DE1816255A1

DE1816255A1 - Verfahren und Vorrichtung zur zerstoerungsfreien Pruefung von Schweissnaehten mittels Ultraschallenergie

Info

Publication number: DE1816255A1
Application number: DE19681816255
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Wolfgang Boettcher; Dr Rer Nat Hermann-Jo Kopineck; Karl-Heinz Schlusnus; Dr Phil Phys Gernot Sommerkorn
Original assignee: Hoesch AG
Current assignee: Hoesch AG
Priority date: 1968-12-21
Filing date: 1968-12-21
Publication date: 1970-06-25
Also published as: BE743287A; US3685348A; NL163323B; SE352741B; ATA1180069A; DE1816255B2; GB1301486A; LU60060A1; NL6918985A; AT335199B; FR2026810A1; GB1301487A; JPS5320864B1; DE1816255C3; NL163323C

Description

Hoescli Aktiengesellschaft, 46 Dortmund, Eb&rhardstraße 12

Verfahren und Vorrichtimg zur zerstörungsfreien Prüfung von Schweißnähten mittels Ultrasehallenergie

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Schweißnähten auf in der Naht vorhandene Heterogenitäten des Y/erkstoffes in Längsrichtung - Längsfehler - und in Querrichtung - Querfehler ~ mittels Ultraschallenergie unter Einsatz von beidseitig, parallel zur Längsachse der Schweißnaht geführten Ultraschallköpfen, als Sender und/oder Empfänger wirkend. .

Die zerstörungsfreie Prüfung von Schweißnähten, vor allem von geschweißten Rohren^ mit Längs- oder Schraubennaht mittels Ultraschall, erjiolgt. vornehmlich in der Weise, daß ein, jeweils beidseitig der Schweißnaht parallel geführtes Ultraschallkopfpaar, welches seine Schallirapulse senkrecht zur Schweißnaht aussendet und empfängt, für die Prüfung auf Längsfehler in der Naht und daß ein oder mehrere Ultraschallkopfpaare, die unter einem 7/inkel von 45° oder 60° Schallstrahl bündel auf die Schweißnaht senden und von dort empfangen, für die Prüfung auf Querfehler in der Naht benutzt v/erden.

Die Prüfung auf Längafehler in der Schweißnaht ist dadurch zu einem betriebssicheren Verfahren geworden, daß naoh einem Prüfverfaiiren gearbeitet wird, bei dem in zwei ersten Prüfarbeitstakten jeweils der rechte oder der linke Bereich der Schweiß-

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nahtzone geprüft wird und daß in einem dritten Prüfarbeitstakt,' in einem Durchschallungsverfahren, das einwandfreie Arbeiten der Prüfköpfe und die einwandfreie Ankopplung an. das Werkstück kontrolliert werden. Diese Prüfarbeitstakte werden nacheinander in beliebiger Reihenfolge wiederholt.

Bei der Untersuchung der Schweißnaht auf Querfehler ?/endet man das oben erwähnte Verfahren an, dem allerdings der grundsätzliche Mangel anhaftet, daß zwei oder vier weitere Prüfköpfe einzusetzen sind, die in der vorgenannten V/eise arbeiten, bei der aber eine Kontrolle der Funktionstüchtigkeit dieser zusätzlichen Prüfköpfe ausgeschlossen bleibt.

Das Ziel der Erfindung ist es, die aufgezeigten Nachteile der bisherigen Prüfung zu vermeiden und eine Lösung zu finden, die die Prüfung von Längs- und Querfehlem in Schweißnähten in ebenso betriebssicherer ^T,7eise ermöglicht, wie dies bisher ausschließlich für die Prüfung auf Längsfehler gegeben war.

