DE2238130A1

DE2238130A1 - Verfahren und anordnung zur ermittlung und kompensation von unterschiedlichen schallschwaechungseigenschaften bei der ultraschall-werkstoffpruefung

Info

Publication number: DE2238130A1
Application number: DE19722238130
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl Phys Rath; Berlin Dr Ing Wuestenberg
Original assignee: Krautkraemer GmbH
Current assignee: Krautkraemer GmbH
Priority date: 1972-08-03
Filing date: 1972-08-03
Publication date: 1974-02-14
Also published as: DE2238130C3; DE2238130B2; GB1448471A; FR2195351A5

Description

Patentanwalt 3\ ⁽^ß. ^****"*' DipL-Phys.
5 Köln . Friesenstraße 84' . Telefon 21 41 95

\ 2. AUG. 1972

Krautkrämer GmbH
Köln-Klettenberg, Luxemburgerstr.

Verfahren und .Anordnung; zur Ermittlung und Kompensation von unterschiedlichen Schallschwächungseigenschaften bei der Ultraschall-Werkstoffprüfung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung und Kompensation von unterschiedlichen Schallschwächungseigenschaften bei der Ultraschall-Werkstoffprüfung.

Es ist in der Ultraschall-Werkstoffprüfung bekannt, daß das zu untersuchende Material unterschiedliche Schallschwächungseigenschaften haben kann. In diesem Fall ist es schwierig, .Anzeigenamplituden, die von einem "Heflektor", d. h. Fehler, herrühren, nach bekannten Beziehungen über den Zusammenhang zwischen Abstand von Prüfkopf, Fehlergröße und Anzeigenamplitude auszuwerten. Es kann auch vorkommen, daß das zu prüfende Material aus unterschiedlichen Werkstoffen besteht, die in mehreren Lagen aufeinander gebracht worden sind, wie z. B. eine austenitische Auftragsschweißung auf einem ferritisch-perlitischen Gefüge.

Zwar ist bereits bekannt, in unterschiedliche Materialproben mit entsprechend unterschiedlichen Schallschwächungseigenschaften Vergleichsfehler einzubringen. An diesen wird dann, durch eine sg. Transferkontrolle (siehe z. B. (TJ), versucht, die unterschiedlichen Materialeigenschaften zu berücksichtigen. Bei automatischen Prüfungen kann man zuerst eine sg. Transferprüfung durchführen, bevor die eigentliche Prüfung abläuft. Die Ergebnisse der Transferkontrolle werden aufgezeichnet, und man hat dann die Möglichkeit, die Anzeigen aus der Prüfung anhand der Aufzeichnungen von der Transferkontrolle zu korrigieren, wenn die

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eigentliche Prüfung auf genau der gleichen Prüfspur wie die Transferkontrolle durchgeführt wird.

Dies ist aber bei der automatischen Prüfung, insbesondere wenn sie mit mehreren Prüfköpfen zur Erhöhung der Abtastgeschwindigkeit durchgeführt wird, zeitraubend. Es werden nämlich ganz beachtliche Auswertezeiten erforderlich, die davon abhängen, wie groß die zu prüfende bzw. geprüfte Fläche ist. Außerdem ist es auch nicht immer möglich, die Transferkontrolle durchzuführen, insbesondere dann nicht, wenn man eine sg. Tandem-Prüfung mit vielen Prüf köpf en durchführt, vgl. (JQ. Hier ist es nämlich sehr schwierig, die Schallwege in bezug auf Schwächungsunterschiede mit einem Transferverfahren nachzubilden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, bei dem die Schwächungsunterschiede schneller, einfacher und genauer erfaßt und kompensiert werden können. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß gleichzeitig mit der Fehlerprüfung vom Mate— riaigefüge rückgestreute Schallamplituden erfaßt und zu elektrischen Signalgrößen umgeformt werden sowie hiervon eine Vergleichs-, Steuer- und/oder Regelgröße abgeleitet wird, die unmittelbar während der Prüfung in den Anzeige- bzw. Kompensationsteil der Prüfschaltung eingespeist wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden nur Anzeigenamplituden aus einem ausgeblendeten Laufzeitbereich berücksichtigt.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die Anzeigenamplituden von der Gefügerückstreuung über der Zeit integriert werden, die Prüfempfindlichkeit und/oder die Schallimpnls-Sendeleistung proportional zu dieser Integrationsamplitude geregelt werden.

