DE2653923A1

DE2653923A1 - Vorrichtung zur werkstoffpruefung

Info

Publication number: DE2653923A1
Application number: DE19762653923
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Ing Boettcher; Hermann-Josef Prof Dr Kopineck
Original assignee: Hoesch Werke AG
Current assignee: Hoesch AG
Priority date: 1976-11-27
Filing date: 1976-11-27
Publication date: 1978-06-01
Also published as: DE2653923C3; IT1090200B; AT379022B; NL7712528A; US4149421A; BE861199A; ATA676777A; LU78581A1; NL175670B; FR2372431B1; DE2653923B2; NL175670C; FR2372431A1; GB1586604A

Description

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Hoe sch Werke Aktiengesellschaft, 46 Dortmund,, Eberhardstr.

Vorrichtung zur Werkstoffprüfung ,

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Werkstoffprüfung mit einem elektrodynamischen Wandler, der aus einem starken Magneten und mindestens einer im Raum zwischen dem Kern des Magneten und dem Werkstück sitzenden Hochfrequenzspule besteht. Der Zweck der Erfindung liegt darin, den bekannten elektrodynamischen Wandler so zu verändern, daß mit ihm polarisierte Ultraschallwellen erzeugt werden können. Bisher war es nicht möglich^ freie, das heißt nicht durch Grenzflächen beeinflußte linear polarisierte Ultraschallwellen mit elektrodynamischen Wandlern zu erzeugen, so daß ihre, besonders durch die fehlende Ankopplungsflüssigkeit bedingten Vorteile gegenüber den piezoelektrischen Ultra« schallerzeugern bisher nicht auf allen Anwendungsgebieten zum Einsatz kommen konnten.

Bekannte elektrodynamische Wandler verwenden eine spiralig gewickelte Flachspule zur Erzeugung des hochfrequenten Wechselfeldes. Solche■.spiralig gewickelten Flachspulen den Nachteil, daß Anregungsverteilungen für

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das Ultraschallfeld entstehen/ deren Maxima und Minima praktisch auf konzentrischen Kreisen liegen, deren gemeinsamer Mittelpunkt auf der verlängerten Spulenachse liegt. Die Schwingungsrichtungen der einzelnen Elemente der Anregungsverteilung des ültraschallfeldes sind sämtlich unterschiedlich und lediglich auf einen gemeinsamen Mittelpunkt gerichtet.

Solche in unterschiedlicher Richtung schwingende Ultraschallfelder sind für eine große Anzahl besonderer Anwendungsfälle z.B. zur Untersuchung von mechanischen Spannungen im Werkstück, unbrauchbar und zur Untersuchung der Lage bzw. Orientierung von Materialfehlern ungeeignet.

Diese Anwendungsfälle erfordern linear polarisierte Ultraschallwellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrodynamischen Wandler zu bauen, mit dem ein Ultraschallfeld erzeugt werden kann, das überall eine zumindest annähernd gleiche Richtung der Wellenfront der Anregungsverteilung hat, wobei die Richtung auch veränderbar ist»

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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Hochfrequenzspule aus einem in Bezug auf die Ultraschallerzeugung wirksamen Abschnitt und aus einem nicht wirksamen Abschnitt besteht, wobei im wirksamen Abschnitt die Einzelströme in den Windungen eine annähernd gleiche Richtung haben, und der nicht wirksame Abschnitt außerhalb des Magnetfeldes des starken Magneten oder gegenüber dem Werkstück hinter einer Abschirmung liegt.

Es wird somit nur durch einen Abschnitt der Hochfrequenzspule im zu untersuchenden Werkstück Ultraschall verursacht. In diesem nur begrenzten Abschnitt der Hochfrequenzspule verlaufen die Windungen angenähert in einer Richtung, so daß der durch diese gehende Strom im Werkstück einen entsprechenden Wirbelstrom erzeugt, der ein linear polarisiertes Ultraschallfeld erzeugt, weil er im Bereich des starken Magneten liegt. Die übrigen Teile der Windungen der Hochfrequenzspule, deren Windungen zum Teil sogar in entgegengesetzter Richtung zu den Windungen des wirksamen Abschnittes verlaufen, würden ein störendes Ultraschallfeld erzeugen. Deshalb wird ihr Einfluß in der Weise verhindert, daß sie außerhalb des starken Magnetfeldes verlaufen. Auf

