DE69807861T2

DE69807861T2 - Restspannungsmessverfahren

Info

Publication number: DE69807861T2
Application number: DE69807861T
Authority: DE
Inventors: Hormoz Ghaziary; Johann Haszler
Original assignee: Corus Aluminium Walzprodukte GmbH
Current assignee: Novelis Koblenz GmbH
Priority date: 1997-05-15
Filing date: 1998-05-15
Publication date: 2003-05-22
Anticipated expiration: 2018-05-16
Also published as: JP2002509607A; EP0981740B1; WO1998052032A1; DE69807861D1; JP3413603B2; CN1129793C; AU8105698A; EP0981740A1; US6234020B1; CN1261434A; EP0878710A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen von Restspannungen in einem metallischen Probekörper, bei dem mittels eines Ultraschall-Transducers eine Ultraschall- Eintrittswelle mit einer Grundfrequenz in eine Oberfläche des metallischen Probekörpers eingebracht wird, die Ultraschall-Eintrittswelle durch einen Eintrittswellendetektor gemessen wird und die nachfolgende Ultraschall- Austrittswelle durch einen Austrittswellendetektor gemessen wird und die gemessenen Werte der Ultraschall- Eintrittswelle und Ultraschall-Austrittswelle verwendet werden, um Restspannungen zu bestimmen.
Dieses Verfahren ist insbesondere verwendbar und geeignet, um die Werte und Verteilung von Restspannungen in einer ganzen Aluminiumplatte in einer nicht destruktiven Weise unter Verwendung der Ultraschall-Abtasttechniken zu bestimmen und aufzuzeichnen.
Gewalzte Aluminiumplatten werden routinemäßig für die Herstellung von komplexen Maschinenteilen verwendet. Die Verwendung von gewalzten Aluminiumplatten ist von besonderem Interesse für die Luftfahrt- und Raumfahrtindustrie wegen der im wesentlichen gleichförmigen und vorhersagbaren internen Struktur und mechanischen Eigenschaften im Vergleich zu denen von geschmiedeten oder gegossenen Primärprodukten aus Aluminium. Die Herstellung von Aluminiumplatten ist ein Prozeß mit vielen Schritten und umfaßt das Gießen von Gußblöcken, das Warmwalzen der Gußblöcke auf die gewünschte Dicke, normalerweise bis zu 275 mm, mehrere Schritte der Wärmebehandlung und die Anwendung einer mechanischen Bearbeitung wie Strecken oder Kaltkompression. Während des Verlaufs des Herstellungsprozesses werden Spannungen in der Platte erzeugt, die zum größten Teil durch eine Wärmebehandlung und die Anwendung von mechanischer Bearbeitung beseitigt werden. Einige Restspannungen können jedoch in der Platte verbleiben. In Abhängigkeit von der Größe der Restspannung kann die Unversehrtheit der Platte gefährdet werden. Beispielsweise werden während des Prozesses der Bearbeitung von komplexen Teilen aus Aluminiumplatten Restspannungen nach jedem Schritt des Bearbeitungsvorgangs entspannt. Dies führt jedesmal zu einigen Verzerrungen. Dies kann manchmal das bearbeitete Teil vollständig ungeeignet für die Anwendung, für welche sie bestimmt ist, machen. Für viele Teile, die aus gewalzten Aluminiumplatten hergestellt sind, beispielsweise diejenigen, die beim Luftfahrtbau verwendet werden, ist der Bearbeitungsvorgang ein komplexer und längerer Prozeß. Verzerrungen aufgrund von Restspannungen in den Platten werden oft entdeckt, wenn eine beträchtliche Materialmenge und Produktionszeit schon verbraucht worden sind. Es ist daher von großer Wichtigkeit sowohl für den Hersteller als auch für den Endverbraucher von Aluminiumplatten sicherzustellen, daß sich die Restspannungen in diesen Platten auf ihrem Minimum befinden. Dies ist nur durch die Verwendung eines nicht destruktiven Verfahrens möglich, das die Messung von Restspannung in einer gesamten Platte ermöglicht und geeignet ist, online verwendet zu werden.
Es gibt eine Anzahl von Testverfahren, die derzeit von Plattenherstellern verwendet werden, um einen Hinweis auf die Stärke von Restspannungen in jeder individuellen Platte zu erhalten. In einem solchen Testverfahren, welches unter der Spezifikationsnummer BMS 7-323 bekannt ist, wird ein Probekörper aus einem spezifizierten Bereich der Platte entfernt und an einer festen Position festgeklemmt. Mehrere Schichten bestimmter Dicke werden von dem Probekörper durch eine maschinelle Bearbeitung entfernt, und an jedem Schritt wird die Stärke der Biegung durch eine Biegeprüfung gemessen. Ein Nachteil von diesem Verfahren besteht darin, daß es sich um einen destruktiven Test handelt. Der Probekörper kann nur aus Bereichen nahe des Endes einer Platte genommen werden. Weiterhin wird das Schneiden des Probekörpers dazu führen, daß einige Spannungen gelöst werden. Als ein Ergebnis repräsentiert der Test nicht mit hinreichender Genauigkeit eine ganze Platte.
Ein anderes Verfahren, das oft eingesetzt wird, ist das "Standardtestverfahren zur Bestimmung von Restspannungen durch das Hole-Drilling Strain-Gage Method", das durch ASTM E 837-92 vorgegeben wird. In diesem Verfahren werden drei Spannungsmeßinstrumente über den interessierenden Bereichen der Platte plaziert und wird ein Loch in die geometrische Mitte der Spannungsmeßinstrumentrosette gebohrt. Die freigegebenen Spannungen werden mit einem Spannungsaufzeichnungsinstrument gemessen, und, die Ergebnisse werden auf das Niveau der Restspannung in dem interessierenden Bereich bezogen. Ein Nachteil von diesem Verfahren ist seine halb-destruktive Natur; es hinterläßt die Platte mit oberflächlichen Löchern an den getesteten Bereichen, welche die Verwendung der Platte für eine weitere Bearbeitung beeinträchtigen können. Weiterhin müssen eine Vielzahl von Löchern gebohrt werden, um das Maß der Restspannung in der gesamten Platte zu bewerten; dieses Verfahren ist nicht nur zeitaufwendig, sondern beeinträchtigt auch die weitere Verwendung der Platte.
