DE3001885A1

DE3001885A1 - Pruefgeraet zur zerstoerungsfreien materialpruefung auf fehlerstellen

Info

Publication number: DE3001885A1
Application number: DE19803001885
Authority: DE
Inventors: Alan Patrick Anderson; John Charles Jackson
Original assignee: LAMBDA IND SCIENCE Ltd
Current assignee: LAMBDA IND SCIENCE Ltd
Priority date: 1979-01-20
Filing date: 1980-01-19
Publication date: 1980-07-31
Also published as: US4344030A; JPS55129734A; SE8000410L

Description

Andrejewski, Honke & Partner Diplom-Physiker Dr. Walter Andrejewski Diplom-Ingenieur Dr.-Ing. Manfred Honke Diplom-Physiker Dr. Karl Gerhard Masch Anwaltsakte:

54 879/W-th

4300 Essen 1, Theaterplatz 3, Postf. 100254

17. Januar I980

Patent- und Cebrauchsmusterhilfsanmeldung LAMBDA INDUSTRIAL SCIENCE LIMITED 26 Meadow Street, Sheffield, S3 7BQ, England

Prüfgerät zur zerstörungsfreien
Materialprüfung auf Fehlerstellen.

Die Erfindung betrifft ein Prüfgerät zur zerstörungsfreien Materialprüfung auf Fehlerstellen und dabei insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich, ein derartiges Gerät zur Feststellung von Oberflächenfehlern oder -rissen in Knüppeln, Bändern oder Platten, welche an einer Prüfstelle vorbeilaufen.

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Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen

Das Vorhandensein derartiger Oberflächenfehler wie Risse in Knüppeln, Bändern oder Platten ist für die Weiterverarbeitung wie beispielsweise Schmiede- und Stanzvorgänge äußerst nachteilig, sodaß es sehr wichtig ist, derartige Fehlerstellen festzustellen und zu entfernen, beispielsweise durch Schleifen, bevor eine Weiterbehandlung durchgeführt wird. Insbesondere in kontinuierlichen Bearbeitungsverfahren, bei denen das Werkstück sich mit mehreren m/sec vorwärtsbewegen kann, wird bisher die Werkstückkontrolle rein visuell durchgeführt, was naturgemäß keineswegs zuverlässige Ergebnisse zeitigt. Bei einem Versuch, die visuelle Kontrolle zu verbessern, wurde bereits vorgeschlagen, ferromagnetische Stoffe wie beispielsweise Stahl kurzzeitig zu magnetisieren und das Material in eine Suspension aus feinen ferromagnetischen Teilchen und einer Ultraviolett-Farbe zu tauchen. Unterbrechungen im Magnetfluß durch den Riß mit anschließender Verstärkung des Flußgradienten an seinen scharfen Kanten bringt die feinen Teilchen dazu, sich unmittelbar am Riß zu sammeln. Durch die Teilchen wird fluoreszierende Farbe mitgerissen, sodaß bei ultravioletter Beleuchtung die Fehlerstelle sichtbar wird. Für derartige Verfahren sind jedoch kostenaufwendige technische Anlagen erforderlich, sodaß diese Verfahren keineswegs in der Eisenmetallindustrie allgemein üblich ist. Ein weiteres nachteiliges Merkmal dieser Verfahren besteht darin, daß sie nicht ohne weiteres für automatischen Einsatz geeignet sind. Außerdem können diese Verfahren nicht bei heißen Werkstoffen angewendet werden.

Eine sehr wirksame Methode zur Feststellung von Fehlerstellen in festliegenden Metallflächen beruht auf dem Wirbelstrom-Effekt.

