DE1801610B2 - Vorrichtung zur zerstoerungsfreien werkstoffpruefung mittels ultraschall zur untersuchung von prueflingen hoher temperatur - Google Patents

Description

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kek zerstört wird. Bariumtitanatwandler, die hier be- gie zu vergrößern, so verringert sich die radiale Ge-

vorzugt verwendet werden, werden bereits oberhalb schwindigkeit des Wassers, so daß die Erwärmung

80° C depolarisiert und fallen aus. des Wassers zunimmt und damit der Vorteil der

Weiter ist es bei Ultraschall-Prüfköpfen an sich Oberflächenvergrößerung wieder zunichte gemacht

bekannt, das emittierende Strahlenbündel an ebenen 5 wird. Durch die erfindungsgemäße Konzentration der

oder gekrümmten Reflexionsflächen umzulenken und von dem Wandler großer Oberfläche abgestrahlten

auf eine kleinere Fläche als die Abstrahlfläche zu Energie auf eine verhältnismäßig kleine vom Strahl

konzentrieren. der Koppelflüssigkeit durchsetzte Fläche wird die

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gefahr einer Störung der Fortpflanzung der Schall-Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art zu io wellen durch Verdampfung vermieden, so daß die schaffen, mittels der auch bei Prüflingen hoher Tem- Anwendung dieses Verfahrens nunmehr auch bei peratur, insbesondere in der Nähe des Erweichungs- sehr heißen Prüflingen möglich wird,
punktes, sichere und zuverlässige Prüfungsergebnisse Durch die Fokussierung des Ultraschallstrahlenerhalten werden. bümiels an gekrümmten reflektierenden Flächen wird

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch 15 praktisch jeder Energieverlust vermieden, der etwa die Kombination der Merkmale gelöst, daß die Ge- bei akustischen Linsen auftreten würde. Man muß häuseöffnung eine kleinere Flächenabmtjsung auf- hierbei lediglich beachten, daß der Einfallwinkel gröweist als die die Ultraschallstrahlen emittierende ßer ist als das Doppelte des kritischen Reflexions-Oberfläche des Wandlers, daß die Koppelflüssigkeit winkels, oder, wenn dies nicht der Fall ist, daß die so geführt wird, daß sie senkrecht auf der Prüflings- 20 Dicke des Reflektors nur ein Viertel der Wellenlänge Oberfläche auftrifft und sich seitlich der Auftreff- der Ultraschallwellen in diesem Material beträgt. Bei stelle zwischen Gehäusewand und Prüfling ausbrei- einer Ultraschallfrequenz von beispielsweise 1 MHz tet und daß die vom Ultraschallwandler ausgesand- beträgt die Dicke eines polierten Stahlreflektors ten Ultraschallstrahlen über Reflexionsflächen, 1,5 mm.

welche eine reflektierende und fokussierende Wir- 25 Werden bei einem Ausführungsbeispiel der erfin-

kung ausüben, geführt und durch die Gehäuseöff- dungsgemäßen Vorrichtung ein ringförmiger Wand-

nung hindurch auf den Prüfling konzentriert werden. ler großer Oberfläche und zwei sphärische Reflekto-

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung erge- ren verwendet, so bietet eine solche Vorrichtung beben sich aus den Unteransprüchen. sondere Vorteile, weil es mit ihr möglich ist, durch

