DE881266C

DE881266C - Verfahren und Vorrichtung zum Pruefen fester Materialien, insbesondere duenner Platten od. dgl., auf Risse oder Spruenge

Info

Publication number: DE881266C
Application number: DEP29741A
Authority: DE
Inventors: Benson Carlin
Original assignee: Sperry Products Inc
Current assignee: Sperry Products Inc
Priority date: 1947-04-26
Filing date: 1949-01-01
Publication date: 1953-06-29
Also published as: GB663064A; FR964021A; US2527986A

Description

Der Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Prüfung fester Materialien, insbesondere dünner Platten od. dgl., mit Hilfe von Wellen, insbesondere solcher aus dem Überschallbereich. Um derartige Materialien zu prüfen, wurde bereits vorgeschlagen, diese in eine Wellenfolge von Überschallfrequeittz zu bringen und das Zeitintervall, welches vom Augenblick der Einführung der Wellen in d'as Material und dem Eingang derselben nach ihrer Reflexion verstreicht, entweder an einer der gegenüberliegenden Seiten oder an einer dazwischenliegenden Reflexionsoberfläche zu messen, beispielsweise einem Bruch od. dgl. Tn derartigen Fällen'wurde die Wellenfolge in einer zur Oberfläche des Materials senkrechten Richtung aufgegeben. Diese Methode ist jedoch nur beschränkt verwendungsfähig, wenn dünne Platten geprüft werden sollen, weil hierbei das Zeitintervall zwischen Aufgabe und Empfang außergewöhnlich klein ist. Andererseits konnte dieses Verfahren auch keine Anwendung finden, in den Fällen, wo die Oberfläche der Platten so· ist, beispielsweise ungleiche Formen oder Hindernisse aufweist, daß es unmöglich oder nicht wünschenswert ist, den Sendekristall über diese Platte hinwegzubewegen. Ähnliches gilt auch dort, wo zwei Kristalle gebraucht werden, die in einem Winkel zueinander stehen, wobei einer benötigt wird, um

die Wellenfolge in einem bestimmten Winkel zum Material aufzugeben und der andere dazu dient, die reflektierende Wallenfolge wieder im Winkel der Reflexion zu empfangen. Wenn diese beiden. Kristalle als; Einheit über die Oberfläche solcher unebenen Platten bewegt werden, treten bei dem Versuch der Prüfung dieselben Schwierigkeiten auf, wie sia bei dem erstgenannten Verfahren durch ■die Rauheit oder die Hindernisse auf der Obeirfläche hervorgerufen, werdlen.

Der Gegenstand der Erfindung zeigt demgegenüber ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Prüfen solchen· Materials, und zwar nicht nur unter den beschriebenen Bedingungen, welche die erstgenannten Verfahren unwirksam machen, sondern die auch angewendet werden können in den Fällen, wo die erstgenannten Verfahren ebenfalls gebraucht werden können. Kurzum kann gesagt werden, daß das neue Verfahren nicht daran gebunden ist, den

ao Kristall über die Oberfläche des zu prüfenden Materials hinwegzubewegen, und daß nur ein einziger Aufgeber erforderlich ist, welcher in der Lage ist, von einer festen Stellung aus einen Materialstreifen zu prüfen.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist der, daßi Einrichtungen vorgesehen: werden:, um eine Wellenfolgei in den zu prüfenden Gegenstand in einem solchen Winkel aufzugeben, daß lediglich Anzeigen bzw. Meßergebnisse erzielt werden, die vom einer einzigen Art von Wellen- herrühren, um damit die Darstellung der Messung ganz wesentlich zu erleichtern. ■

Vorzugsweise lassen sich das erfindungsgemäße¹ Verfahren und die Vorrichtung vor allem bei gekrümmten Flächen oder Platten in derselben Weise anwenden wie bei flachen Platten, so daß es beispielsweise möglich ist, auch zylindrische Rohre mit einem einzigen feststehenden Sender bzw. Aufgeber zu prüfen, wobei dieser immer eine bestimmte Längeneinheit des Rohres überprüft. Dabei ist die Anordnung so> getroffen, daß das: Verfahren so gewählt ist, daß kein Teil des zu prüfenden; Gegenstandes übergangen wird durch Ausbleiben der durch das Material hindurchgehenden Wellenfolge an bestimmten Stellen des. zu untersuchenden Materials.

