DE19533466A1 - Ultraschallprüfkopf für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallprüfkopf für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung, der insbesondere zum Prüfen dünner Werkstücke geeignet ist.

Dünne Werkstücke wie z. B. Bleche, Bänder oder Rohre müssen in vielen Anwendungsfällen einer zerstörungsfreien Werkstoffprü­ fung unterzogen werden, mit der die Wanddicke gemessen und parallel zur Oberfläche des Werkstücks im Material befindli­ che flächenhafte Fehler, sogenannte Dopplungsfehler, ermit­ telt werden sollen. Eine solche Werkstoffprüfung ist bei­ spielsweise vor dem Verschweißen des Werkstücks mit einem An­ lagenteil im durch den Wärmeeintrag beim Schweißen beeinfluß­ ten Bereich, beispielsweise am Ende eines Rohres, notwendig. Die Prüfbreite in Längsrichtung des Rohres ist durch techni­ sche Regelwerke und Normen vorgeschrieben und soll mindestens 50mm betragen.

Um eine solche Prüfbreite zu ermöglichen, kann beispielsweise ein Prüfkopf mit einem einzigen Ultraschallwandler verwendet werden, mit dem die Oberfläche des Werkstücks durch Bewegung in zwei voneinander unabhängigen Richtungen abgetastet wird. Dies kann beispielsweise bei einem flachen Prüfling durch mäanderförmiges Abfahren der Oberfläche bewirkt werden. Bei der Prüfung eines Rohres kann der Prüfkopf beispielsweise spiralförmig mit kleinem Spurabstand um das Rohr gefahren werden. In beiden Fällen muß bei der Bewegung in zwei vonein­ ander unabhängigen Koordinatenrichtungen auf eine gleichblei­ bende Ankopplung geachtet werden. Eine hierzu erforderliche, in zwei unabhängige Richtungen exakt führbare und exakt posi­ tionierbare Prüfkopfhalterung ist jedoch aufwendig und teuer.

Desweiteren besteht prinzipiell die Möglichkeit, einen Prüf­ kopf zu verwenden, dessen Ultraschallwandler selbst eine der Prüfbreite entsprechende Breite aufweist. Die für die Werk­ stoffprüfung geeigneten Schwingermaterialien, insbesondere piezokeramische Werkstoffe, und die zum Erzielen einer hohen Auflösung notwendige hohe Ultraschallfrequenz von beispiels­ weise 8MHz haben jedoch zur Folge, daß Piezokeramikplatten verwendet werden müssen, die dünner als 0,5mm sind. Die Fer­ tigung solcher dünnen Piezokeramikplättchen auf eine Breite, die größer als 50mm ist, ist jedoch mit einem erheblichen Fertigungsaufwand verbunden.

Diese technologischen Probleme entstehen nicht, wenn der Prüfkopfe aus mehreren in Reihe angeordneten, kleineren Ultraschallwandlern aufgebaut wird. Die zwischen den einzelnen Ultraschallwandlern notwendigen Abstände haben jedoch zur Folge, daß die Empfindlichkeit des Prüfkopfes im gesamten Prüfbereich ungleichmäßig ist und im Bereich zwischen zwei Ultraschallwandlern ein unzulässig großer Amplitudeneinbruch des empfangenen Echosignals auftritt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde einen Prüfkopf zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung anzugeben, mit dem das Prüfen eines Werkstücks über eine möglichst große Prüfbreite bei Bewegung des Prüfkopfes in nur einer Richtung ermöglicht wird, und der über die gesamte Breite des von ihm erfaßten Prüfbereiches eine möglichst konstante Empfindlichkeit hat.

Die genannte Aufgabe wird jeweils gelöst mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche 1 und 3. Durch diese Maßnah­ men ist es möglich, einen Prüfkopf zu bauen, dessen Empfind­ lichkeit über eine große Prüfbreite innerhalb eines engen To­ leranzbandes liegt, und der außerdem zugleich ein hohes Auf­ lösungsvermögen hat und dopplungsartige Fehler auch in einer geringen Tiefe unterhalb der Oberfläche erkennen kann.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen in deren

Fig. 1 und 2 ein Ausführungsbeispiel eines Prüfkopfes gemäß der Erfindung jeweils in einem Querschnitt senkrecht bzw. parallel zu seiner Sende- oder Empfangsfläche schematisch dargestellt ist. In

Fig. 3 ist ein Prüfkopf gemäß der Erfindung in einer Prüfposition an einem Rohrende schematisch veranschaulicht. In

Fig. 4 ist anhand eines Diagrammes die Empfindlich­ keit des in Fig. 1 und 2 veranschaulichten Prüfkopfes über seine Breite dargestellt.

