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.
Device for ultrasonic material testing of bodies with curved surfaces
In ultrasonic material testing, in order to achieve a coupling that is as reproducible as possible, it is common to bring the test item and transducers into a liquid bath and test them in this way either with the radiographic method (with two transducers) or the pulse echo method (with one transducer).
In the case of test objects of large dimensions (bands, rods, pipes, wires, etc.), the path chosen is to move the test object close to the edge and through the meniscus of a vessel filled with liquid and constantly overflowing by a pump, with the ultrasonic emitter then moving is located inside this vessel and radiates into the test object from below at an adjustable angle.
Such arrangements have proven themselves well in testing, especially the fully automatic continuous testing of bodies with a flat surface (strips, sheets, plates, etc.), because the optimal conditions for the desired waves are achieved by setting the irradiation angle on the outside of the coupling vessel can be achieved conveniently.
However, if it is a body with curved Oberflädhe, z. B. rods, wires, tubes, spheres or hollow spheres, etc., a defined, optimal angle of incidence for generating a desired special wave type can no longer be set because each surface element of the curved surface of the test object requires a different angle of incidence.
In order to eliminate this protrusion, one has therefore already proceeded in such a way that a sonic lens has been arranged in front of the planar radiating surface of the sound transmitter or receiver in order to focus the ultrasonic radiation accordingly. Such a procedure has already led to certain partial successes.
Thorough investigations have now shown that the use of acoustic optical systems for irradiation into bodies with curved surfaces is not sufficient, on the one hand because of the very high sound refraction index, which results from the large difference in the speed of sound in the test object (generally metal) to that in the surrounding liquid (generally water) results in the optimal excitation condition being reduced to a few degrees of the irradiation angle and therefore irradiating as exactly as possible with the same angle of incidence even with curved surfaces in each surface element.
On the other hand, since for energetic reasons one approaches the curved surface of the body relatively close to the curved surface of the body for energetic reasons, one is still in most cases in the near field of the radiator, which calls into question any defined focal points or focal lines due to its strongly fissured energy distribution.
The new device for the ultrasonic testing of bodies with a curved surface avoids this problem by the fact that the ultrasonic emitter which excites or receives the waves has a shape that is geometrically similar to the few surface curvatures. For irradiation in rods, wires, pipes, etc., one would primarily choose sound emitters with focal lines, i.e. an ultrasound emitter, which is cut out as a segment from a cylinder jacket, corresponding to the cylindrical shape of the bodies mentioned. For spheres, hollow spheres, etc., one would choose a radiator that is designed as a spherical cap, etc.
Figs. 1 to 4 illustrate the relationships:
Fig. 1 shows the transverse radiation of a rod with longitudinal waves,
Fig. 2 shows the generation of a polygonal wave train of transverse waves in a rod (or tube) with offset irradiation,
Fig. 3 shows the excitation of surface waves on a rod (or tube) or a sphere,
Fig. 4 shows the excitation of a plate wave (resp.
Pipe wall wave) in a pipe or the same process in the wall of a hollow sphere.
1a shows the beam path when irradiating a body with a curved surface and using the usual planar radiators. The transmitter is labeled S. Its central ray So falls perpendicularly on the lateral surface, is therefore not refracted and therefore reaches the receiver E. The off-axis ray S, L is incident at the angle of incidence a1.
Since the test object generally has a higher speed of sound than the surrounding liquid, the beam is broken away from the plumb line, propagates in direction a1, hits the wall at a3 and leaves the body with the smaller angle a4 or partly reflects at the same Angle a8, so that only a fraction of the radiation reaches the receiver E.
The relationships in FIG. 1b, in which the radiator and / or the receiver has a shape that is geometrically similar to that of the surface curvature, are completely different. Here all rays are incident vertically, refraction does not take place, the rays exit again vertically and the receiver E is acted upon by the full radiation. For the irradiation of a rod, cutouts of a cylinder jacket (grooves) are chosen, for the irradiation of spheres spherical caps, which is indicated by the dashed line on the transmitter and receiver.
However, the device does not only need to be used in the symmetrical arrangement shown in FIG. 1b, but also in an asymmetrical arrangement according to FIG. 2. This results in numerous possibilities for generating wave types especially suitable for the respective problem.
If, for example, one radiates at such a distance A from the plane of symmetry of a rod or sphere that the angle of incidence aO of the central ray is greater than the critical angle of total reflection for longitudinal waves, only transverse waves can arise in I body K, which, with a suitable choice, can arise of the angle a0 as a polygonal wave train of transverse waves with repeated reflection on the surface in the body K.
With such arrangements, the body A is expediently immersed in the Kolppe liquid F only as far as the irradiation cross section requires and is shown in FIG. If there is a crack R in the rod, a corresponding portion of the radiation is reflected and, when the pulse echo method is used, returns to the radiator SE, which has meanwhile been switched to reception. If the distance B between the device SE and the body K is chosen in such a way that the focal point or focal line falls into the plane of symmetry of K, it can be shown that the angular deviation of the marginal rays a1 and a2 from 0 form a minimum, i.e. H. in this case, even with asymmetrical irradiation, all angles of incidence are approximately the same and thus also the angles of refraction.
If, according to FIG. 3, the distance A is increased by a small amount in such a way that the limit angle of total reflection for transverse waves is exceeded, the beam path shown in FIG. 2 can no longer occur, and the lines in FIG. 3 are formed reproduced surface waves 0. Since they run strictly along the surface of the body, follow the surface curvature, if it is not too strong and degenerates in corners and edges, and the wave drops very quickly to the depth, it is particularly sensitive to surface cracks, even very shallow.
So here practically the entire wave component is reflected at R and returns to SE.
4 shows, as an example, the application of the device to a hollow body with a curved surface, a tube. It is known that when irradiating at very special angles over a medium with a low acoustic flow velocity into a plate, plate waves (Lamb waves) can be generated. This is also possible when the plate is curved, for example it forms the wall of a pipe. However, when exciting plate waves, it is of crucial importance that the irradiation must not occur over a cross-section that is too small and that all angles of incidence over the cross-section must be exactly the same. As explained in FIG. 2, however, it is precisely this condition that can be met particularly well with the device mentioned.
It can be seen from the explanations that - as already mentioned above - due to the very large sound-optical refractive index, even very small changes in the distance A lead to completely different excitation conditions. If the angles a1 and a2 (FIG. 2) were to deviate noticeably from a0, the most varied of excitation conditions would result at the same time, would superimpose on one another and only a very poor or no error detectability would come about. The device mentioned is therefore able to ensure optimal flaw detection in test objects with a curved surface.