EP0201507A1 - Verfahren zum zerstörungsfreien prüfen von bauteilen inhomogener werkstoffe - Google Patents

Verfahren zum zerstörungsfreien prüfen von bauteilen inhomogener werkstoffe

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EP0201507A1
EP0201507A1 EP19850902446 EP85902446A EP0201507A1 EP 0201507 A1 EP0201507 A1 EP 0201507A1 EP 19850902446 EP19850902446 EP 19850902446 EP 85902446 A EP85902446 A EP 85902446A EP 0201507 A1 EP0201507 A1 EP 0201507A1
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EP
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subject
test
einan
ray
focusing system
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EP19850902446
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English (en)
French (fr)
Inventor
Manfred Hentschel
Rolf Hosemann
Axel Lange
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Erno Raumfahrttechnik GmbH
Original Assignee
Erno Raumfahrttechnik GmbH
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Publication date
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/20—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by using diffraction of the radiation by the materials, e.g. for investigating crystal structure; by using scattering of the radiation by the materials, e.g. for investigating non-crystalline materials; by using reflection of the radiation by the materials
    • G01N23/207—Diffractometry using detectors, e.g. using a probe in a central position and one or more displaceable detectors in circumferential positions

Definitions

  • the invention relates to a method for the non-destructive testing of components of inhomogeneous materials with regard to material and orientation-specific density distribution by means of monochromatic X-ray examination and detector imaging.
  • the invention is therefore based on the object of providing a method for the non-destructive testing of components of inhomogeneous materials which is also able to register spatial positions of different layers. This object is achieved by the characterizing features of claim 1.
  • the measure according to the invention enables the use of a focusing system to examine components of inhomogeneous materials in the third dimension.
  • Arched crystal Monochromators or totally reflecting X-ray mirrors can be used for the focusing system, a measuring gap, for example a detector, being arranged in the secondary focal point. A movement of the test specimen relative to the focusing system then enables components of inhomogeneous materials to be examined in all three spatial directions.
  • Fig. 6 shows the principle for examination on the back of inaccessible samples
  • FIG. 3 shows the functioning of a curved crystal monochromator.
  • the corners ABC of a triangle lie on a circle with the radius R. With the center M of the circle, there are three isosceles triangles AEM, BCM and CAM, which define the side angles ⁇ , ⁇ , to have.
  • the scattering angle is a beam going from A to C and diffracted there to B.
  • the point D lying in the middle between A and B defines the line CD as the bisector of the angle 2 ⁇ lying at C, because the angle ACD is equal to the angle DCB. All circles, whose center is D, have a tangent at any point C lying on the circle ABC, which uses as a mirror, reflecting a beam directed from A to C to B.
  • quartz crystal monochromators it has values of ⁇ 15o, ie ⁇ is negative and the base AB lies above the center M.
  • the circle on which the focal points A, B and the surface of the curved crystal lie is called the focusing circle.
  • Fig. 4 shows schematically the operation of a fine structure scattering chamber with a monochromator.
  • An X-ray film is placed in this cylindrical chamber.
  • the radiation generated in the focal spot of the X-ray tube is focused in the monochromator on a focal line located at the rear of the cylinder. Both focal spots and the surface of the monochromator lie on the aforementioned focusing circle.
  • a thin powder preparation is attached to the entry side of the scattering chamber as a test specimen.
  • the one from this examinee ter the Braggwinkel Scattered radiation is effective for all values from focused on another point of the X-ray film.
  • the locations where the two marginal rays penetrate the sample can be recognized as the base AB according to FIG. 3, the radiation focal point lying on the cylinder carine being a possible point C according to FIG.
  • the invention is based on the idea of not placing the short-armed focal line of a monochromator in an X-ray source, but in the irradiated test subjects, so that additional information can be obtained by the X-ray reflection generated there.
  • the monochromator according to FIG. 4 appears in FIG. 1 as a monochromator 4, which gets its radiation from the area 3.
  • Another idea of the invention is that the monochrcmator 4, due to its curved shape, can detect a beam of rays generated by a point in the region 3 at once.
  • this is of particular importance for fiber composite materials because these materials consist of microparacrystals that only produce diffuse reflections.
  • FIG. 3 on the path from the monochromator 4 to the detector 5 there is no longer any subject in the room, but the irritation which indicates the position of the examined subject's location.
  • the carbon fibers of layer 8 are now perpendicular to the drawing plane, while in layer 9 they are parallel to the drawing plane, ie, in contrast to the so-called 002 reflections of layers 8, they are not in a reflective position.
  • the test specimen can now be driven through the examination point 3 and all points of the composite material can be examined in the detector 5. It is therefore possible to explore the local position of the layers and at the same time to have them registered electronically or using a scintillation counter. Consequently, two maxima with one of the layer thickness distances can be on a registration strip of the test specimen 7 corresponding distance. If the subject 7 according to FIG.
  • the layer 9 would be in a reflective position and a maximum would appear on the registration strip.
  • the mono chromator 4 In order to be able to really catch the reflex 002 of a carbon fiber in the detector, the mono chromator 4 must be brought into a reflective position with the detector 5. For this purpose, both are firmly attached to a common support, for example on a support, which can be rotated about the focusing point 3 by means of the fine drive 10.
  • the method according to the invention works with transmission.
  • the reflections emerge on the side facing away from the x-ray tube.
  • Particularly good measurement results are obtained when the reflections generated in a composite material emerge vertically from the test subject.
  • a minimum of the disturbing scattered radiation then arrives at the detector 5.
  • the input gap at detector 5 is also adjustable, i.e. can be adjusted for optimal resolution and intensity.
  • FIG. 5 shows an example in which six reflective layers can be seen, with a larger gap apparently existing between layers 3 and 4.
  • FIG. 7 shows an example of the composite material already shown in FIG. 5. The deeper layers are disadvantaged because the primary beam and the reflected beam have to travel a longer way through the test body.
  • Fig. 7 shows an example with Molydän radiation, where the eleventh layer is only weakly recognizable. It can be seen very clearly that five reflecting layers are identified at one time and six times after rotating through 90 °, provided that this rotation takes place about an axis parallel to the layer normal.
  • the invention relates to a further device by means of which all the layers detected in the reflection method are registered with the same intensity.
  • a screen plate 11 is attached parallel to the test specimen 7 in front of the reflections 12 and 13 emerging from the composite body in such a way that its edge 14, which is adjusted parallel to the fan beam, just barely passes the beam coming from the rear surface.
  • the screen plate 11 is provided with an x-ray absorption coefficient twice as large as the test body for adaptation.
  • the setting to “depth of cut”, on which layer the boundary beam 13 is to be generated, is carried out by the fine drive 15 attached to the screen plate 11.

