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Verfahren zur Funktionskontrolle von mindestens einem, auf einem gemeinsamen
Vorlaufkörper oder auf getrennten Vorlaufkörpern befindlichen Ultraschall-Wandlerpaar.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Funktionskontrolle von mindestens
einem, auf einem gemeinsamen Vorlaufkörper oder auf getrennten Vorlaufkörpern befindlichen
Ultraschall-Wandlerpaar.
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Ultraschall-Prüfköpfe enthalten einen oder mehrere elektroakustische
Wandler, die mit einem Wandlerträger verbunden sind.
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Dieser Träger wird häufig zwischen Wandler und zu prüfendem Werkstoff
als Schallvorlaufstrecke gebracht. Die Wandler sind über elektrische Kabelverbindungen
mit einem Ultraschall-Gerät verbunden. Werden als Wandler Piezoplatten verwendet,
so sind diese in der Regel auf die Träger aufgekittet. Es besteht die Gefahr, daß
sich die Ultraschall-Wandler-ganz oder teilweise ablösen. Dadurch ist der Ultraschall-PrüSkopf
nicht mehr funktionsfähig. Ferner könnenleitungsschäden auftreten.
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Damit Ultraschall in einen Werkstoff gelangt, muß der Prüfkopf angekoppelt
werden. Der Ankopplungsgrad hängt vom Koppelmedium und der Dicke der Koppelschicht
ab. Bei der Ankopplung über Flüssigkeiten kann sich die Dicke der Koppelschicht
ändern, und bei Direktkontakt des Prüfkopfes auf dem Werkstoff und Verschiebung
des Kopfes kann der Koppelfilm abreißen,
Eine getrennte Kontrolle
auf Funktionstüchtigkeit und Ankopplung ist wichtig, damit z.B. PrüSkopfschäden
durch Ablösen einer Piezowandlerplatte erkannt werden. Ist der Piezokristall nur
zu einem Teil mit dem Wandlerträger verbunden, so wird u. a.
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der Schallbündel-Öffnungswinkel größer neben dem Energieverlust, und
damit ist die Bestimmung der Lage und der Größe eines Reflektors (Fehlers) im Werkstoff
schwieriger.
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Wenn aufgrund der Geometrie der Anordnung von Prüfkopf und Prüfling
stets ein Echo bestimmter Laufzeit vorliegt, dann können aus der Größe der reflektierten
Schallenergie Rückschlüsse auf die Prüfkopfqualität und den Ankopplungsgrad gezogen
werden.
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Die Prüfkopfqualität und der Ankopplungsgrad können aber nur gleichzeitig
erkannt werden und nur im angekoppelten Zustand.
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Es ist bereits bekannt, daß von der Rückwand des Prüflings mit Hilfe
eines zusätzlichen, auf den Vorlaufkeil parallel zur Schallaustrittsfläche aufgekitteten-Schwingers
unter Durchschallung der Ankopplungsfläche des Winkelprüfkopfes Mehrfachechos erhalten
werden, mit denen gemäß dem Vorhergesagten Ankopplung des gesamten Prüfkopfes und
Funktionstüchtigkeit des Winkelschwingers und des zusätzlichen Schwingers gemeinsam
überprüft werden.
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Nach einem anderen Verfahren wird zur Überwachung eines Winkelprüfkopfes
ein zweiter Kopf so auf den Prüfling gesetzt, daß der Schallimpuls in diesem zweite
Kopf- reflektiert wird und damit ein Kontrollecho liefert (s. deutsche Patentschrift
8.89 840).
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Die Amplitude des Echos ist von der Qualität der Köpf.e, ins,-besondere
aber-.von deren Ankopplungsgrad zum Prüfling, abhängig.
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Die Nachteile der vorgenannten Anordnungen liegen darin, daß die Funktionskontrolle
nur möglich ist, wenn bei der erstgenanntefr-Anordnung bekannte Reflektoren im Prüfling
vorVan,d.e;nf sind. Die Methode nach der deutschen Patentschrift 889 840
setzt
voraus, daß man einen zweiten Kopf aufsetzt, der genau geführt werden muß. Bei der
erstgenannten und bei der in der deutschen Patentschrift 889 840 beschriebenen Nethode
müßte ein Eichkörper verwendet werden, um die PruSkopfquålität zu erfahren. Ferner
hängt die zum Wandler zurückkehrende Schallenergie des Kontrollechos von den Ankopplungsbedingungen
des PrüfkoDfes-an den Werkstoff, der Schallscbwäehung im Werkstoff und Wersto1r
und den Schallimpedanzunterschieden von Koppelmedium ab. Da diese Variablen werkstoffabhängig
sind, müßten zur Qualitätsbestimmung des Prüfkopfes die vorbezeichneten Eichkörper
verwendet werden. Eine getrennte Funktionsüberwachung des Prüfkopfes ist praktisch
nicht möglich.