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Dabei wird eine einen Wirbelstrom führende kleine Spule dicht an die Metallfläche gehalten, wobei der Abstand gewöhnlich 1 mm beträgt. Diese Spule induziert elektrische Ströme., welche als Wirbelströme oder Foucault'sehe Ströme bekannt sind, und zwar unmittelbar unter der Oberfläche des Werkstoffes. Diese induzieren ihrerseits Ströme in eine zweite kleine Spule, welche nahe der Metallfläche und der ersten Spule gehalten wird. Ein in das Feld der ersten Spule eintretender Riß stört den Fluß der induzierten Wirbelströme und setzt ihre Stärke herab, was wiederum die in der Aufnahmespule induzierten Ströme herabsetzt. Diese Veränderung wird festgestellt oder gemessen und gibt das Vorhandensein eines Risses an. Der Hauptnachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß die Spulen derart dicht an der Metallfläche angeordnet werden müssen, was seine allgemeine Anwendung bei sich bewegenden Werkstoffen verhindert hat, deren Bewegung und Schwingung der Metallfläche eine nicht allzu genau definierbare Lage erteilt. Ein weiterer Nachteil ist die Uberempfindlichkeit bei ferromagnetischen Werkstoffen, da sich hier unerwünschte Angaben beispielsweise bei Veränderungen in der Kristallstruktur ergeben können. Aus diesem Grunde wird dieses Verfahren gewöhnlich nur bei unmagnetischen Werkstoffen angewendet. Schließlich läßt sich dieses Verfahren auch nieht bei heißen Werkstoffen anwenden.

Schließlich wurden auch Versuche unternommen, für die zerstörungsfreie Materialprüfung Mikrowellen zu verwenden. In einem Artikel von Hruby und Feinstein in The Review of Scientific Instruments, Vol. 41, 5, vom Mai I970 mit dem Titel (A Novel Nondestructive, Noncontacting Method of Measuring the Depth of Thin Slits and Cracks in Metals" wird eine Technik beschrieben, bei welcher unpolarislerte Mikrowellen durch eine Öffnung auf eine Oberfläche

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gerichtet werden, wobei, wenn irgendein Riß in der Oberfläche durch die unpolarisierten Mikrowellen aufgefangen wird, ein Teil des Abtastsignals in ein vom Polarisationswinlcel abhängiges Signal umgewandelt wird, wobei die Tiefe einer mit Vorbedacht unter der Vorrichtung angeordneten bekannten Kerbe gemessen werden kann. In einem Artikel von Feinstein, Gysel und Robinson in "The Procedures of the 10th Symposium on NDE, San Antonio", April 1975 mit dem Titel "A Noncontacting Device for Detection of Cracks on Metal Surfaces" wird ein Detektor oder Empfänger beschrieben, welcher die Fähigkeit von zwei gekoppelten Bandleitungen ausnutzt,, Dabei tasten zwei auf einer dielektrischen Platte gedruckte Leiter, deren andere Seite mit Metall bekleidet istj eine Metallfläche in geringem Abstand ab, sodaß die Metallfläche Teil der HF-Erdleitung wird. Die beiden Bandleitungen werden auf die gleiche "Mode" erregt und ein Riß in der Metallfläche koppelt die Energie in die andere "Mode", da der Riß die Symmetrie der gekoppelten Leitungen umwirft. Bei beiden Techniken der vorbeschriebenen Art muß jedoch eindeutig die Fehlerstelle vom Meßkopf um einen Bruchteil der Wellenlänge der Mikrowellen entfernt sein, sodaß beide Verfahren völlig ungeeignet sind, um Werkstücke wie Knüppel, Bänder oder Platten, welche sich an der Meßstelle vorbeibewegen, kontinuierlich zu überwachen. Die große Nähe der Vorrichtung an der sich bewegenden Oberfläche würde zwangsläufig zu einer Beschädigung der Einrichtung führen, was diese vorgeschlagenen Prüfverfahren in diesem Fall völlig wertlos macht, wobei man außerdem nicht ohne weiteres irgendein heißes Werkstück prüfen kann.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein Prüfgerät zu schaffen, mittels welchem eine metallische Oberfläche unter

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Verwendung von Mikrowellen zerstörungsfrei geprüft werden kann, ohne daß das Prüfgerät Schaden leidet, wenn Werkstück und Detektor sich gegeneinander bewegen.