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diese Weise können auf die von Ihnen im Werkstück verursachten Wirbelströme niemals starke Lorenskräfte wirken„ die die Ultraschallwellen im Werkstück erzeugen₀

Es gibt noch eine zweite Möglichkeit, die unerwünschte Wirkung der übrigen Teile der Hochfrequenzspule auf die ültraschallentstehung zn verhindern» Diese zweite Möglichkeit besteht darin, daß zwischen diesen Teilen der Hochfrequenzspule und dem Werkstück eine Abschirmung Z₀B, eine Metallfolie gelegt wird₀ Es entstehen dann schon in dieser Metallfolie die hochfrequenten Wirbeiströme ο Das hinter dieser Abschirmung liegende Werkstück bleibt von Wirbelströmen weitgehend frei^ so daB in diesem Bereich auch kein Ultraschall erzeugt werden kann. Es können selbstverständlich audibeide Maßnahmen_? wie Abschirmung und nur teilweise Durchflutung der Hoch™ frequenzspule durch den starken Magneten, gleichzeitig angewandt werden₀

Erweiterte Einsatzmöglichkeiten ergeben sich für die Vorrichtung, wenn während des PrüfVorganges die Richtung der ausgesandten linear polarisierten Ultraschallwellen verändert werden kann. Das wird dadurch erreicht, daß

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eine Zusatzeinrichtung vorhanden ist, durch die wahlweise linear polarisierte Ultraschallwellen ausgesandt werden, deren Richtungen unterschiedliche Winkel zu den Werkstückachsen besitzen.

Die einfachste Möglichkeit, 'den Winkel der ausgesandten linear polarisierten Ultraschallwellen in Bezug auf das Werkstück zu verändern, besteht darin,, daß die Zusatzeinrichtung aus einer Drehvorrichtung zum relativen Verdrehen von Prüfvorrichtung und Werkstück besteht.

Das Verdrehen der ganzen Prüfeinrichtung hat verschiedene Nächteile wegen der Anschlußkabel. Außerdem läßt sich das Verdrehen nur langsam durchführen, so daß diese Möglichkeit für schnelle Prüfungen ungeeignet ist.

Eine verbesserte Ausfuhrungsform ist deshalb dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzeinrichtung so gebaut ist, daß durch diese verschiedene Abschnitte der Hochfrequenzspüle mit voneinander unterschiedlichen Stromrichtungen der Wicklungen für die Ultraschallerzeugung im Werkstück nacheinander benutzt werden.

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Das läßt sich auf einfache Weise dadurch erreichen, daß als Zusatzeinrichtung der Kern des starken Magneten über mehrere Abschnitte der Hochfrequenzspule in verschiedene PrüfStellungen verschiebbar ist.

Bei einer kreisförmigen Hochfrequenzspule geschieht das Verschieben am einfachsten dadurch, daß der Kern des starken Magneten um die Achse der Hochfrequenzspule gedreht wird. Umgekehrt kann auch bei feststehendem Kern des starken Magneten die Hochfrequenzspule verschoben werden.

Die beschriebene Ausführungsform hat noch den Nachteil, daß sie wegen ihrer mechanisch zu verschiebenden Teile relativ langsam zu handhaben ist und es wegen der beweglichen Teile leicht zu Störungen kommen kann. Diesen Nachteil behebt die folgende Verbesserung dadurch, daß über der Hochfrequenzspule verteilt mehrere Kerne von starken Magneten liegen, die nacheinander magnetisierbar sind, so daß die in ihrem Bereich liegenden Abschnitte der Hochfrequenzspule nacheinander für die Ultraschallerzeugung im Werkstück benutzt werden. Die üblichen Hochfrequenzspulen sind in der Regel so klein, daß sich nur 2 oder 3 Kerne von starken Magneten über ihrer

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Fläche verteilen lassen» Entsprechend der Anzahl der Kerne werden auch nur 2 oder 3 mögliche Richtungen von linear polarisierten Ultraschallwellen erhaltene

Noch mehr Richtungen von linear polarisierten Ultrasehall= wellen bei kleinen Hochfrequenzspulen sind dann möglichj, wenn als Zusatzeinrichtung eine Abschirmung mit einer für den wirksamen Abschnitt der Hochfrequent™ spule freigelassenen Öffnung über die Fläche der Hochfrequenzspule bewegbar angeordnet ist» Eine solehe Abschirmung kann aus einer dünnen Metallfolie bestehen₀ Die Abschirmung hat den Vorteil, daß nur dort,, wo sie eine Öffnung enthält „ die von der Hochfrequenz spule induzierten Wirbelströme im Werkstück entstehen können» Um eine andere Richtung der linear polarisierten Ultraschallwelle zu erzeugen _t braucht die Abschirmung mit ihrer Öffnung nur durch z.B, Drehen um die Achse der Hochfrequenzspule verschoben zu werden» Da die Abschirmung ein sehr kleines Teil ist, läßt sich die Drehung relativ echnell ausführen. Nachteilig ist bei dieser Ausführungsformp daß eine drehbare Abschirmung empfindlicher gegen mechanische Beschädigungen ist, als eine nicht bewegliche aufgeklebte Folie.

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Besonders für die hohen Prüfgeschwindigkeiten an Fließbändern und den dort meist rauhen Betriebsverhältnissen ist eine Zusatzeinrichtung geeignet, die aus einer Abschirmung besteht, in der mehrere öffnungen freigelassen sind, von denen jede mit einer Spule überdeckt ist, wobei eine Schalteinrichtung vorhanden ist, durch die der Anfang mit dem Ende der Wicklung einer Spule in der Weise geschaltet ist, daß jeweils Anfang und Ende der Wicklung einer Spule getrennt sind und Anfang und Ende bei den übrigen Spulen kurzgeschlossen sind»

Die kurzgeschlossenen Spulen über den öffnungen der Abschirmung wirken für die von der Hochfrequenzspule induzierten magnetischen Wechselfeider so, als gäbe es die öffnungen nicht und als sei die Abschirmung auch in den öffnungen wirksam. Fast die gesamte Energie, die sonst durch die Öffnung gent und im Werkstück Wirbelströme verursacht, wird jetzt für die Bildung eines Kurzschlußstromes in der Spule verbraucht, was eine ähnliche Wirkung wie die Wirbelströme in der Abschirmfolie hat. Wenn dagegen die Spulen nicht kurzgeschlossen, sondern Anfang und Ende der Wicklung geöffnet sind, so kann die Energie durch die Spule dringen und im Werkstück den zur Ultraschallerzeugung notwendigen Wirbelstrom induzieren.

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Das öffnen und Verbinden von Spulenanfang und Spulenende geschieht fast zeitlos durch bekannte Transistorschaltungen,, die hier nicht näher erläutert werden sollen.

Es ist von Vorteil, wenn der wirksame Abschnitt der Hochfrequenzspule, der vor einer öffnung der Abschirmung liegt, geradlinige Windungen hat. Dann ist das entstehende Ultrasehallfeld noch ausgeprägter linear polarisiert, als wenn der Abschnitt aus den leicht gebogenen Windungen einer spiralförmigen Hochfrequenzspule besteht. Solche geradlinigen Abschnitte der Hochfrequenzspule werden bekanntlich erhalten, wenn diese drei, vier-, sechseckig oder mehreckig gewickelt ist.

Für einige Prüf zwecke ergibt sich noch eine Verbesserung, wenn beim Prüfen mit zwei polarisierten Ultraschallwellen, diese genau an der gleichen Stelle des Werkstückes erzeugt werden. Eine Erzeugung an genau der gleichen Stelle wird dadurch erreicht, daß zwei getrennt einschal tbare Hochfrequenzspulen mit ihren wirksamen Abschnitten, in Prüfrichtung gesehen, über«-, üiander liegen, wobei jede der Hochfrequenzspulen eine andere Richtung der Windungen hat. -

: - Io -

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- Io -

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 u. 2 eine Hochfrequenzspule mit festem Kern des starken Magneten,

Fig. 3 einen über der Hochfrequenzspule beweglichen Kern des starken Magneten,

Fig. 4 u, 5 zwei um 90° über der Hochfrequenzspule versetzt und fest angebrachte Kerne von zwei starken Magneten,

Fig. 6 eine zwischen der Hochfrequenzspule und dem Werkstück liegende Abschirmung mit öffnung,

Fig. 7 u. 8 eine Abschirmung mit um 90° versetzten

öffnungen mit Spulen über den öffnungen,

Fig. 9 eine Hochfrequenzspule mit geraden Wicklungsabschnitten,

Fig. Io zwei Hochfrequenzspulen mit übereinander liegenden geraden Wicklungsabschnitten.

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- M. - ■ ί

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In Fig. 1 ist 11 da3 zu prüfende Werkstück, über dem j

die Hochfrequenzspule 12 und der Kern 13 des starken '

Magneten 17 liegen» Das dem Werkstück 11 zugewandte !

wirksame Ende des Kerns 13 des Magneten 17 überdeckt \

nur einen kleinen Abschnitt der gesamten Fläche der !

Hochfrequenzspule 12. In diesem Abschnitt haben die '

Windungen 14 eine angenähert gleiche Richtung, wie in '

Fig. 2 zu sehen ist. Die Windungen dieses Abschnittes
induzieren im Werkstück Wirbelströme, auf die wegen
des Magnetfeldes des starken Magneten 17 Lorenzkräfte
wirken, welche Ultraschallwellen hervorrufen„ di@ ein©
Schwingung entsprechend den Richtungen 15 und 16 haben„
Der starke Magnet 17 kann mit seinem Kern 13 auch um die
Achse 18 der Hochfrequenzspule 12 rotieren, siehe Fig. 3„
Es kann dann z.B. eine Prüfung des Werkstückes erfolgen,
wenn der Kern 13 gerade die Stellung 19 erreicht hat.
Die nächste Prüfung kann dann bei Erreichen des Kernes 13
in der Stellung 2o erfolgen. Die linear polarisierten
Ultraschallwellen, die in der Stellung 2o erzeugt werden, j haben eine um 90° verschiedene Schwingunsrichtung gegen- ^! über den Ultraschallwellen, die in der Stellung 19 erzeugt
werden. Es Können so polarisierte Ultraschallwellen
beliebiger Richtung erzeugt werden.

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In Fig. 4 und Fig. 5 sind in den Stallungen 19 und 2o die fest sitzenden Magnete 21 und 22 eingebaut, die wechselseitig eingeschaltet werden, wodurch jedesmal die Schwingungsrichtung der linear polarisierten Ultraschallwellen um 90° gedreht wird.

In Fig. 6 wird der wirksame Abschnitt der Hochfrequenzspule 12 noch zusätzlich durch die Abschirmung 23 begrenzt, die für den wirksamen Abschnitt eine Öffnung 24 hat.

Um eine andere Schwingungsrichtung der linear polarisierten Ultraschallwelle zu erzeugen, können die Abschirmung 23 und der Kern 13 des starken Magneten gemeinsam um die Achse 18 rotieren, ähnlich dem Prinzip, wie es in Fig. 3 beschrieben wurde. Es kann aber auch bei dieser Ausführung der Kern 13 fest sitzen und so groß ausgeführt werden, daß er die gesamte Fläche der Hochfrequenzspule 12 überdeckt, so daß diese überall von den magnetischen Feldlinien des starken Magneten durchdrungen wird. Bei einer solchen Konstruktion rotiert dann nur die Abschirmung 23.

In den Fig. 7 und 8 sind 25 und 26 zwei um 90° versetzte öffnungen der feststehenden Abschirmung 27. über beiden

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Öffnungen befindet sich je ein Teil des Kernes 28 des starken Magneten 17. Statt der Aufteilung des Kernes 28 in 2 Teile könnten auch zwei selbständige Magnete über den Öffnungen 25 und 26 liegen.

Zwischen der Hochfrequenzspule 12 und den Öffnungen 25 und 26 der Abschirmung 27 liegen die flachen Spulen 3o und 31. Anfang und Ende der Spule 31 sind miteinander durch eine nicht gezeichnete Steuereinrichtung verbunden, wenn für die Spule 3o Anfang und Ende elektrisch getrennt sind. Umgekehrt schließt die Steuereinrichtung die Spule 3o kurz, wean Anfang und Ende der Spule 31 getrennt sind.

Nach dem gleichen Prinzip können auch noch mehr als zwei Öffnungen in der Abschirmung liegen, die von Spulen entsprechend den Spulen 3o und 31 überdeckt werden.

Das entstehende ülträschallfeld wird besonders genau polarisiert, wenn die Öffnungen 25 und 26 vor genaugeradlinig verlaufenden Wicklungen der Hochfrequenzspule 12 liegen. Das läßt sich leicht erreichen, wenn die Hochfrequenzspule entsprechend Fig. 9 viereckig gewickelt ist.

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In Fig. Io sind die Hochfrequenzspulen 12 und 32 mit ihren geradlinigen Windungen um 90 Grad versetzt über der öffnung 24 der Abschirmung 23 gebaut^' Sie können selbstverständlich auch in einem beliebig anderen Winkel zueinander versetzt gebaut werden. Die Hoch-"· frequenzspule 12 ist eingeschaltet, wenn die Spule-32 ausgeschaltet ist und umgekehrt. Das Ulträsch^iiTf^ld wird nur von der jeweils eingeschalteten Hochfrequenzspule erzeugt.

Falls ein Gemisch von zwei linear polarisierten Ultraschallwellen verschiedener Richtung erzeugt werden soll, können auch beide Hodfrequenzspulen gleichzeitig eingeschaltet sein.

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11 Werkstück

12 Hochfrequenzspule

13 Kern des starken Magneten

14 Windungen

15 Schwirsjmgsrichtung

16 Richtung

17 starker Magnet

18. Achse der Hochfrequenzspule

19 Stellung

20 Stellung

21,22 fest sitzende starke Magnete

23 Abschirmung

24 öffnung 25,26 öffnungen

27 feststehende Abschirmung

28 Kern

3o,31 flache Spulen 32 ζvrite Hochfrequenzspule

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Leerseite

Claims

Hoesch Werke Aktiengesellschaft, 46 Dortmund, Kberhai'dstr. 12

Patentansprüche ι

1. :

Vorrichtung zur Werkstoffprüfung mit einem elektrodynamischen j Wandler, der aus einem starken Magneten und mindestens ;

einer im Raum zwischen dem Kern des Magneten und dem

i Werkstück sitzenden Hochfrequenzspule besteht, dadurch j

gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzspule (12} aus einem j in Bezug auf die Ultraschallerzeugung wirksamen Abschnitt

und aus einem nicht wirksamen Abschnitt besteht, wobei

im wirksamen Abschnitt die Einzelsbröme in den Windungen

eine annähernd gleiche Richtung haben, und der nicht

wirksame Abschnitt außerhalb des Magnetfeldes des

starken Magneten (17, 21, 22} oder gegenüber dem Werkstück

(11) hinter einer Abschirmung (23,27) liegt.

Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Zusatzeinrichtung vorhanden ist, durch die wahlweise
linear polarisierte Ultraschilwellen ausgesandt werden,
die unterschiedliche Winkel zu den Achsen des Werkstückes
(11) besitzen.

3. j

Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet\ daß die Zusatzeinrichtung aus einer Drehvorrichtung zum relativen Verdrehen von Prüfvorrichtung und Werkstück (11)
besteht.

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Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzeinrichtung so gebaut ist, daß durch diese verschiedene Abschnitte der Hochfrequenzspule (12) mit voneinander unterschiedlichen Stromrichtungen der Wicklungen für die Ultraschallerzeugung im Werkstück (11) nacheinander benutzt werden.

Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekannzeichnet, daß als Zusatzeinrichtung der Kern (13) des starken Magneten über mehrere Abschnitte der hochfrequenzspule (12) in verschiedene Prüfstellungen (19,2o) verschiebbar ist.

Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

als Zusatzeinrichtung die Hochfrequenzspule (12) unter dem Kern (13) des starken Magneten verschiebbar angebracht ist.

Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß über der Hochfrequenzspule (12) verteilt mehrere Kerne

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von starken Magneten X21,22) liegen, die nacheinander magnetisierbar sind, so daß die in ihrem Bereich liegenden Abschnitte der Hochfrequenzspule (12) nacheinander für die Ultraschallerzeugung im Werkstück (11) benutzt werden.

Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzeinrichtung eine Abschirmung (23) mit der für j

j den wirksamen Abschnitt der Hochfrequenzspule (12) frei- j gelassenen Öffnung (24) über die Fläche der Hochfrequenz- j spule (12) bewegbar angeordnet ist.

9.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzeinrichtung aus einer Abschirmung (27). besteht, in der mehrere Öffnungen (25,26) freigelassen sind, von denen jede mit einer Spule (3o,31) überdeckt ist, wobei eine Schalteinrichtung vorhanden ist, durch die der Anfang mit dem Ende der Wicklung einer Spule in der Weise geschaltet ist, daß jeweils Anfang und Ende der Wicklung einer Spule getrennt sind und Anfang und Ende bei den übrigen Spulen kurzgeschlossen sind.

Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der für die Ultraschallerzeugung wirksame Abschnitt der Hochfrequenzspule (12) aus geradlinigen Windungsteilen besteht.

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Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei getrennt einschaltbare Hochfrequenzspulen mit ihren wirksamen Abschnitten, in Prüfrichtung gesehen, übereinander liegen, wobei jede der Hochfrequenzspulen eine andere Richtung der Windungen hat.

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