DD236166A1 - Messanordnung zur ermittlung des totalreflexionswinkels von ultraschall - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Erfassen des Werkstoffzustands mit Ultraschall nach dem Goniometerprinzip, vorzugsweise in metallischen und keramischen Bauteilen mittels einer Vorrichtung. Es wird eine Vorrichtung erstellt, mit der es moeglich ist, zerstoerungsfrei Gefuege- und Eigenspannungszustaende mit Ultraschall an fertigen Bauteilen zu ermitteln. Dabei ist die Vorrichtung so ausgelegt, dass diese in bekannte Ultraschallgoniometer eingebaut werden kann. Durch das Erfassen der seitlichen Strahlversetzung ist der kritische Winkel der Totalreflexion mit geringerer Unsicherheit anzugeben und damit der Gefuege- und Eigenspannungszustand genauer zu charakterisieren. Durch das Messen unter Auswertung der Groesse des Schalldruckmaximums bei dem Grenzwinkel der Totalreflexion und unter verschiedenen Prueffrequenzen werden zusaetzliche Informationen zur Werkstoffzustandscharakterisierung gewonnen. Mit dieser erfindungsgemaessen Loesung koennen der Gefuege- und der Eigenspannungszustand an unterschiedlichen metallischen und keramischen Bauteilen mit verschiedenen geometrischen Abmessungen mittels Ultraschallgoniometer-Prinzips bestimmt werden. Vorzugsweise ist der Einsatz in der Industrie und in Forschungseinrichtungen vorgesehen.

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Vorrichtung ist anwendbar zur zerstörungsfreien Charakterisierung des Gefüge-und Eigenspannungszustands, vorzugsweise metallischen und keramischen Werkstoffen bei Verwendung des Ultraschallgoniometer-Prinzips.

Charakterisierung der bekannten technischen Lösungen

Es ist bekannt, daß Proben, die nach dem Ultraschallgoniometer-Prinzip untersucht werden, auf entsprechende Einrichtungen/ Vorrichtungen aufgebracht werden müssen. In der Regel sind diese Einrichtungen/Vorrichtungen nur für Proben mit kleinen Abmessungen geeignet.

Bekannt ist, daß das Prinzip des mittelpunktfreien Ultraschall-Goniometers für Gefüge- und Eigenspannungsuntersuchungen geeignet ist. Diese dazugehörige Geräteeinheit ist notwendigerweise transportabel, da das Goniometer über eine Flüssigkeitsstrecke auf das Bauteil bzw. die Probe aufgesetzt wird.

H.-D.Tietz (Ultraschall-Meßtechnik, Berlin 1974) beschreibt ein Goniometer im Impuls-Echo-Betrieb, bei dem ein elektroakustischer Wandler (Prüfkopf) in Tauchtechnik um die Probe herum bewegt wird. Die Reflexion des vorher an der Probenoberfläche reflektierten Schallstrahls erfolgt an einer Wand in Form eines Zylinders, in dessen Mittelpunkt das Auftreffen des Schallstrahls auf die Probe erfolgt. Andrews, K.W. u. R. L. Keightley (An ultrasonic goniometer for surface stress measurement, Ultrasonics Sept. 1978 S. 205-209) beschreibt ein mittelpunktfreies Goniometer, bei dem im Sende- und Empfangsbetrieb (SE-Betrieb) 2 Prüfköpfe, deren Bewegung miteinander gekoppelt ist, den Prüfling über eine Flüssigkeitsvorlaufstrecke unter verschiedenen Winkeln anschallen. Damit können große Bauteile geprüft werden. K.J. Reimann und N.J. Larson (Ultrasonic Measurements of cold-work percentages in type 316 stainless steel; materials evaluation, July 1973, S. 128-144) beschreiben das Auftreten eines Minimums des Schalldrucks, das für die Werkstoffcharakterisierung herangezogen werden soll.

Bekannt ist fernerhin, daß bei der Reflexion an der Grenzfläche zweier Medien flüssig/fest eine seitliche Strahlversetzung auftritt, indem der Schallstrahl, in Abhängigkeit von der Art der aneinandergrenzenden Medien, einen Weg zwischen Einfall und Reflexion entlang der Oberfläche zurücklegt. Dieser Strahlenversatz ist abhängig von den Werkstoffen an der Grenzfläche und dem Einfallwinkel des Schallstrahls. Der Nachteil aller bisher bekannten Ultraschall-Goniometeranordnungen besteht darin, daß zur Auswertung von Gefüge- und Eigenspannungsmessungen nur ein geringer Teil des Schalldrucks erfaßt und herangezogen werden kann, da eine systematische Fehlmessung durch die unbekannte Größe der seitlichen Strahlversetzung erfolgt.

