DE19640859A1 - Verfahren und Vorrichtung zur zerstörungsfreien Feststellung des Werkstoffzustands in Bauteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien Feststellung des Werkstoffzustands in Bauteilen, insbesondere zur Feststellung von Zeitstandschädigungen, mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bei technischen Gegenständen, z. B. Kesseln, Druckbehältern, Rohrleitungen, Armaturen und dgl., die über längere Zeiträume Beanspruchungen z. B. thermischer und/oder mechanischer Art ausgesetzt sind, verändern sich vielfach die mechanisch-technologischen Kennwerte des Werkstoffes, aus dem die Bauteile bestehen. Bauteile in Kraftwerken und verfahrenstechnischen Anlagen unterliegen häufig einer langzeitigen mechanischen Beanspruchung bei erhöhter Temperatur. Unter diesen Einsatzbedingungen erfährt der Werkstoff im Lauf der Zeit charakteristische Veränderungen bis hin zu Schädigungen (Zeitstandschädigungen) des Gefüges. Die Zeitstandschädigung äußert sich zunächst in Form von einzelnen Poren auf den Korngrenzen, die sich im Laufe des weiteren Betriebs zu Porenketten und Rissen zusammenlagern. Schreitet diese Zeitstandschädigung unbeachtet fort, so kann ein plötzlich und unerwartet auftretendes Versagen des Bauteils eintreten. Zur Vermeidung von Schadens fällen ist daher in vorgeschriebenen Intervallen eine Überprüfung des Werkstoffzustandes nötig.

Die zerstörungsfreie Prüfung zeitstandbeanspruchter Bauteile erfolgt heute durch die ambulante Metallographie nach DIN 54150. Bei dieser Methode wird mit Hilfe einer speziellen Folie ein Negativabdruck des Gefüges an einer zu untersuchenden Stelle der Bauteiloberfläche erzeugt. Unter dem Mikroskop kann an diesem Abdruck der Gefügezustand beurteilt werden.

Das Gefügeabdruckverfahren ist nicht frei von Nachteilen. Es erfordert einen hohen Arbeitsaufwand, da an der Prüfstelle der Bauteiloberfläche zunächst eine polierte Oberfläche erzeugt werden muß. Aufgrund der punktuellen Anwendung ist zudem an einem Bauteil eine Vielzahl von Prüfstellen vorzusehen. Ein wesentlicher Nachteil besteht darin, daß nur eine Aussage über die Schädigung unmittelbar an der Bauteiloberfläche möglich ist, was zu möglicherweise fatalen Fehleinschätzungen führen kann.

Aus diesem Grund bestehen intensive Bestrebungen, die Möglichkeiten zum einwandfreien Nachweis von Zeitstand­ schädigungen an Bauteilen zu erweitern. So ist es bereits bekannt, zum Nachweis von Zeitstandschädigungen die Schallgeschwindigkeit des Werkstoffs an einem Bauteil zu messen. Dies beruht auf der Erkenntnis, die aus zahlreichen theoretischen und experimentellen Arbeiten gewonnen wurde, wonach eine Zeitstandschädigung zu einer Abnahme der Schallgeschwindigkeit im Werkstoff führt. Bei einem bekannten, in der Erprobung befindlichen Verfahren, dem diese Erscheinung zugrunde liegt (VGB-Konferenz "Restlebensdauer 1992" 6./7. Juli 1992, Mannheim Band 2, Vortr. 21), wird einem Bauteil durch einen an der Bauteiloberfläche sitzenden Ultraschallwandler eine Folge von Ultraschallimpuls-Paketen mit einer Frequenz von mindestens 2 MHz aufgeprägt. Die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit erfolgt durch Messung der Laufzeit jedes einzelnen Ultraschallimpuls-Pakets über eine bekannte Wegstrecke. Die Ultraschallimpulse werden entlang der Bauteiloberfläche geleitet.

Auch diese Prüfmethode liefert jedoch noch nicht befriedigende Ergebnisse. Bei der Beaufschlagung entlang der Bauteiloberfläche läßt sich auf diese Weise die Schallgeschwindigkeit nur für die oberste Randschicht des Bauteils ermitteln, da die Eindringtiefe der dem Bauteil eingeprägten Schwingung mit zunehmender Frequenz abnimmt und z. B. bei Stahl bei der gewählten Minimalfrequenz von 2 MHz nur maximal etwa 1,5 mm erreicht. Ein weiterer wesentlicher Nachteil dieses Prüfverfahrens besteht darin, daß die Laufzeitmessung der Impulse, d. h. die Messung der Schallgeschwindigkeit, einen hohen meßtechnischen Aufwand erfordert, um eine ausreichende Genauigkeit zu erhalten.

Bei einem weiteren bekannten Ultraschall-Prüfverfahren zur zerstörungsfreien Feststellung von Bauteilschädigungen (DE 41 16 584 A1) werden Ultraschallwellen im Dauerstrichbetrieb, ein ausgewähltes Frequenzband mehrfach durchlaufend, an auswählbaren Meßstellen des jeweils zu prüfenden Bauteils durch einen Ultraschallwandler eingeleitet und nach dem Durchlaufen des Bauteils durch mindestens einen weiteren Ultraschallwandler empfangen. Die Amplitudendifferenz zwischen den gesendeten und den empfangenen Ultraschallwellen wird für die Bestimmung eines beispielsweise für die Zeitstandschädigung charakter­ istischen Kennwerts ausgewertet, d. h. es wird aufgrund der Dämpfung der Ultraschallwellen durch den Werkstoff auf eine Zeitstandschädigung rückgeschlossen. Für die Durchführung dieses Verfahrens ist ebenfalls ein verhältnismäßig hoher meßtechnischer Aufwand erforderlich, weil nur durch eine genaue Messung der Schwingungsamplituden und deren Vergleich miteinander eine ausreichende Genauigkeit erzielbar ist. Aus diesen Gründen haben sich die bekannten Ultraschall-Prüfverfahren noch nicht für eine praktische Anwendung zum Nachweis von Zeitstandschädigungen durchgesetzt.

