DE3114670A1

DE3114670A1 - "ultraschall-pruefverfahren fuer in laengsrichtung geschweisste roehren und rohre aus legiertem, austenitischem stahl"

Info

Publication number: DE3114670A1
Application number: DE19813114670
Authority: DE
Inventors: Taro Osaka Osaka Maeda
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 1980-04-10
Filing date: 1981-04-10
Publication date: 1982-02-04
Also published as: SE8102212L; FR2480436A1; FR2480436B1; JPS6241344B2; GB2077430A; JPS56143951A; US4406167A; GB2077430B; CA1169542A; AU552181B2; AU6937181A

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Ultraschall-Fehlersuchverfahren für Längsschweißungen an elektrisch geschweißten Rohren und Röhren aus austenitischem, legiertem Stahl.

Die Ultraschall-Fehlerermittlung an Schweißungen an bzw. aus austenitisehen, legierten Stählen ist als schwierig oder gelegentlich unmöglich angesehen worden. Der Grund dafür ist in dem grobkörnigen und elastisch anisotropen, dendritischen, kristallographischen Gefüge des Schweißgutes austenitischer Stähle zu sehen, welches dämpfend auf den Ultraschall einwirkt und in der amerikanischen Fachsprache als "forest echo" oder "grass echo" bezeichnetes Gefügerauschen (structural noise) hervorruft, wobei diese Erscheinung eine Folge der akustischen Strahlzerstreuung an den dendritischen Korngrenzen ist, was zu einem entsprechenden Auftreten von Echos als Fehlersignalen führt. Ferner verursacht die erwähnte Erscheinung das sog. Strahlungs-Steuerungsphänomen (beam steering phenomenon) sowie eine Strahlungsbrechung im Bindungsbereich von Schweißung und Grundmetall. Als eine Gegenmaßnahme zur Überwindung derartiger Schwierigkeiten kann aufgrund jüngerer technologischer Fortschritte die sog. "longitudinal wave angle"-Methode verwendet werden. Wird dieses Longitudinalwellen-Winkelverfahren jedoch angewendet, so breitet sich die Scherungs- oder Schubwelle im Versuchswerkstoff mit einem kleineren Brechungswinkel und mit geringerer Schallausbreitungsgeschwindigkeit aus als die Longitudinalwelle, wie durch das Snell'sche Gesetz bestimmt. Außerdem verliert die Longitudinalwelle den Großteil ihrer eigenen Energie, wenn sie am innenseitigen Reflexionspunkt einer halben Skipdistanz (skip distance) als Folge des Frequenzumwandlungsphänomens reflektiert wird, so daß

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die Fehlerreflexion andere Echos hervorbringt als diejenigen Fehler, die auf der Ausbreitungsbahn der Longitudinalwelle zwischen Auftreffpunkten (incident points) liegen. Folglich läßt sich ein halber Skipdistanzpunkt nicht von Fehlerechos unterscheiden, die durch Scher- bzw. Schubwellen hervorgerufen sind.

Die Erfindung verfolgt das Ziel, die oben erwähnten Nachteile zu beseitigen,und schafft ein verbessertes Ultraschall-Fehleraufspürverfahren für in Längsrichtung geschweißte, austenitische Stahlerzeugnisse und Röhren.

Ferner verfolgt die Erfindung das Ziel, einen größeren Bereich der Strahlungs-Ausbreitungsbahnlänge zu nutzen, was bedeutet, daß der Bereich zwischen einem Auftreffpunkt und wenigstens einem und einem halben Skipdistanz- · punkt genutzt wird.

Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht darin, den Fehlersuchvorgang so zu vereinfachen, daß die Ultraschall-Fehlerermittlung automatisch erfolgen kann.

Erfindungsgemäß wird der angestrebte Fortschritt dadurch erreicht, daß die Scher- oder Schubwellenwinkelmethode (shear, wave angle method) benutzt wird, welche einen Auftreffwinkel benutzt, der größer ist als der kritische (Winkel), was den Brechungswinkel der Longitudinalwelle größer als 90° macht.

Das erfindungsgemäße Ultraschall-Fehlersuchverfahren ist insbesondere für in Längsrichtung geschweißte, austenitische Stahlrohre oder -röhren geeignet, welche eine Wanddicke (t) von 0,5 mm bis 15 mm, einen Außendurchmesser (D) von mehr als 5 mm und ein Verhältnis t/D von weniger als 2O?6 aufweisen.