Ziel der Erfindung

Der Erfindung liegt die Zielstellung zugrunde, zur Gewährleistung der erforderlichen Genauigkeit, die Prüfköpfe des Goniometers unter Berücksichtigung der seitlichen Strahlversetzung, in die erforderlichen Positionen bringen zu können.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine einstellbare Meßanordnung zur Ermittlung des Totalreflexionswinkels von Ultraschall, zur zerstörungsfreien Charakterisierung von Gefüge- und Eigenspannungszuständen, vorzugsweise an metallischen und keramischen Werkstoffen,zu schaffen, dessen Prüfköpfe beweglich auf Führungsbahnen angeordnet sind und durch eine zentrale Verstelleinrichtung, übereinen vorbestimmten Bewegungsbereich und in jederStellung winkelsymmetrisch einstellbar

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß auf einen Prüfling ein Goniometer im Sende- und Empfangsbetrieb aufgesetzt wird, wobei die Prüfköpfe auf Führungsbahnen, welche durch bewegliche Distanzleisten gekoppelt sind, über eine Verstelleinrichtung symmetrisch höhen- und winkelverstellbar angeordnet sind.

Die Verstelleinrichtung bewirkt eine axiale Höhenverstellung des Prüfkopfhalterungssystems bis die Totalreflexion der Ultraschallwellen, unter Berücksichtigung der seitlichen Strahlversetzung, als ein Maximum des Schalldrucks im Empfängerprüfkopf erfaßt wird.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung in der Vorderansicht.

Als physikalisches Meßprinzip wird die geschwindigkeits- und damit werkstoffzustandsabhängige Totalreflexion von Ultraschallwellen im Prüfling gemessen, wozu ein Goniometer verwendet wird. 2 Prüfköpfe verändern in gekoppelter Bewegung ihre Neigung zur Prüflingsoberfläche, so daß Einfallswinkel und Reflexionswinkel gleich sind. Erfindungsgemäß besteht die Vorrichtung aus einer Spindelhalterung, bestehend aus einer Buchse mit Bund, durchbohrtem Gewindebolzen, Spindel, Stell- und Klemmschrauben sowie Stütz- und Lagerelementen. Durch Verdrehen der durchbohrten Gewindebuchse ist eine Verschiebung des Prüfkopfhalterungssystems in vertikaler Richtung gegeben, wobei sukzessive der Strahlversatz ausgeglichen bzw. gemessen und die Rückstrahlwinkel verändert werden können.

Erfindungsgemäß kann diese Vorrichtung in alle Ultraschallgoniometer, die im Sende- und Empfangsbetrieb arbeiten, eingebaut werden. Wie üblich^ ist diese Vorrichtung so angeordnet, daß die Neigung der Schallfeldachse des Sende- und des Empfangsprüfkopfes zur Prüflingsoberfläche gleich sind. Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Meßanordnung ist wie Folgt:

Der Auflagetisch 7 mit einer Aussparung für den Schalldurchtritt wird auf die Probe 6 aufgesetzt. Die über die Distanzleiste 8 und die Führungsbahnen 4 in der Bewegung gekoppelten Prüfkopfhalterungen werden durch eine über ein Handrad 1 ausgelöste Bewegung der Gewindespindel 1 so zur Prüfkopfoberfläche geneigt, daß ein Winkel der Totalreflexion einer Longitudinal- oder Fransversalwelle im Prüfling eintritt. Dieser Fall macht sich durch ein scharfes Minimum des Schalldrucks im Empfängerprüf kopf Demerkbar. Durch Verdrehung der Spindelhalterung und Manipulation mittels Handrad 5 wird das Prüfkopfhalterungssystem in axialer Richtung verschoben, bis ein Maximum des Schalldrucks auftritt. Der Gesamtbetrag der Verschiebung parallel zur ^Drüflingsoberfläche ist die seitliche Strahlversetzung. Der fiktive Schnitt der Schallfeldachsen kann durch die Strahlversetzung, e nach Vorzeichen, unter der Prüflingsoberfläche oder über ihr liegen.

Claims (2)

1. Erfindungsanspruch:

   1. Meßanordnung₄zur Ermittlung des Totalreflexionswinkels von Ultraschall, zur zerstörungsfreien Charakterisierung von Gefüge- und Eigenspannungszuständen,vorzugsweise an metallischen und keramischen Werkstoffen, nach dem Goniometer-Prinzip gekennzeichnet dadurch, daß auf einen Prüfling (6) ein Goniometer im Sende- und Empfangsbetrieb aufgesetzt wird, wobei die Prüfköpfe auf Führungsbahnen (4), welche durch bewegliche Distanzleisten (8) gekoppelt sind, über eine Verstelleinrichtung (1) symmetrisch höhen-und winkelverstellbar angeordnet sind.
2. 2. Meßanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß durch die Verstelleinrichtung (Deine axiale Höhenverstellung des Prüfkopfhalterungssystems erfolgt bis dieTotalreflexion der Ultraschallwellen, unter Berücksichtigung der seitlichen Strahlversetzung, als ein scharfes Maximum des Schalldrucks im Empfängerprüfkopf erfaßt wird.