DE2128085B2

DE2128085B2 - Ultraschallvorrichtung zum Prüfen von Werkstücken und Walzmaterialien

Info

Publication number: DE2128085B2
Application number: DE2128085A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dipl.-Ing. 5000 Koeln Polhede
Original assignee: Krautkraemer GmbH and Co
Current assignee: Krautkraemer GmbH and Co
Priority date: 1971-06-05
Filing date: 1971-06-05
Publication date: 1979-08-23
Also published as: DE2128085A1

Description

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Die Erfindung betrifft eine Ul'vaschallvorrichtuiig zum Prüfen von Werkstoffen und Walzmaterialmn, insbesondere Grobblechen und ProfiJc χ mit getrennten, nebeneinander angeordneten und gemeinsam eine relative Abtastbewegung zu einem Prüfling ausführende Schwingereinheiten als Sender und Empfänger, die durch eine Isolierschicht akustisch und elektrisch gegeneinander abgeschirmt und über jeweilige Vorlaufstrecken an die Oberfläche des Prüflings angekoppelt sind.

Es ist bekannt, das Prüfen von Grobblechen u. df;l. mittels akustisch getrennter Ultraschall-Sender und -Empfänger unter dem Begriff S/E-Verfahren durchzuführen. Hierbei wird ein Ultraschallimpuls von einem elektroakustischen Wandler (Sendeschwinger) über eine Vorlaufstrecke und eine Ankoppelflüssigkeit in das zu untersuchende Werkstück ausgesandt und von einem w Reflektor bzw. von der Rückwand des Werkstückes reflektiert. Der reflektierte Impuls durchläuft diie flüssige Ankoppelschicht sowie die Empfänger-Vorlairfstrecke und wird vom zweiten Wandler (Empfangjischwinger) wieder in einen elektrischen Impuls umgcsetzt.

Es werden sowohl runde als auch rechteckige S/E-Schwingereinheiten verwendet Der Sender des gesamten Prüfkopfes ist über eine akustische und elektrische Isolierschicht vom Empfänger getrennt. bo

Allerdings ist es nicht möglich, die wirksame Oberfläche der Schwingereinheiten wegen der erforderlichen Fehlerauflösung und der Unebenheiten der Prüflinge soweit zu vergrößern, wie dies an sich für de Prüfung von breiteren Zonen, z. B. bei einem Grobblech, to notwendig wäre, um es vollständig prüfen zu können. Um dies zu bewerkstelligen, ist es bekannt, eime vorbestimnnt: 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.

Bei einer solchen bekannten Anordnung sollen vorgewalzte Brammen geprüft werden, wobei wesentliche elektrische Versorgungsteile für alle Prüfköpfe gemeinsam sind und für jeden Prüfkopf nur einzelne Versorgung.steile separat vorgesehen werden. Es kann mit einer Mehrzahl von Spuren, z. B. 6 Spuren, g ?prüft werden. Bei dieser automatischen Anlage wird jedoch mit einer üblichen, homogenen Vorlaufstrecke im Prüfkopf gearbeitet Die zwischen benachbarten Schwingereinheiten liegenden Prüflingsbereiche können mit dieser Anordnung nicht hinreichend erfaßt werden bzw. dieses Problem wird nicht angesprochen (Automatik, März 1964, S. 103-105). Bei einer ähnlichen, eine Mehrzahl von Prüfköpfen bzw. Prüfschritten verwendenden Anordnung besteht die Vorlaufstrecke aus zwei getrennten Teilen, die durch eine Isolierschicht akustisch und elektrisch gegeneinander abgeschirmt sind und aus Trolitul bestehen. Die Einschallung erfolgt hier jedoch ausschließlich senkrecht zur Oberfläche des Prüflings und es ist keine Vorkehrung getroffen, die zwischen benachbarten Schwingereinheiten liegenden Prüflingsbereiche mit hinreichender Empfindlichkeit zu prüfen (Materialprüfung, Band 7, 8, August !§55, S. 2%-303).