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Description

Verfahren zum zerstörungsfreien Prüfen von Bauteilen inhomogener Werhstoffe
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verahren zum zerstörungsfreien Prüfen von Bauteilen inhomogener Werkstoffe bezüglich material- und orientierungsspezifischer Dichteverteilung mittels monochromatischer Röntgenstrahlenuntersuchung und Detektorabbildung.
Neben den bekannten Grobstrukturuntersuchungen mittels Röntgenstrahlen ist schon ein Feinstrukturverfahren vorgeschlagen worden (P 33 40790), in dem ein geeigneter mit monochromatischer Röntgenstrahlung erzeugter Reflex in einem Bauteil aus faserverstärktem Verbundwerkstoff zur Messung bzw. Registrierung benutzt wird. Ähnlich wie bei Grobstrukturuntersuchungen kommen beim Durchstrahlen alle Schichtdicken eines untersuchten Bauteiles zur Wirkung, aber im Gegensatz zum herkömm lichen Verfahren werden nicht die Absorptionseigenschaften, sondern die orientierungsabhängigen Fähigkeiten der Schichten Feinstrukturreflexe zu erzeugen ausgenutzt. Im Unterschied zur Grobstru ktruntersuchung werden nicht die durchgehende Primärstrahlung beobachtet, sondern die durch Interferenz der Netzebenen erzeugten Reflexe, die je nach Lage der Fasern einer Schicht reflektiert werden oder nicht. Die Schichten eines Bauteiles aus Verbundwerkstoff kömmen hier also trotz gleicher Absorption unterschiedlich zur Wirkung.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zum zerstörungsfreien Prüfen von Bauteilen inhomogener Werkstoffe zu schaffen, das in der Lage ist auch räumliche Lagen verschiedener Schichten zu registrieren. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Maßnahme ermöglicht durch den Einsatz eines fokussierenden Systems Bauteile inhcmogener Werkstoffe in der dritten Dimension zu untersuchen. Für das fokussierende System können gewölbte Kristallmonnochromatoren oder totalreflektierende Röntgenspiegel eingesetzt werden, wobei im sekundärseitigen Brennpun kt ein Meßspalt, z.B. ein Detektor zum Auswerten angeordnet wird. Eine Bewegung des Prüflings relativ zum fokussierenden System ermöglicht dann Bauteile inhcmogener Werkstoffe in allen drei Raumrichtungen zu untersuchen.
Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 das Prinzip zum dreidimensionalen Prüfen inhαnogener Werkstoffe,
Fig. 2 registrierte Reflexe eines untersuchten Verbundwerkstoffes mit drei Schichten verschiedener Faserorientierung,
Fig. 3 das Prinzip für die Funktionsweise eines gewölbten Kristallmonochromators,
Fig. 4 Das Schema einer Feinstrukturstreuk amm er,
Fig. 5 das registrierte Signal einer untersuchten Probe,
Fig. 6 das Prinzip zur Untersuchung auf der Rückseite unzugänglicher Proben und
Fig. 7 ein weiteres registriertes Signal einer Probe
Zunächst wird auf die Fig. 3 bezug genommen, welche die Funktionsweise eines gewölbten Kristallmonochromators zeigt. Auf einem Kreis mit dem Radius R liegen die Ecken ABC eines Dreiecks. Mit dem Mittelpunkt M des Kreises ergeben sich drei gleichschenklige Dreiecke AEM, BCM und CAM, welche die Seitenwinkel α, β, haben. Die Summe der Innen Winkel des Dreiecks ABC ist 180° = 2(α+β + ) . Nimmt man AB als Basis des Dreiecks ABC, so hat der Innenwinkel bei C für alle Lagen von C auf dem Kreis oberhalb der Basis AB den Wert
φ = α+ = 90º-β
