DE4130908A1 - Verfahren zur bestimmung der akustischen anisotropie und messvorrichtung zur durchfuehrung dieses verfahrens - Google Patents

Verfahren zur bestimmung der akustischen anisotropie und messvorrichtung zur durchfuehrung dieses verfahrens

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DE4130908A1
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Yoshitaka Yabe
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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Ver­ fahren zur Bewertung der akustischen Anisotropie von Kon­ struktions- bzw. Baumaterialien sowie eine Vorrichtung für diesen Zweck. Sie ist besonders nützlich für die Ultraschal­ linspektion von Schweißverbindungen in Architekturkonstruk­ tionen und Ingenieurbauwerken, bei denen eine akustische Anisotropie des zu prüfenden Materials Schwierigkeiten im Hinblick auf die Interpretation der Untersuchungsergebnisse bereitet.
Die modernen technologischen Fortschritte haben die Anforde­ rungen an das Verhalten von Hochbauten, die komplizierte Datenübertragungseinrichtungen enthalten, erhöht. Derartige Bauwerke müssen ihre konstruktive Integrität unter sehr viel härteren Belastungen, einschließlich seismischer Belastun­ gen, bewahren als herkömmliche Baukonstruktionen. Bei einer steigenden Zahl von modernen Gebäuden werden hochfeste Baustähle verwendet, und die Bauherren greifen zu Ultra­ schalltechniken, um die Integrität der Schweißverbindungen zu prüfen. Die Wirksamkeit der Ultraschall-Prüfverfahren wirkt sich daher direkt auf die Produktivität derartiger Bauprojekte aus.
Typisch für Materialien für Gebäude sind hochfeste Stähle, die nach Verfahren mit thermomechanischer Steuerung (thermo­ mechanical control processes; Kurzbezeichnung der Stähle: TMCP-Stähle) hergestellt werden. Diese Stähle werden dadurch hergestellt, daß man sie bei Temperaturen unterhalb derer, die für normale warmgewalzte Stähle üblich sind, walzt, wodurch Stähle erhalten werden, die eine hohe akustische Anisotropie aufweisen. In derartigen Stählen ist die Ge­ schwindigkeit der Ausbreitung des Ultraschallstrahls in der Längsrichtung und in der Querrichtung unterschiedlich. Es ist schwierig, derartige Stähle mit Ultraschall-Prüftechni­ ken zu untersuchen, weil die Unterschiede der Ausbreitungs­ geschwindigkeit in den beiden Richtungen zu einer Fehlinter­ pretation der Ergebnisse der Ultraschallinspektion aufgrund falscher Brechungen verführen. Es besteht daher bereits seit langem ein Bedarf nach einer Verfahrensweise für die Schweißprüfung bzw. eine dafür geeignete Vorrichtung, die eine schnelle und genaue Prüfung von Schweißverbindungen bei derartigen TMCP-Stählen gestatten.
Die Verfahren zur Schweißverbindungsprüfung bei akustisch anisotropen Stählen sind standardisiert in dem Japanischen Industriestandard (JIS) Nr. Z 3060, nachfolgend kurz als JIS bezeichnet, mit dem Titel "Verfahren zur manuellen Ultra­ schallprüfung und Klassifizierung von Testergebnissen für Schweißverbindungen ferritischer Stähle". Ultraschall-Prüf­ techniken sind außerdem auch in anderen Standards definiert, und zwar den "Standards für die Ultraschallinspektion von Schweißfehlern in Stahlkonstruktionen", veröffentlicht vom Architekteninstitut von Japan, nachfolgend kurz AIJ genannt.
In dem JIS wird eine Querstrahl-Normalsonde, die durch die Dicke hindurchtretende Strahlen erzeugt (nachfolgend als senkrechtwirkend bezeichnet), dazu verwendet, die Geschwin­ digkeit (Csl) in der primären Walzrichtung (d. h. in der Längsrichtung) zu messen, und danach mißt die Sonde eine Querstrahlgeschwindigkeit (Csc), woraus ein Schallgeschwin­ digkeitsverhältnis (Csl/Csc) errechnet wird, um festzustellen, ob eine akustische Anisotropie vorliegt. Von einem Material wird dann angenommen, daß es eine akustische Anisotropie aufweist, wenn dieses Verhältnis den Wert 1,02 überschrei­ tet. Als nächstes werden die Brechungswinkelwerte des Mate­ rials, die unter Verwendung eines Paars von Winkelsonden nach dem sogenannten "V-Durchscanverfahren" erhalten werden, korrigiert, indem man den gemessenen Wert für die akustische Anisotropie und den Standardtestblock (STB) verwendet. Es bestehen ferner gesetzliche Vorschriften, die die Eichung der Meßvorrichtung mit einem Vergleichstestblock (RB-4) sowie die Verwendung von Sonden mit einem Brechungswinkel von 60° betreffen.
Die AIJ-Vorschrift fordert ebenfalls die Verwendung des STB und des Schallgeschwindigkeitsverhältnisses, um die gemesse­ nen Brechungswinkel der Probe zu korrigieren.
Diese Verfahren für die TMCP-Stähle sind sehr viel kompli­ zierter und zeitaufwendiger als für normale Stähle, da sie auf einem Zweistufenverfahren beruhen, indem man nämlich zuerst den Grad der akustischen Anisotropie bestimmt und dann die Korrekturen der gemessenen Brechungswinkel durch­ führt. Derartige Anforderungen an das Prüfprotokoll wirken sich negativ auf die Wirtschaftlichkeit der Prüfung aus und erhöhen schließlich die Gesamtkosten von Bauvorhaben, bei denen TMCP-Stähle verwendet werden.