Die Lösung nach der Erfindung schlägt ein Verfahren vor, bei dem jeder Ultraschallkopf mindestens zwei Schallstrahlbündel gleichzeitig sendet bzw. gleichzeitig oder nacheinander empfängt, die über eine gemeinsame Ankoppelfläche in das Prüfgut eingeleitet bzw, aus dem Prüfgut aufgenommen werden und' jeder Ultraschallkopf so geführt ist, daß ein Schallstrahlbündel senkrecht auf die Längsachse der Schweißnaht trifft, während die anderen Schallstrahlbündel die Längsachse der Schweißnaht in voneinander verschiedenen Winkeln, kleiner als 90°j schneiden. Jeder der Ultraschallköpfe, der für die Durchführung des Verfahrens vorgesehen iat, v/eist nur einer. Ultrasoh&Ilsehwinger auf·

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Einem weiteren Uerkmal zufolge ist der nach beiden Seiten schallabstrahlende Ultraschallschwinger in einen schall ei tend en Kunststoffkörper eingebettet, dessen Form so gewählt ist, daß die "beiden Schallstrahlbündel derart gebrochen und geleitet v/erden, daß sie über die gemeinsame Ankoppelfläche in die vorgegebenen, auf die Schweißnaht bezogenen Sichtungen verlaufen.

Bei einem anderen Ultraschallkopf mit einem in an sich bekannter Bauweise angeordneten Ultraschallschwinger, dessen Schallabstrahlung nach der einen Seite durch die .Anordnung von Dämpfungsmaterial geschwächt ist, so daß die Aussendung der Ultraschallenergie' zur anderen, nach einer Seite erfolgt, ist diesem nach einer Seite schellabstrahlenden Ultraschallschwinger ein schalloptisch wirkendes Yorsatzstück vorgeschaltet, wobei das Yorsatzstück ein mit einem oder mehreren, mit nicht oder schlecht schallleitendem Material ausgefüllten, auf der dem Ultrascliallschwinger abgewandten Seite versehba'ren Einschnitten sclialleitender Eunststoffkörper bildet, dessen der Ankoppelflache zugewandte Fläche von außen zur Mtte schräg oder polygonal verläuft. Es ist nicht in jedem Fall notv,^rendig die durch die Gestaltung des Yorsatzstück es gegebene .Auflösung der Schallabstrahlung durch eine nicht oder schlecht schalldurchlässige Zone, beispielsweise ZTiiischnitte mit entsprechender Füllung, noch abzugrenzen.

Dem Yorsatzstück ist ein mit einer scliallbreeilenden Flüssigkeit gefüllter Yorlaufraum zugeordnet, den eine Hülse begrenzt.

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Der Schallübergang in das Prüf gut kann sowohl aus dies era Vorlaufraum unmittelbar als auch aus einem diesem Vorlaufraum noch vorgesetzten,schalleitenden, der Oberfläche des Prüfgutes entsprechenden Anpassungsstück her erfolgen.

Durch die Auflösung des von einen Ultraschallschwinger nach einer Seite ausgesendeten Schallstrahlbündels mit Hilfe der optischen Maßnahmen wie Spiegelung und Brechung werden zwei oder mehrere Schallstrahlbündel erzeugt, die in der vorgegebenen und gewünschten Richtung auf die Schweißnaht gelenkt werden. Durch entsprechende unterschiedliche lieigungen der schallreflektierenden bzw« schallbreeilenden Flächen des Kunststoffkörpers oder des Vorsatzstückes kann der Einschallwinkel - das ist der V/inkel zwisehen dem Lot senkrecht zur Oberfläche des Prüfgutes und dem S'challstrahl - der einzelnen Schallstrahlbündel a. bis a unterschiedlich "gewählt werden, derart, daß zum Beispiel das Schallstrählbündel a.. mit einem Einschallwinkel Oi₁= 45 , das Schallstrahlbündel a_? mit einem Einschallwinkel 0( ρ =60 usv/. in das zu prüfende Werkstück eintritt, wie darüber hinaus durch schallfokussierende Grenzflächen eine gewünschte Bündelung und/oder Spreizungseffekte der Schallstrahlbündel zu erzielen sind.