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Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Erfindung anhand der Zeichnung; in dieser zeigt:

Fig. 1 ein schematisches Diagramm eines Ultraschall-Fehlersuchsystems zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ;

Fig. 2A und 2B Α-scope CRT-Anzeigen der Ultraschall-Fehleranzeige gemäß Vergleichsbeispiel 1;

Fig. 3A und 3B Α-scope CRT-Anzeigen der Ultraschall-Fehleranzeige gemäß Vergleichsbeispiel 2;

Fig. 4a und 4B Vergleichs-A-scope CRT-Anzeigen der Ultraschall-Fehlersuche beim Vergleichsbeispiel 3; wobei in den Fig. 2A bis 4B das Bezugszeichen S das Oberflächenecho und das Bezugszeichen F das Quadratnut-Echo wiedergeben;

Fig. 5 eine graphische Darstellung des Stabilitätsvergleichs bei der Ultraschall-Ermittlung von 10 mm-Längs-Vergleichs-U-Nuten an austenitischen, nichtrostenden Stahlrohren für Breitband- und Schmalband-Wandler; und

Fig. 6 eine graphische Darstellung des Vergleichs von Signal-zu-Rausch-Verhältnissen bei der statischen Ultraschall-Ermittlung von 10 mm-Längs-U-Nuten an nichtrostenden, austenitischen Stahlröhren für Breitband- und Schmalband-Wandler.

In den mit Hilfe des elektrischen Schmelzschweißens, des elektrischen Widerstandsschweißens oder des elektrischen Induktionsschweißens in Rohren oder Röhren niedergebrachten Längsschweißungen ist die Querschnittsabmessung vergleichsweise schmal und das kristallographische Gefüge vergleichsweise fein und geordnet. Außerdem wäre der Bereich des bei der erfindungsgemäßen Ultraschall-Fehlerermittlung benutzten, akustischen Strahlungspfades ausreichend, wenn dieser maximal zwei Skipdistanzen . (two skip distande) betragen würde. Folglich wird in diesem Fall die

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Dämpfung der Ultraschall-Strahlung nicht der hinderliche Faktor, so daß es höchst wichtig ist, das Signal-zu-Rausch-Verhältnis durch Unterdrückung von Gefügerauschen zu fördern und zu stabilisieren.

Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß in erster Linie ein zeilenfokussierender oder punktfokussierender Wandler vorzugsweise verwendet, um die praktische Wirkung hervorzurufen. Besonders bevorzugt sind fokussierende Wandler, deren Brennweite eine Strahlenkonvergierung zu jedem beliebigen Punkt zwischen dem Auftreffpunkt (incident point) und einem halben Skiplängenpunkt (half skip length point) ermöglicht, nachdem sich die Strahlung etwas (water distance oder wedge distance) ausgebreitet hat, bevor sie in den Versuchswerkstoff eintritt. Die letztgenannte Wandlergattung ist für alle Ausführungsformen der Scherwellen-Wirikelmethode benutzbar, unabhängig von den verschiedenen Kopplungsweisen, wie Tauchtechnik, verschiedene Arten von teilweisem Eintauchen oder direkten Kontaktverfahren, unter Verwendung von Keilen.

Selbst die Strahlenfokussierung allein, wie beschrieben, führt zu einer gewissen positiven Wirkung hinsichtlich der Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses, was jedoch auch für die Arbeitsweisen zutrifft, die auf dem vorstehend erwähnten Longitudinalwellen-Winkelverfahren beruhen. Die Scherwellen-Winkelmethode selbst ist bereits zur Ultraschall-Prüfung von Schweißungen in gewöhnlichen Massenstählen benutzt worden. Die üblicherweise beim herkömmlichen Scherwellen-Winkelverfahren benutzten ¥andler besitzen jedoch einen aus Blei-zirkon-titanat-Keramik (Z-Typ) oder aus Bariumtitanat-Keramik (B-Typ) bestehenden Oszillator und ermöglichen folglich keine Verbesserung es Signal-zu-Rausch-Verhältnisses für die im Rahmen dieser Erfindung zu untersuchenden Werkstoffe, selbst wenn