Aus Überlegungen der Wirtschaftlichkeit und Sicherheit heraus ist es notwendig, den Werkstoffzustand möglichst genau und möglichst über den gesamten Bauteilquerschnitt zu erfassen. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Feststellung von Werkstoffzuständen und insbesondere von Zeitstandschädigungen zu entwickeln, die dies erlauben und zumindest ergänzend zu dem eingangs geschilderten Gefügeabdruckverfahren eingesetzt werden können. Darüberhinaus soll der apparative und meßtechnische Aufwand für die Durchführung des Verfahrens möglichst gering sein.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch das in Anspruch 1 angegebene Verfahren. Die Ausgestaltung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ergibt sich aus Anspruch 11.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Kenntnis ausgenutzt, daß die Eindringtiefe einer durch Ultraschallschwingung erzeugten Oberflächenwelle in den Bauteilquerschnitt frequenzabhängig ist und etwa der Größe einer Wellenlänge entspricht. Durch Variation der Frequenz wird somit die Eindringtiefe schrittweise verändert und bei jedem Schritt die gewünschte für den Werkstoffzustand charakteristische Abweichung, z. B. eine Änderung der Schallgeschwindigkeit und/oder der Wellenlänge, festgestellt, um so den Bauteilquerschnitt schichtweise zu erfassen. Der Frequenzbereich wird dabei so gewählt, daß die hierdurch schrittweise erzielbare Eindringtiefe in den Bauteilquerschnitt den maßgeblichen Teil des Bauteilquerschnitts abdeckt. Für den Werkstoff Stahl bildet somit eine Frequenz von 2 MHz normalerweise die obere Grenze des Frequenzbereichs, wenn nicht eine dünnere Randschicht als ca. 1,5 mm selektiv erfaßt werden soll, was eine noch höhere Frequenz erfordert. Je nach der zu erfassenden Tiefe des Bauteilquerschnitts kann die untere Grenze bei 100 kHz und darunter liegen.

Die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zu bestimmende Größe, deren charakteristische Abweichung von einem bezüglich der Schädigung unbedenklichen Zustand oder Normzustand des Werkstoffs zu untersuchen ist, ist beispielsweise die Schallgeschwindigkeit des Werkstoffs. Diese kann z. B. in Anlehnung an das eingangs geschilderte bekannte Verfahren ermittelt werden, indem Ultraschallimpulse in dem Bauteil angeregt werden und deren Laufzeit über eine bekannte Wegstrecke gemessen wird, wobei jedoch z. B. bei dem Werkstoff Stahl die Frequenz von 2 MHz in der Regel die obere Grenze des schrittweise zu durchfahrenden Frequenzbereichs sein wird und zur Erfassung eines größeren Teils des Bauteilquerschnitts schrittweise verringert wird.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird jedoch die Ultraschallschwingung in Form einer Oberflächenwelle im Dauerstrichbetrieb angeregt und zur Feststellung der für eine Änderung des Werkstoffzustandes charakteristischen Abweichung die Phasenverschiebung zwischen der an einem Punkt der Bauteiloberfläche angeregten und an einem im Abstand davon befindlichen Punkt der Bauteiloberfläche empfangenen Oberflächenwelle zugrundegelegt. Die charakteristische Abweichung kann festgestellt werden, indem die sich in jedem Prüfvorgang einstellende Phasenverschiebung mit einer vorermittelten Bezugs-Phasenverschiebung verglichen wird. Im einfachsten Fall kann somit durch Feststellung einer Änderung dieser Phasenverschiebung von der vorermittelten Bezugs-Phasenverschiebung geschlossen werden, daß eine Werkstoffveränderung stattgefunden hat, z. B. eine Zeitstandschädigung einsetzt.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die genannte Phasenverschiebung zwischen der an dem einen Punkt angeregten und an dem anderen Punkt empfangenen Oberflächenwelle sogar zur quantitativen Bestimmung der Wellenlänge der Oberflächenwelle ausgenützt werden, indem der Abstand zwischen dem Ultraschall-Sendewandler, durch den die Oberflächenwelle angeregt wird, und dem Ultraschall-Empfangswandler, der die Oberflächenwelle aufnimmt (oder zwischen zwei Ultraschall-Empfangswandlern), um eine Strecke feststellbarer oder bekannter Länge verändert wird und die Länge dieser Strecke zu der durch die Abstandsänderung verursachten Änderung der Phasenverschiebung ins Verhältnis gesetzt wird. Aus der Wellenlänge kann wieder die Schallgeschwindigkeit des Werkstoffs berechnet werden. Als charakteristische Abweichung, die auf eine Änderung des Werkstoffzustandes hindeutet, wird in diesem Fall eine Abweichung von einer Bezugs-Wellenlänge bzw. Bezugs-Schallgeschwindigkeit erfaßt.

Für die vorstehend beschriebene meßtechnische Erfassung der Phasenverschiebung und der Wellenlänge einer in einem Bauteil angeregten Oberflächenwelle wird hierdurch selbständiger Schutz beansprucht.

