrift Materialprüfung (1973), Nr. 2, Febr, Seite 41, F i g. 6 ist es bekannt, Ultraschallwellen durch Laserblitze zu erzeugen und mittels eines optischen Interferometers die entsprechenden Ultraschallechos zu detektieren. Auch die DE-OS 30 16 878 offenbart einen optoakustischen Wandler, der im wesentlichen aus einem Interferometer besteht und zum Empfang von Ultraschallsignalen dient. -From the magazine Materialprüfung (1973), No. 2, Febr, page 41, F i g. 6 it is known to generate ultrasonic waves by laser flashes and to detect the corresponding ultrasonic echoes by means of an optical interferometer. DE-OS 30 16 878 also discloses an optoacoustic transducer which essentially consists of an interferometer and is used to receive ultrasonic signals. -
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art anzugeben, mit dem eine Aussage über die Tiefe georteter Oberflächenrisse möglich istThe present invention is based on the object of providing a method of the type mentioned at the beginning with which a statement about the depth of localized surface cracks is possible
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöstAccording to the invention, this object is achieved by the characterizing part of claim 1
Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens offenbaren die Ansprüche 4 und 5.Devices for performing the method are disclosed in claims 4 and 5.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und mit Hilfe von Figuren beschrieben. Es zeigtFurther advantages and details of the invention are given below with reference to exemplary embodiments and described with the help of figures. It shows
F i g. 1 eine bevorzugte Anordnung zur Durchführung des erfinuungsgemäßen Verfahrens;F i g. 1 shows a preferred arrangement for carrying out the method according to the invention;
Fig.2a bis 2c schematische Darstellungen der Frequenzspektren der erzeugten und empfangenen Ultraschall-Oberflächenwellen sowie die Durchlaßbereiche vcn 3 Bandfiltern, die zur Auswertung der empfangenen Ultraschallwellen verwendet werden;2a to 2c are schematic representations of the frequency spectra of the generated and received Ultrasonic surface waves and the transmission ranges of 3 band filters, which are used to evaluate the received ultrasonic waves are used;
Fig.3 eine weitere Anordnung zur Bewertung der empfangenen Oberflächen wellen;3 shows a further arrangement for evaluating the received surface waves;
Fig.4 die Durchlaßbereiche der drei in Fig.3 dargestellten Bandfilter; undFig.4 the transmission ranges of the three in Fig.3 illustrated band filter; and
F i g. 5 eine bevorzugte Anordnung des Sendelasers, zur Erzeugung gerichteter Oberflächenwellen.F i g. 5 shows a preferred arrangement of the transmission laser for generating directed surface waves.
In F i g. 1 ist mit 1 ein erster Laser (Sendelaser) bezeichnet, dessen Licht 2 auf das zu prüfende Werkstück 3 an dem mit 4 gekennzeichneten Ort fällt und in dem Werkstück außer Longitudinal- und Transvcrsalwellen 5 auch Oberflächenwellen 6 erzeugt.In Fig. 1, 1 denotes a first laser (transmitter laser), the light 2 of which is directed at the one to be tested Workpiece 3 falls at the location marked 4 and in the workpiece except longitudinal and Transvcrsalwellen 5 also generates surface waves 6.
Diese Oberflächenwellen 6 werden dann mit Hilfe eines Laufzeitinterferometers 7 an einem zweiten mit 8 gekennzeichneten Ort empfangen. Der Abstand D zwischen den mit 4 und 8 bezeichneten Orten, zwischen denen sich der mit 30 gekennzeichnete Riß befindet, betrug bei praktischen Meßversuchen etwa 2—3 cm. Als Sendelaser 1 wurde ein Excimer-Laser (λ = 248 nm) mit. einer Impulsbreite von 30 ns verwendet.These surface waves 6 are then received with the aid of a transit time interferometer 7 at a second location marked 8. The distance D between the locations marked 4 and 8, between which the crack marked 30 is located, was about 2-3 cm in practical measurement tests. An excimer laser (λ = 248 nm) was used as the transmission laser 1. a pulse width of 30 ns is used.