Eine Anordnung zur Ausführung des Verfahrens besteht darin, daß der von einem Ultraschallwandler ausgehende Ultraschallimpuls von den Gefügeunstetigkeiten zum Ultraschallwandler zurückreflektiert wird. Eine weitere Anordnung zur Ausführung des Verfahrens sieht vor, daß der von einem Ultraschallwandler ausgehende Ultraschall-

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impuls von den Gefugeunstetigkeiten zu einem räumlich getrennt angeordneten anderen Ultraschall-Empfangswandler reflektiert wird.

Hierbei kann die vorteilhafte Wirkung ausgenutzt werden, daß der Schallimpuls erst nach Wellenumwandlung von dem Ultraschall-Empfangswandler empfangen wird.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird eine Anordnung vorgeschlagen, bei der die Schwingeranordnung so gestaltet ist, daß die Sende- und/oder Empfangscharakteristiken in eine oder mehrere bevorzugte Richtungen wirken bzw. einen Fokusbereich haben.

Schließlich wird vorgeschlagen, daß die Prüfköpfe Ankoppelkontrollschwinger enthalten, die abhängig von der Ankoppelqualität die Prüfempfindlichkeit und/oder die Schallimpuls-Sendeleistung ebenfalls beeinflussen.

Der besondere Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß, insbesondere bei der automatischen Prüfung, Schallschwächungsunterschiede selbsttätig erkannt und kompensiert werden können.

Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

ELg. 1 einen Winkelprüfkopf mit einem Schwinger auf einem Prüfstück,

ELg. 2 einen Winkelprüfkopf mit zwei getrennten Schwingern.

ELg. 3 einen Prüfkopf, ebenfalls mit zwei getrennten Schwingern, wobei jedoch einer in einem Winkel zur Prüflingsoberfläche und der andere parallel zur Prüflingsoberfläche orientiert ist.

Die ELg. if einen Prüfkopf mit zwei getrennten Schwingern, die nicht in einer Ebene liegen.

Die ELg. ifa, daß die akustischen Achsen der Schwinger nach ELg. 1+

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sich schneiden.

Flg. 5 ein Oszillographenbild mit einer Gefügeanzeige.

Hg. 6 ein Oszillographenbild, auf dem ein ausgeblendeter Laufzeitbereich zu sehen ist.

PIg. 7 ein Oßzillographenbild mit ausgeblendetem Laufzeitbereich, in dem Gefügeanzeigen vorhanden sind.

Hg. 8 die Integrationsamplitude der gemäß flg. 7 im ausgeblendeten Laufzeitbereich erkennbaren Gefügeamplituden.

Hg. 9 ©in Blockschaltbild einer Ge samt rege lung.

Gemäß Hg. 1 trägt ein Schwinger träger 2 einen Ultraschall-Schwinger 1 (Bariumtitanat odgl.). Der Schwingerträger sitzt auf der Oberfläche /f des Prüfbereichs bzw. Prüflings 5 (z. B. Schienenkörper odgl.). Die akustische Achse 3 des Schwingers 1 ist angedeutet. Der vom Schwinger 1 ausgehende Schallimpuls trifft auf das Gefüge des Materials 6, an dem ein Teil der Ultraschallenergie gestreut wird. Von diesen gestreuten Anteilen wird ein Teil auch zum Schwinger 1 zurückreflektiert. Dieser Anteil ist umso größer, je grobkörniger das Gefüge ist.

Hg. 2 zeigt,zwei Schwinger 1 und 1a, die sich auf einer ebenen Fläche 3a des Schwingerträgers 2 befinden, so daß Sendeschwinger und Qnpfangsschwinger getrennt werden können, im Gegensatz zu der Anordnung nach Hg. 1 . Der Vorteil liegt darin, daß der Sendeimpuls nicht sogleich auf den Smpfänger gegeben wird. Damit können auch Anzeigen, die bereits erscheinen würden, wenn der Sendeimpuls noch nicht abgeklungen ist, erfaßt werden.

