DE3789869T2

DE3789869T2 - Verfahren zur messung der tiefe von oberflächenunebenheitsfehlern eines festen materials unter verwendung von ultraschallwellen.

Info

Publication number: DE3789869T2
Application number: DE3789869T
Authority: DE
Inventors: Takeshi Banchi Miyajima
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1987-06-08
Filing date: 1987-06-08
Publication date: 1994-12-22
Anticipated expiration: 2007-06-09
Also published as: EP0317629A4; DE3789869D1; US5005420A; EP0317629B1; WO1988009931A1; EP0317629A1

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Ultraschallverfahren zum Messen der Tiefe eines Oberflächenöffnungsfehlers in einem festen Körper (Festkörper).
Der Begriff "Oberflächenöffnungsfehler" in einem festen Körper, wie er hier verwendet wird, bezieht sich nicht nur auf Fehler, die offen zu der Oberfläche von Teilen oder Gliedern irgendeiner Höhe sind, die zum Beisiel elektrische, mechanische Ausrüstungs- oder Installationen usw. in unterschiedlichen industriellen Gebieten aufweisen, sondern auf einen Fehler, der sich nicht zur Oberfläche öffnet, aber in dessen Nähe existiert. Insbesondere umfassen die Oberflächenöffnungsfehler oder an der Oberfläche offenen Fehler unterschiedliche Risse, Spalte oder Brüche, wie zum Beispiel Schweißspalte oder Brüche in einem geschweißten Teil, Abschreckbrüche oder Härterisse während einer Wärmebehandlung, Schleifrisse, die während des Schleifens auftreten, Belastungskorrosionsrisse, usw. und Ermüdungsbrüche oder -risse usw. in Materialien, auf die die vorliegende Erfindung anwendbar ist. Auch der Begriff "Festkörper", der hier beschrieben ist, bezieht sich auf eine Masse oder einen Körper eines Metalls sowie eine Masse oder einen Körper eines Nicht-Metalls, wie zum Beispiel Glas, Keramiken, synthetisches Harz, Gummi usw., durch die sich Ultraschallwellen ausbreiten oder propagieren.
Die "Tiefe des Oberflächenöffnungsfehlers" deutet hier auf den vertikalen Abstand von der Oberfläche eines Festkörpers, auf dem sich der Fehler öffnet bis zum Ende der Tiefe in dem Festkörper hin.