Ein erfindungsgemäßes Prüfgerät zur zerstörungsfreien Materialprüfung auf Fehlerstellen ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß es eine Strahlungsquelle für linearpolarisierte Mikrowellen aufweist, deren Strahlung auf eine abzutastende Fläche richtbar ist, ferner eine Meßeinrichtung für von der Fläche reflektierte linearpolarisierte Mikrowellenstrahlung, wobei die Polarisationsrichtungen des Senders und des Empfängers rechtwinklig zueinander verlaufen.

Vorzugsweise haben Sender und Empfänger die Form von Sende- bezw. Empfangs-Hornstrahlern oder Trichterantennen, wenn auch ein einziges Horn verwendet werden kann, um linearpolarisierte Mikrowellen abzugeben und zu empfangen, wobei die Polarisation der empfangenen linearpolarisierten Mikrowellen rechtwinklig zu den ausgestrahlten Wellen verläuft.

Dadurch, daß ein Bündel linearpolarisierter Mikrowellenstrahlen gegen die Oberfläche gerichtet wird und die linearpolarisierte Reflektion von der Oberfläche festgestellt wird, können Sender und Empfänger in einem derartigen Abstand von der zu prüfenden Oberfläche angeordnet werden, daß sie nicht durch Schwingungen infolge einer Bewegung der abgetasteten Fläche oder durch irgendwelche Ungleichmäßigkeiten der abgetasteten Fläche oder auch durch Wärmestrahlung seitens dieser Fläche beeinflußt werden, wodurch sichergestellt wird, daß mittels eines derartigen Prüfgerätes

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Knüppel oder Stranggut, Bänder oder Platten, welche an der Prüfstelle vorbeilaufen, fortlaufend abgetastet und damit geprüft werden können.

Zur Erläuterung des Grundprinzips der erfindungsgemäßen Vorrichtung mag darauf hingewiesen werden, daß, wenn ein Bündel linearpolarisierter Mikrowellen auf die abzutastende Oberfläche gerichtet wird, und zwar mit annähernd senkrechtem Einfall, wenn dies auch nicht unbedingt wichtig ist, das elektrische Feld eine als Polarisations-Richtung bekannte konstante Richtung hat. Wenn auch die Wellenlänge nicht kritisch ist, so beträgt ein kritischer Wert 8 mm. Dieses Strahlenbündel wird von der Oberfläche reflektiert und die Polarisationsebene des reflektierten Bündels fällt, wenn die Oberfläche fehlerfrei ist, mit dem einfallenden Strahlenbündel zusammen. Um zu verstehen, wie das reflektierte Strahlenbündel durch das Vorhandensein eines Risses in der Oberfläche beeinflußt wird, muß man den Reflektionsprozeß verstehen, Sehr allgemein ausgedrückt kann gesagt werden, daß auf eine leitende Oberfläche einfallende Strahlung die Leitungselektroden im Material nahe der Oberfläche innerhalb einer als Eindringtiefe bekannten Distanz zu einer Schwingbewegung in der Strahlungsfrequenz bringt. In eine derartige Bewegung versetzte Elektronen erzeugen Strahlung, wobei die Kombination derartiger wiedererzeugter Wellen das reflektierte Strahlenbündel bildet.

