EP2052246A1 - Method for testing the microstructure of a welded joint - Google Patents

Method for testing the microstructure of a welded joint

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EP2052246A1
EP2052246A1 EP07802466A EP07802466A EP2052246A1 EP 2052246 A1 EP2052246 A1 EP 2052246A1 EP 07802466 A EP07802466 A EP 07802466A EP 07802466 A EP07802466 A EP 07802466A EP 2052246 A1 EP2052246 A1 EP 2052246A1
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EP
European Patent Office
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microstructure
ultrasonic surface
surface wave
determining
probes
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07802466A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Korbinian Puchner
Michael Siegel
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP07802466A priority Critical patent/EP2052246A1/en
Publication of EP2052246A1 publication Critical patent/EP2052246A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01N29/04—Analysing solids
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    • G—PHYSICS
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    • G01N2291/2693—Rotor or turbine parts

Definitions

  • the invention relates to a method for testing the microstructure of a welded joint on an inner or from the outer surface of a component extending to deeper cross-sections damage, for example due to material creep.
  • Creep operated live steam pipelines.
  • the method should be less labor-intensive and time-consuming and thus more cost-effective and reliable overall.
  • a method with the following steps is used for testing the microstructure of a welded joint for internal damage: generating at least one ultrasonic surface wave by means of a first test head, receiving the at least one ultrasonic surface wave by means of a second
  • Probe determining the acoustic properties, in particular the speed of sound, in the microstructure of the welded joint based on the relation between generated and received ultrasonic surface wave, determining the degree of damage of the internal
  • Microstructure of the welded joint on the basis of the determined acoustic properties.
  • the invention for testing the microstructure of a weld test probes are set, which allow a highly accurate measurement of the acoustic properties, in particular the speed of sound of ultrasonic waves.
  • the ultrasonic waves are emitted from the surface into the depth of the welded joint and move in particular as ultrasonic waves of different penetration depth (Rayleigh surface wave) within the microstructure.
  • the measurement of the acoustic Properties do not take place as conventionally usual with sound impulses, but with the help of a continuous surface wave.
  • the method according to the invention also advantageously comprises the steps of determining the phase shift between the at least one transmitted and the at least one received ultrasonic surface wave and determining the acoustic properties, in particular the speed of sound, in the microstructure on the basis of the determined phase shift.
  • broadband piezoelectric probes with a corresponding feed wedge are preferably used, which are fed by a function generator with a sinusoidal voltage signal.
  • the transmit signal as well as a pre-amplified receive signal are simultaneously applied to separate channels of an oscilloscope, whereby the phase shift between the two signals can be determined.
  • the two probes are preferably moved relative to one another.
  • This movement of the probes can be carried out by means of mechanized manipulators, which in particular comprise a high-precision displacement measuring system. In this way, a backlash-free and exactly reproducible displacement of the two probes is possible.
  • mechanized manipulators which in particular comprise a high-precision displacement measuring system. In this way, a backlash-free and exactly reproducible displacement of the two probes is possible.
  • the probes are particularly preferably moved relative to one another over a distance of the length of a plurality of wavelengths, and the average wavelength of the ultrasonic surface wave in the microstructure is calculated therefrom.
  • Head of the test head could vary. This is circumvented by comparable signal acquisition conditions for two identically aligned probes acting as receivers.
  • FIG. 1 shows a cross section of a component tested by the method according to the invention
  • FIG. 4 shows a perspective view of a component tested according to the invention in a so-called coarse scanning
  • FIG. 5 shows a perspective view of a component tested according to the invention in a so-called fine scanning
  • FIG. 6 shows a perspective view of a component tested according to the invention with an illustrated position of measuring tracks
  • FIG. 7 shows a first embodiment of a measurement setup for the method according to the invention
  • FIG. 9 shows a third exemplary embodiment of a measurement setup for the method according to the invention
  • FIG. 10 shows a schematic representation of the development of measurement parameters determined according to the invention over the stress duration of a component subject to high temperature stress.
  • FIG. 1 illustrates a cross-section of a component 10 on which a first weld seam 12 and a second weld seam 14 are located.
  • a method for testing the microstructure for internal damage in particular for creep damage, such as due to material creep.
  • an ultrasonic surface wave is generated on a surface 16 of the component 10 in a test head, not shown in Fig. 1, which is received or recorded by means of a second test head, also not shown in FIG.
  • From a comparison of the received ultrasonic surface wave with the transmitted ultrasonic surface wave and a speed of sound calculated therefrom in the microstructure of the component 10 can, as explained in more detail below, the degree of damage of the microstructure are determined.
  • the method allows a depth-dependent testing of time-stressed or time-standing damaged welded joints. This test is possible even at a usually found in welded joints inhomogeneous structure structure with high local and depth-dependent differences in the material properties.
  • the method ensures that the result is based purely on physical quantities and objectively collected.
  • the speed of sound in the microstructure of the component 10 can be changed by changing the frequency of the transmitted ultrasonic surface waves whose penetration depth. With these so-called Rayleigh waves, a depth profile of the speed of sound in the microstructure of the component 10 can then be created. Through targeted integral detection of the acoustic properties at different penetration depths, a sonic velocity profile can be created with the ultrasonic surface waves in this way, the course of which is sensitively influenced by progress of damage to the component 10. This represents a significant gain in knowledge, especially in the assessment of cemetery damage.
  • FIG. 1 illustrates that, assuming a maximum pore concentration at the surface 16, an ultrasound surface wave 18 of low penetration first penetrates only a region 20 of the most damaged microstructure. Assuming a steady assumption of the damage with the depth of the component 10, the less damaged material fraction integrally detected by the ultrasonic surface wave 18 increases in proportion as the penetration depth increases (see FIG. 1).
  • FIG. 1 a variation of a frequency f from f 1 to f 2 is illustrated, which lies in a range from 400 kHz to 3 MHz.
  • the wavelength of the associated ultrasonic surface wave ⁇ changes from a value ⁇ i to a value of X 2 with penetration depths of approximately 1 mm to approximately 8 mm.
  • Fig. 2 it is illustrated that a near-surface creep damage thus leads to significantly different speed of sound between the surface 16 and a lower portion of the component 10 (see curve 22), while at a damage-free or undamaged material a nearly depth-constant course (see trace 24) is observed. From the curvature behavior of the measurement curves 22 and 24 or their curve gradient can thus be concluded that the damage progress in relation to the surface 16 as a reference region.
  • frequencies are selected, resulting in a number of layers or support points which describe the course of the speed of sound in relation to the distance to the surface 16.
  • frequencies between about 400 kHz to about 3 MHz are selected, resulting in a penetration depth of up to 8 mm for the materials usually to be examined. The measuring depth with the method of this kind is therefore considerable.
  • the equation fulfills the requirements for a mathematical description model in a largely optimal way.
  • two characteristic quantities are sufficient for the description of all measurement curves, namely the specification of a surface acoustic velocity C 0 and of a gradient coefficient K.
  • the integral sound velocity at any point in the interior of the component can be calculated from the known curve.
  • the integral sound velocity at any point in the interior of the component can be calculated from the known curve.
  • FIGS. 4 to 6 illustrate the spatial procedure in the method according to the invention for testing the microstructure of a weld seam 12 on a component 10.
  • a so-called coarse scanning (FIG. 4) is carried out for an overview evaluation, whereby individual ones
  • Measuring tracks 26 transverse to the longitudinal extent of the weld 12th are directed. These measuring tracks 26 represent the path between two test heads (illustrated below in FIGS. 7 to 9), which are moved individually or optionally together along these measuring tracks 26. With the coarse scanning illustrated in FIG. 4, defects in the microstructure of the weld 12 as well as the immediately surrounding component are detected. In a second method step, so-called fine scanning, illustrated in FIG. 5, individual measuring tracks 26 are subsequently aligned parallel to the longitudinal extent of the weld seam 12. In this way, a detailed assessment of the material volume takes place. From the individual measurements oriented in this way, both a sound velocity profile and a gradient profile of measurement curves, as illustrated in FIGS. 2 and 3, are obtained. From the change of these measurement curves during the life of the associated component can be concluded that a progressively developing damage to the weld 12.
  • FIG. 6 again illustrates that, according to the procedure according to the invention, a complete characterization of a weld 12 in its spatial extent is possible, this spatial extent being the length of the measurement tracks 26, the number and the spacing of the individual measurements and the penetration depth of the ultrasound - Surface waves results.
  • FIG. 7 illustrates a first exemplary embodiment of a measurement setup 28 for carrying out the method according to the invention. It is a first, acting as a transmitter for ultrasonic surface wave probe 30 and a second, acting as a receiver of the ultrasonic surface wave probe 32 is provided.
  • the two probes 30 and 32 are arranged on a manipulator 34, by means of which a virtually backlash-free and exactly reproducible displacement of the two probes 30 and 32 on the component 10 to be tested along a straight line is ensured.
  • the relative Traversing position of the two probes 30 and 32 is recorded via a high-precision displacement measuring system 36.