Ausgangspunkt

Für eine Ultraschallmessung der Tiefe eines Fehlers, der an der Oberfläche eines Festkörpers offen ist, wie zum Beispiel Schweißrisse oder -brüche in einem geschweißten Teil, Ermüdungsrisse oder Brüche in einem Teil eines Gliedes, in dem Belastungen konzentriert auftreten usw., wurden in letzter Zeit verschiedene Verfahren untersucht infolge der Notwendigkeit gemessener Information und die Ergebnisse dieser Studien wurden berichtet. Zum Beispiel (1) ist die Messung der Ermüdungsbruchtiefe durch das Endspitzenechoverfahren in "Nondestructive Inspection", Band 31, Nr. 9, September 1982, Seiten 690-691, berichtet,
(2) ist das Verfahren für die Untersuchung von Brüchen und/oder Rissen unter Verwendung von gestreuten Ultraschallwellen in "Nondestructive Inspection", Band 29, Nr. 2, Februar 1980, Seiten 136-137, offenbart,
(3) ist die Messung der Höhe des unvollständigen Eindringens in einem geschweißten Teil von Stahlplatten offenbart in "Nondestructive Inspection, Band 34, Nr. 2, Februar 1985, Seiten 112-113, und
(4) ist die Genauigkeit der Messung der Nuttiefe basierend auf der Zeitverzögerung von Ultraschallwellen beschrieben in "Nondestructive Inspection", Band 29, Nr. 2, Februar 1980, Seiten 130-131.
Bei der in dem Bericht (1) beschriebenen Messung wird eine Längswellenwinkelsonde der punktfokussierenden Bauart verwendet zum Messen der Beziehung zwischen dem Strahlenpfad und unterschiedlichen Arten von Tiefen von Schlitzen, die axial in der Innenwand der Kurve oder Krümmung eines Rohrs gebildet sind, und zwar vom Außenumfang des Rohrs aus durch das Endspitzenverfahren, wodurch die Bruch- oder Rißtiefe bestimmt wird aus einer Kalibrierungskurve, die basierend auf dem gemessenen Strahlenpfad präpariert wurde. Bei dem Verfahren der Bruch- oder Rißmessung, das gestreute Ultraschallwellen in dem obigen Bericht (2) verwendet, wird eine Sonde verwendet, die darin angeordnet einen Ultraschallsendetransducer oder -wandler und einen Empfängertransducer symmetisch angeordnet besitzt bezüglich eines Trennflächenelements. Wenn Ultraschallwellen von dem Sendetransducer in Richtung eines Objektes, das in Wasser eingetaucht ist, abgestrahlt werden, wird eine Zeitdifferenz Δt für den Empfang von gestreuten Wellen durch den Empfangstransducer gemessen, wenn der Gegenstand einen Fehler besitzt und wenn der Gegenstand keinen Fehler besitzt. Unter Verwendung der Korrelation zwischen der Zeitdifferenz Δt und der Fehlertiefe d wird die Fehlertiefe d bestimmt. Bei dem in dem Bericht (3) beschriebenen Verfahren wird eine Zwei-Transducer aufweisende Sonde der Vertikalbauart verwendet und auf der einen Seite einer glatten bearbeiteten Platte mit einer Dicke t (9 bis 12 mm in dem Bericht) stoßverbunden. Die Eindring- oder Penetrationstiefe d in dem geschweißten Teil wird direkt abgelesen von der Zeitbasis des Ultraschallfehlerdetektors und mit der Plattendicke verglichen, wodurch die Höhe der unvollständigen Penetration h = (t-d) gemessen wird. Bei dem in Bericht (4) beschriebenen Verfahren wird ein Ultraschallfehlerdetektor, der das Messen der Ultraschallausbreitungs- oder Propagationszeit mit einer hohen Genauigkeit ermöglicht, verwendet zum Bestimmen der Kerb- oder Nuttiefe, und basierend auf der Ausbreitungszeit gemessen durch eines der folgenden Verfahren: Das Endspitzenechoverfahren, das kurzgepulste Scherwellenverfahren oder das Oberflächenwellenverfahren. Bei diesen in den Berichten beschriebenen Verfahren muß das Verfahren im Bericht (1) die Position des Spitzenechos von dem Ende des Ermüdungsbruches detektieren. Das Verfahren im Bericht (2) macht das Detektieren der Anstiegszeit der Wellenform der empfangenen gestreuten Wellen notwendig. Auch das Verfahren im Bericht (3) macht die Detektierung der Echos von einer unvollständigen Penetration ohne Positionen der Echos auf der Zeitbasis notwendig, die auf dem Ultraschallfehlerdetektor angezeigt werden. Noch genauer ist das Verfahren, das in dem Bericht (2) beschrieben ist, ein Verfahren, in dem die Messung durchgeführt wird unter Verwendung eines Wasserbades, in dem der Gegenstand eingetaucht wird und die Sonde muß gerade über dem Oberflächenöffnungsfehler in dem Gegenstand plaziert werden. Somit kann dieses Verfahren nur auf eine begrenzte Art von Gegenständen angewandt werden. Das Verfahren gemäß Bericht (3) wird durchgeführt mit dem Transducer direkt auf dem Gegenstand plaziert und ist auf eine begrenzte Art von Gegenständen anwendbar, wie bei dem Verfahren gemäß Bericht (2). Bei dem im Bericht (4) beschriebenen Verfahren macht das Endspitzenechoverfahren und das kurzgepulste Scherwellenverfahren die Detektierung der Positionen der Spitzenechos notwendig wie bei dem Verfahren gemäß Bericht (1), und das Oberflächenwellenverfahren macht die Detektierung der angezeigten Positionen der Echos auf dem Kathodenstrahlröhren- oder CRT-Schirm notwendig, da die Tiefe der Nut aus der Propagationszeit der Oberflächenwelle zu bestimmen ist. Somit ist es bei allen Verfahren, die in den Berichten (1) bis (4) beschrieben sind, notwendig, die Echos von dem Oberflächenöffnungsfehler und die auftretenden Positionen der Echos zu detektieren, und die Genauigkeit der Messung hängt von der Genauigkeit dieser Detektierung ab.
Unter den oben genannten Verfahren ist das Endspitzenechoverfahren das Verfahren, was im allgemeinen als beliebtestes angesehen wird. Ein Verfahren zum Messen der Tiefe eines Oberflächenöffnungsfehlers unter Verwendung dieses Verfahrens ist in "Ultrasonic flaw-detecting test B" - Japan Nondestructive Inspection Association (1978), Seiten 117-118, beschrieben. Dieses Meßverfahren wird unter Bezugnahme auf die Fig. 11 und 12 beschrieben. In den Figuren zeigt das Bezugszeichen 10 einen zu messenden Gegenstand, in dem ein planarer Fehler 10a absichtlich ausgebildet ist, der eine Tiefe d besitzt und an der Oberfläche des Gegenstandes offen ist. Das Bezugszeichen 10b zeigt eine Suchoberfläche des Gegenstandes 10 an, 10c zeigt das Ende des Fehlers 10a an und 10d zeigt den Boden (gegenüberliegend zu der Suchoberfläche 10) des Gegenstandes 10 an. Das Bezugszeichen 20 zeigt eine herkömmliche Winkelsonde oder punktfokussierende Winkelsonde (nachfolgend als "Winkelsonde" bezeichnet) an. Die Winkelsonde 20 wird in Kontakt mit der Suchoberfläche 10b plaziert und überträgt Ultraschallwellen, während sie in Richtung des Pfeils A oder B hin- und herbewegt oder gescannt wird, um die Echos von dem Ende 10c des Fehlers aufzunehmen. Die Bezugszeichen 20a und 20b zeigen die ausgewählten Positionen der Winkelsonde 20 an, wenn sie bezüglich des Fehlers hin- und hergescannt wird. Nun wird angenommen, daß die Winkelsonde 20 in Richtung des Pfeils B von der Position 20a gescannt wird. Das Echoniveau vom Fehler 10a wird angezeigt, als sich kontinuierlich verändernd, und zwar so daß es allmählich niedriger wird, wenn die Winkelsonde 20 von der Position 20a wegbewegt wird, was eine Echohüllkurve oder Umhüllende 50 zur Folge hat. In diesem Fall wird, wenn der Strahlenmittelpunkt 30 von der Winkelsonde 20 auf das Ende 10c des Fehlers auftrift, ein Spitzenecho 60 angezeigt, und zwar in einer Position auf dem CRT-Schirm, der dem Strahlpfad x entspricht und die Position wird auf der Echoumhüllenden 50 angezeigt. Die Endspitzenechomethode ist so aufgebaut, daß die Tiefe d des Fehlers geometrisch bestimmt wird als d = x·cos Φ aus dem Strahlenpfad x des Spitzenechos 60 von dem Ende 10c des Fehlers und dem Brechungswinkel Φ des Ultraschallstrahls von der Winkelsonde 20. In dem Bericht (1) ist beschrieben, daß unter den Bedingungen, daß der Winkel Φ, der gebildet wird zwischen der einfallenden Richtung der Ultraschallwelle und der Ebene des Fehlers 10a größer als 10º ist, daß eine herkömmliche Winkelsonde mit einem 45º-Brechungswinkel, eine punktfokussierende Winkelsonde, die die akustischen Wellen begrenzen kann oder eine Sonde der aufgeteilten Bauart (split-type) vorzugsweise verwendet werden soll für eine bessere Unterscheidung des Spitzenechos 60. Es ist in dem Bericht ferner beschrieben, daß in dem Fall, daß die Tiefe d des Fehlers relativ groß ist, die Tiefe d geschätzt werden kann mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von +/-2 mm. Es wurde in dem Bericht jedoch auch festgestellt, daß in einem Fall, daß irgendein anderer Fehler an dem Ende 10c des Fehlers gefunden wird, die Genauigkeit der Messung niedriger ist.