Es gibt eine Anzahl von nicht destruktiven Testverfahren, von denen bekannt ist, daß sie als ein Werkzeug versucht worden sind, um Restspannungen auszuwerten, aber keines von ihnen wurde als geeignet für Routinevorgänge angesehen. Ein Beispiel ist die Verwendung von Röntgenstrahlen- Brechungstechniken, wie sie in ASTM E 915-90 beschrieben sind. Ein anderes Beispiel ist die Verwendung von fotoelastischen Verfahren, die ursprünglich für die Bestimmung von Restspannungen in einem transparenten Probekörper unter Verwendung eines polarisierenden Mikroskops und optischen Verzögerungskompensationsverfahren, wie sie in ASTM C 978-87 beschrieben sind, entwickelt wurden. Beide der oben genannten Verfahren erfordern eine aufwendige Laborarbeit, und die Testergebnisse sind unschlüssig gewesen.
Auch werden andere Parameter eines metallischen Probekörpers, insbesondere Parameter, welche sich auf die Masse des Grundkörpers beziehen wie beispielsweise die Korngrößenverteilung und die Struktur allgemein bestimmt, indem eine Probe des Probekörpers an dem jeweils interessierenden Punkt genommen und ein off-line-Test durchgeführt wird, um den Wert des Parameters von Interesse zu bestimmen. So wie oben im Zusammenhang mit der Messung von Restspannungen beschrieben wurde, leidet auch die Bestimmung von diesen Parametern an dem Nachteil, daß die Bestimmung off-line, destruktiv, zeitaufwendig und beschränkt auf relativ kleine Bereiche erfolgt.
Die EP-A-0 456 028 offenbart ein Prüfgerät, das eine Pulskompression verwendet, wobei das Gerät einen Signalgenerator, einen Übertragungs/Empfangs-Prüfkopf, erste und zweite Korrelatoren und eine Additionseinrichtung umfaßt. Der Signalgenerator erzeugt ein zusammengesetztes Übertragungssignal, das aus den Signalen Sap(T), Saq(t), Sbp(t) und Sbq(t) jeweils basierend auf einem Basiseinheitssignal ga(t) und einer Sequenz {p} dem Signal ga(t) und einer Sequenz {q}, ein Basiseinheitssignal gb(t) und der Sequenz {p}, und dem Signal gb(t) und der Sequenz {q} zu den Tastkopf erzeugt, um das zusammengesetzte Übertragungssignal an ein Target zu übertragen. Der erste Korrelator führt einen Korrelationsvorgang von Echosignalen Rap(t), Raq(t), Rbp(t) und Rbq(t) entsprechend dem, Signal Sap(t), Saq(t), Sbp(t) und Sbq(t) unter Verwendung von Referenzsignalen Ua(t) und Ub(t) basierend auf den Sequenzen aus, um Resultate Caap(t), Caaq(t), Cbbp(t) und Cbbq(t) zu erzeugen. Der zweite Korrelator führt einen Korrelationsvorgang der Ergebnisse Caap(t), Caaq(t), Cbbp(t) und Cbbq(t) unter Verwendung der Sequenzen {p} und {q} aus, um komprimierte Pulse Caapp(t), Caaqq(t), Cbbpp(t) und Cbbqq(t) zu erzeugen. Diese Pulse werden an der Additionseinrichtung aufsummiert, um einen zusammengesetzten komprimierten Puls C zu erzeugen, der einen Hauptbogen großer Amplitude und Nebenbogen kleiner Amplitude besitzt. Ein Ziel der offenbarten Erfindung ist es, ein Prüfgerät zu schaffen, welches in der Lage ist, einen komprimierten Puls zu erhalten, der Nebenbogen mit einem niedrigen Niveau, vorzugsweise 0, hat und außerdem preiswert und in der Lage ist, eine hohe Betriebsgeschwindigkeit zu erhalten.
Die US-A5,474,070 offenbart ein Ultraschall Puls-Echo- Verfahren und ein Gerät dafür, das insbesondere bei der Durchführung von Präzisionsmessungen der Kompressibilität in einem zurückstreuenden Material, insbesondere einem organischen Gewebe, Anwendung findet. Das Verfahren verwendet einen Standard-Transducer oder eine einen Transducer enthaltende Vorrichtung, der transaxial übersetzt ist, wodurch ein proximaler Bereich eines Targetkörpers in kleinen bekannten Inkrementen komprimiert oder versetzt wird. Bei jedem Inkrement wird ein Puls emittiert, und eine Echosequenz (A-Linie) wird von Bereichen innerhalb des Targets entlang des Schallbewegungspfades oder des Strahls des Transducers erfaßt.