Weitere praktische Probleme bei den existierenden Verfahren zur Bestimmung der akustischen Anisotropie werden nachfol­ gend erläutert.
Bei den Messungen des Schallgeschwindigkeitsverhältnisses Csl/Csc, aus dem die akustische Anisotropie erhalten wird, ist es nötig, die Werte von Csl und Csc sehr genau zu messen. Diese Operation erfordert außerordentlich viel Zeit und trägt erheblich zur Verlängerung des Prüfzeitraums und damit schließlich zu einer Verminderung der Produktivität des Bauvorhabens bei.
Außerdem fordert der JIS die Verwendung eines Vergleichs­ testblocks (RB-4), um die Prüfvorrichtung zu eichen, und diese Anforderung konnte an Ort und Stelle in der Umgebung von Bautätigkeiten außerordentlich schwierig erfüllt werden. Das erhöhte die Prüfkosten weiter.
Außerdem definieren die Prüfstandards die Verwendung von entweder einer 60° oder einer 65° Sonde, und zwar ohne Rücksicht auf den Grad der akustischen Anisotropie des Konstruktionsmaterials. Obwohl Konstruktionsmaterialien in einer großen Vielzahl von unterschiedlichen Formen vorkommen (beispielsweise H-Träger, rechteckige Träger und Rohre) und ihre Biegungswinkel und Dicken einzeln berücksichtigt werden müssen, um die besten Ergebnisse zu erhalten, ist es nicht gestattet, Sonden mit anderen Winkeln zu verwenden.
Der ernsteste Nachteil des gegenwärtigen Verfahrens besteht darin, daß trotz der allgemeinen Anerkennung der Bedeutung einer derartigen Prüfung das Verfahren der Bestimmung der akustischen Anisotropie nur in großen Bauprojekten angewandt wird, da die gegenwärtige Vorgehensweise für die allgemeine Bauindustrie nicht interessant ist.
Die vorliegende Erfindung schafft Lösungen für die obigen Probleme, die durch die gegenwärtige Vorgehensweise bei der Bestimmung der akustischen Anisotropie von hochfesten Bauma­ terialien bedingt sind. Die Vorgehensweise gemäß der vor­ liegenden Erfindung kann nicht nur auf Architektur- und Ingenieur-Bauten angewandt werden, sondern kann auch auf andere allgemeine Konstruktionsvorhaben übertragen werden, beispielsweise die Herstellung von Schiffen und Schwerma­ schinen.
Genauer gesagt, betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur einfachen und schnellen Bestimmung der akustischen Anisotropie von Materialien.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung des Grads der akustischen Anisotropie in einem Konstruktionsmaterial 21 mit einem einzigen Meßumformer weist die Schritte auf:
  • a) Einstrahlen von zwei zueinander senkrechten Strahlen von Ultraschallpulsen senkrecht in ein Material 21, wobei die Ausbreitungsrichtung eines der beiden Puls­ strahlen mit der Hauptwalzrichtung des Materials 21 zusammenfällt;
  • b) gleichzeitiges Erfassen der reflektierten Pulse in der Längs- bzw. Querrichtung und Errechnen der Ge­ schwindigkeiten der sich ausbreitenden Pulse, Csl und Csc in der Längs- bzw. Querrichtung sowie Errechnen eines Verhältnisses von (Csl/Csc) für das Material;
  • c) Errechnen des Geschwindigkeitsverhältnisses (C/Vstb) in einem Standardtestblock (STB) aus einer vorher bestimmten experimentellen Beziehung der Geschwindig­ keitsverhältnisse zwischen dem Material und dem STB, worin C eine Konstante für den STB ist und Vstb die Geschwindigkeit der Pulse in dem STB ist;
  • d) Bestimmen der Abweichung des Brechungswinkels (R-Rstb), beruhend auf einer vorher bestimmten expe­ rimentellen Beziehung des genannten Geschwindigkeits­ verhältnisses (C/Vstb) und den Brechungswinkeln in dem STB, worin R der Brechungswinkel in dem Material ist und Rstb der Brechungswinkel in dem STB ist; und
  • e) Bestimmen des Grades der akustischen Anisotropie in dem Material 21 aus der gemessenen Abweichung beim Wert für die Brechungswinkel gegenüber den Standards in Stufe (d).
Das Verfahren kann auch zur Bestimmung der akustischen Anisotropie mit zwei Meßumformern verwendet werden, und zwar mit einer Sendersonde und einer Empfängersonde, in einem Konstruktionsmaterial 11 durch die Stufen:
  • a) Einstrahlen eines Ultraschall-Fehlersuchstrahls von Pulsen (nachfolgend Suchstrahl) in ein Material 11 unter einem geneigten Winkel zu der Hauptwalzrichtung des Materials 11;
  • b) gleichzeitiges Messen der Geschwindigkeiten der re­ flektierten Pulse in der Längs- bzw. der Querrich­ tung, Csl und Csc;
  • c) Erhalten der Brechungswinkel (Rl, Rc) von zueinander senkrechten Suchstrahlen und des Unterschieds (ΔR) ihrer Brechungswinkel, auf der Basis der Messungen aus (b); und
  • d) Feststellen des Grades oder des Fehlens einer akusti­ schen Anisotropie in dem Material 11.