Fig. 13 zeigt ein weiteres Beispiel einer Messung durch das oben genannte Endespitzenechoverfahren. Bei diesem Beispiel wird die Winkelsonde 20 auf der Oberfläche 11d des Gegenstandes plaziert, in der der Fehler 11a nicht auftritt. Bei einer Echohhüllkurve, die in diesem Fall erhalten wurde, zeigt das Echo von der Oberflächenöffnung des Fehlers 11a (Eck- oder Kantenecho) die höchste Spitze. In dem Fall, daß die Tiefe d des Fehlers 11a jedoch klein ist, zum Beispiel 2 mm oder so, ist das Echo von dem Ende 11c des Fehlers 11a an einem so niedrigen Niveau, daß es innerhalb der Echohüllkurve 51 angezeigt wird, wie in Fig. 13 gezeigt ist und es kann, wie es der Fall sein kann, nicht detektiert werden. Obwohl die Messung durch das Endspitzenechoverfahren als das beliebteste Verfahren zur Detektierung von Oberflächenöffnungsfehlern bekannt ist, ist es in unterschiedlichen Messungsaspekten nachteilhaft, wie nachfolgend beschrieben wird. Das heißt,
(i) wenn die Tiefe d des Oberflächenöffnungsfehlers klein ist, sind die Echos vom Ende des Fehlers so nahe an den Echos von irgendeinem anderen Teil des Fehlers, daß sein Niveau und seine Position nicht leicht von denen des späteren Echos unterschieden werden kann und das Echo selbst ist auch in einer Echohüllkurve enthalten, wenn man das Kantenecho als höchstes nimmt, so daß es nicht detektiert werden kann und zur selben Zeit, da die Winkelsonde nicht über einen kurzen Abstand bewegt werden kann, kann der Messungsfehler groß sein.
(ii) Wenn die Breite des Fehlerendes klein ist, ist das Niveau des Echos von dem Fehlerende klein und geringer als das Echoniveau am Stör- oder Rauschpegel, so daß das Echo selbst in vielen Fällen nicht detektiert werden kann.
(iii) Da sich das Streuen von Ultraschallwellen verändert abhängig von der Größe und Form des Fehlerendes sind die gemessenen Werte nicht gleichförmig und somit ist die Genauigkeit des Messung gering.
(iv) Obwohl die Ultraschallwellen als durch einen nominalen Brechungswinkel der Sonde in Richtung des Endes eines Fehlers übertragen werden, kann in einigen Fällen kein Spitzenecho erhalten werden, und wenn das Strahlencenter nicht mit dem Ende des Fehlers zusammenfällt, wird das Spitzenecho in einigen Fällen angezeigt. In einem solchen Fall geht die Grundlage für eine geometrische Bestimmung der Fehlertiefe verloren, was direkt die Verringerung der Meßgenauigkeit bewirkt.
Als eines der herkömmlichen Verfahren zum Messen der Tiefe eines Oberflächenöffnungsfehlers ist eine Erfindung des Anmelders in der japanischen Patentanmeldung Nr. Sho 60-68379 beschrieben. Das Verfahren dieser Anmeldung ist, daß eine Sonde der Vertikalbauart auf der Oberfläche eines Festkörpers, der möglicherweise einen Öffnungsfehler darinnen besitzt, plaziert wird und auch gerade über dem Fehler, und die Ausbreitungs- oder Propagationszeit der gestreuten Wellen abgeleitet von den Ultraschallwellen, die auf das Ende des Öffnungsfehlers auftreffen, durch die Reflektion an dem Fehlerende wird gemessen zum Bestimmen der Tiefe des Fehlers. Bei dem Verfahren dieser Anmeldung ist es auch notwendig, wie in den zuvor genannten Berichten, das Echo von dem Oberflächenöffnungsfehler und dessen anscheinende Position zu detektieren. Wie in den Berichten (2) und (3) ist das Verfahren in unterschiedlichen Messungsaspekten begrenzt, da es notwendig ist, die Sonde gerade über dem Oberflächenöffnungsfehler zur Messung der Tiefe des Fehlers zu plazieren.
Wie zuvor beschrieben wurde, werden bei allen herkömmlichen Meßverfahren der Tiefe eines Oberflächenöffnungsfehlers das Echo vom Ende des Oberflächenöffnungsfehlers und seine Erscheinungsposition als Meßindizien genommen, so daß die Genauigkeit der Messung von der Detektierung abhängt. Somit ist es notwendig, die oben genannte Genauigkeit der Detektierung zu verbessern. Bei Oberflächenöffnungsfehlern sowie bei herkömmlichen inneren Fehlern ist die Detektierung eines Echos von einem Fehler und seine erscheinende Position jedoch erheblich beeinflußt durch die Eigenschaften des zu messenden Materials, der Differenz physikalischer Phänomene der Ultraschallwelle infolge der Ungleichförmigkeit des Fehlers, Unterschieden in der Fähigkeit von einem Bediener zum anderen usw., sogar wenn der verwendete Transducer oder Wandler, der Fehlerdetektor und die fehlerdetektierenden Parameter, wie zum Beispiel die Fehlerdetektierempfindlichkeit, usw. als vorbestimmt für jede Messung beibehalten werden. Sogar in dem Fall, daß Gegenstände der gleichen Art gemessen werden, die sehr ähnlich zueinander sind, hinsichtlich ihrer Form, ihren Abmessungen und ihrem Material usw., ist es schwierig, sie immer mit derselben Genauigkeit zu messen. Somit ist es recht schwierig, Gegenstände unterschiedlicher Arten mit derselben hohen Genauigkeit zu messen. Daher kann der Pegel oder das Niveau eines Echos von dem Ende eines Oberflächenöffnungsfehlers, der in dem Gegenstand besteht, und seine erscheinende Position nicht gleichförmig detektiert werden, wie bei der Detektierung eines Oberflächenöffnungsfehlers, der künstlich in dem Standardteststück oder einem Gegenstand gebildet ist, sogar wenn die Fehlertiefe dieselbe ist und die Detektiergenauigkeit ist dementsprechend gering.
Die vorliegende Erfindung ist hauptsächlich darauf gerichtet, die oben genannten Nachteile der herkömmlichen Techniken zu beseitigen durch Vorsehen eines Ultraschallverfahrens zum Messen der Tiefe eines Oberflächenöffnungsfehlers in einem Festkörper, bei dem die Tiefe des Oberflächenöffnungsfehlers genau und in Echtzeit gemessen wird, ohne durch die Tiefe selbst beeinflußt zu werden.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Ultraschallverfahren zum Messen der Tiefe eines Oberflächenöffnungsfehler in einem Festkörper vorzusehen, bei dem eine herkömmliche Winkelsonde verwendet werden kann, zum leichten und genauen Messen vieler Arten von Gegenständen in einem weiten technischen Gebiet, und zwar nur durch normales Hin- und Herscannen der Sonde bezüglich des Fehlers.
Diese und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung sind besser zu verstehen durch die folgende Beschreibung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezugnahme auf die Zeichnung.

