DE1801610A1 - Ultraschall-Pruefkopf fuer Werkstoffpruefung - Google Patents

Description

DR--ING. CU^EN MAIER

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BE BECHEBCHES DS IA SIDEHUBffIE IBAVQAISB 185_f rue President Roosevelt, Saint Germain-en-Laye/iTelines

Frankreich

-Prüfkopf für Werkstoffprüfung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung aur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mittels Ultraschall, insbesondere sur Untersuchung Ton Prüflingen, die, wie beispielsweise Walsgut, hohe Temperaturen aufweisen.

Die Werkstoffprüfung solcher Gegenstände bereitet insbesondere deshalb besondere Schwierigkeiten, well die Koppelflttssigkeit zwischen Prüfkopf und Prüfling einer raschen Verdampfung und die ultrasehallensrgie in dem in plasti-

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plastische» Zustand befindlichen Metall einer erhöhten Absorption und Dämpfung ausgesetat ist·

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Schwierigkeiten «u Überwinden und eine Vorrichtung au schaffen» mittels der auch bei Prüflingen hoher Temperatur in einer vergleichsweise kurzen Zeit sichere und zuverlässige Prüfungsergebnisse erhalten werden«

Diee wird gemäfi der Erfindung dadurch erreicht, daß das PirÜTkopfgehäuse eo auegebildet ist* daS Äer aus ihm austretende Flüssigkeitsstrahl senkreoht auf die Oberfläche des Prüflinge auftrifft und sich rom Auftreffpunkt nach allen Seiten radial mit einer solchen Geschwindigkeit ausbreitet, daß an der Stelle des Auftreffens keine Verdampfung erfolgt, sowie daß im Gehäuse des Prüfkopfes eine den tlltrasohallstrahl auf die Auftreffstelle reflektierende und konsentrierende Fläche vorgesehen ist.

Sine bevorzugte Aüsftihrungsform einer solchen Vorrichtung besteht darin, daß sie ein Gehäuse mit einer ebenen Wand und in dieser eine AusfluesSffnung für die Koppa!flüssigkeit mit senkrecht su dieser Wand verlaufender Symmetrieachse, einen ebenen kreis- oder ringförmigen, parallel zu

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der vorgenannten Handfläche und koaxial au der Ausflusses» nung angeordneten, in Richtung auf die Wandfläche abstrahlenden piezo-elektrlschen Wandler, eine erste ringförmig die AusflußBÖffnung umgebende, konkav sun Wandler gekrümmte, koaxial zur Achse des Wandlers und der Abflussöffnung angeordnete reflektierende fläche, sowie eine zweite, die Ultraschallstrahlen konzentrierende, in Richtung auf die Ausflussuffnung reflektierende fläche und des weiteren Mittel aufweist, um die ebene Gehäusewand in konstantem geringem Abstand vom Prüfling zu halten,

Jfür die UnterBuchung von Prüflingen mit rundem Querschnitt wird die. Vorrichtung vorteilhafterweise so ausgebildet, daß sie eine im wesentlichen spaltfömnige, einer Erzeugenden des Prüflings nahe benachbarte öffnung für den Durchtritt der Koppelf Itiseigkeit, einen ebenen rechteckigen piezoelektrischen Wandler, sowie eine zylindrisch gärUmmte reflektierende Fläche aufweist, deren Erzeugende par*» IeI zur Längserstreckung der spaltföraigen öffnung verläuft, so daß das Ultraschall-Strahlenbündel das Kittelfeld des Spaltes im wesentlichen senkrecht zur Längserstreckung des Spaltes durchsetzt.

Mit einer Torrichtung dieser Art wird eine hohe Konzentration der Ultraschallstrahlenenergie auf einer sehr kleinen

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Stelle der Oberfläche des Prüflings erzielt, wodurch Empfindlichkeit der Prüfvorrichtung wesentlich erhöht wird« Biese Empfindlichkeitssteigerung ist von besonderem Vorteil bei der Werkstoffprüfung metallischer Erzeugnisse hoher Temperatur, wie beispielsweise von Walsgut, in welchem in Folge des weichen plastischen Zustünde» des Metalles der Tfltraechallstrahl einer hohen Dämpfung und Absorption unterworfen ist· Sin weiterer Vorteil der erfindungegemäflen Vorrichtung ist, daß durch die eraielbare Konvergenz des ültrasohallstrahlenbUndels die von der surüokgelegten Wegstrecke des; TJltrasehallstrahle abhängige Absorption mindestens teilweise kompensiert wird*