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Fokussiereinrichtungen hinzugefügt werden. Der Grund dafür liegt in der schmalen Bandweite des Frequenzspektrums rings um ihre eigene Nenn-Frequenz. Kurz gesagt liegt es also daran,daß die bekannten Einrichtungen als Schmalband-Wandler konstruiert sind. Selbst wenn Schmalband-Fokussierwandler verwendet werden, kann die Erkennbarkeit von künstlichen Vergleichsfehlern, die in der Mitte von Schweißungen von legierten, austenitischen, längsgeschweißten Rohren und Röhren ausgebildet worden sind, nicht verbessert werden. Diese Rohre und Röhren werden im Rahmen der Erfindung zur Kalibrierung der Fehler-Ansprechgenauigkeit und zum Einstellen des Zurückweisungsniveaus natürlicher Fehler verwendet, wobei diese Rohre und Röhren aus legiertem, austenitischem Stahl, austenitischen, legierten, nahtlosen Stahlröhren sowie aus ferritischen, legierten Stählen bestehen können. In diesem Fall sind die künstlichen Vergleichsfehler als Longitudinal- oder Transversalnuten mit quadratischer, U-förmiger oder V-förmiger Querschnittsgestalt in der Außen- und Innenoberfläche der Longitudinalschweißungen mit Hilfe einer Funken-Erosions-Methode ausgebildet. Diese Nuten besitzen Tiefen von 0,1 mm bis 20% der Wanddicke, Breiten von 0,15 mm bis zum Zweifachen der Tiefen- und Längenabmessungen von 5 bis 25 mm. Die künstlichen Vergleichsfehler können auch als radial verlaufende Vertiefungen, wie Bohrungen, ausgebildet sein und Durchmesser von 1,6 oder 3,2 mm aufweisen. Die Erkennbarkeit solcher künstlicher Vergleichsfehler in Schweißungen in längsgeschweißten Rohren und Röhren aus austenitischem, legiertem Stahl ist nicht hinreichend durch die Verwendung von Schmalband-Fokussier-Wandlern, wie vorstehend beschrieben, verbesserbar. Konkret heißt das, daß die durch Schmalband-Fokussier-Wandler ermöglichte Fehler-Auffindbarkeit nicht größer ist als im folgenden beschrieben: In den nicht-wärmebehandelten (im Schweißzustand belassenen) Schweißungen ist das Signal-zu-Rausch-Verhältnis so unzu-

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reichend, daß eine automatische Fehlerermittlung unmöglich ist,und selbst in den wärmebehandelten (Lösungsglühen) Schweißungen ist das Signal-zu-Rausch-Verhältnis zwar etwas erhöht, aber noch unstabil. Ein statisches Signal-zuRausch-Verhältnis von mehr als 10 dB, welches als notwendige untere Grenze zum Ausführen der automatischen, dynamischen Prüfung angesehen wird, kann nicht über den gesamten Änderungsbereich metallurgischer Gefüge von wärmebehandelten Schweißungen erwartet werden.

Folglich wird erfindungsgemäß ein resonanzfreier Breitband-Fokus sierwandler mit hoher Dämpfung verwendet, dessen Oszillator aus einem Werkstoff besteht, der den Anforderungen hinsichtlich hoher Dämpfung und Resonanzfreiheit gewachsen ist, um sicherzustellen, daß künstliche Vergleichsfehler, wie oben erwähnt, in den Schweißungen von längsgeschweißten, austenitischen Strahlrohren und -röhren ermittelt werden können. Solch ein Oszillator kann aus Bleiniobat-Keramik oder Bleititanat-Keramik bestehen. Auf diese Weise ist die Erkennbarkeit künstlicher Vergleichsfehler mit ausreichender Stabilität und Reproduzierbarkeit für den gesamten, tatsächlichen Fluktuationsbereich metallographischer Zustände von Schweißungen gewährleistet. Die Erkennbarkeit garantiert ein verbessertes Signal-zu-Rausch-Verhältnis sowie eine ausreichende Fehleraufsuch-Empfindlichkeit, so daß es möglich ist, beispielsweise eine Prüfung mit hoher Geschwindigkeit unter Verwendung von rotierendem Wandler und vorwärtsbewegtem Prüfobjekt durchzuführen, wobei die Oberfläche um mehr als 10OJo, d.h. in überlappenden Schritten, geprüft wird. Solch ein ausgezeichnetes Ultraschall-Fehlererkennungsvermögen für Schweißungen in austenitischem Stahl, welches durch den Breitband-Wandler mit hoher Dämpfung und ohne Resonanzerscheinungen gewährleistet wird, ergibt sich aus den folgenden zwei Hauptursachen.

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Die erste Ursache ist wie folgt:

Es ist stets einfach, Ultraschallwellen mit höchst geeigneter Frequenz für das jeweils zu prüfende Material mit hinreichendem Schalldruck auszugeben. So existieren für die Ultraschall-Prüfung von Schweißungen aus austenitischen Stählen geeignete Ultraschallfrequenzen, die durch den metallographischen Gefügeaufbau individueller Probewerkstoffe bestimmt sind, so daß es möglich ist, das. Gefügerauschen außergewöhnlich stark zu unterdrücken und das Signal-zu-Rausch-Verhältnis maximal zu fördern. Andererseits haben die handelsüblichen Breitband-Wandler, die mit 2, 2,5, 4, 5, 10 MHz oder dergl. Nennfrquenz erhältlich sind, ein weites Frequenzbandspektrum rings um die Nennfrequenzen, d.h. rings um die Zentralfrequenzen, welche alle Schallenergiekomponenten von nicht mehr als 3 dB Energieabfall, bezogen auf die maximale Komponentenenergie des Frequenzspektrums, umschließen. Demzufolge wird es durch Auswählen eines Breitband-Wandlers geeigneter Nennfrequenz einfach, eine Ultraschallkomponente von optimaler Frequenz für die Schweißungen von zu untersuchenden Testwerkstoffen auszusenden und dabei das Gefügerauschen zu unterdrücken.

