Anordnung zur Werkstoffprüfung mit Hilfe der Laufzeit von Ultraschallimpulsen
Für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung sind Verfahren bekannt, bei denen Ultraschall-Impulse in das zu prüfende Werkstück gesandt werden, die nach Reflexion an der Störstelle durch Erzeugung einer Steuerspannung an den Ablenkplatten eines Kathodenstrahl-Oszillographen eine Ablenkung des Kathodenstrahles in Form von Zacken innerhalb einer sonst glatten Schreiblinie verursachen. Diese Verfahren stellen an die Erfahrungen des Prüfers grosse Anforderungen, da diese Zackenlinien nicht immer eindeutig sind und ausserdem wegen der eindimensionalen Erfassung eines bestimmten Raumbereiches durch den Schallgeber in der Schallausbreitungsrichtung über Ausdehnung, Form und Grösse nur annähernde Aussagen gemacht werden können.
Ferner lässt sich mit diesem eindimensionalen Impuls-Verfahren bei einer Einstellung des Prüfkopfes nur ein sehr beschränkter Raum erfassen. Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile durch eine Vergrösserung des vom Schallgeber erfassten Raumes zu vermeiden.
Die Erfindung richtet sich auf eine Anordnung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung nach dem Ultraschall-Impulsreflexionsverfahren, bei der die vom zu prüfenden Werkstück reflektierten Impulse zur Steuerung der Intensität einer Kathodenstrahlröhre ausgenutzt werden. Gemäss der Erfindung ist bei einer derartigen Anordnung eine Verstelleinrichtung vorgesehen, die den Schallgeber eine Verschiebebewegung parallel zur Längsachse des zu prüfenden Werkstückes ausführen lässt und gleichzeitig um die Längsachse des Werkstückes eine rotierende Relativbewegung zwischen Schallgeber und Werkstück erzeugt, wobei die Drehachse mit Regelorganen für die Ablenkspannungen der Kathodenstrahlröhre gekuppelt ist,
durch die der Kathodenstrahl zusätzlich zu der dem Fortschreiten des Ultraschallimpulses im Material des Werkstückes entsprechenden Ablenkung in diametraler Richtung synchron mit der rotierenden Relativbewegung zwischen Schallgeber und Werkstück um den Mittelpunkt des Bildschirms der Kathoden strahlröhre rotierend abgelenkt wird, so dass auf dem Bildschirm ein Querschnittsbild des Werkstücks sichtbar ist.
Die erfindungsgemässe Anordnung lässt sich auf verhältnismässig einfache Weise durch Anwendung der jeweils geeigneten Prüfmethodik den verschiedenen Formen der zu prüfenden Werkstücke anpassen. Es lassen sich zwei grundsätzliche Ausführungsformen, die denselben elektrischen Teil benutzen und sich nur in der Art ihrer mechanischen Betätigung unterscheiden, anwenden.
In den Fig. 1 bis 3 sind verschiedene Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung als Beispiele näher erläutert. In Fig. 1 ist eine Anordnung gezeigt, bei der ein zylindrischer Körper 1 in einer nur bis zu einer bestimmten Höhe mit einer Koppelflüssigkeit 2, beispielsweise Wasser, gefüllten Wanne 3 durch einen Antriebsmotor 4 über ein Vorgelege 5, 6 zur Rotation gebracht wird. Genau unter der Drehachse des Prüflings befindet sich ein Schallgeber 7, dessen nur wenige mm betragender Durchmesser von der verwendeten Frequenz abhängt. Dieser kleine Schallgeber ist so eingerichtet, dass er gleichzeitig als Empfänger und Sender benutzt werden kann.
Er wird durch einen nicht dargestellten Sender mit kurzzeitigen HF-Impulsen von einigen Zehntel-, usec Länge erregt und erzeugt Ultraschall-Impulse, die scharf gebündelt auf den Prüfling auftreffen, diesen entlang seines Durchmessers durchqueren und entweder an Störstellen oder von seiner Rückwand 8 reflektiert werden. Durch das senkrechte Auftreffen werden keine Transversalwellen im Prüfling angeregt. Die Abbildung kann daher nicht wegen eventueller Laufzeiteffekte gestört werden. Lässt man nun den Prüfling bei feststehendem Schallgeber rotieren, so bleibt die Schallstrahlrichtung immer auf die Achse des Prüflings gerichtet.
Erzeugt man mit Hilfe eines mit der Drehachse gekuppelten Sinuspotentiometers 9 zwei zu dieser Bewegung nach Lage und Zeit synchrone sinusförmige Ablenkspannungen, so kann man, nachdem man diese mit den Ablenkplatten eines Kathodenstrahl-Oszillographen verbunden hat, auf dessen Leuchtschirm ein Querschnittsbild des zu prüfenden Körpers erhalten. Um ein gut stehendes Bild zu erhalten, ist es erforderlich, einen genügend lange nachleuchtenden Bildschirm für das Braunsche Rohr zu verwenden.
Auf diese Weise erhält man nur ein Querschnittsbild an einer Stelle im Zylinderkörper. Um jedoch den gesamten Körper in seiner ganzen Länge zu prüfen, wird der Schallgeber mit Hilfe einer von aussen bedienbaren oder antreibbaren Anordnung, beispielsweise auf einer Spindel 10, in Richtung der Längsachse bewegt. Man kann auf diese Weise an jeder gewünschten Stelle des Prüflings ein Querschnittbild erzeugen.