  • the acting as a transmitter probe 30, which is designed as a broadband piezoelectric probe with a corresponding Vorlaufkeil is fed by a function generator 38 with a sinusoidal voltage signal and thereby generates a continuous ultrasonic surface wave.
  • This ultrasonic surface wave propagates on the surface 16 of the component 10 along an axis of the test head 30 and is received by the test head 32 arranged in the opposite direction.
  • the transmitter signal as well as the preamplified signal received by the probe 32 are simultaneously applied to separate channels of an oscilloscope 40, whereby a phase shift between the two signals can be determined.
  • the displacement during a measuring operation is approximately 50 mm to approximately 100 mm, depending on the dimensions of the component 10 to be tested and the size of the probes 30 and 32 used, the change in the phase shift being recorded as a function of the measuring length.
  • the thus determined data allow due to taking into account the number of swept phase shifts and the length of the measuring section, the calculation of a mean wavelength of the ultrasonic surface wave in the component 10.
  • the speed of sound c in the component 10 is then based on the wavelength ⁇ and the frequency f, which by the frequency generator 38 is predetermined, calculated. By averaging the wavelength over the travel of the probes 30 and 32 in this way a very high measurement accuracy can be achieved.
  • a damage of the microstructure of a weld seam 12 or 14 on the component 10 that is near the surface leads to a depth-dependent gradient of the ascertained sound velocity c and through an evaluation of the
  • Velocity profiles across the cross-section of the weld 12 or 14 allow conclusions to be drawn as to their degree of damage.
  • the above-explained coarse scanning (FIG. 4) makes it possible to detect defects within a short time, with conspicuous measuring points subsequently being subjected to a detailed fine scanning (FIG. 5) in a refined testing process (using a plurality of measurement frequencies).
  • Fig. 8 is an alternative embodiment of a
  • Measurement setup 28 illustrated in which two probes 30 and 32 are each arranged in a fixed horrovipfan onion. These probes 30 and 32 are each connected to a function generator 38 and an oscilloscope 40 again. In contrast to the measuring structure 28 shown in FIG. 7, a displacement of the probes 30 and 32 by means of a manipulator is not provided here, but the probes 30 and 32 are arranged stationary and the measuring frequency is varied as a variable variable. Due to this procedure, the costs for the manipulator and the displacement measuring system are eliminated. The measurement can also be fully automatic.
  • the arrangement according to FIG. 8 can also be used to change the phase position between the two signals relative to one another at constant test head spacing
  • Reference value eg base material
  • the rigid arrangement of the probes 30 and 32 is moved across the weld and evaluated the local changes in the phase position in response to material changes. This can be done electronically (Comparator circuit). The frequency range and thus the depth effect of the method remain unaffected.
  • FIG. 9 illustrates an embodiment of a measurement setup 28 in which a total of three stationary probes 30, 32 and 42 are provided, of which the test head 30 is connected to a function generator 38 and the probes 32 and 42 are connected to an oscilloscope 40 as a receiver ,
  • the signals of the two acting as a receiver probes 32 and 42 are adjusted to the phase equality.
  • the precision of the measurement can be further increased, since in a head-to-head arrangement of the metrologically relevant fürmaschinepfabstand could vary by a variable with the measurement frequency exit point from the Vorlaufkeil the associated test head, but this by the presently provided comparable conditions for the Signal recording at the two acting as a receiver probes 32 and 42 can be bypassed with identical orientation.
  • FIG. 10 illustrates an evaluation of progressions of the speed of sound over the cross section of one of the weld seams 12 or 14.
  • FIG. 10 illustrates that a description of the damage state of the microstructure on a weld seam is possible by the sound velocity profile.
  • Fig. 10 shows a total of four curves 44, 46, 48 and 50, each of which illustrate the course of the gradient of the speed of sound over a position transverse to a longitudinal extent of a weld.
  • the line 44 shows a weld in new condition
  • the line 46 an operationally stressed weld
  • the line 48 an advanced operationally stressed weld
  • line 50 finally, a weld with damaged microstructure.
  • the line 44 basically has an M-shape, which extends with its two maxima in the region of melting lines 52 and 54, respectively. These melting lines form the respective Boundary region between one side of the weld and the adjacent component.
  • the basically M-shaped line 44 thus flattens out over the increasing service life of the associated component (see lines 46 and 48 in FIG. 10).
  • this change of the gradient K from an M-shape in the new state via a flattening in the operational state to a W-shape in the damaged state clearly the qualitative development course at the associated Weld seam shows.
  • the microstructure In the initial state of a weld, the microstructure has a very inhomogeneous distribution, in particular in the area of the melting lines (solidification structure) different states. This manifests itself within the measurement curves or lines 44 to 50 by locally limited to these areas gradient coefficient K high degree. If a leveling in the course of the gradient coefficient K over the weld cross-section is to be determined, the metrological proof of a long-term operating stress on high
  • Material volume in the area of the melting line 52 and 54 extends is to detect a camber of the center of gravity in the direction of the heat fusion lines 52 and 54 after a crosstalk damage occurs.
  • the material structure or the material structure within the melting lines 52 and 54 (fine grain zone) thus reacts particularly sensitively to a time-dependent material change and thus represents the function of an early indicator

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Abstract

A method for testing the microstructure of a welded joint (10, 12, 14) for interior damage, for example, due to material creepage, comprises the following steps: creating at least one ultrasonic surface wave by means of a first test head (30), receiving of the at least one ultrasonic surface wave by means of a second test head (32, 42), determining the acoustic properties within the structural conditions on the basis of the relation between a created and received ultrasonic surface wave, and determining the degree of damage of the interior structural conditions on the basis of the acoustic properties ascertained.

Description

Beschreibungdescription
Verfahren zum Prüfen der Gefügestruktur einer SchweißverbindungMethod for testing the microstructure of a welded joint
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen der Gefügestruktur einer Schweißverbindung auf eine innenliegende bzw. von der Außenoberfläche eines Bauteils sich bis in tieferliegende Querschnitte erstreckende Schädigung, beispielsweise bedingt durch Werkstoffkriechen .The invention relates to a method for testing the microstructure of a welded joint on an inner or from the outer surface of a component extending to deeper cross-sections damage, for example due to material creep.
Insbesondere in der Energietechnik werden an Schweißverbindungen, beispielsweise an Turbinenkomponenten wie Frischdampfrohrleitungen von einem Kessel zur eigentlichen Turbine oder turbineninternen Rohrleitungen, sehr hohe Anforderungen hinsichtlich der Qualität der Gefügestruktur gestellt. Zugleich unterliegen diese Schweißverbindungen sehr hohen Belastungen. Im Gegensatz zu nur im Streckgrenzen- oder Warmstreckgrenzenbereich beanspruchten Anlagen haben Bauteile, welche unter sehr hohen Betriebstemperaturen arbeiten, eine durch Werkstoffkriechen bedingte begrenzte Lebensdauer. Um die Sicherheit und Verfügbarkeit solcher durch Werkstoffkriechen beanspruchter Bauteile zu gewährleisten, sind zuverlässige Prüfungen, insbesondere an den zugehörigen Schweißverbindungen durchzuführen. Dies gilt insbesondere für die imParticularly in power engineering, very high demands are placed on the quality of the microstructure on welded joints, for example on turbine components such as live steam pipes from a boiler to the actual turbine or internal turbine pipes. At the same time, these welded joints are subject to very high loads. In contrast to plants that are only subjected to yield strength or hot yielding range, components which operate at very high operating temperatures have a limited service life due to material creep. In order to ensure the safety and availability of such claimed by material creep components, reliable tests, in particular to perform the associated welds. This is especially true for the im
Zeitstandbereich betriebenen Frischdampfrohrleitungen .Creep operated live steam pipelines.
Zur Prüfung derartiger Schweißverbindungen sind bislang nur konventionelle Gefügeabdrucktechniken (metallografische Untersuchungen) an der unmittelbaren Bauteiloberfläche bekannt. Dabei können aufgrund des hohen Aufwandes für solche Prüfungen nur begrenzte und im Voraus definierte Bereiche untersucht werden. Andere Bereiche bleiben hingegen ungeprüft . Zudem erfordert diese arbeits- und zeitintensive Prüftechnik sehr gut ausgebildetes und erfahrenes Personal. Die Ergebnisse müssen vom Prüfpersonal schließlich noch subjektiv beurteilt werden, so dass es zu stark unterschiedlichen Bewertungen kommen kann.To date, only conventional structural impression techniques (metallographic investigations) on the immediate component surface are known for testing such welded joints. Due to the high cost of such tests, only limited and predefined areas can be investigated. Other areas remain unchecked. In addition, this labor-intensive and time-consuming testing technique requires very well-trained and experienced personnel. Finally, the results still have to be checked by the test personnel be judged subjectively so that it can come to strongly different ratings.