In den vorstehend geschilderten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei denen die für eine Änderung des Werkstoffzustandes charakteristische Abweichung qualitativ als Änderung der Phasenverschiebung zwischen der angeregten und der empfangenen Oberflächenwelle bzw. quantitativ als Änderung der Schallgeschwindigkeit im Werkstoff bzw. der Wellenlänge festgestellt wird, ist im erstgenannten Fall der Vergleich mit einer vorermittelten Phasenverschiebung und im zweitgenannten Fall mit einer Bezugs-Schallgeschwindigkeit bzw. -Wellenlänge erforderlich. Diese Bezugswerte können durch entsprechende Prüfung und Messung an einem Bauteil in dessen noch unbenutztem oder in jedem Fall ungeschädigtem Zustand gewonnen werden. Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird jedoch als die Bezugs-Schallgeschwindigkeit bzw. die Bezugswellenlänge die in einem oder mehreren der Prüfvorgänge ermittelte Schallgeschwindigkeit bzw. Wellenlänge in einem schädigungsfreien oder als schädigungsfrei anzunehmenden Teil des im Rahmen der Prüfung erfaßten Bauteilquerschnitts zugrundegelegt. Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß erfahrungsgemäß der weit überwiegende Teil aller auftretenden Zeitstandschädigungen sich in der äußeren Randschicht eines Bauteils, insbesondere bei Rohrleitungen, befindet, während tieferliegende Schichten des Bauteilquerschnitts weniger geschädigt oder ungeschädigt sind. Durch das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich daher ein Schallgeschwindigkeits- bzw. Wellenlängen-Profil über den Bauteilquerschnitt erstellen, bei dem im typischen Fall einer Zeitstandschädigung ausgehend von der Oberfläche ein Gradient abnehmender Schädigung in die Tiefe des Bauteils vorliegt. Liegt keine Schädigung vor, so muß theoretisch die Schallgeschwindigkeit bzw. die Wellenlänge über die Tiefe des Bauteilquerschnitts konstant sein. Messungen haben allerdings gezeigt, daß aufgrund von Oberflächeneinflüssen, z. B. Härtungseffekten, an Bauteiloberflächen eine gewisse Änderung des Profilverlaufs ausgehend von der Oberfläche festzustellen ist. Liegt jedoch ein signifikant von Null abweichender Gradient oder eine signifikante Änderung des Profilverlaufs vor, so ist eine sichere Aussage über das Vorliegen und den Verlauf einer Schädigung über den Bauteilquerschnitt möglich.

Apparativ ist die der Erfindung zugrundeliegende, vorstehend angegebene Aufgabe gelöst durch die Vorrichtung zur zerstörungsfreien Feststellung des Werkstoffzustandes gemäß dem Anspruch 11. Die Vorrichtung dient der Erfassung der Phasenverschiebung zwischen der in dem Bauteil angeregten und davon aufgenommenen Oberflächenwelle und weist hierzu einen Frequenzgenerator zur Erzeugung der Oberflächenwelle im Dauerstrichbetrieb über einen Ultraschallwandler sowie eine Einrichtung zur Erfassung der genannten Phasenverschiebung auf.

Zur Durchführung der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der qualitativ eine Änderung der Phasenverschiebung festgestellt wird, weist die Vorrichtung zwei Ultraschallwandler auf, die relativ zueinander in einem festen Abstand auf der Bauteiloberfläche fixiert sind. Die Änderung der Phasenverschiebung wird als Abweichung von einer vorermittelten Be­ zugs-Phasenverschiebung beispielsweise auf einem Oszilloskop angezeigt.

Bei derjenigen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der die Wellenlänge quantitativ festgestellt wird, ist mindestens einer der beiden Ultraschallwandler entlang der Bauteiloberfläche verstellbar, um den Abstand der Ultraschallwandler voneinander verändern zu können. Dem verstellbaren Ultraschallwandler, vorzugsweise dem oder einem der Ultraschall-Empfangswandler, ist eine Einrichtung zur Bestimmung und/oder zur Messung der Verstellstrecke zugeordnet, um die der Abstand verändert wird, so daß deren Länge zu der durch die Verstellung resultierenden Änderung der Phasenverschiebung quantitativ in Bezug gesetzt werden kann. Der Quotient aus dieser Länge und der Änderung der Phasenverschiebung, die sich infolge der Verstellung einstellt und die beispielsweise auf einem Oszilloskop beobachtet werden kann, ist unmittelbar die Wellenlänge. Dabei ist die Änderung der Phasenverschiebung gemessen in ganzzahligen oder nicht ganzzahligen Vielfachen von Phasendurchgängen. Ein Phasendurchgang entspricht dabei einer z. B. auf dem Oszilloskop beobachtbaren Änderung der herrschenden Phasenverschiebung um den Betrag von 2π. Für diese Meßvorrichtung zur Messung der Wellenlänge (und implizit der Schallgeschwindigkeit) einer in einem Bauteil angeregten Schwingung wird analog zu dem entsprechenden Verfahren selbständiger Schutz beansprucht.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die dazu verwendete Vorrichtung bieten gegenüber den bisher bekannten Prüfverfahren und -vorrichtungen, insbesondere gegenüber dem eingangs geschilderten Gefügeabdruckverfahren, erhebliche Vorteile:
Der wichtigste Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die tiefenabhängige Erfassung der Schallgeschwindigkeit bzw. der Wellenlänge der Schallschwingung. Dadurch erhält man den Verlauf der Schallgeschwindigkeit bzw. der Wellenlänge über zumindest den maßgeblichen Teil des Bauteilquerschnitts, möglicherweise auch über die gesamte Bauteildicke, wodurch der Schädigungsverlauf in die Tiefe des Bauteilquerschnitts erfaßt wird. Diejenige Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und der dazu verwendeten Vorrichtung, mit denen direkt die Wellenlänge (und durch Umrechnung die Schallgeschwindigkeit) der im Bauteil angeregten Oberflächenwelle bestimmt wird, erreicht aufgrund des elementaren Meßprinzips eine hohe Meßgenauigkeit mit einem relativ geringen meßtechnischen Aufwand. Dieser Aufwand ist bei gleicher Meßgenauigkeit erheblich geringer als derjenige, der zur direkten Messung der Schallgeschwindigkeit durch Messung der Laufzeit von Ultraschallimpulsen im Bauteil erforderlich ist.