Resultierende Zeitverschiebungen in Echosegmenten, die den Merkmalen in dem Target entsprechen, die für Bereiche von variierender Schallgeschwindigkeit entlang des Schallweges korrigiert sind, stellen relative und quantitative Informationen, welche die durch die Kompressionen verursachten Spannungen betreffen, zur Verfügung. Die Spannung, die durch den Transducer und die den Transducer enthaltende Einrichtung übertragen werden, werden auch bestimmt, und für die Tiefe entlang des Schallweges korrigiert. Die etwaigen Werte für die Spannungen werden in die entsprechenden Werte für die Spannung entlang jedes Pfades aufgeteilt, um ein Elastogramm oder eine Reihe von Kompressibilitätswerten des Targets zu erhalten.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren für eine nicht destruktive Online-Messung von Parametern wie der Korngrößenverteilung, der Struktur und insbesondere der Restspannungen in einem ganzen metallischen Probekörper wie einem Aluminiumprobekörper, und insbesondere in einer ganzen gewalzten Aluminiumplatte zu erhalten. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß für eine ausgewählte Eintrittsmeßzeit τn der Wert des Integrals
Wn(t)pn(X - t) dt
der gemessenen Ultraschall-Eintrittswelle wn(t) und eine periodische Welle pn(t) der Grundfrequenz f9 berechnet wird, wobei x eine Konstante ist und dieses Integral auch als Eintritts-Faltungsintegral bezeichnet wird, und während einer ausgewählten Austrittsmeßzeit τx der Wert des Integrals
wx(t)qx(y - t)dt
der gemessenen Ultraschall-Austrittswelle wx(t) und einer periodischen Welle qx(t) der Grundfrequenz fg berechnet wird, wobei y eine Konstante ist und dieses Integral auch als das Austritts-Faltungsintegral bezeichnet wird, und die Restspannung unter Verwendung der berechneten Werte des Eintritts-Faltungsintegrals und des Austritts- Faltungsintegrals berechnet wird.
Im Rahmen dieser Beschreibung ist das Faltungsintegral sowohl für die Eintrittswelle als auch für die Austrittswelle definiert als
w(=)p(X - t)dt,
o
wobei τ die Meßzeit ist, w(t) die gemessene Ultraschallwelle ist und d(t) die periodische Welle von der Grundfrequenz ist. Vorzugsweise wird der Wert des Integrals aus Gründen der Vereinfachung ohne Beeinträchtigung der Genauigkeit oder Empfindlichkeit für x = 0 berechnet. Das definierte Faltungsintegral wird auch die Querkorrelation zwischen b(t) und d(t) bezeichnet. Der Wert des Faltungsintegrals kann unter Verwendung einer analogen elektronischen Berechnungungschaltung oder analogen Computern berechnet werden. Ein schnellerer und vielseitigerer Weg der Berechnung des Wertes des Faltungsintegrals ist jedoch die Verwendung eines digitalen Computers. In diesem Fall wird der Ausgang des Detektors in regelmäßigen Intervallen ertastet und wird die periodische Welle durch ein Array definiert, das den Wert der periodischen Welle in demselben Intervall, an welchem die Ultraschallwelle abgetastet wird, umfaßt. Durch Multiplizierung des abgetasteten Wertes mit dem definierten Wert des Arrays von entsprechenden Momenten innerhalb der Meßzeit und Summierung der Ergebnisse der Multiplikation kann der Wert des Faltungsintegrals bestimmt werden. Zur Erhöhung der Empfindlichkeit des Verfahrens der vorliegenden Erfindung hat wenigstens die Austrittsmeßzeit eine Länge, die ungleich zu einem integralen Vielfachen der Periode der Grundfrequenz ist.
Die Erfindung basiert auf der neuen und erfinderischen Einsicht, daß der Wert des Faltungsintegrals, das gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren berechnet wird, sehr empfindlich gegen Veränderungen in dem Phasenwinkel derjenigen Komponente der Austrittswelle mit einer Wellenlänge, welche der Wellenlänge der periodischen Welle der Grundfrequenz entspricht, ist.
Ausgedrückt in physikalischen Begriffen basiert das Verfahren gemäß der Erfindung auf der Messung der Ultraschallabschwächung für Longitudinalwellen von einer ausgewählten Frequenz, die durch Veränderungen der Ultraschallgeschwindigkeit in einem ausgewählten Frequenzbereich über die Dicke des im Test befindlichen Probekörpers beeinflußt wird und sie in einer mathematischen Funktion kombiniert werden, deren Wert sehr empfindlich gegen den zu messenden Parameter wie die Restspannung ist.
Das Meßverfahren gemäß der Erfindung ist insbesondere geeignet, kontinuierlich ausgeführt zu werden. In dem Fall der Messung von Restspannungen an einer ganzen Platte kann die ganze Platte abgetastet werden, indem eine Eintauchtechnik verwendet wird, während die Messung eines "Restspannungsfaktors" online durchgeführt wird. Das Testergebnis kann in der Form einer C-Abtastung (C-Scan) dargestellt werden, in welcher die Variationen und die Verteilung von Restspannungen demonstriert wird.
Das allgemeine Verfahren für die Messung der Schwächung besteht darin, daß der Probekörper in den Pfad der Ultraschallwellen, welche durch einen Ultraschall-Transducer erzeugt werden, plaziert wird. Wenigstens zwei Signale werden benötigt, um die Abschwächung zu berechnen; ein Referenzsignal und ein nachfolgendes Ausgangs- oder Echosignal, von denen beide ungesättigt sind. Wo in dieser Beschreibung auf eine Ultraschall-Eintrittswelle Bezug genommen wird, sollte dies so verstanden werden, daß irgendein Referenzsignal bzw. irgendeine Referenzwelle, wie sie in herkömmlicher Weise bei Ultraschallmessungen verwendet werden, umfaßt werden, die das Signal repräsentiert, das in den zu analysierenden Probekörper eingebracht wird. Wenn eine Kontaktmessung verwendet wird, könnte das Referenzsignal ein frühes Echo sein. Für Probekörper wie Plattensektionen ist es praktischer, eine Eintauchtechnik zu verwenden, wo sowohl der Transducer als auch der Probekörper in eine Kupplungsflüssigkeit, üblicherweise Wasser, eingetaucht wird. Irgendwelche zwei Echos können als Referenz-(Eintrittswellen-) und Rücklauf-(Austrittswellen-)Signale verwendet werden. Für dicke Abschnitte wird üblicherweise das Eintrittsoberflächensignal als Referenzsignal verwendet, und das erste Echo, das von der Rückseite reflektiert wird, als das Rücklauf-echo. Dies liegt daran, daß für dicke Abschnitte multiple Rückreflektionen für eine akkurate Messung zu schwach sind.
