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Ultraschallvorrichtung zum Prüfen von Werkstücken und Walzmaterialien.
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Die Erfindung betrifft eine Ultraschall vorrichtung zum Prüfen von
Werkstücken und Walzmaterialien, insbesondere Grobbiechen und Profilen, mit getrennten
Schwingereinheiten als Sender und Empfänger, die durch eine Isolierschicht akustisch
und elektrisch gegeneinander abgeschirmt und über die jeweilige Vor-Laufstrecke
an die Oberfläche eines Prüflings angekoppelt sind.
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Es ist bekannt, das Prüfen von Grobblechen udgl. -mittels akustisch
getrennter Ultraschall-Sender und-Empfänger unter dem Begriff S/E-Verfahren durchzuführen.
Hierbei wird ein Ultraschall-Impuls von einem elektroakustischen Wandler (Sendeschwinger)
er eine Vorlaufstrecke und eine Ankoppel-Flüssigkeit in das zu untersuchende Werks
ttick ausgesandt und von einer Ungünze bzw. von der Rückwand des Werkstückes reflektiert.
Der reflektiere Impuls durchläuft die flüssige Ankoppelschicht und die Empfänger-Vorlaufstrecke
und wird vom zweiten Wander (Empfangsschwinger) wieder in einen elektrischen Impuls
umgesetzt. Es werden sowohl runde als auch rechteckige S/E-Schwinger-Einheiten verwendet.
Jeweils der Sender des gesamten Prüfkopfes über eine akustische und elektrische,
trennende Isolierschicht vom Empfänger
getrennt.
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Allerdings ist es nicht möglich, die wirksame Oberfläche der Schwinger-Einheiten
wegen der erforderlichen Fehlerauflösung und der Unebenheiten der Prüflinge soweit
zu vergrössern, wie dies an sich für die Prüfung von breiteren Zonen z.B. bei einem
Grobblech notwendig wäre, um dieses vollständig prüfen.
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-zu können. Um dies zu bewerkstelligen, ist es bekannt, eine vorbestimmte
Anzahl von Prüfköpfen in mehrere Reihen hintereinander gestaffelt anzuordnen bzw,
je eine Reihe oberhalb und unterhalb des Bleches zu benutzen. Dies bedingt jedoch
einen zusätzlichen apparativen Aufwand und erhöhte Kosten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solche Vorrichtung
zu vereinfachen, derart, dass durch eine einzige Reihe von nebeneinander angeordneten
Schwinger-Einheiten die gesamte Breite der Prüfzone vollständig geprüft werden kann,
unter Beibebaltung einer hohen Empfindlichkeit und ungeachtet bei der ublichen Welligkeit
bei z.B. Grolablechen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, dass
die Vorlaufstrecke der Sender- und/ oder der Empfänger-Schwinger-Einheit in je zwei
oder mehr Bereiche unterteilt ist, deren Werkstoffe unterschiedliche Schallgeschwindigkeiten
aufweisen. Hierbei durchlaufen die Schallbündel diese Bereiche nacheinander und
werden, ent.sprechend den Unterschieden rler Schallgeschwindigkeit und den unterschiedlichen
Einschallwinkeln an den Bereichsgrenzen, gebrochen. Die Werkstoffe werden so gewählt,
dass das Schallbündel einen möglichst grossen Bereich des zu untersuchenden Werkstoffes
quer zur Abbastrichtung des Prüfkopfes erfasst und innerhalb dieses Bereiches eine
weitgehend gleichmässige Empfindlichkeit erreicht wird.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Grenzflächen
dieser Bereiche so angeordnet oder ausgebildet sind, dass das Schallbündel quer
zur Abtastrichtung zusätzlich abgelenkt wird. In Abhängigkeit von den einzelnen
apparativen Grössen der Schwinger-Einheiten wählt man also die Werkstoffe und die
zugehörigen Grenzflächen nach dem theoretisch bekannten allgemeinen Brechungsgeeetz
sin α I CI sin α II cII Dabei ist α I der Winkel der einfallenden
Welle, αII der Winkel der gebrochenen bzw. der durchgehenden Welle, c die
jeweilige Schallgeschwindigkeit in dem zugehörigen Werkstoff, d.li. in dem anderen
Werkstoffbereich (vgl. auch das Handbuch Krautkrämer, Werkstoffprüfung mit Ultraschall,
