Verfahren zur Ultraschall-Prüfung von Körpern mit gekriimmten Oberflächen
Die Ultraschall-Prüfung beliebiger Werkstücke erfolgt im allgemeinen mit Hilfe des Durchstrahlungsoder Impulsechoverfahrens. Als Anlagefläche fur den Schallkopf sucht man nach Möglichkeit hierfür plane Anlage-oder Einstrahlungsflächen auf. Bei Körpern mit gekrümmten Oberflächen ist dies jedoch nicht möglich. Um die Schwierigkeit der punkt-oder linienförmigen Auflage (z.
B. bei Rohren) zu umgehen, schleift man daher die im allgemeinen aus Trolitul oder Plexiglas bestehenden Vorsatzst cke auf die konvexe oder konkave Krümmung der Einstrahlungs- flÏche ein, erhält zwar eine befriedigende Ankoppe- lung, nimmt jedoch die hierbei entstehende Schallbrechung in Kauf. Der Strahlenverlauf im Inneren des Prüflings ist daher durch die vorgegebene konvexe oder konkave Krümmung der Einstrahlungsfläche des Prüflings bestimmt und weicht im allgemeinen stark von dem gewünschten Strahlenverlauf im Inneren des Prüflings ab.
Bei der bekannten Unterwasser-Schalltechnik, bei welcher der Prüfling und der bzw. die Schallköpfe zum Zwecke der Ultraschall-Übertragung in ein gemeinsames Flüssigkeitsbad gebracht werden, sind die genannten Schwierigkeiten noch grösser, da sich aus dem Verhältnis der Schallgeschwindigkeiten von Wasser zu Metall ein noch grösserer Brechungs- index ergibt als aus dem Verhältnis von Trolitul bzw.
Plexiglas zu Metall.
Die genannten Schwierigkeiten beseitigt das erfin dungsgemässe Verfahren zur Ultraschall-Prüfung von Körpern mit gekrümmten Oberflächen dadurch, dass mit Hilfe eines schalloptischen Systems alle Strahlen des Schallbündels so gerichtet werden, da¯ sie unter dem gleichen Einfallswinkel in den Prüfling eintreten.
Die Fig. 1 bis 4 zeigen beispielsweise Durchführungsarten des erfindungsgemässen Verfahrens. Die Figuren stellen im einzelnen dar :
Fig. 1 die Ultraschall-Untersuchung eines Rohres mit ein oder zwei Schallköpfen nach dem Impulsechooder Durchstrahlungsverfahren,
Fig. 2 die Untersuchung einer Stange mit ein oder zwei Schallköpfen nach dem Impulsecho-oder Durch strahlungsverfahren,
Fig. 3 die Untersuchung eines Prüflings mit ver änderlicher Wandstärke und veränderlichem Durch- messer,
Fig. 4 eine besondere Durchführungsart des Im pulsechoverfahrens.
In Fig. l ist mit 1 der Ultrascballstrahler, beispielsweise eine Platte aus piezoelektrischem Material, bezeichnet. Handelt es sich bei dem Prüfling 2 um m einen zylinderf¯rmigen Körper, beispielsweise ein Rohr oder eine Stange, so ist dem Ultraschallstrahler 1 eine schalloptische Zylinderlinse 3 vorgeschaltet, welche das Schallbündel im freien Scballfelde zu einer Brennlinie 4 zusammenziehen w rde. Derartige Schaltinsen sind in bekanntr Weise nach den schall optischen Gesetzen aus Kunststoff oder aus Metall gefertigt.
Es gelingt nun unschwer, den Prüfling, beispielsweise das in Fig. l mit 2 bezeichnete Rohr so in den konvergenten Strahlengang der Zylinderlinse zu bringen, dass die Einfallswinkel ai = a. werden. Diese Bedingung ist nämlich immer dann erf llt, wenn die genannte Brennlinie 4 parallel zur Achse des zylin derförmigen Körpers zu liegen kommt, und zwar in seine durch die Achse bestimmte Schnittebene 5, welche parallel zur Strahlerfläche 1 verläuft.
Man ersieht leicht aus rechnerischen oder geometrischen ¯berlegungen, da¯ bei Gleichheit der Winkel ai und a2 auch alle Einfallswinkel der zwischen ihnen lie- genden Strahlen des Bündels nur sehr wenig vonein- ander abweichen, dass also alle Strahlen des weit ge öffneten und somit eine grosse Energie übertragenden Bündels unter dem gleichen Winkel in den Prüfling einfallen und somit an der Grenzfläche in gleicher Weise gebrochen werden.
Unter den Bedingungen von Fig. l geht somit das einfallende schraffiert gezeich- nete Bündel 6 infolge der bereits genannten grossen Schallbrechung in das in der Rohrwandung entlanglaufende schraffiert gezeichnete Bündel 7 über und kann bei Benutzung des Impulsechoverfahrenas durch Rückwirkung auf die piezoelektrische Platte l zum Fehlernachweis benutzt werden. Anderseits tritt das Bündel 7 jedoch bei 8 wieder aus der Rohrwandung aus und kann mit Hilfe des Durchstrahlungsverfahrens durch einen aus den Elementen 1'und 3'gemäss dem Sender aufgebauten Empfänger ebenfalls zur Auffin- dung eines Materialfehlers dienen.