Das obige Verfahren gemäß der Erfindung kann verwendet werden, um den Abschwächungskoeffizient als eine Grundlage für die Restspannungsmessung bei einer einzigen Frequenz zu berechnen. In der Praxis arbeiten Ultraschall- Transducer nicht mit einer einzigen Frequenz; vielmehr haben sie einen verwendbaren Frequenzbereich.
Das vorgeschlagene Verfahren bringt den zusätzlichen Vorteil mit sich, daß die Verarbeitung der Eintrittswelle und der Austrittswelle durch Faltung eine Filterung der Grundfrequenz und eine Zurückweisung von Nebensignalen mit sich bringt.
Eine Verbesserung in der Empfindlichkeit des Verfahrens gemäß der Erfindung wird mit einer Ausführungsform erhalten, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Wert des Faltungsintegrals sowohl für die Eintrittswelle als auch für die Austrittswelle für zwei symmetrische, um π/2 versetzte periodische Wellen berechnet wird und die Restspannung aus dem Verhältnis der Quadratwurzel der Summe und den Quadraten der berechneten Werte der Austritts- Faltungsintegrale und der Eintritts-Faltungsintegrale jeweils berechnet wird.
In dieser Ausführungsform wird eine optimale Verwendung des Informationsgehaltes in der Eintrittswelle und der darauf folgenden Austrittswelle gemacht. Das resultierende Verhältnis ist sehr empfindlich gegen die Phase der Komponente der Austrittswelle mit einer Frequenz, die gleich der Grundfrequenz ist. Das resultierende Verhältnis kann als eine Annäherung erster Ordnung des Verhältnisses der Energie der Eintrittswelle und der Austrittswelle betrachtet werden.
Eine Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung, die leicht sowohl mit digitalen Computern, als auch mit elektronischer analoger Hardware ausgeführt werden kann, ist dadurch gekennzeichnet, daß die periodischen Wellen pn(t) und qx(t) Sinuswellen sind.
Vorzugsweise ist zur Verarbeitung der Eintrittswelle die Amplitude der periodischen Welle gleich der Amplitude der Eintrittswelle und vorzugsweise für die Verarbeitung der Austrittswelle die Amplitude der periodischen Welle gleich der Amplitude der Austrittswelle.
Die periodische Welle wie beispielsweise eine Sinuswelle und, falls es gewünscht ist, eine Kosinuswelle, kann als ein Array in einen digitalen Computer definiert werden oder kann durch bekannte elektronische Schaltungen mit einer hohen Genauigkeit von der ausgewählten und gewünschten Grundfrequenz erzeugt werden. Die Berechnungen werden vorzugsweise unter der Verwendung eines digitalen Computers ausgeführt.
Eine weitere Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Welle eine Grundfrequenz in einem Bereich zwischen 15 und 35 MHz, vorzugsweise zwischen 20 und 30 MHz, besitzt.
Der bevorzugte Frequenzbereich für die Durchführung des Verfahrens der Erfindung unter Berücksichtigung der Leistung der Ultraschall-Transducer und der Empfindlichkeit des Schwächungskoeffizienten für Restspannungen liegt zwischen 15 und 35 MHz, wobei sich ein optimaler Bereich zwischen 20 und 30 MHz erstreckt. Für Frequenzen in diesem Bereich ist das Abtastintervall der Eintrittswelle und der Austrittswelle etwa 0,01 usek. Dies ist auch das Intervall zwischen aufeinander folgenden Punkten in dem Array, welches die periodische Welle definiert.
Ein Problem, das mit der Messung von Restspannungen unter der Verwendung von Ultraschall-Meßtechniken verbunden ist, besteht darin, daß die Empfindlichkeit des Schwächungskoeffizienten für Restspannungen bei Ultraschallfrequenzen von etwa 50 MHz auftritt. Bei diesen Frequenzen ist es aufgrund der hohen Schwächung schwierig, von einer Wand mit dicken Querschnitten wie Aluminiumplatten Echo- oder Austrittssignale zu erhalten, mit denen man arbeiten kann. Die verwendbaren Frequenzen für Aluminiumplatten sind mehr oder weniger beschränkt auf etwa 35 MHz, wo die Empfindlichkeit des Abschwächungskoeffizienten gegen Variationen in den Restspannungen niedrig ist. Eine Verringerung der Frequenz auf 30 MHz erzielt weniger Abschwächung, obwohl auch die Empfindlichkeit gegen Restspannung abnimmt. Die Anforderung, die mit der Verwendung von Geschwindigkeitsmessungen verbunden ist, um die Variationen der Restspannung zu beobachten, besteht darin, daß die Variationen der Restspannung in Aluminiumplatten typischerweise in der Größenordnung von 10 MPa liegen; dies wird zu kleinen Geschwindigkeitsänderungen von 0,01 mm/usek. führen. Für typische Aluminiumplatten entspricht dies einer Laufzeit von etwa 50 usek. Derzeit erhältliche Ultraschallinstrumente sind typischerweise nicht in der Lage, solche kleinen Werte der Zeit speziell in einer Produktionsumgebung zu messen. Daher ist eine Geschwindigkeitsmessung nicht für die praktische Bewertung und Aufzeichnungen von Restspannungen geeignet.
