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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ultraschall-Materialprüfung
von Körpern mit gekrümmter Oberfläche unter Verwendung eines der Oberflächenkrümmung
angepaßten Ultraschall-Prüfkopfes.
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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, Bleche, 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 im Inneren des Gefäßes befindet und in regulierbarem
Winkel von unten in den Prüfling einstrahlt.
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Derartige Anordnungen haben sich bei der Prüfung, insbesondere der
vollautomatischen Durchlaufprüfung von Körpern mit planer Oberfläche (Bänder, Bleche,
Platten usw.) gut bewährt, weil nur ein einziger Einstrahlungswinkel erforderlich
ist, der sich für die gewünschte Wellen arzt durch eine außen am Gefäß befindliche
Vorrichtung leicht einstellen läßt.
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Handelt es sich jedoch um Körper mit gekrümmter Oberfläche, z. B.
Stäbe, Drähte, Rohre, Kugeln oder Hohlkugeln usw., so kann ein definierter, optimaler
Einstrahlungswinkel zur Erzeugung einer gewünschten speziellen Wellen arzt nicht
mehr eingestellt werden, weil jedes Flächenelement der gekrümmten Oberfläche des
Prüflings einen anderen Einstrahlungswinkel fordert. Fig. la zeigt den Strahlenverlauf
bei der Durchstrahlung eines Körpers mit gekrümmter Oberfläche und Anwendung der
üblich planen Strahler. Der Sender ist mit S bezeichnet. Sein Zentralstrahl S0 fällt
senkrecht auf die Mantelfläche auf, wird daher nicht gebrochen und erreicht daher
den Empfänger E. Der außeraxiale StrahlS, fällt unter dem Einfallswinkei 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
°c2 fort, trifft unter oc, auf die Wandung und verläßt den Körper mit dem kleineren
Auffallwinkel j : 4 oder reflektiert zum Teil unter dem gleichen Winkel or,, so
daß nur ein Bruchteil der Strahlung den Empfänger erreicht. Um diesen überstand
zu beseitigen, ist man daher bereits so vorgegangen, daß man vor der planen abstrahlenden
Fläche des Schallsenders bzw.
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-Empfängers eine Schallinse angeordnet hat, um die Ultraschallstrahlung
entsprechend zu fokussieren.
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Ein derartiges Vorgehen hat bereits zu gewissen Teilerfolgen geführt.
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Zur Ultraschalleinstrahlung in gekrümmte Oberflächen sind bereits
Strahler bekannt, die entweder selbst die gleiche Krümmung besitzen wie der Prüfling
sie an der Einstrahlungsstelle aufweist oder auch Strahler, die sich in ihrer Krümmung
automatisch an diejenige des Prüflings anpassen. Hierdurch wird erreicht, daß der
sich im Prüfling ausbreitende Strahlengang an jeder Stelle senkrecht auf der Einstrahlungsfläche
steht. Dies sei in F i g. lb gezeigt, 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 wird von der vollen Strahlung beaufschlagt.
Für die Durchstrahlung einer Stange wird man somit Ausschnitte eines Zylindermantes
(Rinnen), für die Durchstrahlung von Kugeln Kugelkalotten wählen, was durch die
strichierte Linie am Sender und Empfänger angedeutet ist. In den meisten Fällen
wird aber die senkrechte Einstrahlung gerade nicht gewünscht, z. B. wenn Oberflächenrisse
in einer Stange oder Fehlstellen in einer Rohrwandung aufgefunden werden sollen.
In beiden Fällen soll also die Strahlung den Prüfling im Inneren rings umlaufen
und gerade nicht senkrecht in ihn eindringen. Alle genannten Strahler dieser Art
sind daher für die beschriebenen Verwendungszwecke unbrauchbar.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den
gleichen guten und angenähert parallel verlaufenden Strahlengang, wie er durch Anwendung
eines planen Schwingers in ebenen Bändern, Blechen, Platten usw. erzielt werden
kann, unter Ausnutzung der Brechung auch in Körpern mit gekrümmter Oberfläche (Stangen,
Rohren, Drähten usw.) zu erzielen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die schalloptische
Achse des in an sich bekannter Weise als gemeinsamer Sender und Empfänger ausgebildeten
Ultraschall-Prüfkopfes in einem derartigen Winkel zur Normalen der gekrümmten Oberfläche
des Prüflings angeordnet ist, daß die Schallstrahlen die Oberfläche des Prüflings
unabhängig vom Ort des Auftreffens überall nahezu mit dem gleichen Winkel beaufschlagen
und im Prüfling gebrochen werden.