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine 30 eine verhältnismäßig kleine axiale Verschiebung des hohe Konzentration der Ultraschallenergie in einem einen oder anderen der beiden Reflektoren eine hohe kleinen Bereich der Oberfläche des Prüflings erzielt, Konzentration des Strahlenbündels in einem verhältwodurch die Empfindlichkeit der Prüfvorrichtung nismäßig breiten Regelbereich zu erzielen. Man erwesentlich erhöht wird. Diese Empfindlichkeitsstei- hält auf diese Weise, je nach der getroffenen Anordgerung ist von besonderem Vorteil bei der Werk- 35 nung ein konvergierendes, ein paralleles oder auch Stoffprüfung metallischer Erzeugnisse hoher Tempe- divergierendes Strahlenbündel. Ein zylindrisches ratur, wie beispielsweise von Walzgut, in welchem in- oder auch schwach konvergentes Strahlenbündel von folge des weichen plastischen Zustands des Metalls nur wenigen Millimeter Durchmesser hat sich zur der Ultraschallstrahl einer hohen Dämpfung und Ab- Untersuchung von ebenen Prüflingen infolge des sorption unterworfen ist. Ein weiterer Vorteil der er- 40 senkrechten oder nahezu senkrechten Auftreffens des findungsgemäßen Vorrichtung ist, daß durch die er- Strahlenbündels auf den Prüfling und infolge seiner zielbare Konvergenz des UUraschallstrahlenbündels hohen Energiekonzentration als besonders vorteilhaft die von der im Prüfling zurückgelegten Wegstrecke erwiesen.

des Ultraschall?trahls abhängige Absorption minde- In der Zeichnung sind in schematischer Weise

stens teilweise kompensiert wird. 45 zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen

Einen weiteren wesentlichen Vorteil bietet die er- Vorrichtung dargestellt. Es zeigt

findungsgemäße Vorrichtung bei der Werkstoffprü- F i g. 1 einen Aufriß einer Vorrichtung zur Unter-

fung von Prüflingen, die eine sehr hohe Temperatur suchung von Prüflingen mit kreisrundem Querschnitt

von beispielsweise 1200 bis 1400^c C aufweisen. Da und

man zur akustischen Ankopplung des Prüfkopfes an 50 F i g. 2 einen Aufriß einer Vorrichtung insbeson-

den Prüfling im allgemeinen Wasser verwendet, be- dere zur Untersuchung eines Prüflings mit parallelen

steht die Gefahr, daß durch Sieden des Wassers der Oberflächen.

Betrieb des Wandlers gestört und der Durchgang des Der Prüfling im Falle der F i g. 1 besteht aus Strahlenbündels durch die Öffnung verhindert wird. einem Knüppel 1, der in seinem ganzen Querschnitt Wie aus der oben angegebenen französischen Patent- 55 auf das eventuelle Vorhandensein von Lunkern unschrift 1 323 002 an sich bekannt ist. kann diese tersucht wird. Der Durchmesser dieses Knüppels beSchwierigkeit weitgehend dadurch überwunden wer- trägt 130 mm. Der Ultrpschallwandler wird durch ein den, daß zwischen dem Wandler und dem heißen quaderförmiges Element 2 aus Barium-Titanat gebil-Prüfling ein Wasserstrahl hoher Geschwindigkeit hin- det, dessen Resonanz-Frequenz bei 1 MHz liegt. Die durchgeleitet wird, der die Temperatur des Prüflings 60 Breitseite dieses Elementes erstreckt sich senkrecht vor dem Prüfkopf örtlich senkt. Die Geschwindigkeit zur Zeichnungsebene und beträgt etwa 40 mm. Die des Wasserstrahls muß dabei überall so groß sein, Breite dieses Elementes in vertikaler Richtung bedaß das Wasser vor dem Wandler und in dessen un- trägt 30 mm. Von diesem Element wird ein paralleles mittelbarer Nähe nicht zu verdampfen beginnt. Die- Ultraschallstrahlenbündel 3 abgestrahlt, das auf die ses bekannte Verfahren führt zu befriedigenden Er- 65 hochpolierte Fläche 4 a eines Reflektors 4 gerichtet gebnissen, solange der Wandler keine große Ober- ist, der durch einen Hohlkörper gebildet wird, dessen fläche aufweist. Wird jedoch eine Vergrößerung die- eine aus Chromstahl bestehende Wand von 1,5 mm ser Oberfläche angestrebt, um die abgestrahlte Ener- Dicke die reflektierende Fläche bildet. Die Längser-