Das Verfahren unserer Erfindung macht es möglich, eine Ultraschallfrequenz zu verwenden, die ein Echo- oder Ausgangssignal erzielt, mit dem man arbeiten kann, aber bei welcher Frequenz bis jetzt keine Laufzeitvariation aufgrund von Restspannungsveränderungen meßbar sein würden. Weil das Verfahren unserer Erfindung sehr empfindlich gegen Phasenunterschiede und daher Laufzeitvariationen ist, können Restspannungen bei diesen Frequenzen gemessen werden. Der bevorzugte Bereich gemäß unserer Erfindung hat ein Optimum in dem Sinn der Stärke des Echo- oder Austrittssignals und der Laufzeitvariationen aufgrund von Restspannungen.
Zur Vermeidung von Interferenzen zwischen der Eintrittswelle und einer Rücklaufwelle ist es für die Vereinfachung der Durchführung der Berechnungen und der Darstellung der Ergebnisse und für die Einfachheit des Aufbaus der Ausrüstung zur Ausführung des Verfahrens bevorzugt, daß die Ultraschall-Eintrittswelle, auf welcher die Berechnung des Faltungsintegrals basiert, ein Bündel einer Ultraschallwelle ist.
Eine weitere Vereinfachung der Ausrüstung und des Verfahrens ist möglich mit einer Ausführungsform der Erfindung, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die ausgewählte Eintrittsmeßzeit gleich der gewählten Austrittsmeßzeit ist.
Wenn das Verfahren mit einem digitalen Computer durchgeführt wird, muß nur die Meßzeit definiert werden, wenn das Verfahren unter Verwendung von elektronischen Hardwaregates verwendet wird, kann die Anzahl von unterschiedlichen Bauteilen reduziert werden.
Überraschenderweise ist herausgefunden worden, daß die Empfindlichkeit und Auflösung des Verfahrens durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung verbessert werden kann, die dadurch gekennzeichnet ist, daß wenigstens einer der elektrischen Ausgänge des Detektors für die Eintrittswelle und die Austrittswelle ein DC-offset vor der Durchführung der Faltung vorgenommen wird.
Es ist auch herausgefunden worden, daß die Länge der Eintrittsmeßzeit und insbesondere die Länge der Austrittsmeßzeit auch die Empfindlichkeit und Auflösung beeinflußt. Der optimale Wert sowohl für den DC-offset und die Länge der gewählten Meßzeit oder Meßzeiten ist abhängig von dem Wert der Grundfrequenz. Der Effekt von mechanischen oder mikrostrukturellen Parametern auf die Abschwächung und die Laufzeit einer Ultraschallwelle ist frequenzabhängig. Daher kann durch Auswahl der korrekten Frequenz innerhalb eines bestimmten Frequenzbereiches das Verfahren gemäß der Erfindung verwendet werden, um Restspannungen zu bestimmen. Auch kann in Abhängigkeit von dem zu bestimmenden Parameter der DC-offset und die Meßzeit, insbesondere die Austrittsmeßzeit optimiert werden.
Es hat sich gezeigt, daß eine Messung mit einer sehr hohen Empfindlichkeit und hohen Auflösung erhalten werden kann, wenn die Restspannung mit einem Verfahren gemessen wird, das dadurch gekennzeichnet ist, daß an wenigstens einem der elektrischen Ausgänge des Detektors für die Eintrittswelle und die Austrittswelle ein DC-offset vor der Durchführung der Integration von zwischen 15 und 35%, vorzugsweise zwischen 20 und 30% der maximalen Amplitude der Eintrittswelle und der Austrittswelle vorgenommen wird, wenn die Restspannung gemessen wird. Vorzugsweise ist der DC-offset ein positiver Offset.
Eine Ausführungsform des Verfahrens, die besonders vorteilhaft für den Verwender des Probekörpers ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Probekörper durch den Ultraschall-Transducer und/oder Detektor abgetastet wird, um eine Aufsicht der Verteilung der Restspannungen zu bilden.
Für den Benutzer ist der Probekörper im Allgemeinen ein halbfertiges Produkt, aus welchem er durch maschinelle Bearbeitung das Endprodukt herstellt. Eine Aufsicht, insbesondere eine Aufsicht, welche Bereiche mit unterschiedlichen Restspannungen zeigt, versorgt den Benutzer mit der Information, die er während der Bearbeitung in Betracht ziehen kann, so daß der Effekt der Restspannung an dem Endprodukt verhindert oder wenigstens zu einem großen Maß verringert wird.
Wie zuvor erläutert wurde, schafft das Verfahren gemäß der Erfindung eine sehr empfindliche Prozedur zur Bestimmung des Phasenwinkels oder in anderen Worten der Laufzeit. Die Laufzeit wird jedoch auch durch die Dicke beeinflußt. Eine Laufzeit-Variation aufgrund der Dickenänderung kann im Allgemeinen von Laufzeit-Veränderungen, die durch solche Parameter wie die Restspannung verursacht werden, unterschieden werden. In dem Fall einer gestreckten Aluminiumplatte nehmen die Änderungen in der Dicke, sofern es welche gibt, allmählich über die Platte zu, während Änderungen der Flugzeit aufgrund von Restspannungen relativ abrupt sind. Dieser Unterschied kann ein Kriterium bilden, um eine Form von der anderen zu unterscheiden. Eine Vielzahl von Prozeduren können verwendet werden, um die Laufzeit-Indikationen aufgrund von Veränderungen der Restspannung von denen, die durch Veränderungen der Dicke bewirkt werden, zu unterscheiden. Ein Verfahren, welchen in demjenigen Fall einsetzbar ist, daß sich die Dicke allmählich über die Platte ändert, basiert auf der Anwendung der Prozedur eines sich bewegenden Durchschnitts. In dem Fall, daß die Veränderung der Dicke weniger weich über die Platte stattfindet und sogar Restspannungsvariationen verbergen kann, kann ein mathematischer Filter verwendet werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, zuerst eine Abtastung mit einer hohen Auflösung und hohen Genauigkeit durchzuführen, um Dickenänderungen über die Platte zu bestimmen, und eine anschließende Abtastung vorzunehmen, um die Restspannung oder einen anderen Parameter zu bestimmen und bei der Bestimmung des Wertes von diesem Parameter die in der ersten Abtastung gemessene Dicke zu berücksichtigen.