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Die erfindungsgemäße Anordnung bietet den Vorteil, daß auch in Körpern
mit gekrümmter Oberfläche derart definierte Strahlengänge eingebracht werden können,
wie sie bisher nur in Körpern mit planer Oberfläche durch einen Strahler mit planer
Oberfläche eingebracht werden konnten, um spezielle für die jeweilige Problemstellung
geeignete Wellenarten zu erzeugen.
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Der Einstrahlungswinkel kann hierbei so gewählt werden, daß dicht
unter der gekrümmten Oberfläche des Prüflings entweder ein Polygon-Zug von Transversal-Wellen
oder auf der gekrümmten Oberfläche des Prüflings Rayleigh'sche Oberflächenwellen
erzeugt werden.
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Bei gekrümmten Hohlkörpern (Rohren, Hohlkugeln usw.) mit konstanter
Wandstärke kann der Einstrahlungswinkel so gewählt werden, daß Platten-bzw. Wandwellen
in der Wandung des Prüflings erzeugt werden.
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Es lassen sich nunmehr also auch in Rohrwandungen beispielsweise
Plattenwellen von vorher bestimmten Modus anregen, was sehr vorteilhaft ist, da
ausgedehnte Versuche gezeigt haben, daß sich durch Anregung genau definierter Plattenwellentypen
bei der Ultraschallprüfung von Bändern, Blechen, Platten usw. eine besonders große
Reichweite und Fehlererkennbarkeit erzielen läßt. Das gleiche gilt für die Erregung
von Oberflächenwellen.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung an Hand von Anordnungsbeispielen
veranschaulicht. Es zeigt F i g. 2 eine Anordnung gemäß der Erfindung zur Erzeugung
eines Polygonal-Wellenzuges von Transversalwellen in einer Stange (oder Rohr) bei
versetzter Einstrahlung,
Fig. 3 die Anregung von Oberflächenwellen
auf einer Stange (oder Rohr) bzw. einer Kugel und F i g. 4 die Anregung einer Plattenwelle
(bzw.
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Rohrwandwellen) in einem Rohr oder auch den gleichen Vorgang in der
Wandung einer Hohlkugel.
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F i g. 2 zeigt eine erflndungsgemäße Anordnung, bei der beispielsweise
in einem derartigen Abstand A von der Symmetrieebene einer Stange oder Kugel eingestrahlt
wird, daß der Einfallwinkel or, des Zentralstrahls größer ist als der Grenzwinkel
der Totalreflexion für longitudinale Wellen. Auf diese Weise können nur transversale
Wellen im Körper K entstehen, die sich bei geeigneter Wahl des Winkels n, als Polygonal-Wellenzug
von Transversalwellen unter wiederholter Reflexion an der Oberfläche im Körper K
ausbreiten. Zweckmäßigerweise taucht man den Körper A bei derartigen Anordnungen
nur so weit in die KoppelflüssigkeitF ein, wie es der Einsrrahlungsquerschnitt erfordert
und in F i g. 2 dargestellt ist. Befindet sich ein Riß R in der Stange, so wird
ein entsprechender Strahlungsanteil reflektiert 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 3(, und Cfo von a, ein Minimum bilden, d. h. in diesem Falle sind
selbst bei unsymmetrischer Einstrahlung alle Einfallswinkel angenähert gleich und
somit auch die Brechungswinkel.
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Vergrößert man gemäß F i g. 3 den Abstand A um einen kleinen Betrag
derart, daß man auch den Grenzwinkel der Totalreflexion für transversale Wellen
überschreitet, so kann der in F i g. 2 gezeigte Strahlenverlauf nicht mehr zustandekommen,
und es bilden sich die in F i g. 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. F i g. 4 zeigt als Beispiel die Anwendung
der Vorrichtung auf einen Hohlkörper mit gekrümmter Oberfläche, ein Rohr. Es ist
ist bekannt, daß man bei Einstrahlung mit ganz speziellen Winkeln über ein Medium
ge-
ringer Schallgeschwindigkeit in einer Platte Plattenwellen (Lamb-Wellen) erzeugen
kann. Dieses ist auch möglich, wenn die Platte gekrümmt ist, beispielsweise also
die Wandung eines Rohres bildet.
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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 F i g.
2 erläutert, ist aber gerade die Erfüllung dieser Bedingung mit der genannten Vorrichtung
besonders gut möglich.
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Man erkennt aus den Darlegungen, daß - wie bereits oben erwähnt --
auf Grund des sehr großen schalloptischen Brechungsindex bereits sehr kleine Anderungen
des Abstandes A zu völlig verschiedenen Anregungsbindungen führen. Würden nun die
Winkel 1 und °s2 merklich von n, abweichen, so würden sich die verschiedensten Anregungsbedingungen
gleichzeitig ergeben, einander überlagern und nur eine sehr schlechte oder keine
Fehlererkennbarkeit zustandekommen lassen.