Im Vergleich zu dem durch DIN 54150 bestimmten Gefügeabdruckverfahren ist ein deutlich geringerer Aufwand auch zur Oberflächenvorbereitung notwendig. Ein Entfernen der Zunderschicht und ein grobes Beschleifen der Prüfstellen sind ausreichend. Die Messung erfolgt nicht punktuell, sondern über einen größeren Werkstoffbereich, der frei wählbar ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die dafür eingesetzte Vorrichtung lassen sich in verschiedener Hinsicht automatisieren. So ist es durch Ausstattung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung der Wellenlänge der Oberflächenwelle mit einer automatischen Verfahreinrichtung, die eine Verstellung eines der Ultraschallwandler um eine vorgegebene oder meßbare Verstellstrecke durchführt, mit einer Einrichtung zur Meßwerterfassung und mit einem angeschlossenen Rechner möglich, das Auftreten von Zeitstandschädigungen automatisch zu überwachen und gegebenenfalls durch Koppelung mit einer Alarmeinrichtung zu melden. Sofern die zu untersuchenden Bauteile nicht nur mechanisch, sondern auch temperaturbeansprucht sind, müssen die daran befestigten Ultraschallwandler für eine Beständigkeit gegenüber den auftretenden Temperaturen eingerichtet sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann darüberhinaus neben der Feststellung von Werkstoffschädigungen auch zum Nachweis anderer Werkstoffzustände herangezogen werden, die sich auf die elastischen Werkstoffeigenschaften auswirken. Neben der Ermittlung von Schädigungen durch Korrosion, Ermüdung und Versprödung ist es möglich, bei einer Messung im Belastungszustand durch das geschilderte Vorgehen auch innere Spannungszustände zu erfassen.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungs­ beispielen anhand der beiliegenden Zeichnungen sowie aus den Unteransprüchen. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm, das den Verlauf der Schallgeschwindigkeit im Werkstoff über der Eindringtiefe bei Vorliegen einer Schädigung und ohne Schädigung veranschaulicht;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung zur zerstörungsfreien Feststellung des Werkstoffzustandes;

Fig. 3 eine zu Fig. 2 analoge Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Vorrichtung zur zerstörungsfreien Feststellung des Werkstoffzustandes und

Fig. 4a, Fig. 4b zwei Darstellungen, die das Meßverfahren anhand der Vorrichtung gemäß Fig. 3 bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulichen.

In dem Diagramm gemäß Fig. 1 ist rein qualitativ der Verlauf der Schallgeschwindigkeit des Werkstoffs eines Bauteils über der Eindringtiefe der in dem Bauteil angeregten Schwingung dargestellt. Die Kurve a gibt den Verlauf an einem schädigungsfreien Bauteil an, wobei ein Oberflächen-Verfestigungseffekt des Bauteils berücksichtigt ist. Dieser Verfestigungseffekt äußert sich in einer geringen, im Bereich der Randschicht liegenden Absenkung der Schallgeschwindigkeit, die sich mit zunehmender Eindringtiefe in den Bauteilquerschnitt verliert. Im wesentlichen ist die Schallgeschwindigkeit über den betrachteten Querschnittsbereich konstant, d. h. der Gradient der Kurve wenig verändert.

Die Kurve b bezieht sich auf ein Bauteil mit einer oberflächennahen Schädigung, die sich über einen Teil der Randschicht in dessen Inneres fortsetzt. Die Schädigung äußert sich durch einen signifikant von Null verschiedenen und veränderlichen Gradient des Verlaufs der Schallgeschwindigkeit, der ein mehrfaches des bei schädigungsfreiem Bauteil festgestellten Gradienten an der Kurve a beträgt. Messungen haben ergeben, daß bei Vorliegen einer Schädigung der Gradient gegenüber dem schädigungsfreien Zustand das 2- bis 6-fache betragen kann.

In dem Diagramm gemäß Fig. 1 sind weiterhin zwei Bereiche I und II der Eindringtiefe, bezogen auf die Kurve b, angegeben. Der Bereich I kennzeichnet auch für das Bauteil mit einer Schädigung einen Teil des Bauteilquerschnitts, in welchem die Schallgeschwindigkeit des Werkstoffs ebenso wie in dem ungeschädigten Bauteil nahezu keine Änderung aufweist. Der Abschnitt II hingegen enthält den Kurvenverlauf mit dem sehr kräftigen Abfall der Schallgeschwindigkeit bei der Annäherung an die Bauteiloberfläche. Dieser Sachverhalt kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren zu einer Vereinfachung der Schadensfeststellung herangezogen werden, indem bei der Feststellung eines Schallgeschwindigkeits-Profils gemäß der Kurve b die in dem Bereich I ermittelte Schallgeschwindigkeit (bzw. die entsprechende Wellenlänge) als Bezugswert für das Fehlen einer Schädigung angenommen wird. Das entbindet von der Notwendigkeit, einen Bezugswert an dem zweifelsfrei nicht geschädigten Bauteil oder einem Werkstoff gleicher Art vorzuermitteln.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 2 zur Prüfung und/oder Überwachung eines Bauteils 1 umfaßt einen Funktionsgenerator 2, der ausgangsseitig mit einem Ultraschall-Sendewandler 3, einem Frequenzzähler 4 und einem Oszilloskop 5 verbunden ist. In einem bestimmten Abstand von dem Ultraschall-Sendewandler 3 ist auf der Oberfläche des Bauteils 1 ein Ultraschall-Empfangswandler 6 fest angeordnet, der über einen Verstärker 7 mit einem zweiten Kanal des Oszilloskops 5 verbunden ist.

