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Einrichtung zum Ermitteln von Fehlstellen in Werkstücken und Schweißnähten
durch hochfrequente Schallschwingungen Auf dem Gebiet der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung
hat man eine Anzahl von Verfahren zum Ermitteln von Poren, Schlackeneinschlüssen,
Rissen sowie Binde-und Wurzelfehlern in Schweißnähten lentwickelt. Die auf einer
Magnetisierung des Prüflings beruhenden Verfahren haben allerdings, abgesehen von
ihrer auf bestimmte Werkstoffe beschränkten Anwendungsmöglichkeit, den Nachteil,
daß das Vorhandensein derartiger Fehlstellen teils nicht mit Sicherheit von anderen
Einflüssen zu unterscheiden, teils nur unmittelbar an oder dicht unter der Oberfläche
festzustellen ist.
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Mit anderen bekannten Verfahren, wie die Röntgen- bzw. Gammadurchstrahlung,
sind die wegen ihrer Kerbwirkung besonders gefährlichen zweidimensionalen Felder,
wie Risse sowie Binde- und Wurzelfelder von Schweißnähten, nicht immer einwandfrei
erkennbar. Solche Fehler machen sich nämlich im Schattenbild des Prüflinge meist
nur dann bemerkbar, wenn einesteils die Spaltdicke nicht zu gering ist und andernteils
die Durchstrahlung annähernd in Richtung der Fehlerfläche erfolgt, deren Winkellage
j!edoch zunächst noch unbekannt ist und erst mühsam durch wiederholte Durchstrahlung
in yerschiedenen Richtungen gesucht werden muß Es ist daher mit Rücksicht auf den
erforderlichen Kosten. und Zeitaufwand praktisch unmöglich, jede Stelle des Werkstückes
bzw. der Schweißnaht zu untersuchen; man begenügt sich vielmehr mit einzelnen Stichproben.
Dabei können aber gerade die Stellen, an denen sich gefährliche Fehler befinden,
leicht übergangen werden.
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Ferner hat man zu dem gleichen Zweck auch schon eine Verwendung von
Ultraschallwellen vorgeschlagen, die den Prüfling ebenfalls ganz durchdringen und
auf der Austrittsseite durch einen Empfänger oder durch Beeinflussung eines optischen
Systems gemessen werden sollen. Dabei wird die an Fehlstellen eintretende Absorption
bzw. Reflektion der Schallwellen ausgenutzt; in einem
solchen Bereich
ist nämlich die auf der gegenüberliegenden Seite austretende Schallenergie geringer
als in einem fehlerfreien.
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Bereich. Auch bei diesem Verfahren muß die Vorrichtung jeweils auf
zwei Seiten des Prüflings angeordnet werden; das ist manchmal überhaupt nicht durchführbar,
jdenfalls aber umständlich, insbesondere wenn zum BFedienen ,dler Vorrichtung mehrere
Personen erforderlich sind.
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Bei dem geschilderten Stand der Technik besteht immer noch das Bedürfnis
nach einer einfachen und zuverlässigen Einrichtung, mit der das ganze Werkstück
bzw. die ganze Schweißnaht billig und schnell untersucht werden kann, um wenigstens
grobie Fehlstellen mit unbedingter Sicherheit aufzufinden. Deshalb geht die vorliegende
Erfindung von der Überlegung aus, daß in einem Körper vorhandene Fehlstellen sich
nicht nur auf seine Schalldurchlässigkeit, sondern auch auf seinen Schwingungszustand
auswirken. Nach einem auf dieser Grundlage beruhenden bekannten Verfahren werden
der Schwingungssender und der Schwingungsaufnehmer ebenfalls an verschiedenen Stellen
mit dem Prüfling in Berührung gebracht. Diese Stellen können zwar auf der gleichen
Seite liegen, was aus den vorerwähnten Gründen an sich zweckmäßig ist; ,gerade dann
lassen sich aber mit einer solchen Vorrichtung wegen des Abstandes der beiden Tastspitzen
voneinander dicht am Rande einer Werkstückfläche oder am Ende einer Schxveißnaht
liegende Fehler nicht mit Sicherheit ermitteln, weil auf etwa parallel zur Oberfläche
verlaufende Risse nur der je weils in der Mitte zwischen dem Sender und dem Aufnehmer
liegende Querschnitt geprüft werden kann.
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Demgegenüber besteht die vorliegende Erfindung darin, daß das durch
eine gleichbleibende Erregung verursachte schwingungsmäßige Verhalten der Prüflingsoberfläche
an der jeweiligen Berührungsstelle des Senders untersucht wird, indem Sender und
Empfänger durch den gleichen Körper gebildet werden. Verschiedene Ausführungsbeispiele
für derartige Einrichtu,ngen, bei denen die membranarti;gen Eigenschaften einer
von der Prüflingsoberfläche einerseits und der Fehlstelle andererseits begrenzten,
an ihrem Umfang ein ge spannten Werkstoffwand ausgenutzt werden, sind an Hand von
drei Abbildungen, der nachstehenden Beschreibung und dem Unteranspruch zu entnehmen.