Der Streuwinkel eines von A nach C gehenden und dort nach B gebeugten Strahles ist also
2ύ = 90°+ β
Der in der Mitte zwischen A und B liegende Punkt D definiert als Winkelhalbierende des bei C liegenden Winkels 2φ die Gerade CD, weil der Winkel ACD gleich dem Winkel DCB ist. Alle Kreise, deren Mittelpunkt D ist, haben in jedem beliebigen auf dan Kreis ABC liegenden Punkt C eine Tangente, die als Spiegel benutzt, einen von A nach C gerichteten Strahl nach B reflektiert.
Dieses ist das Prinzip eines gewölbten Monochromators, welcher für einen bestimmten Braggwinkel gebaut und durch die Größe des Winkels β definiert ist. Bei üblichen Quarzkristallmonochromatoren hat Werte von <15º, d.h. β ist negativ und die Basis AB liegt oberhalb des Mittelpunktes M. Der Kreis, auf dam die Brennpunkte A,B und die Oberfläche des gewölbten Kristalles liegen, wird Fokussierungskreis genannt.
Fig. 4 zeigt schanatisch die Funktionsweise einer Feinstrukturstreukammer mit Monochromator. In diese zylindrische Kammer ist ein Röntgenfilm eingelegt. Die im Brennfleck der Röntgenröhre entstehende Strahlung wird im Monochromator auf einen am hinteren Zylinderrand liegenden Brennstrich fokussiert. Beide Brennflecke und die Oberfläche des Mönochrcmators liegen auf dan zuvor genannten Fokussierungskreis. Auf der Eingangsseite der Streukammer ist ein dünnes Pulverpräparat als Prüfling angebracht. Die von diesem Prüfling un ter dem Braggwinkel gestreute Strahlung kommt für alle Werte von fokussiert auf einen anderen Punkt des Röntgenfilmes zur Wirkung. Man erkennt die Stellen, wo die beiden Randstrahlen die Probe durchdringen, als Basis AB gemäß Fig. 3 wieder, wobei der auf der Zylinderkairiner liegende Strahlenbrennpunkt als möglicher Punkt C nach Fig.
3 gilt. Die übrigen Punkte C liegen dann auf einem zweiten durch die Filmoberflache verlaufenden Fokussierungskreis.
Der Erfindung liegt nun der Gedanke zugrunde, den kurzarmigen Brennstrich eines Monochromators nicht in eine Röntgenstrahlenquelle, sondern in den bestrahlten Probanden, und zwar an die Stelle zu legen, so daß man durch die dort erzeugte Eöntgenreflexion weitere Informationen erhalten kann. Der Monochromator nach Fig. 4 erscheint in Fig. 1 als Monochromator 4, der sich seine Strahlung aus dan Gebiet 3 holt. Ein weiterer Erfindungsgedanke besteht noch darin, daß der Monochrcmator 4 wegen seiner gewölbten Form ein von einem Punkt im Gebiet 3 erzeugtes Strahlenbündel auf einmal erfassen kann. Dies ist aber für Faserverbundwerkstoffe von besonderer Bedeutung, weil diese Stoffe aus Mikroparakristallen bestehen, die nur diffuse Reflexe erzeugen. Auf dem Wege von Monochromator 4 zum Detektor 5 steht nun im Gegensatz zu Fig. 3 kein Proband mehr im Raum, sondern die Irtformation, welche die Lage der untersuchten Stelle des Pröbanden angibt.
Ganäß Fig. 1 stehen nun die Kohlenstoffasern der Schicht 8. senkrecht zur Zeichenebene, während sie in der Schicht 9 parallel zur Zeichenebene liegen, d.h. sie liegen im Gegensatz zu den sog. 002-Reflexen der Schichten 8 nicht in reflexfähiger Lage. Mit Hilfe eines Feintriebes 10 kann man nun den Prüfling durch die Untersuchungsstelle 3 fahren und sαrtit im Detektor 5 alle Stellen des Verbundwerkstoffes untersuchen. Es ist daher möglich, die örtliche Lage der Schichten zu erkunden und dieses gleichzeitig elektronisch oder über