Der Funktionsgenerator 2 erzeugt ein vorzugsweise sinusförmiges Signal im Dauerstrichbetrieb, das von dem Ultraschall-Sendewandler 3 in eine mechanische Schwingung umgewandelt und in das Bauteil 1 eingeprägt wird. Diese Schwingung erzeugt auf dem Bauteil 1 eine Oberflächenwelle. Die hierfür erforderliche keilförmige Gestaltung des Ultraschall-Sendewandlers 3 zur Erzeugung einer Oberflächenwelle in einem Bauteil ist einschlägig bekannt und bedarf hier keiner näheren Erläuterung. Für beide Ultraschallwandler 3 bzw. 6 kommen alle bekannten Ausführungsformen, z. B. auf piezoelektrischer oder elektrodynamischer Grundlage, in Betracht. Beide Ultraschallwandler sind fest auf der Bauteiloberfläche angeordnet, z. B. angeklebt. Gegebenenfalls kann zwischen den Kontaktflächen beider Wandler und des Bauteils 1 ein Kontaktmedium zur Verbesserung der Eintragung der mechanischen Oberflächenwelle vorgesehen sein.

Das Signal des Funktionsgenerators 2 wird weiterhin auf den ersten Kanal des Oszilloskops 5 gegeben, in dem es als Referenzsignal dient und als solches auf dem Bildschirm erscheint, sowie auf den Frequenzzähler 12. Letzterer dient zur genauen Messung und Überwachung der von dem Funktionsgenerator 2 gelieferten Frequenz.

Die dem Bauteil 1 eingeprägte Oberflächenwelle wird von dem Ultraschall -Empfangswandler 6 aufgenommen, der nach demselben Prinzip wie der Ultraschall-Sendewandler 3 arbeitet, jedoch auch von anderer Art sein kann. Der Ultraschall-Empfangswandler 6 wandelt die mechanische Schwingung der Oberflächenwelle, die ständig ausgestrahlt wird und entsprechend ständig anliegt, in ein elektrisches Signal um, das von dem Vorverstärker 15 verstärkt und auf den zweiten Kanal des Oszilloskops 5 gegeben wird. Die beiden dem Oszilloskop 5 aufgegebenen Signale werden auf dem Bildschirm so dargestellt, daß ihre Phasenverschiebung zueinander erkennbar ist. Sie erscheinen beispielsweise in der in Fig. 2 unteren Darstellung des Oszilloskops 5 in einer Übereinander-Anordnung, in der die obere Darstellung s1 dem Referenzsignal und die untere Darstellung s2 dem Signal der empfangenen Oberflächenwelle entspricht.

Zwischen den beiden Signaldarstellungen, die für die angeregte bzw. empfangene Oberflächenwelle repräsentativ sind, liegt eine Phasenverschiebung t vor, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel von Null verschieden ist, d. h. die beiden Signaldarstellungen sind nicht gleichphasig.

Durch eine Überprüfung des Bauteils 1 mittels der Prüfvorrichtung gemäß Fig. 2 zu einem Zeitpunkt, an dem das Bauteil bekanntermaßen schädigungsfrei ist, kann durch das vorstehend beschriebene Vorgehen eine Phasenrelation der beiden Signaldarstellungen s1 und s2 mit einer für den zu dieser Zeit bestehenden charakteristischen Phasenverschiebung t gewonnen werden. Dieses Prüfergebnis liefert somit eine Bezugs-Phasenverschiebung t. Wird in der gleichen Vorgehensweise nach Ablauf einer kürzeren oder längeren Zeit nach der Inbetriebnahme des Bauteils 1 an der gleichen Stelle der Bauteiloberfläche der Prüfvorgang mittels derselben Prüfvorrichtung wiederholt, so erhält man wiederum Signaldarstellungen s1′, s2′, die in Fig. 2 in gestrichelter Zuordnung in dem Oszilloskop 5′ dargestellt sind. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel stellt sich bei der erneuten Prüfung eine Phasenverschiebung T zwischen den beiden Signaldarstellungen ein, die sich gegenüber der Bezugs-Phasenverschiebung t verändert hat. Dies liefert qualitativ einen Hinweis darauf, daß an der überprüften Stelle des Bauteils 1 eine Werkstoffänderung stattgefunden hat, die erfahrungsgemäß eine Werkstoffschädigung sein kann.

Mit der beschriebenen Vorgehensweise zur qualitativen Feststellung einer eingetretenen Werkstoffschädigung kann ein automatisches Überwachungsverfahren eingerichtet werden, bei dem eine fest angeordnete oder automatisch von Zeit zu Zeit an die Prüfstelle verbringbare Prüfvorrichtung benützt wird, die in vorbestimmten Zeitintervallen den beschriebenen Prüfvorgang durchführt. Ergibt der Vergleich der jeweils ermittelten Phasenverschiebung T mit der gespeicherten Bezugs-Phasenverschiebung t eine Abweichung, die einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, so kann ein Alarm ausgelöst werden, der zu einer genaueren, insbesondere quantitativen Überprüfung Anlaß gibt.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 3 umfaßt einen Funktions­ generator 10, der ausgangsseitig mit einem Ultra­ schall-Sendewandler 11, einem Frequenzzähler 12 und einem Oszilloskop 13 verbunden ist. In einem bestimmten Abstand von dem Ultraschall-Sendewandler 11 ist auf der Oberfläche des Bauteils 1 ein Ultraschall-Empfangswandler 14 verschiebbar angeordnet, der über einen Verstärker 15 mit einem zweiten Kanal des Oszilloskops 13 verbunden ist. Der Ultraschall-Empfangswandler 14 ist auf der Oberfläche des Bauteils 1 so angeordnet, daß er in Richtung seiner Verbindungslinie mit dem Ultraschall-Sendewandler 11 zu diesem hin bzw. von diesem weg verschoben werden kann. Die Prüfstelle auf der Bauteiloberfläche ist in dem hierfür gewünschten Bereich oberflächenbearbeitet, z. B. gesäubert und geglättet. Zur verschiebbaren Halterung dient eine mechanische Schiebevorrichtung 17, die beispielsweise zwei Führungsschienen umfaßt, zwischen denen der Ultra­ schall-Empfangswandler 14 entsprechend geführt ist. Der Schiebevorrichtung 17 ist ein Wegmeßsystem 18 zugeordnet, das die Verschiebestrecke des Ultraschall-Empfangswandlers 14 erfaßt. Für die konkrete Gestaltung des Wegmeßsystems 18 steht eine Vielzahl von Ausführungsformen zur Verfügung, die berührend oder berührungslos, optisch, induktiv usw. arbeiten.