2. Auflage, Springer Verlag, Berlin o.a. 1966, Seite 28).
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Durch diese Ausbildung wird erreicht, dass das Schallbündel einen
möglichst grossen Bereich des zu untersuchenden Werkstoffes quer zur Abtastrichtung
des Prüflsopfes erfasst, was bisher bei Verwendung des homogeneii Werkstoffes der
Vorlaufstrecke nicht möglich war, da man nunmehr erfindungsgemäss durch die geeignete
Werkstoffpaarung bzw. durch die Vergrösserung der Brechung auch den bisher nicht
erfassten Bereich im Priifling erfasst. Mit anderen Worten ausgedrückt, die an den
Grenzflächen zwischen den Materialien der Vorlaufstrecke in Richtung der Trennschicht
gebrochenen Teile des Schallbündels erfassen rninmehr die Bereiciie zwischen einer
ersten und der
benachbarten Sender-Empfänger-Schwinger-Einheit,
wodurch die bisherigen grösseren Empfindliehkeitslücken zwischen den einzelnen Sender-Empfänger-Schwinger-Einheiten
vermieden werden.
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Es ist ferner erkennbar, dass eine verbesserte Erfassung der weiter
seitlich von der Trennschicht weg liegenden Teile nunmehr bereits dadurch erfolgen
kann, wenn nach dieser erfindungsgemässen Lehre die Bereiche einer der Vorlaufstrecken
ausgebildet werden. Wenn z.B. diese Bereiche unterschiedlicher Schall geschwindigkeit
als Vorlaufstrecke der Empfänger-Schwinger-Einheit benutzt werden, so können bereits
die üblichen, sonst verlorengehenden Streubereiche des reflektierten Senderbündels
teilweise erfasst und angezeigt werden. Gleiches gilt in sind gemässer Anwendung
für die Verwendung lediglich einer Vorlaufstreoke auf der Senderseite, die aus Vorlaufstreokenbereichen
unterschiedlicher Schallgeschwindigkeit zusammengesetzt sind.
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Die verbesserte erfindungsgemässe Ausführungsform verwendet jedoch
eine solche Vorlaufstrecke sowohl auf der Empfänger-als auch auf der Senderseite.
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Je nach Einzelfall können mehr als zwei, z.B. dréi oder vier Einzelbereiche
in der jeweiligen Vorlaufstrecke verwendet werden. Die Dicke der Vorlaufstrecken
kann unterschiedlich sein.
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In der Regel genügt es, diese Bereiche aus unterschiedlichem Werkstoff
zu verwenden, jedoch ist die Erfindung hierauf nicht eingeschränkt; da es nur auf
die unterschiedliche Schallgeschwindigkeit ankommt und man auch den an sich gleichen
Werkstoff, der unterschiedlich vorbehandelt odgl. ist, für verschiedene Bereiche
verwenden kann.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine vorbestimmte
Anzahl von Sender-Empfänger-Schwinger-Einheiten
dicht nebeneinander
in einer Reihe quer zur Abtastrichtung angeordnet ist,und dass die einzelnen Einheiten
untereinander und/oder gegen das Gehäuse durch Federn abgestützt sind. Dadurch ist
einerseits eine Ankopplung an ein unebenes Prüfstück, z.B.
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an ein welliges Grobblech möglich, andererseits wird über die ganze
Breite einer solchen Kette aneinander gereihter Prüfköpfe ein Materialstreifen lückenlos
erfasst bei minimalen Empfindlichkeitseinbrüchen zwischen den einzelnen Prüfköpfen.
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Eine Aus-führungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden nähe.r erläutert. Es zeigen: Fig. 1 - in SeitenanSicht eine
Ausführungsform der Sender-Empfänger-Schwinger-Einheit.
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Fig. 2 einen Schnitt nach Linie II-II der Fig. 1 sowie ferner schematische
Schaltungsteile des Ultraschallgerätes.