Btnon weiteren wesentlichen Vorteil bietet die erfindungsgemäfie Vorrichtung bei der Werkstoffprüfung von Prüflingen, die. eine Temperatur von beispielsweise 1 200 bis 1 400 ⁰C aufweisen« Ba man sur akustischen Ankopplung des Prüfkopfes an den Prüfling im allgemeinen flieesendes Wasser verwendet, besteht die Gefahr, daß durcrti di« Verdunstung und die Verdampfung des Wasse» der Betrieb den Wandlers gestört und der Durchgang des Strahl enbüniiels durch die Öffnung verhindert wird· Es ist ewar schon ein Verfahren bekannt, mit weichem diese Schwierigkeit weitgehend überwunden wird und

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das darin besteht, »wischen den Wandler und den heißen Prüfling einen Wasserstrahl hoher Geschwindigkeit zu leiten» d$r die Temperatur des Prüflinge vor den Prttfkopf örtlich senkt; und sich zwischen den Prüfkopf und dem Prüfling rar dial ausbreitet, so daß der sich bildende Dampf nicht in den Bereich des Wandlers gelangt. Bei diesen Verfahren «use die Geschwindigkeit des Wasserstrahles Überall so groß sein, daß das Wasser for den Wandler und in dessen unmittelbarer Hähe nicht zu verdampfen beginnt. Dieses Verfahren führt au befriedigenden Ergebnissen, so lange der Wandler keine au große Oberfläche aufweist« WM jedoch eine Vergrößerung dieser Oberfläche angestrebt, um die abgestrahlte Energie zu vergrößern, so verringert sich die radiale Geschwindigkeit des Wassers, so daß die Erwärmung des Wasser zunimmt und damit der Vorteil der Oberflächenvergrößerung wieder zunichte gemacht wird· Durch die erfindungsgemäße Konzentration der von dem Wandler großer Oberfläche abgestrahlten Energie auf eine verhältnismäßig kleine vom Strahl des Kopplungswassers durohsetzte Fläche wird die Gefahr einer Störung der Fortpflanzung der Schallwellen durch Verdampfung vermieden, so daß die Anwendung dieses Verfahrens nunmehr auch, bei sehr heißen Prüflingen ermöglicht wird·

Das wesentliche Merkmal der erf indungsgemäSen Vorrichtung 1st die Verwendung gekrümmter reflektierender Flächen, durch die eine Konzentrierung bzw« Fokussierung des Strah-

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lenbundels bewirkt wird· !Etater BeaeStttmg gewisser Voreiülits« maßnahmen kanu duroh dieses friagip der fÄsssierwag

praktisoh ^eder Energie-Verlust ?;easieiem wertem, was bei den bekanntem Sy at emeu, M denen alrastiseke Hjzseii Verwendung finden_v niciit möglioli 1st, Hau imse liler-'feei Iseseaten, daS üev EinfalÄrink®! gr5ier Ist als Sas Bnfpeite des kritischen leflektionswinkele _t oder_s wenn lies nloht der Fall ist, daß die Dicke des Beflektore nur eine Viertel des jQiltra8clia|.i3traM.p in diesem l&tecial beträgt· Bei eine..r ^Itrasctellfreqtueas, w.®n h 1 MHz IjetPägt die Dicke ©ines polierten Sts&lreflektors

Werden 1>ei einem AiiefllannigslieispIeI äer erfiaSungegemäSen Torricatung ein ringförmiger faaAler groBar ©bsrfläelie- uad sjwei aphärisek© Eeflektor@ü ¥erweMet_f s@ eistet eine solche Vorrichtung besondere Vorteile« veil es siit ihr möglich' ist» durch eine verhältnismiEig ileia© axiale "Tersohie-Imng des einen oder anderen der !»eMen i@£|eM&ren eine hohe Konzentration des Strahlenbiindals in eJueo verhältaia^ mäßig breiten Regelbereich zu ersielen· Um sxKLt auf äi@-» se Weise, je nach der getroffeneu lB@»riua^g aim konvergierendes, ein paralleles oder auch direrglerissiJles Strahlen» bündel· Ein zylindrisches oder aueh- solnaeli

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Strahlenbündel toil nur wenigen Hlllineter Durchmesser bat eich bot Untersuchung τοη ebenen Prüflingen in folge de« senkrechten oder nahesu senkrechten Auftretens des Strahlenbündels auf den Prüfling und in folge seiner hohen Energiekonsentration als besonders rortellhaft erwiesen«

In der Zeichnung sind in sohematisoher Veise swei Ausfühnmgsbei spiele der erfindungs^emäden Vorrichtung dar-Ea geigen:

?ig. 1 einen Aufriss einer Vorrichtung «ar Untersuchung Ton Prüflingen mit kreisrunden Querschnitt j und

fig«, 2 einen Aufriss einer Vorrichtung insbesondere sur Untersuchung eines Prüflings Mit parallelen Oberflächen.