Der Funktionsgenerator 10 erzeugt ein vorzugsweise sinusförmiges Signal im Dauerstrichbetrieb, das von dem Ultraschall-Sendewandler 11 in eine mechanische Schwingung umgewandelt und in das Bauteil 1 eingeleitet wird. Diese Schwingung erzeugt auf dem Bauteil 1 eine Oberflächenwelle. Der Ultraschall-Sendewandler 11 ist fest auf der Bauteiloberfläche angeordnet, z. B. angeklebt. Gegebenen­ falls kann zwischen den Kontaktflächen beider Wandler 11, 14 und des Bauteils 1 ein Kontaktmedium vorgesehen sein.

Das Signal des Funktionsgenerators 10 wird weiterhin auf den ersten Kanal des Oszilloskops 13 gegeben, in dem es als Referenzsignal dient und als solches auf dem Bildschirm erscheint, sowie auf den Frequenzzähler 12, der nur der genauen Messung und Überwachung der von dem Funktionsgenerator 10 gelieferten Frequenz dient.

Die dem Bauteil 1 eingeprägte Oberflächenwelle wird von dem Ultraschall -Empfangswandler 14 aufgenommen, der nach demselben Prinzip wie der Ultraschall-Sendewandler 11 arbeitet, jedoch auch von anderer Art sein kann. Der Ultraschall-Empfangswandler 14 wandelt die mechanische Schwingung der Oberflächenwelle, die ständig ausgestrahlt wird und entsprechend ständig anliegt, in ein elektrisches Signal um, das von dem Vorverstärker 15 verstärkt und auf den zweiten Kanal des Oszilloskops 13 gegeben wird. Die beiden dem Oszilloskop 13 aufgegebenen Signale werden auf dem Bildschirm des Oszilloskops 13 so dargestellt, daß ihre Phasenverschiebung zueinander erkennbar ist. Sie erscheinen beispielsweise in der aus den Fig. 4a und 4b ersichtlichen Übereinander-Anordnung, in der die untere Darstellung s1 dem Referenzsignal und die obere Darstellung s2 dem Empfangssignal der Oberflächenwelle entspricht. Durch eine Verschiebung des Ultraschall-Empfangswandlers 14 läßt sich die Darstellung des Signals s2 auf dem Oszilloskop 13 relativ zu dem Referenzsignal s1 verschieben. Hierbei kann der Ultraschall-Empfangswandler 14 zunächst soweit verschoben werden, daß sich beide Signale s1 und s2 in Gleichphase befinden, wie dies in Fig. 4a gezeigt ist. Der so erreichte Meßpunkt des Ultraschall-Empfangswandlers auf der Bauteiloberfläche wird als Nullpunkt festgestellt und/oder markiert. Ausgehend von diesem Nullpunkt wird nun der Ultraschall-Empfangswandler 14 um eine Strecke verschoben, die eine Verschiebung der Signaldarstellung s2 auf dem Oszilloskop 13 bezüglich des stehenbleibenden Referenzsignals s1 um genau einen Phasendurchgang entsprechend einer Wellenlänge des Signals oder um ein ganzzahliges Vielfaches davon bewirkt. Das Verhältnis der durch das Wegmeßsystem 18 festgehaltenen Verschiebestrecke zu der Anzahl von Phasendurchgängen der relativ zueinander verschobenen Darstellungen der Signale s1 und s2 ergibt unmittelbar die Wellenlänge der Oberflächenwelle, d. h. der sich in dem Bauteil 1 ausbreitenden Schwingung. Bei einer Relativverschiebung der Signale s1 und s2 um genau einen Phasendurchgang entsprechend der Länge 2π ergibt die zugehörige Länge der Verschiebestrecke des Ultra­ schall-Empfangswandlers 14 unmittelbar die gesuchte Wellenlänge.

Die Fig. 4b zeigt eine Vorgehensweise, bei der der Nullpunkt in dem Wegmeßsystem 18 zunächst dadurch eingestellt wird, daß die Darstellungen s1 und s2 der an dem Oszilloskop anliegenden Signale sich in Gegenphase befinden. Die Verschiebung des Ultraschall-Empfangswandlers 14 erfolgt in der Darstellung gemäß 4b so, daß das Signal s2 der Oberflächenwelle um einen halben Phasendurchgang bis zur Gleichphase der beiden Signaldarstellungen verschoben wird. Auch hier wird der Verstellweg durch das Wegmeßsystem 18 aufgenommen und zu der Anzahl von Phasendurchgängen, um die die beiden Darstellungen s1 und s2 relativ zueinander verschoben wurden, durch Quotientenbildung in Beziehung gesetzt. Die Anzahl von Phasendurchgängen beträgt in diesem Beispiel 0,5, d. h. die Verschiebestrecke des Ultra­ schall-Empfangswandlers 14 entspricht der halben Wellenlänge der Oberflächenwelle. Aus der Wellenlänge und der Frequenz kann rechnerisch die Schallgeschwindigkeit des Werkstoffs bestimmt werden. Diese Vorgangsweise wird bei unterschiedlichen Frequenzen, mit denen der Ultra­ schall-Sendewandler 11 durch den Funktionsgenerator 10 angeregt ist, wiederholt.

