DE752183C - Verfahren zum Feststellen von Fehlstellen in duennen, vorzugsweise plattenfoermigen festen Koerpern mittels elastischer Schwingungen - Google Patents

Description

Die Benutzung von Ultraschallwellen bei der Werkstoffprüfung ist durch Sokoloff bekanntgeworden. Bei diesem bekannten Verfahren wird dem auf Gasblasen, Lunkerungen, od. dgl. zu untersuchenden Werkstoff bzw. Prüfling auf der einen Seite der Schwingungssender und auf der anderen Seite der Schwingungsempfänger aufgesetzt, Der Schwingungsempfänger ist mit dem Meßgerät verbunden. Für den Schwingungsempfänger ist die aufgenommene Energie nahezu Null oder tatsächlich Null, wenn im Schallstrahlengang eine

Fehlerstelle liegt, in einer anderen Lage dagegen hat sie eine bestimmte meßbare Größe. Aus der Änderung der aufgenommenen Energie läßt sich beim Abtasten des Prüflings die Lage der Fehlerstelle im Werkstoff ohne weiteres ermitteln.

Durch Sokoloff ist es außerdem bekanntgeworden, einen Piezoquarz als Schallgeber zu verwendender aus Gründen einer besseren Ankopplung auf der eben geschliffenen Seite des zu untersuchenden Prüflings über einen öltropfen angedrückt wird. Einer praktischen

Anwendung dieser bekannten Prüfverfahren standen jedoch bisher erhebliche Schwierigkeiten entgegen.

Es ist auch schon eine Anordnung für die -5 Werkstoffprüfung mittels Ultraschallwellen vorgeschlagen worden, mit der sich die bisher vorhandenen Schwierigkeiten beheben lassen. Dieser Vorschlag sieht neben der Verwendung eines flüssigen oder gasförmigen Schallübertragungsmittels zwischen Sender, Prüfling und Empfänger eine Schrägstellung von Schallsender und Schallempfänger vor, mit der sich die Ausbildung von Mehrfachreflexionen im Übertragungsmittel verhindern läßt. Die Schrägstellung ermöglicht fernerhin den Übergang· einer konstanten, stets reproduzierbaren Schalleistung.

Dieser ältere Vorschlag sieht für eine besonders gute Werkstoffprüfung außerdem noch vor, daß der Prüfling, nämlich dann, wenn es sich um einen plattenförmigen Prüfling handelt, während der Durchführung· des Prüfverfahrens zu Dickenresonanzschwingungen angeregt wird. In einem solchen Fall geht der Schall praktisch ungeschwächt durch die fehlerfreien Stellen der Prüfplatte hindurch. Die Anwendung der Dickenresonanz würde bei dünnen Eisenplatten von z. B. 2,5 mm und darunter Meßfrequenzen von 1 MHz und darüber verlangen; die Erzeugung und Verwendung von solchen hohen Frequenzen bereitet aber bekanntlich beträchtliche technische Schwierigkeiten.

Gemäß der Erfindung wird daher vorgeschlagen, im Prüfling Biegewellen anzuregen und aus den auftretenden Unstetigkeitsstellen im Ausbreitungsverlauf der Biegewellen auf Fehlstellen zu schließen. Die Anregung der Biegewellen kann z. B. auf elektrostatischem bzw. elektromagnetischem Wege oder auch durch Schallübertragung mittels eines magnetostriktiven Senders erfolgen.

Besonders vorteilhaft ist es, die Anregung der Biegewellen im Prüfling über ein umgebendes, insbesondere schubspannungsfreies Medium, wie Wasser, Öl, Luft od. dgl., vorzunehmen.

Gemäß einem weiteren Erfindungsgedanken wird die Spurgeschwindigkeit des einfallenden und die Biegewellen im Prüfling erzeugenden Schallstrahles gleich der Phasengeschwindigkeit der Biegewelle für die betreffende Frequenz gemacht.

Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, den Schwingungssender an einem Ende des Prüflings ortsfest anzuordnen und den Empfänger am Prüfling, diesen abtastend, entlang zu führen.

Mit Spurgeschwindigkeit bezeichnet man diejenige Geschwindigkeit, mit der die an der Grenzfläche sich markierende Spur der Welle an dieser entlang läuft. Die mathematische Definition würde also lauten:

Wn —-

sm

wobei C₁ Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit _;im umgebenden Medium, ^₁ Einfallswinkel des Schallstrahles bedeuten.

Die Phasengeschwindigkeit der Biegewelle ist gegeben durch die Formel: 4 ,

worin £+ Elastizitätsmodul der Platte (ist wenig größer als der Modul E für das betreffende Plattenmaterial), / Trägheitsmoment eines Plattenelementes; Breite gleich der Einheit, Höhe ist gleich der Dicke der Platte, ni Masse pro Flächeneinheit der Platte, cj Kreisfrequenz bedeuten.

