DE1096077B

DE1096077B - Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Pruefung von Draehten, Stangen, Blechen oder Baendern mittels Ultraschall

Info

Publication number: DE1096077B
Application number: DEL32484A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Joachim Leopold
Original assignee: DR LEHFELDT AND CO GmbH
Current assignee: DR LEHFELDT AND CO GmbH
Priority date: 1959-02-17
Filing date: 1959-02-17
Publication date: 1960-12-29
Also published as: US3129581A

Description

Man wendet seit mehreren Jahren mit gutem Erfolg Ultraschallwellen zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung an. Im allgemeinen werden solche Prüfungen stationär, also ohne Relativbewegung zwischen Prüfling und Meßeinrichtung durchgeführt. Dazu benutzt man wahlweise zwei verschiedene Verfahren, die beide auf dem gleichen Grundprinzip beruhen, der Reflexion von Ultraschallwellen an Lunkern, Dopplungen, Rissen u. dgl.

Bei dem ersten der beiden Verfahren, dem sogenannten Durchstrahlungsverfahren, leitet man an geeigneter Stelle mit einem Sendeschallkopf die Ultraschallwellen in den Prüfling ein, um an einer anderen Stelle mit einem zweiten Schallkopf die dort ankommende Empfangsenergie zu messen. Befindet sich auf dem Wege zwischen den beiden Schallköpfen ein Materialfehler, so schwächt er die Empfangsenergie. Je höhere Ansprüche man an das Fehlerauflösungsvermögen stellt, um so konstanter müssen die Schallübertragungs-Bedingungen bei gesundem Prüfling sein, weil sich Unterschiede in der Schallübertragung, beispielsweise ausgelöst durch Schwankung der Ankopplung zwischen Schallköpfen und Prüfling, am Empfänger genauso ausweisen, wie ein echter Materialfehler. Dieses Verfahren ist überall dort besonders am Platze, wo serienmäßig gleiche Teile oder auch bewegte, nahezu endlose Drähte bzw. Bänder geprüft werden sollen. Das Prüfergebnis läßt sich hierbei in besonders einfacher Weise registrieren.

Aber die hohen Anforderungen an die Konstanz der Schallübertragung, insbesondere derSchallankopplung, haben eine nur sehr beschränkte Anwendbarkeit dieses Verfahrens zur Folge. Besonders erschwerend ist dabei, daß man auch bei sorgfältiger Bedienung des Meßgerätes nicht in der Lage ist, aus eventuell auftretenden Schwankungen der Empfangsenergie abzulesen, ob diese auf Ankopplungsfehlern beruhen, beispielsweise ausgelöst durch Rauhigkeiten an der Oberfläche, oder auf echte Fehler im Innern des Prüflings.

Das Laufzeitverfahren, besonders unter Ausnutzung sehr kurzer Ultraschall-Impulse, vermag diese Schwierigkeiten nur zum Teil zu beheben. Man benutzt dabei in bekannter Weise im allgemeinen den gleichen Schallkopf zum Senden und Empfangen, wobei die in den Prüfling hineingesandten Impulse nach Reflexion an einer natürlichen Begrenzungsfläche oder auch an einem Fehler wieder an die Aufgabestelle zurückgelangen. Auf dem Schirm eines Kathodenstrahlrohres gewinnt man dann ein stehendes Bild, das die nacheinander eintreffenden Impulse nebeneinander erkennen läßt. Will man die Fehleranzeige automatisieren, um von der Notwendigkeit frei zu werden, dauernd das Schirmbild zu beobachten, so kann man in bekannter Weise mit zusätzlichen elektronischen

Verfahren und Vorrichtung

zur kontinuierlichen Prüfung

von Drähten, Stangen, Blechen

oder Bändern mittels Ultraschall

Anmelder:

Dr. Lehfeldt & Co. G.m.b.H.,

Heppenheim (a. d.Bergstraße),

Siegfriedstr. 150

Dipl.-Ing. Joachim Leopold,

Bensheim (a. d. Bergstraße),

ist als Erfinder genannt worden

Mitteln einen bestimmten Zeitabschnitt ausblenden, der kurz nach Aussenden des Sendeimpulses beginnt, jedoch kurz vor Eintreffen des Rückwandechos endet. In diesem Zeitabschnitt darf dann bei gesundem Material kein Impuls eintreffen. Um das Fehlen oder die Anwesenheit eines Fehler-Impulses in diesem Zeitabschnitt durch ein Relais zu kennzeichnen, das dann seinerseits z. B. ein Registriergerät betätigt, muß man wiederum die Forderung aufstellen, daß die Schallankopplung möglichst konstant ist. Man muß ja den Umschlagpunkt dieses Relais so einstellen, daß es bereits bei einem sehr kleinen Impuls, entsprechend einem sehr kleinen Fehler, anspricht. Andererseits darf es nicht etwa durch Nebengeräusche, das sind hier auch Störimpulse, die durch Schwankungen in der Schallübertragung vom Schallkopf auf den Prüfling möglich werden, zum Ansprechen gebracht werden.

Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren, das es ermöglicht, auch bei verhältnismäßig rasch bewegten Prüflingen in Form von Drähten, Stangen, Blechen oder Bändern die für die Automatisation der Fehleranzeige insbesondere beim Impuls-Echo-Verfahren notwendige exakte und konstante Schallankopplung zu gewährleisten. Die genannten Objekte prüft man mit besonders gutem Erfolg, wenn man nicht in herkömmlicher Weise Longitudinalwellen oder Transversalwellen benutzt, sondern wenn man ganz bestimmte Resonanzschwingungen anregt. Dies sind bei Blechen und Bändern vorzugsweise Plattenwellen, bei Drähten oder Stangen vorzugsweise Biege-, Dehnungs- oder Torsionswellen. Die genannten Wellen-

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arten erfüllen jeweils den ganzen Querschnitt des gleichen Wege wieder zum gleichen Schallkopf D zuPrüflings, so daß keine toten Zonen ungeprüft bleiben. rück und löst eine Fehleranzeige im Meßgerät aus.
Sie werden ferner als Resonanzschwingungen mit be- Von fundamentaler Wichtigkeit für die Durchfühsonders geringer Dämpfung weitergeleitet, so daß ihre rung dieses Verfahrens ist die genaue Justierung des Reichweite besonders groß ist. Ferner hat sich gezeigt, 5 Bandest auf dem Wege zwischen den beiden RoI-daß gerade diese Schwingungsarten besonders emp- len B₁ und B₂ relativ zu dem Schallkopf D.
findlich sind auch gegenüber sehr kleinen Störungen Bild 1 gilt unverändert auch für den Fall, daß der im Prüfling, so daß das Fehlerauflösungsvermögen Prüfling^ ein Draht ist, der in gleicher Weise über optimal wird. drei Rollen durch die Prüfapparatur gezogen werden

Alle diese geschilderten Wellenarten setzen voraus, io kann.