Es ist eine Aufgabe, der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Prüfen der Gefügestruktur einer Schweißverbindung anzugeben, bei dem die oben genannten Nachteile zumindest verringert sind. Das Verfahren soll insbesondere weniger arbeits- und zeitintensiv und dadurch insgesamt kostengünstiger und zuverlässiger sein.It is an object of the present invention to provide a method for testing the microstructure of a welded joint, in which the abovementioned disadvantages are at least reduced. In particular, the method should be less labor-intensive and time-consuming and thus more cost-effective and reliable overall.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einem Verfahren zum Prüfen der Gefügestruktur einer Schweißverbindung auf eine innenliegende Schädigung, beispielsweise bedingt durch Werkstoffkriechen mit den im Anspruch 1 genannten Schritten gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen genannt .The object is achieved with a method for testing the microstructure of a welded joint to an internal damage, for example due to material creep with the steps mentioned in claim 1. Advantageous developments of the invention are mentioned in the dependent claims.
Erfindungsgemäß wird zum Prüfen der Gefügestruktur einer Schweißverbindung auf eine innenliegende Schädigung ein Verfahren mit folgenden Schritten verwendet: Erzeugen mindestens einer Ultraschall-Oberflächenwelle mittels eines ersten Prüfkopfes, Empfangen der mindestens einen Ultraschall-Oberflächenwelle mittels eines zweitenAccording to the invention, a method with the following steps is used for testing the microstructure of a welded joint for internal damage: generating at least one ultrasonic surface wave by means of a first test head, receiving the at least one ultrasonic surface wave by means of a second
Prüfkopfes, Bestimmen der akustischen Eigenschaften, insbesondere der Schallgeschwindigkeit, in der Gefügestruktur der Schweißverbindung auf der Grundlage der Relation zwischen erzeugter und empfangener Ultraschall-Oberflächenwelle, Bestimmen des Schädigungsgrades der innenliegendenProbe, determining the acoustic properties, in particular the speed of sound, in the microstructure of the welded joint based on the relation between generated and received ultrasonic surface wave, determining the degree of damage of the internal
Gefügestruktur der Schweißverbindung auf der Grundlage der ermittelten akustischen Eigenschaften.Microstructure of the welded joint on the basis of the determined acoustic properties.
Mit anderen Worten werden erfindungsgemäß zum Prüfen der Gefügestruktur einer Schweißverbindung Prüfköpfe angesetzt, welche eine hochgenaue Messung der akustischen Eigenschaften, insbesondere der Schallgeschwindigkeit von Ultraschallwellen ermöglichen. Die Ultraschallwellen werden dabei von der Oberfläche aus in die Tiefe der Schweißverbindung ausgesendet und bewegen sich insbesondere als Ultraschallwellen unterschiedlicher Eindringtiefe (Rayleigh-Oberflächenwelle) innerhalb der Gefügestruktur. Die Messung der akustischen Eigenschaften erfolgt nicht, wie konventionell üblich mit Schallimpulsen, sondern mit Hilfe einer kontinuierlichen Oberflächenwelle. Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren können Schädigungen der Schweißverbindung insbesondere an zeitstandgeschädigten Kraftwerkskomponenten bereits imIn other words, according to the invention for testing the microstructure of a weld test probes are set, which allow a highly accurate measurement of the acoustic properties, in particular the speed of sound of ultrasonic waves. The ultrasonic waves are emitted from the surface into the depth of the welded joint and move in particular as ultrasonic waves of different penetration depth (Rayleigh surface wave) within the microstructure. The measurement of the acoustic Properties do not take place as conventionally usual with sound impulses, but with the help of a continuous surface wave. With this method according to the invention, damage to the welded joint, in particular at time-stand-damaged power plant components already in the
Frühstadium auf sehr kostengünstige Weise erkannt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ferner vorteilhaft die Schritte: Bestimmen der Phasenverschiebung zwischen der mindestens einen gesendeten und der mindestens einen empfangenen Ultraschall-Oberflächenwelle und Bestimmen der akustischen Eigenschaften, insbesondere der Schallgeschwindigkeit, in der Gefügestruktur auf der Grundlage der ermittelten Phasenverschiebung. Zum Bestimmen der Phasenverschiebung zwischen der mindestens einen gesendeten und der mindestens einen empfangenen Ultraschall- Oberflächenwelle werden bevorzugt breitbandige piezoelektrische Prüfköpfe mit einem entsprechenden Vorlaufkeil verwendet, die von einem Funktionsgenerator mit einem sinusförmigen Spannungssignal gespeist werden. Das Sendesignal sowie ein vorverstärktes Empfangssignal werden simultan auf getrennte Kanäle eines Oszilloskops gegeben, wodurch die Phasenverschiebung zwischen beiden Signalen bestimmt werden kann.Early stage can be detected in a very cost-effective manner. The method according to the invention also advantageously comprises the steps of determining the phase shift between the at least one transmitted and the at least one received ultrasonic surface wave and determining the acoustic properties, in particular the speed of sound, in the microstructure on the basis of the determined phase shift. To determine the phase shift between the at least one transmitted and the at least one received ultrasonic surface wave, broadband piezoelectric probes with a corresponding feed wedge are preferably used, which are fed by a function generator with a sinusoidal voltage signal. The transmit signal as well as a pre-amplified receive signal are simultaneously applied to separate channels of an oscilloscope, whereby the phase shift between the two signals can be determined.
Zum Bestimmen der Phasenverschiebung zwischen der mindestens einen gesendeten und der mindestens einen empfangenen Ultraschall-Oberflächenwelle werden ferner die beiden Prüfköpfe bevorzugt relativ zueinander bewegt. Diese Bewegung der Prüfköpfe kann mittels mechanisierter Manipulatoren durchgeführt werden, welche insbesondere ein hochpräzises Wegmesssystem umfassen. Auf diese Weise ist ein spielfreies und exakt reproduzierbares Verschieben der beiden Prüfköpfe möglich. Beim Verschieben des empfangenden Prüfköpfes relativ zum sendenden Prüfkopf ändert sich die Phasenverschiebung der oben genannten Schwingungen von Sender- und Empfängersignal relativ zueinander. Die Phasenlage ist nicht nur durchFurthermore, in order to determine the phase shift between the at least one transmitted and the at least one received ultrasonic surface wave, the two probes are preferably moved relative to one another. This movement of the probes can be carried out by means of mechanized manipulators, which in particular comprise a high-precision displacement measuring system. In this way, a backlash-free and exactly reproducible displacement of the two probes is possible. When moving the receiving Prüfköpfes relative to the transmitting probe head, the phase shift of the above-mentioned oscillations of transmitter and receiver signal changes relative to each other. The phase angle is not only due to
Verschieben der Prüfköpfe zu ermitteln, sondern auch auf elektronischem Weg insbesondere über den Einsatz einer Hochfrequenz-Komparatorschaltung . Dabei entfällt jegliche Manipulation der Prüfköpfe und auch das Wegmesssystem kann entfallen. Eine Änderung der Phasenverschiebung um einen kompletten Phasenumlauf von 2π entspricht einem Verfahrweg von exakt einer Wellenlänge.Moving the probes to determine, but also by electronic means in particular the use of a High frequency comparator circuit. This eliminates any manipulation of the probes and also the distance measuring system can be omitted. A change in the phase shift by a complete phase revolution of 2π corresponds to a travel path of exactly one wavelength.
Besonders bevorzugt werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Prüfköpfe relativ zueinander über eine Entfernung von der Länge mehrerer Wellenlängen bewegt und daraus die Wellenlänge der Ultraschall-Oberflächenwelle in der Gefügestruktur gemittelt errechnet. Durch die Mittelung der Wellenlänge über den Verfahrweg der Prüfköpfe ist eine sehr hohe Messgenauigkeit erreichbar.In the method according to the invention, the probes are particularly preferably moved relative to one another over a distance of the length of a plurality of wavelengths, and the average wavelength of the ultrasonic surface wave in the microstructure is calculated therefrom. By averaging the wavelength over the travel of the probes a very high measurement accuracy can be achieved.
Zum genauen Bestimmen von innenliegenden Schädigungen der Gefügestruktur einer Schweißverbindung mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens sind ferner die folgendenFor the exact determination of internal damage to the microstructure of a welded joint by means of the method according to the invention, the following are also possible
Schritte vorgesehen: Verändern der Frequenz der mindestens einen gesendeten Ultraschall-Oberflächenwelle und Bestimmen der akustischen Eigenschaften in der Gefügestruktur auf der Grundlage des Gradienten der entsprechenden Veränderung der Wellenlänge der mindestens einen empfangenen Ultraschall- Oberflächenwelle. Über das derart ermittelte Geschwindigkeitsprofil von Ultraschallwellen innerhalb der Gefügestruktur können über den zugehörigen Werkstoffquerschnitt hinweg die notwendigen Rückschlüsse auf eine Schädigung der Schweißverbindung gezogen werden. Als Bewertungskriterium dienen dabei wie genannt zum Einen die absolute Höhe der Schallgeschwindigkeit und zum Anderen der Gradient des Geschwindigkeitsprofils. Es können auch Relativmessungen durchgeführt werden. Dabei wird die Änderung der Phasenlage bei einer konstanten Prüffrequenz über den Schweißnahtquerschnitt ausgewertet. Zusätzlich können Vergleichsmessungen an weniger beanspruchten Stellen desselben Bauteils durchgeführt werden.Providing steps of: changing the frequency of the at least one transmitted surface acoustic wave and determining the acoustic properties in the texture based on the gradient of the corresponding variation in the wavelength of the at least one received surface acoustic wave. By means of the thus determined velocity profile of ultrasonic waves within the microstructure, the necessary conclusions about damage to the welded joint can be drawn across the associated material cross section. As mentioned above, the absolute height of the speed of sound and, secondly, the gradient of the speed profile serve as evaluation criteria. It is also possible to perform relative measurements. The change of the phase position is evaluated at a constant test frequency over the weld cross section. In addition, comparative measurements can be made on less stressed parts of the same component.
Darüber hinaus ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt zum Bestimmen der Phasenverschiebung zwei alsMoreover, in the method according to the invention, it is preferable to determine the phase shift two as
Empfänger wirkende Prüfköpfe auf Phasengleichheit der von ihnen empfangenen Ultraschall-Oberflächenwellen einzuregeln. Auf diese Weise ist eine weitere Erhöhung der Messqualität möglich, da bei einer solchen Kopf-an-Kopf-Anordnung der messtechnisch relevante Prüfköpfabstand durch einen mit der Messfrequenz veränderlichen Wellenaustrittspunkt aus demReceiver acting probes on phase balance of to control them received ultrasonic surface waves. In this way, a further increase in the quality of measurement is possible, since in such a head-to-head arrangement of metrologically relevant Prüfköpfabstand by a variable with the measurement frequency wave exit point of the
Vorlaufkeil des Prüfköpfes variieren könnte. Dies wird durch vergleichbare Bedingungen für die Signalaufnahme bei zwei als Empfänger wirkenden Prüfköpfen mit identischer Ausrichtung umgangen .Head of the test head could vary. This is circumvented by comparable signal acquisition conditions for two identically aligned probes acting as receivers.
Um eine schichtweise Abtastung der erfindungsgemäß zu prüfenden Schweißverbindung zu ermöglichen, ist es von Vorteil aufeinander folgende Ultraschall-Oberflächenwellen zu erzeugen und zu empfangen, welche verschiedene Wellenlängen aufweisen, und auf diese Weise eine geschichtete Prüfung der Schweißverbindung von der Oberfläche in die Tiefe zu generieren .In order to enable layer-by-layer scanning of the welded joint to be tested in accordance with the invention, it is advantageous to generate and receive successive ultrasonic surface waves having different wavelengths and thus to generate a layered test of the welded joint from the surface to the depth.
Schließlich ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren noch bevorzugt vorgesehen, zunächst ein grob gerastertes Abtasten der Schweißverbindung, insbesondere in deren Querrichtung, und nachfolgend ein feingerastertes Abtasten einer ermittelten innenliegenden Schädigung der Gefügestruktur durchzuführen. Das feingerasterte Abtasten erfolgt dabei insbesondere bevorzugt in Längsrichtung der jeweiligen Schweißverbindung .Finally, it is still preferably provided in the method according to the invention to carry out first a coarsely scanned scanning of the welded joint, in particular in its transverse direction, and subsequently a finingerastertes scanning a determined internal damage to the microstructure. The finely scanned scanning is carried out particularly preferably in the longitudinal direction of the respective welded connection.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Prüfen der Gefügestruktur einer Schweißverbindung auf eine innenliegende Schädigung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt : Fig. 1 einen Querschnitt eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geprüften Bauteils,Hereinafter, embodiments of the method according to the invention for testing the microstructure of a welded joint to an internal damage are explained in more detail with reference to the accompanying schematic drawings. 1 shows a cross section of a component tested by the method according to the invention,
Fig. 2 den Verlauf von Messkurven an einem erfindungsgemäß geprüften, geschädigten Bauteil und einem erfindungsgemäß geprüften, ungeschädigten Bauteil, Fig. 3 weitere Verläufe von Messkurven an derartigen Bauteilen,2 shows the course of measurement curves on an inventively tested, damaged component and an inventively tested, undamaged component, 3 further curves of traces on such components,
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäß geprüften Bauteils bei einem so genannten Grob-Scanning,4 shows a perspective view of a component tested according to the invention in a so-called coarse scanning,
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäß geprüften Bauteils bei einem so genannten Fein-Scanning,5 shows a perspective view of a component tested according to the invention in a so-called fine scanning,
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäß geprüften Bauteils mit dargestellter Lage von Messspuren,6 shows a perspective view of a component tested according to the invention with an illustrated position of measuring tracks,
Fig. 7 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Messaufbaus für das erfindungsgemäße Verfahren,7 shows a first embodiment of a measurement setup for the method according to the invention,
Fig. 8 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Messaufbaus für das erfindungsgemäße Verfahren,8 shows a second embodiment of a measurement setup for the method according to the invention,
Fig. 9 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Messaufbaus für das erfindungsgemäße Verfahren und Fig. 10 eine schematische Darstellung der Entwicklung von erfindungsgemäß ermittelten Messparametern über die Beanspruchungsdauer eines hochtemperaturbeanspruchten Bauteils hinweg.9 shows a third exemplary embodiment of a measurement setup for the method according to the invention, and FIG. 10 shows a schematic representation of the development of measurement parameters determined according to the invention over the stress duration of a component subject to high temperature stress.
In Fig. 1 ist ein Querschnitt eines Bauteils 10 veranschaulicht, an dem sich eine erste Schweißnaht 12 und eine zweite Schweißnaht 14 befindet. Diese beiden Schweißnähte 12 und 14 werden mit einem Verfahren zum Prüfen der Gefügestruktur auf eine innenliegende Schädigung, insbesondere auf eine Zeitstandschädigung, wie beispielsweise bedingt durch Werkstoffkriechen, untersucht. Dabei wird an einer Oberfläche 16 des Bauteils 10 in einem in Fig. 1 nicht dargestellten Prüfkopf eine Ultraschall-Oberflächenwelle erzeugt, welche mittels eines in Fig. 1 ebenfalls nicht dargestellten zweiten Prüfkopfes empfangen bzw. aufgenommen wird. Aus einem Vergleich der empfangenen Ultraschall- Oberflächenwelle mit der gesendeten Ultraschall- Oberflächenwelle und einer daraus errechneten Schallgeschwindigkeit in der Gefügestruktur des Bauteils 10 kann, wie nachfolgend näher erläutert wird, der Schädigungsgrad der Gefügestruktur bestimmt werden. Das Verfahren ermöglicht dabei eine tiefenabhängige Prüfung von zeitstandbeanspruchten bzw. zeitstandgeschädigten Schweißverbindungen. Diese Prüfung ist selbst an einem bei Schweißverbindungen in der Regel vorzufindenden inhomogenen Gefügeaufbau mit hohen örtlichen und auch tiefenabhängigen Unterschieden in den Werkstoffeigenschaften möglich.FIG. 1 illustrates a cross-section of a component 10 on which a first weld seam 12 and a second weld seam 14 are located. These two welds 12 and 14 are examined with a method for testing the microstructure for internal damage, in particular for creep damage, such as due to material creep. In this case, an ultrasonic surface wave is generated on a surface 16 of the component 10 in a test head, not shown in Fig. 1, which is received or recorded by means of a second test head, also not shown in FIG. From a comparison of the received ultrasonic surface wave with the transmitted ultrasonic surface wave and a speed of sound calculated therefrom in the microstructure of the component 10 can, as explained in more detail below, the degree of damage of the microstructure are determined. The method allows a depth-dependent testing of time-stressed or time-standing damaged welded joints. This test is possible even at a usually found in welded joints inhomogeneous structure structure with high local and depth-dependent differences in the material properties.
Darüber hinaus ist mit dem Verfahren sichergestellt, dass das Ergebnis rein auf physikalischen Größen basiert und objektiv erhoben wird.In addition, the method ensures that the result is based purely on physical quantities and objectively collected.
Neben einer Erfassung der absoluten Höhe derIn addition to a recording of the absolute amount of
Schallgeschwindigkeit in der Gefügestruktur des Bauteils 10 lässt sich durch eine Veränderung der Frequenz der gesendeten Ultraschall-Oberflächenwellen deren Eindringtiefe verändern. Mit diesen so genannten Rayleigh-Wellen kann dann ein Tiefenprofil der Schallgeschwindigkeit in der Gefügestruktur des Bauteils 10 erstellt werden. Durch gezieltes integrales Erfassen der akustischen Eigenschaften bei unterschiedlichen Eindringtiefen kann mit den Ultraschall-Oberflächenwellen auf diese Weise ein Schallgeschwindigkeitsprofil erstellt werden, dessen Verlauf durch einen Fortschritt einer Schädigung an dem Bauteil 10 empfindlich beeinflusst wird. Dies stellt einen erheblichen Erkenntnisgewinn insbesondere bei der Beurteilung von Zeitstandschäden dar.The speed of sound in the microstructure of the component 10 can be changed by changing the frequency of the transmitted ultrasonic surface waves whose penetration depth. With these so-called Rayleigh waves, a depth profile of the speed of sound in the microstructure of the component 10 can then be created. Through targeted integral detection of the acoustic properties at different penetration depths, a sonic velocity profile can be created with the ultrasonic surface waves in this way, the course of which is sensitively influenced by progress of damage to the component 10. This represents a significant gain in knowledge, especially in the assessment of cemetery damage.
In Fig. 1 ist veranschaulicht, dass unter Annahme einer maximalen Porenkonzentration an der Oberfläche 16 eine Ultraschall-Oberflächenwelle 18 geringer Eindringtiefe zunächst nur einen Bereich 20 der am stärksten geschädigten Gefügestruktur durchdringt. Setzt man eine stetige Annahme der Schädigung mit der Tiefe des Bauteils 10 voraus, nimmt der von der Ultraschall-Oberflächenwelle 18 integral erfasste, weniger geschädigte Werkstoffanteil mit zunehmender Eindringtiefe anteilmäßig zu (siehe Fig. 1) .FIG. 1 illustrates that, assuming a maximum pore concentration at the surface 16, an ultrasound surface wave 18 of low penetration first penetrates only a region 20 of the most damaged microstructure. Assuming a steady assumption of the damage with the depth of the component 10, the less damaged material fraction integrally detected by the ultrasonic surface wave 18 increases in proportion as the penetration depth increases (see FIG. 1).
An der Oberfläche 16 wird deshalb als dem Ort der stärksten Schädigung ein Schallgeschwindigkeitsminimum gemessen, während durch die mit zunehmender Eindringtiefe geringer werdende Porenkonzentration eine Zunahme derTherefore, at the surface 16, a minimum velocity of sound is measured as the location of the greatest damage. while due to the increasing penetration depth with decreasing pore concentration an increase in the
Schallgeschwindigkeit zu verzeichnen ist. In Fig. 1 ist dabei eine Variation einer Frequenz f von f1 hin zu f2 veranschaulicht, welche in einem Bereich von 400 KHz bis 3 MHz liegt. Im Gegenzug verändert sich die Wellenlänge der zugehörigen Ultraschall-Oberflächenwelle λ von einem Wert λi hin zu einem Wert von X2 mit Eindringtiefen von zirka 1 mm bis zirka 8 mm.Speed of sound is recorded. In FIG. 1, a variation of a frequency f from f 1 to f 2 is illustrated, which lies in a range from 400 kHz to 3 MHz. In turn, the wavelength of the associated ultrasonic surface wave λ changes from a value λi to a value of X 2 with penetration depths of approximately 1 mm to approximately 8 mm.
In Fig. 2 ist veranschaulicht, dass eine oberflächennahe Kriechschädigung folglich zu deutlich unterschiedlichen Schallgeschwindigkeit zwischen der Oberfläche 16 und einem tiefer gelegenen Bereich des Bauteils 10 führt (siehe Messkurve 22), während bei einem schädigungsfreien bzw. ungeschädigten Werkstoff ein nahezu tiefenkonstanter Verlauf (siehe Messkurve 24) zu beobachten ist. Aus dem Krümmungsverhalten der Messkurven 22 und 24 bzw. deren Kurvengradient kann somit auf den Schädigungsfortschritt in Bezug auf die Oberfläche 16 als Referenzbereich geschlossen werden.In Fig. 2 it is illustrated that a near-surface creep damage thus leads to significantly different speed of sound between the surface 16 and a lower portion of the component 10 (see curve 22), while at a damage-free or undamaged material a nearly depth-constant course (see trace 24) is observed. From the curvature behavior of the measurement curves 22 and 24 or their curve gradient can thus be concluded that the damage progress in relation to the surface 16 as a reference region.
Es werden dabei mehrere Frequenzen gewählt, so dass sich eine Anzahl Schichten bzw. Stützstellen ergeben, die den Verlauf der Schallgeschwindigkeit im Verhältnis zum Abstand zur Oberfläche 16 beschreiben. Dabei werden, wie erwähnt, Frequenzen zwischen zirka 400 KHz bis zirka 3 MHz gewählt, woraus sich bei den üblicherweise zu untersuchenden Werkstoffen eine Eindringtiefe von bis zu 8 mm ergibt. Die Messtiefe mit dem derartigen Verfahren ist also erheblich.Several frequencies are selected, resulting in a number of layers or support points which describe the course of the speed of sound in relation to the distance to the surface 16. In this case, as mentioned, frequencies between about 400 kHz to about 3 MHz are selected, resulting in a penetration depth of up to 8 mm for the materials usually to be examined. The measuring depth with the method of this kind is therefore considerable.
Zur Durchführung einer vergleichenden Bewertung der Verläufe der Messdaten bzw. der in Fig. 2 veranschaulichten Messkurven 22 und 24 wird deren Verlauf erfindungsgemäß mathematisch beschrieben. Ein beispielhafter Vergleich verschiedener realer Messdaten ist in Fig. 3 dargestellt. Dabei variieren die Tiefenverläufe der Schallgeschwindigkeiten hinsichtlich der Parameter absolute Höhe der Schallgeschwindigkeit, Tiefenverlauf der Schallgeschwindigkeit und Messbereich (minimale/maximale Eindringtiefe) teilweise beachtlich.To carry out a comparative evaluation of the curves of the measured data or of the measured curves 22 and 24 illustrated in FIG. 2, their course is described mathematically in accordance with the invention. An exemplary comparison of various real measurement data is shown in FIG. The depth curves of the sound velocities vary with regard to the parameter absolute height of the speed of sound, Depth of sound velocity and measuring range (minimum / maximum penetration) sometimes considerable.
Um insbesondere eine rechnergestützte Beurteilung der Messdaten zu ermöglichen, wird daher eine mathematische Beschreibung der Daten angestrebt, ohne jedoch wichtige Informationen aus deren Verlauf zu unterdrücken. Eine umfangreiche Regressionsanalyse einer Vielzahl von Messdaten hat ergeben, dass der Tiefenverlauf der Messdaten durch einen logarithmischen Regressionsansatz der Form cint = K * ln(t) + C0 beschrieben werden kann. Dabei ist t die Tiefenkoordinate, cirit ein integraler Messwert der Schallgeschwindigkeit, C0 der Wert der absoluten Schallgeschwindigkeit bei t = 0 (Oberfläche 16) und K ein Gradientenkoeffizient bzw. eine Gradientenzahl .In order to enable in particular a computer-assisted assessment of the measurement data, therefore, a mathematical description of the data is desired, but without suppressing important information from their course. An extensive regression analysis of a large number of measurement data has shown that the depth profile of the measurement data can be described by a logarithmic regression approach of the form c in t = K * ln (t) + C 0 . In this case, t is the depth coordinate, c iri t is an integral measured value of the speed of sound, C 0 is the value of the absolute speed of sound at t = 0 (surface 16) and K is a gradient coefficient or a gradient number.
Die Gleichung erfüllt die Anforderungen an ein mathematisches Beschreibungsmodel in weitgehend optimaler Weise. Zur Beschreibung sämtlicher Messkurven sind somit zwei charakteristische Größen hinreichend, nämlich die Angabe einer Oberflächenschallgeschwindigkeit C0 sowie eines Gradientenkoeffizienten K.The equation fulfills the requirements for a mathematical description model in a largely optimal way. Thus, two characteristic quantities are sufficient for the description of all measurement curves, namely the specification of a surface acoustic velocity C 0 and of a gradient coefficient K.
Neben der Bestimmung der Schallgeschwindigkeit C0 als Bestimmungsgröße für die absoluten Höhen von Schallgeschwindigkeiten innerhalb der Gefügestruktur des Bauteils 10 kann aus dem bekannten Kurvenverlauf die integrale Schallgeschwindigkeit an einer beliebigen Stelle im Inneren des Bauteils errechnet werden. Bei der Anwendung dieses Vorgehens auf Schweißverbindungen bzw. die in Fig. 1 dargestellten Schweißnähte 12 und 14 können so gemessene und errechnete Schallgeschwindigkeiten in tieferen Gefügestrukturen gegenüber gestellt werden.In addition to determining the speed of sound C 0 as a parameter for determining the absolute heights of sound velocities within the microstructure of the component 10, the integral sound velocity at any point in the interior of the component can be calculated from the known curve. In the application of this approach to welded joints or the welds 12 and 14 shown in Fig. 1 so measured and calculated sound velocities in deeper microstructures can be compared.