Da die aufgelösten Schallstrahlbündel, die von nur einem Ultraschallsehwinger ausgehen, durch eine gemeinsame Ankoppelfläche in die zu prüfende ITaht eintreten, ist es durch eine an sich •bekannte Schaltung möglich, nicht nur eine Prüfung auf Längs- und Querfehler in der Schweißnaht durchzuführen, sondern zu-

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gleich auch die Funktionsprüfung der Ultraschallköpfe über eine Durchschallungsprüfung mittels des senkrecht auf die Längsachse der 'Schweißnaht gerichteten Schallstrahlbündels durchzuführen«

Zweckmäßigerweise erfolgt die Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens zur zerstörungsfreien Prüfung von' Schweißnähten, bei dem zwei, parallel zur Längsachse der Schweißnaht, einander sich gegenüberstehende, geführte ültrsschallköpfe eingesetzt sind, in sich wiederholenden, kontinuierlichen Takten in der v/eise, daß folgende Punktionen erfüllt werden:

a) Prüfung auf Längsfehler

b) Prüfung auf Querfehler

c) An- und Durchlvopplungsprüfung

Die Prüfungen nach diesen Funktionen können einzeln oder in Kombinationen und mit Vertauschen der Tätigkeit der beiden Ultraschallköpfe als Arbeitstakte geschaltet v/erden.

Beispielsweise sendet beim ersten Takt der eine der beiden Ultraschallköpfe, während der anderen Ultraschallkopf nicht eingeschaltet ist und empfängt über ein Schallstrahlbündel an in der Schweißnaht vorhandenen Längsfehlern reflektierte Schallwellen, deren Signale über eine Monitor-Blende geinessen werden· Beim zweiten Takt tauschen die Ultraschallköpfe ihre Funktionen, beim dritten Takt erfolgen über das senkrecht zur Schweißnaht gerichtete Schalls tr aiii bündel in an sich bekannter Weise mit Hilfe des Durchs challungs ve rf ahrens eine An- und Durchkopplungsprüfung und zugleich über weitere Sciiallstrahlbündel mit den dazugehörenden Monitor-Blenden Prüfungen auf Querfehler, während beim

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vierten Takt die Ultraschallköpfe ihre !Funktionen abermals tauschen. ^!

In den Darstellungen sind schematisch. Ausführungsbeispiele von Ultraschallköpfen wiedergegeben, wie-sie-für die Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung eingesetzt werden, Es zeigen im einzelnen ■·

• Fig. 1 einen Ultraschallkopf mit einem nach zwei Seiten schallabstrahlenden Ultraschallschwinger in Ansicht,

Pig. 2 den Ultraschallkopf der Pig. 1 in Seitenansicht,

Fig. 3 einen Ultraschallkopf mit einem dem Ultraschallschwinger vorgeschalteten Vorsatzstück,

Fig. 4 den Ultraschallkopf der Fig. 3 mit einem Anpassungsstück,

Fig. 5 einen Ultraschallkopf entsprechend Fig. 3» bei dem das vom Ultraschallschwinger ausgesendete Schallstrahlbundel in drei Schallstrahlbündel aufgelöst ist,

Fig. 6 eine Anordnung der Ultraschallköpfe für die Anwendung des Verfahrens und

Fig. 7 eine y/iedergabe der Monitor-Einstellung am Ultraschallgerät entsprechend der Anordnung der Fig. 6,

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Ein TJltre.scliallscIirri.ng8r 10 (Fig. 1) - die gezeichnete symmetrische Lage ist nicht zwingend, unter Umständen kann aus beispielsweise energetischen G-ründen eine unsymmetrische Lage vorteilhafter sein - ist eingebettet in einen schalleitenden Kunststoffkörper 11, beispielsweise aus Polymethaacrylsäureester, und zwar derart, daß er ein Schallstrahlbündel 12 nach der einen Seite und ein Schallstrahlbündel 13 nach der anderen Seite sendet· Die Schallstrahlbündel 12, 13 treffen auf eine reflektierende, schräg geführte Fläche 14 des Eunststoffkörpers