daß jeweils unter einem ganz bestimmten, genau ein- Wenn einzelne Blechtafeln oder einzelne Stangen zuhaltenden Winkel die Schallwellen schräg in den zur Prüfung gelangen sollen, dann muß die Führungs-Prüfling eingestrahlt werden. Dazu ist es notwendig, vorrichtung für diese Prüflinge anders ausgebildet daß zwischen dem elektroakustischen Wandler, der werden, insbesondere die Wanne eine erheblich gröz. B. aus einer Quarzplatte besteht, und dem Prüfling 15 ßere Tiefe besitzen, damit derartige Prüflinge, die ein keilförmiges Medium geschaltet wird, das eine nicht geknickt werden können, den notwendigen Platz geringere Schallgeschwindigkeit als der Prüfling be- finden, um nach links unten durch die Vorrichtung sitzt. Es ist seit langem bekannt, hierfür Kunststoff- bei genauer Justierung hindurchgleiten zu können, keile zu verwenden. Bei ihnen wird es aber als sehr Die Parallelführung derartiger Stangen oder Platten nachteilig empfunden, daß sie bei rasch bewegten 20 unter genauer Einhaltung des notwendigen Winkels Prüflingen einem erheblichen Verschleiß unterliegen relativ zum Schallkopf läßt sich mit herkömmlichen und daß dann auch die Schallübertragung etwas Methoden leicht durchführen, ohne daß es notwendig schwankt. Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, erscheint, dies hier näher zu beschreiben,
derartige Prüflinge in einem Flüssigkeitsbad zu prü- Soll ein verhältnismäßig breites Band, oder sollen fen, wobei dann die Flüssigkeit sowohl zur möglichst 25 breite Blechtafeln nach dieser Methode geprüft werkonstanten Schallübertragung dient, wie auch dazu, den, so werden mehrere Schallköpfe in gleicher Weise den Keil darzustellen, der ja aus einem Stoff mit ge- nebeneinander angeordnet. Bild 2 zeigt eine Aufsicht ringerer Schallgeschwindigkeit als der des Prüflings auf ein zu prüfendes Band A solcher Breite, daß zwei bestehen muß, sofern man nicht mit Longitudinalwel- Schallköpfe D₁ und D₂ zur Prüfung nötig sind. Die len prüfen will. 30 Pfeilrichtung ist wieder die Richtung, in der sich das

Diese Methode, so vorteilhaft sie auch in mancher Band während der Prüfung bewegt. Während in Bild 1 Hinsicht sein mag, versagt aber, wenn man die er- der einzige Schallkopf D in der Papierebene liegend wähnten Platten-, Biege-, Dehnungs- oder Torsions- gezeichnet ist, würde ein zweiter Schallkopf in Bild 1 wellen anregen will. Diese werden dann nämlich durch vor oder hinter der Papierebene zu denken sein. In die Flüssigkeit im Prüfling so stark gedämpft, daß 35 Bild 2 sind durch Schraffur diejenigen Flächenteile alle ihre zuvor geschilderten Vorteile wieder ver- gekennzeichnet, in denen sich die Plattenwelle ausschwinden. Will man diese Wellenarten mit gutem breitet. Trotz an sich sehr guter Bündelung der Plat-Erfolg anwenden, so muß die Oberfläche des Prüflings tenwellen erhält man dennoch schwach divergierende allseitig trocken sein, der Prüfling muß also an ein Wellen von jedem Schallkopf, die in einem bestimmten gasförmiges Medium, z. B. Luft, angrenzen. 40 Abstand von den Schallköpfen zusammen die ganze

Die Erfindung behebt alle diese Schwierigkeiten. Breite des Bandes erfüllen. Bei noch breiteren Bän-Sie besteht darin, daß der Prüfling im trockenen Zu- dem läßt sich die Zahl der Schallköpfe und der Meßstand zur Prüfung von oben senkrecht oder schräg in einrichtungen weiter erhöhen.

das Flüssigkeitsbad, bezüglich des Neigungswinkels Es ist aber nicht unbedingt erforderlich, jeden der

durch eine Vorrichtung genau justiert, einläuft und 45 verschiedenen Schallköpfe mit einem getrennten Meß-

daß die Schalleinstrahlung dicht unter der Flüssig- gerät zu verbinden. In sehr vielen Fällen genügt es,

keitsoberfläche und der Bewegungsrichtung des Prüf- lediglich die Existenz eines Fehlers nachzuweisen,

lings entgegengesetzt erfolgt. ohne die genaue Lage dieses Fehlers hinsichtlich der

Bild 1 zeigt schematisch eine Einrichtung, die zur Breite des Prüflings zu kennen. Dann kann man alle