Diese Verfahrensweise ist anwendbar auf das vertikal wirken­ de Scherwellensonden-Verfahren (vertically-acting shear wave probe method-VAM); das Winkelsondenverfahren mit einer Sonde (SAM1) und das Winkelsondenverfahren mit zwei Sonden (SAM2). Das Verfahren stellt ein schnelles und vereinfachtes Ver­ fahren zur Bestimmung der akustischen Anisotropie in Kon­ struktionsmaterialien dar, wenn man es mit den herkömmlichen Verfahren vergleicht.
Die vorliegende Erfindung schafft auch eine Vorrichtung A zur Durchführung der oben beschriebenen Stufen zur Bestim­ mung des Grads der akustischen Anisotropie in einem Material 21.
Die Vorrichtung A weist auf:
  • a) eine Generatoreinrichtung zur Erzeugung zweier zuein­ ander senkrechter Ultraschallpulse;
  • b) eine senkrecht wirkende Scherwellensonde 22 zum senk­ rechten Einstrahlen eines Pulsstrahls in das Material 21 und zum Nachweis des reflektierten Strahls in der Längs- und Querrichtung gleichzeitig;
  • c) eine Einstrahleinrichtung zum Einstrahlen eines Puls­ strahls unter einem Winkel zu der Hauptwalzrichtung eines Materials 11;
  • d) eine Nachweiseinrichtung 1 mit einer Winkelsonde 12 zum gleichzeitigen Nachweis der reflektierten Strah­ len in Längs- bzw. Querrichtung;
  • e) eine Entscheidungseinrichtung 11 zur Bestimmung des Grads der akustischen Anisotropie in dem genannten Material 21 auf der Basis der Information, die aus dem STB-Geschwindigkeitsverhältnis und der Größe der Abweichungen bei den STB-Brechungswinkeln erhalten wurde;
  • f) eine Entscheidungseinrichtung 12 und 13 zur Bestim­ mung des Grads einer akustischen Anisotropie in dem genannten Material 11 auf der Basis der Information, die aus den Brechungswinkeln und den Abweichungen der Brechungswinkel abgeleitet wurde;
  • g) eine Anzeigeeinrichtung 7 zum Anzeigen der errech­ neten Ergebnisse;
  • h) eine Selektiereinrichtung gemäß einer Eingabe aus der Befehlseinrichtung 3 zum Selektieren eines Verfahrens zur akustischen Anisotropiebestimmung aus einer Grup­ pe von Verfahren, die aus dem vertikal wirkenden Scherwellensondenverfahren, dem Winkelsondenverfahren mit einer Sonde und dem Winkelsondenverfahren mit zwei Sonden besteht.
Mit der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, den Grad der akustischen Anisotropie in den Materialien 21 und 11 schnell und einfach zu bestimmen, wodurch man erheblich zur Wirtschaftlichkeit von ortsfesten Konstruktionsprojekten beiträgt. Verglichen mit der herkömm­ lichen Vorrichtung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung kompakt und einfach zu bedienen, was erheblich zur Verminde­ rung der Prüfkosten und der Dauer von Bauvorhaben beiträgt.
Das Verfahren mit einer einzigen Winkelsonde erfordert keine spezielle Suchstrahleinrichtung oder -koppler, und es kann innerhalb des Rahmens der Methodik des herkömmlichen Einzel- Winkelsondenverfahrens angewandt werden.
Die Vorrichtung gestattet auch die Verwendung einer Winkel­ sonde mit einem Winkel von 45° oder 70°, die mit den her­ kömmlichen Ultraschall-Fehlersuchausrüstungen nicht ange­ wandt werden konnten.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen anhand von Figuren erläu­ tert, um die wichtigen Merkmale der vorliegenden Erfindung zu erklären.
In den Figuren ist:
Fig. 1 ein Blockdiagramm für eine Vorrichtung zur Bestimmung der akustischen Anisotropie.
Fig. 2 ein allgemeines Fließschema für die Bestim­ mung der akustischen Anisotropie.
Fig. 3 ein Fließschema für ein Computerprogramm zur Bestimmung der akustischen Anisotropie nach dem Verfahren mit vertikaler Scherwellensonde.
Fig. 4 ein Fließschema für ein Computerprogramm zur Bestimmung der akustischen Anisotropie nach dem Winkelson­ denverfahren.
Fig. 5(a) und (b) zeigen Teilschritte für die Logik­ einrichtung.
Fig. 6 eine Darstellung eines Einzelsondenverfah­ rens.
Fig. 7 eine Darstellung eines Vertikalsondenver­ fahrens.
Fig. 8 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen (Csl/Csc) und den Geschwindigkeitsverhältnissen im STB (C/Vstb) zeigt.
Fig. 9a) bis d) Diagramme, die die Beziehung zwischen den Geschwindigkeitsverhältnissen im STB (C/Vstb) und der Abweichung bei den Brechungswinkeln in STB (R-Rstb) zeigen.
Zuerst wird das Gesamtkonzept der Ultraschallprüfung in Fig. 1 erläutert, die ein Blockdiagramm der Hauptkomponen­ ten der Vorrichtung A zur Bestimmung der akustischen Aniso­ tropie von Materialien ist. Zu den Grundkomponenten gehören: eine Nachweiseinrichtung 1; eine Dateneingabeeinrichtung 2; eine Befehlseinrichtung 3; eine Recheneinrichtung 4; eine Speichereinrichtung 5; eine Datenausgabeneinrichtung 6; und eine Anzeigeeinrichtung 7.