Die Erfindung

Die oben genannten Ziele können erreicht werden durch Vorsehen eines Verfahrens zum Messen einer Tiefe eines Oberflächenöffnungsfehlers in einem Festkörper gemäß Anspruch 1.
Die vorliegende Erfindung verwendet die Tatsache, daß der Flächenwert, der bestimmt wird, durch Integrieren der echointegrierten Zone oberhalb des vorbestimmten Echoniveaus der oben genannten Echohüllkurve für den bewegten Bereich in der Zone der Winkelsonde in einer bestimmten festen Beziehung zu der Tiefe eines Oberflächenöffnungsfehlers in einem Festkörper steht. Dieser Grundsatz wird ferner unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 erklärt, die das Prinzip der vorliegenden Erfindung zeigen.
In den Figuren zeigt das Bezugszeichen 1 einen Gegenstand, der durch Stoßschweißen der Glieder 1A und 1B gebildet ist. Ein Ausnehmungs- oder Vertiefungs-Fehler 1A ist in der Stoßverbindung zwischen diesen Gliedern 1A und 1B umfaßt und ist zu der Bodenoberfläche 1E des Gegenstands 1 offen. Das Bezugzeichen 1b zeigt eine Kante oder Ecke des Fehlers 1 an dessen Öffnung an, 1c zeigt das innere Ende des Fehlers 1a an und 1d eine Suchoberfläche (d. h. die Oberseite). Das Bezugszeichen 2 zeigt eine Winkelsonde (die nachfolgend zur Vereinfachung nur als "Sonde" bezeichnet wird), die auf der Suchoberfläche 1d plaziert ist. Sie wird zu den Positionen 2a, 2b, 2c usw. hin- und hergescannt, die je mit einer gestrichelten Linie in Richtung des Pfeils A oder B des Gegenstandes 1 angezeigt sind und überträgt eine Ultraschallwelle (in diesem Fall eine Querwelle) in die Richtung des Fehlers 1a. Das Bezugszeichen 3 zeigt eine einfallende Welle an, die innerhalb einer vorbestimmten Strahlenbreite ausgestrahlt ist, und 4 einen Teil der einfallenden Welle 3, der von dem Fehler 1a reflektiert und durch die Sonde 2 empfangen wird. Wenn die reflektierten Wellen 4 die an unterschiedlichen bewegten Positionen der Sonde 2, wie zum Beispiel den Positionen 2a, 2b, 2c usw. empfangen werden, wenn die Sonde 2 bezüglich des Fehlers 1a hin- und hergescannt wird, auf einem ORT-Schirm 6a eines Ultraschallfehlersdektors 6 angezeigt werden, erscheinen sie als Echos, die unterschiedliche Niveaus oder Pegel voneinander besitzen, und zwar an Positionen entsprechend der bewegten Positionen der Sonde 2 von einem erscheinenden Punkt eines übertragenen Impulses T. Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen den Sondenpositionen und den so detektierten Echopegeln. Wie gezeigt, sind Echos F, Fa, Fb, Fc der reflektierten Welle 4 angezeigt an den Positionen auf dem CRT-Schirm entsprechend den Strahlenpfaden X, Xa, Xb, Xc von den Einfallpunkten, nämlich den bewegten Positionen 2, 2a, 2b und 2c der Sonde 2 zu der Kante 1b des Fehlers 1a, an der der Großteil der einfallenden Ultraschallwelle 3 reflektiert wird. Die Horizontalachse in der Ebene in Fig. 2 zeigt den Horizontalabstand (Lx in mm) des Fehlers 1a zu der Sonde 2 an, während die Vertikalachse, die die Echoamplitude oder Höhe (h in dB) anzeigt. In diesem Fall besitzt das Echo, das einer Position entspricht, in der die Sonde 2 die reflektierte Welle 4 empfängt, die von der einfallenden Welle 3 abgeleitet wird, deren Ultraschallwellenstrahlenmitte direkt auf die Kante 1b fällt, d. h. das Echo F, das an einer Position mit einem Abstand Lx vom Fehler 1a empfangen wird, eine maximale Höhe, während die anderen Echos einen unterschiedlichen Pegel besitzen abhängig von den Abständen Lxa, Lxb bzw. Lxc der Sonde 2 vom Fehler 1a und die den jeweiligen Strahlenpfaden entsprechen. Durch Verbinden der Echospitzen wird eine Echohüllkurve 5 erhalten. Natürlich können, wenn in diesem Fall kein Fehler 1a vorhanden ist, keine reflektierten Wellen empfangen werden und somit kann die Echohüllkurve 5 nicht erhalten werden.
Die Fläche einer Zone, in der die Echohüllkurve auf dem CRT-Schirm erscheint, nämlich die Fläche, die eingeschlossen wird durch die Echohüllkurve 5, die sich zwischen einer extrem bewegten Position der Sonde 2 und der anderen extrem bewegten Endposition erstreckt, ist eine Funktion des "Richtfaktors einer gesendeten Welle abhängig von den Transducerdimensionen einer verwendeten Sonde und der Sondenfrequenz", "dem Richtfaktor reflektierter Wellen infolge von übertragenen Wellen, die in einem Festkörper gestreut und gedämpft werden, wenn sie durch eine Sonde empfangen werden" und "der Tiefe des Oberflächenöffnungsfehlers". Somit ist in dem Fall, daß für die Fehlerdetektierung dieselbe Sonde verwendet wird, der Übertragungs- oder Sende- und Empfangsrichtfaktor fest, so daß die Zone auf dem CRT, in der die Echohüllkurve 5 erscheint, allein eine Funktion der "Tiefe des Oberflächenöffnungsfehlers" ist. Das bedeutet, daß in dem Fall, daß Gegenstände mit unterschiedlichen Tiefen des Oberflächenöffnungsfehlers und ansonsten gleichen Aspekten gemessen werden, unter Verwendung derselben Sonde, daß die resultierende Echohüllkurve 5 in einer Zone mit einer Größe erscheint abhängig von der Tiefe des detektierten Oberflächenöffnungsfehlers und analoge Formen annimmt.