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Eine weitere Möglichkeit wird in der deutseben Patentschrift 929 153
erläutert. Ein Teil der von einem Ultraschall-Wandl er abgegebenen Energie wird
von der Ankopplungsfläche zu einem Hilfsempfänger geleitet. Die diesen erreichende
Energie hängt vom Ankopplungsgrad und der Wandlerqualität ab. Aber gerade der erst
von der Ankopplungsfläche reflektierte Anteil ergibt keine echte, direkte Anzeige
darüber, ob eich die riezoplatte vom Träger abgehoben hat o. dgl.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,-FeEler am Prüfkopf sogleich
zu erkennen, unabhängig vom Grad der Ankopplung. Diese Funktionsüberwachung ist
insbesondere bei automatisch arbeitenden Anlagen wichtig.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, daß ein Anteil vom Schallstrahl,
der von einem Wandler des Wandlerpaares ausgeht, abgespalten, zum anderen Wandler
uber einen die Ankoppelfläche zum Prüfling nicht berührenden Weg geführt wie reflektiert
und in diesem anderen Wandler gemessen und/oder angezeigt wird.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß unter der Voraussetzung,
daß sich mindestens ein-Wandlerpaar auf einer gemeinsamen Vorlaufstrecke- (Vorlaufkörper)
befindet, eine Anordnung
zur Ausübung des Verfahrens dadurch gegeben
ist, daß die Energieüberführung von einem Wandler zum anderen Wandler eines zugeordneten
Paares über einen im Vergleich zur Wandlerfläche kleinen Reflektor, wie eine Bohrung
o.dgl. mit der Bohrungsachse im wesentlichen senkrecht zur Schallausbreitungsrichtung,
erfolgt, oder daß die Energieüberführung durch eine halbdurchlässige Grenzschicht
möglich wird.
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Ferner wird eine Anordnung zur Ausübung des Verfahrens vorgeschlagen,
wobei die Energieüberführung von einem Wandler zum anderen Wandler des Wandlerpaares
über einen aus dem direkten Schallweg des Wandlers herausführenden, schalleitenden
Bauteils erfolgt, der mindestens mit einem Teil jeweils in der Vorlaufstrecke angeordnet
ist.
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Dieser schalleitende Bauteil kann flexibel ausgeführt werden.
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Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und- werden im folgenden erläutert. Es zeigen: Fig. 1 bzw. Fig. 2 Winkelprüfköpfe
mit der erfinderischen Anordnung.
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Fig. 7 das zugehörige Leuchtschirmbild.
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Fig. 4 einen abgewandelten Winkelprüfkopf mit der erfinderischen Anordnung.
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Fig. 5 Zwei-System-Winkelprüfköpfe zur Längs-'und Querfehlerprüfung,
wobei ein Systempaar jeweils. ein gemeinsames Gehäuse hat.
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Fig. 6 zwei getrennte Zwei-System-Winkelprüfköpfe für den gleichen
Zweck, jedoch verbunden durch "Schallfaseroptiken'.
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Bei einzelnen Ausführungsbeispielen ist zu berücksichtigen, daß bei
der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung u. a. Winkelprüfköpfe verwendet werden, die
zum Auffinden von schräg zur Prüflingsoberfläche liegenden Fehlern die Schallwellenimpulse
unter einem bestimmten Winkel in den Prüfling leiten.
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In Figo 1 und Fig. 2 ist in einem üblichen Winkelprüfkopf, der aus
Wandler 2 und Wandlerträger 4a bestehen kann, ein weiterer Wandler 2a parallel zur
Prüflingsoberfläche angeordnet. Dieser Wandler dient in bekannter Weise der Ankopplungskontrolle,
indem die Höhe der Amplitude des Rückwandeehos beobachtet wird.