Zwar ist noch ein Ultraschallprüfgerät bekannt, dessen Vorlaufstrecke aus zwei Bereichen hergestellt ist, deren Werkstoffe unterschiedlich sind, so daß die Schallaufgeschwindigkeiten in ihnen voneinander abweichen. Die innenliegenden Oberflächen der zugehörigen Bereiche sind als gekrümmte Oberflächen ausgebildet Die Werkstoffe der Vorlaufstrecke und die gekrümmten Oberflächen bewirken, daß die Ultraschallstrahlen, die von einem Prüfkopf zunächst in die Vorlaufstrecke eingeschallt werden, an der Grenzfläche abgelenkt werden, so daß sich eine Ablenkung ebenfalls im Prüfstück ergibt Allerdings wird hierdurch bezweckt, beim Arbeiten mit nur einem Frü/kopf und nicht mit einer Mehrzahl von Prüfköpfen, eine Benutzung rotierender Kristalle zu vermeiden, um einen sich progressiv vergrößernden Ablenkungswinkel in der Vorlaufstrecke als auch in dem Prüfstück zu erhalten. Hierbei sind Teile der Vorlaufstrecke auch nicht voneinander abisoliert Die Anordnung der Prüfköpfe, die Ausbildung der Vorlaufstrecke insgesamt, der zu erreichende Bereich und die Art der Ausführung, können jedoch so nicht übernommen werden, um in einer automatisch arbeitenden Ultraschallprüfanlage die Empfindlichkeit der Prüfung zu erhöhen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Verwendung einer Mehrzahl von Schwingereinheiten als Sender und Empfänger, die nebeneinander angeordnet sind, die gesamte Breite der Prüfzone vollständig prüfen zu können, unter Beibehaltung einer hohen Empfindlichkeit auch bei einer Oberflächenwelligkeit bei Grobblechen, unter verringerten Kosten.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß die Vorlaufstrecken der Sender- und/oder Empfänger-Schwingereinheiten in je zwei oder mehr Bereiche unterteilt sind, deren eine unterschiedliche Schallgeschwindigkeit aufweisende Werkstoffe so gewählt und deren zugehörige Grenzflächen so angeordnet oder ausgebildet sind, daß das Schallbündel quer zur Abtastrichtung der Schwingereinheiten auch die jeweils /wischen den benachbarten Schwingereinheiten liegen-

den Prüflingsbereiche mit weitgehend gleichmäßiger Prüfempfindlichkeit erfaßt Hierbei durchlaufen die Schallbündel diese Bereiche nacheinander und werden, entsprechend den Unterschieden der 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 Abtastrichtung des Prüfkopfes erfaßt und innerhalb dieses Bereiches eine weitgehend gleichmäßige Empfindlichkeit erreicht wird.

In Abhängigkeit von den einzelnen apparativen Größen der Schwingereinheiten wählt man also die Werkstoffe und die zugehörigen Grenzflächen nach dem theoretisch bekannten allgemeinen Brechungsgesetz

si η λ,

c.

Cn

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Dabei ist «1 der Winkel der einfallenden Welle, an der Winkel der gebrochenen bzw. der durchgehenden Welle, c ist die jeweilige Schallgeschwindigkeit in dem zugehörigen Werkstoff, d. h. in dem anderen Werkstoffbereieh (vgL Krautkrämer, »Werkstoffprüfung mit Ultraschall«, 3. Auflage, Springer Verlag, Berlin o.a. 1966,8.27).

Durch die geeignete Werkstoffpaarung bzw. durch die Vergrößerung der Brechung wird der bisher nicht erreichbare Bereich im Prüfling erfaßt, d. h. die an den Grenzflächen zwischen den Materialien der Vorlaufstrecke in Richtung der Trennschicht gebrochenen Teile des Schallbündels erfassen nunmehr die Bereiche zwischen einer ersten und der benachbarten Sender-Empfänger-Schwinger-Einheit, wodurch die bisherigen größeren Empfindlichkeitslücken zwischen den einzelnen Sender-Empfänger-Schwinger-Einheiten vermieden werden.

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 Schallgeschwindigkeit als Vorlaufstrecke der Empfänger-Schwinger-Einheit benutzt werden, so können bereits die üblichen, sonst verlorengehenden Streubereiche des reflektierten Senderbündeb teilweise erfaßt und angezeigt werden. Gleiches gilt in sinngemäßer Anwendung für die Verwendung lediglich einer Vorlaufstrecke auf der Senderseite, die aus Vorlaufstreckenbereichen unterschiedlicher Schallgeschwindigkeit zusammengesetzt sind. Die verbesserte erfindungsgemäße Ausführungsform verwendet jedoch eine solche Vorlaufstrecke sowohl auf der Empfänger- als auch auf der Senderseite. v>

Je nach Einzelfall können mehr als zwei, z. B. drei oder vier Einzelbereiche in der jeweiligen Vorlaufstrekke verwendet werden. Die Dicke der Vorlaufstrecken kann unterschiedlich sein. In der Regel genügt es, diese Bereiche aus unterschiedlichem Werkstoff zu verwen- w den, 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 od. dgl. ist, für verschiedene Bereiche verwenden kann, ηί

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß eine vorbestimmte Anzahl von Sender-Empfänger-Schwineer-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. an ein welliges Grobblech möglich, andererseits wird über die ganze Breite einer solchen Kette aneinandergereihter Prüfköpfe ein Materialstreifen lückenlos erfaßt bei minimalen Empfindlichkeitseinbrüchen zwischen den einzelnen Prüfköpfen.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 in Seitenansicht eine Ausführungsform der Sender-Empfänger-Schwinger-Einheit,