Die zweite Ursache ist wie folgt:

Wegen des Composit-Effekts eines kurzen Impulses, wie einer sog. Schockwelle des resonanzfreien Breitband-Wandlers mit hoher Dämpfung bei der Strahlenfokussierung, kann das Strahl-Axialquerschnittsverhältnis der Fehlersignal-Reflexions zone gegenüber der Gefüge-Rauschen-Rückstrahlungs-Zone in der Brennweite des Wandlers ein Maximum gemacht werden. Somit kann das Gefügerauschen, das durch eine Schallzerstreuung an den Korngrenzen der Dendriten hervorgerufen ist, auf ein Minimum unterdrückt werden, so daß das Signal-zu-Rausch-Verhältnis praktisch auf höher© Ebenen gehoben wird.

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Eine dritte Ursache ist in folgendem zu sehen: Wegen des auf der kurzen Impulslänge des resonanzfreien Breitband-Wandlers mit hoher Dämpfung beruhenden hohen Auflösungsvermögens ist es möglich, das Fehlerecho (F-Echo) vom Oberflächenecho (S-Echo) so weit wie möglich zu trennen. Das hat zur Folge, daß die Länge des Anfangsteils der Bahn des auftreffenden Strahls, in welchem ein S-Echo auftritt, so minimal gemacht werden kann, daß der Verknüpf ungsbereich (gate range) der Schallweglänge, welche für die Fehlererkennung benötigt wird, dicht an den Auftreffpunkt herangebracht werden kann. Dies führt zu vorteilhaften Effekten bei der Steigerung der Fehlerermittlungs-Effizienz in Verbindung mit dem Fokussiereffekt und führt zu einem verbesserten Signal-zu-Rausch-Verhältnis. Wird die oben erwähnte Situation konkret beschrieben, so wird das Ergebnis der Fehlerermittlung mittels fokussierten Schalls im Grunde davon erwartet, daß die Verknüpfung (gate) auf den Bereich zwischen 0,25 Skipdistanz und 1 Skipdistanz für ein Testmaterial mit dickerer Wanddicke eingestellt wird und auf den Bereich zwischen 0,75 Skipdistanz und 1,5 Skipdistanz für Prüflinge mit dünnerer Wanddicke eingestellt wird.

Der Einsatz des resonanzfreien Breitband-Wandlers mit hoher Dämpfung bringt nicht nur die oben erwähnten Haupteffekte des verbesserten Signal-Rausch-Verhältnisses als Folge der Unterdrückung von Gefügerauschen mit sich, sondern führt auch zu dem folgenden Nebeneffekt, der gleichfalls von Bedeutung für eine wirksame Ultraschallprüfungist, insbesondere bei der automatischen Fehlerermittlung an in Längsrichtung geschweißten Rohren und Röhren. Der erwähnte Nebeneffekt ergibt sich gleichfalls aus dem hohen Auflösungsvermögen durch den Schockwelleneffekt. Dieses beruht auf der Tatsache, daß die beste Trennung oder Diskriminierung des Fehlerechos (F-Echos) vom störenden

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Echo einer inneren Schweißverstärkung des Rohrs oder der Röhre als Folge einer kurzen Impulslänge erhalten werden kann. Insbesondere wenn, abhängig von Höhe und Gestalt der Schweißverstärkung (weld reinforcement), die Höhe des Störechos einer inneren Schweißverstärkung so hoch wie das Minimalecho eines aufzuspürenden Fehlers wird, wird es unmöglich, eine Einzelverknüpfung oder, falls erforderlich, eine getrennte Verknüpfung vorzusehen, die auf dem so kurz wie möglich gewählten Schallweg liegt und dazu dient, Störechos aus einer inneren Schweißverstärkung zu vermeiden. Wird die oben erwähnte Situation konkret beschrieben, so wird das effektive Ergebnis der Fehlerermittlung durch fokussierten Schall im Grunde erwartet durch Einstellen der Verknüpfung auf ein Paar von Bereichen von 0,25 Skipdistanz bis 0,5 Skipdistanz und 0,75 Skipdistanz bis 1 Skipdistanz für Versuchswerkstoffe mit dickerer Wanddicke, während für Prüflinge mit dünnerer Wanddicke ein Bereich von 1 Skipdistans bis 1,5 Skipdistanz vorgesehen wird und, falls erforderlich, die Fehlerermittlungsgenauigkeit leicht oder gelegentlich vermindert wird, indem der Brechungswinkel verstellt wird. Dieser Nebeneffekt läßt sich nicht durch die Scherwellen-Winkelmethode unter Verwendung handelsüblicher Fokussierwandler vom Z-Typ oder B-Typ erzielen.