Ein nicht begrenzendes Beispiel zur Durchführung des Verfahrens ist unten beschrieben. Gemäß dem Verfahren können Aluminiumplatten in einer bekannten Weise in einem Eintauchbehälter plaziert werden, der mit Ultraschall- Abtastgeräten wie beispielsweise einer Abtastbrücke, einem Transducer-Manipulator und der notwendigen Elektronik einschließlich Impulsgebern, Empfängern, Vorverstärkern und einem digitalen Datenerfassungs- und Bearbeitungssystem ausgerüstet ist. Ein Breitband-Ultraschall- Transducer mit einem Frequenzbereich von beispielsweise 15 bis 25 MHz wird verwendet, um A-Abtastdaten zu erfassen. Für jedes Abtastinkrement wird die gesamte A- Abtastung (A-Scan) digitalisiert. Unter Verwendung einer Eintrittsmessung und einer Austrittsmessung werden die Eintrittsfläche (Referenzfläche) und das erste Echo von der Rückwand der Platte beide aufgenommen.
Gute Ergebnisse werden mit einem DC-offset von zwischen 1 bis 4 mV in einem Frequenzbereich der Grundfrequenz zwischen 20 und 30 MHz und bei einer Meßzeit für sowohl die Austrittsmessung als auch die Eintrittsmessung von etwa 1 bis 4 usek. Die Verstärkung wird auf einem solchen Niveau gehalten, daß das Referenzsignal deutlich ungesättigt ist. Bei dieser Verstärkung wird, um ein Rückwandecho zu erhalten, mit dem man arbeiten kann, ein zeitkorrigiertes Hardware-Verstärkungssystem (TCG) verwendet, um eine Verstärkung von 10 dB bis 30 dB nur dem Rückwandsignal aufzuerlegen; diese zusätzliche Verstärkung wird bei den Abschwächungskalkulationen berücksichtigt. Die Gates, welche die Referenz- und die Rückwandsignale enthalten, werden auf einen Wert gesetzt, der vernünftige Variationen der Zeit aufgrund von mechanischen Veränderungen erlaubt; dies ist in der Größenordnung von 1,5 usek für jedes Gate. Das Gate, welches das Referenzsignal enthält, wird an das Referenzsignal durch ein in der Zeit "negatives Triggering"-System gekoppelt; ein Spitzendetektor wird verwendet, um konstant das Referenzsignal an dem gewünschten Amplitudenniveau zu erfassen, und durch das "negative Triggering" wird das Gate aktuell getriggert, bevor das Signal zu steigen beginnt. Das Gate, welches das Rückwandsignal enthält, ist an das Vorderseitengate gekoppelt. Diese beiden Signale werden dann verkettet; dies wird es dem System ermöglichen, nur die beiden Signale von Interesse zu verarbeiten und den Rest der A-Abtastung zu vermeiden und auf diese Weise die Verarbeitungszeit zu reduzieren. Beide Signale sind mit einem periodischen, sinusförmigen Signal von der geeigneten Frequenz und Amplitude gefaltet, d. h. für jedes Signal ist ein Sinus- und eine Kosinuskomponente definiert und wird der Wert des Faltungsintegrals berechnet.
Für jedes Abtastinkrement werden der Wert des Faltungsintegrals von dem Referenzsignal und von dem Rückwandsignal berechnet. Für das Referenzsignal ist der Phasenwinke l konstant, da die Position dieses Signals in dem Gate an die Gateposition gekoppelt ist. Für das Rückwandsignal ist andererseits der Phasenwinkel der Komponente der Grundfrequenz nicht konstant; er ändert sich, wenn sich die Geschwindigkeit des Ultraschalls in der Platte aufgrund von mikrostrukturellen Veränderungen, wie sie beispielsweise durch Restspannungen in der Platte verursacht werden, ändert. Die Ankunftszeit des Rückwandechos wird direkt auf Veränderungen in der Geschwindigkeit bezogen. Diese Veränderung entspricht 50 usek bei Frequenzen, die in dieser Erfindung verwendet werden. Für typische Aluminiumplatten entspricht dies einem Geschwindigkeitsunterschied von 0,008 mm/usek, der nur einen vernachlässigbaren Effekt hat, wenn die Abschwächung oder Geschwindigkeit gemessen werden. In der vorliegenden Erfindung werden jedoch die typischen Veränderungen der Laufzeit und der resultierenden Phasenverschiebung Veränderungen von 0 bis 0.5 cm&supmin;¹ in dem "Restspannungsfaktor" bewirken. In der C-Abtastung, die von einer Platte unter Verwendung des oben genannten Verfahrens erhalten wird, können die Veränderungen des "Restspannungsfaktors" auf angenehme Weise durch eine 128-Niveau Farb- oder Schwarz- und Weißpalette dargestellt werden. Die resultierende C-Abtastung zeigt klar die Verteilung des "Restspannungsfaktors" in der gesamten Platte. In der abschließenden C-Abtastung werden Werte der Restspannung in MPa gezeigt, in dem eine Gleichung angewendet wird, welche die Werte der Restspannung in Bezug zu Veränderungen des "Restspannungsfaktors" setzt. Diese Beziehung wird empirisch aufgestellt, indem Werte des "Restspannungsfaktors" mit jenen verglichen wird, die durch destruktive Tests, d. h. Lochbohrung oder Abbiegungstests, die an den Proben durchgeführt wurden, welche von den entsprechenden Bereichen der Platte stammten. Diese Beziehung nimmt die Form einer logarithmischen Relation an, die gegen die Werte kalibriert werden kann, welche durch ein Verfahren, wie es zuvor beschrieben wurde, erhalten werden.
