DE2245322C3

DE2245322C3 - Verfahren zur zerstörungsfreien Messung der Schichtdicke einer durch eine oberflächliche Werkstoffstrukturveränderung betroffenen Schicht eines Körpers

Info

Publication number: DE2245322C3
Application number: DE2245322A
Authority: DE
Inventors: Christian Gagny Flambard; Alain Creil Lambert
Original assignee: Centre Technique des Industries Mecaniques CETIM
Current assignee: Centre Technique des Industries Mecaniques CETIM
Priority date: 1971-09-24
Filing date: 1972-09-15
Publication date: 1975-07-03
Also published as: SE383416B; FR2153791A5; US3837218A; JPS4842762A; IT967708B; DE2245322A1; CA954621A; JPS52389B2; DE2245322B2; GB1368864A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien Messung der Schichtdicke einer durch eine oberflächliche Werkstoffstrukturveränderung betroffenen Schicht eines Körpers, insbesondere zur Messung der Eindringtiefe einer thermischen, thermochemischen oder galvanischen Behandlung des Körpers, unter Verwendung eines teilzylindrischen, mit der nicht zylindrischen Fläche auf den zu untersuchenden Körper auflegbaren Blocks und eines sich

radial an der Zylinderfläche des Blocks abstützenden Ultrasch".llsenders und Ultraschallempfängers, wobei auf die zu untersuchende Oberfläche des Prüflings ein Ultraschallwellenbündel gerichtet und die Energie des reflektierten Bündels bei unterschiedlichen Einfallwinkeln des Ultraschallwellenbündels gemessen wird.

Die Wirkungsweise des vorstehend geschilderten Verfahrens beruht darauf, daß ein Ultraschallwellenbündel von geeigneter Orientierung ausgesandt wird, um an dem zu untersuchenden Prüfling Oberflächenwellen zu erzeugen. Das von der untersuchten Oberfläche reflektierte Weüenbünde! wird erfaßt und gemessen. Dieses Verfahren erlaubt die Bestimmung der Fortpflanzungsgeschwindigkeit von Rayleigh-Wellen auf der Oberfläche eines festen Körpers durch Messung des Einfallwinkels des Ultraschallwellenbündels, durch das diese Oberflächenwellen hervorgerufen werden. Die entsprechende Theorie ist insbesondere durch die Arbeiten von G. Bradfield entwickelt worden (»The ultrasonic goniometer and its applications« — Zeitschrift »non destructive testing«, Februar 1968).

Im vorliegenden Fall wird im Prinzip die Tatsache ausgewertet, daß die Fortpflanzungsgeschwindigkeit dieser Oberflächenwellen durch die Gegenwart einer beispielsweise auf Stahl durch eine Wärmebehandlung erzielten Schicht beeinflußt wird, und insbesondere die Tatsache, daß die Geschwindigkeitsänderung von der Schichtdicke abhängt. Strahlt man das Ultraschallwellenbündel durch den von einem Generator beaufschlagten Ultraschallsender unter einem relativ kleinen Winkel zur Flächennormalen auf die Oberfläche des zu untersuchenden Prüflings, so wird das Ultraschallwellenbündel in ein Bündel gebrochener Querwellen und ein reflektiertes Bündel, das den größten Teil der eingespeisten Energie enthält, zerlegt. Vergrößert man den Einstrahlwinkel bis zu einem kritischen Winkel T_r, so wird das gebrochene Querwellenbündel zu einem Bündel von Oberflächenwellen. Zu dieser Erscheinung kommt eine seitliche Versetzung des reflektierten Bündels hinzu, so daß die vom Ultraschallempfänger aufgenommene Energie ein deutliches Minimum anzeigt. Nach Über-

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schreiten des kritischen Winkels T_r wird das Ultra- gemäßen Verfahrens geht aus von einer Einrichtung

schallwellenbiindel vollständig reflektiert. mit einem teilzylindrischen, mit der nicht zylindri-

