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Die Erfindung betrifft eine Befestigungsvorrichtung für einen Ultraschallwandler an oder in einem Gehäuse eines Prüfkopfs sowie eine gattungsgemäße Ultraschallprüfeinrichtung zur zerstörungsfreien Untersuchung eines Prüflings mittels Ultraschalls.
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Das Prinzip der Ultraschalluntersuchung ist bekannt. Es dient zur Ermittlung von Gussfehlern oder sonstigen Materialfehlern, wie Rissen, Blasen, Lunker oder Dergleichen. Bei der Prüfung von Stabmaterial geht es insbesondere um Innenfehlerprüfung und Prüfung auf Oberflächenfehler, aber auch auf Prüfung der Abmessungen. Dabei weist der Ultraschallprüfkopf wenigstens einen durch elektrische Impulse erregbaren Sender zum Erzeugen von kurzzeitigen Ultraschallimpulsen, welche in das zu prüfende Material des Prüflings gerichtet werden, auf. Irgendein Fehler in dem zu prüfenden Material, beispielsweise ein Riss, eine Blase oder Dergleichen, bewirkt ein Echo des betreffenden Impulses, das zurück zu dem Prüfkopf reflektiert wird und durch den Sender empfangen wird, welcher in diese Fall gleichzeitig als Empfänger dient, oder das reflektierte Echo kann auch durch einen gesonderten Empfänger des Prüfkopfs empfangen werden, welcher benachbart zu dem Sender angeordnet ist. Die Messung der Zeitverzögerung zwischen dem Ursprungsimpuls und der Rückkehr des Echos ermöglicht Rückschlüsse auf die Tiefe des Fehlers. Die Stärke des Echos ermöglicht eine Anzeige der Größe des Fehlers, um nur diese Auswertungsmöglichkeiten als Beispiel zu nennen. Es sind darüber hinaus auch ortsauflösende Fehlererkennungen möglich. Insbesondere diese ortsauflösende Fehlererkennung macht eine sehr genaue Positionierung des den Ultraschall erzeugenden Wandlers erforderlich.
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In der Regel sind derartige Wandler, beispielsweise ein oder mehrere Piezoschwinger, wie Piezokeramikelemente, in einem je nach Anwendungsfall unterschiedlich gestalteten Gehäuse angeordnet. Das Gehäuse und der oder die Ultraschallwandler werden im Allgemeinen als Ultraschallprüfkopf bezeichnet. Der Ultraschallwandler ist so im oder am Gehäuse angeordnet, dass dessen Ultraschall aus einer Schallaustrittsfläche des Wandlers im Allgemeinen über eine Koppelmedium mit geeigneter Dicke und akustischer Impedanz, wie Wasser, in den zu untersuchenden Prüfling eindringt.
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Beispielsweise wird eine Wasserstrecke zwischen dem Ultraschallwandler und dem zu prüfenden Prüfling, beispielsweise dem Rohr oder der Stange, geschaffen und aufrechterhalten. Hierfür sind mehrere Techniken bekannt, beispielsweise Prüfung in Tauchtechnik, Pfützentechnik oder mit einem geführten Wasserstrahl. Weiterhin gibt es geschlossene Wasserkammern mit Prüflingdurchlauf, die häufig als SPS bezeichnet werden. Nach dem Einlauf des Prüflings in die geschlossene Wasserkammer dichtet der Prüfling den Kammereinlauf und -auslauf ab. Die Wasserkammer wird mit Wasser gefüllt, um die Ankopplung zwischen Prüfkopf und Prüfling zu erreichen. Darüber hinaus sind auch Rotationsprüfvorrichtungen bekannt. Durch Rotation der gesamten Prüfkammer einschließlich der Prüfköpfe wird ein stabiler Wassermantel erzeugt. Durch ein- und auslaufseitig angeordnete Dichtsysteme ergibt sich ein im Wesentlichen rohrförmiger Wassermantel, durch den die Prüflinge transportiert werden können.