Hg. 3 zeigt, wie das Erfassen von Streuanzeigen möglich ist, die nicht in die gleiche Richtung zurückkehren, aus der der Sendeimpuls gekommen ist. An sich ist diese Art des Auffindens von Anzeigen als Delta-Technik einzeln für sich bekannt (siehe \5J). Die von dem Schwinger 1 ausgehende Ultraschallwelle läuft im Prüf-

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ling 5 als sg. Transversalwelle und wird am Gefüge in eine Longitudinalwelle u. U. umgewandelt, die dann vom Schwinger 1b über den Schallw.eg 3b erfaßt

Die Fig. 1+ bzw. Fig ^a zeigen, wie durch Neigung der beiden Schwinger 1 und 1a zueinander sich die von diesen Schwingern ausgehenden akustischen Achsen schneiden sollen. Einen Schnittpunkt der akustischen. Achsen bezeichnet man in der Ultraschalltechnik, aber iB anderen Zusammenhang, als Fokuspunkt. Auf diese Weise wird hier erreicht, daß Anzeigen unterschiedlichen Gefüges aus· einem bestimmten Bereich bevorzugt erfaßt werden.

Weiter ist in der Ultraschalltechnik zwar an sich bekannt, vor die Schwinger Linsen anzubringen., die ebenfalls eine Fokuswirkung haben. Hierbei gibt es Linsen, die eine Punkt- oder auch Linienfokussierung bewirken. Diese unterschiedlichen Anordnungen werden erfindungsgemäß aber jeweils zur Lösung der gestellten Aufgabe angepaßt herangezogen.

Fig. 5 zeigt auf einem Oszillographenbildschirm Η den Sendeimpuls 1 ο und die Eintrittsanzeige 11 des Schalls in die Prüflingsoberfläche, wogegen die vielen Anzeigen 12 im nachfolgenden Bereich vom Gefüge herrühren. Je weiter das Gefüge entfernt liegt, vom Schwinger aus gesehen, desto weiter schieben sich die Anzeigen 12 nach rechts auf der Zeitachse I3.

In Fig. 6 erscheint auf dem Bildschirm 1l|- eine Blendenstufe 15 in der Zeitachse I3. Sie veranschaulicht, daß ein bestimmter Laufzeitbereich für die weitere Betrachtung ausgeblendet wird. Z. B. werden nur die Anzeigen 12 der Fig. 7 berücksichtigt, die in die Blendenstufe 15 hineinfallen. Die Anzeige 11 liegt vor der Blende, wird nicht erfaßt und somit,ein Meßfehler vermieden, weil diese Anzeige mit den Schwächungseigenschaften des Prüflingsmaterials gar nichts zu tun hat.

Fig. 8 zeigt eine Integrationsamplitude, welche sämtliche Anzeigen der Fig. 7» die in der Blende 15 liegen, erfaßt. Einzelheiten der elektronischen Integration werden hier nicht beschrieben, da sie

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bekannt sind. Ebenfalls werden Einzelheiten der elektronischen Regelung der Sendeleistung bzw. der Empfangsempfindlichkeit nicht beschrieben, da diese einzeln an sich bekannt sind. In diesem Zusammenhang bezieht sich die Erfindung darauf, die Bezugsgröße herauszufinden, nach welcher die Regelung zu erfolgen hat.

Eine weitere erfinderische Ausführungsform besteht darin, gleichzeitig zur Regelung, welche abhängig ist von den Schallschwächungseigenschaften, eine Kompensation der Ankoppel-Qualitätsunterschiede mit vorzunehmen. Im einzelnen, aber im anderen Zusammenhang, ist eine solche Ausregelung von Ankoppel-Qualitätsunterschieden zwar bekannt (siehe z. B. [[Q )·

In lüg. 9 wird eine Gesamtregelung in einem Blockbild dargestellt. Der Einfachheit halber sind nur drei Prüfköpfe mit Schwingerträgern 2, 2a und 2b auf den Prüfling 5 aufgesetzt. Andere Schwinger Ia₁ Ib und Id dienen zur Ankopplungsüberwachung. Ein Sendeimpuls geht von diesen Schwingern senkrecht zur Oberfläche des Prüflings 5· Dieser durchläuft den Prüfling und wird von der der Ankoppelfläche gegenüberliegenden Fläche zu dem Schwinger zurückreflektiert. Aue der Anzeigenhöhe wird dann ein Rückschluß auf die Ankoppelqualität gezogen. Wenn z. B. Schalter 25 und 34 in Stellung

I bzw. I¹ stehen, so wird von einem Sender 26 ein Sendeimpuls über das Dämpfungsglied, das einzeln bekannt ist, vgl. Qf), zu dem Schwinger 1a geleitet. Die Rückwandechoamplitude gelangt dann über den Schalter 25 auf einen Empfänger 27. Von dort wird der verarbeitete Impuls über den Schalter 34 in der Schalterstellung