Eine bekannte Meßanordnung zur Analyse der sehen Fläche auf einen zu untersuchenden Körper Signale, die durch den Ultraschallempfänger aufge- auflegbaren Block und mit einem sich radial an der nommen werden, besteht im \ves> mlichen aus einem 5 Zylinderfläche des Blocks abstützenden Ultraschallüszilloskop, dem gegebenenfalls ein Registriergerät sender und Ultraschallempfänger sowie einer Einzugeordnet ist, und einer Einrichtung, die eine me- richtung zu deren Einstellung auf dem Block um eine chanische Verbindung der beiden Ultra.;challv.andler mit der Zylinderachse des Blocks zusammenfallende herstellt und mittels einer Anzahl von zusammen- Achse und ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil wirkender Elementen deren symmetrische Verschie- 10 der zylindrischen Fläche des Blocks als Stützfläche bung auf dem teilzylindrischen Block gewährleistet für eine kombinierte Sender- und Empfängersonde (GB-PS 959 029). Die Ultraschallwellen können da- dien>, während der andere Teil der zylindrischen bei entweder ir. Form kurzzeitiger Impulse oder in Fläche die reflektierende Oberfläche darstellt.
Form von hinsichtlich ihrer Länge regelbaren WeI- Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen des Verfahlenzügen ausgestrahlt werden. In beiden Fällen kön- 15 rens und der Einrichtung zu dessen Durchführung ernen unterschiedliche Frequenzen verwendet werden. geben sich aus den Unteransprüchen.

Bei dem geschilderten bekannten Verfahren unter Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der

Anwendung der genannten Meßanorinung erfolgt Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

lediglich eine einzige Reflexion des UltraschaihveiJen- Fig. t schematisch eine erste Ausführungsform

bündeis auf der zu untersuchenden Oberfläche. Die ao einer erfindungsgemäßen Einrichtung,

Meßempfindlichkeit ist daher relativ gering. Außer- Fig. 2 in perspektivischer Darstellung, teilweise

dem ist die zur symmetrischen Verschiebung der aufgebrochen, den wesentlichen Teil der Einrichtung

beiden Ultraschallwandler notwendige Einrichtung gemäß Fig. 1, nämlich die Sonde,

vergleichsweise aufwendig. Fig. ^ in größerem Maßstab einen Schnitt längs

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, a$ der Linie III-III in Fig. 2, und

ein Verfahren der eingangs erläuterten Art dahin- Fig. 4 bis 6 Ausführungsvarianten der Sonde,

gehend zu verbessern, daß die Meßempfindlichkeit Die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung ist insbeson-

zur Erfassung der Lnergie des reflektierten Ultra- dere zur zerstörungsfreien Messung der Tiefenwir-

schallwellenbündels gegenüber dem bekannten Ver- kung einer thermischen und oder thermochemischen

fahren gesteigert ist und außerdem eine Vereinfa- 30 und oder galvanischen Oberflächenbehandlung eines

chung der dazu verwendeten Meßanordnung eintritt. beispielsweise aus Stahl bestehender. Teiles 1 be-

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge- stimmt. Sie besteht im wesentlichen aus einem Gene-

löst, daß eine gemeinsame kombinierte Sender- und rator 2, einer Anzeigeeinrichtung 3 und einer Meß-

Empfängersonde verwendet wird und das auf die einrichtung 4. Der Generator 2 liefert elektrische

Oberfläche des Prüflings eingestrahlte und von dort 35 Ultraschallsignale, beispielsweise in Form von Impul-

reflektierte L'ltraschallwellenbündel danach min- sen kurzer Dauer oder auch in Form von Wellen-

destens ein weiteres Mal von einer oder mehreren zügen mit regelbarer Wellenlänge. Zu diesem Zweck

weiteren reflektierenden Oberflächen derart reflek- können unterschiedliche Frequenzen verwendet wer-

tiert wird, daß das zum Empfänger zurückgestrahlte den.

Ultraschallwellenbündel im umgekehrten Sinn im 40 Die Anzeigeeinrichtung 3 besteht in der Hauptwesentlichen längs der gleichen Bahn wie das aus- sache aus einem Oszilloskop und gegebenenfalls einer gestrahlte Ultraschallwellenbündel verläuft und dabei Registriervorrichtung zur Analyse der Signale. Die mindestens ein weiteres Mal auf die zu untersuchende Meßeinrichtung 4 besteht im wesentlichen aus einer Oberfläche des Prüflings gerichtet wird, bevor es in kombinierten Sender- und Empfängersonde 7 und Form des reflektierten Bündels zur Empfängersonde 45 einem Block 8 zwischen der Sonde 7 und dem zu zurückkehrt. untersuchenden Teil 1.