Um die Erfindung besser verständlich zu machen, ist. sie nachfolgend in Verbindung mit Zeichnungen beschrieben, und zwar zeigen'

Fig. ι und 2 Vektorendiagramme, die die Theorie erläutern, welche den Winkel bestimmt, in welchem die Wellenfolge in das zu prüfende Material aufzugeben ist;
Fig. 3 ist einet grundzügige teilweise Vorderansicht, um die Anwendung¹ des erfindungsgemäßen Verfahrens beim Prüfen von flachen Platten zu zeigen,

Fig. 4 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 3, die die Anwendung' des erfindungsgemäßen Verfahrens

60. beim Prüfen von gebogenen Gegenständen, beispielsweise eines Rohrteiles, zeigt, und

Fig. 5 und 6 zeigen Schaubilder, die eine weitere Theorie behandeln, welche den Winkel festlegt, in dem die Wellenfolge in das zu prüfende Material aufgegeben werden muß, so daß kein Teil des 6g Materials ununtersucht bleibt.

Bei der Darstellung gemäß Fig. 3 gelangt die Erfindung zur Anwendung, um eine flache Platte 10 zu prüfen. Während die Platte von. beliebiger Stärke sein kann,, ist festgestellt worden, daß der Gegenstand! der Erfindung sich mit besonderem Vorteil bei. der Prüfung dünner Platten anwenden läßt. Es kann dabei wünschenswert sein, die Platte auf Risse 11 od. ä. zu untersuchen, die sich beispielsweise in einer gewissen Entfernung von dem Punkt befinden, an dem der elektroakustische Aufgeber 12, der beispielsweise die Form eines Kristalls haben kann, auf die Oberfläche aufgesetzt ist. An Stelle der Untersuchung auf Risse 11 kann es auch wünschenswert sein, eine Schweißung zu untersuchen, die sich zwischen zwei Teilen der Platte befindet, wie es beispielsweise bei 15 in der gekrümm ten Platte io' der Fall ist, welche einen; Teil des in Fig. 4 gezeigten Rohres bildet. Erfindungsgemäß kann auf diese Weise die ganze Länge der Platte auf Risse zwischen dem Aufgeber und dem gegenüberliegenden Wandende geprüft werden, wobei es genügt, den Aufgeber für diese Längeneinheit ein einziges Mal auf die zu prüfende Platte aufzusetzen. Um diese Ergebnisse zu erzielen, wird der elektroakustische Aufgeber 12 von. einem geeigneten Schwingungs- oder Wellenerzeuger mit Energie versorgt. Der Aufgeber 12 kann beispielsweise die Form eines piezoelektrischen Kristalls haben, welcher auf einem geeigneten Keil 20 aufmontiert ist. Der Winkel des Keiles gegenüber der Oberfläche der Platte 10 mag dabei durch Überlegungen ermittelt werden, wie sie hieran; anschließend beschrieben werden sollen.

Die Wellenfolge wird in den Gegenstand 10 durch die Oberseite 13 aufgegeben und pflanzt sich von der Eintrittsstelle, d. h. vom Aufgeber aus im Material weiter fort. Die Wellenfolge ist dabei durch die Pfeile in Fig. 3 angedeutet und trifft auf der gegenüberliegenden Seite 14 des Gegen-Standes 10 ein, wo sie zurück zur gegenüberliegenden Seite 13 reflektiert wird und sich diese Reflexionen im Innern des Gegenstandes zwischen den Flächen 13 und 14 so lange wiederholen, bis der Strahl entweder die Endwand 16 der Platte 10 oder eine dazwischenliegende Reflexionsoberfläche, beispielsweise einen Riß 11, trifft. Auf dem Rückweg wird der Strahl wieder zwischen den Flächen 13 und. 14 reflektiert, bis er schließlich durch den Keil 20 und den Kristall 12: wieder aufgenommen wird. Sowohl die Aufgabe des. Impulses als auch der Empfang¹ der Reflexion¹ durch den Kristall 12 können an irgendeinem geeigneten Anzeigeinstrument, beispielsweise an einem Oszillographen., angezeigt und das Zeitintervall auf einem Streifen vermerkt werden. Wenn nun das Zeitintervall bekannt ist, das die Wellenfolge, welche vom Kristall bis zur Endwand ιό und zurück geht, benötigt, so muß· die Aufnahme der Reflexion in einer kürzeren Zeit die Gegenwart eines Risses oder einer anderen reflektierenden Oberfläche im Material, also einen