I^I auf einen Regelverstärker 28 gegeben. Dieser Regelverstärker beeinflußt nun Dämpfungsglieder 2o, 21. Gehen nun die Schalter 25 und 34 in die Stellung II bzw. II' - wie gezeichnet -, dann geht der Sendeimpuls vom Sender 26 über das Dämpfungsglied 21 auf den Schwinger 1. Die Sendeenergie wurde aber bereits durch das Dämpfungsglied 21 in Abhängigkeit von der mit Schwinger 1a ermittelten Ankoppelkontrollamplitude eingestellt. Der von dem Schwinger 1 ausgehende Impuls wird nun an der Körnigkeit des Materials gestreut und die empfangenen Anteile von Schwinger 1 über das Dämpfungsglied und den Schalter 25 auf den Verstärker 27 geleitet. Von dort wird der Regelverstärker 29 beeinflußt. Dieser ist aber

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seinerseits.mit dem Dämpfungsglied 21 und dem Dämpfungsglied gekoppelt. Damit wird also die Ssndeenergie, welche weiterhin vom Schwinger 1 ausgesendet werden soll, durch Dämpfungsglied 21 geregelt. Der Sendeimpuls läuft dann in den Prüfling 5 hinein; ist an der Stelle 40 ein Reflektor in Form z. B. eines Fehlers vorhanden, läuft der Schallimpuls nach Reflexion an der Rückwand des Prüflings zum Prüfschwinger 1e. Dieser würde dann den empfangenen Impuls über das Dämpfungsglied 24 direkt zum Verstärker 27 geleitet» Das Dämpfungsglied 2% ist abhängig von den Schallschwächungseigenschaften, die von dem Schwinger 1 ermittelt wurden, eingestellt. Vom Verstärker 27 geht dann der korrigierte Impuls zur Weiterverarbeitung ab, (Dieser Vorgang ist in Fig. 9 nicht eingezeichnet.) Im Verstärker 27 ist nämlich noch eine weitere Umschalteinrichtung, die die entsprechenden Nutzsignale abzweigt. Die der Einfachheit halber gezeichneten mechanischen Schalter 25 und 34 werden in der Regel ebenfalls elektronisch ausgebildet ,

In der Schalterstellung VI wird ein Sendeimpuls auf den Schwinger 1e gegeben. Der von dort abgegebene Ultraschallimpuls dient nun allerdings lediglich der Ermittlung der Schwächungseigenschaften im Bereich des Schwingerträgers 2b.

Die Gefügeanzeigen werden vom Schwinger 1e empfangen, durchlaufen das Dämpfungsglied 24 und kommen über den Schalter 25 in Schaltstellung VI zum Verstärker 27. Von dort wird über den Schalter 34 ift Stellung VI¹ der Regelverstärker 33 beeinflußt, der seinerseits das Dämpfungsglied 24 abhängig von der Gefügeanzeige einstellt. In Stellung V des Schalters 25 wird nun der Sendeimpuls des Senders 26 über das Dämpfungsglied 24a auf den Koppelkontrollschwinger. 1d gegeben. Der empfangene Mkoppel-Kontrollimpuls gelangt auf den Verstärker 27, der über den Kontakt V des Schalters 34 den Regelverstärker 32 ansteuert. Dieser stellt nun die Dämpfungsglieder 24a und 24 abhängig von der Ankoppel-Kontrollqualität ein. Auf diese Weise sind die beiden Prüfköpfe mit den Schwingerträgern 2 und 2b abhängig von der Schallschwächungsqualität und der Ankoppelquälität korrigiert worden. Der Schwingerträger 2a enthält einen Prüfschwinger 1c zur Prüfung nach der sg.

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— Έ ^.

