DE102008030688A1

DE102008030688A1 - Vorrichtung zur Einstrahlung von Ultraschall in ein Bauteil über eine integrierte Flüssigkeitssäule

Info

Publication number: DE102008030688A1
Application number: DE200810030688
Authority: DE
Inventors: Martin NÄGELE; Frank-Lüder Dederichs; Michael 22929 Hamfelde Baumgarten
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-07-01
Filing date: 2008-07-01
Publication date: 2010-01-07

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, Vorlaufstrecke genannt, zur Einkopplung von Ultraschall einer Ultraschallsonde in einen Prüfling. Die Vorlaufstrecke bildet einen Hohlraum aus, der derart mit einer Koppelflüssigkeit gefüllt werden kann, dass eine Flüssigkeitssäule entsteht, an deren einem Ende der Ultraschallsignalgeber anbindet, und deren gegenüberliegendes Ende mit einer elastischen Membran als Ankoppelfläche an die Prüfstückoberfläche hermetisch dicht abschottet, sodass sich eine stationäre Flüssigkeitssäule ausbildet. Durch den erhöhten Druck der Flüssigkeitssäule gegenüber der Umgebung wird die Membran so gegen den Prüfling gepresst, dass es zu einer lückenlosen Anbindung ohne nennenswerte Mengen Koppelmedium auf der Prüflingoberfläche kommt.

