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Verfahren und Einrichtung zur Fehlergrössenbestimmung bei der Ultraschall-Werkstoffprüfung
Bei der Ultraschall-Werkstoffprüfung nach dem Impuls-Echo-Verfahren kann die Lage einer kleinen
Fehlstelle recht genau aus der Laufzeit eines Impulses von der Prüfstelle an der Oberfläche zum Fehler und zurück ermittelt werden, da auch die Schallrichtung bekannt ist, nämlich entweder senkrecht zur Ober- fläche bei den sogenannten Normalprüfköpfen oder unter einem bekannten Winkel bei den Winkelprüf- köpfen. Für die Beurteilung der Fehlergrösse steht in erster Linie die Amplitude der reflektierten Welle zur Verfügung. Der Prüfkopf als Empfänger erzeugt eine der ankommenden Schalldruck-Amplitude proportionale Spannung, die verstärkt und gewöhnlich auf dem Leuchtschirm einer Bildröhre als Auslenkung auf der Nullinie sichtbar gemacht wird.
Bei linearem Verstärkungsgang ist daher die Höhe der Echozacke auf der Bildröhre proportional der Schalldruck-Amplitude des am Fehler reflektierten Echoimpulses. Ausser der Fehlergrösse ist eine grosse Anzahl weiterer Grössen von Einfluss auf die Echohöhe. Um diese letztere aus der Echohöhe zu bestimmen, muss der Einfluss aller weiteren Grössen eliminiert werden.
Bei einem natürlichen kleinen Fehler, etwa einem Lunker oder einem kleinen Riss, in einem grossen Schmiedestück ist auch die spezielle Form und die Lage des Fehlers zur Schallstrahl-Achse von Einfluss, wodurch die Aufgabe in ihrer allgemeinen Art sehr erschwert wird. Hier sollen deshalb nur sogenannte "Ersatzfehler"in Betracht gezogen werden, nämlich kreisscheibenförmige Trennungen im Werkstoff, die senkrecht zur Schallstrahl-Achse liegen. Als Fehlergrösse ist bei ihnen der Kreisscheibendurchmesser Df definiert. Bei einem Vergleich mit einem natürlichen Fehler liefern diese Ersatzfehler meist eine Mindestgrösse des natürlichen Fehlers, da Abweichungen von der ebenen Kreisscheibenform und senkrechten Lage zum Schallstrahl fast ausnahmslos die Amplitude der reflektierten Welle verringern. Eine Reihe von natürlichen Fehlstellen, z.
B. in Blechen, gezogenem Material und auch in einfach geformten Schmiedestücken, ist aber nicht allzu sehr von Kreisscheibenfehlern verschieden, so dass ein Vergleich mit einem Kreisscheibenfehler eine nicht ganz schlechte Abschätzung der wirklichen Fehlergrösse leistet. Deshalb werden in solchen Fällen bereits Vergleichskörper mit Sacklöchern mit ebenem Boden benutzt, bei denen dieser Boden vom Schallstrahl senkrecht getroffen wird und näherungsweise als Kreisscheibenfehler anzusehen ist. Sie müssen möglichst aus dem gleichen Wetkstoff wie der Prüfling bestehen und an derPrüfstelle möglichst die gleiche Oberflächenform und-rauhigkeit besitzen, um in beiden Fällen gleiche Ankopp- lungsbedingungenllnd Schallal1sbreitung zu ermöglichen.
Ferner muss sich der Vergleichsfehler auch in etwa dem gleichen Abstand wie der natürliche Fehler befinden. Will man also bei Fehlern mit weit verschiedenen Grössen und Abständen durch Vergleich mit künstlichen Fehlern ihre Grösse abschätzen, so muss man bereits für einen bestimmten Werkstoff einedoppelte Mannigfaltigkeit von Vergleichskörpern mit verschiedenen Sackloch-Durchmessern und verschiedenen Abständen des Sacklochbodens von der Prüfstelle herstellen. Dazu kommt noch gegebenenfalls die Variation der Oberflachenkrümmung und Rauhigkeit. Eine solche Sammlung ist daher sehr umfangreich, kostspielig und umständlich und kann den zahlreichen Benutzern von Ultraschall-Werkstoffprüfgeräten nur irdenseltensten Fällen zur Verfügung stehen.