Die Nachweiseinrichtung 1 ist so konstruiert, daß ein Dop­ pelstruktur-Schwingelement Ultraschallpulse in zwei zuein­ ander senkrechten Richtungen erzeugt, wobei eine strahler­ zeugende Vorrichtung einen Pulsstrahl in die Richtung ein­ strahlen kann, die mit der primären Walzrichtung des Prüfma­ terials zusammenfällt. Die Nachweiseinrichtung 1 besteht aus zwei Komponenten: Die erste Nachweiseinrichtung erzeugt einen senkrecht wirkenden Strahl von Scherwellen (VAM), und eine zweite Nachweiseinrichtung weist eine Winkelsonde auf, die Strahlen unter einem Winkel zu der Walzrichtung aus­ sendet. Der VAM weist eine spezielle Fähigkeit zum gleich­ zeitigen Nachweis der reflektierten Strahlen in der Längs­ richtung und in der Querrichtung in einem Schritt auf. Die Vorrichtung berechnet dann die Brechungswinkel des einge­ strahlten Strahls (81) und des reflektierten Strahls (Rc) in der primären Walzrichtung.
Die Dateneingabeeinrichtung 2 liefert Daten wie die Ge­ schwindigkeitswerte Csl und Csc in die Recheneinrichtung 4, die sie in die Speichereinrichtung 5 eingibt.
Die Befehlseinrichtung 3 enthält ein Bedienungspult und andere Einrichtungen, um eine Bedienung der Computerprogram­ me zu ermöglichen.
Die Recheneinrichtung 4 enthält Einrichtungen mit Rechen­ möglichkeiten und umfaßt Auswerteinrichtungen SP11, SP12 und SP13. Die Einrichtung SP11 bestimmt die akustische Anisotro­ pie auf der Basis des Geschwindigkeitsverhältnisses (Csl/Csc) oder das akustische Geschwindigkeitsverhältnis von STB (C/Vstb), wobei eines oder beide akustischen Geschwindig­ keitsverhältnisse (Csl/Csc) und (C/Vstb) des STB anhand der von der Nachweiseinrichtung gelieferten Daten errechnet wird (werden); und die Abweichung des Brechungswinkels (R-Rstb) wird anhand des akustischen Geschwindigkeitsverhältnisses des STB (C/Vstb) oder anhand des akustischen Geschwindig­ keitsverhältnisses Csl/Csc errechnet. Die Einrichtungen SP12 und SP13 bewerten die akustische Anisotropie auf der Basis des Unterschiedes der Brechungswinkel (R-Rc), worin R1 der Brechungswinkel in der Walzrichtung ist und Rc der Brechungs­ winkel senkrecht zur Walzrichtung ist.
Die Speichereinrichtung 5 enthält eine Datenspeichereinrich­ tung wie beispielsweise ein DRAM mit Sofortlese/Schreib- Fähigkeiten und speichert Daten wie die Messungen durch die Nachweiseinrichtung 1, verarbeitete Daten aus der Rechen­ einrichtung 4 sowie Datenbasen wie beispielsweise die vor­ gegebenen Prüfbedingungen.
Die Datenausgabeeinrichtung 6 liefert Daten wie die Meß­ daten, die aus der Dateneingabeeinrichtung 2 erhalten wur­ den, verarbeitete Daten aus der Recheneinrichtung 4 und gespeicherte Daten aus der Speichereinrichtung 5.
Die Anzeigeeinrichtung 7 enthält Einrichtungen wie LCD- und Digitalvorrichtungen zum Anzeigen von Daten aus der Daten­ eingabeeinrichtung 2, verarbeitete Daten aus der Rechen­ einrichtung 4 und gespeicherte Daten aus der Speicherein­ richtung 5.
Als nächstes wird der Betrieb der erfindungsgemäßen Vor­ richtung A zur Bestimmung der akustischen Anisotropie anhand der in den Fig. 2 bis 4 gezeigten Fließdiagramme erläu­ tert.
Zuerst wird das Gesamtsystem der Vorrichtung in dem Fließ­ diagramm gemäß Fig. 2 erläutert.
Mit Hilfe der Befehlseinrichtung 3 wählt die erste Stufe SP1 eine der drei Meßmethoden aus: eine Methode auf der Basis der VAM-Sonde; eine Methode auf der Basis der Einzel-Winkel­ sonde (abgekürzt als SAM1); und eine Methode auf der Basis von zwei Winkelsonden (abgekürzt als SAM2).
SAM1 stellt ein verbessertes Arbeitsverfahren für die - JIS-Methode mit zwei Winkelsonden in Kombination mit dem V-Durchscannen dar. Dieses Verfahren besteht darin, eine Sender-Winkelsonde 12 in einem Abstand von einer Empfänger­ sonde 13 anzuordnen und die Sonde 12 in Richtung eines nachzuweisenden Fehlers auf der oberen Oberfläche 11a eines Stahlbauteils 11 auszurichten, wie in Fig. 6 gezeigt ist. Ein Ultraschall-Pulsstrahl wird in das Stahlbauteil 11 unter einem Winkel 8 eingestrahlt, und die Stellung der Winkelson­ de 12 wird so eingerichtet, daß eine Maximalamplitude für das Echo, das aus der Empfängersonde 13 reflektiert wird, erhalten wird. Der Winkel R wird durch die folgende Bezie­ hung zwischen der Dicke t des Stahlbauteils 11 und dem Abstand Y zwischen der Sendersonde 12 und der Empfängersonde 13 definiert:
R = tan-1 (Y/2t).
Wenn auf dieser Stufe "VAM" mit Hilfe der Befehlseinrichtung 3 ausgewählt wird, wird die Stufe SP2 aktiviert, um das Programm für die vertikal wirkende Scherwelle "PR-VAM" in Betrieb zu setzen; wenn "SAM1" ausgewählt wird, ist das aktive Programm "PR-SAM1 " an Einrichtung SP3; und wenn "SAM2" ausgewählt wird, ist das aktive Programm "PR-SAM2" an SP4.