Description

Vorgestellt wird eine Vorrichtung, nachfolgend Vorlaufstrecke genannt, für Ultraschallsensoren zur zerstörungsfreien Materialprüfung, wobei der Schall in eine in der Vorlaufstrecke befindliche Flüssigkeitssäule als Koppelmedium einkoppelt und bauteilseitig über eine flexible Membran weitergeleitet wird.
Bisheriger Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung findet ihre Anwendung auf dem Gebiet der zerstörungsfreien Materialprüfung. Dabei handelt es sich um eine Vorlaufstrecke zur Einkopplung des Schalls einer Ultraschallsonde in einen Werkstoff über eine integrierte Flüssigkeitssäule.
Ein Aufbau zur Ultraschalluntersuchung von Bauteilen besteht im einfachsten Fall aus der Ultraschallsonde und dem zu untersuchenden Bauteil, auf dessen Oberfläche die Sonde aufgesetzt wird. Der in das Material eintretende Schall wird an Grenzflächen reflektiert, womit sich aus dem aufgefangenen Echo Fehlstellen im Material feststellen lassen.
Da Luft einen sehr hohen Dämpfungswert für Ultraschall besitzt ist es Standard zur Einbindung des Schalls in das Bauteil auf Koppelmedien mit geringer Dämpfung, üblicherweise Wasser, Öl oder Gel, zurückzugreifen. Gel oder Öl besitzen gegenüber Wasser den Vorteil lange am Bauteil zu verbleiben und leichte Unebenheiten zwischen Sonde und Bauteiloberfläche zu überbrücken. Für die Untersuchung von Faserverbundwerkstoffen kann aus Gründen der möglichen Materialbeeinflussung nur auf gereinigtes Wasser zurückgegriffen werden. Dieses kann nicht ohne Weiteres in beliebigen Mengen auf das Bauteil aufgebracht werden.
Des weiteren ergibt sich speziell für Ultraschallsonden in Phased Array Technik mit ihren großen schallabstrahlenden Flächen das Problem, dass ein Wasserfilm keine ausgleichenden Wirkungen zwischen Bauteiloberfläche und Sonde bewirkt, somit die Anbindung das Ultraschalls durch Abreißen des Wasserfilms unter der Sonde plötzlich abbrechen kann.
Ein wesentlicher Vorteil der Phased Array Technik gegenüber anderen Ultraschallsonden liegt in der Änderung der Abstrahlcharakteristik über die individuelle Ansteuerung jedes einzelnen Elements eines Arrays. Ohne die Sonde in ihrer Ausrichtung zu verändern, kann durch verzögertes Ansprechen der Ultraschallelemente und die daraus resultierenden Laufzeitunterschiede der Punkt größter Schallleistung im Bauteil positioniert werden. Dieser ergibt sich am Überschneidungspunkt der einzelnen halbkugelförmigen Schallfronten. Durch diese Ausbreitungsform kann jedoch von keiner wirklichen Fokussierung der Schallleistung gesprochen werden, sodass ein großer Teil der ausgesandten Schallleistung für die Detektion verloren geht.
In der Veröffentlichung JP 2000-35419 A1 wird eine Vorrichtung beschrieben, bei der eine Ultraschallsonde auf einer flüssigkeitsgefüllten Vorlaufstrecke angebracht ist. Die Verbindung zur Bauteiloberfläche wird zur Überwindung von Unebenheiten über eine elastische Membran hergestellt. Um den verbleibenden Spalt zwischen Membranunterseite und Bauteil akustisch transparent zu gestalten wird vom Rand des Prüfkopfs in Richtung der Membranmitte ein Strom aus Koppelmedium erzeugt, wodurch der Spalt gefüllt wird. Das Koppelmedium strömt dabei zunächst durch die Kammer der Vorlaufstrecke hindurch und tritt seitlich aus der Vorlaufstrecke aus. Durch kontinuierliches Nachströmen bleibt der Spalt auch bei Bewegung der Vorlaufstrecke über das Bauteil gefüllt.
Nachteile des aus JP 2000-35419 A1 bekannten Prüfkopfs sind der hohe Verbrauch an Koppelmedium und der zusätzliche bauliche Aufwand für die Versorgung des Prüfkopfs mit dem Medium und das Auffangen des am Bauteil herablaufenden Mediums. Sollte das Medium in einem Kreislauf dem Prüfkopf wieder zugeführt werden, so ist zuvor eine Reinigung vonnöten, da nicht ausgeschlossen werden kann, dass in der Zwischenzeit Verunreinigungen aufgenommen wurden, die entweder das Bauteil schädigen oder aber im Echo des Ultraschall Störsignale hervorrufen können.
Einen ähnlichen Ansatz verfolgt die Veröffentlichung JP 2001-349880 , deren Aufbau ebenfalls aus einer flüssigkeitsgefüllten Vorlaufstrecke mit aufgesetztem Prüfkopf und elastischer Membran als unterem Abschluss und Anbindung an das Werkstück besteht. Die Versorgung mit dem Spalt befüllenden Koppelmedium übernimmt in diesem Fall eine mittig in der Membran eingearbeitete Öffnung bestimmten Durchmessers, durch die das Medium in den Spalt fließt.
Neben den aus JP 2000-35419 A1 bekannten Nachteilen kann für den in JP 20001-349880 beschriebenen Ansatz durch das lokal austretende Koppelmedium eine inhomogene Verteilung in der Kontaktfläche und somit eine schlechte Anbindung des Schalls in das Bauteil nicht ausgeschlossen werden.
In der DE 10 2006 025 213 A1 wird ein weiterer Ansatz für eine Vorlaufstrecke mit Membran beschrieben. Hierbei tritt das Koppelmedium ebenfalls aus der Membran aus, die zur Homogenisierung der Verteilung allerdings durchgängig mit Poren versehen ist. Wird das Koppelmedium in der Vorlaufstrecke mit einem Überdruck versehen, so tritt dieses durch die Poren nach außen und füllt den Spalt zwischen Membran und Bauteil aus.
Nachteilig an der DE 10 2006 025 213 A1 ist, dass es einer Vorrichtung bedarf, die das Koppelmedium definiert unter Druck setzt und dieses im benötigten Maß zur Verfügung stellt. Durch die Arbeitsweise des Ultraschalls kann es an den Kapillaren der Membran zu Reflexionen kommen, die im Echobild eine zusätzliche Störung anzeigen. Die perforierte Membran kann darüber hinaus durch die Poren und die Wechselbelastung durch Druckanstiege und -abfälle an Lebensdauer einbüßen. Zudem bedeutet die Zuleitung zum Prüfkopf ein zusätzliches Hindernis bei der Anwendung speziell auf Bauteilen mit engen Geometrien.
Beschreibung
Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Vorlaufstrecke vorgestellt, bei der die Ultraschallsonde über eine in die Vorlaufstrecke integrierte statische Säule des Koppelmediums und eine Membran an das zu untersuchende Bauteil angekoppelt wird, wobei die Nachteile bestehender Technologie umgangen und neuartige Erweiterungen vorgenommen werden.
Die vorgestellte Erfindung der Vorlaufstrecke dient der Einbindung von Ultraschall in ein Bauteil über eine integrierte Flüssigkeitssäule, wobei die Vorlaufstrecke als Hohlkörper ausgebildet ist, welcher mit dem Koppelmedium gefüllt ist. Am oberen Ende der Vorlaufstrecke ist die Ultraschallsonde derart angebracht, dass die schallabstrahlende Fläche direkt in das Medium eintaucht und so akustisch an dieses ankoppelt. Die Vorlaufstrecke bindet an der gegenüberliegenden unteren Seite an das zu untersuchende Bauteil an, indem an dieser Seite eine Membran angebracht ist.
Zur Befüllung der Vorlaufstrecke eignet sich insbesondere Wasser, es lässt sich jedoch auch jedes weitere akustisch geeignete Medium genügender Viskosität verwenden.
Durch die statische Auslegung der Flüssigkeitssäule wird zur Befüllung ein Rückschlagventil verwendet, während zur Entlüftung der Säule ein weiteres Rückschlagventil oder eine Entlüftungsschraube verwendet wird. Durch den geringen Bedarf an Koppelmedium ist die Reinheit des Mediums leicht sicherzustellen.
Durch wechselbare Vorlaufstrecken lässt sich der Abstand der Ultraschallsonde und der Bauteiloberfläche in gewünschtem Maße stufenlos verändern.
Wird für die Vorlaufstrecke auf einen nicht-durchsichtigen Werkstoff zurückgegriffen, so ist zur Überprüfung der Flüssigkeitssäule auf Blasenfreiheit mindestens ein Fenster in einer der Seiten vorgesehen.
Die Membran ist vorzugsweise aus Latex gefertigt, was eine Bewegung ohne großen Kraftaufwand auf benetzten Oberflächen ermöglicht. Es ist jedoch auch jedes weitere flüssigkeitsdichte Material mit geeigneten akustischen Eigenschaften vorstellbar.
Die Membran ist derart ausgestaltet, dass sie umlaufend einen Kragen besitzt. Sie wird durch einen Rahmen festgeklemmt und dichtet durch ihre Form flüssigkeitsdicht ab.
In Abgrenzung zu den bestehenden Vorlaufstrecken wird zur Überbrückung des Spalts zwischen der Membran und der Bauteiloberfläche kein kontinuierlich fließendes Medium eingesetzt. Eine leichte Benetzung der Bauteiloberfläche ist ausreichend.
Mittels einer in den Schallgang eingebrachten Linse aus Kunststoff kann die charakteristische Fokussierung einer Schallsonde durch die Brechung des Schalls an Grenzflächen verändert werden. Durch veränderte Radien der Linsen können für die gleiche Sonde unterschiedliche Fokussierungen gewählt werden.
An der Unterseite der Vorlaufstrecke sind Gewindestifte eingelassen, die durch Heraus- und Hereindrehen gewährleisten, dass der Abstand der Geräteunterseite und damit der Membranfläche und der Bauteiloberfläche zur akustischen Fokusänderung fein eingestellt werden kann.
Seitlich sind am Ende der Vorlaufstrecke, an der die Membran angebracht ist, Mittelmarkierungen angebracht, die das Positionieren der Vorlaufstrecke auf dem Bauteil erleichtern.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorlaufstrecke mit einem für sichtbares Licht durchlässigen Kunststoff als Werkstoff für die Vorlaufstrecke.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit der erfindungsgemäßen Vorlaufstrecke, hergestellt aus einem metallischen Werkstoff.
1 zeigt die erfindungsgemäße Vorlaufstrecke (1), die im inneren einen Hohlraum besitzt, der nach oben und unten offen ist. Am oberen Ende ist die Ultraschallsonde (5) platziert, deren schallabstrahlende Fläche in den Hohlraum orientiert ist. Die untere Öffnung wird von einer Membran (8) überspannt.
Der Hohlraum der Vorlaufstrecke (1) wird komplett mit einer akustisch vorteilhaften Koppelflüssigkeit, vorzugsweise Wasser, gefüllt.
Das Befüllen der Vorlaufstrecke wird über ein angebrachtes Rückschlagventil (4) vorgenommen.
Das Entlüften der Vorlaufstrecke erfolgt wahlweise über eine weiteres Rückschlagventil oder eine Entlüftungsschraube. Dabei ist bei erreichter Blasenfreiheit diese Seite zu verschließen und die Vorlaufstrecke weiter mit Koppelflüssigkeit zu befüllen, um in der Kammer einen Überdruck zu erzeugen.
Die Membran (8) besitzt einen umlaufenden Kragen. Sie wird über die untere Öffnung der Vorlaufstrecke (1) gespannt und mit dem Membranrahmen (3) festgeklemmt. Die spezielle Ausformung der Vorlaufstrecke (1) am unteren Ende, der Kragen der Membran (8) und der Membranrahmen (3) bewirken zusammen ein Abdichten der Vorlaufstrecke (1). Die Membran erreicht durch den im Inneren der Vorlaufstrecke herrschenden Druck ihre endgültige, für den Betrieb vorgesehene Form.
Vor der schallabstrahlende Fläche der Ultraschallsonde (5) kann wahlweise eine Schalllinse (7) positioniert werden. Sie wird vom Kombinationsrahmen (2) gehalten. Wird die Linse (7) verwendet, ruht die Sonde (5) mit ihrer schallabstrahlenden Fläche auf der ebenen Oberseite der Linse (7), während die untere Linsenfläche direkt in die Flüssigkeitssäule steht. Die untere Seite der Linse (7) kann konkav oder konvex ausgelegt sein und beliebige Winkel zur Fokussierung beziehungsweise Streuung des Schalls annehmen.
Zur Abstandsregulierung zwischen der Membran (8) und der Prüfteiloberfläche sind seitlich der Membran (8) Gewindestifte (9) eingelassen. Durch Heraus- und Hereindrehen der Gewindestifte (9) lässt sich der Abstand variieren.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorlaufstrecke, das sich durch die Materialwahl der Vorlaufstrecke von dem Ausführungsbeispiel aus 1 unterscheidet. Im Folgenden wird daher nur auf dieses neue Merkmal und die sich daraus ergebenden Änderungen für die erfindungsgemäße Vorlaufstrecke eingegangen.
Die Vorlaufstrecke besteht aus einem metallischen, für sichtbares Licht undurchlässigen Material. Um die sich im Inneren befindende Flüssigkeitssäule auf Blasenfreiheit visuell überprüfen zu können, ist mindestens ein Fenster (11) seitlich an der Vorlaufstrecke eingelassen.
Die hier vorgestellten Ausführungsbeispiele sind beispielhaft zu verstehen und sollen nicht einschränkend ausgelegt werden.

1: Vorlaufstrecke
2: Kombinationsrahmen
3: Membranrahmen
4: Rückschlagventil
5: Ultraschallsonde
6
7: Schalllinse
8: Abstandsregulierung an der Membran
9: Gewindestifte
10: Markierung zur Positionierung
11: Sichtfenster

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2000-35419 A1 [0007, 0008, 0010]
- JP 2001-349880 [0009]
- JP 20001-349880 [0010]
- DE 102006025213 A1 [0011, 0012]

Claims

Vorrichtung, nachfolgend Vorlaufstrecke genannt, für einen Prüfkopfaufbau für die Einkopplung des von einem Ultraschallsignalgeber erzeugten Ultraschalls in ein Prüfstück zur zerstörungsfreien Prüfung, wobei die Vorlaufstrecke der Einbindung des Ultraschallsignals in das Prüfstück dient, und einen Hohlraum ausbildet, der derart mit einer Koppelflüssigkeit gefüllt werden kann, dass eine Flüssigkeitssäule entsteht, an deren einem Ende der Ultraschallsignalgeber anbindet, und deren gegenüberliegendes Ende mit einer elastischen Membran als Ankoppelfläche an die Prüfstückoberfläche ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitssäule im Betrieb in der Kammer unter höherem als dem Umgebungsdruck steht, dabei hermetisch abgeschottet ist, sodass sich eine stationäre Flüssigkeitssäule ausbildet.
Vorlaufstrecke gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran unter dem Druck der Koppelflüssigkeit ihre endgültige Form zur Anbindung an die Prüfteiloberfläche erhält.
Vorlaufstrecke gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer unter Druck mit der Koppelflüssigkeit befüllt wird.
Vorlaufstrecke gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Befüllung der Kammer mit der Koppelflüssigkeit über ein Rückschlagventil oder einen Hahn erfolgt.
Vorlaufstrecke gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die der schallabgebenden Fläche der Ultraschallsonde gegenüberliegende Seite der Kammer mit einer flexiblen Membran versehen ist.
Vorlaufstrecke gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran über einen integrierten Kragen verfügt, der für die Dichtung der Flüssigkeitssäule gegenüber der Umgebung dient.
Vorlaufstrecke gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fein justierung des Abstandes der Vorlaufstreckenunterseite zur Prüfteiloberfläche über Gewindestifte vorgenommen werden kann.
Vorlaufstrecke gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorlaufstrecke aus einem lichtdurchlässigen Kunststoff besteht.
Vorlaufstrecke gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein als Ultraschalllinse ausgeformtes Bauteil zur Formung des Schallfeldes eingelegt werden kann.
Vorlaufstrecke gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch Marken am Grundkörper der Vorlaufstrecke eine genaue Positionierung der Vorlaufstrecke auf dem Prüfling möglich wird.
Vorlaufstrecke gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorlaufstrecke aus einem metallischen Werkstoff besteht.
Vorlaufstrecke gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Fenster seitlich in die Vorlaufstrecke eingelassen ist.