11, die so verläuft, daß die reflektierten Schallstrahlbündel

12, 13 durch eine gemeinsame Ankoppelfläche 15 den Ultraschallkopf '16 verlassen. Die Schallstrahlbüiidel 12, 13» die beim Übergang von Kunststoffkörper 11 in ein Y/erkstück 17, beispielsweise ein Rohr oder ein anderes schalen- oder plattenfönniges Prüfgut eine weitere Brechung erfahren, haben dabei durch Größe und Geometrie des Kunststoffkörpers 11 zwei verschiedene Richtungen erfahren, die miteinander einen -Jinkel ß zv/ischen 0° bis 90°,. beispielsweise 30°, 45° oder 60° einschließen.' Der Y/inkel β ist der 7/inkel zwischen dein senkrecht auf die Längsachse einer Schweißnaht 18 auftreffenden Schallstrahlbündel 12 und dem Schallstrahlbündel 13·

Pig. 3 zeigt eine andere Ausführung eines Ultraschallkopfes 19» bei dem einen Ultraschallschwinger 20 ein Vorsatzstück 21 . ein schalleitencler Kunststoffkörper - vorgeschaltet ist. Die Flächen des Vorsatzstüclzes 21 auf der schallabstrahlenden Seite verlaufen schräg von außen zur Mitte. Ein Vorlauf raum 22

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schließt sich an. Die seitliche Begrenzung des Vorlaufräumes 22 bildet eine Hülse 23» Zum Zwecke der Umlenkung der Schallstrahlbündel und zum Zwecke der Schallankopplung ist der Vorlaufraum 22 mit einer an der Grenzfläche zum Vorsatzstück 21 schallbrechenden Flüssigkeit, beispielsweise V/asser, gefüllt. Durch diese schalloptische Maßnahmen wird das von dem Ultraschallschwinger 20 ausgehende Schallstrahlbündel 24 aufgelöst in die Schallstrahlbündejl 241, 242 und über die gemeinsame Ankoppelfläche 25 unter gleichen oder voneinander abweichenden Einschallwinkeln 0( in ein Werkstück 17 geleitet, wobei eine weitere Brechung der beiden Schallstrahlbündel 241, 242 stattfindet. Im Werkstück 17 .trifft zum Beispiel analog der Schallstrahlbündel 12, 13 der Fig. 1 das Schallstrahlbündel 241 senkrecht auf die Schweißnaht, während das Schallstrahlbündel 242 dann unter einem Winkel ß gegen das Schallstrahlbündel 241 verdreht auf die Schweißnaht zuläuft. Bei diesem Ultraschallschwinger 20 ist die Sehallabstrahlung nach der anderen Seite durch die Anordnung von Dämpfungsmaterial geschwächt.

Beim Einsatz von Ultraschallköpfen für Werkstücke, deren Oberfläche nicht plan sondern vornehmlich gewölbt ist, ist es zweckmäßig, dem Vorlaufraum noch ein Anpassungsstück 26 aus schallleitendem Kunststoff vorzusetzen (Pig. 4)·

Im Gegensatz zu Pig. 3 zeigt Fig. 5 einen Ultraschallkopf 19 mit einem Vorsatzstück 27, welches durch die beiden Einschnitte 271, 272, ausgefüllt mit einem nicht schalleitenden Material,

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das Schallstrahlbündel 24, das von dem Ultraschallschwinger 20 ausgesendet wird, in'drei Schallstrahlbündel 2411 "242, 243 auflöst, so daß durch entsprechende schalloptische Maßnahmen, nämlich durch die lage der drei Grenzflächen diese. Schallstrahlbündel 241, 242, 243 unter drei Winkeln in das Werkstück eintreten, und zwar in der Y/eise, daß die beiden Winkel jjf¹ und

ο zwischen dem mittleren Schallstrahlbündel 243 und den beiden seitlichen Schallstrahlbündeln 241, 242°entweder gleiche oder unterschiedliche Werte haben können. So ist es beispielsweise möglich, den Winkel 4* mit 45° und den Winkel S mit 60° festzulegen·

Die Anwendung des Prüfverfahrens ist nachfolgend anhand des in Fig« ο gezeigten Beispieles, der Anordnung von zwei Ultraschallköpfen auf einem Werkstück, das eine in längsrichtung verlaufende Schweißnaht zeigt, erläutert.