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Zur Funktionskontrolle kann zusä,tzlich folgendermaßen verfahren werden:
Der vom Wandler 2 ausgehende Schallimpuls wird z. T. an der Bohrung 1 bzw. der Grenzfläche
1a zum Wandler 2a reflektiert.
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Fig. 3 zeigt ein typisches Leuchtschirmbild, wenn Wandler 2 als Sender,
jedoch zusätzlich mit dem Empfänger 2a zusammen arbeitet. Der Sendeimpuls 1Oa ist
mit anhängenden Nachschwingern und Störechos aus dem Wandlerträger dargestellt.
Der an der Bohrung 1 oder der Trennschicht 1a, die als Reflektor dienen, gespiegelte
Schallanteil, wird vom Wandler 2 bzw. 2a empfangen und auf dem Bildschirm als Eontrollimpuls
11 dargestellt. Aus der Grenzschicht 5 zwischen Prüfkopf und Prüfling 6 gelangen
nach den Reflexionßgesetzen keine Reflexionsanteile zu den Wandlern 2 oder 2at ebenso
nicht von der Prüflingsrückwand 8, sondern nur vom Reflektor 7, wenn er Flächenanteile
senkrecht zur Schallausbreitungsrichtung hat. Daher erscheint nur noch das Xehlerecho
13 auf dem Bildschirm.
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Die Sendeimpulsenergie wird bei den gebräuchlichen Ultraschall-Geräten
konstant gehalten. Damit muß auch die Umwandlungsspannung des Kontrollimpulses 11
vom Kontrollecho bei einwandfreiem Prüfkopfsystem konstant bleiben. Die Höhe des
Kontrollimpulses ist also ein Maß für die PrüSkopfqualität und kann durch automatische
Schwellwertverstrker überwacht werden.
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Der Wandler 2a dient dem Zweck, Schallimpulse senkrecht in den Prüfling
zu schicken. Damit kann man aus der Höhe des Rückwandechos auf dB Ankopplungsqualität
schließen. Bei schlechter oder fehlender Ankopplung unterschreitet das Rückwandecho
die bei "satter" Ankopplung gefundene Echohöhe bzw. verschwindet ganz. Solche Ankopplungskontrollschwinger
2a sind bei automatischer Prüfung erwünscht und bekannt, Durch die Reflektoren 1
bzw. 1a lassen sich beide Wandler mit Hilfe des Kontrollechos auf einwandfreie Funktion
überprüfen, Die Reflektorbohrung ist leicht herzustellen; mit ihrer Hilfe kann jedoch
nur ein Teil der Wandlerfläche kontrolliert werden, im Gegensatz zu einer etwas
aufwendigeren Trennschicht im Wandlerträger, die alle Schallwellenanteile integral
berücksichtigt. Eine teilweise Ablösung des Wandlers vom Wandlerträger wird erkannt.
In der Regel wird aber die Bohrung genügen.
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Fig. 4 zeigt einen speziellen Winkelprüfkopf mit zwei plattenförmigen
Piezowandlern 2 und 2b. Während Wandler 2 sowohl als Schallsender als auch als Schallempfänger
benutzt wird, dient Wandler 2b nur als Schallempfänger, einmal für den Anteil, der
über die Bohrung 1 oder eine nicht gezeichnete Trennschicht zu Wandler 2b gelangt,
zum anderen für den Anteil, der über die Kopplungsfläche zu Wandler 2b gelangt.
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Die Anordnung der Piezoplatten-2 und 2b ist derart, daß bei aufgesetztem
Wandlerträger(Vorlaufstrecke)4 auf den Prüfling 6 ein Teil der vom Wandler 2 ausgesandten
Schallimpulsenergie an der Koppelfläche 5 zum Wandler 2b reflektiert wird. Die Restenergie
gelangt in den Prüfling 6. Die zum Wandler 2b gelangende gehallenergie hängt von
der Ankopplungsqualität ah. Ist keine Ankopplung vorhanden, so wird praktisch die
gesamte Schallenergie wander Grenzfläche 5 zum Wandler 2b reflektiert. Bei "satter§8
Ankopplung erreicht die reflektierte Energie, wie bekannt, ein Minimum. Diese Anordnung
wird dann verwendet, wenn
eine Ankopplungskontrolae durch Einschallung
in normaler Richtung nicht zum Ziel führt, insbesondere dann, wenn die Prüflingsrückseite
entweder nicht parallel zur Oberfläche liegt oder stark zerklüftet ist oder die
Schalleindringtiefe nicht ausreicht.