Streckung der reflektierenden Fläche 4 α entspricht Wasser verwendet, das unter Druck in das aus plastiim wesentlichen der Abmessung des piezoelektri- schem Material bestehende Gehäuse 10 in Gestalt sehen Elementes 2. Die zylindrisch gekrümmte eines Zylinders mit senkrechter Achse und einem Fläche 4 a weist einen Krümmungshalbmesser von Durchmesser von 130 mm eingeleitet wird. Das Wasungefähr 350 mm auf; die Erzeugende dieser Fläche 5 ser strömt aus diesem Behälter mit großer Geschwinläuft senkrecht zur Zeichnungsebene. Durch die kon- digkeit aus der kreisrunden öffnung 11 aus, die in kave Ausbildung dieser reflektierenden Fläche Aa der Mitte der Basisfläche des Gehäuses vorgesehen wird, genau wie im Falle eines optischen Spiegels, ist, und bewirkt eine nachhaltige Abkühlung des eine Konvergenz der reflektierten Strahlen bewirkt. Prüflings 12 an der von dem Ultraschallstrahl 13 be-Das auf diese Weise reflektierte Strahlenbündel 5 io aufschlagten Stelle, so daß sich an der Oberfläche weist die Form eines Keils auf, dessen parallel zu der des Prüflings keine Dampfschicht ausbildet. Das GeAchse des Knüppels verlaufende Scheitellinie 5 α in häuse 10 ruht auf einem Gestell 23 und kann mittels der Brennebene des Reflektors 4 α liegt. Der Einfall- der Rollen 14 a und 146 auf der Oberfläche des winkel des Strahlenbündels 3 auf der Fläche 4 a be- Prüflings verschoben werden.

trägt etwa 45° und liegt somit außerhalb des kriti- 15 Die Ultraschallstrahlenquelle wird bei diesem Aussehen Winkelbereiches, was eine Voraussetzung für führungsbeispiel durch ein kreisringförmiges Element eine praktisch vollkommene Reflexion bildet. Die ge- 15 aus Barium-Titanal gebildet, das eine Resonanzringen Energieverluste innerhalb der Wand 4 α sind frequenz von 1 MHz aufweist und an der oberen dadurch kleingehalten, daß die Wanddicke 1,5 mm Platte des Gehäuses 10 angeordnet ist. In seiner Mitbeträgt, was einer Viertelwellenlänge der Ultraschall- 20 telaussparung nimmt das Element einen zylinstrahlung in Stahl entspricht. drischen Träger 16 auf, an dessen unterer Stirnseite

Das Element 2 und der Reflektor 4 sind auf nicht ein sphärisch konvex gekrümmter Reflektor 17 angebesonders dargestellte Weise in dem Gehäuse 6 an- lötet ist. Im unteren Teil des Gehäuses 10 ist ein geordnet, das von der Kopplungsflüssigkeit durch- zweiter sphärisch konkav gekrümmter Reflektor 18 strömt ist. Diese besteht aus Wasser, das unter Druck 25 angeordnet. Dieser weist eine kreisförmige Mittelausin den Stutzen 7 eingeleitet wird und aus dem engen sparung 19 mit einem Durchmesser auf, der dem Spalt 8 ausströmt, der sich senkrecht zur Zeichnungs- Durchmesser der Öffnung 11 entspricht und beiebene erstreckt und im Bereich des konvergenten spielsweise 25 mm beträgt. Die beiden Reflektoren Strahlenbündels 5 liegt. Das Wasser strömt aus die- 17 und 18 bestehen beide aus Chromstahl von sem Spalte mit großer Geschwindigkeit aus, was die 30 1,5mm Stärke.

Untersuchung von Prüflingen hoher Temperatur er- Das von dem Element 16 abgestrahlte Ultraschallmöglicht. Die Strömungsgeschwindigkeit des Was- strahlenbündel 20 wird an der Fläche 18 reflektiert sers, das gleichzeitig die Rolle eines Kühlmittels und bildet nach der Reflexion des konvergierenden spielt, wird so gewählt, daß die Temperatur des Prüf- Strahlenbündels 21, das wiederum an der konvex gelings an der von dem Ultraschallstrahl beaufschlag- 35 krümmten Fläche 17 reflektiert wird, derart, daß das ten Stelle unterhalb von 100⁰C bleibt. Auf diese konisch sich verjüngende Strahlenbündel 13 gebildet Weise wird die Ausbildung einer Dampfschicht auf wird. Das sich in Richtung auf die untere Fläche 22 dem Prüfling vermieden, die, wenn sie auch noch so des Prüflings 12 merklich verjüngende Strahlenbündünn ist, eine Reflexion der Ultraschallstrahlen be- del 13 bewirkt ein Rückwandecho maximaler Ampliwirken würde, die die Werkstoffprüfung unmöglich 40 tude. Man kann das Maß der Konvergenz des Strahmacht. lenbündels 13 verändern, indem man den Reflektor

Das Gehäuse 6 besteht aus plastischem Werkstoff 17 in senkrechter Richtung verschiebt. So erhält man

mit hohem Absorptionskoeffizient, um Streustrahlun- beispielsweise ein Bündel mit parallelen Strahlen, in-

gen zu vermeiden. Das Gehäuse und damit auch der dem man die beiden Brennpunkte der Reflektoren 17

Reflektor 4 α wird in einem vorbestimmten Abstand 45 und 18 zusammenfallen läßt.

von der Oberfläche des Knüppels 1 mittels zweier Das Strahlenbündel 13 kann auf diese Weise einen Rollen 9 gehalten, deren Achsen 9 α an dem Ge- sehr steilen Einfall auf der Oberfläche des Prüflings häuse 6 gelagert sind. Auf diese Weise kann aufweisen, was gleichzeitig sowohl die Reflexion als der Prüfkopf als Ganzes parallel zur Achse des auch die Brechung des Strahlenbündels vermindert.
Knüppels 1 über dessen ganze Länge verschoben 50 Die Vorrichtung nach Fig. 1, mit einem Strahlenwerden, bündel in Gestalt eines Keiles oder auch eines Qua-

Wie aus F i g. 1 ersichtlich ist, wird der Abstand ders, ist mehr für die Untersuchung von runden Prüfdes Prüfkopfes von dem Prüfling so gewählt, daß die lingen geeignet Das Strahlenbündel S ist an jedem Scheitellinie 5 a des Strahlenbündels 5 auf dem dem Punkt der Auftreffstelle senkrecht zur Oberfläche Gehäuse gegenüberliegenden Umfang des Prüflings 55 des Prüflings, und zwar sowohl hinsichtlich der Erliegt Diese Bedingung braucht nicht unbedingt ein- zeugenden des Zylinders 1 als auch hinsichtlich seigehalten zu werden, sie ergibt jedoch den Vorteil nes Umfanges, während ein konisches oder auch pareines Rückwandechos maximaler Amplitude. Wie alleles Strahlenbündel nur mit einer Erzeugenden aus der Zeichnung des weiteren ersichtlich ist, trifft einen rechten Winkel aufweist
das Ultraschallstrahlenbündel so gut wie senkrecht 60 Die Vorrichtung nach F i g. 2, bei der das Strahauf die Oberfläche des Prüflings auf, was eine Refle- lenbündel 13 die Gestalt eines sehr spitzen Konus »on verhindert und eine hohe Echo-Ausbeute ge- aufweist, ist in höherem Maße für die Untersuchung wäferleistet ebener Prüflinge geeignet Das Strahlenbündel trifft

Auch das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbei- tatsächlich auch in jedem einzelnen Punkt praktisch

spiel zeigt eme Prüfvorrichtung mit Fokussierung der 65 senkrecht auf die Oberfläche des Prüflings auf.