Fig. 5 bis 7 veranschaulichen weitere mögliche Ausgestal­ tungen der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 sind in einem Prüfkopf 2 in einem Gehäuse 4 meh­ rere piezokeramische Ultraschallwandler 6a, 6b, 8a und 8b auf einer akustischen Anpassungsschicht 10, beispielsweise eine λ/4-Anpassungsschicht aus Polymethylmetacrylat PMMA, angeord­ net. Die Ultraschallwandler 6a, 6b, 8a und 8b sind im Gehäuse 4 in einem Dämpfungskörper 12, beispielsweise eine Mischung aus Titandioxid TiO₂, Epoxidharz und Gummimehl, eingebettet. Im Gehäuse 4 sind außerdem in der Figur nicht näher darge­ stellte elektrische Anschlußleitungen zu den Ultraschallwandlern 6a, 6b, 8a und 8b sowie elektrische Bauteile zur elek­ trischen Anpassung an externe Steuergeräte angeordnet.

Die Ultraschallwandler 6a, 6b, 8a und 8b haben die Gestalt eines länglichen Plättchens und sind mit ihren als Sende- und Empfangsflächen dienenden, der Anpassungsschicht 10 zugewand­ ten rechteckigen Flachseiten 60a, 60b, 80a bzw. 80b in einer ersten Ebene 14 angeordnet, die sich senkrecht zur Zeichen­ ebene erstreckt. Die Ultraschallwandler 6a und 6b sind in ei­ ner Reihe 6 und die Ultraschallwandler 8a und Sb in einer da­ zu parallelen Reihe 8 angeordnet. Zwischen den Ultraschall­ wandlern 6a und 6b der Reihe 6 befindet sich eine Lücke 16.

In der Draufsicht auf eine zweite Ebene 15 parallel zur Zei­ chenebene und senkrecht zur ersten Ebene 14 ist zu erkennen, daß die Lücke 16 zwischen dem Ultraschallwandler 6a und dem Ultraschallwandler 6b durch den in Draufsicht sichtbaren Ul­ traschallwandler 8a der in dieser Schnittzeichnung hinter der Reihe 6 liegenden Reihe 8 abgedeckt wird. Um die Ultraschallwandler 8a und 8b in Draufsicht erkennen zu können, sind in der Figur ein Teil der Dämpfungsschicht 12 entfernt und die Ultraschallwandler freigelegt. Die Ultraschallwandler 6a, 6b, 8a und 8b sind somit derart versetzt zueinander angeordnet, daß in der Draufsicht auf die zweite Ebene 14 die zwischen den Ultraschallwandlern 6a und 6b befindliche Lücke 16 durch den in dieser Draufsicht dahinterliegenden Ultraschallwandler 8a geschlossen wird.

Aus dem Querschnitt der Fig. 2 geht hervor, daß auch zwischen den Ultraschallwandlern 8a und 8b der zweiten Reihe 8 eine Lücke 18 vorhanden ist, die bei einer Draufsicht aus der zur Draufsicht in Fig. 1 entgegengesetzten Richtung durch den Ul­ traschallwandler 6b abgedeckt wird, so daß bei einer senk­ recht zu den Reihen 6 und 8 erfolgenden Scanbewegung die von den Ultraschallwandlern 6a, 6b, 8a und 8b überstrichene Flä­ che zusammenhängt.

In der Figur ist außerdem zu erkennen, daß die Ultraschallwandler 6a, 6b, 8a und 8b eine stabförmige Gestalt mit einer Länge l von beispielsweise 20mm und einer Breite b von bei­ spielsweise 3mm haben und in benachbarten Reihen 6, 8 ange­ ordnet sind, die parallel zu ihrer Längsrichtung 19 verlau­ fen. Jeder Ultraschallwandler 6a, 6b und 8a, 8b überlappt sich mit den ihm benachbarten Ultraschallwandler der ihm be­ nachbarten Reihe auf eine Länge s von etwa 3mm. Zur gegensei­ tigen elektrischen Isolation der Ultraschallwandler 6a und 8a sowie 6b und 8a und 8b ist außerdem jeweils ein kleiner Spalt 20 vorgesehen ist, dessen Spaltbreite s etwa 1/10mm beträgt.

Die einzelnen Ultraschallwandler 6a, 6b, 8a und 8b arbeiten dabei jeweils im Sende- und Empfangsmodus und werden nachein­ ander angesteuert, d. h. jeder Ultraschallwandler 6a, 6b, 8a und 8b empfängt nur die von ihm emittierten und als Echosi­ gnale unter einem Winkel von 0° von einem Fehler oder von der Rückwand des Werkstückes reflektierten Ultraschallsignale. Durch seine schmale Bauweise ist der Prüfkopf 2 als Senk­ rechtprüfkopf insbesondere zur Prüfung von Rohren mit unter­ schiedlichen Krümmungsradien geeignet.