Zum Messen des Restspannungsfaktors unter Verwendung eines digitalen Ultraschall-Abtastsystems wird die folgende Prozedur verwendet:
Um die Vorderseitenwellen- und die Rückseitenwellenformen in einer periodischen Weise zu simulieren, werden ein Sinus-Array und ein Kosinus-Array mit den folgenden Eigenschaften definiert:
- eine Anzahl von digitalisierten Punkten in jedem Array
- ein Abtastinterval, bei welchem ein Ultraschall-Signal von der Vorderseitenwelle und der Rückseitenwelle digitalisiert wird, beispielsweise 0,01 usek
- eine Frequenz in MHz, die der Mittenfrequenz des Vorderseitensignals entspricht, beispielsweise 20 MHz.
In dem nächsten Schritt der Simulation werden die Vorderseitenwelle und die Rückseitenwelle durch die zuvor definierten Sinus- und Kosinus-Arrays verarbeitet. Das Ergebnis ist ein Array in der Form einer periodischen Welle für Vorderseiten- und Rückseitenwellenformen. Dies erfolgt in der folgenden Weise:
(FS-Sinus) (Vorderseiten-Sinuswellen-Array) =± Vorderseitenwelle · Sinus-Array
(FS-Kosinus) (Vorderseiten-Kosinuswellen-Array) =± Vorderseitenwelle · Kosinus-Array
(BS-Sinus) (Rückseiten-Sinuswellen-Array) =± Rückseitenwelle · Sinus-Array
(HS-Kosinus) (Rückseiten-Kosinuswellen-Array) =± Rückseitenwelle · Kosinus-Array
worin die Summierung über die ausgewählte Meßzeit stattfindet.
Vor dem obigen Prozeß wird vorzugsweise ein DC-offset von zwischen 2 bis 3 mv in die Vorder- und Rückseitenwellen eingebracht. Nach dem Prozeß der Simulation wird ein Fourier-Term für die Vorder- und Rückseite unter Verwendung ihrer entsprechenden Sinus- und Kosinus-Array-Komponenten berechnet:
Fourier-Term der Vorderseite = [(FS-Sinus)² + (FS-Kosinus)²]1/2 = AFS
Fourier-Term der Rückseite = {(BS-Sinus)² + (BS-Kosinus)²]1/2 = BFS
Der Restspannungsfaktor rsf wird aus den Fourier-Termen wie folgt berechnet:
rsf = [-Ln(AFS/BFS) + T konstant]/Strecke
wobei T konstant ein Term ist, der die unvollständige Übertragung von Schall an jeder Grenze zwischen unterschiedlichen Medien darstellt.
Die Übereinstimmung zwischen der Restspannung, wie sie durch das Verfahren gemäß der Erfindung gemessen, berechnet und dargestellt wird und Berechnungen, die das Finite-Elemente-Verfahren verwenden, werden unter Bezugnahme auf die Zeichnung dargestellt.
In der Zeichnung zeigt die Fig. 1 die gemessene und berechnete Restspannungsverteilung über eine gewalzte und gestreckte Aluminiumplatte mit einer Dicke von 150 mm, und die Fig. 2 zeigt die berechnete Rechtsspannung eines Teils der Platte von Fig. 1 unter der Verwendung eines Finite-Elemente-Verfahrens.
Die Fig. 1 zeigt die gemessene Verteilung der Restspannung und offenbart über eine Aluminiumplatte von einer Dicke von 150 mm, einer Breite von 1250 mm und einer Länge von 5500 mm. Die Platte wurde gewalzt, wärmebehandelt und abgeschreckt und anschließend vor der Messung der Restspannung gestreckt. Die Buchstaben in der Fig. 1 bezeichnen, in einer ansteigenden alphabetischen Reihenfolge, Bereiche mit einer zunehmenden Restspannung. In der Figur sind nur größere Bereiche bezeichnet, und der Bereich der Restspannung ist nur in eine begrenzte Anzahl von Schritten unterteilt.
Die Fig. 2 zeigt die Restspannung, wie sie mit dem Finite-Elemente-Verfahren für den rechten oberen Eckenbereich der Platte, wie er durch die Linien A, B von Fig. 1 begrenzt ist, berechnet ist. Bereiche mit einer vergleichbaren Restspannung sind mit den selben Buchstaben gekennzeichnet.
In den Finite-Elemente-Berechnungen wurden nur planbare Effekte aufgrund des Walzens und Streckens in Betracht gezogen, während die Effekte des Quetschens ignoriert wurden. Dies trägt der Tatsache Rechnung, daß die Bereiche C&sub1; und D&sub1; von Fig. 2 sich nicht parallel zu der Längsseite der Platte erstrecken, sondern begrenzte Bereiche sind, Wenn man dies in Betracht zieht, zeigen die Ergebnisse der Finite-Elemente-Berechnung und der Restspannungsmessung unter Verwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung eine sehr gute Übereinstimmung und bestätigen, daß dieses Verfahren für eine nicht destruktive Online-Messung von Restspannungen von großen Probekörpern geeignet ist.
Die Fig. 3, 4, 5, 6 und 7 zeigen Beispiele von aktuellen Wellenformen, verarbeiteten Daten und eine Darstellung der Restspannung, wie sie mit dem Verfahren gemäß der Erfindung gemessen wurde.