Ultraschallstrahlea durch Reflexion. Diese Vorrich- Diese beiden Vorrichtungen weisen alle Vorteile

tung eignet sich insbesondere für ebene Prüflinge ho- einer Fokussierung auf. Im Falle der Vorrichtung

her Temperatur. Als Koppelflüssigkeit wird ebenfalls nach Fig. 1 konnte man gegenüber einem System

(ο

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 Reflexion bringt noch den weiteren Vorteil mit sich, daß Energieverluste in dem Prüfkopf selbst praktisch vollkommen vermieden werden. Demgegenüber sind die Übertragungsverluste bei dem bekannten System mit einer Linsen-Fokussierang beträchtlich; sie betragen bei-

spielsweise 80 bis 9O°/o, was praktisch eine genaue Messung unmöglich macht.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird praktisch die ganze Energie des Wandlers, die beliebig groß sein kann, in einem sehr engen Bündel konzentriert. Die Strahlungsstärke im Verhältnis zur Volumeneinheit des zu untersuchenden Prüflings ist daher beträchtlich und ermöglicht das Auffinden auch extrem kleiner Fehlerstellen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

309520/17*

Claims (3)

1 2 feld des Spaltes (8) im wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Spaltes durchsetzt. Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur zerstörungsfreien Werk- 5

Stoffprüfung mittels Ultraschall zur Untersuchung

von Prüflingen hoher Temperatur mit einem Gehäuse, welches an der dem Prüfling zugekehrten
Seite eine Öffnung besitzt und von einer unter

Druck zugeführten Koppelflüssigkeit durchströmt io Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur zerstöwird, die einen Ultraschallwandler an den Prüf- rungsfreien Werkstoffprüfung mittels Ultraschall zur ling ankoppelt, der innerhalb des Gehäuses an Untersuchung von Prüflingen hoher Temperatur mit einer von der Gehäuseöffnung weit entfernten einem Gehäuse, welches an der dem Prüfling zuge-Stelle so angeordnet ist, daß die von ihm emit- kehrten Seite eine Öffnung besitzt und von einer untierten Ultraschallstrahlen durch die öffnung hin- 15 ter Druck zugeführten Koppeltlüssigkeit durchströmt durch etwa senkrecht auf die Prüflingsoberfläche wird, die einen Ultraschallwandler an den Prüfling auftreffen, gekennzeichnet durch die ankoppelt, der innerhalb des Gehäuses an einer von Kombination der Merkmale, daß die Gehäuseöff- der Gehäuseöffnung weit entfernten Stelle so annung (8, 11, 19) eine kleinere Flächenabmessung geordnet ist, daß die von ihm emittierten Ultraschallaufweist als die die Ultraschallstrahlen emittie- 20 strahlen durch die öffnung hindurch etwa senkrecht rende Oberfläche des Wandlers (2, 15), daß die auf die Prüflingsoberfläche"auftreffen.
Koppelflüssigkeit so geführt wird, daß sie senk- Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art recht auf der Priiflingsoberfläche auftrifft und (USA.-Patentschrift 3 171047) ist das Gehäuse ein sich seitlich der Auftreffstelle zwischen Gehäuse- den Wandler konzentrisch umgebender, einseitig ofwand und Prüfling (1, 22) ausbreitet und daß die as fener Hohlzylinder. Die Gehäuseöffnung weist eine vom Ultraschallwandler (2, 15) ausgesandten Ul- größere Flächenabmessung auf als die die Ultratraschalktrahlen (3, 20) über Reflexionsflächen schallstrahlen emittierende Oberfläche des Wandlers. (4 a, 17, 18), welche eine reflektierende und fo- Die Kühl- und Koppelflüssigkeit wird über eine den kussierende Wirkung ausüben, geführt und durch Wandler umgebende Ringleitung zugeführt und über die Gehäuseöffnung hindurch auf den Prüfling 30 auf der Höhe des Wandlers in der Gehäusewandung konzentriert werden. befindliche Bohrungen aus dem Gehäuse herausgelei-