Eine weitere Schwierigkeit des bisherigen Verfahrens mit Vergleichskörpern mit künstlichen Fehlern liegt in der zunächst nicht bekannten Schallschwächung im Prüfling, insbesondere bei langen Schallwegen in Schmiedestilcken. Wenn man überhaupt solche grosse Vergleichskörper herstellen kann, bei denen zur Vermeidung von Störreflexionen an den Seitenwänden die Querabmessungen nicht viel kleiner als die
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Längsabmessung sein durfen, kann doch die unter Umständen sehr weit verschiedene Schallschwächung in Prüfling und Vergleichskörper das Ergebnis völlig verfälschen.
Zur Vermeidung vorstehender Schwierigkeiten wird erfindungsgemäss daher zum Vergleich mit ei-
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kann ein entsprechendes Vergleichsecho durch einen keilförmigen Körper aus dem gleichen Werkstoff wie der Prüfling erzeugt werden (Fig. lob), bei dem der Keilwinkel gleich dem Einfallswinkel der Schallstrahlachse zum Lot ist. Für beliebige Schallstrahlwinkel erfüllt aber einfacher ein einziger Vergleichskörper
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und liegt bei den gebräuchlichen Prüfköpfen mit Frequenzen von 0, 5 bis 10 Mhz und Durchmessern bis etwa 40 mm bei tieferen und 25 mm bei höheren Frequenzen meist zwischen 10 und 200 mm in Stahl. Dadurch sind die ungefähren Höchstabmessungen des Vergleichskörpers gegeben.
Die Mindestabmessung wird durch folgende zwei Effekte begrenzt : Bei jedem Prüfkopf folgt auf den Sendeimpuls ein mehr oder weniger langer Bereich mit Ausschwingvorgängen, in dem ein ungestörter Empfang des Vergleichsechos noch nicht möglich ist. Ferner besitzt der Empfänger infolge der starken Überlastung durch den Sendeimpuls eine endliche Erholungszeit, in welcher die Verstärkung erst nach und nach wieder den vollen Wert erreicht. Wenn man den so gestörten Bereich die "Tote Zone" nennt, muss die Laufzeit des Vergleichsechos länger sein als die tote Zone. Man kann praktisch als Vergleichskörper filr Senkrechteinschallung Platten mit Dicken zwischen 10 und 100 mm benutzen.
Die Querabmessung muss nur ungestörte Ausbreitung des Schallstrahles im Nahfeld zulassen, weshalb ein Mehrfaches des grössten Prüfkopfdurchmessers vollauf genügt. Für eine Anzahl verschiedener Frequenzen und Durchmesser kann man jeweils einen einzigen Vergleichskörper benutzen.
Es soll nun gezeigt werden, wie die Höhe des Vergleichsechos mit der Echohohe eines beliebigen Kreisscheibenreflektors zusammenhängt. Der Schalldruck auf der Achse eines kontinuierlich und kolbenförmig schwingenden, ebenen und kreisscheibenförmigen Strahlers ist
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(vgl. z. B. Born, Z. Phys. 120 [1943 ] S. 383/396).
Darin ist a der Abstand des Messpunktes auf der Achse und P. zunächst ein Amplitudenfaktor. Fig. 2 und Fig. 3 als Fortsetzung der Fig. 2 zeigen den Verlauf, wobei jedoch nur positive Werte aufgetragen sind, da die Phase hier nicht interessiert. Dicht am Strahler besitzt die Kurve zahlreiche Maxima undMinima.
In grossem Abstand a wird sie gut angenähert durch die Funktion
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er aber auch von einem kleinen Mikrofon unmittelbar vor einem endlichen Strahler gemessen. Insbesondere bei Erregung des Strahlers durch Impulse wird wegen ihrer beschränkten Interferenzfähigkeit das Feld unmittelbar vor dem Strahler recht gleichmässig.
Ein genügend kleiner Kreisscheibenreflektor mit dem Durchmesser Df in ger ügend grossem Abstand a auf der Achse wird auf seiner ganzen Fläche mit dem Schalldruck nach Gleichung 3 gleichmässig angestrahlt. Weil er vollständig reflektiert, bedeutet dieser Schalldruck P für ihn dasselbe, was P, für den Strahler ist : Er stellt einen Sekundärstrahler dar mit dem Anfangsschalldruck P, dessen Schallfeld auf der gemeinsamen Achse von Strahler und Reflektor sich wieder nach 3 berechnet.