Fehler, anzeigen. Indem man im allgemeinen eine Wellenfolge in das Material hineinschickt, und zwar in einem solchen Winkel, daß die Wellen von dem Aufgeber weglaufen und einer mehrfachen Reflexion zwischen den gegenüberliegenden Seiten, des Materials ausgesetzt sind, bis eine reflektierende Fläche getroffen wird und nach dieser Reflexion in der gleichen Weise zum Aufgeber zurückkommen, ist es möglich, mit dem Aufgeber von, einer

ίο festen Stellung aus eine bestimmte Länge des Gegenstandes in. Richtung der Wellenfortpflanzung zu prüfen, ohne daß es notwendig ist, den Aufgeber aus seiner festen Stellung herauszubewegen. Die Faktoren, welche den festen Winkel des Keiles gegenüber der Gegenstandseibene 13 bestimmen, sind in den schaubildlichen Darstellungen der Fig. i, 2, 5 und 6 wiedergegeben. Aus Fig. 1 ist zu ersehen, daß ein Strahl L, der unter einem Winkel &l zur Normalen auf die Oberfläche des Materials auftrifft, in die Fläche eindringt und in zwei Arten, von Wellen gebrochen wird, und zwar in Längswellen L' und in Querwellen S'. Da Längswellen eine größere Schnelligkeit in. festen Körpern erreichen als Querwellen, wird¹ der Strahlenbrechungswinkel Θ'ι größer sein als der Brechungswinkel &s der Ouerwellen. Das bedeutet, daß bei dem Winkel &i zwei Arten von. Wellen durch den Gegenstand! 10 hindurchgehen und auf diese Weise eine Anzahl gemischter Reflexionen auftreten und ebenso verschiedene Anzeigen von dem Kristall aufgenommen, werden. Dies ist nicht wünschenswert, und es ist deshalb anzustreben, eine der beiden Wellenarten zu eliminieren. Vorzugsweise werden die Längswellen in dem Gegenstand 10 zuerst eliminiert, weil der größere Strahlenbrechungswinkel dieser Wellen sie dazu geeigneter macht und weil die Ouerwellen eine für das Verfahren bessere Charakteristik aufweisen, wie beispielsweise geringere Fortpflanzungsgeschwindigkeit und die Fähigkeit, von flüssigkeitsgefüllteni Höhlungen reflektiert zu werdein, was bei Langeweilen nicht möglich ist. Um die Längswellen zu eliminieren, wird der Einfallswinkel des Strahls L gegenüber der Normalen, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, erhöht bis zu einem Punkt, wo der Winkel Θ'ι so groß ist, daß die Längswellen den Grenzwert, d. h. den kritischen Punkt erreichen, welcher in der Ebene der Oberfläche 13 des Gegenstandes 10 liegt. Erhöht man den Einfallswinkel des Strahl L über diesen kritischen Winkel hinaus, so ergibt sich, daß die Längs wellen ganz aus dem Gegenstand 10 heraustreten und nur die Querwellen, darin verbleiben. Um den kritischen Winkel zustande zu bringen, ist das Material des Keiles 20 so gewählt, daß seine Schallundurchlässigkeit (Produkt aus Materialdiichte und Geschwindigkeit der auf das Material auftreffenden Welle) geringer ist als die des Gegenstandes 10. Das Verhältnis dieser beiden Werte zwingt die Längswellen, in einer solchen, Richtung zu brechen, daß sie durch die Oberfläche 13 eliminiert werden können. Auf diese Weise werden nur die Querwellen in dem Gegenstand 10 reflektiert, so daß nur die Reflexion, einer einzigen.

Wellenart erfolgt. Beim Auftreffen auf den. Keil 20 werden die Ouerwellen, wieder teilweise in Längswellen verwandelt, doch ist dies ohne Bedeutung, weil infolge der kurzen, Entfernungen, die die Ouerwellen- und, Längswell enkomponenten im Keil zurückzulegen haben, die Zeitdifferenz, so kurz ist, daß die Energie der Strahlen nahezu gleichzeitig eintrifft.