einen Szintillationszähler registrieren zu lassen. Folglich können auf einem Registrierstreifen zwei Maxima mit einem der Schichtdickendistanz des Prüflings 7 entsprechenden Abstand abgebildet werden. Würde man den Probanden 7 nach Fig. 1 um 90° seiner Oberflächennormale drehen, so kommt die Schicht 9 in eine reflexionsfähige Lage und auf dem Registrierstreifen erscheint ein Maximum. Um den Reflex 002 einer Kohlenstoffaser wirklich im Detektor auffangen zu können, muß der Mono chromator 4 mit dem Detektor 5 in eine reflexionsfähige Lage gebracht werden. Dazu sind beide auf einer gemeinsamen Unterlage z.B. auf einem Support fest angebracht, der mittels des Feintriebes 10 um die Fokussierungsstelle 3 gedreht werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet, wie in Fig. 1 gezeigt, mit Transmission. Die Reflexe treten auf der der Röntgeriröhre abgewandten Seite aus. Besonders gute Meßergebnisse ergeben sich dann, wenn die in einem Verbundwerkstoff erzeugten Reflexe senkrecht aus dam Probanden austreten. Es gelangt dann zum Detektor 5 ein Minimum der störenden Streustrahlung. Der Eingangsspalt am Detektor 5 ist zudem einstellbar, d.h. auf optimales Auflösungsvermögen und Intensität ausrichtbar. Fig. 5 zeigt ein Beispiel, bei dem sechs reflektierende Schichten erkennbar sind, wobei zwischen der Schicht 3 und 4 offenbar eine größere Lücke existiert.
Das Verfahren kann aber auch in Reflexion angewandt werden, wenn in Fig. 1 der Verbundstoff z. B. um fast 90° im Uhrzeigersinn um die Achse 3 gedreht wird (Fig. 6). Das ist von entscheidender Bedeutung für die Untersuchung größerer, auf der Rückseite unzugänglicher Werkstücke. Fig. 7 zeigt ein Beispiel des schon in Fig. 5 gezeigten Verbundstoffes. Benachteiligt sind die tiefer liegenden Schichten, weil Primärstrahl und reflektierter Strahl einen längeren Weg durch den Testkörper zurückzulegen haben. Fig. 7 zeigt ein Beispiel mit Molydän-Strahlung, wo die elfte Schicht nur noch schwach erkennbar ist. Es ist hierbei sehr genau zu erkennen, daß einmal fünf, das andere Mal nach Drehung um 90º sechs reflektierende Schichten identifiziert werden, unter der Voraussetzung, daß diese Drehung um eine Achse parallel zur Schichtnormale erfolgt. Die Erfindung betrifft schließlich eine weitere Vorrichtung, durch die alle beim Reflexionsverfahren erfaßten Schichten mit gleicher Intensität registriert werden. Dazu wird eine Schirmplatte 11 parallel zum Prüfling 7 vor die aus dem Verbundkörper austretenden Reflexe 12 und 13 so angebracht, daß seine parallel zum Fächerstrahl justierte Kante 14 den Strahl der von der hinteren Sdiicht kömmt, gerade noch vorbeiläßt. Da die übrigen vom Schirm erfaßten Strahlen aber Wege durchlaufen, die im Vergleich zum Prüfling kürzer sind, ist die Schirmplatte 11 zur Anpassung mit einem doppelt so großen Röntg enstrahl-Absorptionskoeffizienten als der Testkörper versehen. Die Einstellung auf "Tiefenschörfe", an welcher Schicht also der Grenzstrahl 13 erzeugt werden soll, erfolgt durch den an der Schirm platte 11 angebrachten Feintrieb 15.
Bezugsziffern
1 Röntgenröhre
2 erster Monochromator
3 Fokussierungsstelle
4 Monochromator
5 Detektor, Meßspalt
6 Fokussierungskreis
7 Prüfling oder Probe
8 Schicht einer Probe
9 Schicht einer Probe
10 Feintrieb
11 Ausgleichschirm
12 Reflex
13 Reflex
14 Kante
15 Feintrieb