Als nächstes wird das Verfahren zur Bestimmung des Grads der akustischen Anisotropie in Konstruktionsmaterialien mit Hilfe der Vorrichtung A und des Verfahrens VAM unter Be­ zugnahme auf das in den Fig. 2 und 3 und die anderen für jedes Verfahren relevanten Figuren näher erläutert.
VAM-a) Vorbereitung für die Messungen
Die Anordnung der Sonden für das VAM ist in Fig. 7 gezeigt, wobei eine senkrecht wirkende Sonde 22 (erste Nachweisein­ richtung) an der oberen Kante 21a des Stahlmaterials 21 angeordnet wird. Eines der akustischen Schwingelemente 22 wird in der Haupt-Walzrichtung des Materials 21 ausgerich­ tet.
VAM-b) Messungen, Dateneingabe, Datenspeicherung
Mit Hilfe der Befehlseinrichtung 3 wird VAM ausgewählt, das seinerseits ein Programm "PR-VAM" in SP2 auswählt. Dieses Programm ermöglicht es, daß die Sonde 22 in das Material 21 zueinander senkrechte akustische Impulse einstrahlt, von denen einer mit der Haupt-Walzrichtung des Materials 21 zusammenfällt, um die Geschwindigkeiten der reflektierten Pulse aus den beiden Richtungen (Csl und Csc) zu errechnen.
Als nächstes werden in SP21 die Meßdaten wie Csl, Csc und weitere von der Sonde 22 aufgenommene Daten in die Rechen­ einrichtung 4 über die Eingabeeinrichtung 2 eingegeben, und die Daten werden in dem Speicherabschnitt 5 der Rechenein­ richtung 4 gespeichert.
VAM-c) Bestimmung von Csl/Csc
In SP22 errechnet die Recheneinrichtung 4 den Wert für Csl/Csc auf der Basis der Ergebnisse der Messungen von Csl und Csc.
VAM-d) Bestimmung von C/Vstb in stb
In SP23 wird unter Verwendung der vorher ermittelten experi­ mentellen Beziehung zwischen den Geschwindigkeitsverhältnis­ sen von akustischen Strahlen in dem Material (Csl/Csc) und in dem STB (C/Vstb), die in Fig. 8 gezeigt ist, der Wert für das Geschwindigkeitsverhältnis in dem STB (C/Vstb) aus dem gemessenen Geschwindigkeitsverhältnis des Materials (Csl/Csc) erhalten.
VAM-e) Bestimmung der Brechungswinkelabweichungen (R-Rstb) vom STB
In SP24 werden die Abweichungen beim Brechungswinkel (R-Rstb) des STB aus dem gemessenen Wert für das STB-Ge­ schwindigkeitsverhältnis (C/Vstb) von der Recheneinrichtung 4 gemäß der experimentellen Beziehung, die in Fig. 9 gezeigt ist, nämlich zwischen dem STB-Geschwindigkeitsverhältnis (C/Vstb) und der Abweichung beim Brechungswinkel (Δ = R-Rstb), erhalten.
(VAM-f) Bestimmung der akustischen Anisotropie
In SP25 bestimmt die Recheneinrichtung 4 den Grad der aku­ stischen Anisotropie gemäß JIS oder AIJ, und zwar auf der Basis der Messung des akustischen Geschwindigkeitsverhält­ nisses (Csl/Csc), das in SP22 erhalten wurde, oder auf der Basis des STB-Geschwindigkeitsverhältnisses (C/Vstb), das in SP23 erhalten wurde.
Wenn das errechnete Verhältnis außerhalb des von dem JIS vorgegebenen Wertes liegt, wird entschieden, daß eine aku­ stische Anisotropie vorhanden ist (YES), und wenn das Ver­ hältnis in den vorgegebenen Wert fällt, wird entschieden, daß keine akustische Anisotropie vorliegt (NO).
Die Stufen SP22 bis 25 bilden SP11 in der Auswertungsstufe SP11.
VAM-g) Datenspeicher, Eingabe/Ausgabe und Anzeige
Die Daten aus der vorhergehenden Auswertstufe SP11 (die SP21 bis einschließlich 25 entspricht) werden in der Speicher­ einrichtung 5 gespeichert, aus der die gewünschten Daten über eine Dateneingabe/Ausgabe-Einrichtung 6 auf der An­ zeigeeinrichtung 7 angezeigt werden.
Wenn man dem oben beschriebenen Verfahren folgt, ist es möglich, gemäß dem VAM zu ermitteln, ob in Stahlmaterialien 21 eine akustische Anisotropie vorliegt, und zwar unter Verwendung des die akustische Anisotropie feststellenden Geräts "A".
Als nächstes wird auf der Basis der obigen Auswertung der akustischen Anisotropie des Materials 21 eine Suche nach Fehlern in einer Schweißverbindung des Materials 21 durch­ geführt, wobei das herkömmliche Prüfgerät und die Winkelson­ de 12 verwendet wird. Um den Schweißfehler oder den Ort eines derartigen Fehlers zu bestimmen, wird der Brechungs­ winkel von STB aus der Winkelsonde 12 um die Größe der Abweichung (R-Rstb) korrigiert, die aus der oben beschrie­ benen Prozedur erhalten wurde.
Als nächstes wird die Vorgehensweise zur Bestimmung des Grads der akustischen Anisotropie unter Verwendung des Geräts A nach dem Verfahren mit einer einzigen Winkelsonde (SAM1) unter Bezugnahme auf die in den Fig. 2 bis 4 gezeigten Fließbilder erklärt.