Demzufolge müssen; der Winkel des Keiles 20 und das Material desselben gegenüber dem Material des Gegenstandes 10 so gewählt werden, daß der Einfallswinkel der Wellenfolge L den kritischen Winkel Θ'ι überschreitet, bei welchem die Längswellen aus dem Gegenstand 10 reflektiert werden. Es kann irgendein Winkel gewählt werden, der größer ist als der kritische Winkel, aber kleiner als der kritische Winkel, bei dem die Ouerwellen ebenfalls aus dem Gegenstand heraus reflektiert werden. Der Bereich zwischen diesen zwei kritischen Winkeln ergibt den zulässigen Arbeitswinkelbereich. Wenn beispielsweise das Material des Keiles aus Polystyrol, folgend auf Stahl, besteht und mit einem Aufgabequarz ausgestattet ist, so' wird der Bereich zwischen dein beiden kritischen Winkeln etwa zwischen 26 und 58¹⁰ liegen.
. Außerdem ist aber noch ein anderer Faktor vorhanden, der den Winkel des Keiles bestimmt und der in den Fig. 5 und 6 gekennzeichnet ist. Aus diesen Figuren ist ersichtlich, daß der Strahlenbereich die Breites aufweist und; das Strahlenbündel in einer Breite B' reflektiert wird. Wenn der Einfallswinkel zu groß' ist, kann es vorkommen¹, daß bei den mehrfachen, Reflexionen: ein Teil 30 von den Strahlen nicht durchdrungen, wird, wie dies in Fig. 6 schraffiert angedeutet ist. Dieser Teil würde dann weder von den auf gegebenen noch von den reflektierenden Strahlen! durchdrungen. Diese Teile würden: sich dann periodisch über die ganze Länge des Streifens oder der Platte hinweg wiederholen. Deshalb ist es notwendig, bei der Bestimmung des genauen Keilwinkels den Einfallswinkel so zu wählen, daß die Reflexion im Strahlenbereich B' genau an den Bereich der aufgegebenen Strahlen antrifft, wenn die Oberfläche 13 des Gegenstandes 10 wieder erreicht wird. Dasselbe muß bei den folgenden Reflexionen auch auf der gegenüberliegenden Seite der Fall sein,. Tote Winkel müssen durch entsprechende Wahl des Einfallswinkels vermieden, werden. Der Einfallsbzw. Keilwinkel ist so zu wählen,, wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Die übersprungenen Flächen 30 gemäß Fig. 6 sind zu eliminieren. Noch eine andere Überlegung ist für die Bestimmung des Keilwinkels maßgeblich, und zwar besteht diese darin, daß die Reflexion B' die ganze Basis des Keiles 20 aufhellen muß, da andererseits andere Strahlen in den Keil eindringen können und von dem Aufgeber aufgenommen werden, wodurch eine oder mehrere Falschanzeigen verursacht werden,. Sollte es aus besonderen Gründen nicht wünschenswert sein, den Winkel so zu wählen, daß das reflektierende Strahlenbündel den ganzen Keil aufhellt, dann muß das Material des Keiles so sein, daß¹ es die

mehrfachen Reflexionen, die durch solche falschen Strahlen im Innern des Keiles erzeugt werden, absorbiert.

Das hierin beschriebene Verfahren, ist ebenso auch für die Prüfung gekrümmter Flächen, wie z. B. Rohre usw., anwendbar. Es läßt sich beispielsweise das Rohr io' mit Hilfe des Aufgebers 12 und des Keiles 20 prüfen, wobei die innere Oberfläche des Keiles der Kontur der Oberfläche 21· der Rohrleitung angepaßt sein kann und der Keil einen solchen Winkel aufweist, daß das Strahlenbündel in dem Rohrquerschnitt in einer vom Aufgeber wegführenden Richtung weiterläuft.

Die Wellenfolge wird wiederholt reflektiert zwisehen der äußeren Oberfläche 21 und der inneren Oberfläche 22, bis eine reflektierende Oberfläche getroffen wird, wie es beispielsweise die Schweißung oder ein Riß- ist, von wo die Wellen zurück zum Aufgeber refleiitiert werden. Auf diese Weise läßt sich die ganze Rohrlänga prüfen, wobei von dem Aufgeber aus immer ein; vollständiger Rohrumfang mit einem einmaligen Aufsetzen, des Aufgebers durchstrahlt wird.

Das Verfahren und eine Vorrichtung, wie sie hierin beschrieben sind, um Gegenstände zu prüfen, kann· in verschiedensten Abänderungen Anwendung finden.. Es können die verschiedensten Gegenstände geprüft werden, wobei es nur notwendig ist, daß die Strahlen zwischen gegenüberliegenden Flächen wiederholt reflektiert werden.

