DE2821312A1

DE2821312A1 - Verfahren und vorrichtung zur untersuchung von gegenstaenden mit hilfe eines fokussierten ultraschallwellenbuendels

Info

Publication number: DE2821312A1
Application number: DE19782821312
Authority: DE
Inventors: Jean Perdijon
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1977-05-16
Filing date: 1978-05-16
Publication date: 1978-11-30
Also published as: FR2391469A1; GB1601995A; US4173899A; FR2391469B1; JPS541680A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Untersuchung eines in einem Medium, insbesondere einem metallischen Medium gelegenen Segmentes C wie etwa einer Zone nahe einer Schweißnaht mit Hilfe eines fokussierten Ultra-Schallwellenbündels. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Wie man weiß, ist es häufig notwendig, dickwandige oder massive Werkstücke in variabler Tiefe mit Hilfe von Ultraschallwellen zu untersuchen und dabei das Ultraschallwellenbündel an den verschiedenen Abtastpunkten fokussiert zu halten.

Um eine gute Empfindlichkeit zu erhalten, ist es wichtig, die maximale Konzentration oder Fokussierung der Ultraschallwellen nahe dem zu überprüfenden Punkt zu haben. Aus diesem Grunde sind die von Wandlern erzeugten Ultraschallwellenbündel in der Regel fokussiert. Es ist darüberhinaus im allgemeinen wünschenswert, den Einfallswinkel des Ultraschallwellenbündels auf das Werkstück konstant zu halten, um Wellen eines genau definierten Typs (Longitudinalwellen, Transversalwellen, Lamb-Wellen) zu erzeugen und Fehlstellen mit einer wohl definierten Orientierung zu entdecken (die mit Hilfe der Echographie am leichtesten zu entdeckenden Fehlstellen sind jene, die senkrecht zur Richtung des Ultraschallwellenbündels liegen). Damit stellt sich also das folgende Problem: Wenn man bei einer Echographie nach dem B-Bild-Verfahren ein Segment beobachten und dann dieses Segment abtasten will, um einen Schnitt durch das Material zu erhalten, so stellt sich

809848/0777

die Frage, welches die beste Bahn des fokussierenden Wandlers außerhalb des Mediums ist, in dem sich die Schweißstelle befindet. Bisher wurden die Wandler im allgemeinen parallel zu der Oberfläche bewegt, welche das zu untersuchende Werkstück und das Ankopplungsmedium (beispielsweise Wasser) trennt,in dem sich der Wandler befindet. Eine derartige Bewegungsart besitzt einen schwerwiegenden Nachteil, da, wie man im folgenden noch sehen wird, die Empfindlichkeit wegen der Abhängigkeit von der Verrückung des Wandlers und der Tiefe des Abschnittes der zu untersuchenden Zone nicht konstant ist.

Im allgemeinen liegt die Schweißebene im wesentlichen senkrecht zu der Trennfläche zwischen dem die Schweißstelle enthaltenden Medium und dem Kopplungsmedium, in dem sich der Wandler befindet. Die vollständige Beobachtung der Schweißebene erfolgt daher in zwei Richtungen: Eine erste Bewegung des Wandlers parallel zur Schweißebene und parallel zur Grenzfläche zwischen den beiden Medien, um die Schweißstelle in einer Richtung abzutasten und eine zweite Bewegung in einer Richtung, die gemäß der Erfindung bestimmt wird.

In der folgenden Beschreibung wird unter dem ersten Medium immer das Ankopplungsmedium wie beispielsweise Wasser und unter dem zweiten Medium das zu untersuchende Werkstück verstanden.

Es ist zweckmäßig, zunächst daran zu erinnern, daß ein Punkt F¹ in dem zweiten Medium (Werkstück) einem Punkt F des ersten Mediums (Wasser)entspräche, wenn

— 6 —

809848/0777

2321312

die Diopterfläche (Wasser/Werkstuck) eine genau punktförmige Abbildung ergäbe. Einem Segment C entspräche also ein Segment C und damit der Brennpunkt in dem Werkstück eine Kurve C beschreibt, genügte es, daß der Brennpunkt F des Wandlers in Abwesenheit des Werkstückes eine Kurve C beschreibt, welche das genaue Abbild von C¹ in der Diopterfläche darstellt.Die Bahn des Wandlers würde sich somit von der Bahn seines Brennpunktes ableiten.

Unglücklicherweise ist die Abbildung nicht genau punktförmig (außer für sehr kleine Einfallswinkel). Die Diopterfläche bewirkt, daß dem punktförmigen Brennpunkt F eines fokussierenden sphärischen Wandlers in dem Wasser (der Brennpunkt ist in Anwesenheit des Werk-Stückes virtuell) zwei Brennlinien in dem Werkstück entsprechen (sagittale Brennlinie und meridionale Brennlinie, wobei sich der Kreis der geringsten Unscharfe zwischen den beiden Brennlinien befinde'). Man entscheidet sich also, die zu untersuchende Schnittebene P¹ mit einer der Brennlinien (oder dem Kreis der geringsten Unscharfe) abzutasten und leitet aus optischen Betrachtungen die Ebene P ab, in der sich der virtuelle Brennpunkt F des Wandlers bewegen muß.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Abtastung einer Schnittebene P¹ mittels eines Wandlers mit punktförmiger Fokussierung,die entweder durch eine sphärische Form des piezoelektrischen Schwingers oder durch Anordnung einer plankonkaven Linse vor der Ebene des Schwingers erreicht werden kann.