Der PrüfHng in falle der fig· 1 besteht aus einen Knüppel 1, der in seinen gansen Querschnitt auf das eventuelle Vorhandensein τοη Iiunkern untersucht wird. Der Durchmesser dieses Knüppele beträgt 130 mm· Der Ultraschall-Wandler wird durch ein quaderförmiges Element 2 aus Barium-Sitanat gebildet» dessen Reson ane-frequens bei 1 MHs liegt. Die Breitseite dieses Elementes erstreckt sich senkrecht sur

Zeichnungeebene und beträgt etwa 40 mm· Die Breite dieses

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Elementes in vertikaler Richtung beträgt 30 mm. Ton diesem Element wird ein paralleles Ultrasohallstrahlenbündel 3 abgestrahlt, das auf die hochpolierte Fläche 4a eines Reflektors 4 gerichtet ist» der durch einen Hohlkörper gebildet wird« dessen eine aus Chromstahl bestehende Wand von 1,5 mm Dicke die reflektierende Fläche bildet. Die Längserstreokung der reflektierenden Fläche 4a entpsrioht im wesentlichen der Abmessung des pieeo-elektrisohen Elementes 2ο

Sie Eylindrieoh gekrümmte Fläche 4a weist einen KrÜmmungshalbmessQr von ungefähr 350 mm auf; die Erzeugende dieser Fläche läuft senkrecht eur Zeichnungeebene. Durch die konkave. Ausbildung dieser reflektierenden Fläche 4a wird, genau wie im Falle eines optischen Spiegele, eine Konvergenz der reflektieren Strahlen bewirkt« Das auf diese Weise reflektierte Strahlenbündel 5 weist die Form eines Keils auf, deseen parallel zu der Achse des Knüppels verlaufende Soheitellinie 5a in der Brennebene des Reflektors 4a liegt. Der Einfallswinkel des Strahlenbündele 3 auf der Fläche 4a beträgt etwa 45° und liegt somit außerhalb des kritischen Winkelbereiches, was eine Voraussetzung für eine praktisch vollkommene Reflektion bildet« Die geringen Energieverluste. innerhalb der Wand 4a sind dadurch klein gehalten, daß die Wand-Dicke 1,5 nan beträgt, was einer Tiertelwellenlänge * der Ultraschalletrahlung in Stahl entspricht«

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Dae Element 2 und der Reflektor 4 sind auf nicht besonders dargestellte Weise in dem Gehäuse 6 angeordnet, das ▼on der Kopplungeflüssigkeit durchströmt let* Biese besteht aus Wasser, das unter Brück in den Stutzen 7 eingeleitet wird und aus des engen Spalt β ausstreut, der sich senkrecht sur Zeichnungsebene erstreckt und in Bereich des konrergenten Strahlenbündels 5 liegt· Das Wasser strömt aus diesem Spalt 8 mit großer Geschwindigkeit aus, was die Untersuchung τοη Prüflingen hoher Tenperatur ermöglicht. Die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers» das gleichseitig die Rolle eines Kühlmittels spielt_? wird so gewählt, daß die Temperatur des Prüflings an der yon den Ultraschallstrahl beaufschlagten Stelle unterhalb τοη 100⁰O bleibt. Auf diese Welse wird die Ausbildung einer Dampf schicht auf dem Prüfling vermieden, die, wenn sie auch nach so dünn ist, eine Heflektion der. Ultraschallstrahlen bewirken würde, die die Werkstoffprüfung unmöglich macht»

Bas Gehäuse 6 besteht aus plastischem Werkstoff mit hohem Absorptionskoeffieient, um Streustrahlungen zu vermeiden. Bas Gehäuse und damit auch der Reflektor 4a wird in einem vorba stimmt en Abstand τοη der Oberfläche des Knüppele 1 mittels sweier Rollen 9 gehalten, deren

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Achsen 9a an dem Gehäuse 6 gelagert sind· Auf diese Weise kann der Prüfkopf als Ganzes parallel zur Achse des Knüppels 1 Über dessen ganze Länge verschoben werden«

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, wird der Abstand des Prüf kopf es von dem Prüfling so gewählt, daß die Scheitellinie 5a des Strahlenbündels 5 auf dem dem Gehäuse gegenüberliegenden umfang des Prüflings liegt« Biese Bedingung brauoht nicht unbedingt eingehalten au wurden, sie er->