Das Ultraschallmeßverfahren der Tiefe von Oberflächenöffnungsfehlern gemäß der vorliegenden Erfindung ist so aufgebaut, daß ein Schwellwert eines vorbestimmten Echopegels eingestellt wird, für die Echohüllkurve mit den zuvor genannten Eigenschaften, daß eine Zone, in der die Echopegel über dem Schwellenwert liegen, für einen bewegten Bereich der Sonde in der Zone integriert wird und die Tiefe eines Oberflächenöffnungsfehlers gemessen wird, basierend auf der Tatsache, daß der Wert des integrierten Bereichs oder der Fläche der Zone in einer bestimmten festen Korrelation zu der Tiefe des Oberflächenöffnungsfehlers steht. Diese Korrelation zwischen der Fläche der integrierten Zone und der Tiefe des Oberflächenöffnungsfehlers wurde durch den Erfinder der vorliegenden Erfinder durch die Experimente, die nachfolgend beschrieben werden, bewiesen und kann leicht festgestellt werden durch ähnliche Experimente an Festkörpern, und zwar auch aus unterschiedlichen Materialien. Die Echohüllkurve kann auch leicht definiert werden durch Echos der reflektierten Wellen von einem Oberflächenöffnungsfehler, die auf dem CRT-Schirm angezeigt werden und ein Schwellenwert kann frei eingestellt werden. Im Vergleich zu den herkömmlichen Verfahren zum Messen der Tiefe von Oberflächenöffnungsgsfehlern unter Verwendung der Echopegel an bestimmten Positionen, nämlich dem Verfahren für eine solche Messung, in dem ein unstabiler Echopegel an dem Ende eines Oberflächenöffnungsfehlers und seine angezeigte Position als Auswertungsindizien genommen werden, ermöglicht das Verfahren der vorliegenden Erfindung, das leichte und genaue Messen vieler Arten von Gegenständen, ohne durch die Größe der Fehlertiefe, dem Können oder den Fähigkeiten des Bedieners und anderen Faktoren beeinflußt zu werden, da es einen Bereich oder eine Fläche verwendet, die definiert wird durch eine Echohüllkurve, die immer stabil oder konstant erhalten wird durch herkömmliches Hin- und Herscannen einer im Handel erhältlichen Sonde bezüglich eines möglichen Oberflächenöffnungsfehlers. Dieses vorteilhafte Merkmal der Erfindung ermöglicht auch eine leichte Implementierung einer automatischen Messung einer großen Anzahl von Gegenständen.
In Vorhergehenden wurde die Messung der Tiefe eines Fehlers, der sich zu der Oberfläche eines Gegenstandes hin öffnet, beschrieben, aber das Meßverfahren gemäß der Erfindung kann auch verwendet werden zum Messen eines Fehlers, der in einem Gegenstand sehr nahe zu dessen Oberfläche existiert, und zwar auch dann, wenn sich der Fehler nicht zu der Oberfläche öffnet. Der "Fehler, der sehr nahe zu der Oberfläche eines gemessenen Gegenstandes existiert", bezieht sich auf einen Fehler, dessen sehr kurzer Abstand von der Oberfläche des Gegenstandes auf einen Abstand geschätzt wird, der wahrscheinlich einen reflektierenden Punkt ähnlich der Kante 1b des Oberflächenöffnungsfehlers 1a gemäß Fig. 1 vorsieht. Noch genauer ist dieser kurze Abstand geringer als eine Hälfte der Wellenlänge, und zwar abhängig von der verwendeten Sonde und des Materials eines gemessenen Gegenstandes. Er ist zum Beispiel geringer als ungefähr 1 mm. Der Fehler, der zu keiner Oberfläche des Gegenstandes offen ist und den oben genannten Zustand besitzt, sieht eine Echohüllkurve vor, wenn er durch ein ähnliches Verfahren gemessen wird, wie der oben genannten Oberflächenöffnungsfehler und er kann in ähnlicher Weise gemessen werden unter Verwendung der Natur oder des Grundsatzes, auf dem die vorliegende Erfindung basiert.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 und 2 zusammen das Prinzip des Ultraschallverfahrens zum Messen von Oberflächenöffnungsfehlern gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei Fig. 1 den Vorgang zum Messen und Fig. 2 die Bildung einer Echohüllkurve für den Oberflächenöffnungsfehler zeigt;
Fig. 3(a) und (b) einen gemessenen Gegenstand, der aus einer geschweißten Stahlplatte hergestellt ist, in dem in Oberflächenöffnungsfehler absichtlich ausgebildet in der Stoßverbindung zwischen den Stahlplatten, wobei Fig. 3(a) eine Seitenansicht ist, die den Gegenstand zeigt und Fig. 3(b) eine Draufsicht auf den Gegenstand ist;
Fig. 4 graphisch die Beziehung zwischen der geschätzten Fehlertiefe gemäß der Messung durch das in den Fig. 1 und 2 gezeigte Verfahren und der echten Fehlertiefe;
Fig. 5(a) und (b) ein Teststück, das in den Experimenten des Erfinders verwendet wurde, um den Effekt der vorliegenden Erfindung zu beweisen, wobei
Fig. 5(a) eine Seitenansicht des Teststückes und Fig. 5(b) eine Draufsicht auf das Teststück ist;
Fig. 6 eine Erklärungszeichnung, die die Bestimmung der Fläche des sondenbewegten Bereichs definiert durch eine Echohüllkurve, durch die Simpson's-Regel zeigt;
Fig. 7 bis 9 die Ergebnisse der Experimente, die an drei Arten des in Fig. 5 gezeigten Teststücks durchgeführt wurden und die unterschiedliche Schlitztiefen darinnen besaßen;
Fig. 10 eine Erklärungszeichnung, die die Korrelation zwischen der Schlitztiefe des in Fig. 5 gezeigten Teststücks und der Fläche der Zone über dem Schwellenwert der Echohüllkurve zeigt und
Fig. 11 bis 13 Beispiele typischer herkömmlicher Verfahren zum Messen der Tiefe von Oberflächenöffnungsfehlern, wobei Fig. 11 eine schematische Erklärungzeichnung ist, die das Endspitzenechoverfahren zeigt, wobei Fig. 12 ein Echomuster zeigt, das durch das in Fig. 11 gezeigte Verfahren erhalten wird und das auf dem CRT-Schirm angezeigt ist, und wobei Fig. 13 ein anderes Messungsbeispiel eines Oberflächenöffnungsfehlers durch das Endspitzenechoverfahren zeigt.