Wenngleich die Verwendung eines Standardempfängers mit Schmalband-Verstärker bei der Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausreicht, werden weit bessere Ergebnisse erzielt, wenn ein Empfänger benutzt wird, der mit einem Verstärker bestückt ist, welcher auf den gleichen Frequenzbandbereich eingestellt ist, wie der verwendete Breitband-Wandler. Die Empfindlichkeitsverminderung als Folge der Kurzimpulsbreite, was spezifisch ist für die resonanzfreien Breitband-Wandler mit hoher Dämpfung, ist in einem solchen Ausmaß gegeben, daß eine ausreichende Empfindlichkeit so-

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wohl beim Verstärker als auch beim Empfänger gegeben ist, so daß es jederzeit möglich ist, in der Praxis eine ausreichende Gesamtempfindlichkeit zur Verfügung zu stellen.

Wegen der vorstehend erörterten Gegebenheiten kann das Verfahren nach der Erfindung auf jegliche Ultraschallprüfung von Schweißungen an in Längsrichtung geschweißten Rohren oder Röhren aus legiertem, austenitischem Stahl angewendet werden, so auf die Röhrenherstellung im Wege einer automatischen Ultraschallprüfung des nicht-wärmebehandelten, d.h. im Schweißzustand belassenen Materials, wie auch bei der außerhalb der Produktionsstraße vorgenommenen, automatischen Ultraschallprüfung am Fertigerzeugnis und der außerhalb der Produktionsstraße durchgeführten, halbautomatischen oder von Hand durchgeführten Ultraschallprüfung von sowohl wärmebehandelten, d.h. einem Lösungsglühen unterworfenen, Materialien als auch nicht-wärmebehandelten, d.h. im Schweißzustand belassenen, Prüflingen. Werden andererseits die vorstehend in bezug auf die vorliegende Erfindung beschriebenen Bedingungen nicht erfüllt, so ist es stets unmöglich, die angestrebten Ergebnisse mit ausreichender Stabilität und Reproduzierbarkeit bei der Ultraschallprüfung von Schweißungen in Längsrichtung von Rohren und Röhren zu erhalten.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Fehler-Ermittlungssystem zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei ein als Prüfling vorgesehenes Rohr bzw. eine Röhre als TM bezeichnet ist} C ein Kabel bezeichnet, T einen Strichfokus-Wandler bezeichnet, FAB einen fokussierten Schall bezeichnet, 8 einen Versetzungsabstand bezeichnet, WD einen Kopplungswasserabs tand bezeichnet, i einen Auftreffwinkel bezeichnet, θ einen Brechungswinkel bezeichnet, D einen Außendurchmesser des Prüflings angibt, W eine Schweißnaht oder -raupe am Prüfstück bezeichnet, und RLN eine Longitudi-

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nal-Rechtecknut (Bezugsnut) in der Außenoberfläche des Prüflings angibt. Der Versetzungsabstand 6 beträgt

J= (§) sin i

Es besteht die folgende Beziehung:

V₁(H₂O)
sin θ =* sin i

in welcher V_L(H₂0) die Schallgeschwindigkeit der Longitudinalwelle in Wasser und ν_α(γ^_) die Schallgeschwindigkeit

ο SS

der Scher- oder Schubwelle in nichtrostendem, austenitischera Stahl angibt.

Die Vergleichsversuche wurden ausgeführt, wie im folgenden im einzelnen beschrieben, und die erhaltenen Versuchsergebnisse sind in den Zeichnungen dargestellt.