Der Strahler als Empfänger
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wird ebenfalls von dem zunächst nur für die Achse gültigen Schalldruck nach 3 des Reflektors in genügend grossem Abstand genügend gleichmässig angestrahlt und gibt also eine dem reflektierten Schalldruck Pf proportionale Spannung ab, wobei
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wonach das Echo eines kleinen Kreisscheibenfehlers in grossem Abstand proportional der Fehlergrösse und umgekehrt proportional dem Quadrat des Abstandes ist.
Man könnte zur Messung unbekannter Fehler nach Gleichung 5 einmal die Messung an einem bekannten Kreisscheibenfehler machen und daraus die unbekannten Grössen Po berechnen. Man würde dadurch schon die grosse Vielzahl von Vergleichskörpern vermeiden. Immerhin blieben noch Körper mit unter Umständen unbequem grossen Abmessungen übrig, da Gleichung 5 nur bei grossem Abstand a genau gilt. Ferner ist noch nachteilig die Erfordernis genügend genauer und reproduzierender Kreisscheibenfehler, was besonders bei kleinen Durchmessern nicht einfach ist.
Die Messung an einer nicht zu dicken Platte liefert nämlich direkt P, s. Fig. la. Man erkennt das aus dem folgenden : Die Rückwand der Platte stellt einen Reflektor dar, der das ganze Schallfeld wie ein Spie- gel ungestört in sich selbst zurückwirft. Der Strahler wirkt daher wie ein grossflächiges Mikrofon in seinem eigenen Schallfeld, u. zw. scheinbar an einer Stelle gleich dem Doppelten der Plattendicke. Ein grosses Mikrofon gibt eine Spannung ab, die dem Mittelwert des auftreffenden Schalldruckes über seine Fläche proportional ist. Dieser Mittelwert ist aber Po, solange man sich noch in der Nähe des Strahlers befindet.
Praktische Messungen zeigen, dass der Reflektor sich auch noch im Abstand etwa einer Nahfeldlänge befinden kann, ohne dass sich grosse Unterschiede des Vergleichsechos ergeben.
Entsprechend wird bei Schrägeinstrahlung (Fig. lb) das Echo einer ebenen Fläche senkrecht zum Schall- strahl mit genügend kurzem Schallweg genommen, welches den mittleren Schalldruck Po. liefert.
Weil ein solcher Vergleichskörper in Form eines Keiles aber für jeden Schallstrahlwinkel vorhanden sein müsste, was jedoch mit einigem Aufwand verbunden ist, kann stattdessen auch das Echo eines Körpers mit einer kreiszylindrischen Grenzfläche verwendet werden (Fig. Ic), bei dem der Prüfkopf so aufgesetzt wird, dass die Schallstrahlachse in einen Radius der Zylinderfläche fällt. Hiebei ist die Abweichung der Echohöhe (Grösse des Echos) von derjenigen bei ebener Reflektorfläche nur geringfügig. Ein solcher Körper kann für alle vorkommenden Schallwinkel verwendet werden.
Solange die Höhe des Echos auf dem Leuchtschirm der Empfangsspannung des Prüfkopfes proportional
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Verhältnis Ff bildenlung. Deshalb ist der Abschwächer zweckm äf31g logarithmisch geeicht z. B. in Dezibel. Um das Ausrechnen der Differenz zwischen den Einstellungen auf Platte und auf Fehler zu erübrigen, besitzt er zweckmässig eine Einrichtung, um die Skala, welche den Schwächungswert anzeigt, bei Einstellung auf Platte auf den will- kürlichen Skalenwert Null zu verstellen. Dann kann man nach der Messung des Fehlers die Verstärkung des Fehlerechos in dB ablesen und mit diesem Zahlenwert aus dem Diagramm die Grösse des äquivalenten Kreisscheiben-Fehlers ermitteln.
Der Abschwächer wird zur Anpassung gewöhnlich zusammen mit einer Kathodenverstärker-Stufe betrieben. Um einen Verlust der Gesamtverstärkung auszugleichen, kann es zweckmässig sein, eine oder mehrere weitere Verstärkerstufen davor oder dahinter zu schalten. Weil bereits eine grosse Zahl von Ultra- schall-Impuls-Echogeräten in Betrieb ist in der bisherigen gewöhnlichen Bauweise, wird der Abschwächer zusammen mit den erwähnten Verstärkerstufen zweckmässig als Zusatzeinheit zu einem gewöhnlichen Ultraschallgerät ausgeführt, mit dem es durch Kabel oder Steckerverbindung verbunden wird und aus dem es auch die erforderlichen Betriebsspannungen beziehen kann.
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Bei der Durchführung des Verfahrens stellt sich eine Schwierigkeit heraus, die Bestimmung der wirklichen Wellenlänge in Gleichung 5, oder der wirklichen Frequenz, die über die Übertragungskette Sender- Sendeprüfkopf-Prüfling-Empfangsprüfkopf-Verstärker auf dem Bildschirm schliesslich zur Anzeige kommt.
Man kann nicht ohne weiteres die Nennfrequenz des Prüfkopfes und die Einstellfrequenz des Gerätes nehmen, weil die Frequenzkurve von Sende-und Empfangspritfkopf in der Kette erheblich von der Ankopp- lung an denPrüfling abhängt und dieDurchlasskurve des Verstärkers gewöhnlich sobreitbandig ist, dass eine erhebliche Verschiebung der Schwerpunktfrequenz des Impulses möglich ist. Die Beeinflussung der Frequenzkurve des Prüfkopfes ist besonders stark, wenn man wie üblich den ungeschützten Kristall direkt auf die ebene, glatte Oberfläche des Prüflings mit wenig dünnflüssigem Öl aufpresst.
Erfindungsgemäss kann dieser Nachteil dadurch vermieden oder wenigstens stark vermindert werden, dass der Kristall unter Zwischenschalten einer dünnen aber harten Kunststoff-Folie benutzt wird, die beidseitig mit Öl oder auch festem Kitt akustisch angekoppelt ist, deren Dicke gering im Vergleich zur Wellenlänge ist, um eine Impulsverzerrung oder-verbreiterung zu geben. Eine solche Zwischenschicht hat die weiteren Vorteile, dass Unterschiede in der Oberflächenrauhigkeit zwischen Vergleicherplatte und Prüfling von wesentlich gerin-
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Flä-chen sich wesentlich schneller einstellt als beim ungeschützten Prüfkopf.
Beim Aufsuchen des maximalen Fehlerechos muss der Prüfkopf auf der Oberfläche des Prüflings leicht hin-und hergeschoben werden können, möglichst ohne Änderung der Ankopplung. Ein Nachteil der meisten Kunststoff-Schichten ist ein schlechtes Gleitvermögen, welches das Verschieben erschwert. Deshalb wird erfindungsgemäss als Folie Teflon benutzt, das hohes Gleitvermögen besitzt und dadurch auch geringen Verschleiss zeigt.
Für die Gültigkeit von Gleichung 4 oder 5 gelten die Ungleichungen
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d. h. Fehlerabstand gross gegenüber der Nahfeldlänge des Prüfkopfes und Fehlerdurchmesser kleiner als der Strahlerdurchmesser. Durch Wahl von Strahlerdurchmesser und Wellenlänge kann man nur in bestimmten Grenzen die Bedingungen für beliebige Fehlerabstände und -grössen erfüllen. Man könnte den richtigen Verlauf der Echohöhe ausserhalb der Gültigkeitsgrenzen von Gleichung 4 durch theoretische oder empirisch ermittelte Kurven erweitern, um das Verfahren auch dort durchführbar zu machen.
Dem steht die Schwierigkeit gegenüber, dass der Schalldruckverlauf in der Nahzone und im Fernfeld unter grossen Öffnungswin- keln im allgemeinen durch Inteferenzen recht kompliziert ist, wobei aber auch noch der genaue Verlauf ganz wesentlich von der Art der Anregung, insbesondere der Impulsform und-länge abhängt, die wiederum durch dieAnkopplungsverhältnisse beeinflusst wird. Den Einfluss der Ankopplung verringert schon weit- gehend die erwähnte dünne Kunststoffschicht. Die starken Inteferenzen im Schallfeld könnte man durch Benutzung sehr kurzer Impulse verringern, die nur geringe Inteferenzfähigkeit haben. Das Verfahren hat einige Nachteile.
Die Übertragungskette muss zum Durchlass sehr kurzer Impulse sehr breitbandig sein, was erhöhten Aufwand, erhöhten Rauschpegel und hohe Anfälligkeit gegen frequenzabhängige Einflüsse mit sich bringt, wodurch die Schwerpunkt-Frequenz oder Wellenlänge unsicher wird. Es zeigt sich dann also besonders stark der Einfluss der Ankopplung und die frequenzabhängige Reflexion des Fehlers, wodurch die uns interessierende Grösse des Echos, seine Höhe, stark schwankend und ungenau zu messen ist, wie die Praxis zeigt. Man arbeitet also besser mit längeren Impulsen, soweit das erforderliche Auflösungsvermö- gen es eben gestattet.
Die Massnahmen, die erfindungsgemäss getroffen werden, haben den Zweck, die Schallabstrahlung des Prüfkopfes von den randnahen Teilen im Verhältnis zur Mitte zu schwächen, wodurch die Inteferenzen auch bei längeren Impulsen verringert werden. Wie Roderick gezeigt hat (R. L. Roderick,"The radiation pattern from a rotationally symmetric stress source on a semi infinite solid"), ist das Fernfeld frei von Nebenzipfeln, wenn die Erregung nach einer Gauss-Verteilung erfolgt, also in der Form der Glockenkurve iep 2 mit dem Radius p. (Fig. 4).
Wenn man den beliebigen Faktor p genügend
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irgendeine Massnahme, welche die Abstrahlung über dem Durchmesser glockenkurvenmässig verändert, wird erfindungsgemäss das Inteferenzfeld im Nahfeld eingeebnet, wie die gestrichelte Kurve in Fig. 2 andeutet. Solche Prüfköpfe sind also zur Durchführung des Fehlerbestimmlmgs-Verfahrens ausserhalb der Gültigkeitsgrenzen 6 geeignet.
Auch Abweichungen von der Kreisscheibenform, z. B. eckige Kristallformen, bringen bereits eine Ver-
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ringerung der Nahfeldinterferenzen. Für die Herstellung sind jedoch kreisscheibenförmige Formen gunst- ger.
Die Massnahmen zur Erzielung einer glockenkurvenförmigen Abstrahlung können verschiedenster Art sein : Man kann die Randstrahlung durch absorbierende Schichten vor dem Strahler schwächen. man kann die rückseitige Dämpfung der Platte am Rande stärker dämpfen lassen als in der Mitte, man kann aber auch die randnahen Teile schwächer erregen, indem man die Plattendicke dort grösser macht als in der Mitte (Hohlschliff), oder die Elektrode ringförmig unterteilt und zum Rande hin abnehmende Spannungen zuführt. Man kann den Spannungsabfall automatisch durch eine Elektrode mit genügend hohem und passend mit dem Radius verändertem Flächenwiderstand und eventuell einer ringförmigen Ableitungselektrode zur Masse am Rand erzeugen.
Man kann ferner die Elektrode zum Rande hin unvollständig die Rückseite bedekken lassen, etwa zackenförmig zum Rande hin auslaufen lassen oder durch erhöhten Abstand die Elektrode am Rand die dort an der Platte selbst wirkende Spannung verringern.
PATENTANSPRÜCHE-
1. Verfahren zur Fehlergrossenbestimmung bei der Ultraschall-Werkstoffprüfung mit dem UltraschallImpulsechoverfahren aus der Amplitude der vom Fehler reflektierten Welle, dadurch gekennzeichnet, dass bei Senkrechteinschallung die Amplitude des Riickwandechos einer planparalleleii Platte aus dem gleichen Werkstoff wie der Prüfling und einer Dicke, die kleiner oder nicht viel grösser als die Nahfeldlänge des Prüfkopfes ist, gemessen wird, um mit Hilfe einer theoretisch oder experimentell ermittelten Beziehung zwischen diesem Vergleichsecho und der Echoamplitude eines Kreisscheiben-Fehlers sowie dessen Durchmesser dem natürlichen Fehler einen Kreisscheiben-Fehler gleicher Echoamplitude und bekannten Durchmessers zuzuordnen,
dass ferner bei Schrägeinstrahlung zur Erzeugung des Vergleichsechos anstatt der Platte ein keilförmiger Körper mit passendem Keilwinkel, um den Schallstrahl in sich selbst zu reflektieren, oder ein teilweise kreiszylindrisch begrenzter Körper mit der Zylinderachse in der Kontaktfläche, dient, wobei beide Körper aus dem gleichen Werkstoff wie der Prüfling bestehen und jedesmal der Schallweg von der Kontaktfläche zur Reflektorfläche kleiner oder nur wenig grösser als die Nahfeldlänge des Prüfkopfes ist.