In den Fig. 4 bis 6 ist die räumliche Vorgehensweise bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Prüfen der Gefügestruktur einer Schweißnaht 12 an einem Bauteil 10 veranschaulicht. Zunächst wird für eine Übersichtsbeurteilung ein so genanntes Grob-Scanning (Fig. 4) durchgeführt, wobei einzelneFIGS. 4 to 6 illustrate the spatial procedure in the method according to the invention for testing the microstructure of a weld seam 12 on a component 10. First of all, a so-called coarse scanning (FIG. 4) is carried out for an overview evaluation, whereby individual ones
Messspuren 26 quer zur Längserstreckung der Schweißnaht 12 gerichtet sind. Diese Messspuren 26 stellen den Weg zwischen zwei (nachfolgend in den Fig. 7 bis 9 veranschaulichten) Prüfköpfen dar, welche einzeln oder gegebenenfalls zusammen längs dieser Messspuren 26 verschoben werden. Mit dem in Fig. 4 veranschaulichten Grob-Scanning werden Fehlstellen in der Gefügestruktur der Schweißnaht 12 sowie dem unmittelbar umliegenden Bauteil aufgespürt. In einem zweiten, in Fig. 5 veranschaulichten Verfahrensschritt, dem so genannten Fein- Scanning, werden nachfolgend einzelne Messspuren 26 parallel zur Längserstreckung der Schweißnaht 12 ausgerichtet. Auf diese Weise erfolgt eine detaillierte Beurteilung des Werkstoffvolumens . Aus den derart ausgerichteten Einzelmessungen erhält man sowohl ein Schallgeschwindigkeitsprofil als auch ein Gradientenprofil von Messkurven, wie sie in den Fig. 2 und 3 veranschaulicht sind. Aus der Veränderung dieser Messkurven während der Lebensdauer des zugehörigen Bauteils kann auf eine sich fortentwickelnde Schädigung der Schweißnaht 12 geschlossen werden .Measuring tracks 26 transverse to the longitudinal extent of the weld 12th are directed. These measuring tracks 26 represent the path between two test heads (illustrated below in FIGS. 7 to 9), which are moved individually or optionally together along these measuring tracks 26. With the coarse scanning illustrated in FIG. 4, defects in the microstructure of the weld 12 as well as the immediately surrounding component are detected. In a second method step, so-called fine scanning, illustrated in FIG. 5, individual measuring tracks 26 are subsequently aligned parallel to the longitudinal extent of the weld seam 12. In this way, a detailed assessment of the material volume takes place. From the individual measurements oriented in this way, both a sound velocity profile and a gradient profile of measurement curves, as illustrated in FIGS. 2 and 3, are obtained. From the change of these measurement curves during the life of the associated component can be concluded that a progressively developing damage to the weld 12.
In Fig. 6 ist nochmals veranschaulicht, dass gemäß der erfindungsgemäßen Vorgehensweise eine vollständige Charakterisierung einer Schweißnaht 12 in deren räumlicher Ausdehnung möglich ist, wobei sich diese räumliche Ausdehnung aus der Länge der Messspuren 26, der Anzahl und dem Abstand der Einzelmessungen sowie der Eindringtiefe der Ultraschall- Oberflächenwellen ergibt.FIG. 6 again illustrates that, according to the procedure according to the invention, a complete characterization of a weld 12 in its spatial extent is possible, this spatial extent being the length of the measurement tracks 26, the number and the spacing of the individual measurements and the penetration depth of the ultrasound - Surface waves results.
In Fig. 7 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Messaufbaus 28 zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulicht. Es ist ein erster, als Sender für Ultraschall-Oberflächenwellen wirkender Prüfkopf 30 sowie ein zweiter, als Empfänger der Ultraschall-Oberflächenwellen wirkender Prüfköpf 32 vorgesehen. Die beiden Prüfköpfe 30 und 32 sind an einem Manipulator 34 angeordnet, mittels dem ein nahezu spielfreies und exakt reproduzierbares Verschieben der beiden Prüfköpfe 30 und 32 auf dem zu prüfenden Bauteil 10 entlang einer Geraden gewährleistet ist. Die relative Verfahrposition der beiden Prüfköpfe 30 und 32 wird über ein hochpräzises Wegmesssystem 36 aufgezeichnet.FIG. 7 illustrates a first exemplary embodiment of a measurement setup 28 for carrying out the method according to the invention. It is a first, acting as a transmitter for ultrasonic surface wave probe 30 and a second, acting as a receiver of the ultrasonic surface wave probe 32 is provided. The two probes 30 and 32 are arranged on a manipulator 34, by means of which a virtually backlash-free and exactly reproducible displacement of the two probes 30 and 32 on the component 10 to be tested along a straight line is ensured. The relative Traversing position of the two probes 30 and 32 is recorded via a high-precision displacement measuring system 36.
Der als Sender wirkende Prüfkopf 30, welcher als ein breitbandiger piezoelektrischer Prüfkopf mit entsprechendem Vorlaufkeil gestaltet ist, wird von einem Funktionsgenerator 38 mit einem sinusförmigen Spannungssignal gespeist und erzeugt dabei eine kontinuierliche Ultraschall- Oberflächenwelle. Diese Ultraschall-Oberflächenwelle breitet sich an der Oberfläche 16 des Bauteils 10 entlang einer Achse des Prüfkopfes 30 aus und wird durch den vorliegend entgegengerichtet angeordneten Prüfköpf 32 aufgenommen. Das Sendersignal sowie das vorverstärkte, vom Prüfkopf 32 empfangene Signal werden simultan auf getrennte Kanäle eines Oszilloskops 40 gegeben, wodurch eine Phasenverschiebung zwischen beiden Signalen bestimmt werden kann.The acting as a transmitter probe 30, which is designed as a broadband piezoelectric probe with a corresponding Vorlaufkeil is fed by a function generator 38 with a sinusoidal voltage signal and thereby generates a continuous ultrasonic surface wave. This ultrasonic surface wave propagates on the surface 16 of the component 10 along an axis of the test head 30 and is received by the test head 32 arranged in the opposite direction. The transmitter signal as well as the preamplified signal received by the probe 32 are simultaneously applied to separate channels of an oscilloscope 40, whereby a phase shift between the two signals can be determined.
Zugleich wird der als Empfänger wirkende Prüfkopf 32 relativ zum als Sender wirkenden Prüfkopf 30 verschoben, wodurch sich eine Phasenverschiebung der Senderschwingung relativ zur Empfängerschwingung ergibt. Eine Änderung der Phasenverschiebung um einen kompletten Phasenumlauf von 2π entspricht einem Verfahrweg von exakt einer Wellenlänge.At the same time acting as a receiver probe 32 is moved relative to acting as a transmitter probe 30, resulting in a phase shift of the transmitter vibration relative to the receiver vibration. A change in the phase shift by a complete phase revolution of 2π corresponds to a travel path of exactly one wavelength.
Der Verschiebeweg während eines Messvorgangs beträgt je nach den Abmessungen des zu prüfenden Bauteils 10 und der Größe der verwendeten Prüfköpfe 30 und 32 zirka 50 mm bis zirka 100 mm, wobei die Änderung der Phasenverschiebung als eine Funktion der Messlänge aufgezeichnet wird. Die derart ermittelten Daten ermöglichen aufgrund einer Berücksichtigung der Anzahl der überstrichenen Phasenverschiebungen und der Länge der Messtrecke die Berechnung einer mittleren Wellenlänge der Ultraschall-Oberflächenwelle im Bauteil 10. Die Schallgeschwindigkeit c im Bauteil 10 wird dann anhand der Wellenlänge λ und der Frequenz f, welche durch den Frequenzgenerator 38 vorgegeben ist, berechnet. Durch die Mittelung der Wellenlänge über den Verfahrweg der Prüfköpfe 30 und 32 ist auf diese Weise eine sehr hohe Messgenauigkeit erreichbar . Wie oben erläutert, führt bei dem derartigen Messverfahren eine oberflächennah vorliegende Schädigung der Gefügestruktur einer Schweißnaht 12 oder 14 am Bauteil 10 zu einem tiefenabhängigen Gradienten der ermittelten Schallgeschwindigkeit c und durch eine Auswertung desThe displacement during a measuring operation is approximately 50 mm to approximately 100 mm, depending on the dimensions of the component 10 to be tested and the size of the probes 30 and 32 used, the change in the phase shift being recorded as a function of the measuring length. The thus determined data allow due to taking into account the number of swept phase shifts and the length of the measuring section, the calculation of a mean wavelength of the ultrasonic surface wave in the component 10. The speed of sound c in the component 10 is then based on the wavelength λ and the frequency f, which by the frequency generator 38 is predetermined, calculated. By averaging the wavelength over the travel of the probes 30 and 32 in this way a very high measurement accuracy can be achieved. As explained above, in the case of such a measuring method, a damage of the microstructure of a weld seam 12 or 14 on the component 10 that is near the surface leads to a depth-dependent gradient of the ascertained sound velocity c and through an evaluation of the
Geschwindigkeitsprofils über den Querschnitt der Schweißnaht 12 oder 14 sind Rückschlüsse auf deren Schädigungsgrad möglich .Velocity profiles across the cross-section of the weld 12 or 14 allow conclusions to be drawn as to their degree of damage.
Durch das oben erläuterte Grob-Scanning (Fig. 4) ist ein Aufspüren von Fehlstellen innerhalb kurzer Zeit möglich, wobei anschließend auffällige Messstellen in einem verfeinerten Prüfvorgang (unter Anwendung mehrerer Messfrequenzen) einem detaillieren Fein-Scanning (Fig. 5) unterzogen werden.The above-explained coarse scanning (FIG. 4) makes it possible to detect defects within a short time, with conspicuous measuring points subsequently being subjected to a detailed fine scanning (FIG. 5) in a refined testing process (using a plurality of measurement frequencies).