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Die Abstrahlung des Ultraschalls bzw. des Ultraschallimpulses erfolgt aber nicht nur in die gewünschte, sondern auch in die entgegengesetzte Richtung. Durch Reflexion dieses rückseitigen Impulses an Grenzflächen empfängt der Ultraschallwandler unerwünschte Ultraschallechos, die zu einer Störung bzw. zu einem Rauschen des Bildes bei bildgebender Ultraschalluntersuchung führen. Dieser nicht über die Schallaustrittsfläche austretende Schall muss daher möglichst effizient vom Ultraschallwandler weggeführt und/oder absorbiert werden.
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Um dies zu erreichen, werden die Ultraschallwandler auf ein akustisch dämpfendes Material geklebt. Dieses sogenannte Backingmaterial lässt die von dem oder den Piezoelementen rückseitig abgestrahlten Ultraschallwellen eindringen, koppelt diese durch Absorption oder diffuse Reflexion aus und verhindert dadurch die Störungen. Geeignete Backingmaterialien weisen also eine möglichst hohe Ultraschallabsorption auf und besitzen andererseits eine an das Ultraschallwandlermaterial, beispielsweise die Piezokeramik, angepasste akustische Impedanz.
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Ferner ist für eine hohe Ortsauflösung der Messung eine genaue und reproduzierbare Anordnung bzw. Befestigung des Wandlers im Gehäuse gegebenenfalls auch des Gehäuses an der Prüfeinrichtung erwünscht. So ist es wichtig, dass die Backingmaterialien die verarbeitungsbedingten Anforderungen erfüllen, also die thermischen und mechanischen Fertigungsprozesse ohne Schaden überstehen. Zur Gewährleistung einer einwandfreien Funktion des Wandlers muss ferner die chemische Verträglichkeit der in Berührkontakt stehenden Materialien, beispielsweise für Backing, Piezokeramik, Leiterplatte, Klebstoff und Dergleichen sichergestellt sein, d. h. die eingesetzten Materialien dürfen sich weder hinsichtlich der Stabilität noch hinsichtlich der Verarbeitungseigenschaften gegenseitig negativ beeinflussen, sollten beispielsweise Dimensionsstabilität (auch bei höheren Temperaturen) besitzen und zusammen mit den verwendeten Klebern einen gut haftenden Verbund ergeben.
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Beispielsweise ist es bekannt, eine einteilige Befestigungsvorrichtung aus Bleioxid zur Befestigung des Wandlers an einem Gehäuse vorzusehen, wobei das Bleimaterial sowohl die mechanische Verbindung zum Gehäuse bewirkt als auch die akustisch dämpfenden Eigenschaft des Backings übernehmen soll. Die Verwendung von Bleioxid ist aufgrund dessen Toxizität bedenklich und teilweise sogar gesetzlich verboten. Ferner ist es bekannt, schwach vernetzte Polymere als Backingmaterial zu verwenden. Derartige Backingmaterialien zeigen bei der mechanischen Bearbeitung jedoch häufig Mängel. Bei höheren Temperaturen, wie dies bei der mechanischen Bearbeitung, der Härtung und der Trocknung von Klebstoffen der Fall ist, treten nämlich in dem Backingmaterial thermisch und/oder mechanisch induzierte Spannungen und Verformungen auf. Aufgrund dieser mangelnden Möglichkeit der mechanischen Bearbeitung ist es nicht möglich, besondere Fixierhilfen, wie Fixiernuten, zur örtlichen Fixierung des Wandlers in einem Gehäuse vorzusehen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Befestigungsvorrichtung für einen Ultraschallwandler bereitzustellen, die einerseits die geforderten akustischen Anforderungen, wie Dämpfung und/oder Streuung der nicht erwünschten Schallabstrahlung erfüllt und andererseits auch eine hohe mechanische Festigkeit und eine gute Dimensionsstabilität besitzt.
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Diese Aufgabe wird durch eine Befestigungsvorrichtung des Anspruchs 1 sowie durch einen Ultraschallprüfkopf beziehungsweise eine Ultraschallprüfeinrichtung der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich.