Die Fig. 3 zeigt eine Darstellung der vorderseitigen Eintrittswelle und der rückseitigen Austrittswelle. Die Vorderseitenwelle und die Rückseitenwelle sind miteinander verknüpft, um die Verarbeitungszeit zu reduzieren. Weiter ist es ersichtlich, daß sowohl die Vorderseitenwelle als auch die Rückseitenwelle mit einer DC-Spannung abgegrenzt worden sind.
Die Fig. 4 zeigt in einer erweiterten Zeitskala die Vorderseitenwelle. Es ist aus den Fig. 3 und 4 ersichtlich, daß ein negatives Triggering verwendet wird.
Die Fig. 5 zeigt in einer erweiterten Zeitskala die Rückseitenwelle.
Die Vorderseitenwelle und die Rückseitenwelle werden mit einem Absatzintervall von 0,01 usek abgetastet. Das Sinus- und Kosinus-Array wird mit dem selben Abtastintervall definiert.
In den Fig. 3, 4 und 5 steht FSH für volle Skalahöhe.
Die Fig. 6 zeigt das Ergebnis, wenn das Verfahren der Erfindung auf die Vorderseitenwelle und die Rückseitenwelle von Fig. 3 bzw. 4 über einen weiten Frequenzbereich angewendet wird. Wie aus der Fig. 6 ersichtlich ist, wird in diesem Fall die höchste Empfindlichkeit in dem Frequenzbereich zwischen 15 MHz und 23 MHz erreicht. Der ausgewählte (extrahierte) Wert in dem vorliegenden Beispiel ist 0,0566.77 pro Längeneinheit. Das Computerprogramm, welches die Berechnungen ausführt, ist so ausgebildet, daß es die Vorderseiten- und Rückseitenwellen über einen weiten Frequenzbereich verarbeitet. Dies hat den Vorteil, daß das Programm für Ultraschall-Transducer, die bei unterschiedlichen Frequenzen arbeiten, anwendbar ist.
Um eine C-Abtastung zu erhalten, wird die unter Test befindliche Platte abgescannt. Für jedes Abtastinkrement werden die Vorderseitenwelle und die Rückseitenwelle wie oben beschrieben verarbeitet und, falls gewünscht, nach dem zuführen des Ergebnisse s zu einem oder mehreren Levelkomperatoren kann eine C-Abtastung der Restspannung durchgeführt werden. Eine solche C-Abtastung, welche die RSF-Verteilung über die im Test befindliche Platte zeigt, ist in Fig. 7 dargestellt.

Claims

1. Verfahren zum Messen von Restspannungen in einem metallischen Probekörper, bei dem mittels eines Ultraschall-Transducer eine Ultraschall-Eintrittswelle mit einer Grundfrequenz fg in eine Oberfläche des metallischen Probekörpers eingebracht wird, die Amplitude der Ultraschall-Eintrittswelle durch einen Eintrittswellendetektor gemessen wird und die Amplitude einer nachfolgenden entsprechenden Ultraschall- Austrittswelle durch einen Austrittswellendetektor gemessen wird und die gemessenen Werte der Amplituden der Ultraschall-Eintrittswelle und Ultraschall- Austrittswelle verwendet werden, um Restspannungen zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, daß für eine ausgewählte Eintrittsmeßzeit τn der Wert des Integrals

Wn(t)pn(x - t)dt

der gemessenen Ultraschall-Eintrittswelle wn(t) und eine periodische Welle pn(t) der Grundfrequenz fg berechnet wird, wobei x eine Konstante ist und dieses Integral auch als Eintritts-Faltungsintegral und während einer ausgewählten Austrittsmeßzeit τx der Wert des Integrals

wx(t)qx(y - t)dt

der gemessenen Ultraschall-Austrittswelle wx(t) und einer periodischen Welle qx(t) der Grundfrequenz fq berechnet wird, wobei y eine Konstante ist und dieses Integral auch als das Austritts-Faltungsintegral und die Restspannung unter Verwendung der berechneten Werte des Eintritts-Faltungsintegrals und des Austritts-Faltungsintegrals berechnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des Faltungsintegrals sowohl für die Eintrittswelle als auch für die Austrittswelle für zwei symmetrische, um u/2 versetzte periodische Wellen berechnet wird und die Restspannung aus dem Verhältnis der Quadratwurzel der Summe und den Quadraten der berechneten Werte der Austritts-Faltungsintegrale und der Eintritts-Faltungsintegrale jeweils berechnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die periodischen Wellen pn(t) und qx(t) Sinuswellen sind.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche zum Messen der Restspannung in einem metallischen Probekörper aus Aluminium, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Welle eine Grundfrequenz im Bereich zwischen 15 und 35 MHz, vorzugsweise zwischen 20 und 30 MHz hat.

5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgewählte Eintrittsmeßzeit gleich der ausgewählten Austrittsmeßzeit ist.

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei wenigstens einer der Detektoren für die Eintrittswelle und die Austrittswelle einen elektrischen Ausgang hat, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der elektrischen Ausgänge der Detektoren für die Eintrittswelle und für die Austrittswelle vor der Durchführung der Integration ein DC-Offset gegeben wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an wenigstens einem der elektrischen Ausgänge des Detektors für die Eintrittswelle und die Austrittswelle ein DC-Offset vor der Durchführung der Integration von zwischen 15 und 35%, vorzugsweise zwischen 20 und 30% der maximalen Amplitude der Eintrittswelle und der Austrittswelle gegeben wird, wenn die Restspannung gemessen wird.

8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Probekörper durch den Ultraschall-Transducer und/oder Detektor gescannt wird, um eine Aufsicht der Verteilung der Restspannung zu erhalten.