F i g. 2 einen Schnitt nach Linie H-II der F i g. 1 sowie ferner schematische Schaltungsteile des Ultraschallgerätes,

Fig.3 die Empfindlichkeitsverteilung eines gebräuchlichen,

Fig.4 die Empfindlichkeitsverteilung einer erfindungsgemäßen Sender-Empfänger-Schwinger-Einheit,

Fig.5 die Anordnung einer Se^ier-Empfänger-Schwinger-Einheit in einem Gehäuseteil,

F i g. 6 einen Schnitt nach Linie VI-VI der F i g. 5,

Fig.7 die Empfindlichkeitsverteilung entlang einer Kette von aneinandergereihten Prüfköpfen gemäß Fig. Sbz-n'.o.

Die Schaltung der F i g. 2 zeigt zugleich den prinzipiellen Aufbau des zugehörigen Impulsechogerätes. Der Generator 12 für die Ablenkspannung erzeugt die Zeitlinie auf der Bildröhre 13 und stößt synchron damit den Generator 14 für die Hochfrequenzimpulse 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 Die reflektierten Impulse gelangen zum Empfängerschwinger ta, werden im Verstärker 15 verstärkt und einem anderen Ablenkplattenpaar der Bildröhre 13 zugeführt.

Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, F i g. 1, F i g. 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 Empfängerschwingers 6 in sinngemäß gleicher Art vorhanden. Die zusätzliche Erfassung der seitlichen Bereiche zur Abtastrichtung ist durch die Linie I in F i g. 1 veranschaulicht, wobei zu berücksichtigen ist, daß F i g. I eine um 90° versetzte Ansicht zu F i g. 2 ist. Ein vom Sendesch«vinger 1 ausgehender Impuls durchsetzt die Bereiche 2,3 und nach der Reflexion am Werkstück 7 die Bereiche 4, 5 gelangt in den Empfän^erschwinger la und wird über Verstärker 15 der Bildröhre 13 zugeleitet. Es ist ersichtlich, daß durch diesen erfindungsgemaßen Aufbau der Sender-ilmpfänger-Schwinger-Einheiten es möglich wird, durch die Wahl der beiden Werkstoffe in den Bereichen 2, 5 und den Bereichen 3, 4 sowie durch die Formlage und Abmessungen in Grenzflächen eine relativ breite empfindliche Prüfzone zu erreichen,

Der Vergleich der Empfindlichkeitsverteiluiig in Fig.3 im Verhältnis zu derjenigen in Fig.4, die man durch die erfindungsgemäße Ausbildung erreicht, zeigt, daß bei gleicher Entfernung von der Kontaktfläche durch sonst an sich gleiche Prüfköpfe eine breitere Prüfzonc erfaßt werden kann.

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ZweckmäBigerweise wird in einem Gehäuse 20 ein Einheiten werden in einer Reihe, F i g. 6, neb Bügel 21 zur Halterung der Sender-Empfänger-Schwin angeordnet. Das Ankoppelwasser, F i g. 5, '

ger-Einhciten 22 verwendet, wobei durch Federn 23 die ein Rohr 25, das in einen Spalt übergeht,

Bügel hinsichtlich des Gehäuses abgestützt sind, Entlang einer solchen Kette von aneinand«

während durch andere Federn 24, die Blattfedern sein > Prüfköpfen ergibt sich eine gemäß F i g. 7 t

können, Bügel zu Bügel federnd abgestützt wird. Die Empfindlichkeitsverteilung.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ultraschallvorrichtung zum Prüfen von Werkstücken und Walzmaterialien, insbesondere Grobblechen und Profilen, mit getrennten, nebeneinander angeordneten und gemeinsam eine relative Abtaütbewegung zu einem Prüfling ausführende Schwingereinheiten als Sender und Empfänger, die durch eine Isolierschicht akustisch und elektrisch gegen- ι ο einander abgeschirmt und über jeweilige Vorlauf-Strecken an die Oberfläche des Prüflings angekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, d.iß die Vorlaufstrecken der Sender- und/oder Empfiinger-Schwingereinheiten (22) in je zwei oder mehr Bereiche (2, 3 bzw. 4, 5) unterteilt sind, deren eine unterschiedliche Schallgeschwindigkeit aufweisende Werkstoffe so gewählt und deren zugehörige Grenzflächen so angeordnet oder ausgebildet sind, daß das Schallbündel quer zur Abtastrichtung der Schwingereinheiten (22) auch die jeweils zwischen den benachbarten Schwingereinheiten liegenden Prüflingsbereiche mit weitgehend gleichmäßiger Prüfempfindlichkeit erfaßt

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekerrazeichnet, daß die einzelnen Schwingereinheiten (22) untereinander und gegen das Gehäuse (20) durch Federn (23,24) abgestützt sind.