(SAM1-a) Auswahl des Programms PR-SAM1
In SP3 wird "SAM1" mit Hilfe der Befehlseinrichtung 3 und des Ladens des Programms "PR-SAM1" ausgewählt.
(SAM1-b) Festlegung des Meßbereichs und Messung des STB-Brechungswinkels
Mit Hilfe des herkömmlichen akustischen Geräts und einer Winkelsonde 12 (Nachweiseinrichtung Nr. 2) werden die Ju­ stierungen des Meßbereichs und des Brechungswinkels von STB (Rstb) vorgenommen, und in SP31 werden die Daten in die Re­ cheneinheit 4 über die Eingabeeinrichtung 2 eingegeben. Die eingegebenen Daten werden in der Speichereinrichtung 5 gespeichert.
(SAM1-c) Vorbereitungen für die Messung
Wie in Fig. 6 gezeigt ist, werden auf der oberen Oberfläche 11a des Stahlmaterials 11 die Winkelsonde 12 sowie in einem gewissen Abstand davon eine Acryl-Empfängersonde 13 angeord­ net.
(SAM1-d) Bestimmung der Einstrahlabstände und der Dicke t des Materials
Unter einem Winkel zur Richtung des angenommenen Fehlers wird ein Strahl von Ultraschallpulsen in das Stahlbauteil 11 eingestrahlt, und die Stellung der Winkelsonde wird so justiert, daß ein Maximalwert für das Echo, das von der Empfängersonde 13 reflektiert wird, erhalten wird, wodurch ein Wert für den Einstrahlabstand Y erhalten wird.
In SP32 wird der obige Wert Y sowie der für die Dicke t des Stahlmaterials 11 in die Recheneinrichtung 4 über die Daten­ eingabeeinrichtung 2 eingegeben, und die Daten werden in der Speichereinrichtung 5 gespeichert.
(SAM1-e) Bestimmung des Brechungswinkels (R)
In SP33 errechnet die Recheneinrichtung 4 den Brechungs­ winkel (R) aus der folgenden Gleichung, indem man den Ein­ strahlabstand (Y), die Dicke des Stahlmaterials (t) in die Gleichung einsetzt:
R = tan-1 (Y/2t).
(SAM1-f) Auswahl der Methodik zur Bestimmung des Grads der akustischen Anisotropie
In SP34 wird entweder das JIS- oder das AIJ-Verfahren zur Bestimmung des Grads der akustischen Anisotropie gewählt. Die Auswahl erfolgt mit Hilfe der Befehlseinrichtung 3, und wenn das JIS-Verfahren gewählt wird, wird ein Unterprogramm SPR-JS1 in SP35 wirksam, und wenn AIJ gewählt wird, wird das andere Unterprogramm SPR-AJ1 in SP36 wirksam.
Es werden beide Arten der Methodik erklärt, wobei mit dem JIS-Verfahren begonnen wird, das in dem Unterprogramm SPR- JS1 in SP35 ausgeführt wird.
(SAM1-g) Bestimmung der Differenz (ΔR) des Brechungswinkels (R)
In SP41 wird der Unterschied (ΔR) zwischen den Werten für den Brechungswinkel (R1) in der Hauptwalzrichtung (Richtung L) und dem Wert (Rc) in der Querrichtung (Richtung C) des Stahlmaterials 11 bestimmt.
(SAM1-h) Bestimmung des Grads der akustischen Anisotropie
In SP42 wird der von der Recheneinrichtung 4 in SP41 erhal­ tene Wert für ΔR mit den JIS-Werten verglichen, um den Grad der akustischen Anisotropie in dem Material zu bestimmen. Wenn der gemessene Wert den angegebenen Wert überschreitet, wird entschieden, daß eine Anisotropie vorliegt (YES), und wenn der gemessene Wert innerhalb des vorgegebenen Wertbe­ reichs liegt, wird entschieden, daß keine Anisotropie vor­ liegt (NO). Die Stufen SP33 bis 35 bilden die Entscheidungs­ stufe SP12.
(SAM1-i) Datenspeicher, Eingabe/Ausgabe und Anzeige
Die in der Entscheidungsstufe SP12 erhaltenen Daten werden von der Recheneinrichtung 4 in die Speichereinrichtung 5 gegeben und werden auf der Anzeigeeinrichtung 7 angezeigt, wie über die Eingabe/Ausgabe-Einrichtung 6 gefordert wird.
Als nächstes wird die Stufe SP36 für das AIJ-Verfahren sowie das Unterprogramm SPR-AJ1 erklärt.
(SAM1-j) Bestimmung der Brechungswinkeldifferenz von STB (ΔRstb)
In SP43 wird der Unterschied zwischen den Werten für den gemessenen Brechungswinkel (R) und dem des STB (Rstb) mit Hilfe der Recheneinrichtung 4 erhalten, und dieser Wert wird für STB als (ΔRstb) bezeichnet.
(SAM1-k) Bestimmung des Verhältnisses (V//Vstb)
In SP44 wird das Schallgeschwindigkeitsverhältnis (V//Vstb) dadurch erhalten, daß man den Differenzwert (ΔRstb) der STB-Brechungswinkel in eine der folgenden Gleichungen einsetzt, die für die verwendete Winkelsonde 2 geeignet sind.
Fall 1 59° Rs 61°
V/Vstb = (119.14 + ΔRstb)/117.46
Fall 2 64° Rs 66°
V/Vstb = (170.70 + ΔRstb)/169.44
Fall 3 69° Rs 71°
V/Vstb = (184.67 + ΔRstb)/183.03
worin Rs der Winkel für die gegenseitige Durchdringung eines Hauptrohrs und eines Zweigrohrs ist.