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gibt jedoch den Vorteil eines Rückvrandechos maximaler Amplitude. Wie aus der Zeichnung des weiteren ersichtlich ist, trifft das UltraschallstrahlenbttndeX so gut wie senkrecht auf die Oberfläche des Prüflinge auf, was eine Heflektion verhindert und eine hohe !Echo-Ausbeute gewährleistet«

Auch das in Pig« 2 dargestellte Ausführungsbeiaplel zeigt eine Prüfvorrichtung mit Fokussierung der Ultraschallstrahlen durch Reflektion. Diese Vorrichtung eignet sich insbesondere für ebene Prüflinge hoher temperatur. Als Koppelflüssigkeit wird ebenfalls Wasser verwendet, das unter Druck in das aus plastischem natsrial bestehende Gehäuse 10 in Gestalt eines Zylinders mit senkrechter Achse und einem Durohmesser von 130 mm eingeleitet wird. Das

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Weeser etrOmt ans diesen Behälter pit jgrofer keit ans 4er kreisrunden Öffnung 11 aue, die In der MItte. der Baeisfläehe dee gehäuses rorgeeehen ist_f vnd ^aifirlrt eine wvthhnitige AWcühlung de« Prüflings 12 an d9?r Ton des Ultraeohalletrahl 15 beaufsohlagten Stelle, eo daß •ich an der Oberfliohe dee PrUflinge keine Daspfsonicht «BSBildet· Bas Oehftuee 10 ruht auf einem Oeetell 23 and kann Mittels der Bollen 14a und Hb auf der Oberfläche dee Prüflinge Tersohoben -werden·

Die Ultreephalletranlenquelle Kird b^i diesen beiepiel duroh ein kreieringf$XRigee Clement 15 aus Barlu*- Titanat gehildet, das eine Eesonansf ^re^uenjB ron 1 HHs aufwelät vnd an der oberen Platte dee Gehfiupea 1O angeordnet ist. In seiner Kittelaußsperun« niapt dae Blement einen qrlindrieohen Träger 16 anf_v an deoeen unterer Stirnseite «in eph&rieoh konrex gekrtbarter Reflektor 17 angelotet 1st· I* unteren Teil des OehäuseB 10 lot ein .tweiter sphlriBCh konkar gekruarter Roflektor 18 angeordnet. Dieser weist eine kreisförmige MittelauBsparung 19 mit einem Burohmesser auf, der dem Burchneseer der Öffnung 11 ent-

spricht und beispielsweise 25 mm beträgt« Die beiden Heflektoren 17 und 18 bestehen beide aus Chromstahl ron 1,5 me Stärke.

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Dee Ton den Element 16 abgestrahlt© {fttrasohallstrahleiibündel 20 wird an der fläche 18 reflektiert und bildet nach der Heflektion dee konvergierende Strahlenbündel 21, das wiederum an der konvex gekrümmten Fläch© 17 reflektiert wird derart, daß das konisch sieh verjüngende Strahlenbündel 13 gebildet wird« Das sich in Richtung auf die untere fläche 22 des Prüflings 12 merklich verg jungende Strahlenbündel 15 bewirkt ein Rttckwandeeho maxi^ »maler Amplitude. Man kann das ISaB der Konvergenz des Strah« lentttodels 15 verändern, indem ician den Reflektor 17 ;-■ Λ-·..in senkrechter Richtung verschiebt· So erhält man bei» spielsweise ein Bündel mit parallelen Strahlen *. in-dem man die beiden Brennpunkte der Reflektoren 17 und 16 zusammenfallen lässt·

Pas Strahlenbündel 1? kann auf diese Weise einen sehr steilen Einfall auf der Oberfläche des Prüflings aufweisen, was gleichseitig sowohl die Reflektion als auch die Brechung des Strahlenbündele vermindert·

Sie Vorrichtung nach Fig. 1, mit einem Strahlenbündel in Gestalt eines Keiles oder auch eines Quaders, 1st mehr für die Untersuchung von runden Prüflingen geeignet. Das Strahlenbündel 5 1st an jedem Punkt der Auftreffstelle senkrecht zur Oberfläche des Prüflings und ewar sowohl Mn-

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sichtlich der Erzeugenden dee Zylinders 1 als auch hinsichtlich seines Hiafangee, während ein konisches oder
auch paralleles Strahlenbündel nur mit einer Erzeugenden einen rechten Winkel aufweist·