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Fig. 3 die Empfindlichkeitsverteilung eines gebräuchlichen, Fig.
4 die Empfindlichkeitsverteilung einer erfindungsgemässen Sender-Empfänger-Schwinger-Einheit.
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Fig. 5 die Anordnung einer Sender-Empfänger-Schwinger-Einheit in
einem Gehäuseteil.
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Fig. 6 einen Schnitt nach Linie VI-VI der Fig. 5.
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Fig. 7 die Empfindlichkeitsverteilung entlang einer Kette von aneinander
gereihten Prüfköpfen gemäss Fig. 5 bzw. 6., Die Schaltung der Fig. 2 zeigt zugleich
den prizipiellen Aufbau des zugehörigen Impulsechogerätes. I)er Generator 12 für
die Ablenkspannung erzeugt die Zeitlinie auf der Bildröhre 13 und stösst synchron
damit den Generator 15 für die IIochfrequenzimpulse an. Diese gelangen zur Sendereinheit
1, wobei das Schallbündel
bei der üblichen Vorlaufstrecke den mit
der Linie II angezeigten Verlauf nach Reflexion an dem Prüfling 7 aufweist.
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Die reflektierten Impulse gelangen zum Empängerschwinger 1a, werden
im Verstärker 15 verstärkt und einem anderen Ablenkplattenpaar der Bildröhre 13
zugeführt.
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Bei einer erfindungsgemässen Ausführungsform, Fig. 1, Fig. 2, ist
die jeweilige Vorlaufstrecke unterteilt, beim Sendeschwinger in einen ersten Bereich
2 und einen anschliessenden zweiten Bereich 3. Die Zeichnung veranschaulicht das
Vorhandensein unterschiedlicher Werkstoffe. Entsprechend unterschiedliche Vorlaufstreckenbereiche
4 und 5 sind auf der Seite des Empfän gerschwingers 6 in sinngemäss gleicher Art
vorhanden. Die zusätzliche Erfassung der seitlichen Bereiche quer zur Abtastrichtung
ist durch die Linie I in Fig. 1 veranschulicht, wobei zu berücksichtigen ist, dass
Fig. 1 eine um 900 versetzte Ansicht zu Fig. 2 ist. Ein vom Sendeschwinger 1 ausgehender
Impuls durchsetzt die Bereiche 2,3 und nach der Reflexion -am Werkstück 7 die Bereiche
4,5 gelangt in den Empfängerschwillger la und wird iiber Verstärker 15 der Bildröhre
13 zugeleitet.
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Es ist ersichtlich, dass durch diesen- erfindungsgemässen Aufbau der
sender-Empfänger-Schwinger-Einheiten es möglich wird, durch die Wahl der beiden
Werkstoffe in den Bereichen 2,5 und den Bereiche 3,4 sowie durch die FormLage und
Abmessungen in Grenzflächen eine relativ breite empfindliche Prüfzone zu erreichen.
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Der Vergleich der Empfindlichkeitsverteilung in Fig. 3 im Verhältnis
zu derjenigen in Fig. 4, die man durch die erfindungsg-emässe Ausbildung erreicht,
zeigt, (lass bei gleicher Entfernung von der Kontaktfläche durch sonst an sich gleiche
Prüfköpfe eine breitere Prüfzone erfasst werden kann.
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Zweckmässigerweise wird in einem Gehäuse 20 ein Bügel 21 -zur Halterung
der Sender-Empfanger-Schwinger-Einheiten 22 verwendeti wobei durch Federn 23 die
Bügel hinsichtlich des Gehäuses abgestützt sind; während durch ander Federn 24,
die Blattfedern sein können, Bügel zu Bügel federnd abgestützt wird. Die Einheiten
werden in einer Reihe, Fig. 3, nebeneinander angeordnet. Das Ankoppelwasser, Fig0
5, wird durch ein Rohr 25, das in einen Spalt übergeht, zugeführt. Entlang einer
solchen Kette von aneinander gereihten Prüfköpfen ergibt sich eine gemäss Fig. 7
dargestellte BipfindlichkeitsverteilungO