Bei linearpolarisierter einfallender Strahlung erfolgen die induzierten Elektronenbewegungen alle in der Polarisationsrichtung, d.h. wenn die Oberfläche fehlerfrei ist. Diese Schwingungen erzeugen erneut linearpolarisierte Wellen, welche insgesamt ein

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Reflektionsstrahlenbündel ergeben, welches die gleiche Polarisation wie das einfallende Strahlenbündel besitzt. Wenn die Oberfläche jedoch eine lineare Fehlerstelle aufweist, sodaß ihre elektrische Leitfähigkeit längs einer Linie unterbrochen wird, werden die Elektronen nahe der Fehlerstelle in eine Richtung parallel zur Fehlerstelle gezwungen. In diesem Fall enthält das reflektierte Strahlenbündel eine Komponente, welche in der Richtung der Fehlerstelle linearpolarisiert ist, welche im allgemeinen nicht mit der Polarisationsrichtung des einfallenden Strahlenbündels zusammenfällt. Infolgedessen kann ein Empfanger, welcher derart eingestellt ist, daß er nur auf reflektierte Strahlenbündel antwortet, welche in einer Richtung linearpolarisiert sind, die rechtwinklig zur Polarisationsrichtung des einfallenden Strahlenbündels verläuft, keine Antwort erteilen, wenn die Oberfläche rißfrei ist. Ein Empfangssignal zeigt, daß eine Fehlerstelle vorliegt. Die Antwort eines derartigen Systems hängt von dem Winkel zwischen der Richtung der Fehlerstelle oder des Risses und der Polarisationsrichtung des einfallenden Strahlenbündels ab, wobei die Antwort Null ist, wenn beide Richtungen zusammenfallen, und am stärksten ist, wenn dieser Winkel 45° beträgt» Um unbedingt zuverlässig zu sein, insbesondere, wenn das System eine Eichung aufweisen soll, bei welcher die Antwort auf die Schwere der Fehlerstelle bezogen ist, muß die Orientierung der Fehlerstellen bekannt sein. In der Praxis ist dies jedoch keine schwerwiegende Einschränkung.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von zwei in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen im einzelnen erläutert; es zeigt

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Fig.l eine Endansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einsatz bei der Materialprüfung eines sich fortlaufend bewegenden Werkstückes;

Fig.2 eine Draufsicht auf die Vorrichtung in Fig.l;

Fig.3 eine Endansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur kontinuierlichen Bewegung über ein Werkstück;

Fig.4 eine Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß Fig.3; und

Fig.5 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in Fig.l entsprechender Darstellung.

Die Figuren 1 und 2 zeigen ein erfindungsgemäßes Prüfgerät zur Feststellung von Rissen in Stahlknüppeln, welche nach einem kontinuierlichen Gießverfahren hergestellt werden, bei welchem flüssiger Stahl in das eine Ende einer vibrierenden gekühlten Form einfließt und am anderen Ende als erstarrter Knüppel austritt. Bei einem derartigen Herstellungsverfahren ist es im allgemeinen unvermeidbar, daß Oberflächenrisse auftreten, und zwar vorherrschend an den Außenseiten des Knüppels und rechtwinklig zu dessen Länge. Bei einer derartigen Anwendung besitzt das erfindungsgemäße Prüfgerät eine Sende-Hornantenne oder Trichterantenne 1 und eine Empfangs-Hörnantenne oder Trichterantenne 2, welche jeweils über der Fläche 3 des Knüppels 4 in einer typischen Entfernung von βθ mm angeordnet sind, wie dies Fig.l zeigt. Ihre Polarisationsrichtungen verlaufen rechtwinklig zueinander und im Winkel von 45° zur Länge des Knüppels. Diese Richtantennen sind über Wellen- oder Hohlleiter 5 bezw. 6 mit einem Mikrowellensender 7 bezw. einem Mikrowellenempfänger 8 verbunden. Die Sende-