Die beste Art zur Durchführung der Erfindung

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Fig. 3 bis 10 beschrieben. In diesen Figuren sind dieselben Elemente wie in den Fig. 1 und 2 mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Die Form und die Abmessungen des gezeigten Gegenstandes oder Objektes 1 sind in Fig gezeigt. Fig. 3(a) ist eine Seitenansicht des Gegenstandes, während Fig. 3(b) eine Draufsicht ist. Der Gegenstand ist aus einem Glied 1A mit einer 14 mm Dicke, 50 mm Länge und 50 mm Breite und einem Glied 1B mit 14 mm Dicke, 200 mm Länge und 50 mm Breite gebildet, die aneinander stoß- oder stumpfgeschweißt sind und ein offener Fehler 1a mit einer sehr geringen Breite und einer 0,1 bis 10 mm Tiefe H ist absichtlich in der Oberfläche 1e der oben genannten Stoßverbindung ausgebildet. Das Material des Gegenstandes ist SS41 (JIS G3101) und siebzehn Proben wurden in den Experimenten des Erfinders verwendet. Die Sonde 2 ist eine 2Z10·10A70 (JIS Z2344) mit einer 2 MHz Frequenz, 10 mm · 10 mm Abmessungen und einem 70º Brechungswinkel.
Für die Messung der Tiefe des Fehlers wurde die Sonde 2 zuerst auf und in Kontakt mit der Suchoberfläche 1d plaziert und eine Echohüllkurve wurde durch das zuvor unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 beschriebene Verfahren erhalten. ,Als nächstes werden unter Verwendung einer Regressionsgleichung, die bestimmt wird aus der Korrelation, bewiesen durch die Experimente des Erfinders, zwischen der Fläche der Zone oberhalb des vorbestimmten Echoniveaus der Echohüllkurve, bewiesen durch die Experimente des Erfinders, und der Tiefe des Oberflächenöffnungsfehlers, unterschiedliche Tiefen des Fehlers 1a gemessen, der in der Stoßverbindung des Gegenstandes 1 ausgebildet ist. Die gemessenen Werte sind mit kleinen Kreisen in Fig. 4 dargestellt. Zur Messung der Tiefe H des Fehlers 1a an einer anderen Positions in einer Längsrichtung, nämlich in der Richtung des Breite des Gegenstandes 1 wird die Sonde 2 aufeinanderfolgend in die Richtung des Pfeils C oder D in Fig. 3 bewegt und dann hin- und zurückgescannt bezüglich des Fehlers 1a. Nach der Vollendung des Scanns in alle gewollten Richtungen wurde der Gegenstand 1 zerschnitten und mikrogeätzt und die reale oder tatsächliche Tiefe des Fehlers 1a wurde gemessen unter Verwendung eines 20X-Vergrößerers. In Fig. 4 zeigt die horizontrale Achse die Werte HR (in mm) der tatsächlichen Fehlertiefe an, die gemessen wurde während der Gegenstand 1 zerschnitten war und die vertikale Achse zeigt den Wert HU (in mm) der geschätzten Fehlertiefe gemessen durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung an. Auch in Fig. 4 zeigt die durchgezogene Linie (45º geneigt) an, daß der tatsächlich gemessene Wert HR gleich dem geschätzten Wert HU ist, d. h. der Messungsfehler ist Null. Wie in Fig. 4 zu sehen ist, sind die gemessenen Kreise für die gemessenen Werte sehr dicht an der durchgezogenen Linie. Der Durchschnitts- oder Mittelwert (x) und die Standardabweichung (σ) der Messungsfehler in diesem Ausführungsbeispiel wurden wie folgt bestimmt:
x = +0,05 mm
σ = 0,16 mm
Das heißt, die hohe Genauigkeit der Messung wird nicht beeinflußt durch die Tiefe H des Fehlers 1a und es ist auch bewiesen, daß das Meßverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung eine hervorragende Meßgenauigkeit besitzt. Diese hohe Genauigkeit kommt aus der Verwendung des Grundsatzes, daß die Echohüllkurven abgeleitet von unterschiedlichen Tiefen H der Oberflächenöffnungsfehler analog zueinander sind, obwohl sie einen unterschiedlichen Echopegel besitzen, so lange wie dieselbe Sonde in den Messungen verwendet wird und die gemessenen Gegenstände dieselbe Form, dieselben Abmessungen besitzen und aus demselben Material bestehen. Daß die Meßgenauigkeit nicht beeinflußt wird durch die Größe der Tiefe H des Fehlers 1a ermöglicht die Messung von Mikrofehlern.
Der zuvor genannte Effekt der vorliegenden Erfindung wurde durch den Erfinder der vorliegenden Erfindung durch seine Experimente, die nachfolgend beschrieben werden, bewiesen.
Fig. 5 zeigt eine Testprobe, die durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung gemessen wurde; Fig. 5(a) ist eine Seitenansicht der Testprobe oder des Samples, und Fig. 5(b) ist eine Draufsicht auf die Testprobe. Die Testprobe war eine Stahlplate (SS41, JISG3101) mit einer 19 mm Dicke, 250 mm Länge und 120 mm Breite, in der ein Schlitz 7a mit 0,3 mm Breite absichtlich ausgebildet wurde durch elektrisches Entladungsbearbeiten, und zwar in der Bodenoberfläche 7e an einer Position 50 mm entfernt von einem Ende der Testprobe 7. Der Schlitz 7a hatte acht Arten von Tiefen H (0,3; 0,5; 1,0; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0 und 7,0 mm). Die verwendete Sonde ist dieselbe (2Z10·10A70 gemäß JIS Z2344) wie in der unter Bezugnahme auf Fig. 3 gemachten Beschreibung. Durch Plazieren dieser Sonde auf und in Kontakt mit der Suchoberfläche 7d (d. h. der Oberseite) und Hin und Herscannen bezüglich des Schlitzes 7a während des Sendens von Ultraschallwellen in Richtung des Schlitzes 7a wurde eine Echohüllkurve 8, die in Fig. 6 gezeigt ist, erhalten, wie bei der vorhergehenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2. Als nächstes wurde die Fläche einer Zone definiert durch die Echohüllkurve 8 gemessen. In diesem Experiment wurde der Schwellenwert für den vorbestimmten Pegel des Echos jedoch eingestellt auf die Fehlerdetektierempfindlichkeit (eingestellt auf 0 dB) für einen Sprungabstand von eins des Lochs mit 4 mm Durchmesser · 4 mm Tiefe in der "Typ A2 Empfindlichkeitskalibrierungstestprobe für Ultraschallfehlerdetektierung mit geneigter oder schräger Strahlung (nachfolgend als "STB-A2" bezeichnet)" in JIS Z2348 (1978) und die Fläche einer Zone definiert durch die Echopegel oberhalb des Schwellenwerts wurde festgestellt. Zur Bestimmung dieser Fläche wurde die folgende Simpson's Regel verwendet unter der Annahme, daß der bewegte Abstand der Sonde für die Echohüllkurve in Fig. 6, d. h. der integrierte Bereich der zu bestimmenden Fläche (a, b) in n gleiche Abschnitte unterteilt wurde, und zwar mit einer Breite h = (b-a)/n (wobei n eine gerade Zahl ist), xm = a + mh(m = 0, 1, 2, . . . ) und daß die Gleichung für die Echohüllkurve 8 Ym= f(xm) war:
Der in Fig. 6 schraffierte Bereich ist der gewollte Bereich und P&sub0;, P&sub1;, P&sub2;&sub1; . . . Pn zeigen Echopegel für den Sprungabstand von eins an den gleichunterteilten Positionen an.
Die Ergebnisse dieser Experimente, die an der oben genannten Testprobe 7 durchgeführt wurden, sind unter Bezugnahme auf die Fig. 7 bis 9 für je drei Beispiele der Tiefe 7 des Schlitzes 7a (H = 0,5, 1,0 und 4,0 mm) beschrieben. In jeder der Figuren zeigt die Horizontalachse den bewegten Abstand L der Sonde (Sonden-Fehlerabstand) und die Vertikalachse zeigt den Echopegel h an. Der Schwellenwert ist die Empfindlichkeit (0 dB) für den Sprungabstand von eins der STB-A2. Zuerst zeigt Fig. 7 das Ergebnis des Experiments, bei dem die Tiefe H des Schlitzes 7a 0,5 mm ist. Die Fläche S der Zone oberhalb des Schwellenwerts von 0 dB, angezeigt mit einem Buchstaben S, wurde berechnet als 65,4 dB·mm, und zwar aus der Simpson-Regel. Fig. 8 zeigt das Ergebnis des Experiments bei einer Tiefe H von 1,0 mm. Die Fläche S wurde als 261 dB·mm berechnet. Fig. 9 zeigt das Ergebnis des Experiments, das bei einer Tiefe von H = 4,0 durchgeführt wurde. Die Fläche S wurde als 909 dB·mm berechnet. Aus diesen Ergebnissen dieser drei Beispielsexperimente ist ersichtlich, daß je größer die Tiefe H des Schlitzes 7a, desto größer wird der maximale Echopegel und desto größer ist die Zone S über dem Schwellenwert. Diese Korrelation wird noch genauer in Fig. 10 gezeigt, die die Beziehung zwischen der Fläche S, bestimmt aus den oben genannten acht Arten von Testproben, und der Tiefe H des Schlitzes 7a zeigt. Die Horizontalachse zeigt die Tiefe H des Schlitzes (in mm) an, während die Vertikalachse die Flächen S (in dB·mm) der Zonen oberhalb des Schwellenwerts für jede Echohüllkurve anzeigt. Die kleinen Kreise in
Fig. 10 zeigen die experimentellen Ergebnisse der acht Testproben an. Die Ergebnisse des Experiments zeigen, daß eine lineare Korrelation zwischen der Schlitztiefe H und dem Flächenwert S hergestellt wird. Unter Verwendung des Verfahrens des kleinsten Fehlerquadrats kann die folgende einfache Regressionsgleichung der Kurve erhalten werden:
S = 255H
Es wurde bewiesen, daß es unter Verwendung dieser Gleichung möglich ist, leicht die Fehlertiefe von der Fläche einer Zone über dem Schwellenwert der Echohüllkurve zu bestimmen und genau die Tiefe aus der linearen Korrelation zu messen, ohne durch die Größe der Fehlertiefe beeinflußt zu werden.
Beispielsmessungen der Fehlertiefe, bei denen die Sonde in Kontakt mit der Oberfläche plaziert ist, in der keine Oberflächenöffnungsfehler existieren, wurden unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 und 5 erklärt. Alternativ kann die Sonde in Kontakt mit der Oberfläche des Gegenstandes hin- und hergescannt werden, in der irgendwelche Oberflächenöffnungsfehler existieren. In diesem Fall muß die Sonde jedoch in einer Position plaziert werden, wo die einfallende Welle, die von der Sonde in den Gegenstand gesendet wird, den Oberflächenöffnungsfehler nach der Reflexion an der gegenüberliegenden Oberfläche des Gegenstandes erreicht, d. h. an einer Position von einem Sprungabstand von nahezu eins von dem Oberflächenöffnungsfehler entfernt und es wird hin- und hergescannt bezüglich des Sprungpunktes. Die Empfindlichkeit des Ultraschallfehlerdetektors muß für die entsprechende Erhöhung oder Inkrementierung des Strahlenpfades eingestellt werden.
Die oben genannte Echohüllkurve variiert in ihrer Form und dem dB-Wert abhängig von den akustischen Chakteristiken des Materials des Gegenstandes, dem Neigungswinkel, gebildet zwischen dem Oberflächenöffnungsfehler und der Oberfläche des Gegentandes und anderen ähnlichen Faktoren. Somit wird durch experimentelles Bestimmen durch Experimente der Echohüllkurven von Festkörpern unterschiedlicher Arten, wobei der Neigungswinkel zuvor variierend verändert wird, möglich, die Tiefe eines Oberflächenöffnungsfehlers einfach, leicht und genau zu messen, wie in dem zuvor genannten Ausführungsbeispiel. Diese Einfachheit und Leichtigkeit der Messung, die durch die vorliegende Erfindung sichergestellt wird, bewirkt das Vorsehen einer Echtzeitfehlertiefenmessung vieler unterschiedlicher Gegenstände in einem weiten Bereich.
Das im vorhergehenden beschriebene Verfahren ist eines, in dem ein Echo, das auf dem ORT-Schirm angezeigt ist, visuell beobachtet wird. Es ist auch möglich, eine analoge Größe der Echopegel zu digitalisieren, die zusammen eine Echohüllkurve definieren, und zwar mit bekannten Mitteln, ohne das Echo auf dem CRT-Schirm anzuzeigen, die Fläche definiert durch die Echohüllkurve in einer Zone oberhalb eines Schwellenwerts zu berechnen und die berechnete Fläche in einer digitalen Form zusammen mit der Tiefe des Oberflächenöffnungsfehlers anzuzeigen, der unter Verwendung einer Regressionsgleichung berechnet wurde. Ferner können diese Werte in einem Speicher gespeichert werden und mit einem Bezugswert zur Diagnose einer Maschine auf Fehler oder ihre verbleibende Lebenszeit zu diagnostizieren und sie können verwendet werden für automatische Messung einer großen Anzahl von Gegenständen in einer Produktionslinie.

