DE2238130B2 - Verfahren zur Ermittlung und Kompensation von unterschiedlichen Schallschwächungseigenschaften bei der Ultraschall-Werkstoffprüfung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung und Kompensation von unterschiedlichen SchallSchwächungseigenschaften bei der Ultraschall-Werkstoffprüfung auf im zu untersuchenden Material enthaltene Fehler, bei dem Ultraschallimpulse von mindestens einem Ultraschall-Sendewandler in das > Material ausgestrahlt und Ultraschall-Echoimpulse aus dem Material von demselben Wandler oder mindestens einem anderen Ultraschall-Empfangswandler empfangen und zur Fehlerauswertung weitergeleitet werden, bei dem weitere aas dem Material empfangene Ultraschallsignale, die Größe der vom Ultraschall-Sendewandler ausgesandten Ultraschallimpulse und/oder die Empfangsempfindlichkeit beeinflußt werden.

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 »Reflektor«, 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 aufeinandergebracht 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 sog. Transferkontrolle (siehe z. B. 1.), verursacht, die unterschiedlichen Materialeigenschaften zu berücksichtigen. Bei automatischen Prüfungen kann man zuerst eine sog. Transferprüfung durchführen, bevor die eigentliche Prüfung abläuft. Die Ergebnisse der Transferkontrolle werden aufgezeichnet, und man hat dann die Möglichkeit, die Anzeigen auf der Prüfung anhand der Aufzeichnungen von der Transferkontrolle zu korrigieren, wenn die eigentliche Prüfung auf genau der gleichen Prüfspur wie die Transferkontrolle durchgeführt wird.

Die 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 sog. Tandem-Prüfung mit vielen Prüfköpfen durchführt, vgl. [2]. Hier ist es nämlich sehr schwierig, die Schallwege in bezug auf Schwächungsunterschiede mit einem Transferverfahren nachzubilden.

Es ist noch ein Ultraschallverfahren vorgeschlagen worden, bei dem zwei oder mehr Prüfköpfe auf den Prüfling aufgesetzt werden, so daß ihre Sendeschwinger unter einem bestimmten Winkel von der Werkstücksoberfläche in den Prüfling einschallen und die reflektierten Ultraschallimpulse zur Bestimmung von Fehlern verwendet werden. Dieses Verfahren ist spezifisch für die Untersuchung von dickeren Werkstükken und sieht dementsprechend vor, daß die Wahl der Abstände der Prüfköpfe auf der Werkstoffoberfläche in einer vorbestimmten Beziehung zu den Prüfbereichen steht, die treppenförmig zueinander versetzt angenommen werden, wobei nur ein Kontrollprüfkopf für alle reflektierten Ultraschallstrahlen vorgesehen ist, mit einer bestimmten Schaltvorrichtune. die es ae-

stattet, aus allen treppe nförm ige η Prüfbereichen herrührende und von dort vorhandenen Fehlern reflektierte Ultraschallsignale zu verarbeiten, um die Amplitude des vom Kontrollprüfkopf empfangenen Durchschallungsimpulses auf konstante Höhe zu bringen. Hier wird jedoch in keinem Stadium des Verfahrens das unterschiedliche Gefüge im Prüfling selbst berücksichtigt, mit anderen Worten, die aus dem Prüfling reflektierten Ultraschallsignale werden so verarbeitet, als ob das Gefüge dort überall homogen wäre (DE-PS 2217962).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, bei dem die Schallschwächungsunterschiede im Materialgefüge schneller, einfacher und genauer erfaßt und kompensiert werden können.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß als die weiteren aus dem zu untersuchenden Material empfangenen Ultraschallsignale im Materialgefüge gestreute Ultraschallsignale verwendet werden, die von denselben Ultraschallimpulsen hervorgerufen werden wie sie von dem Ultraschall-Sendewandler für die gleichzeitige Fehlerprüfung ausgesandt werden und die von dem zugleich als Ultraschall-Empfangswandler arbeitenden Ultraschall-Sendewandler empfangen werden, wobei dann, wenn für die Fehlerprüfung räumlich getrennte Ultraschall-Sende- und -Empfangswandler verwendet werden, in einem bestimmten, von der Fehlerprüfung verschiedenen Prüftakt der für Fehlerprüfung als Ultraschall-Empfangswandler dienende Wandler auch Ultraschallimpulse aussendet, um in diesem Takt ausschließlich die im Materialgefüge gestreuten Ultraschallsignale zu empfangen, während dann, wenn bei der Fehlerprüfung der Ultraschall-Sendewandler auch als Ultraschall-Empfangswandler dient, die gestreuten Ultraschallsignale in dem mit der Fehlerprüfung zusammenfallenden Prüftakt nur aus einem Materialbereich empfangen werden, der nicht auf Fehler geprüft wird.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

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 zeigt

Fig. 1 einen Winkelprüf kopf mit einem Schwinger auf einem Prüfstück,

Fig. 2 einen Winkelprüf kopf mit zwei getrennten Schwingern,

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

Fig. 4 einen Prüfkopf mit zwei getrennten Schwingern, die nicht in einer Ebene liegen,