Vergleichsbeispiel 1

Als Prüfling wurde ein durch elektrisch Induktionsschweißen hergestelltes Rohr aus einem austenitischem, nichtrostendem Stahl gemäß AISI-Typenreihe 304 mit 60,5 mm Durchmesser und 2 mm Wandungsstärke (t) verwendet, welches eine eingeschnittene, innere Schweißnahtverstärkung aufwies und im nicht-wärmebehandelten Zustand, d.h. im Schweißzustand, belassen war. Die longitudinale Rechtecknut mit 0,15 mm Tiefe und 25 mm Länge war durch Funkenerosion in der Schweißnahtmitte ausgebildet worden und wurde durch Ultraschallprüfung statisch nach der Wassertauchraethode untersucht. Zwei Arten von Wandlern, nämlich ein resonanzfreier Breitband-Wandler mit hoher Dämpfung und Strich-Fokus mit einer Nennfrequenz von 5 HHz gemäß JIS (japanische Industrienorm) 5C10ILF20 (hergestellt unter vertrieben unter der Handelsbezeichnung HSKL20 von der Firma Krautkrämer) und ein handelsüblicher, nichtfokussierender Schmalband-Wandler mit einer Nennfrequenz von 4 MHz gemäß JIS

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4Z10I (hergestellt und vertrieben unter dem Handelsnamen Z4K von der genannten Firma), wurden verwendet. Die mit Hilfe dieser beiden Wandler erhaltenen Ergebnisse wurden miteinander verglichen. Die Α-scope CRT-Anzeigen dieser beiden Wandler sind in den Fig. 2A und 2B dargestellt. Fig. 2A stellt die am Wandler 6C1OILF2O erhaltene Anzeige dar und Fig. 2B zeigt die Anzeige des Wandlers 4Z10I. Die Ultraschall-' Prüfungsbedingungen, . welche zu den obengenannten. Α-scope CRT-Anzeigen führten, und die Signal-Rausch-Verhältnisse, die mittels übereinstimmender Anordnungen gemessen wurden, sind in der folgenden Tafel 1 zusammengestellt.

	Tafel	1	5C1OILF2O	4Z10I
Wandler		20	δ
Signal-Rausch-Verhältnis	(dB)	30	22
Verstärkung (dB)		45	45
Brechungswinkel (Grad)		tragbar	tragbar
Ultraschalleinrichtung

Werden die von den beiden verschiedenen Wandlern gelieferten Anzeigen miteinander verglichen, so ergibt sich folgendes: Der Wandler 5C1OILF2O (Fig. 2A) löst das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Problem, während der Wandler 4Z10I (Fig. 2B) dazu nicht imstande ist. Das vom Wandler 4Z10I gelieferte Signal-Rausch-Verhältnis von 6 dB ist so klein, daß die Verwendung des Wandlers 4Z10I für die automatische Fehlerermittlung unmöglich ist. Das Signal-Rausch-Verhältnis wird dargestellt als Differenz zwischen der Echohöhe (dB) des Nutensignals (S) und des Rauschens (N). Die Echohöhe wurde stets dargestellt durch die eingestellte Verstärkung (dB), um die Echohöhe auf 6O?6 des Vollausschlages der Longitudinalachse des CRT zu bringen. Das Rauschen wurde in dem künstlichen Fehler benachbarten, gesunden Schweißbereichen gemessen, d.h. in dem die Rechtecknut einschließenden Bereich auf einer den künstlichen x) CBT = Cathode Ray Tube = Kathodenstrahlröhre

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Fehler einschließenden Schall-Ausbreitungsbahn. Demzufolge kann der Rauschpegel nicht direkt aus den CRT-Anzeigen der Fig. 2A bzw. 2B ermittelt werden. Das Signal-Rausch-Verhältnis wird in der oben beschriebenen Weise auch für die nachfolgenden Vergleichsversuche 2 und 3 ermittelt.

Vergleichsbeispiel 2

Als Prüfling wurde eine in Längsrichtung durch das elektrische Schmelzschweißen geschweißte Röhre mit 165»2 mm Durchmesser und einer Wandstärke von 2,8 mm im nicht-wärmebehandelten, d.h. im Schweißzustand belassenen, Zustand verwendet, wobei die Röhre aus einem austenitischen, nichtrostenden Stahl gemäß AISI-Typenreihe 304 bestand. Die Longitudinal-Rechtecknut nahm 55» der Schweißungsdicke ein, d.h. war 0,14 mm tief und 25 mm lang. Die Nut war durch Funkenerosion in der Schweißungsmitte auf der Außenoberfläche ausgebildet und wurde auf statischem Wege einer Ultraschallprüfung nach dem Wassertauchverfahren, wie in Beispiel 1, untersucht. Es wurden zwei Arten von Wandlern verwendet, nämlich der bereits in Beispiel 1 benutzte, resonanzfreie Breitband-Strich-Fokus-Wandler mit hoher Dämpfung, 5C10ILF20, und der handelsübliche Schmalband-Strich-Fokus-Wandler mit der Nennfrequenz 4 MHz gemäß JIS 4B10ILF (unter dem Handelsnamen Z4KL20 hergestellt und vertrieben von der Firma Krautkrämer). Die mit Hilfe dieser beiden Wandler erhaltenen Ergebnisse werden miteinander verglichen. Die Α-scope CRT-Anzeigen dieser beiden Wandler sind in den Fig. 3A und 3B dargestellt. Dabei zeigt Fig. 3A die mit Hilfe des Wandlers 5C10ILF20 erhaltenen Ergebnisse und Fig. 3B die mit Hilfe des Wandlers 4B10ILF erhaltene Anzeige. Die Ultraschall-Prüfungsbedingungen, die zu den oben erwähnten Α-scope CRT-Anzeigen und den mit Hilfe der gleichen Ultraschalleinrichtungen gemessenen Signal-Rausch-Verhältnissen führten, sind in der folgenden Tafel 2 zusammengestellt .