Gemäß Fig. 3 wird der Prüfkopf 2 an einem Werkstück 22, im Beispiel am Ende eines Rohres, in eine dort angeordnete Prüf­ kopfhalterung 24 eingesetzt. Zwischen der durch die Anpas­ sungsschicht gebildeten Stirnfläche des Prüfkopfes 2 und der Oberfläche des Rohres 22 befindet sich eine Wasservorlauf­ strecke 26. Der Prüfkopf 2 ist flüssigkeitsdicht über eine Gleitpassung 28 in die Prüfkopfhalterung 24 eingesteckt. Zur Prüfung eines Prüfbereiches 30 am Rohr 22 ist somit nur noch die Bewegung in eine einzige Richtung, im Ausführungsbeispiel in Umfangsrichtung des Rohres 22 erforderlich. Dies geschieht vorzugsweise durch eine Drehung des Rohres 22 selbst.

In Fig. 4 gibt die durchgezogene Kurve 30 die Empfindlichkeit E des gesamten Prüfkopfes entlang seiner Breite B wieder. Diese setzt sich aus den strichpunktierten Empfindlichkeits­ kurven 62a, 82a, 62b, 82b der einzelnen Ultraschallwandler 6a, 8a, 6b, bzw. 8b zusammen. Es ist in der Figur zu erkennen, daß die Empfindlichkeit E des Prüfkopfes über den gesamten Prüfbereich 23, dessen Breite im Ausführungsbeispiel etwa 70mm beträgt, eine zulässige Toleranzbreite Δ, im Beispiel weniger als 4db, nicht überschreitet.

Anstelle der in Fig. 1 und 2 veranschaulichten Ultraschallwandleranordnungen sind auch noch weitere Konfiguratio­ nen möglich. So ist in Fig. 5 eine besonders einfache Konfigu­ ration mit zwei versetzt zueinander und einander teilweise überlappend angeordneten Ultraschallwandlern 40 stark schema­ tisiert dargestellt.

Gemäß Fig. 6 sind in einer Reihe mehr als 2 Ultraschallwandler 40 angeordnet, um einen breiten Prüfbereich zu erzielen.

Gemäß Fig. 7 können die Ultraschallwandler 40 auch in mehreren Reihen 42, 44, 46 angeordnet sein, wobei zum Abdecken der zwischen den Ultraschallwandlern einer Reihe befindlichen Lücken 48 eine Kombination von Ultraschallwandlern 40 mehre­ rer Reihen erforderlich ist. Ausführungsformen mit mehr als zwei Reihen sind insbesondere für flächenhafte Prüflinge ge­ eignet.

Wesentliches Merkmal aller Ausführungsformen ist, daß in der quer zu den Reihen 42, 44, 46 oder zur Längsrichtung 19 eines Ultraschallwandlers 40 sich erstreckenden Scanrichtung 48 ei­ ne zusammenhängende, vollständig überdeckte Abtastfläche un­ terhalb des Prüfkopfes erzielt wird.

Claims (4)

1. Ultraschallprüfkopf (2) für die zerstörungsfreie Werk­ stoffprüfung mit mehreren Ultraschallwandlern (6a, 6b, 8a, 8b; 40) die mit ihren Sende/Empfangsflächen (60a, 60b, 80a, 80b) in einer ersten Ebene (14) in wenigstens zwei parallelen Reihen (6, 8; 42, 44, 46) voneinander jeweils durch eine Lücke (16, 18) beabstandet und derart versetzt zueinander an­ geordnet sind, daß in Draufsicht auf eine zu dieser ersten Ebene (14) senkrechte und zu diesen Reihen (6, 8; 42, 44, 46) parallele zweite Ebene (15) jede in einer Reihe (6, 8) be­ findliche Lücke (16, 18; 48) durch einen Ultraschallwandler (8a, 8b; 40) einer anderen Reihe (8 bzw. 6) oder durch eine Kombination mehrerer Ultraschallwandler (40) der anderen Rei­ hen (42, 44, 46) abgedeckt wird.

2. Ultraschallprüfkopf nach Anspruch 1, bei dem Ultraschallwandler (6a, 6b, 8c, 8b; 40) mit einer rechteckigen Sende/Empfangsfläche (60a, 60b, 80a, 80b) vorgesehen sind, die in jeder Reihe (6, 8; 42, 44, 46) in ihrer Längsrichtung (19) hintereinander angeordnet sind.

3. Ultraschallprüfkopf mit wenigstens zwei in einer Längs­ richtung (19) ausgedehnten und in dieser Längsrichtung (19) parallel zueinander angeordneten Ultraschallwandlern (6a, 6b, 8a, 8b; 40), die mit ihren Sende/Empfangsflächen (60a, 60b, 80a, 80b) in einer ersten Ebene (14) derart versetzt zueinan­ der angeordnet sind, daß sie sich in Draufsicht auf eine zu dieser ersten Ebene (14) senkrechte und zu dieser Längsrich­ tung parallele zweite Ebene (15) teilweise überlappen.

4. Ultraschallprüfkopf nach Anspruch 2 oder 3, bei dem sich die Ultraschallwandler (6a, 6b, 8a, 8b; 40) auf einer Länge überlappen, die zwischen einem Zehntel und einem Zwanzigstel der Länge eines Ultraschallwandlers beträgt.