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Die Erfindung betrifft eine mehrteilige Befestigungsvorrichtung für einen Ultraschallwandler. Der Begriff Ultraschallwandler ist weit auszulegen und umfasst beispielsweise einen einzelnen piezokeramischen Ultraschallwandler (Einschwinger) sowie ein Verbund aus mehreren phasenverschoben ansteuerbaren Wandlern (phased array), wie 1.5 D 2D phased arrays. Ferner eignet sich das erfindungsgemäße Befestigungssystem auch für solche Wandler mit einer ebenen als auch solche mit einer gekrümmten schallabstrahlenden Fläche. Die erfindungsgemäße Befestigungsvorrichtung zeichnet sich durch seine Mehrteiligkeit aus, nämlich wenigstens ein erstes härteres Teil zur Befestigung an einem Gehäuse eines Ultraschallprüfkopfes und ein zweites, den Ultraschallwandler haltendes, und wenigstens in Berührkontakt mit dem Ultraschallwandler stehendes, weicheres Teil. Das erste Teil weist erfindungsgemäß eine größere Härte, insbesondere Shore-Härte, Vickers-Härte und/oder Rockwell-Härte, als das zweite Teil auf.
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Der Begriff „Gehäuse” ist weit auszulegen und setzt keine den Wandler ganz oder teilweise umschließende Ausgestaltung voraus. Beispielsweise ist auch eine plattenförmige Ausgestaltung umfasst.
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Während sich das erste mechanisch härtere Teil in erster Linie durch die hohe Formstabilität auch bei mechanischer Bearbeitung auszeichnet, übernimmt das zweite Teil, das erfindungsgemäß aus einem ersten Kunststoff hergestellt ist, in erster Linie die akustische Aufgabe des sogenannten Backings, also die Absorption und/oder Streuung unerwünschter Schallabstrahlung des Wandlers.
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Erfindungsgemäß sind das erste Teil und das zweite Teil formschlüssig verbunden. Somit wird das „akustisch wirksamere” aber mechanisch instabilere Material des zweiten Teils durch das erste Teil stabilisiert, wobei das erste Teil aufgrund seiner Härte die Voraussetzungen für eine mechanische Bearbeitung, wie spanabhebende Bearbeitung, liefert, die für eine genaue ortshaltige Fixierung des Wandlers erforderlich ist. Die formschlüssige Verbindung zwischen beiden Teilen sorgt für eine sichere Verbindung. Ferner sorgt das Kunststoffmaterial des zweiten Teils für eine besonders gute chemische Verträglichkeit gegenüber Klebstoffen, die üblicherweise zum Befestigen von Piezokeramiken an dem zweiten Teil Verwendung finden. Ferner liegt der Temperaturausdehnungskoeffizient des zweiten Teils im Größenordnungsbereich der verwendeten Piezokeramiken, so dass Spannungen in der wechselseitigen Verbindung vermieden werden. Es obliegt dem Fachmann, den für die chemische Verträglichkeit einerseits und die akustischen Anforderungen andererseits geeigneten ersten Kunststoff auszuwählen.
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Bevorzugt ist das erste Teil im Wesentlichen aus einem metallischen und/oder keramischen Werkstoff und/oder einem zweiten Kunststoff mit höherer Härte, insbesondere Shore-Härte, als der erste Kunststoff hergestellt. Noch bevorzugter ist es vollständig aus einem metallischen Werkstoff hergestellt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das zweite Teil so ausgebildet, dass es bei Befestigung der Befestigungsvorrichtung an dem Gehäuse des Ultraschallprüfkopfes keine Berührfläche mit dem Gehäuse ausbildet, um eine direkte akustische Kopplung zwischen Gehäuse und zweitem Teil zu unterbinden.
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Die formschlüssige Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Teil wird beispielsweise durch eine Nut-Feder-Verbindung erreicht. Bevorzugt ist die Nut dabei an dem zweiten Teil ausgebildet.