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Tafel 2

Wandler 5CIOIU¹ZO 4B10ILF

Signal-Rausch-Verhältnis (dB) 16 8

Verstärkung (dB) 40 24

Brechungswinkel (Grad) 45 45

Ultraschalleinrichtung tragbar -tragbar

Aus den in den Fig. 3A und 3B dargestellten Ergebnissen läßt sich folgendes entnehmen: Der Wandler 4BIOIIi¹ (Fig.3A), welcher nicht imstande ist, das Oberflächenecho, d.h. das S-Echo, zu entwickeln, ist nicht brauchbar, um das der Erfindung zugrundeliegende Problem zu lösen, und zwar sowohl vom Standpunkt des Signal-Rausch-Verhältnisses als auch im Hinblick auf das Auflösungsvermögen. Insbesondere das geringe Signal-Rausch-Verhältnis von 8 dB macht deutlich, daß es praktisch unmöglich ist, diesen Wandler für die automatische Werkstoffprüfung zu verwenden. Demgegenüber löst der resonanzfreie Breitband-Strich-Fokus-Wandler mit hoher Dämpfung, 5C10ILF20 (Fig. 3B), das der Erfindung zugrundeliegende Problem.

Vergleichsbeispiel 3

Als Prüfling wurde ein mit Hilfe des elektrischen Schmelzschweißens in Längsrichtung geschweißtes Rohr mit 114,3 mm Durchmesser und einer Wandstärke von 6,0 mm aus einem nichtrostenden, austenitischen Stahl gemäß AISI-Typenreihe verwendet, welches eine polierte, innere Schweißungsverstärkung aufwies und wärmebehandelt war, d.h. einer Lösungsglühung unterzogen worden war. Die Longitudinal-Rechtecknut nahm 5% der Wandungsdicke ein und war folglich 0,3 mm tief bei einer Länge von 25 mm. Die Nut war durch Funkenerosion in der Schweißungsmitte auf der Außenoberfläche ausgebildet und wurde der statischen Ultraschallprüfung nach der Wassertauchmethode, wie schon in den Beispielen 1 und 2, unterzogen. Bei den verwendeten Wandlern handelt es sich um

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genau die gleichen wie in Beispiel 2. Die Α-scope CRT-Anzeigen dieser beiden Wandler sind in den Fig. 4A bzw. 4B dargestellt. Fig. 4A zeigt die mit Hilfe des Wandlers 5C10ILF20 erhaltene Anzeige, während Fig. 4B die Anzeige des Wandlers 4B1OILF zeigt. Die Ultraschall-Prüfungsbedingungen, welche zu den obengenannten Α-scope CRT-Anzeigen und den mit Hilfe übereinstimmender Anordnungen gemessenen Signal-Rausch-Verhältnissen führten, sind in Tafel 3 dargestellt.

Tafel 5

Wandler 5C1OILF2O 4B10ILF

Signal-Rausch-Verhältnis (dB) 18 14

Verstärkung (dB) 42 28

Brechungswinkel (Grad) 45 45

Ultraschalleinrichtung tragbar tragbar

Aus den in den Fig. 4A und 4B dargestellten Ergebnissen läßt sich folgendes schließen: Wird das zu untersuchende Werkstück geglüht, d.h. einem Lösungsglühen unterworfen, so kann das Signal-Rausch-Verhältnis, welches vom handelsüblichen Schmalband-Strich-Fokus-Wandler (Fig.4B) dargestellt wird, in einem solchen Ausmaß verbessert werden, daß eine automatische Werkstoffprüfung ermöglicht ist. Es ist jedoch zu bedenken, daß im Hinblick auf das Auflösungsvermögen der handelsübliche Schmalband-Wandler dennoch nicht den Erfordernissen der vorliegenden Erfindung genügt, insbesondere wenn die Wanddicke des Prüflings gering ist. Wird der ■ resonanzfreie Breitband-Strich-Fokus-Wandler 5C1OILF2O mit hoher Dämpfung (Fig. 4A) verwendet, so wird ein ausreichendes Signal-Rausch-Verhältnis mit guter Stabilität erreicht und nur in diesem Fall läßt sich das der Erfindung zugrundeliegende Ziel erreichen.

