DE2842600A1 - Verfahren zum feststellen von rissen auf einer metalloberflaeche - Google Patents

Verfahren zum feststellen von rissen auf einer metalloberflaeche

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DE2842600A1 DE19782842600 DE2842600A DE2842600A1 DE 2842600 A1 DE2842600 A1 DE 2842600A1 DE 19782842600 DE19782842600 DE 19782842600 DE 2842600 A DE2842600 A DE 2842600A DE 2842600 A1 DE2842600 A1 DE 2842600A1
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Description

— ρ —
Verfahren zum Peststellen von Rissen auf einer Metalloberfläche
Die Erfindung "betrifft ein Verfahren zum Feststellen sehr kleiner Risse auf der Oberfläche eines Materials, insbesondere eines Metalls, wobei ein Laserstrahl auf die Metalloberfläche geleitet und die Änderung der Stärke des durch die Metalloberfläche reflektierten oder zerstreuten Strahls gemessen \ri_rd.
Wenn ein Laserstrahl auf die Oberfläche eines metallenen Materials geleitet wird, tritt aufgrund der Indifferenz des reflektierten Strahls eine Verteilung von lichtstarken Punkten auf, die als gesprenkeltes Muster bezeichnet wird. Die Form,Größe und Art der Risse auf der zu untersuchenden äußeren Metallfläche kann durch Messen und Analysieren dieses gesprenkelten Musters festgestellt werden. Wenn ein fein^ gebündelter bzw. genau ausgerichteter Laserstrahl in Form eines Leuchtflecks oder als Abtaststrahl auf die Metalloberfläche in einem vorbestimmten Winkel aufgestrahlt wird, verringert sich die Stärke des reflektierten Strahls, der ein gesprenkeltes Muster bildet, da er durch die Metalloberfläche gestreut wird, wenn darauf Risse vorhanden sind.
Nach einem herkömmlichen Verfahren wird der von der zu untersuchenden Metalloberfläche reflektierte Laserstrahl direkt in einen Lichtdetektor über eine Linse geleitet oder er wird durch einen Spiegel abgetrennt, um dann in einen Lichtdetektor geleitet zu werden, wobei dann die Verringerung der Intensität des Lichts aufgrund der Streuung des reflektierten Laserstrahls gemessen wird (z.B. "Iron and Steel Engineer", Seiten 67 bis 70? Juni 1974·)· Da jedoch ein gesprenkeltes Muster Informationen über Einzelheiten des Oberflächenzustands bezüglich des Schallanteils der zu. untersuchenden Oberfläche enthält, wird das Meßergebnis durch Änderungen des Zustande des Schallanteils nennenswert beeinflußt oder durch Vibrationen der zu untersuchenden Oberfläche, was vor allem dann der Fall ist, wenn das zu untersuchende Ma terial bewegt wird bzw. angetrieben wird. Die Fähigkeit zum Fest-
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stellen von Rissen bei dem herkömmlichen Verfahren ist somit extrem gering. Wenn durch ein herkömmliches Verfahren der Streuanteil des Laserstrahls festgestellt wird, kann eine Abbildung, die durch den aufgrund eines Risses gestreuten Strahls erzeugt wird, sehr scharf und in einem begrenzten Bereich angeordnet sein. In einem solchen Falle können Risse in einer bestimmten Richtung überhaupt nicht festgestellt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs angegebenen Art so auszubilden, daß die Nachteile des herkömmlichen Verfahrens überwunden werden. Es soll ein Verfahren vorgeschlagen werden, das mit hoher Genauigkeit arbeitet, ohne irgend eine Beeinflussung durch Änderungen der Oberflächenbedingung bezüglich eines Schallanteils der Oberfläche und ohne Beeinflussung durch Vibrationen der Oberfläche, die bei bewegtem Untersuchungsgegenstand auftreten können.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Peststellen von Rissen auf einer Metalloberfläche vorgeschlagen, bei dem ein Laserstrahl auf die Oberfläche des zu untersuchenden Metalls gerichtet, die Bestrahlungsstelle verändert, durch einen Reflektor mit einer rauhen Oberfläche ein Anteil des Strahls reflektiert wird, der durch die Metalloberfläche direkt reflektiert wordenist, und die Änderung der Stärke des durch den Reflektor reflektierten Strahls gemessen wird.