Auf diese Weise können sich die für das Auftreten In dem dargestellte., Ausführungsbeispiel besteht von Oberflächenwellen verantwortlichen Erscheinun- der Block 8 aus Polymethyl-Methacrylat und besitzt gen mindestens einmal wiederholen, so daß folglich die Form eines Halbzylinders, dessen plane Fläche die Meßempfindlichkeit für die Energie des reflek- 50 auf die ebenfalls plane Oberfläche des zu untersuchentierlen Bündels nach der letzten Reflexion an der den Teiles 1 aufgesetzt wird. Die Sender- und Emp-Oberfläche des Prüflings entsprechend gesteigert fängersonde 7 ist ein Wandler, der auf die zylinwird. Darüber hinaus geht mit diesem Vorschlag eine drische Oberfläche des Blockes 8 aufgesetzt wird. Die Vereinfachung der bei dem Verfahren verwendeten Sonde 7 läßt sich in Umfangsrichtung auf der Block-Anordnung einher, da an Stelle der bisher symme- 55 oberfläche so verschieben, daß dadurch die Richtung trisch zueinander auf der teilzylindrischen Oberfläche des von ihr ausgesandten und auf die Oberfläche des des Blocks aufgesetzten Ultraschallwandler eine korn- zu analysierenden Teiles 1 auftreflenden Ultraschallbinierte Sender- und Empfängersonde verwendet wer- wellenbündels Il verändert wird,
den kann. Dies führt zu einer erweiterten Anwend- Der Generator 2 liefert elektrische Signale zur barkeit der Meßanordnung insbesondere an schwer So Sonde 7, so daß diese das Ultraschallwellenbündel 11 zugänglichen oder größenmäßig beschränkten Prüf- ausstrahlt, das auf die Oberfläche des Teiles 1 am lingen. Punkt A auftrifft und dort in Form eines Bündels 12

Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemä- reflektiert wird. Das reflektierte Bündel 12 trifft somit

ßen Verfahrens wird als weitere reflektierende Ober- radial (oder weitgehend radial) auf die zylindrische

fläche eine feste Oberfläche mit gekrümmtem Profil, 65 Trennfläche zwischen dem Block 8 und der umgeben-

beispielsweise des teilzylindrischen Blocks, ver- den Atmosphäre, so daß sich ein weiteres reflektiertes

wendet. Bündel 13 ausbildet, das in umgekehrtem Sinne je-

Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungs- doch weitgehend auf der gleichen Bahn wie das

reflektierte Bündel 12 zurückgestrahlt wird. Es wird ebenfalls von neuem am Punkt A auf der Oberfläche des Teiles 1 reflektiert und folgt somit im umgekehrten Sinne der gleichen Strahlenbahn wie das ursprüngliche Ultraschallwellenbündel 11. Es bildet dort ein zweites reflektiertes Bündel 14, das in die Sonde 7 eintritt. Die Sonde 7 arbeitet somit auch als Empfängersonde. Das einfallende Ultraschallwellenbündel 11 erfährt somit auf der zu untersuchenden Oberfläche des Teiles 1 zwei aufeinanderfolgende Reflexionen, bevor es in Form des reflektierten Bündels 14 zur Empfängersonde 7 zurückkehrt.

Um zu verhindern, daß in der Sonde 7 zwischen dem ausgestrahlten und dem empfangenen Wellenbündel Interferenz auftritt, erfolgt die Ausstrahlung in Perioden, die durch Intervalle voneinander getrennt sind, in denen nicht gesendet wird und in deren Verlauf empfangen wird.

Der Werkstoff des Blockes 8 ist so gewählt, daß die Änderung des Grenzwinkels T_r relativ zu einer Änderung der Geschwindigkeit vr so groß wie möglich ist. Die Beziehung zwischen dem Grenzwinkel T_r und der Fortpflanzungsgeschwindigkeit vr der Oberflächenwellen lautet:

sin7V = - -■
vr

wobei ν die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Längswellen in dem Verbindungsraum Sonde/Teil ist.

Für eine gegebene Veränderung von vr erhält man also eine Veränderung des Winkels T_r, die um so größer ist, je größer die Geschwindigkeit ν in dem Verbindungsmilieu ist. Aus diesem Grund verwendet man in der Anordnung Werkstoffe, in welchen die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Ultraschall-Längswellen so groß wie möglich ist. Diese Geschwindigkeit muß aber kleiner als die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Oberflächenwellen in dem zu untersuchenden Material bleiben. Andernfalls, d. h. wenn ν größer als vr ist, wäre es unmöglich, Oberflächenwellen zu erzeugen. Bei Stahl liegt vr in der Größenordnung von 3000 m/s. Die Geschwindigkeit ν muß also in der Nähe dieses Wertes, jedoch darunter gewählt werden. Man erhält gute Resultate, wenn man als Werkstoff für den Block Polymethyl-Methacrylat einsetzt, für das ein Wert von ν in der Größenordnung von 2700 m/s gilt.

Um eine optimale Übertragung der Schwingungen in der ganzen Anordnung zu erhalten, wird die Sonde 7 auf die zylindrische Oberfläche des Blockes 8 vorzugsweise mittels eines öl- oder Fettfilmes aufgesetzt. Die akustische Koppelung zwischen dem Block 8 und dem zu untersuchenden Teil 1 wird gleichfalls mittels eines öl- oder Fettfilmes hergestellt, der zwischen diesen beiden Teilen liegt. Die Koppelung läßt sich auch mittels einer flüssigkeitsgefüllten Kammer herstellen, wobei als Flüssigkeit z. B. Wasser oder öl dient und deren Druckbeaufschlagung durch leichten Druck zu einer Deformation einer Membran führt, die exakt der Form der zu untersuchenden Oberfläche entspricht und an dieser anliegt.

In Fig. 4 ist ein Block 8A mit einer insofern abweichenden Gestaltung dargestellt, als eine Hälfte seiner planen Oberfläche, wie bei 21 angedeutet, leicht nochgezogen ist. Dies erleichtert die vollkommene Auslösung der Ultraschallwellen.

In F i g. 5 ist eine weitere modifizierte Ausführungsform für den Block 8 B dargestellt, bei der eine Hälfte des Blockes einen kleineren Krümmungsradius r aufweist als die andere Hälfte mit dem

ίο Krümmungsradius R, auf der die Sonde 7 aufgesetzt ist. Man erhält dadurch einen Block kleineren Volumens.

Die F i g. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Block 8 C von noch kleinerem Volumen, der den Zugang zu Winkeln oder Ecken erlaubt, wie sie z. B. in Schwalbenschwanzführungen 23 gebildet werden. Der Einfallswinkel T kann bei diesem Ausführungsbeispiel nur in engen Grenzen verändert werden, während er bei den Ausführungsformen gemäß den voran stehenden Figuren zwischen 0 und 90° veränderbar ist.

Zur Untersuchung und Überwachung der Oberfläche von Teilen besonderer Gestaltung, beispielsweise von zylindrischer oder kugelförmiger Ausbilas dung, braucht lediglich die Tragfläche des Verbindungsblockes, mit der dieser an dem zu untersuchenden Teil anliegt, in die entsprechende Form gebracht zu werden.

In den F i g. 2 und 3 ist im einzelnen der Aufbau der Einrichtung gemäß Fig. 1 dargestellt. Der Block 8 besitzt auf seinen beiden Stirnseiten Radialnuten 31, 32 mit Schwalbenschwanzquerschnitt, mit denen er längs zweier entsprechend geformter fester Zungen 33, 34 gleiten kann. Die Zungen 33, 34 sind beispielsweise mittels Schrauben, von denen lediglich die Achsen 35 angedeutet sind, an den Innenflächen zweier Wangen 38, 39 befestigt. Die Wangen 38, 39 haben Halbkreisform und liegen koaxial zum Block 8. Sie sind durch Traversen 41, 42 miteinander verbunden.

Die Sender- und Empfängersonde 7 ist in einei Radialführung 44 verschiebbar und wird an die zylindrische Oberfläche des Blockes 8 durch eine Feder 45 angedrückt, deren eines Ende sich auf einei vorspringenden Schulter 46 der Sonde abstützt, während ihr anderes Ende an der Innenfläche einer Ringscheibe 48 anliegt, die mittels Schrauben 49 an dei Radialführung 44 befestigt ist. Die Radialführung 44 weist zwei kreisbogenförmige Seitennuten 51, 52 auf in die entsprechend bogenförmig gestaltete Vorsprünge 53, 54 an den Innenflächen der beiden Wangen 38, 39 hineinragen.