(SAM1-1) Bestimmen des Grads der akustischen Anisotropie
In SP45 erfolgt die Bestimmung des Grads der akustischen Anisotropie mit Hilfe der Recheneinrichtung 4, und zwar anhand eines Vergleichs des STB-Geschwindigkeitsverhältnis­ ses (V/Vstb), das in SP44 erhalten wurde, mit dem, das in dem AIJ vorgegeben ist. Wenn das STB-Verhältnis den in AIJ vorgegebenen Wert überschreitet, wird entschieden, daß eine akustische Anisotropie vorliegt (YES), und wenn es innerhalb des vorgegebenen Wertes liegt, gibt es keine akustische Anisotropie (NO).
Die SP33, 34 und 36 bilden die Auswertstufe 13.
(SAM1-m) Datenspeicher, Eingabe/Ausgabe und Anzeige
Die in der Auswertstufe SP13 erhaltenen Daten werden von der Recheneinrichtung 4 an die Speichereinrichtung 5 geliefert und werden nach Anforderung über die Eingabe/Ausgabe-Ein­ richtung 6 auf der Anzeigeeinrichtung 7 angezeigt.
Indem man den oben beschriebenen Stufen folgt, ist es mög­ lich, den Grad der akustischen Anisotropie in Konstruktions­ materialien unter Verwendung des Geräts A zur Anisotropie­ bestimmung sowie einer einzigen Winkelsonde zu bestimmen.
Als Nächstes werden Versuchsergebnisse wiedergegeben, die die Effektivität des Geräts A im Betrieb bestätigen.
Tabelle 1 faßt fünf Betriebsarten des Geräts A zusammen, die während der oben erwähnten Tests ausgewertet wurden.
Tabelle 1
Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse der Bestimmung des Grads der akustischen Anisotropie mit Hilfe des Geräts A und mit Hilfe eines anderen bekannten benutzten Geräts X sowie den Grad der Übereinstimmung zwischen den beiden Geräten.
Tabelle 2
Diese Ergebnisse können wie folgt zusammengefaßt werden:
  • 1. Bei der K1-Arbeitsweise wurde festgestellt, daß die Werte für das STB-Geschwindigkeitsverhältnis, die von dem Gerät A geliefert wurden, dazu tendierten, um etwa 0,5% niedriger zu sein als diejenigen, die von dem Gerät X gelie­ fert wurden, wobei jedoch die Bestimmung des Grads der akustischen Anisotropie mit etwa 98% gut übereinstimmte.
  • 2. In der K2-Arbeitsweise gibt es einen gewissen Unter­ schied bei den von den beiden Geräten erhaltenen Ergebnis­ sen. Aus diesem Grund ist die Übereinstimmung mit 95% etwas niedriger.
  • 3. In der K3-Arbeitsweise zeigen die von dem Gerät A gemessenen Brechungswinkel die Neigung, etwa 0,6° niedriger zu sein als die, die von dem Gerät X gemessen werden. Die Übereinstimmung zwischen den beiden Geräten bei der Bestim­ mung des Grads der akustischen Anisotropie beträgt 97%.
  • 4. In der J1-Arbeitsweise stimmen die Geschwindigkeits­ verhältnisse zwischen den beiden Geräten extrem gut überein. Das führt zu einer perfekten Übereinstimmung zwischen den beiden Verfahrensweisen zur Bestimmung des Grads der akusti­ schen Anisotropie.
  • 5. In der J2-Arbeitsweise zeigen die von den beiden Geräten gemessenen Brechungswinkel einen Unterschied von etwa ±1°. Das führt bei der Bestimmung des Grads der akusti­ schen Anisotropie zu einer Übereinstimmung von 95% zwischen den beiden Geräten.
Die obigen Ergebnisse zeigen, daß das Gerät A in der Lage ist, die mit Hilfe einer herkömmlichen Ausrüstung erhaltenen Ergebnisse ausreichend gut zu verifizieren, so daß es als für die Praxis geeignetes Gerät angesehen werden muß.

Claims (13)

1. Verfahren zur Bestimmung der akustischen Anisotropie eines verarbeiteten Konstruktionsmaterials, um das Vorliegen einer akustischen Anisotropie in diesem Material zu bestim­ men, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
  • a) Anordnen eines Sende-Meßumformers und eines Empfänger-Meßumformers auf dem zu prüfenden Material,
  • b) gleichzeitiges Einstrahlen von zwei zueinan­ der senkrechten Ultraschallpulsen aus dem Sende-Meßumformer in das Material,
  • c) gleichzeitiges Empfangen der reflektierten Pulse in der Längs- bzw. Querrichtung mit dem Empfänger-Meßumformer,
  • d) Errechnen der Pulsgeschwindigkeiten aus dem Zeitraum für die reflektierten Pulse in der Längs- bzw. der Querrichtung
  • e) Errechnen eines Verhältnisses der Geschwin­ digkeiten in der Längs- und in der Querrich­ tung aufgrund der in Schritt (d) errechneten Geschwindigkeitswerte, und
  • f) Feststellen anhand der Ergebnisse von Stufe
  • e) daß eine akustische Anisotropie vor­ liegt, wenn das Verhältnis der Geschwindig­ keiten höher ist als ein vorgegebener Wert.
2. Verfahren zur Bestimmung des Vorliegens einer akusti­ schen Anisotropie nach Anspruch 1, bei dem der genannte vorgegebene Wert für das Geschwindigkeitsverhältnis 1,02 beträgt.