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antenne beleuchtet einen Bereich auf der Fläche 3* welcher etwa die gesamte Breite der Fläche bedeckt, während die Empfangsantenne diesen Bereich beobachtet oder prüft. Wenn der Knüppel sich beispielsweise beim Verlassen der kontinuierlich arbeitenden Gießmaschine oder auch zu irgendeinem anderen späteren Zeitpunkt in Längsrichtung 9 (Fig.2) fortbewegt, laufen Risse wie der Riß 10 gleichzeitig unter den beiden Richtantennen durch und der Empfänger gibt eine entsprechende Reihe von Ausgangsimpulsen ab. Diese können einen Alarm auslösen und auf einem Oszilloskop oder einer Sohreibvorrichtung 11 aufgezeichnet werden, oder sie können einen automatischen Prozeß einleiten, durch welchen die Risse markiert werden. Fehlerhafte Knüppel werden dann ein einen Bereich abgeleitet, welcher für ihre Inspektion und Behandlung reserviert ist. Vier derartige Systeme würden die vier Flächen des Knüppels gleichzeitig prüfen.

Erfindungsgemäß können die kostenaufwendigen und empfindlichen Bauteile des Systems, nämlich der eigentliche Sender 7 und der Empfänger 8, in reichlichem Abstand von dem zu überprüfenden Material angeordnet werden, wodurch die Gefahr einer Beschädigung weitgehend verhindert wird. Der Abstand der Richtantennen 1 und 2 von der Fläche j5 reicht aus, um jegliche wahrscheinliche Veränderung der Lage dieser Oberfläche zu akkomodieren und er ist auch groß genug, um eine übermäßige Erwärmung dieser Bauteile zu verhindern, wenn das Material sehr heiß ist, wie es der Fall ist, wenn es eine fortlaufend arbeitende Gießmaschine verläßt. Auf jeden Fall können jedoch die Richtantennen und Wellen- oder Hohlleiter als relativ preiswerte Bauteile angesehen werden und daher ohne großen Kostenaufwand leicht ausgetauscht werden.

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Die Figuren 3 und 4 zeigen die Anwendung der Erfindung bei Walzknüppeln, welche in einer Walzstraße hergestellt werden, in welcher ein Gußknüppel erhitzt und durch einen Walzenzug hindurchgeführt wird, in welchem er in Längsrichtung gestreckt wird, während sein Durchmesser verringert wird. Hier entstehen Fehlerstellen wie Risse normalerweise vorherrschend entlang der Knüppellänge, wobei sie im allgemeinen etwas länger sind als bei kontinuierlich gegossenen Knüppeln. Zur Feststellung derartiger Fehler werden Sende- und Empfangs-Richtantennen 12 bezw. Ij5 auf einer beweglichen Plattform 14 montiert und über der Fläche 15 eines Knüppels' angeordnet, wie dies Fig.3 zeigt. Außerdem sind auf der Plattform auch der Sender 17 und der Empfänger 18 montiert und zur Kraft- und Signalübertragung sind flexible Kabelverbindungen vorgesehen. Derartige Bauteile sind ohne weiteres in einer Ausführung erhältlich, um diese bewegliche Anlage klein und leicht aufbauen zu können, sodaß eine schnelle mechanische Abtastung möglich ist. Die Plattform 14 wird mechanisch in Richtung der Pfeile 19 in Fig.4 hin und her geführt, wobei die Sende- und Empfangsbauteile mitgeführt werden. Das Ausmaß dieser Bewegung entspricht der Breite des Knüppels 16. Der vom System in Jedem Augenblick obeervierte Bereich hat annähernd 10 mm lineare Ausdehnung, d.h. etwas weniger als die Knüppelbreite. Wenn der Knüppel sich in Längsrichtung 20 fortbewegt, laufen Fehlerstellen wie beispielsweise ein Riß 21 unter dem System hindurch und der Empfänger gibt einen genau definierten Impuls ab, da die Richtantennen gleichzeitig über den Riß hinweglaufen, und zwar während jeder Abtastbewegung einmal. Die Merkmale dieses Impulses werden zur Stärke und Art der Fehlerstelle in Beziehung gebracht. Um eine volle Flächenabdeckung eines sich mit 0,3 m/s fortbewegenden Knüppels zu erreichen, wäre eine Abtastgeschwindigkeit von etwa

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30 Hz erforderlich« Elektronische Alternativen zur mechanischen Abtastung- stehen zur Verfügung, beispielsweise die Verwendung einer linearen Gruppierung feststehender Richtantennen. Eine elektronische Abtastung" wäre insbesondere für hohe Abtastgeschwindigkeiten nützlich, und es ist selbstverständlich, daß die hier offenbarte Methode die Anwendung derartiger Techniken einschließt.