Der Empfang von Ultraschallwellen mit Hilfe eines Laufzeitinterferometers 7 ist beispielsweise aus der DE-OS 24 57 253 bekannt: Ein zweiter Laser (Emp fangslaser) 9 bestrahlt hierbei die Werkstoffoberfläche an dem mit 8 gekennzeichneten Ort. Als Laser kann beispielsweise ein NdYAG-Laser (A= 1,06 μιη) verwendet werden. Das von der Oberfläche gestreute und durch die Ultraschallwelle modulierte Licht 10 gelangt in das eigentliche Laufzeitinterferometer 7. Am Ausgang des Interferometers ergeben sich Lichtschwankungen, die den Schwankungen der Ultraschallwelle entsprechen, so daß sich am Ausgang der Fotozelle 11 elektrische Signale ergeben, die ebenfalls den Schwankungen der Ultraschallwelle entsprechen. Diese elektrischen Signale werden über einen Breitbandverstärker 12 mehreren Bandfiltern 13, 14, 15 mit nachgeschalteten Anzeigevorrichtungen 16, 17, 18 zugeführt.The reception of ultrasonic waves with the aid of a transit time interferometer 7 is, for example, from DE-OS 24 57 253 known: A second laser (Emp catch laser) 9 irradiates the material surface at the place marked with 8. A NdYAG laser (A = 1.06 μm), for example, can be used as the laser will. The light 10 scattered from the surface and modulated by the ultrasonic wave arrives into the actual transit time interferometer 7. At the exit of the interferometer there are light fluctuations, which correspond to the fluctuations of the ultrasonic wave, so that at the output of the Photo cell 11 produce electrical signals that also correspond to the fluctuations of the ultrasonic wave. These electrical signals are transmitted to several band filters 13, 14, 15 via a broadband amplifier 12 downstream display devices 16, 17, 18 supplied.
Die Wirkungsweise der in F i g. I dargestellten Anordnung soll im folgenden mit Hilfe der F i g. 2a bis 2c näher erläutert werden:The mode of operation of the in F i g. I will be shown in the following with the help of F i g. 2a to 2c are explained in more detail:
F i g. 2a zeigt das Frequenzspektrum 60 eines mit dem Laser 1 erzeugten Oberflächenwellen-Impulses an dem mit 4 bezeichneten Ort (Fig. 1). Da dieser Ort relativ nahe bei dem Empfangsort 8 ist, ist die; Beeinflussung des Frequenzspektrums 60 gering, solange sich zwischen beiden Orten kein Riß befindet Sobald allerdings ein Riß 30 auftritt, wird aufgrund der Abhängigkeit zwischen der Eindringtiefe und der Wellenlänge der Oberflächenwelle ein hoher Prozentsatz der hohen Frequenssn durch den Riß abgeschattet. Es gelangen also nur solche Oberflächenwellen an den mit 8 bezeichneten Ort für die λ größer als die Tiefe des Risses Tist Der am Ort 8 empfangene Ultraschallimpuls besitzt daher beispielsweise das in Fig.2b mit 600 bezeichnete Frequenzspektrum.F i g. 2a shows the frequency spectrum 60 of one with the Laser 1 generated surface wave pulse at the location designated 4 (Fig. 1). Because this place is relative is close to the receiving location 8, is the; Influence on the frequency spectrum 60 small as long as there is no crack between the two locations, however, as soon as a crack 30 occurs, is due to the dependence between the depth of penetration and the wavelength of the Surface wave a high percentage of the high frequenciessn shadowed by the crack. Get it So only such surface waves at the place designated by 8 for the λ greater than the depth of the Risses Tist The ultrasonic pulse received at location 8 therefore has, for example, that in FIG. 2b with 600 designated frequency spectrum.
Eine in der Praxis bewährte Möglichkeit der Auswertung des empfangenen Frequenzspektrums zur riefenbestimmung von Rissen erfolgt mit Hilfe der in F i g. 1 mit 13, 14, 15 bezeichneten Bandfilter, deren Durchlaßkurven 13', 14', 15', in Fig. 2c dargestellt sind. Der gesamte Durchlaßbereich aller Bandfilter zusammen, d. h.:A way of evaluating the received frequency spectrum that has proven itself in practice Determination of cracks in cracks is carried out with the aid of the method shown in FIG. 1 with 13, 14, 15 designated band filter, whose Transmission curves 13 ', 14', 15 ', are shown in Fig. 2c. The total pass band of all bandpass filters together, i. H.:
Σ Λ frΣ Λ fr
soll in etwa das Frequenzspektrum 60 des erzeugten Oberflächenwellenimputees überdecken.should cover approximately the frequency spectrum 60 of the generated surface wave impute.