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Um eine wirksame akustische Dämpfung und/oder Streuung durch das zweite Teil zu bewirken, ist das erste Teil so ausgebildet ist, dass es keine Berührfläche mit dem Ultraschallwandler aufweist.
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Beispielsweise handelt es sich bei dem ersten Kunststoff um einen Formstoff aus einem Duroplast. Duroplaste, die auch als Duromere bezeichnet werden, sind Kunststoffe, welche aus härtbaren Harzen hergestellt werden. Der Duroplastformstoff verleiht dem zweiten Teil die erforderliche Dimensionsstabilität.
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Bevorzugt umfasst der erste Kunststoff wenigstens ein Epoxidharz, bevorzugter ein Bisphenol A Epoxidharz. Beispielsweise handelt es sich um ein unter der Handelsbezeichnung „Araldit CY 221” vertriebenes Harz, dem als Härter das unter der Handelsbezeichnung „Araldit HY 956” vertriebene Epoxidharz zugesetzt ist.
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Die Harzmatrix des zweiten Teils kann eine feinverteilte Phase aus einem Polymer mit niedriger Glasübergangstemperatur enthalten. Durch diese Polymerphase werden die Dämpfungseigenschaften des zweiten – unter Beibehaltung der guten Dimensionsstabilität – erheblich verbessert. Bevorzugt wird ein bei Raumtemperatur vernetzender Silikonkautschuk (RTV) der Harzmatrix zugegeben. Die Dämpfung ist auf eine Streuung und Reflexion an der Oberfläche der Polymerphase bzw. des Silikonkautschuks zurückzuführen und folglich kann die akustische Dämpfung gezielt eingestellt werden. Neben Anteil und Partikelgröße der Polymerphase bzw. des Silikonkautschuks in der Harzmatrix bestimmen nämlich auch Wechselwirkungen zwischen Harzmatrix und Polymerphase bzw. Kautschuk die Qualität der Dämpfung.
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Das erfindungsgemäße zweite Teil weist im Allgemeinen eine ausreichende, d. h. auf das Wandlermaterial angepasste, akustische Impedanz auf. Die Impedanz kann vorteilhaft dadurch eingestellt werden, dass das Material des zweiten Teils ein geeignetes partikelförmiges Material, d. h. ein Material mit im Vergleich zum Kunststoff hoher Dichte, zugegeben wird, vorzugsweise mit einem Anteil bis zu 50 Vol.-%, bezogen auf das gesamte Material. Dieses Additiv, dessen Dichte vorteilhaft ≥ 3,5 g/cm3 beträgt, insbesondere ≥ 5 g/cm3, ist vorzugsweise ein anorganischer Füllstoff, wie Wolframoxid oder besonders bevorzugt Bismuthoxid. Bi2O3. Weitere einsetzbare Additive sind beispielsweise Aluminiumoxid und Blei-Zirkon-Titanat. Prinzipiell können zur Erhöhung der akustischen Impedanz auch Metallpulver, wie Kupfer, Silber und Wolfram, verwendet werden, wenn das Additiv elektrisch leitfähig sein darf. Um eine Sedimentation, insbesondere bei niederviskosen Harzmischungen, zu vermeiden, können an sich bekannte Zusatzstoffe, wie pyrogene Kieselsäure, zugegeben werden.
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Bevorzugt weist die Partikelverteilung des Füllstoffs einen D50 Wert im Bereich von etwa oder genau 1 μm bis etwa oder genau 100 μm, bevorzugt im Bereich von etwa oder genau 10 μm bis 50 μm, noch bevorzugter von etwa oder genau 20 μm bis etwa oder genau 30 μm, beispielsweise etwa oder genau 25 μm, auf.
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Bevorzugt ist das zweite Teil durch teilweises Umgießen des ersten Teils mit diesem verbunden. Beispielsweise wird das erste Teil in die Form eines formgebendes Werkzeug eingebracht und teilweise mit dem Kunststoffmaterial des zweiten Teils umspritzt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist das erste Teil wenigstens einen Durchbruch zur Befestigung des zweiten Teils auf. Dadurch wird eine besonders haltbare Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Teil erreicht. Insbesondere wird so erreicht, dass trotz Ausbruch und/oder Rissbildung im Kunststoff es nicht zur Trennung von erstem und zweitem Teil kommt.