Fig. 5 zeigt einen Vergleich der Stabilität bei der Ultraschallprüfung von 10 mm langen Longitudinal-Vergleichs-U-

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" " " ' *"' ■ 31U670

Nuten, die in den Schweißungen von austenitischen, nichtrostenden Stahlrohren ausgebildet waren und zum einen mit Hilfe des Breitbandwandlers und zum anderen mit Hilfe des Schmalband-Wandlers geprüft wurden. Fig. 6 zeigt eine Gegenüberstellung der Signal-Rausch-Verhältnisse bei der gleichen statischen Ultraschallprüfung.

Die Vergleichsversuche wurden bei der gleichen Fehlerermittlung durchgeführt, die für die oben erörterten Beispiele gemäß Fig. 1 durchgeführt wurden. Die Echohöhen sind jedoch durch Verstärkungswerte (dB) dargestellt, die so eingestellt waren, daß die Echohöhen auf 4θ5ί des Vollauschlags der in der Longitudinalachse der CRT-Einrichtung gebracht wurden.

In den Fig. 5 und 6 bezeichnet N das in fehlemahen, gesunden Schweißungsbereichen, und zwar in denselben Ausbreitungsbahnabständen wie das Fehlersignal (S), ermittelte Rauschen, wenn die Untersuchungseinheit in Längsrichtung längs der Röhrenachse fortbewegt worden ist. N__Q„ bezeichnet das Maximalrauschen in fehlernahen, gesunden Schweißungsabschnitten, die vom Schall mit derselben Untersuchungseinrichtung bestrichen worden waren, wie bei der Fehlersignal (S)-Ermittlung. Aus den Daten für S/N_m gemäß Fig. 5 und 6 ergibt sich, daß eine automatische Fehlerermittlung in stabiler Weise für eine 0,1 mm tiefe Longitudinal-U-Nut (10 mm Länge) sowohl an Innen- als auch an Außenoberflächen einer wärmebehandelten Röhre durchgeführt werden kann, daß eine Schallprüfung für eine 0,3 nun tiefe Longitudinal-U-Nut an der Röhren-Innenoberfläche im wärmebehandelten Zustand mit einer Wanddicke von nicht weniger als 3 mm durchgeführt werden kann und daß eine Ultraschallprüfung für eine 0,3 mm tiefe Longitudinal-U-Nut sowohl an der Innenwand als auch an der Außenwand der Röhre im Schweißzustand durchgeführt vrerden kann, ohne Berücksichtigung der Wanddicke.

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Leerseite

Claims

PAT ENTANWÄ I. V E

Msshin Steel Co., Ltd.

4—1, Marunouchi 3-cbome, Chiyoda-ku Tokyo, Japan

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A. GRÜNECKER

an. iMO

H. KIMKELDEY W. STOCKMAIR

DH-ING A»EJCAI-TECH

K. SCHUMANN

0Λ RER MAT OPL PHYS

P. H. JAKOB

UPt INT,

G. BEZOLD

CRRSRMAT OPL-CHCIUI

8 MÜNCHEN 22

MAXlMlLMkNSTRASSE 43

P 16 069

10. April 1981

Ultraschall-Prüfverfahren für in Längsrichtung geschweißte Röhren und Rohre aus legiertem, austenitischem Stahl

Patentansprüche

1J Verfahren zur Ultraschall-Fehlererraittlung an in jängsrichtung geschweißten Rohren und Röhren aus legiertem, austenitischem Stahl, dadurch gekennzeichnet, daß das Scherwellen-Winkelverfahren unter Verwendung eines nicht in Resonanz tretenden, fokussierenden Breitband-Wandlers mit hoher Dämpfung angewendet wird.
2. Ultraschallverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der fokussierende Wandler so eingestellt wird, daß er an einem Punkt auf dem Schallausbreitungsweg zwischen dem Schall-Eintrittspunkt und dem halben Skip-

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telefon (öse) aaaaea

TELEX OB-OOSBO

MONAPAT

TELEKOPIEFIER

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- 2 distanzpunkt im Prüfwerkstoff fokussiert.
3. Ultraschallverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im fokussierenden Wandler ein aus Bleiniobat-Keramik hergestellter Wandler verwendet wird.
4. Ultraschallverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein fokussierender Wandler verwendet wird, dessen Oszillator aus Bleititanat-Keramik hergestellt ist.

130065/0781