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In Schweißnähten können Fehler mit unterschiedlicher Orien--tierung
ihrer Flächen auftreten. Fig. 5 zeigt ein Blech mit einer Schweißnaht 3 und zwei
symmetrisch zur Naht angeordnete Prüfkopfsysteme. Die Wandler (Schwinger) 2a und
2A, sind so orientiert, daß ein z.B. vom Wandler 2A ausgehender Schallimpuls zum
Wandler 2a gelangt, wodurch eine Ankopplungskontrolle möglich ist. Befindet sich
auf dem Schallweg vom Wandler 2A nach Wandler 2a ein Reflektor 7a, dth. ein Fehler
in der Schweißnaht 3, so kehrt ein Teil der Schallimpulsenergie zum Wandler 2a zurück.
Dadurch wird der Fehler festgestellt. Ein quer zur Schweißnaht'orientierter Fehler
7b kann nur gefunden werden, wenn die Ultraschall-Wandler 2b und 2B so orientiert
sind, daß ein von 2B ausgehender Schallimpuls nach Reflexion am Reflektor 7b zum
Wandler 2b gelangt. Natürlich können alle Wandler als Sende- und Empfangsschwinger
benutzt werden. So würde beispielsweise der Wandler 2B auch Fehler finden,'deren
Flächen senkrecht zur Schallausbreitungsrichtung orientiert sind, also in einem
bestimmten Winkel zur Schweißnahtachse.
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Da die Wandler 2a und 2A die Ankopplungskontrolle für die Prüfköpfe
an das Blech ermöglichen, ist es auch hierbei erforderlich, eine Funktionskontrolle
durchzuführen über geeignete, in die Vorlaufstrecke 4 bzw. 4A eingebrachte Reflektoren,
so daß ein konstanter Scha.llenergieanteil bei einwandfreiem Prüfkopfsystem vom
Wandler 2a nach 2b bzw. vom Wandler 2A nach 2B und/ oder umgekehrt gelangt.
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In Fig. 6 wird eine ähnliche Anordnung wie in Fig. 5 gezeigt, jedoch
mit in getrennten Prüfkopfvorlaufstrecken 4, 4A, 4B, 4C
untergebrachten
Wandlern 2a, 2A, 2b und 2B. Das heißt: Wandler 2a befindet sich im Vorlaufkörper
4, entsprechend 2A in 4A, 2b in 4B und 2B in 4a. Das ist häufig für bestimmte Prüfaufgaben
erforderlich. Die Funktionskontrolle zwischen den Wandlern 2a und 2b bzw. 2A und
2B erfolgt jetzt über eine Art "Schallfaseroptik". Aus dem Vorlaufkörper 4 bzw.
4A wird z.B.
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ein Draht oder ein mit einer Flüssigkeit gefüllter Schlauch 1c herausgeführt,
den man in 4B bzw. 4C münden läßt. Über diese Verbindung gelangt ein Teil der Ultraschall-Energie
von einem Wandler zum anderen, wie vorher an den Reflektoren gezeigt.
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Die erfinderische Lösung der Prüfkppfüberwachung ist nicht nur auf
die genannten Beispiele beschränkt. Insbesondere ist sie auch dann ratsam, wenn
statt der Piezoplatten andere Ultraschall-Wandler verwendet werden, wie z.B. magnetostriktive
Schallgeber. Ferner ist die Kontrollmöglichkeit auch bei Dauerschållköpfen möglich,
wie man leicht an den Beispielen der Fig. 1, 2, 4, 5 und 6 erkennt.
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Darüber hinaus ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, daß die
Wandlerträger, die als Schallvorlaufstrecke wirken, aus einem oder mehreren Festkörpern
bestehen. Die Vorlaufstrecke kann auch eine Flüssigkeit sein wie z.B. bei einem
Pließwasserprüfkopf .
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In den Flüssigkeitsraum kann dann z.B. statt der Bohrung ein Röhrchen
o. dgl. eingebracht werden.
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Im Einzelfall kann die Erfindung, statt ein Paar yon Wandlern zu verwenden,
zur Funktionskontrolle eines einzigen Wandlers verwendet werden.