Um die erfindungsgemäße Vorrichtung empfindlicher zu machen und mit ihr-genauer unterscheiden zu können, und zwar unabhängig von ihrer speziellen Anwendung, wird vorzugsweise, wie Fig.5 zeigt, ein Bezugssignal direkt vom Sender an den Empfänger übertragen, sodaß, wenn durch die Fehlerstellen oder Risse schwache Signale reflektiert; oder zurückgestrahlt werden, diese mit größerer Genauigkeit festgestellt werden können. Durch ein Bezugssignal 22 wird das zurückgestrahlte Signal mit dem Bezugssignal kombiniert, sodaß sich ein Tnterfernzmuster als Ausgang des Detektors ergibt, wenn die Fehlerstelle vom Detektor abgetastet wird. Dieses eindimensionale Hologram,, doh. das Zeichen der Fehlerstelle, ist"erkennbar und liefert eine Unterscheidung bei Störgeräuschen. Falls gewünscht kann'das holographische Zeichen durch geeignete Einrichtungen weiter verarbeitet werden, um einen impulsförmigen Ausgang zu ergeben, was besonders nützlich ist, wenn mehr als eine Fehlerstelle im Blickfeld des Detektors vorhanden ist und sich dadurch ein komplizierteres holographisches Zeichen ergibt. Außerdem können diese verarbeiteten Daten ein zweidimensionales Bildformat liefern, wenn die Mikrowellenvorrichtung gegenüber dem Werkstück in zwei orthogonale Richtungen zerlegt wird.

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Claims

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'- : Patentansprüche:

lJ Prüfgerät zur zerstörungsfreien Materialprüfung auf Fehlerstellen, dadurch .gekennzeichnet, daß es eine Strahlungsquelle (7; 17) für linearpolarisierte Mikrowellen aufweist, deren Strahlung auf eine abzutastende Fläche (j5) richtbar ist, ferner eine Meßeinrichtung (8; Ib) für von der Fläche reflektierte linearpolarisierte Mikroweilenstrahlung, wobei die Polarisationsrichtungen des Senders und des Empfängers rechtwinklig zueinander verlaufen.
2. Prüfgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Sender und Empfänger als Hornstrahler bezw. Trichterantennen (Ij 12 bezw. 2; 13) ausgebildet sind.
3. Prüfgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine einzige Trichterantenne zum Senden linearpolarisierter Mikrowellen und Empfangen rechtwinklig dazu linearpolarisierter Mikrowellen vorgesehen ist.
4. Prüfgerät nach einem der Ansprüche 1 bis ~5, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsrichtungen des Senders und Empfängers in einem spitzen Winkel zur wahrscheinlichen Richtung der Fehlerstelle in der abzutastenden Fläche verlaufen.
5· Prüfgerät nach einem der Ansprüche 1 bis J>, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsrichtungen des Senders und Empfängers in einem Winkel von 45 zur wahrscheinlichen Richtung der Fehlerstelle in der abzutastenden Fläche verlaufen.

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6. Prüfgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5j dadurch gekennzeichnet, daß der Sender ein Bezugssignal (22) direkt an den
Empfänger abstrahlt.

7· Prüfgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgabe des Empfängers als eindimensionales holographisches
Zeichen dargestellt ist.

8, Prüfgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7* dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zur Umwandlung des holographischen Zeichens in eine Impulsform vorgesehen sind.

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