Durchführung dieses Verfahrens bei der Prüfung von 5° oder mindestens einige Schallköpfe parallel schalten

endlosem Band dient. In Bild 1 bedeutet A den band- und mit dem gleichen elektronischen Meßgerät be-

förmigen Prüfling, der in der Pfeilrichtung durch die treiben. Selbstverständlich können aber auch die

Vorrichtung gezogen wird und der über die drei RoI- Schallköpfe mit getrennten Meßgeräten verbunden

len B₁, B₂ und S₃ läuft. Ein Teil des Prüflings be- werden und ihre Prüfergebnisse einzeln ausgewertet

findet sich in dem Flüssigkeitsbad C. In dem gezeich- 55 und auf einem Mehrfach-Schreiber gleichzeitig neben-

neten Beispiel ist der Schallkopf D unterhalb des Ban- einander registriert werden.

des A angeordnet. Der Schallkopf ist an einer Seg- Gemäß weiterer Erfindung ist es auch möglich, von

mentführung £ befestigt, die um den fiktiven Dreh- der in Bild 1 gezeichneten Vorrichtung die Teile D,

punkt// drehbar ist. Die Segmentführung £ gleitet E, F, G und K um eine Achse, die senkrecht auf der

ihrerseits auf der Kreisbogen-Schiene K und erlaubt, 60 Ebene des Bandes oder Bleches steht, rasch pendelnd

mittels der Kurbel G und des Schneckenrades F den zu drehen. Das Prinzip ist in Bild 3 näher erläutert.

Einstrahlungswinkel zu versteifen. Dadurch ist es Dort ist wieder A der Prüfling, der sich in Richtung

möglich, die genauen Anregungsbedingungen für eine des eingezeichneten Pfeiles bewegt, D der Schallkopf

definierte Plattenwelle herzustellen. Diese läuft dann und L der Fußpunkt der Drehachse, die senkrecht zur

in dem Prüfling entgegengesetzt zu dem eingezeich- 65 Papierebene, d. h. senkrecht zum Prüfling^ steht,

neten Pfeil nach rechts oben. Eine Reflexion der so Um diese Achse dreht sich der Schallkopf mit einem

erzeugten Plattenwellen-Impulse ist im Band nur Winkel von beispielsweise ± 10° gemäß dem einge-

möglich, wenn sie auf eine Störung, beispielsweise die zeichneten Doppelpfeil. Dadurch wird erreicht, daß

Kante einer Dopplung, stoßen. Ein so reflektierter ein wesentlich breiterer Streifen des Prüflings mit

Plattenwellen-Impuls gelangt spiegelbildlich auf dem 70 einem einzigen Schallkopf erfaßt wird. Mit doppelter

Schraffur ist in Bild 3 der Streifen gezeichnet, der bei der augenblicklichen Lage des Schallkopfes geprüft wird. Mit einfacher Schraffur ist der breitere Bezirk gekennzeichnet, der infolge der Pendelbewegung nacheinander rasch wechselnd geprüft wird. Pendelhub und Pendelfrequenz richten sich dabei nach der Breite des Bandes und nach seiner Geschwindigkeit, mit der es durch die Prüfapparatur läuft. Beispielsweise wird die Pendelfrequenz je nach der Geschwindigkeit des Prüflings vorzugsweise so hoch gewählt, daß keine toten, ungeprüften Flächen auftreten.

Bei der Prüfung von Stangen oder Drähten verfährt man ähnlich. Mit Rücksicht auf die gewölbte Oberfläche derartiger Prüflinge kann es zweckmäßig sein, vor den Schallkopf ein konisches, rohrförmiges Vorsatzstück zu setzen, um auch bei größerem Quarzdurchmesser die Schallaustrittsfläche aus diesem konischen Rohr so klein werden zu lassen, daß sie sich dem Querschnitt des Prüflings anpaßt. Das Rohr wird zweckmäßigerweise aus einem solchen Material hergestellt, das nahezu oder völlig schallundurchlässig ist, so daß keine seitliche Abstrahlung in das Flüssigkeitsbad erfolgt.