Nach einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Feststellen von Rissen auf der Oberfläche eines metallenen Materials wird ein Laserstrahl auf die Oberfläche des zu untersuchenden Metalls gerichtet, die Bestrahlungsstelle verändert, ein Anteil des Strahls, der durch die Metalloberfläche direkt reflektiert wird, und ein Anteil des Strahls, der durch die Metalloberfläche direkt gestreut wird, durch ein halbdurchlässiges Filter mit rauher Oberfläche geleitet xvird und die Änderung der Menge wenigstens eines dieser beiden Anteile gemessen wird, von denen ein Anteil des Strahls durch die Metalloberfläche reflektiert
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_ 5 —
■und durch, das Euter geleitet und der andere Anteil des Strahls durch, die Metalloberfläche gestreut und durch das Filter geleitet wird.
Durch, das erfindungsgemäße Verfahren wird somit die räumliche Intensität des Strahls von der zu untersuchenden Metalloberfläche durch optische Einrichtungen egalisiert. Die optischen Einrichtungen umfassen zxfei Arten, d.h. einen Reflektionsvorgang, wobei ein reflektierender Schirm mit einer rauhen Oberfläche verwendet wird, und einen FiItervorgang, wobei eine halbtransparente Filterfläche mit einer rauhen Oberfläche verwendet wird.
Beispielsweise Ausführungsformen nach der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung der Reflektion,
Fig. 2 ein Beispiel eines Ausgangssignals von einem fotoelektrischen Umformer, wie er in Fig. 1 verwendet ist,
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform unter Verwendung eines Filters,
Fig. 4 ein Beispiel eines Ausgangssignals von einem fotoelektrischen Umformer, wie er in Fig. 3 verwendet ist, und
Fig. 5 eine beispielsweise Anordnung von mehreren fotoelektrischen Umformern.
Nach der schematischen Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Figur 1, wobei ein Reflektionsvorgang Verwendung findet, wird ein von einem Laseroszillator 1 kommender Laserstrahl 2 durch ein optisches System 3 mit einer Linse oder dergleichen fein gebündelt bzw. ausgerichtet und dann auf die Oberfläche eines metallenen Materials 4 geleitet, die untersucht werden soll. Bei dieser Ausführungsform ist das zu untersuchende Metall röhrenförmig, beispielsweise eine Brennstoffhülle für Kernreaktoren, wobei der Laserstrahl 2 auf den Teil der Oberfläche der Röhre 4 aufgestrahlt wird, der in einem vorbestimmten
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Anstand d senkrecht von der Achse weg liegt. Eine Exzentrizität d ist ein spezifisch "bestimmter Wert für die Feststellung von Rissen auf der.. Oberfläche des im Querschnitt kreisförmigen Materials 4- und für die Abtrennung des gestreuten Strahlanteils 5 von einem direkt reflektierten Strahlanteil 6. Der direkt reflektierte Strahlanteil 6 des Laserstrahls 2 trifft auf einen reflektierenden Schirm 7» dessen reflektierende Oberfläche verhältnismäßig rauh ist, so daß der reflektierte Strahlanteil 6 egalisiert bzw. ausgeglichen und wieder reflektiert wird. Als reflektierenaer Schirm 7 kann dünnes Papier verwendet werden, das halbtransparent oder opak sein kann. Der'Strahlanteil 6, der durch den reflektierenden Schirm 7 gestreut und egalisiert wird, verläuft als reflektierter Strahl 8 weiter in einen fotoelektrischen Umformer 9, in dem er in ein elektrisches Signal umgesetzt wird. Dieses elektrische Signal wird durch eine geeignete Signalverarbeitungseinrichtung 10 verarbeitet.
Es wird die Stärke des reflektierten Strahls 8 gemessen, während die Strahlungsstelle des Laserstrahls 2 auf der Oberfläche des Materials 4- allmählich verändert wird, so daß die Existenz und Lage von Rissen festgestellt werden kann.
Zum Indern der Bestrahlungsstelle des Laserstrahls 2 auf dem Material 4 kann dieses in Drehung versetzt werden, der Laserstrahl 2 als Abtaststrahl über das Material geführt werden oder es kann eine Kombination dieser beiden Arbeitsweisen vorgesehen werden.
Die Pig. 2 zeigt ein Beispiel eines Ausgangssignals von dem fotoelektrischen Umformer 9·
Das zu untersuchende Material· 4 ist bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform röhrenförmig, selbstverständlich aber kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch ein flaches Material oder ein in anderer V/eise geformtes Material untersucht werden. Wenn ein flaches bzw. ebenes Metallstück untersucht wird, kann der reflektierende Schirm schräggestellt werden, so daß der gestreute Anteil des Strahls von dem direkt reflektierten Strahlanteil ab-
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getrennt wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Risse auf der Oberfläche eines metallenen Materials irgendwelcher Formgebung durch Streuen des Anteils des Laserstrahls festgestellt werden, der durch die Metallo"berflache reflektiert wird, um die Intensitätsverteilung im Raum "bzw. Bereich des reflektierten Strahls zu egalisieren bzw. gleichmäßig zu machen, ohne daß durch Änderungen des Oberflächenzustandes "bezüglich Schallanteil des Materials die Untersuchung beeinflußt wird.
Die Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform nach der Erfindung, wobei ein Filtervorgang Verwendung findet. Auch hierbei wird ein zylindrischer Metallkörper 14- wie bei dem Ausführungsbeispiel nach !Fig. 1 verwendet, jedoch kann natürlich auch ein ebenes Werkstück ebenso untersucht werden.
Der Laserstrahl 12 vom Laseroszillator 11 wird durch ein optisches System 13 fein gebündelt und auf die Oberfläche des zu untersuchenden Metallrohres 1A- geleitet. Der Laserstrahl 12 wird in der gleichen Weise wie bei der Ausführungsform nach Pig. 1 aufgestrahlt, d.h. auf eine Stelle der Oberfläche des Rohres 14, die senkrecht zur Achse einen Abstand d1 von dieser hat, damit der gestreute Strahlanteil 15 von dem direkt reflektierten Strahlanteil 16 abgetrennt werden kann, der dann auf ein halbdurchlässiges Filter 17 mit einer rauhen Oberfläche geleitet wird. Als Filter 17 kann ein halbdurchlässiges Papier wie beispielsweise Pauspapier bzw. Transparentpapier verwendet werden.
Auf der anderen Seite des Filters 17 sind in geeigneten Stellungen fotoelektrische Umformer 19 angeordnet, deren Ausgangssignal durch eine Signalverarbeitungseinrichtung 20 verarbeitet wird. Da die Oberfläche des Filters 17 rauh ist, erhält man ein ausgeglichenes bzw. gleichmäßiges optisches Bild.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist ein fotoelektrischer Umformer 19b nahe am Filter 17 und in einer bestimmten Entfernung
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von der Stelle angeordnet, die einen hohen Grad von Helligkeit aufweist, welche durch einen Schall- "bzw. Tonanteil der Oberfläche des Materials 14 erzeugt wird. Somit kann nach diesem Verfahren der aufgrund von Rissen auf der Oberfläche des Metallkörpers gestreute Strahlanteil ohne Einschränkungen festgestellt werden. Die Fig. 4 zeigt ein Beispiel eines bei dieser Ausführungsform erhaltenen Signals. Impulsförmige positive Signale, bei denen die Menge bzw. Stärke des Strahls erhöht ist,stellen die Risse auf der Materialoberfläche dar.
Da ein fotoelektrischer Umformer 19a an der zentralen Stelle mit der größten Helligkeit angeordnet ist, können Änderungen der Intensität des reflektierten Strahls festgestellt werden und man kann den Zustand der polierten Oberfläche des Materials feststellen.
Wie Fig. 5 zeigt, können mehrere fotoelektrische Umformer 19a, 19b, 19c, 19d, ... an einer Stelle 21 mit der stärksten Helligkeit auf der anderen Seite des Filters 17 und an geeigneten Stellen nahe dieser zentralen Stelle 21 angeordnet werden, so daß mehrere Signale von den fotoelektrischen Umformern miteinander verglichen werden können und man verschiedene Informationen über Risse auf der Oberfläche des Materials erhält, beispielsweise nicht nur über Größe und Lage, sondern auch über die Art des Risses.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Feststellen von Rissen auf der Oberfläche eines Metallkörpers, wobei der durch die Metalloberfläche reflektierte oder gestreute Strahl durch Verwendung einer reflektierenden Fläche oder einer Filterfläche mit einer rauhen Oberfläche egalisiert wird bzw. ausgeglichen wird. Hierdurch können Störungen bzw. Verzerrungen aufgrund von Änderungen des Oberflächenzustandes bezüglich Schallanteil der Oberfläche des Materials und aufgrund von Vibrationen des Materials "bei dessen Bewegung verhindert werden, welche das Feststellen von Rissen nachteilig beeinflussen könnten. Im Gegensatz zu her-
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kömmlichen Verfahren, "bei denen ein direkt reflektierter Strahl unmittelbar für die Messung verwendet wird, wird durch die Erfindung eine Verbesserung im Störabstand erreicht und es können Risse auf der oberfläche eines Metalls mit Informationen über Größe und Lage exakt festgestellt werden.
Die Darstellung der Signale in den Figuren 2 und 4 zeigt den Verlauf der Strahlstärke.
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Leerseite

Claims (1)

  1. Dr. F. Zumste.n ser». - Or. -=. Assrr«a"ti - Dr. R. Koenigsberger Dipl.-Phys. R. Holzbauer - Dip!.-I"g. F. Klingseisen - Dr. F. Zumstein jun.
    PATENTANWÄLTE
    BOOO München 2 · BräuhausstraSe 4 ■ Telefon Sarnmel-Nr. 22 5341 · Telegramme Zumpat · Telex 529979
    Case 2J5
    Who
    DOEXOKUEO KAEÖBEHETO KAIKATSU JIG-YODAlT, Minato-ku, Tokio, Japan
    Verfahren zum Feststellen von Rissen auf einer Metalloberfläche
    Patentansprüche
    Verfahren zum Feststellen von Hissen auf einer Metalloberfläche, wobei ein Laserstrahl auf die zu untersuchende Metalloberfläche gerichtet, die Bestrahlungsstelle verändert und die Änderung der Stärke des durch die Metalloberfläche reflektierten Strahls gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil (6) des Strahls, der durch die Metalloberfläche (4) direkt reflektiert wird, auf einen Eeflektor (7) mit rauher Oberfläche geleitet wird und die Änderung der Stärke des vom Reflektor reflektierten Strahls (8) gemessen wird.
    Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Stärke des vom Reflektor reflektierten Strahls (8) durch einen fotoelektrischen Umformer (9) gemessen wird.
    Verfahren zum Peststellen von Rissen auf einer Metalloberfläche, wobei ein Laserstrahl auf die zu untersuchende Metalloberfläche geleitet, die Bestrahlungsstelle verändert und die Änderung der Stärke des von der Metalloberfläche reflektierten Strahls gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil (16) des Strahls, der durch die Metalloberfläche (14) direkt reflektiert wird, und ein Teil (15) des Strahls, der durch die
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    Me tallob er fläche direkt zerstreut wird, durch ein hallD-durchlässiges Filter (17) mit einer rauhen Oberfläche geleitet werden und die Änderung der Starke des durch die Metalloterflache reflektierten und durch das Filter (17) verlaufenden Teils (16) des Strahls und/oder die Änderung der Menge des durch die Metalloberfläche zerstreuten und .durch das Filter (17) geleiteten Teils (15) <les Strahls gemessen wird.
    4-. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Stärke des durch das Filter (17) verlaufenden Strahls durch einen fotoelektrischen Umformer (19) gemessen wird.
    5. Verfahren nach Anspruch 4·, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale von/ geeigneten Stellungen auf der anderen Seite des Filters (17) angeordneten fotoelektrischen Umformer (19) miteinander verglichen werden.
    Ö0981S/0860
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