Claims

1. Ultraschallverfahren zum Messen einer Tiefe eines Oberflächenöffnungsfehlers (1a) in einem festen Material oder einem Festkörper (1), das die folgenden Schritte aufweist:

Präparieren einer Testprobe (7) desselben Materials und mit derselben Form und denselben Dimensionen wie der Festkörper (1), und zwar mit einer Vielzahl von künstlich eingeführten Oberflächenöffnungsfehlern (7a) mit bekannten unterschiedlichen Fehlertiefen; Bewegen einer Winkelstrahlsonde (2) über die Oberfläche (7d) der Testprobe (7) in eine Richtung zu und weg von jedem Oberflächenöffnungsfehler (7a) und Empfangen von Ultraschallwellen mit der Sonde (2), die von jedem Oberflächenöffnungsfehler (7a) der Testprobe oder des Testsamples (7) an den unterschiedlichen Bewegungspositionen der Sonde (2) reflektiert werden, und Anzeigen von Echos der reflektierten Ultraschallwellen;

Bilden einer Hüllkurve (8) für jeden Oberflächenöffnungsfehler, die definiert wird durch die Echopegel der reflektierten Wellen;

Einstellen eines gemeinsamen Schwellenwertpegels für die Oberflächenöffnungsfehler (7a) als unterer Cutoff oder Abschnitt der Echopegel, wobei der Schwellenwert vorbestimmt ist durch einen Pegel einer empfangenen, reflektierten Ultraschallwelle, wenn die Winkelsonde (2) auf einer Empfindlichkeitskalibrierungstestprobe plaziert ist, die aus demselben Material und mit derselben Form und denselben Abmessungen wie der Festkörper (1) hergestellt ist und einen Oberflächenöffnungsfehler mit einer bekannten Fehlertiefe besitzt;

Integrieren einer Fläche unterhalb jeder Hüllkurve (8) für jeden Oberflächenöffnungsfehler (7a) und oberhalb des vorbestimmten gemeinsamen Schwellenwertpegels für den Bewegungsbereich der Winkelsonde (2);

Herstellen einer Korrelation zwischen der integrierten Fläche (S) und der Fehlertiefe (H) für die künstlich eingeführten Oberflächenöffnungsfehler (7a) der Testprobe (7) zum Erhalten einer Regressionsgleichung;

Bewegen der Winkelstrahlsonde (2) über die Oberfläche des Festkörpers (1) in einer Richtung zu und weg von den Oberflächenöffnungsfehler (1a) und Empfangen reflektierter Ultraschallwellen (4) mit der Sonde (2), die von dem Oberflächenöffnungsfehler (1a) des Festkörpers (1) reflektiert werden, und zwar an unterschiedlichen Bewegungspositionen (2a-c) der Sonde (2) und Anzeigen von Echos der reflektierten Ultraschallwellen (4);

Bilden einer Hüllkurve (5) für den Festkörper (1) definiert durch Echopegel der reflektierten Ultraschallwellen (4);

Integrieren einer Fläche unterhalb der Hüllkurve und oberhalb des vorbestimmten gemeinsamen Schwellenwertpegels für den Bewegungsbereich der Winkelsonde (2); und

Bestimmen der Tiefe des Oberflächenöffnungsfehlers (1a) in dem Festkörper (1) unter Verwendung der Regressionsgleichung, die erhalten wurde aus der Korrelation zwischen der integrierten Fläche (S) und der Fehlertiefe (H) für die Testprobe (7).

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Festkörper (1) eine erste oder obere Oberfläche oder Oberseite (1d) besitzt, in der kein Oberflächenöffnungsfehler auftritt und eine zweite oder Bodenoberseite oder Unterseite (1e) besitzt, die der ersten Oberfläche (1d) gegenüberliegt und die Sonde (2) auf der ersten Oberfläche (1d) plaziert und hin- und herbewegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Festkörper (1) eine erste oder obere Oberfläche oder Oberseite besitzt, in der der Oberflächenöffnungsfehler auftritt und eine zweite oder untere Oberfläche oder Unterseite besitzt, die parallel zu der ersten Oberfläche ist und die Sonde (2) auf der ersten Oberfläche an einer Position mit einem Sprungabstand von eins zu einer Position des Oberflächenöffnungsfehlers plaziert ist, und die Sonde (2) in Richtung und weg von der Position bewegt wird.