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Bevorzugt sind das zweite Teil und das erste Teil wenigstens ringsegmentförmig ausgestaltet. Beispielsweise sind das erste und zweite Teil so ausgestaltet, dass die durch den Innenradius definierte innere Begrenzungsfläche des ersten Teils an die durch den Außenradius definierte äußere Begrenzungsfläche des zweiten Teils angrenzt
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Die Erfindung betrifft ferner einen Ultraschallprüfkopf, der wenigstens einen Ultraschallwandler, ein Gehäuse und eine mehrteilige Befestigungsvorrichtung in einer der zuvor beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen aufweist. Der Begriff Ultraschallwandler ist, wie zuvor erwähnt, weit auszulegen und umfasst beispielsweise einen einzelnen piezokeramischen Ultraschallwandler (Einschwinger) sowie ein Verbund aus mehreren phasenverschoben ansteuerbaren Wandlern (phased array), wie 1.5 D 2D phased arrays. Ferner eignet sich das erfindungsgemäße Befestigungssystem auch für solche Wandler mit einer ebenen als auch solche mit einer gekrümmten schallabstrahlenden Fläche. Die erfindungsgemäße Befestigungsvorrichtung zeichnet sich durch seine Mehrteiligkeit aus, nämlich wenigstens ein erstes, härteres, besonders bevorzugtes metallisches Teil zur Befestigung an einem Gehäuse eines Ultraschallprüfkopfes und ein zweites, den Ultraschallwandler haltendes, und wenigstens in Berührkontakt mit dem Ultraschallwandler stehendes, weicheres Teil. Der Begriff „Gehäuse” ist weit auszulegen und setzt keine den Wandler ganz oder teilweise umschließende Ausgestaltung voraus. Beispielsweise ist auch eine plattenförmige Ausgestaltung des Gehäuses umfasst.
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Zur zuverlässigen und reproduzierbaren örtlichen Fixierung der Befestigungsvorrichtung und damit des Ultraschallwandlers bilden das Gehäuse und das erste Teil eine Passung, beispielsweise Presspassung, aus. Beispielsweise ist gehäuseseitig ein Führungszapfen vorgesehen, der bei bestimmungsgemäßer Montage der Befestigungsvorrichtung an einem Gehäuse formschlüssig in eine Führungsnut des ersten Teils der Befestigungsvorrichtung eingreift. Die Führungsnut wird beispielsweise durch spanabhebende Bearbeitung in das härtere Material des ersten Teils eingebracht.
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Bevorzugt definieren der oder die Wandler eine gekrümmte oder ebene, einem zu untersuchenden Prüfling zugewandte Schallaustrittsfläche und angrenzend an die der Schallaustrittsfläche gegenüberliegende Begrenzungsfläche des Wandlers oder der Wandler ist das zweite Teil angeordnet. Beispielsweise ist der Wandler mit diesem zweiten Teil verklebt.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Ultraschallprüfeinrichtung zur Ultraschallprüfung eines Prüflings, beispielsweise Rohres, aufweisend: wenigstens einen Ultraschallprüfkopf in einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen, eine Auswerteinheit und Mittel zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem wenigstens einen Prüfkopf und dem Prüfling. Die Ultraschallprüfeinrichtung kann Mittel zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen Prüfling und Prüfkopf während und zwischen den Prüfschritten umfassen. Zur akustischen Kopplung zwischen Prüfling und Prüfkopf können erfindungsgemäß verschiedene Techniken zur Anwendung kommen: Tauchtechnik, Pfützentechnik oder mit einem geführten Wasserstrahl. Weiterhin sind erfindungsgemäß möglich: geschlossene Wasserkammer mit Prüflingdurchlauf, die häufig als SPS bezeichnet werden. Nach dem Einlauf des Prüflings in die geschlossene Wasserkammer dichtet der Prüfling den Kammereinlauf und -auslauf ab. Die Wasserkammer wird mit Wasser gefüllt, um die Ankopplung zwischen Prüfkopf und Prüfling zu erreichen. Darüber hinaus sind auch Rotationsprüfvorrichtungen bekannt. Durch Rotation der gesamten Prüfkammer einschließlich der Prüfköpfe wird ein stabiler Wassermantel erzeugt. Durch ein- und auslaufseitig angeordnete Dichtsysteme ergibt sich ein im Wesentlichen rohrförmiger Wassermantel, durch den der Prüfling transportiert werden kann.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung zeigen, diese jedoch nicht darauf beschränkt ist. Es zeigen schematisch:
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1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Prüfkopfs mit einem rohrförmigen Prüfling;
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2 eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie AA aus 1;
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3 eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie BB aus 1.