In Fig. 2 ist als Beispiel die Ultraschall-Prüfung einer Stange gezeigt. Der Prüfling ist wiederum mit 2 bezeichnet und auch die übrigen Ziffern haben die zu Fig. l korrespondierende Bedeutung. Man erkennt deutlich, dass für alle Strahlen trotz des hohen Brechungsindexes zwischen Wasser und dem beispielsweise aus Stahl bestehenden Prüfling, infolge des für jeden Strahl exakt senkrechten Einfalles keinerlei Brechung stattfindet und die gewünschte Bedingung vorliegt, dal3, abgesehen von den unvermeidlichen Reflexionsverlusten, bei Anwendung des Impulsechoverfahrens die Wirkungsweise die gleiche ist, als wenn eine ebene Einstrahlungsfläche vorliegen würde,
bei Anwendung des Durchstrahlungsverfahrens ebenfalls wunschgemäss das gesamte eingestrahlte Bündel den Empfän- ger trifft. Ausserdem erkennt man, dass die Empfind lichkeit beider Verfahren für die achsennahe Zone besonders hoch ist, was insbesondere zur Auffindung von Fadenlunkern sehr wertvoll ist.
Aus Fig. 2 ersieht man jedoch ebenfalls, dass eine lückenlose Erfassung des Prüflings 2 sowie auch des Rohres 2 in Fig. l nur bei einer Relativbewegung zwischen Prüfling und Schallbündel m¯glich ist. Soll beispielsweise im Rohr 2 (Fig. l) nur eine Längs- schweissnaht untersucht werden, so ist die Schweissnaht in den Strahlengang 7 zu bringen, und es genügt, eine Längsbewegung des Rohres in Richtung seiner Achse. Soll jedoch das gesamte Rohr bzw. die gesamte Stange 2 lückenlos untersucht werden, so ist eine zusätzliche Rotation erforderlich, so dass eine schraubenlinienförmige Abtastung stattfindet, deren Vorschub pro Umdrehung kleiner als die Länge der Brennlinie 4 sein soll.
Handelt es sich um einen zylinderförmigen Körper, dessen Durchmesser oder auch dessen Wandstärke in Achsenrichtung variiert (Fig. 3), so muss die Einstrahlungsrichtung, der Abstand des Stahlers und in seltenen FÏllen auch sein Öffnungsverhältnis an die Form des Prüflings angepasst werden. Fig. 3 zeigt die Verhältnisse im achsenparallelen Schnitt. Mit 1 ist wiederum die piezoelektrische Platte, mit 3 die von oben gesehene Zylinderlinse und mit 6 das einfallende Ultraschallbündel bezeichnet, das senkrecht zur Achse gesehen natürlich nicht konvergiert. Im Inneren des zylinderförmigen Körpers ist lediglich die Richtung 7 des Schallbündels angedeutet.
Da diese aus Symmetriegründen stets senkrecht auf der Achse des zylinderförmigen Körpers stehen muss, ist zur Erreichung dieser Bedingung (7') eine Schwenkung des Strahlers 1', 3'um den Winkel 99 erforderlich. Da sich au¯erdem der Durchmesser verringert, ist bei erneuter Parallelstellung des Strahlers gegebenenfalls eine weitere Bewegung des Strahlers senkrecht zur Rohrachse notwendig. In einfachen FÏllen kann die ge nannte Steuerung des Senders durch den Prüfling selbst erfolgen, indem beispielsweise der Sender (und Empfänger) mit Laufrollen auf der Oberfläche des Prüflings aufsitzt und somit von dieser selbst gesteuert wird.
In komplizierten Fällen kann es empfehlenswert sein, den Prüfling ohne Vorschub rotieren zu lassen und den Sender (und Empfänger) mit Hilfe einer entsprechend berech, neten Schablone am Prüfling entlanglaufen zu lassen.
Soll vornehmlich mit dem Impulsechoverfahren gearbeitet werden, so wirkt sich die durch die den Prüfling umgebende Flüssigkeit verursachte starke Abstrahlung als Dämpfung ungünstig aus. Da anderseits aber eine Flüssigkeit zur Ubertragung des fokussierten Ultraschallbundels notwendig ist, wird nach Fig. 4 so vorgegangen, dass nur ein Teil des Prüflings 2 in das Flüssigkeitsbad 9 eingetaucht wird und der Sender l mit vorgeschaltetem schalloptischen System 3 im bereits erwähnten Strahlengang von unten ein" strahlt.
Da der Körper 2 nunmehr fast an seiner gesamten Umrandung an Luft grenzt, kann im Gegensatz zu Fig. l das Schallbündel 7 den Körper nicht mehr verlassen und pflanzt sich, beispielsweise in der Rohrwandung entlanglaufend, der jeweiligen DÏmpfung des Materials entsprechend praktisch über den Rohrumfang fort. Dieses ganz besonders, wenn der Einstrahlungswinkel so gewählt wird, dass in an sich bekannter Weise Plattenwellen bzw. Rohrwandwellen erregt werden. Bei nicht stark dämpfendem Material gelingt es auf diese Weise, nicht nur ohne Rotation praktisch den gesamten Rohrumfang zu prüfen, sondern ausserdem durch die verminderte Dämpfung die Fehlererkennbarkeit entsprechend zu erhöhen.