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Einkopfmethode. In Stellung III des Schalters 25 wird der Sendeimpuls vom Sender 26 über das Dämpfungsglied 22 auf den Koppelkontrollschwinger 1b gegeben. Der Empfangsimpuls von der Rückwand, dessen Amplitudenhöhe von der Ankoppelqualität abhängt, gelangt zum Empfänger 27, von dort über die Stellung des Schalters 3*t auf III¹ auf den Regelverstärker 3o, der nun die Dämpfungsglieder und 23 beeinflußt. Schaltet nun der Schalter 25 in Stellung IV, so wird der Sendeimpuls vom Sender 26 über das Dämpfungsglied auf den Prüfschwinger 1c gegeben. Dieser Prüfschwinger Ic dient gleichzeitig zur Ermittlung der Schallschwächungseigenschaften, indem er die Anzeigen vom Materialgefüge empfängt und über den Verstärker 27 den Regelverstärker 31 beeinflussen läßt. Dieser stellt dann das Dämpfungsglied 23 nach. Damit ist das Dämpfungsglied 23 sowohl abhängig von den Gefügeeigenschaften als auch von der Ankoppelqualität eingestellt worden. Da der Prüfbereich in der Regel in einer anderen Entfernung liegt als der Bereich zur Untersuchung der Schwächungseigenschaften, kann in der gleichen Stellung des Schalters 25 auch die Prüfung erfolgen. Wie bereits vorher angegeben, wird nämlich in der Regel nur ein bestimmter Laufzeitbereich zur Schallschwächungs-Vergleichsmessung ausgeblendet. Man würde eine weitere Prüfblende zur Ermittlung des Prüfbereichs einsetzen. Eine Amplitude von einem evtl. vorhandenen Fehler im Prüfling würde also ebenfalls, jedoch etwas später oder zu einem anderen Zeitpunkt, zum Verstärker 27 gelangen und von dort über den vorher erwähnten nicht gezeigten Schalter zur Weiterverarbeitung der Prüfsignale geleitet.

Das hier in Fig. 9 gezeigte Beispiel einer kompletten Regelung kann in vielfältiger Weise variiert werden. Statt der Dämpfungsglieder können andere Stellgrößen verwendet werden usw.

1 Das Echo Nr.13, Krautkramer-Mitteilungen Dez. 1966, S. 166-167.

2 A. de Sterke: Some aspects of radigraphy and ultrasonic testirg of welds in steel with thicknesses from 100-300 mm.

Brit.J. NDT, Dez. 1967, S.94-107

3 Gr.J.Posakony: Ultrasonic techniques for remote inspection of nuclear reactor vessels.

Instn. Mech. Engrs. (46/72, S.119 -125)

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4 HE: Van Valkenburg: Ultrasonic inspection device USA Patent 2.667.780 (1951)

7 W. Mohr: Schaltungsanordnung für die Ultraschall-Werkstoffprüfung zur Kompensation veränderlicher Ankoppelbedingungen. Deutsche OS 2.030.582 vom Dez. 1971

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Claims

Krautkrämer GmbH Patentansprüche

1. Verfahren zur Ermittlung und Kompensation von unterschiedlichen Schallschwächungseigenschaften bei der Ultraschall-Werkstoffprüfung, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mit der Fehlerprüfung vom Materialgefüge-rückgestreute Schallamplituden erfaßt und zu elektrischen Signalgrößen umgeformt werden sowie hiervon eine Vergleichs-, Steuer- und/oder Regelgröße abgeleitet wird, die unmittelbar während der Prüfung in den Anzeige- bzw. Kompensationsteil der Prüfschaltung eingespeist wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Laufzeitbereich ausgeblendet wird und nur die Anzeigenamplituden dieses Blendenbereichs ausgewertet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigenamplituden von der Gefügerückstreuung über die Zeit integriert und die Prüfempfindlichkeit und/oder die Schallimpuls-Sendeleistung proportional zu dieser Integrationsamplitude geregelt werden.

if. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als rückgestreute Schallamplituden die von Gefügeunstetigkeiten zum Ultraschallwandler zurückreflektierteP*Amplituden verwendet werden.

5. Anordnung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-/f, dadurch gekennzeichnet, daß die akustischen Achsen von Ultraschallwandlern auf einen oder mehrere vorbestimmte Bereiche mit Gefügeuiistetigkeiten ausgerichtet bzw. fokussiert sind, derart, daß die Amplituden von hier zu einem räumlich getrennt angeordneten Ultraschall-Qnpfangswandler reflektiert werden.

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6. Anordnung nach Mspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erüfköpfe mit Ankoppelkontrollschwingern "versehen sind, die abhängig von der Größe der .Ankoppelqualität die iRrüfempfindlichkeit und/oder die Schallimpuls-Sendeleistung ebenfalls steuern.

7. Verfahren nach .Anspruch 1-if bzw. -.Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet f daß der Schallimpuls nach Wellenumwandlung vom Ultraschall-Empfangswandler reflektiert wird.

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