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1 ist eine schematische Ansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Prüfkopfs 10. Der erfindungsgemäße Prüfkopf 10 dient der zerstörungsfreien Untersuchung eines Prüflings, hier eines Rohres 9, mittels Ultraschall. Ein halbringförmiger Ultraschallwandler 5 ist über eine zweiteilige Befestigungsvorrichtung 1, 2 mit einem Gehäuse 8 verbunden, wobei letzteres nur abschnittsweise dargestellt ist. Der halbringförmige Ultraschallwandler 5 ist mit dem zweiten Teil 2 verklebt, welches durch seine gekrümmte Form die radial wirkenden und beim Verkleben benötigten Anpresskräfte gut aufzunehmen vermag. Die Befestigungsvorrichtung 1, 2 umfasst zwei formschlüssig verbundene, konzentrisch angeordnete, halbringförmige Teile 1, 2. Ein äußeres metallisches Teil 1 und ein inneres Teil 2. Das innere Teil 2 ist aus einer Epoxidharzzusammensetzung hergestellt, die Araldit CY 221 und Araldit HY 956 als Härter umfasst. Als Füllmittel weist die Epoxidharzzusammensetzung Bismuthoxidpulver (D50 = 25 μm) und ein geriebenes und gesiebtes Gemisch aus Glasfasern und bei Raumtemperatur vernetztem Silikonkautschuk auf. Die Gewichtsverhältnisse sind 60:12:500:30. Die formschlüssige Verbindung zwischen dem ersten Teil 1 und dem zweiten Teil 2 wird dadurch erreicht, dass das erste Teil 1 in eine Form eingebracht wird und das vor dem Aushärten fließfähige Harz in die Form eingebracht wir, um nach dem Aushärten das zweite Teil 2 auszubilden. Dabei umschließt das zweite Teil 2 den am ersten Teil 1 ausgebildeten, ringförmigen Vorsprung 4 und durchdringt die in dem Vorsprung 4 ausgebildeten Durchbrüche 3. Somit bilden das Teil 1 und das Teil 2 eine formschlüssige Nut-Feder-Verbindung aus, wobei der Vorsprung 4 des ersten Teils 1 in die Nut des zweiten Teils 2 eingebettet ist. Das mechanisch bearbeitbare erste Teil 1 dient der Montage an einem Gehäuse 8, welches hier nur abschnittsweise dargestellt ist. Die Befestigung an dem Gehäuse 8 umfasst eine Passung aus einer an dem ersten Teil 1 ausgebildeten Nut 6b in die ein gehäuseseitiger Vorsprung 6a eingreift. Dadurch wird eine reproduzierbare örtliche Fixierung der Befestigungsvorrichtung 1, 2 und damit des Wandlers 5 am Gehäuse 8 erreicht. Das zweite Teil 2 ist so ausgestaltet, dass es bei der Befestigung des ersten Teils 1 am Gehäuse 8, wie 2 zeigt, mit diesem einen Spalt 11 und keine Berührungsfläche mit dem Gehäuse 8 ausbildet.