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In Abb. 1 ist im Innern des zu untersuchenden Prüflings 1 eine Fehlstelle2
dargestellt, die durch die Werkstoffschicht 3 von der Oberfläche des Prüflings getrennt
ist. Zum Nachweis der Fehlstelle dient als Schallsender eine durch einen wechselstromgespeisten
Elektromagneten 4 glciclimäßig erregte Stimjngabel 5. die mit ihrem Steg 6 gegen
die Obeerfläche des Prüflings gedrückt und dabei längs derselben langsam verschoben
wird.
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Durch die Masse des Prüflings werden die von dem Schallsender auf
ihn übertragenen Schwingungsausschläge beeinflußt, und zwar um so mehr, je größer
die Massen an der Berührungsstelle des Steges sind. An der Fehlstelle ergibt die
dünne Werkstoffschicht 3 eine geringere schwingende Masse als an den fehlerlosen,
massiven Stellen des Prüflings.
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Es wird daher dort ein größerer Schwingungsausschlag auftreten, der
sich durch geeignet Mittel nachweisen läßt. Man kann zu diesem Zwecke die durch
das Verhalten der Prüflingsoberfläche beeinflußte Schallstärke der Stimmgabel unmittelbar
abhören. Sobald sich der Ton verstärkt, ist anzunehmen, daß sich ihr Steg über einer
Fehistelle befindet. Eine andere Möglichkeit besteht im Messen des die Stimmgabel
erregenden Stromes, da auch dieser durch einen veränderten Schwingungszustand der
Gabel rückwirkend beeinflußt wird. Ferner läßt sich die jeweilige Schallstärke der
Stimmgabel in beliebiger Entfernung feststellen, indem man mit ihr den Anker 7 eines
W'echselstronierzeugers 8 koppelt, dessen Leitungen 9, 10 zu einem nicht gezeichneten
Telephonhörer oder einem elektrischen Meßinstrument führen.
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B,ei der in Abb. 2 dargestellten Vorrichtung ist der Steg 19 der
Stimmgabel 20 von einer mit zwei Handgriffen 21, 22 versehenen Muffe 23 umfaßt,
die in einem Fortsatz 24 den zur Erregung der Stimmgabel dienenden Elektromagneten
25 trägt. Zwischen dem unteren Ende der Muffe und der Spitze des Steges ist eine
Druckfeder 26 eingespannt, die den an Hand eines Zeigers 27 genau einstellbaren
Druck der Stimmgabel gegen die Oberfläche des Prüflings 28 überträgt. Eine solche
Anordnung hat noch den weiteren Vorteil, daß der Schallsender auch nach dem Abheben
vom Prüfling gedämpft wird, da dann die Muffe von der Feder gegen den schwingenden
Bügel der Stimmgabel gedrückt wird. Hierdurch wird ein grelles Auftönen der Stimmgabel
beim Abheben verhindert, das durch Kontrastwirkung die Ermittlung geringer Lautstärkeunterschiede
beeinträchtigen könnte.
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Zu einer noch genaueren Messung von Schallunterschieden kann eine
Vorrichtung nach Abb. 3 verwendet werden. Es sind hier zwei miteinander verbundene
Körper gleicher Hertzzahl angeordnet, von denen jeder sowohl Sender als auch Empfänger
ist und die mit ihren Stegen 31, 32 gegen die Oberfläche des Prüflings 33 gedrückt
werden. Damit das bei beiden Körpern mit gleicher Kraft geschieht, werden die Stege
in Bohrungen
der in der Mitte mit dem Handgriff 34 versehenen Traverse
35 geführt und durch unter sich gleiche Federn 36, 37 in Druckrichtung abgefedert.
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Die Eiiegugg der als Stimmgabeln gezeichneten Schalisender verfolgt
gesondert durch unter sich gleiche Elektromagnete 38, 39, die so mit pulsierendem
oder Wlechselstrom gespeist werden, daß beide Sender gleiche Schwingungsausschläge
haben, wenn zugleich auch ihre Stege in gleicher Weise von der Oberfläche des Prüflings
beeinflußt werden, daß die Ausschläge aber unter sich abweichen, wenn die Rückwirkungen
der Oberfläche infolge einer Fehlstelle im Bereich des einen Steges ungleich ,sind.
Der hierbei auftretende Lautstärkenunterschied kann abgehört oder noch sicherer
mit einer elektrischen Meßvorrichtung festgestellt werden. Mit ihr können die den
Schwingungsausschlägen verhältnisgleichen Wechselströme verglichen werden, welche
die von den Stimmgabeln angetriebenen Wechselstromerzeuger 40, 41 liefern. Diese
Ströme werden gesondert je einem an sich bekannten Gleichrichteraggregat 42, 43
zugeführt, denen Gleichstromklemmen sinngemäß mit den Spulenklemmen eines Kreuzspulmessers
44 verbunden sind.
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Solange die Schwmgungsausschläge der Stimmgabeln 29, 30 unter sich
übereinstimmen, sind auch die Gleichspannungen sowie die Kreuzspulenströme unter
sich gleich, und der Zeiger 45 befindet sich in seiner Mittelstellung. Wenn jedoch,
wie aus der Abbildung ersichtlich ist, der Steg der einen Stimmgabel den Prüfling
im Bereich einer Fehlstelle 46 berührt, so schlägt der Zeiger aus. An der Richtung
dieses Zeigerausschlages kann man erkennen, welcher Sender sich über einer Fehlstelle
befindet.