In Fig. 8 ist eine alternative Ausführungsform einesIn Fig. 8 is an alternative embodiment of a
Messaufbaus 28 veranschaulicht, bei dem zwei Prüfköpfe 30 und 32 jeweils in einer festen Prüfköpfanordnung angeordnet sind. Diese Prüfköpfe 30 und 32 sind jeweils wieder an einen Funktionsgenerator 38 und ein Oszilloskop 40 angeschlossen. Im Unterschied zum in Fig. 7 dargestellten Messaufbau 28 ist vorliegend nicht ein Verschieben der Prüfköpfe 30 und 32 mittels eines Manipulators vorgesehen, sondern die Prüfköpfe 30 und 32 sind ortsfest angeordnet und es wird an ihnen als veränderlich Größe die Messfrequenz variiert. Aufgrund dieser Vorgehensweise entfallen die Kosten für den Manipulator und das Wegmesssystem. Die Messung kann ferner voll automatisch ablaufen .Measurement setup 28 illustrated in which two probes 30 and 32 are each arranged in a fixed Prüfköpfanordnung. These probes 30 and 32 are each connected to a function generator 38 and an oscilloscope 40 again. In contrast to the measuring structure 28 shown in FIG. 7, a displacement of the probes 30 and 32 by means of a manipulator is not provided here, but the probes 30 and 32 are arranged stationary and the measuring frequency is varied as a variable variable. Due to this procedure, the costs for the manipulator and the displacement measuring system are eliminated. The measurement can also be fully automatic.
Die Anordnung gemäß Fig. 8 kann auch dazu verwendet werden, um bei konstantem Prüfköpfabstand eine Änderung der Phasenlage zwischen beiden Signalen relativ zu einerThe arrangement according to FIG. 8 can also be used to change the phase position between the two signals relative to one another at constant test head spacing
Bezugsgröße (z.B. Grundwerkstoff) auszuwerten. Dazu wird die starre Anordnung der Prüfköpfe 30 und 32 über die Schweißnaht hinweg bewegt und die örtlichen Änderungen der Phasenlage als Reaktion auf Werkstoffveränderungen ausgewertet. Dies kann elektronisch geschehen (Komparatorschaltung) . Der Frequenzbereich und damit die Tiefenwirkung des Verfahrens bleiben davon unberührt.Reference value (eg base material) to evaluate. For this purpose, the rigid arrangement of the probes 30 and 32 is moved across the weld and evaluated the local changes in the phase position in response to material changes. This can be done electronically (Comparator circuit). The frequency range and thus the depth effect of the method remain unaffected.
In Fig. 9 ist eine Ausführungsform eines Messaufbaus 28 veranschaulicht, bei dem insgesamt drei ortsfeste Prüfköpfe 30, 32 und 42 vorgesehen sind, von denen der Prüfkopf 30 an einen Funktionsgenerator 38 und die Prüfköpfe 32 und 42 als Empfänger wirkend an ein Oszilloskop 40 angeschlossen sind. Die Signale der beiden als Empfänger wirkenden Prüfköpfe 32 und 42 werden auf Phasengleichheit eingeregelt. Dadurch kann die Präzision der Messung weiter erhöht werden, da bei einer Kopf-an-Kopf-Anordnung der messtechnisch relevante Prüfköpfabstand durch einen mit der Messfrequenz veränderlichen Austrittspunkt aus dem Vorlaufkeil des zugehörigen Prüfkopfes variieren könnte, dies aber durch die vorliegend bereitgestellten vergleichbaren Bedingungen für die Signalaufnahme an den beiden als Empfänger wirkenden Prüfköpfen 32 und 42 mit identischer Ausrichtung umgangen werden kann.FIG. 9 illustrates an embodiment of a measurement setup 28 in which a total of three stationary probes 30, 32 and 42 are provided, of which the test head 30 is connected to a function generator 38 and the probes 32 and 42 are connected to an oscilloscope 40 as a receiver , The signals of the two acting as a receiver probes 32 and 42 are adjusted to the phase equality. Thereby, the precision of the measurement can be further increased, since in a head-to-head arrangement of the metrologically relevant Prüfköpfabstand could vary by a variable with the measurement frequency exit point from the Vorlaufkeil the associated test head, but this by the presently provided comparable conditions for the Signal recording at the two acting as a receiver probes 32 and 42 can be bypassed with identical orientation.
In Fig. 10 ist eine Auswertung von Verläufen der Höhe der Schallgeschwindigkeit über den Querschnitt einer der Schweißnähte 12 oder 14 veranschaulicht. Die Fig. 10 veranschaulicht, dass durch das Schallgeschwindigkeitsprofil eine Beschreibung des Schädigungszustandes der Gefügestruktur an einer Schweißnaht möglich ist.FIG. 10 illustrates an evaluation of progressions of the speed of sound over the cross section of one of the weld seams 12 or 14. FIG. 10 illustrates that a description of the damage state of the microstructure on a weld seam is possible by the sound velocity profile.
Fig. 10 zeigt insgesamt vier Kurven 44, 46, 48 und 50, welche jeweils den Verlauf des Gradienten der Schallgeschwindigkeit über eine Position quer zu einer Längserstreckung einer Schweißnaht veranschaulichen. Dabei zeigt die Linie 44 eine Schweißnaht im Neuzustand, die Linie 46 eine betriebsbeanspruchte Schweißnaht, die Linie 48 eine fortgeschritten betriebsbeanspruchte Schweißnaht und Linie 50 schließlich eine Schweißnaht mit geschädigter Gefügestruktur.Fig. 10 shows a total of four curves 44, 46, 48 and 50, each of which illustrate the course of the gradient of the speed of sound over a position transverse to a longitudinal extent of a weld. In this case, the line 44 shows a weld in new condition, the line 46 an operationally stressed weld, the line 48 an advanced operationally stressed weld and line 50, finally, a weld with damaged microstructure.
Die Linie 44 weist grundsätzlich eine M-Form auf, welche sich mit ihren beiden Maxima jeweils im Bereich von Schmelzlinien 52 und 54 erstreckt. Diese Schmelzlinien bilden jeweils den Grenzbereich zwischen einer Seite der Schweißnaht und dem angrenzenden Bauteil.The line 44 basically has an M-shape, which extends with its two maxima in the region of melting lines 52 and 54, respectively. These melting lines form the respective Boundary region between one side of the weld and the adjacent component.
Neben dem Schallgeschwindigkeitmaxima im Bereich der Schmelzlinien 52 und 54 erfolgt nach einer Phase der Homogenisierung ein massiver Schallgeschwindigkeitseinbruch an den Wärmeeinflusszonen der Schweißnaht. Eine abnehmende Tendenz der Schallgeschwindigkeit ist zudem sowohl im Schweißgut der Schweißnaht als auch im Grundwerkstoff des zugehörigen Bauteils zu verzeichnen.In addition to the sound velocity maxima in the region of the melting lines 52 and 54, after a phase of the homogenization, a massive collapse of the sound velocity occurs at the heat-affected zones of the weld seam. A decreasing tendency of the speed of sound is also to be noted both in the weld metal of the weld and in the base material of the associated component.
Die derartig grundsätzlich M-förmige Linie 44 flacht über die zunehmende Betriebsdauer des zugehörigen Bauteils hinweg zunehmen ab (siehe die Linien 46 und 48 in Fig. 10) . Im geschädigten Zustand der Schweißnaht ergibt sich schließlich eine grundsätzlich W-förmige Linie 50, wobei diese Änderung des Gradientenkoeffizienten K von einer M-Form im Neuzustand über eine Abflachung im betriebsbeanspruchten Zustand zu einer W-Form im geschädigten Zustand deutlich den qualitativen Entwicklungsverlauf an der zugehörigen Schweißnaht zeigt.The basically M-shaped line 44 thus flattens out over the increasing service life of the associated component (see lines 46 and 48 in FIG. 10). In the damaged state of the weld finally results in a basically W-shaped line 50, this change of the gradient K from an M-shape in the new state via a flattening in the operational state to a W-shape in the damaged state clearly the qualitative development course at the associated Weld seam shows.
Mittels einer Analyse der probenspezifischen Verläufe der Gradientenkoeffizienten K und einer Gegenüberstellung der Tiefenverläufe der Schallgeschwindigkeiten c an den jeweiligen Messstellen ist somit eine präzise Beurteilung von Schweißnähten möglich.By means of an analysis of the sample-specific gradients of the gradient coefficients K and a comparison of the depth profiles of the sound velocities c at the respective measuring points, a precise assessment of welds is thus possible.