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, insbesondere tet. Die emittierende Oberfläche des Wandlers ist zur Untersuchung von Prüflingen mit ebener senkrecht auf die gegen den Rand der Gehäuseöff-Oberfläche, bei welcher das Gehäuse eine dem nung anzulegende Prüflingsoberfläche gerichtet. Die Prüfling zugewandte ebene Wand besitzt, da- 35 bekannte Konstruktion hat einmal den Nachteil, daß durch gekennzeichnet, daß die Achse der Ausfluß- die Slrömungsverhältnisse der Kühl- und Koppelflüsöffnung (11, 19) für die Koppelflüssigkeit eine sigkeit in dem Gehäuse relativ ungünstig sind. Die im Symmetrieachse des Gehäuses darstellt, daß der Bereich der Priiflingsoberfläche aufgeheizte Flüssig-Ultraschallwandler aus einem ebenen kreis- oder keit wird nur relativ langsam zu den Ausflußbohrunringförmigen parallel zu der vorgenannten Wand- 40 gen geleitet. Bei hohen Prüflingstemperaturen besteht fläche und koaxial zu der Ausflußöffnung an- daher die Gefahr, daß sich in der Koppelflüssigkeit geordneten, in Richtung auf die Wandfläche ab- ein Dampffilm ausbildet, der die akustische Koppstrahlenden piezo-elektrischen Element (15) be- lung zwischen dem Prüfkopf und dem Prüfling westeht, daß die Reflexionsflächen aus einer ersten sentlich verschlechtert. Andererseits muß die Ultraringförmig die Ausflußöffnung umgebenden, kon- 45 schall-Leistung bei hohen Temperaturen, beispielskav zum Wandler (15) gekrümmten, koaxial zur weibe in der Nähe des Erweichungspunktes des Fest-Achse des Wandlers und der Ausflußöffnung an- körperprüflings, beträchtlich erhöht werden, um wegeordneten reflektierenden Fläche (18) sowie aus gen der erhöhten Schallabsorption noch ausreichende einer zweiten ebenfalls koaxial zur Achse des Reflexionssignale zu erzielen. Man benötigt in die-Wandlers und der Ausflußöffnung angeordneten, 50 sem Fall größere abgestrahlte Leistungsdichten als die Ultraschallstrahlen konzentrierenden, in bei niedrigeren Temperaturen. Eine Erhöhung der Richtung auf die Ausflußöffnung reflektierenden abgestrahlten Leistungsdichte ist bei der bekannten Fläche (17) bestehen und des weiteren Mittel Konstruktion nur bis zu einem durch die Leistungsvorgesehen sind, um die ebene Gehäusewand in fähigkeit des Wandlers bestimmten Maß möglich,
konstantem geringem Abstand vom Prüfling (12) 55 Weiter ist ein Ultraschall-Prüfkopf bekannt (franzu halten. zösische Patentschrift 1 323 002), an dessen dem

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, insbesondere Prüfling zugewandter Oberfläche ein ringförmiger zur Untersuchung von Prüflingen mit rundem piezoelektrischer Wandler angeordnet ist, dessen Querschnitt, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrales Loch als Austrittsöffnung für die Koppel-Ausflußöffnung (8) spaltförmig ist, daß der Ul- 60 flüssigkeit dient. Die Koppelflüssigkeit wird von dietraschallwandler aus einem ebenen rechteckigen ser Auftreffstelle aus radial in den zwischen dem piezo-elektrischen Element (2) besteht und daß Wandler und dem Prüfling befindlichen Bereich umdie Reflexionsflächen eine zylindrisch gekrümmte gelenkt. Diese Vorrichtung ist nur für Prüflingstemreflektierende Fläche (4 a) aufweisen, deren Er- peraturen von höchstens 600° C geeignet. Oberhalb zeugende parallel zur Längserstreckung der spalt- 65 dieser Temperatur wird die Gefahr immer größer, förmigen öffnung (8) verläuft und die relativ daß das der Prüflingsoberfläche unmittelbar gegenzum piezo-elektrischen Element so angeordnet überlicgende piezoelektrische Element einer nicht ist- daß das Ultraschallstrahlenbündel das Mittel- ausreichenden Zufuhr an Kühl- und Koppelflüssig-