Im unteren Teil der Fig. 1 ist der Zusammenhang zwischen Spurgeschwindigkeit C_sp, Einfallswinkel D₁ und Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit C₁ im umgebenden Medium in einem Vektordiagramm dargestellt. Die Spurgeschwindigkeit läßt sich also bei Bekanntsein von C₁ und D₁ sowohl rechnerisch als graphisch leicht und einfach ermitteln.

Bei Übereinstimmung von Spurgeschwindigkeit des einfallenden Schallstrahles und Biegewellengeschwindigkeit der Platte, was man als Geschwindigkeitskoinzidenz bezeichnet, wird die Platte zu besonders intensiven Schwingungen angeregt, was sich auch sehr leicht erklären läßt, indem nämlich die Wellenberge und Wellentäler der Biegewelle und der einfallenden Welle mit gleicher Geschwindigkeit dahineilen (s. Fig. 1). Die Platte strahlt daher auch auf die andere Seite in das sie umgebende Medium wesentlich intensiveren Schall ab, als es bei Verschiedenheit der Geschwindigkeiten der Fall ist. Eine wesentliche Änderung der Biegewellengeschwindigkeit und damit der Schalldurchlässigkeit tritt daher an jenen Stellen der Platte auf, wo Dopplungen vorhanden sind, weil sich da das Trägheitsmoment der Platte stark ändert (s. die Formel c_b), und überdies der Lunker selbst fast schallundurchlässig ist. no

Die Messung der durch das Werkstück durchgelassenen Schallenergie kann mit allen an sich bekannten Schallempfängern geschehen. Auch eine Aufzeichnung des durch die Platte durchgehenden Schalles ist möglich, indem man in den Weg des durchgetretenen Schallstrahles eine für Schall empfindliche Platte bringt. Die Anzeige über einfallenden Schall kann durch eine von ihm ausgelöste chemische Reaktion geschehen, so daß man gewisser- iao maßen eine unter LTmständen haltbare Schallaufnahme der zu prüfenden Platte erhält, aus

der auf die Fehlerquellen geschlossen werden kann. Für die Erzeugung von Schall von so hoher Frequenz, wie es hier notwendig ist, nämlich etwa 200 kHz, kommt vorzugsweise Quarz in Frage, weshalb man. dann als Empfänger zweckmäßigerweise ebenfalls einen Quarz von derselben Eigenfrequenz verwenden wird.

Bei geringer innerer Dämpfung der zu prüfenden Platte kann erwartet werden, daß sich die Biegewelle, die durch den einfallenden Schallstrahl im Koinzidenzfall angeregt wird, gegen den Rand der Platte zu fortpflanzt. Die Platte macht also Biegeschwingungen nach außerhalb der Stelle, wo sie der Schallstrahl trifft. Jedoch laufen die Biegewellen nicht radial nach allen Richtungen, sondern sie pflanzen sich nur in Richtung der Einfallsebene des Schallstrahles fort. Dabei strahlt die schwingende Platte vom Einfallspunkt des Schallstrahles an in ihrer ganzen Länge in das sie umgebende Medium. Man wird demnach $en Sender an einem Ende der zu prüfenden Platte anordnen und nur den Empfänger an der Platte vorbeiführen (s. Fig. 2). Auch damit ist natürlich nur eine zeilenmäßige Abtastung möglich, wobei wieder alle Möglichkeiten einer schnellen und praktischen Prüfung kombiniert werden können.
Von besonderem Vorteil zeigt sich hier die Messung der aus der Platte austretenden •Schallenergie auf optischem Wege, da bei geeigneter Anordnung das ganze Schallfeld auf einmal übersehen werden kann. Im letzteren Falle braucht man nicht mehr zeilenweise abzutasten, sondern nur den Sender an einem Ende der Platte in Richtung der Lichtstrahlen zu verschieben.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Feststellen von Fehlstellen in dünnen, vorzugsweise plattenförmigen festen Körpern mittels !,elastischer Schwingungen, dadurch gekennzeichnet, daß im Prüfling Biegewellen angeregt werden und aus auftretenden Unstetigkeitsstellen im Ausbreitungsverlauf der Biegewellen auf Fehlstellen geschlossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregung der Biegewellen im Prüfling über ein umgebendes, insbesondere schubspannungsfreies Medium, z. B. Wasser, öl, Luft od. dgl. erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spurgeschwindigkeit des einfallenden und die Biegewellen im Prüfling erzeugenden Schallstrahles gleich der Phasengeschwindigkeit der Biegewelle für die betreffende Frequenz gemacht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungssender an einem Ende des Prüflings

■ ortsfest angeordnet und der Empfänger am Prüfling, diesen abtastend, entlang geführt wird.

Zur Abgrenzung des Erfindungsgegen-Standes vom Stand der Technik ist im Erteilungsverfahren folgende Druckschrift in Betracht gezogen worden:

L. Bergmann, »Der Ultraschall«, 2.Aufl., 1939, S. 201 und 203, VDI.-Verlag, Berlin.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

I 5674 1.53