Gemäß weiterer Erfindung ist es besonders vorteilhaft, bei Stangen oder Drähten eine Schallinse zwisehen den Schallkopf und den Prüfling zu schalten, um dadurch eine gute Bündelung der Schallwellen auf dem Wege durch die Flüssigkeit zu erzielen. Geeignete Formgebung der Linse führt dann dazu, daß durch Einstrahlung nur auf einem schmalen Streifen in axialer Richtung (nicht auf dem ganzen Querschnitt) hier genau der richtige Einstrahlungswinkel herrscht, der über die Einstrahlungsfläche gleichbleibt.

Um störende Einflüsse durch Schwankungen oder Wellenbewegungen an der Flüssigkeitsoberfläche auszuschalten, kann man an den Stellen, wo Schallwellen die Flüssigkeitsoberfläche erreichen könnten, diese durch Auflegen von nicht schalleitenden Platten z. B. aus Schaumgummi genau fixieren.

Die Erfindung ist nicht auf die Anwendung des Impuls-Echo-Verfahrens beschränkt. Ebenso kann jede andere Methode der Laufzeitmessung angewendet werden, z. B. das bekannte Verfahren der vorzugsweise sägezahnförmigen Frequenzmodulation. Ein an einem Fehler reflektierter Schallstrahl gelangt dann in der zuvor beschriebenen Weise zum Schallkopf zurück und bildet infolge der Frequenzmodulation mit der augenblicklich ausgesendeten Schallwelle einen Differenzton. Dieser kann zur Fehleranzeige ebenso verwendet werden, wie ein reflektierter Schallimpuls im Falle des Impuls-Echo-Verfahrens. Die Laufzeitmessung mittels Frequenzmodulation bietet bei bewegtem Prüfling, wie es der Gegenstand dieser Erfindung ist, noch den besonderen Vorteil, daß die Höhe des Differenztons selbst sich dann in Abhängigkeit von der Fehler-■entfernung ändert, so daß durch ein differenzierteres Auswerteverfahren reflektierte Wellen aus dem bewegten Prüfling in einfacher Weise getrennt werden können von solchen reflektierten Wellen, die von einer ruhenden Reflexionsfläche, z. B. der Wasseroberfläche herrühren. Bei den letzteren ist die Tonhöhe konstant, weil die Laufzeitdifferenz konstant bleibt, während einem echten Fehler im Prüfling stets ein Differenzton sinkender Tonhöhe zugeordnet ist.

Selbstverständlich sind auch alle weiteren Laufzeitverfahren in gleicher Weise für die vorliegende Erfindung auswertbar. Aber das Durchstrahlungsverfahren läßt sich für die hier geschilderte Methode ebenso verwenden, indem ein zweiter, ausschließlich zum Empfang dienender Schallkopf auf der gegenüberliegenden Seite des Prüflings, im Bild 1 punktiert mit T angedeutet, ebenfalls im Winkel verstellbar angeordnet wird. Dieser empfängt nur dann Ultraschallenergie, wenn die vom Schallkopf D ausgesendeten Wellen an einem Fehler im Prüfling reflektiert den Prüfling wieder rückwärts durchlaufen und dann natürlich im Flüssigkeitsbad symmetrisch nach beiden Seiten abgestrahlt werden. Die mechanische Ausrüstung erfordert dann allerdings einen höheren Aufwand, der durch Vereinfachung auf der elektronischen Seite wieder kompensiert wird.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Prüfung von kontinuierlich laufendem Draht-, Stangen-, Blech- oder Bandmaterial mittels gerichteter Ultraschall-Plattenwellen, bei welchem der oder die Schallköpfe sich zur besseren Schallankopplung in einem vom Prüfling durchlaufenen Flüssigkeitsbad befinden, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfling im trockenen Zustand zur Prüfung von oben senkrecht oder schräg in das Flüssigkeitsbad, bezüglich des Neigungswinkels durch eine Vorrichtung genau justiert, einläuft und daß die Schalleinstrahlung dicht unter der Flüssigkeitsoberfläche und der Bewegungsrichtung des Prüflings entgegengesetzt erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Prüfung von Blechen oder Bändern mehrere Schallköpfe räumlich nebeneinander angeordnet sind, so daß die Fläche auf mehreren über die ganze Breite gleichmäßig verteilten Streifen gleichzeitig geprüft wird.