3. Verfahren zur Bestimmung des Vorliegens einer akusti­ schen Anisotropie in einem verarbeiteten Konstruktionsmate­ rial nach Anspruch 1, bei dem der genannte Sende-Meßumformer und der genannte Empfänger-Meßumformer in einer gemeinsamen Sondeneinheit untergebracht sind.
4. Verfahren zur Bestimmung des Vorliegens einer akusti­ schen Anisotropie in einem verarbeiteten Konstruktionsmate­ rial nach Anspruch 1, bei dem die Ausbreitungsrichtung des Pulsstrahles mit der Richtung der Dicke des Materials zu­ sammenfällt.
5. Verfahren zur Bestimmung des Vorliegens einer akusti­ schen Anisotropie in einem verarbeiteten Konstruktionsmate­ rial nach Anspruch 1, bei dem die Ausbreitungsrichtung des Pulsstrahls einen Winkel zur Hauptwalzrichtung des Materials aufweist.
6. Verfahren zur Bestimmung der akustischen Anisotropie in einem verarbeiteten Konstruktionsmaterial, um das Vor­ liegen einer akustischen Anisotropie in diesem Material zu bestimmen, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
  • a) Anordnen eines Sende-Meßumformers und eines Empfänger-Meßumformers an dem zu prüfenden Material,
  • b) gleichzeitiges Einstrahlen von zwei zueinan­ der senkrechten Strahlen von Ultraschallpul­ sen aus dem Sende-Meßumformer in das Materi­ al,
  • c) gleichzeitiges Empfangen der reflektierten Pulse in der Längs- bzw. Querrichtung mit dem Empfänger-Meßumformer,
  • d) Errechnen der Pulsgeschwindigkeiten aus dem Zeitraum für die reflektierten Pulse in Längs- bzw. Querrichtung,
  • e) Errechnen eines Verhältnisses der Geschwin­ digkeiten in der Längs- bzw. Querrichtung auf der Grundlage der in Stufe (d) errechneten Geschwindigkeitswerte,
  • f) Errechnen einer Abweichung des Brechungswin­ kels aufgrund einer vorher experimentell be­ stimmten Beziehung zwischen den Geschwindig­ keiten und den Brechungswinkeln, und
  • g) Feststellen des Vorliegens einer akustischen Anisotropie, wenn der Unterschied der Bre­ chungswinkel höher ist als ein vorgegebener Wert.
7. Verfahren zur Bestimmung des Vorliegens einer akusti­ schen Anisotropie in einem verarbeiteten Konstruktionsmate­ rial nach Anspruch 6, bei dem der genannte vorgegebene Wert 2° beträgt.
8. Vorrichtung zur Bestimmung des Vorliegens einer akustischen Anisotropie in einem verarbeiteten Konstruk­ tionsmaterial, wobei die Vorrichtung aufweist
  • a) eine Pulserzeugungseinrichtung zur gleichzei­ tigen Erzeugung von zwei zueinander senkrech­ ten Pulsen,
  • b) eine Pulsnachweiseinrichtung zum gleichzeiti­ gen Nachweis von reflektierten Pulsen der beiden zueinander senkrechten Pulse,
  • c) eine Befehlseinrichtung zur Auswahl eines Rechenprogramms zur Anpassung an einen Prüf­ standard,
  • d) eine Recheneinrichtung zum Errechnen von Ge­ schwindigkeiten von sich im Material ausbrei­ tenden Pulsen,
  • e) eine Anzeigeeinrichtung zur Datenanzeige,
  • f) eine Logikeinrichtung zur Entscheidung über das Vorliegen einer akustischen Anisotropie in dem Material aufgrund eines Vergleichs der erhaltenen Werte mit vorher experimentell bestimmten Daten für einen Standard-Prüf­ block.
9. Vorrichtung zur Bestimmung des Vorliegens einer akustischen Anisotropie in einem verarbeiteten Konstruk­ tionsmaterial nach Anspruch 8, bei der die Pulserzeugungs­ einrichtung ein Ultraschallpulsgenerator ist.
10. Vorrichtung zur Bestimmung des Vorliegens einer akustischen Anisotropie in einem verarbeiteten Konstruk­ tionsmaterial nach Anspruch 8, bei der die Pulserzeugungs­ einrichtung und die Pulsnachweiseinrichtung in einer gemein­ samen Gehäuseeinheit untergebracht sind.
11. Vorrichtung zur Bestimmung des Vorliegens einer akustischen Anisotropie in einem verarbeiteten Konstruk­ tionsmaterial nach Anspruch 8, bei der die Pulserzeugungs­ einrichtung gleichzeitig zwei zueinander senkrechte Pulse erzeugt.
12. Vorrichtung zur Bestimmung des Vorliegens einer akustischen Anisotropie in einem verarbeiteten Konstruk­ tionsmaterial nach Anspruch 8, bei der die Recheneinrichtung Programmierstufen aufweist, um eine Anpassung an in einem Prüfstandard festgelegte Methoden zu ermöglichen, ein­ schließlich der in den beiden Gruppen von Prüfstandards, wie sie durch JIS (Japanese Industrial Standard) und AIJ (Ar­ chitectural Institut of Japan) festgelegt sind, vertretenen Methoden.
13. Vorrichtung zur Bestimmung des Vorliegens einer akustischen Anisotropie in einem verarbeiteten Konstruk­ tionsmaterial nach Anspruch 8, bei der das Programm Rechen­ stufen für die Ultraschallprüfung einer akustischen Aniso­ tropie gemäß öffentlich-rechtlichen Standards enthält.
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