Einen Sonderfall bildet die Prüfung eines Hohlzylinders, wie z. B. einer Kugellagerschale. Gemäss Fig. 2 kann man hierbei den radial nach aussen strahlenden Geber 11 sich um eine Achse 12 drehen lassen, wobei der hohlzylindrische Prüfling 13 stehenbleibt. Durch Verschieben des Schallgebers in seiner Rotationsachse, das heisst in Pfeilrichtung, wird auch hier das gesamte Volumen erfasst. Die Drehachse des Schallgebers ist hierbei mit der Achse des Sinuspotentiometers 9 verbunden. Zur Vermeidung von zu grossen Wasserwiderständen hat der Schallgeber in diesem Falle vorzugsweise die Form einer Kugel oder eines Zylinders.
Das beschriebene Gerät lässt sich, wie Fig. 3 zeigt, auch für die Prüfung von grösseren Hohlzylindern verwenden, indem es in der Mitte des sich langsam drehenden Prüfkörpers 21 in radialer Richtung eine sich laufend ändernde Querschnittsfläche abtastet.
Dabei kann natürlich auch der Prüfling stillstehen und - der Schallgeber 22 sich langsam weiterdrehen.
Auf dem Bildschirm erscheint jeweils das elektronische Bild der Querschnittsfläche 23, die in Fig. 3 in der Zeichenebene liegt mit der Abbildung darin befindlicher Störungsstellen 24.
Mit den verschiedenen Anwendungsformen der Erfindung ist es möglich, in einer einzigen Wanne Körper weitgehend verschiedener Form zu prüfen.
Dabei werden die Ablenkspannungen einem Sinuspotentiometer entnommen, welches sich entweder ausserhalb der Wanne, aber mit der Drehbewegung des Prüfkörpers gekuppelt, oder aber direkt im Prüfkopf befindet. Man kann nun einfache Umschaltmittel vorsehen, die wahlweise das eine oder das andere Potentiometer zur Erzeugung der Ablenkspannungen benutzen. Auch die Aufgabe, im Betrieb befindliche, das heisst nicht ausgebaute Wellen während der Drehbewegung zu prüfen, lässt sich dadurch lösen, dass das an der Wanne befindliche Potentiometer von dieser entfernt und in geeigneter Weise mit der Welle verbunden wird, so dass eine Synchronisation der Drehbewegung mit der Strahlablenkung des Braunschen Rohres erreicht wird.
Die notwendige Flüssigkeitskopplung lässt sich dabei dadurch erreichen, dass eine Koppelflüssigkeit in ausreichender Menge fördernde Düse einen Flüssigkeitsstrahl zwischen Schallgeber und Prüfling leitet. Die Düse kann z. B. am Schallkopf angebracht sein.
Bei der Durchbildung des elektrischen Teiles einer solchen Anlage muss gegenüber den sonstigen reflektoskopischen Methoden auf besondere Kurzzeitigkeit des Primärimpulses von einigen Zehntel sec Dauer geachtet werden. Der in Breitband-Verstärkern auftretende Zeitdehnungseffekt bedarf einer besonderen Beachtung, da ein gedehnter Impuls auch ein entsprechend verwaschenes Bild liefert. Es lässt sich mathematisch leicht nachweisen, dass ein Impuls grosser Amplitude auch eine entsprechende zeitliche Dehnung am Ausgang des Verstärkers besitzt.
Die grossen Amplituden entstehen bevorzugt aber immer bei senkrechtem Einfall des Schallstrahles, wobei je nach dem Reflexionsgrad um mehrere Grössenordnungen zu grosse Amplituden reflektiert werden im Vergleich zu den Amplituden in der Umgebung bei nicht senkrechtem Einfall und im Vergleich zu den Amplituden, wie sie von Fehlerstellen entstehen, die sich unmittelbar unter der Oberfläche des Prüflings befinden. Bei Anwendung der gemäss der Erfindung arbeitenden Anordnung ist beim Durchgang des Schallstrahles durch die senkrechte Einfallsrichtung immer mit solchen Übersteuerungen und entsprechenden Zeitdehnungen zu rechnen, die das Bild zu hell schreiben und ausserdem störende Bildverwaschungen hervorrufen. Gegen diese Erscheinungen lässt sich durch Verwendung automatisch arbeitender Elemente Abhilfe schaffen, die die zu grossen Amplituden herabsetzen.
Solche Mittel sind z. B. Germaniumdioden mit kleinster Kapazität in Gegentaktschaltung im Gitterkreis einer oder mehrerer Verstärkerstufen.
Das mit einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen erhaltene Bild wird im allgemeinen auf dem Bildschirm nicht sofort nach Lage und Massstab befriedigen. Aus diesem Grund ist es erforderlich, das Bild so auf dem Braunschen Rohr zu verschieben, dass es die beste Fehlererkennbarkeit gewährleistet. Solche Mittel sind die Anbringung einer elektrisch wirksamen Verzögerungseinrichtung, die den Start des Elektronenstrahles gegenüber dem Sendeimpuls einstellbar zu verzögern gestattet. Damit lässt sich das Bild besser in den nutzbaren Bereich des Bildschirms verschieben. Unter Umständen empfiehlt es sich auch, den Abbildungsmassstab zu ver ändern. Dies geschieht am einfachsten durch Ver änderung der den Plattenpaaren zugeführten Ablenkspannungen.