Durch Abtasten der Meßstrecke zwischen den beiden Wandlern 11 und 14 erhält man somit die Wellenlängen (oder Schallgeschwindigkeiten) bei verschiedenen Eindringtiefen der Schwingung und kann daraus ein Wellenlängen-Profil (bzw. Schallgeschwindigkeits-Profil) gemäß Kurve a oder Kurve b in Fig. 1 über den Bauteilquerschnitt ermitteln. Eine typische Zeitstandschädigung, die sich auf den oberflächennahen Bereich bzw. die Randschicht des Bauteils 1 beschränkt, äußert sich in der vorstehend erläuterten Weise in dem erstellten Profil derart, daß die Schallgeschwindigkeit ausgehend von einem niedrigeren Wert an der Bauteiloberfläche mit zunehmender Tiefe signifikant ansteigt.

Die vorstehende Erläuterung anhand der Fig. 4a, 4b zur Ermittlung der Wellenlänge der Oberflächenwelle veranschaulicht das Meßprinzip ohne daß dieses auf die beschriebene Vorgehensweise beschränkt ist. Vielmehr stellt die beschriebene Relativverschiebung der Signal­ darstellungen s1 und s2 um bestimmte, z. B. ganzzahlige Vielfache der Phasendurchgänge nur eine Rechnungs­ vereinfachung dar, die der leichten optischen Erfaßbarkeit zugute kommt. Tatsächlich ist das Verhältnis aus der Länge der Verschiebestrecke des Ultraschall-Empfangswandlers 14 und der Änderung der Phasenverschiebung zwischen den Signaldarstellungen s1 und s2 unverändert gleich, unabhängig von der absoluten Länge der Verschiebestrecke und der dadurch induzierten Änderung der Phasenverschiebung. Es ist deshalb denkbar und möglich, den Ultraschall-Empfangswandler 14 um eine fest vorgegebene Streckenlänge zu verschieben und zu dieser fest vorgegebenen Länge die jeweils gemessene Änderung der Phasenverschiebung in Bezug zu setzen. Dies kann auch ohne eine optisch erfaßbare Darstellung auf dem Oszilloskop 13 in einer entsprechenden Meßeinrichtung erfolgen, so daß das die Wellenlänge definierende Verhältnis über einen Rechner unmittelbar ausgewertet und weiterverwendet werden kann.

Aus der vorstehenden Darstellung ergibt sich weiterhin, daß es auf eine bestimmte Amplitude der in das Bauteil 1 eingeprägten Oberflächenwelle nicht ankommt, sofern diese nur ausreichend ist, um von dem Ultraschall-Empfangswandler 14 aufgenommen werden zu können. Auch die Länge der Verschiebestrecke des Ultraschall-Empfangswandlers 14 ist nicht kritisch, sofern sie nur einer einwandfreien Messung zugänglich ist und eine hinreichend erfaßbare Änderung der Phasenverschiebung zwischen den Signaldarstellungen s1 und s2 bewirkt. Je nach der Länge des Verfahrweges erhält man die Wellenlänge (bzw. die daraus errechnete Schallgeschwindigkeit) lokal oder als Mittelwert über eine größere Verschiebestrecke. In allen Fällen kann, wie eingangs bereits erläutert, die in den jeweiligen Schichten des abgetasteten Bauteilquerschnitts ermittelte Wellenlänge bzw. Schallgeschwindigkeit mit einem entsprechenden vorermittelten Bezugswert verglichen werden, um eine auf eine Zeitstandschädigung hindeutende charakteristische Abweichung zu erfassen, oder es wird für die Beurteilung des Werkstoffzustandes der Gradient des ermittelten Profils in dem oberflächennahen Profilabschnitt (Abschn. II in Fig. 1) herangezogen.

Schließlich können zur Erfassung der Phasenverschiebung zwischen den Signaldarstellungen s1 und s2 und deren Änderung auch zwei oder mehr Ultraschall-Empfangswandler herangezogen werden. In dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel dient der Funktionsgenerator zur Erzeugung des Referenzsignals. Diese Funktion kann jedoch auch durch einen von zwei oder mehr Ultra­ schall-Empfangswandlern übernommen werden, die einem gemeinsamen Ultraschall -Sendewandler zugeordnet sind.

Claims (14)

1. Verfahren zur zerstörungsfreien Feststellung des Werkstoffzustandes in Bauteilen (1) insbesondere zur Feststellung von Zeitstandschädigungen, bei dem durch einen Ultraschall-Sendewandler (11) an einem ersten Meßpunkt der Bauteiloberfläche eine Schwingung angeregt wird und die Schwingung an mindestens einem weiteren Meßpunkt der Bauteiloberfläche im Abstand von dem ersten Meßpunkt durch mindestens einen Ultraschall-Empfangswandler (14) aufgenommen und mit der von dem Ultraschall-Sendewandler (11) angeregten Schwingung verglichen wird, um eine für eine Änderung des Werkstoffzustandes charakteristische Abweichung zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingung in mehreren aufeinanderfolgenden Prüfvorgängen mit einer in jedem Prüfvorgang geänderten Frequenz angeregt wird, um in jedem Prüfvorgang durch die Änderung der Frequenz die Eindringtiefe der Schwingung in den Bauteilquerschnitt zu ändern, und daß das von dem Ultraschall-Empfangswandler (14) aufgenommene Schwingungssignal bei jeder Frequenz erfaßt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingung in Form mindestens eines Oberflächenwellen-Impulses angeregt wird, daß in jedem Prüfvorgang die Laufzeit des Oberflächen­ wellen-Impulses zwischen einem ersten und mindestens einem weiteren Ultraschall-Empfangswandler und damit die Schallgeschwindigkeit in dem Werkstoff bestimmt wird und daß eine Abweichung der Schallgeschwindigkeit von einer Bezugs-Schallgeschwindigkeit die charakter­ istische Abweichung ist.