Fig. 4a daß die akustischen Achsen der Schwinger nach Fig. 4 sich schneiden,

Fig. 5 ein Oszillographenbild mit einer Gefügeanzeige,

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

Fig. 7 ein Oszillographenbild mit ausgeblendetem Laufzeitbereich, in dem Gefügeanzeigen vorhanden sind,

Fig. 8 die Integrationsampliturie der gemäß Fig. 7 im ausgeblendeten Laufzeitbereich erkennbaren Gefügeamplituden,

Fig. 9 ein Blockschaltbild einer Gesamtregelung. Gemäß Fig. 1 trägt ein Schwingerträger 2 einen "> Ultraschall-Schwinger 1 (Bariumtitanatod, dgl.). Der Schwingerträger sitzt auf der Oberfläche 4 des Prüfbereichs bzw. Prüflings 5 (z. B. Schienenkörper od. dgl.). Die akustische Achse 3 des Schwingers 1 ist angedeutet. Der vom Schwinger 1 ausgehende Schall-

H) impuls 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 um so größer, je grobkörniger das Gefüge ist.

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

Fig. 3 zeigt, wie das Erfassen von Streuanzeigen

r> 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. Die von dem Schwinger 1 ausgehende Ultraschallwelle läuft im

)o Prüfling 5 als sog. Transversalwelle und wird am Gefüge in eine Longitudinalwelle u. U. umgewandelt, die dann vom Schwinger Ib über den Schallweg 3b erfaßt wird.

Die Fig. 4 bzw. Fig. 4a zeigen, wie durch Neigung

π der beiden Schwinger 1 und la zueinander sich die von diesen Schwingern ausgehenden akustischen Achsen schneiden sollen. Einen Schnittpunkt der akustischen Achsen bezeichnet man in der Ultraschalltechnik, aber im anderen Zusammenhang, als Fokuspunkt. Auf diese Weise wird hier erreicht, daß Anzeigen unterschiedlichen Gefüges aus einem bestimmten Bereich bevorzugt erfaßt werden.

Weiter iüt in der Ultraschalltechnik zwar an sich bekannt, vor die Schwinger Linsen anzubringen, die

4) 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 14 den Sendeimpuls 10 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

V) Schwinger aus gesehen, desto weiter schieben sich die Anzeigen 12 nach rechts auf der Zeitachse 13.

In Fig. 6 erscheint auf dem Bildschirm 14 eine Blendenstufe 15 in der Zeitachse 13. Sie veranschaulicht, daß ein bestimmter Laufzeitbereich für die wei-

bo tere Betrachtung ausgeblendet wird. Zum Beispiel 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

hi Schwächungseigenschaften des Prüflingsmaterials gar nichts zu tun hat.

Fig. 8 zeigt eine Integrationsamplitude, welche sämtliche Anzeigen der Fi°. 7 die in der Blende 15

liegen, erfaßt. Einzelheiten der elektronischen Integration weiden hier nicht beschrieben, da sie bekannt sind. Ebenfalls werden Einzelheiten der elektronischen Regelung der Sendeleistung bzw. der Empfangsempfindlichkeit nicht beschrieben, da diese ein- > zein an sich bekannt sind. In diesem Zusammenhang bezieht sich die Erfindung darauf, die Bezugsgröße herauszufinden, nach welcher die Regelung zu erfolgen hat.

Gleichzeitig zur Regelung, welche abhängig ist von '<· den Schallschwächungseigdischaften, kann eine Kompensation der Ankoppel-Qualitätsunterschiede mil vorgenommen werden. Im einzelnen, aber im anderen Zusammenhang, ist eine solche Ausregelung von Ankoppel-Qualitätsunterschieden zwar be- r> kannt.

In Fig. 9 wird eine Gesamtregelung in einem Blockbild dargestellt. Der Einfachheit halber sind nur drei Prüfköpfe mit Schwingerträgern 2, la und 2b auf den Prüfling 5 aufgesetzt. Andere Schwinger la. Xb und Xd 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 zurückre- :> flektiert. Aus der Anzeigenhöhe wird dann ein Rückschluß auf die Ankoppelqualität gezogen. Wenn z. B. Schalter 25 und 34 in Stellung I bzw. Γ stehen, so wird von einem Sender 26 ein Sendeimpuls über das Dämpfungsglied, das einzeln bekannt ist, zu dem sn Schwinger Xa 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 Γ auf einen Regelverstärker 28 gegeben. Dieser Regelverstärker r> beeinflußt nun Dämpfungsglieder 20, 21. Gehen nun die Schalter 25 und 34 in die Stellung II bzw. IV wie gezeichnet -, dann geht der Sendeimpuls vom Sender 26 über das Dämpfungsglied 21 auf den Schwinger 1. Die Sendeenergie wurde aber bereits κ> durch das Dämpfungsglied 21 in Abhängigkeit von der mit Schwinger Xa ermittelten Ankoppelkontrollamplitude eingestellt. Der von dem Schwinger 1 ausgehende Impuls wird nun an der Körnigkeit des Materials gestreut und die empfangenen Anteile von 4-, Schwinger 1 über das Dämpfungsglied und den Schalter 25 auf den Verstärker 27 geleitet. Von dort wird der Regelverstärker 29 beeinflußt. Dieser ist aber seinerseits mit dem Dämpfungsglied 21 und dem Dämpfungsglied 24 gekoppelt. Damit wird also die Sende- -,n energie, welche weiterhin vom Schwinger 1 ausgesendet werden soll, durch das 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 Ie. Diese würde dann den empfangenen Impuls über das Dämpfungsglied 24 direkt zum Verstärker 27 leiten. Das Dämpfungsglied 24 ist abhängig von den Schallschwächungseigenschaften, die von bo 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 Xe gegeben. Der von dort abgegebene Ultraschallimpuls dient nun allerdings lediglich der Ermittlung der Schwächungseigenschaften im Bereich des Schwingerträgers 2b.

