CH468009A - Vorrichtung zur Ultraschall-Materialprüfung von Körpern mit gekrümmter Oberfläche - Google Patents

Description

  
 



  Vorrichtung zur Ultraschall Materialprüfung von Körpern mit gekrümmter Oberfläche
Bei der Ultraschall-Materialprüfung ist es üblich, um eine möglichst reproduzierbare Ankopplung zu erreichen, Prüfling und Schallköpfe in ein Flüssigkeitsbad zu bringen und auf diese Weise entweder mit dem Durchstrahlungsverfahren (mit zwei Schallköpfen) oder dem Impulsechoverfahren (mit einem Schallkopf) zu prüfen.



  Bei Prüflingen grosser Ausdehnung (Bänder, Stangen, Rohre, Drähte usw.) wählt man den Weg, den Prüfling dicht über den Rand und durch den Meniskus eines mit Flüssigkeit gefüllten und durch eine Pumpe dauernd zum Überlaufen gebrachten Gefässes hinwegzuführen, wobei sich der Ultraschallstrahler dann im Inneren dieses Gefässes befindet und in regulierbarem Winkel von unten in den Prüfling einstrahlt.



   Derartige Anordnungen haben sich bei der Prüfung, insbesondere der vollautomatischen   Durchlaufprüfung    von Körpern mit planer Oberfläche (Bänder, Bleche, Platten usw.) gut   bewä, hlit,    weil sich die optimalen   Anrv    gungsbedingungen der gewünschten   Wellen arzt    durch eine aussen am Kopplungsgefäss befindliche Einstellung des Einstrahlungswinkels bequem erzielen lassen.



   Handelt es sich jedoch um Körper mit gekrümmter   Oberflädhe,    z. B. Stäbe, Drähte, Rohre,   Kugeln    oder Hohlkugeln usw., so kann ein definierter, optimaler Einstrahlungswinkel zur Erzeugung einer gewünschten speziellen Wellenart nicht mehr eingestellt werden, weil jedes Flächenelement der gekrümmten Oberfläche des Prüflings einen anderen Einstrahlungswinkel fordert.



  Um diesen   überstand    zu beseitigen, ist man daher bereits so vorgegangen, dass man vor der planen abstrahlenden Fläche des   Schallsenders bzw.-empfänger,    eine Schallinse angeordnet hat, um die   Ultraschallstrahlung    entsprechend zu fokussieren. Ein derartiges Vorgehen hat bereits zu gewissen Teilerfolgen geführt.



   Gründliche Untersuchungen haben nun ergeben, dass die Benutzung schalloptischer Systeme zur Einstrahlung in Körper mit gekrümmten Oberflächen nicht genügt, und zwar einerseits, weil durch den sehr hohen Schallbrechungsindex, der sich aus dem grossen Unterschied der Schallgeschwindigkeit im Prüfling (im allgemeinen Metall) zu derjenigen in der umgebenden Flüssigkeit (im allgemeinen Wasser) ergibt, die optimale Anregungsbedingung auf wenige Winkelgrade des Einstrahlungswinkels zusammendrängt und somit selbst bei gekrümmten Oberflächen in jedem Flächenelement möglichst exakt mit dem gleichen Einfallswinkel eingestrahlt werden muss.

   Da man anderseits aus energetischen Gründen mit dem schalloptischen System verhältnismässig nahe an die gekrümmte Oberfläche des Körpers herangeht, befindet man sich noch in den meisten Fällen im Nahfeld des Strahlers, das durch seine stark zerklüftete Energieverteilung ohnehin definierte Brennpunkte oder Brennlinien in Frage stellt.



   Die neue Vorrichtung zur Ultraschallprüfung von Körpern mit gekrümmter Oberfläche vermeidet diese   tlbelstände,    indem der die Wellen anregende bzw. empfangende Ultraschallstrahler eine Form besitzt, die der  wenigen    der   Oberfläohenkrümmung    geometrisch ähnlich ist. Zur Einstrahlung in Stangen, Drähte, Rohre usw. würde man also vornehmlich Schallstrahler mit Brennlinien wählen, also, der   zylluderförmigen    Form der genannten Körper entsprechend, einen Ultraschallstrahler, der als Segment aus einem Zylindermantel herausgeschnitten ist. Für Kugeln, Hohlkugeln usw. würde man einen Strahler wählen, der als Kugelkalotte ausgebildet ist usw.



   Die Fig. 1 bis 4 veranschaulichen die Verhältnisse:
Fig. 1 zeigt die Querdurchstrahlung einer Stange mit Longitudinalwellen,
Fig. 2 zeigt bei versetzter Einstrahlung die Erzeugung eines Polygonal-Wellenzuges von Transversalwellen in einer Stange (oder   Rohr),   
Fig. 3 zeigt die Anregung von Oberflächenwellen auf einer Stange (oder Rohr) bzw. einer Kugel,
Fig. 4 zeigt die Anregung einer Plattenwelle (bzw.



  Rohrwandwelle) in einem Rohr oder auch den gleichen Vorgang in der Wandung einer Hohlkugel.



   Fig.   1a    zeigt den Strahlenverlauf bei der Durchstrahlung eines Körpers mit gekrümmter Oberfläche und Anwendung der üblichen planen Strahler. Der Sender ist  mit S bezeichnet. Sein Zentralstrahl So fällt senkrecht auf die Mantelfläche auf, wird daher nicht gebrochen und erreicht daher den Empfänger E. Der ausseraxiale    Strahl S, L fällt unter dem Einfallswinkel a1 ein.

   Da der    Prüfling im allgemeinen eine höhere Schallgeschwindigkeit besitzt als die umgebende Flüssigkeit, wird der Strahl vom Lot weggebrochen, pflanzt sich in Richtung   al    fort, trifft unter   a3    auf die Wandung und verlässt den Körper mit dem kleineren   Ansfallwinkel    a4 oder reflektiert zum Teil unter dem gleichen Winkel   a8,    so dass   nur    ein Bruchteil der Strahlung den Empfänger E erreicht.



   Ganz anders liegen die Verhältnisse in Fig. ib, in der der Strahler und/oder der Empfänger eine Form besitzt, die derjenigen der   Oberflächenkrümmung    geometrisch ähnlich ist. Hier fallen alle Strahlen senkrecht ein, eine Brechung findet nicht statt, der   Strahlenaustritt    erfolgt wiederum senkrecht und der Empfänger E wird von der vollen Strahlung beaufschlagt. Für die Durchstrahlung einer Stange wird man somit Ausschnitte eines Zylindermantels (Rinnen), für die Durchstrahlung von Kugeln Kugelkalotten wählen, was durch die strichierte Linie am Sender und Empfänger angedeutet ist.



   Die Vorrichtung braucht jedoch nicht nur in der in Fig.   1b    gezeigten symmetrischen Anordnung eingesetzt zu werden, sondern auch in einer unsymmetrischen gemäss Fig. 2. Hiedurch ergeben sich zahlreiche Möglichkeiten, speziell für   Idie    jeweilige   Problemstellung    geeignete Wellenarten zu erzeugen.

   Strahlt man beispielsweise in einem derartigen Abstand A von der Symmetrieebene einer Stange oder Kugel ein, dass der Einfallwinkel aO des Zentralstrahls grösser ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion für longitudinale Wellen, so    können nur transversale Wellen in I Körper K entstehen,    die sich bei geeigneter Wahl des Winkels   a0    als Polygonal-Wellenzug von   Transversalwellen    unter wiederholter Reflexion an der Oberfläche im Körper K ausbreiten.   



  Zweckmässigerweise taucht man den I Körper A bei der-    artigen Anordnungen nur so weit in die   Kolppe3flüssigkeit    F ein, wie es der Einstrahlungsquerschnitt erfordert und in Fig. 2 dargestellt ist. Befindet sich ein Riss R in der Stange, so reflektiert ein entsprechender Strahlungsanteil und kehrt bei Anwendung des Impulsechoverfahrens in den inzwischen auf Empfang umgeschalteten Strahler SE zurück. Wählt man den Abstand B zwischen der Vorrichtung SE und dem Körper K derart, dass Brennpunkt oder Brennlinie in die Symmetrieebene von K fallen, so lässt sich zeigen, dass die Winkelabweichung   der Randstrahlen al und a2 von   0 ein Minimum bilden,    d. h. in diesem Falle sind selbst bei unsymmetrischer Einstrahlung alle Einfallswinkel angenähert gleich und somit   auch    die Brechungswinkel.



   Vergrössert man gemäss Fig. 3 den Abstand A um einen   kleinen    Betrag derart, dass man auch den Grenz  winkel    der Totalreflexion für transversale Wellen überschreitet, so kann der in Fig. 2 gezeigte Strahlenverlauf nicht mehr zustandekommen, und es bilden sich die in Fig. 3 wiedergegebenen Oberflächenwellen 0 aus. Da sie streng an der Oberfläche des Körpers entlanglaufen, der Oberflächenkrümmung folgen, falls diese nicht zu stark ist und in Ecken und Kanten entartet, und die Welle sehr schnell zur Tiefe hin abfällt, ist sie besonders empfindlich auf Oberflächenrisse, selbst sehr geringer Tiefe.



  Hier wird also praktisch der gesamte Wellenanteil an R reflektiert und   kehrt    zu SE zurück.



   Fig. 4 zeigt als Beispiel die Anwendung der Vorrichtung auf einen Hohlkörper mit   gekriimmter    Oberfläche, ein Rohr. Es ist bekannt, dass man bei Einstrahlung mit ganz speziellen Winkeln über ein Medium geringer   Schallgesohwindisseit    in eine   PiattePlattenwellen(Lamb-    Wellen) erzeugen kann. Dieses ist auch möglich, wenn die Platte gekrümmt ist, beispielsweise also die Wandung eines Rohres bildet. Jedoch ist bei der Anregung von Plattenwellen von entscheidender Bedeutung, dass die Einstrahlung nicht über einen zu kleinen Querschnitt erfolgen darf und über den Querschnitt alle Einfallswinkel recht genau gleich sein müssen. Wie in Fig. 2 erläutert, ist aber gerade die Erfüllung dieser Bedingung mit der genannten Vorrichtung besonders gut möglich.



   Man erkennt aus den Darlegungen, dass - wie bereits oben erwähnt - auf Grund des sehr grossen schalloptischen Brechungsindexes bereits sehr kleine   Ände-    rungen des Abstandes A zu völlig verschiedenen Anregungsbedingungen führen. Würden nun die Winkel al und   a2    (Fig. 2)   merklich    von aO abweichen, so würden sich die verschiedensten Anregungsbedingungen gleichzeitig ergeben, einander überlagern und nur eine sehr schlechte oder keine Fehlererkennbarkeit zustandekommen lassen. Die genannte Vorrichtung ist daher in der Lage, eine optimale Fehlererkennbarkeit in Prüflingen mit gekrümmter Oberfläche zu gewährleisten.   

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Vorrichtung zur Ultraschall-Materialprüfung von Körpern mit gekrümmter Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass der die Wellen anregende bzw. empfangende Ultraschallstrahler eine Form besitzt, die derjenigen der Oberflächenkrümmung geometrisch ähnlich ist.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Vorrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der die Wellen anregende bzw. empfangende Ultraschallstrahler als Segment eines Zylindermantels ausgebildet ist.

   2. Vorrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der die Wellen anregende bzw. emp fangende Ultraschallstrahler als I Kugelkalotte ausgebildetist.

   3. Vorrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sie in einem derartigen Winkel zur Normalen der gekrümmten Oberfläche angeordnet ist, dass im Inneren des I Körpers ein Polygonzug von Trans- versalwellen erzeugt wird.

   4. Vorrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sie in einem derartigen Winkel zur Normalen der gekrümmten Oberfläche angeordnet ist, dass auf der gekrümmten Oberfläche des Körpers Rayleigh'sche Oberflächenwellen erzeugt werden.

   5. Vorrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sie in einem derartigen Winkel zur Normalen der gekrümmten Oberfläche angeordnet ist, dass bei Hohlkörpern mit sgekrümmten Öberflächen, wie Rohren, Hohlkugeln usw., Platten- bzw. Wandwellen in den gekrümmten Wandungen erzeugt werden.