Die beiden einander sich gegenüberstehenden Ultraschallköpfe 28, 29 werden auf dem Werkstück 17 parallel zur Schweißnaht 18 ~ mit einem Irängsfehler 181 und den beiden Querfehlern 182, 183 geführt. Sie können unter verschiedenen Winkeln die Schallstrahl· bündel 281, 282 und 283 bzw. 291, 292, 293 aussenden, von denen das Schallstrahlbündel 281 bzw. 291 senkrecht auf die Längsachse der Schweißnaht trifft, während die Schallstrahlbündel 282 und 283 bzw. 292, 293 unter den Winkeln ψ- und O , die zwischen •0° bis 90° liegen, auf die Schweißnaht 18-treffen. Beispielsweise beträgt der Winkel 4* . = 45° zwischen den Sohallstrahl-

bündeln 281 und 2SZ.und der Winkel S - 60° zwischen den

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Schallstrahlbündeln 281 und 283.

Das Prüfverfahren arbeitet nach mehreren sich periodisch wiederholenden Takten und ermöglicht durch die unterschiedlichen Wege der Schallstrahlbündel 281, 282, 283 bzw. -291, 292, 293 ein Ausblenden der geprüften Bereiche über entsprechende Monitor-Eins tellung:en am Ultraschallgerät, wie-in j?ig# 7 scheraatisch dargestellt ist.

Die nachfolgende Tabelle zeigt an zv/ei Beispielen die Arbeitsweise bzw. die Reihenfolge der Takte.

Senden mit Ultras challkopf

28

/ Monitor-Blei-öe über Schallstrahlbündel

281/ 282/ 283/ 291/ 292/ 293/ 281» 282» 2&3» 281' 282» 283'

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Im Takt 1 des Beispieles Ί arbeitet der Ultraschallkopf 28 als Sender und Empfänger, .der Ultraschallkopf 29 ist nicht einge-* schaltet. Damit prüft man mit dem Schallstrahlbündel 281 über ■die Monitor-Blende 281' die Schweißnaht 18 auf längsfehler 181. Beim Takt 2 sind die Funktionen der beiden Ultraschallköpfe 28, 29 vertauscht. Während des 3. Taktes sendet der Ultraschallkopf ■28 die Schallstrahlbündel 281, 282, 283 in drei Richtungen aus. Der Ultraschallkopf 29 dient nun als Empfänger dieser drei Schallstrahl bündel 281/291 sov/ie 282 und 283 - falls sie an Querfehlern reflektiert und als Schallstrahlbündel 292 und 2-93 zu ihm gelangen. Über die Monitor-Blenden 281', 282», 283' werden die,drei Signale der drei Schallstrahlbündel 281, 282, 283 in Verbindung mit den Schallstrahlbündeln 291, 292, 293 voneinander getrennt erfaßt. Die Monitor-Blende 281' - Schallstrahlbündel 281 + 291 ~ überprüft die Funktion der Ultraschallköpfe 28, 29 und deren Ankopplung an das Werkstück 17· Durch entsprechende Verstärkung und/oder Leistungsregelgeräte kann in bekannter Weise der im Ultraschallkopf 29 im Durchschallungsverfahren erhaltene Schallpegel auf einen ITormalwert eingeregelt werden. Die/über die Monitor-Blenden 282' und 283' erfaßten Schallstrahlbündel 281 + 292 und 283 + 293 dienen der Anzeige von Querfehlern 182, 183 in der Schvjeißnaht 18· Die Zeitdauer der einzelnen Takte kann gleich oder verschieden lang bemessen sein*

Das Beispiel II zeigt eine andere der vielzähligen Kombinationen der einzelnen sich aus den IPrüffunktionen ergebenden Arbeitstakte^ _____ - 12 -

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Kir die Anwendung des nach der Erfindimg vorgeschlagenen Verfahrens und der Vorrichtung beschränkt sich der Schutzumfang nicht auf die zerstörungsfreie Prüfung von Schweißnähten, die als Beispiel gewählt sind, sondern erstreckt sich darüber hinaus ganz allgemein auf die ,Prüfungen von Blechen, Bändern, Stangen und !Rohren, die mittels Ultraschallenergie vorgenommen werden.