Die Gefügeanzeigen werden vom Schwinger Ic empfangen, durchlaufen das Dämpfungsglied 24 und kommen über den Schalter 25 in Schaltstellung VI zum Verstärker 27. Von dort wird über den Schalter 34 in Stellung VI' 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 Xd gegeben. Der empfangene Ankoppel-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 Ankoppelqualität korrigiert worden. Der Schwingerträger la enthält einen Früfschwinger Ic zur Prüfung nach der sog. Einkopfmethode. In Stellung III des Schalters 25 wird der Sendeimpuls vom Sender 26 über das Dämpfungsglied 22 auf den Koppelkontrollschwinger Xb gegeben. Der Empfangsimpuls von der Rückwand, dessen Amplitudenhöhe von der Ankoppelqualität abhängt, gelangt zum Empfänger 27, von dort über die Stellung des Schalters 34 auf III' auf den Regelverstärker 30, der nun die Dämpfungsglieder 22 und 23 beeinflußt. Schaltet nun der Schalter 25 in Stellung IV, so wird der Sendeimpuls vom Sender 26 über das Dämpfungsglied 23 auf den Prüfschwinger Ic gegeben. Dieser Prüfschwinger Ic dient gleichzeitig zur Ermittlung der Schallschwächungseigenschaften, indem er die Anzeigen vom Materialgef üge 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 40a 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. Stattder Dämpfungsglieder können andere Stellgrößen verwendet werden usw.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Ermittlung und Kompensation von unterschiedlichen Schallschwächungseigenschaften bei der Ultraschall-Werkstoffprüfung auf im zu untersuchenden Material enthaltene Fehler, bei dem Ultraschallimpulse von mindestens einem Ultraschall-Sendewandler in das Material ausgestrahlt und Ultraschall-Echoimpulse aus dem Material von demselben Wandler oder mindestens einem anderen Ultraschall-Empfangswandler empfangen und zur Fehlerauswertung weitergeleitet werden, bei dem die Größe der vom Ultraschall-Sendewandler ausgesandten Ultraschallimpulse und/oder die Empfangsempfindlichkeit durch weitere sus dem Material empfangene Ultraschallsignale beeinflußt werden bzw. wird, dadurch gekennzeichnet, daß als die weiteren aus dem zu untersuchenden Material empfangenen Ultraschallsignale im Materialgefüge gestreute Ultraschallsignale verwendet werden, die von denselben Ultraschallimpulsen hervorgerufen werden, wie sie von dem Ultraschall-Sendewandler für die gleichzeitige Fehlerprüfung ausgesandt werden und die von dem zugleich als Ultraschall-Empfangswandler arbeitenden Ultraschall-Sendewandler empfangen werden, wobei dann, wenn für die Fehlerprüfung räumlich getrennte Ultraschall-Sende- und -Empfangswandler verwendet werden, in einem bestimmten, von der Fehlerprüfung verschiedenen Prüftakt der für die Fehlerprüfung als Ultraschall-Empfangswandler dienende Wandler auch Ultraschallimpulse aussendet, um in diesem Takt ausschließlich die im Materialgefüge gestreuten Ultraschallsignale zu empfangen, während dann, wenn bei der Fehlerprüfung der Ultraschall-Sendewandler auch als Ultraschall-Empfangswandler dient, die gestreuten Ultraschallsignale in dem mit der Fehlerprüfung zusammenfallenden Prüftakt nur aus einem Materialbereich empfangen werden, der nicht auf Fehler geprüft wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallamplitude von der Gefügerückstreuung für die Zeit integriert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die akustischen Achsen der Ultraschallwandler auf einen oder mehrere vorbestimmte Bereiche mit Gefügeunstetigkeiten fokussiert werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise in eingeschobenen Prüftakten eine Ankopplungskontrolle der Ultraschallwandler mit Hilfe von diesen zugeordneten Schwingern zur Normaleinschallung ebenfalls zur genannten Beeinflussung der Größe der vom Ultraschail-Sendewandler ausgesandten Ultraschallimpulse und/oder der Eimpfangsempfindlichkeit, durchgeführt wird.