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum zerstörungsfreien Prüfen von Bauteilen inhorogener Werkstoffe bezüglich material- und orientierungsspezifischer Dichteverteilung mittels monochromatischer Röntgenstrahlenuntersuchung und Detektorabbildung, dadurch gekennzeichnet, daß die Untersuchung auf der Basis der Röntgenfeinstrukturanalyse erfolgt, und daß ein fokussierendes Systan (4) die von einem Probanden (7) gebeugte Röntgenstrahlung in einem geeigneten Streuwinkelbereich für eine nachfolgende Auswertung sammelt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im sekundärseitigen Brennpunkt des fokussierenden Systems (4) ein Meßspalt (5) angeordnet ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Messimg durch definierte Relativbewegung zwischen Proband (7) und fokussierenden. System (4) erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als fokussierendes System (4) ein gewölbter Kristallmonochr omator eingesetzt ist.
5. Verfahren nach einan der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als fokussierendes Systan (4) ein totalreflektierender Röntgenspiegel eingesetzt ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenzeichnet, daß die Intensität der Röntgenstahlung im Meßspalt (5) mit einem ein elektrisches Signal erzeugenden Detektor erfaßt wird.
7. Verfahren nach einan der Ansprüche 1 bis 6. dadurch gekennzeichnet, daß das fokussierende Systan (4) und der Meßspalt (5) auf einer gemeinsamen Unterlage montiert sind, und daß um eine zur Strahlungsrichtung senkrechte Achse drehbare Unterlage auf einen materialspezifischen Streuwinkel justiert ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das fokussierende System (4) und der Meßspalt (5) Strahlungswerte als Funktion des Streuwinkels registrieren, und daß ein Feintrieb (10) die gemeinsame Unterlage um die Achse dreht.
9. Verfahren nach einan der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Einfallswinkel der Primärröntgenstrahlung auf den Probanden (7) größer als der Streuwinkel der benutzten Reflexe ist, wodurch die Werkstoffprüfung durch Transmission erfolgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die im Probanden (7) erzeugten Röntgenreflexe nahezu senkrecht aus der Rückseite des Probanden (7) austreten und eine Transmissionsprüfung ermöglichen.
11. Verfahren nach einan der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Einfallswinkel der Primärstrahlung auf den Probanden (7) kleiner als der zur Prüfung benutzte Streuwinkel ist, wodurch die Prüfung in Reflexion erfolgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in vorderen Schichten des Probanden (7) erzeugte Reflexe (12) durch einen parallel zur Schichtoberfläche liegenden Ausgleichsschirm (11) mit gegenüber dem Probanden (7) verdoppeltem Absorptionsverm ögen geleitet sind, und daß die einen längeren Weg durchlaufenden Reflexe (13) der hinteren Schichten mit gleicher Intensität registriert werden.
13. Verfahren nach einan der Asprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgleich sschirm (11) mit einan Feintrieb
(15) derart justierbar ist, daß die Kante (14) des Ausgleichsschirmes (11) den von der hinteren Schicht des Probanden (7) kommenden Austrittstrahl (13) gerade noch unbeeinflußt durchläßt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere fokussierende Systeme gleichzeitig charakteristische Streuwinkelbereiche unterschiedlichster Werkstoffe berücksichtigen.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere fokussierende Systeme gleichzeitig verschieden orientierte Reflexlagen eines Werkstoffes berücksichtigen.
16. Verfahren nach einam der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein einstellbarer Meßspalt (5) als Eintrittsfenster des Fokussierenden Systems (4) angebracht wird.
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Inventor name: HOSEMANN, ROLF

Inventor name: HENTSCHEL, MANFRED

Inventor name: LANGE, AXEL