3. Verfahren insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingung in Form einer Oberflächenwelle im Dauerstrichbetrieb angeregt wird, daß die sich jeweils einstellende Phasenverschiebung (T) zwischen der angeregten und der empfangenen Oberflächenwelle mit einer vorermittelten Bezugs-Phasenverschiebung (t) verglichen wird und daß eine Abweichung der sich einstellenden Phasenverschiebung von der Be­ zugs-Phasenverschiebung die charakteristische Abweichung ist.

4. Verfahren insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingung in Form einer Oberflächenwelle im Dauerstrichbetrieb angeregt wird, daß die Oberflächenwelle durch mindestens einen in einem Abstand von einem Ultraschall-Sendewandler (11) angeordneten Ultraschall -Empfangswandler (14) aufgenommen und die Phasenverschiebung zwischen dem Empfangssignal (s2) und einem Referenzsignal (s1) der Oberflächenwelle erfaßt wird, daß jeweils der Abstand zwischen dem Ultraschall-Sendewandler (11) und dem Ultraschall-Empfangswandler (14) um eine Strecke feststellbarer oder bekannter Länge verändert wird, daß der Quotient zwischen der Länge der Strecke und der durch die Abstandsänderung verursachten Änderung der Phasenverschiebung, gemessen in Vielfachen von Phasendurchgängen, als die Wellenlänge der Oberflächenwelle ermittelt wird und daß eine Abweichung der Wellenlänge von einer Be­ zugs-Wellenlänge die charakteristische Abweichung ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß aus der ermittelten Wellenlänge die Schallgeschwindigkeit berechnet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß als die Bezugs-Schallgeschwindigkeit bzw. Be­ zugs-Wellenlänge die in einem oder mehreren der Prüfvorgänge ermittelte Schallgeschwindigkeit bzw. Wellenlänge in einem schädigungsfreien oder als schädigungsfrei anzunehmenden Teil (Kurvenabschnitt I) des im Rahmen der Prüfung erfaßten Bauteil­ querschnitts zugrunde gelegt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch Verwendung der in den Prüfvorgängen ermittelten Werte der Schallgeschwindigkeit bzw. der Wellenlänge ein Werteprofil über die erfaßte Tiefe des Bauteilquerschnitts erstellt wird und daß als die Bezugs-Schallgeschwindigkeit bzw. Bezugs-Wellenlänge ein Wert in einem Profilbereich weitgehend konstanter Werte (Kurvenabschnitt 1) zugrunde gelegt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch Verwendung der in den Prüfvorgängen ermittelten Werte der Schallgeschwindigkeit bzw. der Wellenlänge ein Werteprofil über die erfaßte Tiefe des Bauteilquerschnitts erstellt wird und daß eine signifikante Gradient-Änderung des Werteprofils in einem Profilbereich (Kurvenabschnitt II) die charakteristische Abweichung ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der für die Prüfvorgänge gewählte Frequenzbereich in Abhängigkeit von der werkstoffbedingten Schallgeschwindigkeit gewählt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß für den Werkstoff Stahl der Frequenzbereich zwischen 100 kHZ und 2 MHz liegt.

11. Vorrichtung zur zerstörungsfreien Feststellung des Werkstoffzustandes in Bauteilen, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 3 bis 10, mit einem an der Oberfläche eines Bauteils (1) befestigbaren Ultraschall-Sendewandler (3, 11), mindestens einem im Abstand von dem Ultra­ schall-Sendewandler an der Bauteiloberfläche befestigbaren Ultraschall-Empfangswandler (6, 14), mit einem Frequenzgenerator (2, 10) zur Beaufschlagung des Ultraschall-Sendewandlers derart, daß in dem Bauteil eine Oberflächenwelle im Dauerstrichbetrieb erzeugt wird, und mit einer Einrichtung (5, 13) zur Erfassung der Phasenverschiebung zwischen den Schwingungen (Signale s1, s2) mindestens zweier im Abstand voneinander angeordneter Ultraschallwandler.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der beiden Ultraschallwandler (11, 14) entlang der Bauteiloberfläche verstellbar befestigt ist, daß dem verstellbaren Ultraschallwandler (14) eine Einrichtung (18) zur Bestimmung und/oder zur Messung der Verstellstrecke zugeordnet ist und daß die Einrichtung (13) zur Erfassung der Phasenverschiebung eine Einrichtung zur Bestimmung der Wellenlänge der Oberflächenwelle als Verhältnis zwischen der Länge der Verstellstrecke und der durch die Verstellung bewirkten Änderung der Phasenverschiebung umfaßt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ultraschall-Sendewandler und zwei Ultraschall-Empfangswandler vorgesehen sind, daß die beiden Ultraschall-Empfangswandler relativ zueinander entlang der Bauteiloberfläche verstellbar sind, und daß die Einrichtung zur Bestimmung und/oder Messung der Verstellstrecke die Relativverstellung der Ultraschall-Empfangswandler bestimmt bzw. mißt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erfassung der Phasenverschiebung ein Oszilloskop ist, das über einen ersten Kanal mit dem Frequenzgenerator bzw. einem der Ultraschallwandler und über einen zweiten Kanal mit einem weiteren der Ultraschallwandler verbunden ist.