Weiterhin ist an der zylindrischen Außenfläche de! Vorsprunges 54 an der Wange 39 eine Skala 55 an gebracht, um die Position der Radialführung 44 au; der Oberfläche des Verbindungsblockes 8 und somi den Winkelwert des Einfallwinkels T des Ultraschall wellenbündels zu markieren.

Bei der Verwendung der Einrichtung wird di<

Winkelposition der Sonde aufgesucht, bei der di< Energie des reflektierten Wellenbündels 14 eh Minimum ist. Dies gibt gleichzeitig den Wert de: kritischen Winkels T_r des einfallenden Ultraschall wellenbündels 11 an, der zur Erzeugung von Ober flächenwellen auf dem zu untersuchenden Teil führt

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur zerstörungsfreien Messung der Schichtdicke einer durch eine oberflächliche Werkstoffstrukturveränderung betroffenen Schicht eines Körpers, insbesondere zur Messung der Eindringtiefe einer thermischen, thermochemischen ©der galvanischen Behandlung des Körpers, unter Verwendung eines teilzylindrischen, mit der nicht lylindrischen Fläche auf den zu untersuchenden Körper aurlegbaren Blocks und eines sich radial an der Zylinderfläche des Blocks abstützenden Ultraschallsenders und Ultraschallempfängers, wobei auf die zu untersuchende Oberfläche des Prüflings ein Ultraschallwellenbündel gerichtet und d'e Energie des reflektierten Bündels bei unterschiedlichen Einfallwinkeln des Ultraschallweltenbündels gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine gemeinsame kombinierte Sender- und Empfängersonde (7) verwendet wird und das auf die Oberfläche (A) des Prüflings (1) eingestrahlte (11) und von dort reflektierte (12) Ultraschallwellenbündel danach mindestens ein weiteres Mal von einer oder mehreren weiteren reflektierenden Oberflächen derart reflektiert wird, daß das zum Empfänger zurückgestrahlte Ultraschallwellenbündel im umgekehrten Sinn, im wesentlichen längs der gleichen Bahn wie das ausgestrahlte Ultraschallwellenbündel verläuft und dabei mindestens ein weiteres Mal auf die zu untersuchende Oberfläche (A) des Prüflings (1) gerichtet wird, bevor es in Form des reflektierten Bündels (14) zur Empfängersonde (7) zurückkehrt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als weitere reflektierende Oberfläche eine feste Oberfläche mit gekrümmtem Profil verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausstrahlung des Ultraschallwellenbündels während Perioden erfolgt, die durch Intervalle voneinander getrennt sind, in denen nicht gesendet, sondern nur empfangen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ultra-Echallwellenbündel in Impulsform ausgesendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ultraschallwellenbündel in Form von Wellenzügen mit regelbarer Wellenlänge ausgestrahlt wird.

6. Einrichtung zur zerstörungsfreien Messung der Schichtdicke einer durch eine oberflächliche Werkstoffstrukturveränderung betroffenen Schicht tines Körpers, insbesondere zur Messung der Eintiringtiefe einer thermischen, thermochemischen ©der galvanischen Behandlung des Körpers, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem teilzylindrischen, mit der nicht zylindrischen Fläche auf einen zu untersuchenden Körper auflegbaren Block und mit einem sich radial an der Zylinderfläche des Blocks abstützenden Ultraschallsender und Ultraschallempfänger sowie einer Einrichtung zu deren Einstellung auf dem Block um eine mit der Zylinderachse des Blocks zusammenfallende Achse, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der zylindrischen Fläche des Blocks (8, SA, 8B, 8C) als Stützfläche für eine kombinierte Sender- und Empfängersonde (7) dient, während der andere Teil der zylindrischen Fläche die reflektierende Oberfläche darstellt.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Oberfläche koaxial zur Stützfläche für die Sender- und Empfängersonde (7) liegt, jedoch einen kleineren Radius (r) als diese hat.