3. Verfahren zur Prüfung von Drähten oder Stangen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Prüfling vorzugsweise Biege-, Dehnungsoder Torsionswellen angeregt werden.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Schwankungen der Flüssigkeitshöhe sowie Wellenbewegungen an der Flüssigkeitsoberfläche verhindert werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Prüfung von Blechen oder Bändern der oder die Schallköpfe um auf der Bandoberfläche senkrecht stehende Achsen rasch pendelnde Drehbewegungen um einen Winkel bereich von vorzugsweise ±10° ausführen, so daß in nicht zu großem Abstand vom Schallkopf ein breiter Streifen des Prüflings durch eine einzige Meßstrecke erfaßt wird, wobei die Pendelfrequenz je nach der Geschwindigkeit des Prüflings vorzugsweise so hoch gewählt wird, daß keine toten, ungeprüften Flächen übrig bleiben.

6. Vorrichtung zur Prüfung von Stangen, Drähten, Blechen oder Bändern mittels Ultraschall nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen oder mehrere in einer Flüssigkeitswanne dicht unter dem Flüssigkeitsspiegel angeordnete Schallköpfe, die bezüglich ihrer Einstrahlungswinkel verstellbar sind, und durch eine Führungsvorrichtung, mittels welcher der Prüfling, von oben in die Flüssigkeit einlaufend, an dem bzw. den Schallköpfen in definiertem Winkel vorbeigeführt wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Schallköpfe mit

einem Meßgerät verbunden sind, das in bekannter Weise nach dem Impuls-Echo-Verfahren arbeitet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Schallköpfe mit einem Meßgerät verbunden sind, das in bekannter Weise eine Laufzeitmessung mittels Frequenzmodulation durchzuführen gestattet.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwankungen der Höhe des Differenztones infolge der aus der Bewegung des Prüflings resultierenden Laufzeitänderung zur Fehleranzeige dienen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß symmetrisch zum Prüfling je zwei Schallköpfe paarweise angeordnet werden, die in bekannter Weise mit einem Meßgerät zur Durchstrahlungsmessung verbunden sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem oder den Schallköpfen rohrförmige konische Vorsatzstücke aus einem nicht schalleitenden Material vorgeschaltet sind, die vorzugsweise nicht seitlich, sondern überwiegend nur an ihrer dem Prüfling zugekehrten Fläche Schallwellen in die Flüssigkeit abstrahlen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem oder den Schallköpfen in bekannter Weise fokussierende Linsen aus schallleitendem Material vorgeschaltet sind, um eine möglichst genau definierte Schalleintrittsfläche und einen genau definierten, über die Einstrahlungsfläche gleichbleibenden Einstrahlungswinkel zu ίο erzielen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift S 29470 IX/42k (bekanntgemacht am 16. 2. 1956);

Mitteilungen der Forschungsgesellschaft Blechverarbeitung, Nr. 8 vom 15. 4. 1955, S. 89 bis 97;
Blech 2, Nr. 9 (1955), S. 50 bis 55;
Industrie-Rundschau, Februar 1957, S. 28 bis 34;
Die Technik, 12. Jahrgang, Heft 10 (1957), S. 669 bis 678;

Aluminium, 34. Jahrgang, Heft 4 (1958), S. 200 bis 205.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen