DE2129110A1 - Verfahren zum Überprüfen von metallischen Schweißungen - Google Patents

Verfahren zum Überprüfen von metallischen Schweißungen

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DE2129110A1 DE19712129110 DE2129110A DE2129110A1 DE 2129110 A1 DE2129110 A1 DE 2129110A1 DE 19712129110 DE19712129110 DE 19712129110 DE 2129110 A DE2129110 A DE 2129110A DE 2129110 A1 DE2129110 A1 DE 2129110A1
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Description

Patentanwälte
11.6.1971
Dr.-lng. R. 3 E E T 2 Jr.
8München22, Steinsdorfstr,
Commissariat ä I1fenergie Atomique, P ar i s (Frankreich)
Verfahren zum Überprüfen von metallischen Schweißungen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Überprüfen von metallischen Schweißungen auf Fehlerfreiheit mittels Ultraschalle
Die Verwendung von Ultraschall zum Überprüfen von Schweißnähten ist bereits üblich· Die anfänglich in diesem Zusammenhang verwendeten Prüfverfahren sind jedoch in zweierlei Hinsicht nachteilig, da sie zum einen anders als die fiontgenphotographie keine Speicher für eine spätere Messungsauswertung kennen und zum anderen zu „
Schwierigkeiten führen, wenn die zu ermittelnden Fehler in besonde- ™ rer Weise orientiert sind.
Vor einigen Jahren hat sich daher eine Prüfmethode eingeführt, die mit Transversalwellen arbeitet und einen aus Schallgeber und Schallempfänger kombinierten Meßfühler verwendet, der eine oszilloskopisohe oder oszillographische Untersuchung der geprüften Schweißnähte ermöglicht. Aus Gründen der Energieverteilung, d«h. der sich in dem zu untersuchenden Werkstück insbesondere bei Mehrfachraflexionen
410-(B 375O.3)-DfBk (6)
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fortpflanzenden Energie, entstehen jedoch neben den auf Fehler der überprüften Schweißung zurückgehenden Echosignalen auch parasitäre Echosignale. Die jeweilige Lage der Echosignale auf dem Oszilloskop oder dem Oszillogramm variiert in hohem Maße mit dem jeweils überprüften Schweißpunkt, und damit bleibt eine rasche Lokalisierung der ermittelten Fehlerstellen schwierig.
Kürzlich ist nun noch ein weiteres Prüfverfahren mittels Ultraschall unter dem Namen Deltatechnik bekannt geworden, das mit einem Geber für Transversalwellen und einem Empfänger für Longitudinalwellen arbeitet. Dieses, Prüfverfahren ist relativ unempfindlich gegenüber der Orientierung der Fehler und ermöglicht"eine permanente Eegistrierung der Ergebnisse. Auch dieses Prüfverfahren unterliegt jedoch wie die früheren den sich aus dem Auftreten von parasitären Echo-' Signalen ergebenden Nachteilen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Überprüfen von Schweißungen mittels Ultraschall anzugeben, das insbesondere eine weitgehende Ausschaltung des störenden Einflusses von parasitären Echosignalen bei der Anwendung der verschiedenen oszilloskopischen oder oszillographischen Inspektionstechniken für Schweißnähte ermöglicht.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein oder mehrere Meßfühler so relativ zu einem zu überprüfenden Werkstück verschoben werden, daß für jede Messung der zeitliche Abstand zwischen einem Ausgangsschallsignal und einem eventuellen, einem Fehler entsprechenden Echosignal konstant wird.
Unter dem Ausgangsschallsignal ist in diesem Zusammenhang der auf dem Oszilloskop oder dem Oszillogramm für eine ausgesandte Schallwelle im Augenblick ihrer Emission entstehende Zacken zu verstehen.
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β» 3 ■·
Dabei beruht die Erfihdutfg auf nachstehenden Beobachtungen bei Untersuchungen der Anmelderin:
Dazu sei zunächst die Überprüfung eines Probekörpers in Form eines ebenen Stabes 11 mit einer Sehweißnaht 12» wie er in Figo 1 dargestellt ist, mittels transversalwellen betrachtet. Bei allen bisher bekannten Prüfverfähren ist es üblichj jeden Fühler I3 im Verlaufe der Messungen auf einer Bahn I4 zu verschieben, die aus logischen Überlegungen geradlinig und parallel oder senkrecht zum Werkstück, also dem Stab 11 gelegt wird» Daher ist bei einer Überprüfung beispielsweise mittels eines Fühlers mit Schallgeber und Schallempfänger für einfallende Transversalwellen die Zeit zwischen dem AusgangeschälIsignal und einem Fehlerecho gleich der Zeit, die von der Ultraschallwelle für die Ausbreitung längs der Strecke ABCBA benötigt wird« Exmmt man eine Verschiebung des Fühlers von rechts nach links in Pfeilrichtung an, so wird die durchlaufene Bahn ABCBA gleichmäßig kurzer, da die Strecke AB innerhalb ein und desselben Mediums (A1B1= AB) konstant bleibt, während die Strecke BC in einem anderen Medium (B1C ^BC) konstant abnimmt.
Auf dem Oszillogramm variiert daher der Abstand zwischen einem Ausgangsschallsignal und einem Fehlerecho unaufhörlich, und da parasitäre Echosignale je nach dem untersuchten Schweißpunkt an unterschiedlichen Stellen und in variabler Anzahl auftreten können, ergibt sich daraus I eine große Schwierigkeit für eine rasche und fehlerfreie Lokalisierung der Fehlerechosignale.
Für die Anmelderin stellte sich daher die Frage-, ob es nicht möglich sei, durch eine andere einfache Verschiebung des Fühlers als die Parallelverschiebung relativ zum Werkstück den zeitlichen Abstand, zwischen einem Ausgangsschallsignal und dem zugehörigen Fehlerechosignal konstant zu machen. In diesem Falle könnte der Beobachter nahezu momentan und mit einem Schlage jedes Fehlerecho ungeachtet des Auftretens von parasitären Echosignalen anhand des unveränder-
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lichen Abstandes zwischen den dem Ausgangsschallsignal und dem Fehlerechosignal entsprechenden Zacken auf dem Oszillogramm oder dem Oszilloskop erkennen.
Yon der Anmelderin mit diesem Ziel angestellte Berechnungen haben gezeigt, daß die entsprechenden Toraussetzungen realisierbar sind und daß eine Überprüfung mit konstanter Laufzeit, wie die erfindungsgemäße Prüfmethode vereinfacht bezeichnet werden könnte, allgemein bei allen" bekannten Prüfmethoden mittels Ultraschall zur Anwendung kommen kann.
Ganz allgemein kann die Anmelderin zeigen, daß bei einfallenden Transversalwellen für ein Werkstück aus vorgegebenem Material wie Stahl, Aluminium oder dergleichen, das sich in einem ebenfalls vorgegebenen Umgebungsmilieu wie beispielsweise Wasser befindet, jeder Fühler entlang einer geradlinigen Bahn verschoben werden muß, die
unter einem Winkel β schräg zur Werkstückoberfläche, d.h. der Fläche,
die
an der sich das Milieu für akustische Ausbreitung der Transversalwellen ändert, verläuft. Dabei ist dieser Winkel P eine Konstante, deren Größe von dem Wert des Einfallwinkels oC für die Transversalwellen, von der Fortpflanzungsgeschwindigkeit V,„. für die Longitudinalwellen in Wasser und von der Fortpflanzungsgeschwindigkeit V, für die Transversalwellen im Werkstückmaterial abhängt.
Wenn eine bekannte Prüfmethode verwendet wird, die wie die Deltatechnik mit Longitudinalwellen im Werkstückmaterial arbeitet, SO hängt der Winkel/j außerdem von der Ausbreitungsgeschwindigkeit T- der Longitudinalwellen im Werkstückmaterial ab.
Außerdem wird für den Fall einer Schweißnahtüberprüfung unter Empfang von Longitudinalwellen der entsprechende Fühler bei einer Überprüfung mit konstanter Laufzeit in der Weise auf einer zur Werkstückoberfläche senkrechten Bahn verschoben, daß der Brennpunkt des Fühlers sich bei jeder Messung dem untersuchten Schweißpunkt überlagert.
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_ 5 —
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und ihrer Vorteile wird nunmehr auf die Zeichnung bezug genommen, die verschiedene Anwendungsmögliehkeiten für das erfindungsgemäße Prüfverfahren veranschaulicht. Dabei zeigen in der Zeichnung:
1 ein Schema für eine der bisherigen Technik entsprechende überprüfung mittels Transversalwellen,
Fig« 2 ein entsprechendes Schema für die Überprüfung mittels Transversalwellen mit konstanter Laufzeit gemäß der Erfindung unter Verwendung eines einzigen aus Schallgeber und Schallempfänger bestehenden Fühlers, ' i
Fig. 5 einen Ausschnitt aus einem bei einer überprüfung nach Fig. 2 erhaltenen Oszillogramm,
Figo 4 ein entsprechendes Schema für eine Überprüfung mit zwei Fühlern aus Schallgeber und Schallempfänger,
Fig. 5 einen Ausschnitt aus einem während einer Prüfung nach Figo 4 erhaltenen Oszillogramm,
Fig. 6 ein Schema für die Anwendung einer Überprüfung mit konstanter Laufzeit auf den Fall der Deltatechnik und
Fig. 7 die Anwendung der überprüfung mit konstanter Laufzeit auf ein kombiniertes Prüfverfahren mittels Transversalwellen, Longitudinalwellen und gemäß der Deltatechnik. f
In Fig. 2 sind den Elementen in Fig. 1 homologe Elemente mit den gleichen Bezugszeiqhen bezeichnet. o& bezeichnet den konstanten Einfallswinkel der Wellen zur Werkstückoberfläche 15· Pur die Überprüfung mit konstanter Laufzeit wird der Fühler 13 entlang der Geraden Mff verschoben, die mit der Werkstückoberfläche 15 einen Winkel 'o einschließt, 'wobei die Verschiebung des Fühlers 13 zwischen zwei Endstellungen erfolgt, die einer Abtastung der gesamten Schweißnaht 12 entsprechen. Die Ausbreitungswege für eine Schallwelle sind für zwei Zwischenstellungen A und A1 des Fühlers 13 in
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Pig. 2 veranschaulicht, und man sieht sofort, daß die Laufzeit für das Durchlaufen des Weges ABCBA die gleiche ist.wie für das Durchlaufen des.Weges A1 B! C B' A1. Für den betrachteten Fall eines Eintauchens des Werkstücks 11 in Wasser ergibt sich die Bestimmungsgleichung für die Größe des Winkels β in einfacher Weise, wobei man beispielsweise schreiben kann
1-Iiad
viw2.
Uimmt man nun einen Fall an, in dem der Einfallswinkel O& .einer Transversalwelle BC von 60° entspricht, so erhält man für die Ausbreitungsgeschwindigkeiten und die Y/inkel folgende Werte:
Bei einem Werkstück 11 aus Stahl werden O^ = 23,5 >
71W - 1483 m/s, Vtm =3230 m/s und
ß - 31°3.5·.
Für ein Werkstück 11 aus Aluminium werdenOC= 24,5 »
7IW ß - 1483 m/s,
Vtm = 3080 m/s
- 34°55 ·.
In Fig„ 3 sind Ausschnitte aus den Ausbreitungswegen ABGBA bzw. A1 B1 C B1 A' entsprechenden Oszillogrammen untereinander dargestellt. Die den Ausgangsschallsignalen entsprechenden Zacken sind mit 16 und I61, die den Echosignalen entsprechenden Zacken mit 17 und 17' bezeichnet. Die Abstände zwischen den Zacken 16 und 17 einerseits sowie 16' und 171 andererseits sind gleich groß und entsprechen einer konstanten Laufzeit t. Die Identifizierung der Fehlerechosignale wird daher auch bei Anwesenheit von parasitären Echosignalen sehr leicht.
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Diese Anordnung läßt sich natürlich auch für den Fall einer Steuerung durch Berührung anwenden, man schiebt dann zwischen den Fühler 13 und das zu kontrollierende Werkstück 11 einen Keil ein, dessen Material und Keilwinkel so gewählt sind, daß die erfindungsgemäße Hegel der konstanten Laufzeit eingehalten wird.
Die Kontrolle mit Transversalwellen läßt sich auch mit Hilfe zweier Fühler mit Schallgeber und Schallempfänger durchführen, die parallel zueinander an einen Ultraschallgenerator angeschlossen sind; die Erfindung läßt sich auch auf diesen Fall anwenden, und das dafür erforderliche Schema ist in Fig. 4 veranschaulicht. ·
Der Fühler I3 wird entlang d,er Geraden PQ verschoben, die mit "der Werkstückoberfläche 15 einen Winkel ?3 in der Weise einschließt, daß bei einem Einfallwinkel 13I, für die übertragenen Schallwellen die Laufzeit t. für das Durchlaufen der Bahn EDCDE konstant bleibt.
Der Fühler 13' wird entlang der Geraden MN unter einem. Winkel /3' für einen Einfallswinkel Ot1 so verschoben, daß die Laufzeit t für das Durchlaufen der Bahn ABCBA konstant bleibt.
Das entsprechende Oszillogramm, von dem ein Ausschnitt in Figo 5 dargestellt ist, kann dann drei Anzeigen für einen Schweißnahtfehler liefern, nämlich eine erste für die Zeit t.,,.. eine . z'weite für Λ
1 M + *2 ™
die Zeit t und eine dritte für die Zeit t, ■> 5 , die
einer direkten Reflexion -entspricht.
Alle diese Zeiten werden ausgehend von einem Zeitpunkt 0 entsprechend dem das Ausgangsschallsignal bezeichnenden Zacken 16 gemessen.
Auf diese Weise erhält man für jeden Punkt der untersuchten Schweißnaht bei stets den gleichen Helativverschiebungen des Oszillogramms gegenüber dem Zacken 16 für das Ausgangsschallsignal drei Eegistrie-
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rungen, die eine Anzeige für die Form und die Orientierung eines •Schweißnahtfehlers liefern, die besten Ergebnisse erhält man dann, wenn die Strecken BG und DC senkrecht zueinander verlaufen, also dann, wenn die' Einfallswinkel φ und ok1 für die Transversalwellen auf den Strecken DC und BC komplementär zueinander sind. Auch kann man die beiden Laufzeiten t_ und t, einander und damit auch der Laufzeit t, gleich machen. Die drei den Fehlerechosignalen entsprechenden Zacken fallen dann im Oszillogramm aufeinander.
Der Torteil einer Überprüfung mit Transversalwellen und zwei Fühlern liegt darin, daß man unabhängig von der Orientierung eines etwaigen Fehlers sicher sein kann, ihn zu entdecken.
Fig. 6 veranschaulicht die Anwendung der erfindungsgemäßen Regel der konstanten Laufzeit auf die Deltatechnik, bei der getrennte Fühler mit Schallgeber und Schallempfänger Verwendung finden. In Fig. 6 bezeichnet die Bezugszahl Ί7 den Fühler mit dem Schallgeber und die Bezugszahl 18 den Fühler mit dem Schallempfänger; zur Befriedigung der erfindungsgemäßen Regel der konstanten Laufzeit ist es dann erforderlich, aber auch hinreichend, daß die Bahn ABCDE unabhängig von der Lage des untersuchten Punktes C konstant ist.
Man verwendet dazu einen Pühler mit fokussierendem Schallempfänger und muß diesen dann senkrecht zur Werkstückoberflache 15 so verschieben, daß der zu untersuchende Punkt der Schweißnaht stets im Brennpunkt des Fühlers verbleibt, durch eine ein wenig kompliziertere Rechnung als oben kann man dann zeigen, daß für einen gegebenen Einfall swinkelO^ der Fühler Vj mit dem Schallgeber stets entlang einer Geraden GH verschoben werden muß, die einen Winkel β mit der Y/erkstücköberflache 15 einschließt.
Auch kann man zeigen, daß das Verhältnis TT zwischen den Verschiebegeschwindigkeiten für die beiden Fühler J7 und 18 von dem der Prüfung
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-. 9 —
unterzogenen Material und vom Einfallswinkel Qi abhängt; für die Realisierung der beiden Verschiebungen montiert man beide Fühler %"( und 18 auf eine Schraubenspindel und wählt das Verhältnis zwischen den Ganghöhen der beiden sich mit gleicher Geschwindigkeit drehenden Schraubenspindeln gleich dem gewünschten Geschwindigkeitsverhältnis Tf*.
Unter Verwendung eines Einfallswinkels oC-von dem jeweiligen Material entsprechendem Optimalwert erhält man dann folgende Werte
für ein Werkstück aus Stahl \j- — c-j%j » g
dL - 23,5° ,
V1W S= 1483 m/s,
tm rs 3230 m/s,
= 5900 m/s,
ß - 41°50 t
und
1,033
wobei die Ganghöhe für den Schallgeber die Ganghöhe für den Schallempfänger übersteigt;
für ein Werkstück aus Aluminium OL - 24,5°,
V1W - 1483 m/s,
- .-. ι -: ■ tm = 3080 m/s,
7Im = 63ΟΟ m/s,
β = 43°1O· und
ψ = 1,042.
Bei Anwendung der Deltatechnik kann man die Fehlererkennung verbessern und das entsprechende Echosignal vergrößern, indem man mehrere Schallgeber verwendet, beispielsweise zwei Schallgeber, die sich symmetrisch zu der vom Schallempfänger durchlaufenen Bahn verschieben.
' Zur Veranschaulichung dieses letzten Anwendungsbeispiels für die Er-, findung zeigt Figo 7 «las Aufbauschema für eine kombinierte tjber-
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prüfung mit Longitudinalwellen, Transversalwellen und entsprechend der Deltatechnik. Man verwendet wieder zwei Fühler 19 und 20 mit Schallgeber und Schallempfänger, die parallel zueinander an einen Ultraschallgenerator angeschlossen.sind.
Der Fühler 19 läßt in dem zu überprüfenden Werkstück 11 Transversalwellen entstehen und verschiebt sich längs einer Geraden JK, die einen Winkel/5 mit der Werkstückoberfläche 15 einschließt} die Laufzeit für das Durchlaufen des Weges ABCBA. ist konstant gleich t1. Der Winkel /θ errechnet sich dann wie in dem in Fig. 2 veranschaulichten Anwendungsfalle.
Der Fühler 20 arbeitet mit Longitudinalwellen und verschiebt sich senkrecht zur Werkstückoberfläche 15 in der Weise, daß die Laufzeit für das Durchlaufen der Bahn EDCDE konstant gleich t„ wird.
Die beiden Fühler 19 und 20 zusammen bilden eine Delta-Konfiguration und lassen sich auch mit konstanter Laufzeit für das Durchlaufen der Bahn ABODE betreiben, da die Zeit t, gleich dem arithmetischen Mittel (t + t2)/2 aus den Zeiten t1 + t„ ist.
Daraus folgt, daß jeder Schweißfehler entsprechend seiner Art und seiner Orientierung sich in ein, zwei oder drei Signalen äußern kann, was die Wahrscheinlichkeit der Fehlererkennung vergrößert. Gewünschtenfalls kann man die drei Laufzeiten t.., t„ und t, einander gleich machen, was zu einem einzigen aber intensiveren Signal führt.
Bei allen oben beschriebenen Anordnungen können die verschiedenen Signale bei ihrer Untersuchung getrennt oder gleichzeitig behandelt werden; für den Fall einer Verwendung mehrerer zueinander parallelgeschalteter Fühler kann jeder Fühler mit einem Vorverstärker, einem Dämpfungsglied oder sonst einer Einrichtung versehen sein, die eine identische Reaktion auf identische, aber in verschiedener tferkstüöktiefe liegende Fehler der Schweißnaht ergibt.
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Claims (13)

  1. Patentansprüche
    IiJ Verfahren zum Überprüfen von metallischen Schweißungen auf Fehlerfreiheit mittels Ultraschall, dadurch gekennzeichnet , daß ein oder mehrere Meßfühler (13> 15'> XJ» 18, 19, 20) so relativ zu einem zu überprüfenden Werkstück (11) verschoben werden, daß für jede Messung der zeitliche Abstand zwischen einem Ausgangsschallsignal und einem eventuellen, einem Fehler entsprechenden Echosignal konstant wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einfallenden l'ransversalwellen jeder Fühler (I3) längs einer geradlinigen Bahn (MN) verschoben wird, die einen Winkel (P) mit der Werkstückoberfläche (15) einschließt.
  3. 5e Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bahnwinkel ( w ) für die Fühlerverschiebung gleich einem vom Einfallswinkel ( O^ ) der Transversalwellen, der Ausbreitungsgeschwindigkeit (V,w) der. Longitudinalwellen in Wasser und der Ausbreitungsgeschwindigkeit (V. ) der Transversalwellen im Material des Werkstücks (11) abhängigen Festwert gewählt wird*
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß zum Überprüfen von Werkstücken aus Stahl der Einfallswinkel ( O^ ) zu 23,5° und der Bahnwinkel ( /j ) zu etwa 3I gewählt werden.
  5. 5« Verfahren nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß zum Überprüfen von Werkstücken aus Aluminium der Einfallswinkel (oL) zu 24,5° und der Bahnwinkel (/3 ) zu etwa 34° gewählt werden.
  6. 6. Verfahren nach Anspruoh 2, dadurch gekennzeichnet j daß zwei Fühler (I3 und 13') mit Schallgeber und Schallempfänger verwendet werden, die mit im Werkstückmaterial zueinander orthogonalen* i.nsversalwellen arbeiten.
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  7. 7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Überprüfung nach der Deltatechnik der Fühler (13) entlang einer Geraden verschoben wird, die mit der Werkstückoberfläche (15) einen Winkel ( $ ) einschließt, der eine Punktion der Ausbreitungsgeschwindigkeit (V, ) für die Longitudinalwellen in dem Material des Werkstücks (11) ist.
  8. .8. Verfahren nach Anspruch 7> dadurch gekennzeichnet, daß als Fühler (18) mit Schallempfänger ein fokussierender Fühler verwendet wird, der mit dem jeweils zu überprüfenden Schweißpunkt überlagertei« Brennpunkt betrieben wird.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler (18) mit dem Schallempfänger senkrecht zur Werkstückoberfläche (15) verschoben wird.
  10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9* dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen den Verschiebegeschwindigkeiten für den Fühler (ßff) mit dem Schallgeber und dem Fühler (18) mit dem Schallempfänger gleich einem für ein gegebenes Werkstückmaterial und einen gegebenen Einfallswinkel ( O^ ) konstanten Wert ( ^JT ) gewählt wird.
  11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß für ein Werkstück (11) aus Stahl der Einfallswinkel ( O^ ) zu 23,5 j der Bahnwinkel ( fh ) zu etwa 41° und das Verhältnis ( IP ) zu 1,033 gewählt wird.
  12. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß für ein Werkstück (11) aus Aluminium der Einfallswinkel ((56 ) zu 24,5°, der Bahnwinkel ) zu etwa 43° und das Verhältnis (^P ) zu 1,042 gewählt wird.
  13. 13. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß für den Fühler (17) mit Schallgeber zwei Schallgeber verwendet
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    werden, die symmetrisch in bezug auf die zur Werkstückoberflache (15) senkrechte Bahn des .fokussierenden Fühlers mit Schallempfänger -verschoben werden.
    14· Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Fühler (19 und 20) mit Schallgeber verwendet werden, von denen der erste mit Transversalwellen von konstanter Laufzeit und mit einem Bahnwinkel (ß) und der zweite (20) mit Longitudinalwellen von konstanter Laufzeit und unter zur Werkstückoberfläche (15) normaler Verschiebung betrieben wird, wobei beide'Fühler (19 und 20) entsprechend der Deltatechnik mit konstanter Laufzeit miteinander ge- Λ koppelt werden.
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