Mit Hilfe eines nicht dargestellten Teststückes, in dem sich mehrere Risse definierter Tiefe T befinden, wird dann festgestellt, welche Anzeigen die den Bandfiltern 13, 14, 15 nachgeschalteten Anzeigevorrichtungen 16, 17, 18 ergeben. Bei Messungen an Werkstücken mit unbekannten Rissen, werden anschließend die gemessenen Werte mit den vorher mit Hilfe des Teststückes bestimmten Werten verglichen und die Rißtiefe Γ der unbekannten Risse 30 abgeschätztWith the aid of a test piece, not shown, in which there are several cracks of a defined depth T , it is then determined which displays are produced by the display devices 16, 17, 18 connected downstream of the band filters 13, 14, 15. In the case of measurements on workpieces with unknown cracks, the measured values are then compared with the values previously determined with the aid of the test piece, and the crack depth Γ of the unknown cracks 30 is estimated
Selbstverständlich können auch andere Verfahren zur Auswertung des Empfangsspektrums herangezogen werden. So ist in F i g. 3 dem Verstärker 12 ein aus drei Teilbandfiltern 190,191,192 bestehendes Bandfilter 19 nachgeschaltet, wobei sich die Du.chlaßkurven der einzelnen Teilbandfilter nur dadurch unterscheiden, daßOf course, other methods can also be used to evaluate the received spectrum will. Thus, in FIG. 3 to the amplifier 12 a band filter 19 consisting of three sub-band filters 190, 191, 192 downstream, whereby the Du.chlaßkurven of the differentiate individual sub-band filters only in that ihre niederfrequente Kante bei unterschiedlichen Frequenzen liegt (vgl. auch Fig.4, in der die den einzelnen Teilbandfiltern 190,191,192 entsprechenden niederfrequenten Kanten mit 190', 191' und 192' bezeichnet sind). Mit Hilfe des Schalters 20 könnentheir low-frequency edge at different Frequencies lies (cf. also FIG. 4, in which the corresponding to the individual sub-band filters 190, 191, 192 low-frequency edges are labeled 190 ', 191' and 192 '). With the help of the switch 20 can nacheinander die einzelnen Teilbandfilter 190,191,192 mit der Anzeigevorrichtung 21 verbunden und so die Breite des Frequenzspektrums 600 der empfangenen Ultraschallwellen abgeschätzt werden. Vorzugsweise wird wiederum vor der Durchführung der Messungenone after the other the individual sub-band filters 190, 191, 192 connected to the display device 21 and so the width of the frequency spectrum 600 of the received Ultrasonic waves are estimated. Again, it is preferable to perform the measurements an zu prüfenden Werkstücken, mit Hilfe eines Risse definierter Tiefe aufweisenden Testkörpers, eine Eichung der Filter vorgenommen. Jeder Schalterstellung entspricht dann ein bestimmter Tiefenwertebereich.on workpieces to be tested, with the aid of a test body having cracks of a defined depth, a Calibration of the filters made. Each switch position then corresponds to a certain depth value range.
Um eine gerichtete Anregung von Oberflächenwellen zu erreichen, wurde das zu prüfende Werkstück 3, wie in Fig.5 dargestellt, streifenförmig beleuchtet. Dieses kann dadurch geschehen, daß das Laserlicht 2 mit Hilfe einer Zylinderlinse 22 entsprechend fokussiert wird.In order to achieve a directional excitation of surface waves, the workpiece 3 to be tested was, as in Fig.5 shown, illuminated in strips. This can be done in that the laser light 2 is appropriately focused with the aid of a cylindrical lens 22.
Durch diese streifenförmige Beleuchtung wird erreicht, daß sich die erzeugten Oberflächenwellen vorzugsweise nur in den beiden in F i g. 5 angedeuteten Richtungen ausbreiten. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispie! betrug die Streifenbreite B des beleuchtetenThis strip-shaped illumination ensures that the surface waves generated are preferably only present in the two in FIG. 5 directions indicated. In the example described here! was the stripe width B of the illuminated Oberflächenbereichs 23 etwa 2 mm. Die Streifenlänge L betrug etwa 20 mm.Surface area 23 about 2 mm. The strip length L was about 20 mm.
Claims (1)
Priority Applications (1)
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| DE19823217947 DE3217947C2 (en) | 1982-05-13 | 1982-05-13 | Method and device for determining the depth of surface cracks |
Publications (2)
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| DE3217947A1 DE3217947A1 (en) | 1983-11-17 |
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Family Applications (1)
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