PATENTANSPRÜCHE:

K i. Verfahren zum Prüfen von, festen Gegenständen, welche einander gegenüberliegende Flächen aufweisen, die so angeordnet sind, daß in den Gegenstand hineingeschickte akustische Wellen· in Richtung der Fortpflanzung der Wellen von einer Fläche zur anderen mehrfach reflektiert werden, um Risse oder Sprünge in dem Gegenstand anzuzeigen, da,-durch gekennzeichnet, daß^: mechanische Schwingungen auf einer Seite des Gegenstandes in einem bestimmten Winkel aufgegeben aufgegeben,' werden, wobei die Schwingungen zwischen den Begrenzungsflächen des Gegenstandes sich fortpflanzend mehrfach reflektiert werden und die von einem Riß¹ od. dgl. im

Gegenstand zurückgeschickten Schwingungen an der Aufgabestelle wieder aufgenommen und in elektrische Wellen umgewandelt werden.
j/ 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge-. kennzeichnet, daß die Schwingungen mit Hilfe eines einzigen elektroakustischen Aufgebers ■ aufgegeben, wieder empfangen und im elekirische Wellen umgewandelt werden.
r 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge^v kennzeichnet, daß' der Winkel, in welchem die Schwingungen in das Material aufgegeben werden, so gewählt ist, daß die von der gegenüberliegendem Oberfläche des Gegenstandes reflektierten! Schwingungen, die mit dem Aufgeber ausgerüstete Fläche weit genug entfernt von der Aufgabestella aus wieder berührein, um aus dem Bereich des Aufgebers herauszukommen..

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel der Aufgabe größer ist als der kritische Winkel, bei welchem Längswellen aus dem Gegenstand verschwänden, aber kleiner ist als der Winkel, bei dem auch die Querwellen aus dem Gegenstand verschwinden, so daß. nur Ouerwellen in den zu prüfenden Gegenstand eingeführt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufgabewinkel der Schwingungen· so gewählt ist, daß die wiederholtem Reflexionen von den gegenüberliegenden Seiten des Gegenstandes keine toten Flächen einschließen.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch r bis 5, gekennzeichnet durch die Anordnung eines elektro akustischen Aufgebers zum Umwandeln elektrischer Wellen von Überschallfrequenz in mechanische Schwingungen und umgekehrt und einen Keil, der zwischen den Gegenstand und den Aufgeber eingeschaltet ist und eine niedrigere Schallundurchlässigkeit aufweist als der Gegenstand, um in einem bestimmten Winkel Schwingungen in denselben hinein aufzugeben und aus demselben heraus aufzufangen.

Angezogene Druckschriften!:

Journal of the Iron and' Steel 1946, Bd. I, S. 321 bis 328.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

f.

5226 6.53

Claims

Ausgegeben am* g_j Mai gur Patentschrift 881 266. Klo4g3r.gr, 46/06

Das Patent BBl 266 1st durch Entscheidung des Patentamts τόπι J.fK9ol956i bestätigt dur?]i Urteil de;? Bundes« gerichtshofes vom 16_O1»1959» dadurch teilweise für niohtig erklärt worden, dasa

Anspruch 1 folgend© Fassung erhältι "Verfahren zum Prüfen von festen Segens t-'inden auf Rias β oder Sprünge nach dem Lauf Bettverfahren* bei dein in den su prüfenden Gegenstand hineing-esohiekte akustische Im« pu].se an Begrenaungsfläehen dee G-egenstaEdss mehrfach re« flektiert werden und die an einer Begrenzungsflächö oder an einer Fehlsrstelle reflektierten Impuls© an die Aufgabestelle zurückgelangen und dort in elektrische Impulse umgewandelt werden^ dadurch gekennzeichnet, dass die Schall-impulse in einem solchen Winkel schräg zur Oberfläche in den zu prüfendon Gegenstand eingestrahlt werden^ dass sie ziokzaeikförmig sich fortpflansend an der dem Schallkopf an3.ieg©nden un<1 ihm gegenüberliegenden Begrensungsflache des- Prüfgegenstandes mehrfach reflektiert werden» ohne dass das primäre Seh© zur Messung herangezogen wird?

IIο dass die Ansprüche 2 und 3 gestrichen werden una dass Anspruch 6 folgende Fassung erhälts

"Vorrichtung aur Durchführung des Verfahrens nach den vor« hergehenden Annprüchsn, gekenns©lohnst durch die Anordnung eines Keiles zwischen dem Schallaufgeber und -empfänger und dem au prüfenden Gegenstand aus einem solchen Material, dass si oh in ihm die Schallwelle mit einer geringeren Gssoh^indigkeii iortpflanat als in de;a zu prüfenden G-egen« atfina, üiid ferner mit einem solchen Keilwinkel * dass von den an der Trennfläohe Keil-Oberflächa des G^genstandQs auftretenden longitudinal-» und üPransversalv/ellei:. di« Longitudinal v/ellβ nioht in den Gegenstand gelangte"