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Claims

Ho es eh Akt ienges ells chaft, 46 Dortmund, Eberhardstraße 12

1. Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Schweißnähten auf in der ITaht vorhandene Heterogenitä.ten des Werkstoffes in Längsrichtung - Längsfehler - und in Querrichtung — Querfehler — mittels Ultraschallenergie unter Einsatz von beidseitig, parallel zur Längsachse der Schweißnaht geführten Ultraschallköpfen, als Sender und/oder Empfänger wirkend, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ultraschal-lkopf mindestens zv/ei Schallstrahlbündel gleichzeitig sendet bzw. gleichzeitig oder nacheinander empfängt, die über eine gemeinsame .Ankoppelf lache in das Prüfmaterial eingeleitet bzv.^r. aus den Prüf material aufgenommen werden und daß jeder Ultraschallkopf bo geführt ist, daß ein Schallstrahlbündel senkrecht auf die Längsachse der Schweißnaht trifft, während die anderer Schallstrahlbündel die Längsachse der Schweißnaht in voneinander verschiedenen "./inkeln, kleiner als 90 ,schneiden.

2· Ultraschallkopf zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallkopf (16, 19) nur einen Ultraschallschwinger (10, 20) aufweist.

3· Ultraschallkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der nach beiden Seiten schallabstrahlende Ultraschallschwingel (10) in einen Bchalleitenden Kunststoffkörper (11) eingebettet ist, dessen Form so gewählt ist, daß die beiden Schall-

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strahlbündel (12,13) derart gebrochen und geleitet werden, daß sie über die gemeinsame Ankoppelfläche (15) in-die vorgegebenen, auf die Schweißnaht (18) bezogenen Richtungen verlaufen.

4· Ultraschallkopf zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einem an sich bekannten, nach einer Seite schallabstrahlenden Ultraschallschwinger (20) ein schalloptisch wirkendes Vorsatzstück (21,27) vorgeschaltet ist.

5« Ultraschallkopf nach Anspruch 4_g dadurch gekennzeichnet, daß das Vorsatzstück (21_f27) ein mit einem oder mehreren, mit nicht oder schlecht leitendem Material (23) ausgefüllten, auf der dem Dltraschallsclnyinger angewandten Seite versehbaren Einschnitten (211, 271, 272) schalleitender Kunststoffkörper bildet; dessen der Ankoppelfläche zugewandte Fläche von außen zur Mitt© schräg oder polygonal verläuft«

6. Ultraschallkopf nach den Ansprüchen 4 und 5_S dadurch gekennzeichnet, daß dem Vorsatzstück (21) ein mit einer schallbrechenden Flüssigkeit gefüllter Vorlaufraum (22) zugeordnet ist, den eine Hülse (23) begrenzt_s

7· Ultraschallkopf nach den Ansprüchen aeiohnotj daß dem Vorlaufraum fläche des ?/erketückes geformtes setzt

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8» Anwendung des Verfahrens, bei den-zwei parallel zur Längsachse der· Schweißnaht, einender sich gegenüberstehende, geführte Ultraschallköpfe (28,29) eingesetzt sind, nach Anspruch 1 in sich wiederholenden aufeinand'erfolgenden Takten, in der Weise, daß "beim ersten Takt bei nicht eingeschaltetem üitraschallkopf (29) der Ultraschallkopf (28) sendet und über ein Schallstrahlbündel (281) an in der Schweißnaht vorhandene längsfehler (181) reflektierte Schallwellen empfängt, deren Signale über eine Monitor-Blende (281·) gemessen werden, daß beim zweiten Takt die Ultraschallköpfe (28, 29) ihre !Funktionen tauschen, daß beim dritten Takt über das Schalls tr ahlbüiidel (281) in an sich bekannter V/eise mit Hilfe des Durchs challungs verfahr ens eine Ankopplungs- und Funktionsprüfung und zugleich über die Schallstrahlbündel (282) und (283) mit den dazugehörenden Monitor-Blenden (282») und (283¹) eine Prüfung auf Querfehler (182, 183) erfolgen, und daß beim'vierten Takt die Ultraschallköpfe (28) und (29) ihre Funktionen abermals tauschen·

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