Die Torrichtung nach Fig. 2, bei der das Strahlafcündel
13 die Gestalt eines sehr spitzen Konus aufweist, ist in höherem Maße für die Untersuchung ebener Prüflinge geeignet. Das Strahlenbündel trifft tatsächlich auch in jedem einzelnen Punkt praktisch senkrecht auf die Oberfläche des Prüflings auf·

Diese beiden Torrichtungen weisen alle Torteile einer Fokussierung auf« Im Falle der Torrichtung nach FIg₀ 1 konnte man gegenüber einem System ohne Fokussierung bei gleicher abgestrahlter Energie im Zentrum des Elementes, also bei einer Breite des Strahlenbündels von 6 mm eine Zunahme von 12db feststellen· Die Fokussierung mittels Reflek« tion bringt noch den weiteren Torteil mit sich, daß Energieverluste in dem Prüfkopf selbst praktisch vollkommen
vermieden werden. Demgegenüber sind die Übertragungsverluste bei den bekannten System mit einer Linsen-Fokussierung beträchtlich; sie betragen beispielsweise 80 bis 90 #, was praktisch eine genaue Messung unmöglich macht»

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Bei der erf indiangsgemä£en Vc crlöhtwng wird praktisch die ganze Energie des Wandlers? die "beliebig groS seia in einem sehr engen Bündel konzentriert. Die Strahlunge stärke im Verhältnis zwc Yo'iamene.1.nheit des «atersuchen den Prüflings ist daher beiräcatlißh und ensSglicl^ das Auffinden aucii extrem kleiner Fehle?stellen_e

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Claims (1)

!Patentansprüche

1. Torriehtung sur serstOrungsfreien Verketoffprüfung Bitteis ultraschall, insbesondere aur Untersuchung Ton Prüflingen honer Tenporsii*r, unter Ankopplung dee PrBfkopfes nittels einer struaenden llüaelgkeit, d a -dadurch gekennsselchnet, daB das den Prüfkopf euf/leimende öehäuse (6, 10) so ausgebildet ist. dafi der aus ihm auetretende Flüssigkeitsstrahl ix wesentlichen senkrecht auf die Oberfläche des Prüflings (1, 12) auftrifft, und sich tob Auftreffptmkt nach allen Seiten radial vit einer solchen Geschwindigkeit auebreitet, daß an der Stelle des Auftreffens des TJltraschalletrahlea auf den Prüfling keine Verdampfung erfolgt« sowie daß im Gehäuse (6, 10) des Prüfkopfes eine den Ultrasohallstrahl auf die Auftreffstelle reflektierende und konsentrierende iläohe (4a, 17, 18) vorgesehen iet«

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2, Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß ßiG ein Gehäuse mit einer ebenen, den Prüfling (1, 12) zugewandten Wand und in dieser eine Ausfluesoff nung ( 19) für die Koppelflüesigkeit mit senkrecht sni diesa? Wane verlaufender Symmetrieachse» einen ebenen kreiu- ode ν ringförmigen parallel SU der Torgenannten Wandfläche \md koaxial «ι der Ausfluaaöffnung (19) angeordneten, ii Sichtung auf die Wandf^äche abstrahlenden piezo-elektr. ichen Wandler (15), eine erste ringförmig die Au&flussQffnjng (19) umgehende, konkav bum Wandler (15) gekrümmte, koaxial zur Achse des Wandlere (15) der AueflussÖffnung (9) angeordnet3 reflektierende Flache (18), eovie eine «,weite, die ÜTfcrasohallBtrahlen konzentrierende, in Sichtung auf die AuafluBBöffnung (19) reflektierende Jlächu M7) und des weiteren Kittel aufweiet, vm He ebene öeiväueewand in konstanten geringem Abstand vom Prüfling (2) sra. halten.

5. Torrichtung nach Anspruch 1 ,infbeeondare war Ton Prüflingen mit rundem Que j schnitt, dadurch gekennzeichne t , daß sie eine im veeentliohen spaltförmige, für den )urchtritt der Koppelilüsaigkeit beetimmte, einer Erzeigenden des Prüflings (1)

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nahe benachbarte öffnung (6), einen ebenen rechteckigen piezo-elektriBchen Wandler (2), sowie eine »ylindrisch gekrümate reflektierende Pläche (4a) aufweist, deren Erzeugende parallel zur Längeerstreokung der spaltförmigen Öffnung (8) verläuft, so daß das TTltraschallstrahlenbündel das Hittelfeld des Spaltes (8) im wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Spaltes (8) durchsetzt»

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