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.
Procedure for ultrasonic testing of bodies with curved surfaces
Ultrasonic testing of any workpieces is generally carried out with the help of the radiation or pulse echo method. If possible, planar contact or irradiation surfaces are sought as contact surface for the transducer. However, this is not possible for bodies with curved surfaces. To overcome the difficulty of the point or line support (e.g.
For example, to avoid pipes), the attachment pieces, which are generally made of Trolitul or Plexiglas, are ground onto the convex or concave curvature of the irradiation surface. Although the coupling is satisfactory, the resulting sound refraction is accepted. The course of the rays in the interior of the test piece is therefore determined by the predetermined convex or concave curvature of the irradiation surface of the test piece and generally deviates greatly from the desired course of the rays inside the test piece.
In the case of the known underwater sound technology, in which the test object and the transducer or transducers are brought into a common liquid bath for the purpose of ultrasonic transmission, the difficulties mentioned are even greater, since the ratio of the sound velocities of water to metal results in a higher refractive index than from the ratio of Trolitul resp.
Plexiglass to metal.
The above-mentioned difficulties are eliminated by the method according to the invention for ultrasonic testing of bodies with curved surfaces in that, with the aid of an acoustical optical system, all rays of the sound beam are directed so that they enter the test object at the same angle of incidence.
FIGS. 1 to 4 show, for example, ways in which the method according to the invention is carried out. The figures represent in detail:
1 shows the ultrasound examination of a pipe with one or two transducers using the pulse echo or transmission method,
2 the examination of a rod with one or two transducers according to the pulse echo or radiation method,
3 shows the examination of a test piece with variable wall thickness and variable diameter,
Fig. 4 shows a particular implementation of the pulse echo method.
In Fig. 1, 1 denotes the ultrascball emitter, for example a plate made of piezoelectric material. If the test object 2 is a cylindrical body, for example a pipe or a rod, then the ultrasound emitter 1 is preceded by a sound-optical cylinder lens 3 which would draw the sound bundle in the free sphere to a focal line 4. Such switching lenses are made of plastic or metal in a known manner according to the acoustic optical laws.
It is now easy to bring the test object, for example the tube designated by 2 in FIG. 1, into the convergent beam path of the cylindrical lens in such a way that the angles of incidence ai = a. will. This condition is always fulfilled when the said focal line 4 comes to lie parallel to the axis of the cylindrical body, namely in its sectional plane 5 which is defined by the axis and which runs parallel to the radiator surface 1.
One can easily see from computational or geometrical considerations that if the angles ai and a2 are the same, all the angles of incidence of the rays of the bundle lying between them differ only very little from one another, that is, all rays of the wide open one and thus one large energy-transmitting bundles fall into the test object at the same angle and are thus broken at the interface in the same way.
Under the conditions of FIG. 1, the incident, hatched bundle 6 merges into the hatched bundle 7 running along the pipe wall due to the large refraction of sound already mentioned and can be used for fault detection when using the pulse echo method by reacting on the piezoelectric plate 1 will. On the other hand, however, the bundle 7 emerges again from the pipe wall at 8 and can also be used to detect a material defect with the aid of the irradiation method through a receiver made up of the elements 1 'and 3' according to the transmitter.
In Fig. 2, the ultrasonic testing of a rod is shown as an example. The test item is again designated by 2 and the other digits also have the meaning corresponding to FIG. It can be clearly seen that for all rays, despite the high refractive index between water and the specimen made of steel, for example, as a result of the exactly perpendicular incidence for each ray, no refraction takes place and the desired condition is met, that, apart from the inevitable reflection losses, when using the Impulse echo method works the same as if there were a flat irradiation surface,
if the radiographic method is used, the entire irradiated bundle hits the receiver as required. It can also be seen that the sensitivity of both methods for the near-axis zone is particularly high, which is particularly valuable for finding thread holes.
From FIG. 2 it can also be seen, however, that a complete detection of the test object 2 and also of the pipe 2 in FIG. 1 is only possible with a relative movement between the test object and the sound beam. If, for example, only one longitudinal weld seam is to be examined in tube 2 (FIG. 1), the weld seam must be brought into beam path 7 and it is sufficient to move the tube longitudinally in the direction of its axis. If, however, the entire tube or the entire rod 2 is to be examined without gaps, an additional rotation is required so that a helical scanning takes place, the advance of which per revolution should be less than the length of the focal line 4.
If it is a cylindrical body, the diameter or the wall thickness of which varies in the axial direction (Fig. 3), the direction of irradiation, the distance between the operator and, in rare cases, its aperture ratio must be adapted to the shape of the test object. Fig. 3 shows the relationships in the axis-parallel section. 1 again denotes the piezoelectric plate, 3 denotes the cylindrical lens seen from above and 6 denotes the incident ultrasound beam, which of course does not converge perpendicular to the axis. In the interior of the cylindrical body, only the direction 7 of the sound beam is indicated.
Since this must always be perpendicular to the axis of the cylindrical body for reasons of symmetry, a pivoting of the radiator 1 ', 3' by the angle 99 is necessary to achieve this condition (7 '). Since the diameter is also reduced, if the emitter is positioned again in parallel, it may be necessary to move the emitter further perpendicular to the pipe axis. In simple cases, the named control of the transmitter can be carried out by the test object itself, for example by the transmitter (and receiver) with castors sitting on the surface of the test object and thus controlled by the test object itself.
In complicated cases it can be advisable to let the test object rotate without feed and to let the transmitter (and receiver) run along the test object with the help of a correspondingly calculated template.
If the impulse echo method is to be used primarily, the strong radiation caused by the liquid surrounding the test object has an unfavorable damping effect. Since, on the other hand, a liquid is necessary to transmit the focused ultrasound beam, the procedure according to FIG. 4 is such that only part of the test object 2 is immersed in the liquid bath 9 and the transmitter 1 with the upstream optical sound system 3 is switched on from below in the beam path already mentioned " shine.
Since the body 2 now borders on air almost all of its edge, in contrast to FIG. 1, the sound beam 7 can no longer leave the body and, for example, running along the pipe wall, practically propagates over the pipe circumference in accordance with the respective attenuation of the material . This is particularly the case when the angle of incidence is chosen so that plate waves or tube wall waves are excited in a manner known per se. In the case of material that does not dampen strongly, it is possible in this way not only to check practically the entire circumference of the pipe without rotation, but also to increase the ability to detect errors accordingly due to the reduced damping.