Der qualitativ ähnliche Verlauf des Gradientenkoeffizienten K und der Schallgeschwindigkeit c ist dabei rein zufällig. Den in den beiden Größen K und c zum Ausdruck gebrachten WerkstoffVeränderungen liegen vielmehr unterschiedliche Vorgänge zugrunde. Während die Schallgeschwindigkeit c den Gefügezustand bezüglich einer Lebensdauerkurve beschreibt, gibt der Gradientenkoeffizient K Auskunft über den tiefenabhängigen Verlauf der akustischen Eigenschaften.The qualitatively similar course of the gradient coefficient K and the speed of sound c is purely coincidental. Rather, the material changes expressed in the two quantities K and c are based on different processes. While the speed of sound c describes the structural state with respect to a service life curve, the gradient coefficient K provides information about the depth-dependent course of the acoustic properties.
Im Ausgangszustand einer Schweißnaht weist die Gefügestruktur insbesondere im Bereich der Schmelzlinien (Erstarrungsstruktur) eine sehr inhomogene Verteilung unterschiedlicher Zustände auf. Dies äußert sich innerhalb der Messkurven bzw. Linien 44 bis 50 durch lokal auf diese Bereiche begrenzte Gradientenkoeffizienten K hoher Ausprägung. Wenn eine Einebnung im Verlauf des Gradientenkoeffizienten K über den Schweißnahtquerschnitt festzustellen ist, erfolgt der messtechnische Nachweis einer langzeitigen Betriebsbeanspruchung auf hohemIn the initial state of a weld, the microstructure has a very inhomogeneous distribution, in particular in the area of the melting lines (solidification structure) different states. This manifests itself within the measurement curves or lines 44 to 50 by locally limited to these areas gradient coefficient K high degree. If a leveling in the course of the gradient coefficient K over the weld cross-section is to be determined, the metrological proof of a long-term operating stress on high
Temperaturniveau. Eine derartige Beanspruchung führt nämlich über eine so genannte Erholungsglühung zum fortschreitenden Abbau dieser lokalen Inhomogenitäten und damit zu geringeren Unterschieden der akustischen Eigenschaften innerhalb der Schweißnaht. Eine derartige Entwicklung ist an zeitstandbeanspruchten Rohrbögen vielfach bestätigt worden und äußert sich dort durch einen Anstieg der Schallgeschwindigkeit während dieser "Homogenisierungsphase", bis schließlich mit Eintritt einer irreversiblen Schädigung ein Absinken der absoluten Werte der Schallgeschwindigkeit c zu beobachten ist.Temperature level. Namely, such a stress leads via a so-called recovery annealing to the progressive degradation of these local inhomogeneities and thus to smaller differences in the acoustic properties within the weld seam. Such a development has been repeatedly confirmed in time-stressed pipe elbows and is expressed there by an increase in the speed of sound during this "homogenization phase", until a decrease in the absolute values of the speed of sound c is finally observed when irreversible damage occurs.
An Schweißverbindungen führt eine Zeitstandschädigung offensichtlich zu einer tiefenunabhängigen Schädigung derAt welded joints a creep damage obviously leads to a deep independent damage to the
Bereiche an den Schmelzlinien 52 und 54, was sich durch die lokale Herabsetzung der Schallgeschwindigkeit c über die gesamte Eindringtiefe der zugehörigen Ultraschall- Oberflächenwelle belegen lässt. Während sich im Ausgangszustand dieser Messeffekt auf ein größeresAreas on the fuses 52 and 54, which can be occupied by the local reduction of the speed of sound c over the entire penetration depth of the associated ultrasonic surface wave. While in the initial state of this measurement effect on a larger
Werkstoffvolumen im Bereich der Schmelzlinie 52 und 54 erstreckt, ist nach einem Eintreten einer Zeitstandsschädigung sowohl eine Verschiebung des Schwerpunktes der Schädigung in Richtung der Wärmeschmelzlinien 52 und 54 festzustellen. Insbesondere das Werkstoffgefüge bzw. die Werkstoffstruktur innerhalb der Schmelzlinien 52 und 54 (Feinkornzone) reagiert somit besonders sensibel auf eine zeitabhängige Werkstoffveränderung und stellt somit die Funktion eines Frühindikators dar. Eine Gegenüberstellung der genanntenMaterial volume in the area of the melting line 52 and 54 extends, is to detect a camber of the center of gravity in the direction of the heat fusion lines 52 and 54 after a crosstalk damage occurs. In particular, the material structure or the material structure within the melting lines 52 and 54 (fine grain zone) thus reacts particularly sensitively to a time-dependent material change and thus represents the function of an early indicator
Parameter der Schallgeschwindigkeiten und deren Ausprägung vor allem quer über eine Schweißnaht hinweg stellt somit bereits im frühen Schädigungsstadium eine sensible Methode zur Zustandscharakterisierung von Schweißnähten dar. Parameters of the speed of sound and its expression especially across a weld thus provides Already in the early stage of damage a sensitive method for state characterization of welds.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Prüfen der Gefügestruktur einer Schweißverbindung (10, 12, 14) auf eine innenliegende1. A method for testing the microstructure of a welded joint (10, 12, 14) on an internal
Schädigung, beispielsweise bedingt durch Werkstoffkriechen, mit den Schritten:Damage, for example due to material creep, with the steps:
- Erzeugen mindestens einer Ultraschall-Oberflächenwelle mittels eines ersten Prüfkopfes (30), - Empfangen der mindestens einen Ultraschall-Oberflächenwelle mittels eines zweiten Prüfkopfes (32, 42),Generating at least one ultrasonic surface wave by means of a first test head (30), receiving the at least one ultrasonic surface wave by means of a second test head (32, 42),
- Bestimmen der akustischen Eigenschaften in der Gefügestruktur auf der Grundlage der Relation zwischen erzeugter und empfangener Ultraschall-Oberflächenwelle und - Bestimmen des Schädigungsgrades der innenliegendenDetermining the acoustic properties in the microstructure on the basis of the relation between generated and received ultrasonic surface wave and determining the degree of damage of the internal ones
Gefügestruktur auf der Grundlage der ermittelten akustischen Eigenschaften .Microstructure on the basis of the determined acoustic properties.
2. Verfahren nach Anspruch 1 mit den Schritten: - Bestimmen der Phasenverschiebung zwischen der mindestens einen gesendeten und der mindestens einen empfangenen Ultraschall-Oberflächenwelle,2. Method according to claim 1, comprising the steps of: determining the phase shift between the at least one transmitted and the at least one received ultrasonic surface wave,
- Bestimmen der akustischen Eigenschaften in der Gefügestruktur auf der Grundlage der ermittelten Phasenverschiebung.- Determining the acoustic properties in the microstructure on the basis of the determined phase shift.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem zum Bestimmen der Phasenverschiebung zwischen der mindestens einen gesendeten und der mindestens einen empfangenen Ultraschall- Oberflächenwelle die beiden Prüfköpfe (30, 32) relativ zueinander bewegt werden.3. The method of claim 2, wherein for determining the phase shift between the at least one transmitted and the at least one received ultrasonic surface wave, the two probes (30, 32) are moved relative to each other.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Prüfköpfe (30, 32) relativ zueinander über eine Entfernung von der Länge mehrere Wellenlängen bewegt und daraus die Wellenlänge der4. The method of claim 3, wherein the probes (30, 32) moves relative to each other over a distance of the length of a plurality of wavelengths and from there the wavelength of the
Ultraschall-Oberflächenwelle in der Gefügestruktur gemittelt wird. Ultrasonic surface wave is averaged in the microstructure.
5. Verfahren nach Anspruch 1 mit den Schritten:5. The method of claim 1 with the steps:
- Verändern der Frequenz der mindestens einen gesendeten Ultraschall-Oberflächenwelle und- Changing the frequency of the at least one transmitted surface acoustic wave and
- Bestimmen der akustischen Eigenschaften in der Gefügestruktur auf der Grundlage des Gradienten der entsprechenden Veränderung der Wellenlänge der mindestens einen empfangenen Ultraschall-Oberflächenwelle.Determining the acoustic properties in the microstructure on the basis of the gradient of the corresponding change in the wavelength of the at least one received ultrasonic surface wave.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zum Bestimmen der Phasenverschiebung zwei als Empfänger wirkende Prüfköpfe (32, 42) auf Phasengleichheit der von ihnen empfangenen Ultraschall-Oberflächenwellen eingeregelt werden .6. The method according to any one of the preceding claims, wherein for determining the phase shift two acting as a receiver probes (32, 42) are adjusted to the phase equality of the ultrasonic surface waves received by them.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem aufeinander folgende Ultraschall-Oberflächenwellen erzeugt und empfangen werden, welche verschiedene Wellenlängen aufweisen, und auf diese Weise eine geschichtete Prüfung der Schweißverbindung von der Oberfläche in die Tiefe erfolgt.A method according to any one of the preceding claims, wherein successive ultrasonic surface waves are generated and received having different wavelengths, and in this way a layered examination of the weld joint from the surface to the depth occurs.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zunächst ein grob gerastertes Abtasten der Schweißverbindung (10, 12, 14) und nachfolgend ein fein gerastertes Abtasten einer ermittelten innenliegenden Schädigung der Gefügestruktur erfolgt. 8. The method according to any one of the preceding claims, wherein initially a coarsely screened scanning of the welded joint (10, 12, 14) and subsequently a finely scanned scanning of a determined internal damage to the microstructure takes place.
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