8098A8/0777

Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Untersuchen eines in einem zweiten Medium liegenden Segmentes C mit Hilfe eines Ultraschallwellenbündels, das von einem in einem ersten Medium gelegenen fokussierenden Wandler erzeugt wird, wobei das erste und das zweite Medium durch eine Grenzfläche voneinander getrennt sind, das dadurch gekennzeichnet ist, daß zur Bewegung eines fokussierten Bereiches des Ultraschallwellenbündels in dem zweiten Medium und zur Untersuchung des Segmentes der Brennpunkt des Wandlers längs eines Kurvensegmentes bewegt wird, welches das optische Bild des Segmentes in der Grenzfläche darstellt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird dabei so vorgegangen, daß der Wandler derart bewegt wird, daß die meridionale Brennlinie des von dem Wandler in das zweite Medium ausgesandten Ultraschallwellenbündels sich längs des KurvenSegmentes bewegt.

Gemäß einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Wandler derart bewegt wird, daß die sagittale Brennlinie des von dem Wandler in das zweite Medium ausgesandten Ultraschallwellenbündels sich längs des Kurvensegmentes bewegt.

Schließlich ist es auch möglich, so vorzugehen, daß der Wandler derart bewegt wird, daß der Kreis geringster Unscharfe des von dem Wandler in das zweite Medium ausgesandten Ultraschallwellenbündels sich längs des Kurvensegmentes bewegt.

809848/0777

Im allgemeinen kann das Segment C einem geradlinigen Segment angenähert werden, wenn das Segment "C¹" selbst ein geradliniges Segment ist.

Die Kombination zweier Bewegungen des Wandlers, nämlieh parallel zur Schweißebene und längs der von der Erfindung vorgeschlagenen Bewegungsrichtung ermöglicht die Untersuchung einer Fläche, beispielsweise einer Schweißzone.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus.der folgenden Beschreibung, welche in Verbindung mit den beiliegenden Figuren die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Variationen des fokussierten Bereiches bei Bewegungen des Wandlers gemäß den bisher praktizierten Ver

fahren ,

Fig. 2 die Bewegung eines Wandlers nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, um eine Schweißstelle in dem Falle zu beobachten, in dem diese im weseritlichen senkrecht zur Grenzfläche zwischen dem die

Schweißstelle enthaltenden Medium und dem Kopplungsmedium liegt, in dem sich der Wandler befindet, und

Fig. 3 eine halbschematische Darstellung einer erfindungsgemäßeji Vorrichtung zum Bewegen des Wandlers,

In Fig. 1 sind drei aufeinanderfolgende Stellungen eines Wandlers 2, 2' und 2" dargestellt. Die Stellungen ent-

809848/0777

sprechen der herkönunmlichen Bewegungsweise gemäß den bekannten Verfahren, in denen der Wandler parallel zu der Oberfläche bewegt wird/ welche das Ankopplungsmedium 18 von dem Medium 8 trennt, in dem man eine die Ebene P¹ enthaltende Schweißstelle beobachten will. Der Wandler 2 sendet ein ültraschallwellenbündel 4 aus, das in dem die Schweißstelle enthaltenden Medium 8 nahe des Brennpunktes 14 fokussiert wird. In der Stellung 2 des Wandlers ist die beobachtete Zone der die zwei Bereiche 8 und 10 des Werkstückes 12 voneinander trennenden Schweißebene P¹ durch das Segment U¹ -|~ü'- gegeben. Bei einer Bewegung des Wandlers 2 in Richtung des Pfeiles 16 sendet derselbe Wandler 2' ein ültraschallwellenbündel aus, das in der Ebene P' fokussiert wird, da in dieser Stellung der Brennpunkt 14 in die Ebene P¹ fällt. In der Stellung 2" schneidet die Ebene P¹ das Ültraschallwellenbündel 4 vor dem Brennpunkt 14. Diese Art der Bewegung des Wandlers bewirkt, daß die Fokussierung der Ultraschallwellen in verschiedenen Bereichen der zu untersuchenden Ebene P¹ mit der Tiefe variiert. Dies ist nachteilig, da die Meßeimpfindlichkeit für Fehlstellen im gleichen Verhältnis variiert.

In Fig. 2 ist genauer dargestellt, wie sich die aussendende Fläche 30 des Wandlers bewegt, damit die längs der meridionalen Brennlinie fokussierte Ultraschallenergie in dem von dem Werkstück 12 gebildeten Medium sich längs der Schweißebene P¹ bewegt. In dem durch diese Figur gegebenen speziellen Fall wird mit einer Reflexion an der unteren Grenzfläche 40 des Werk-Stückes 12 gearbeitet, so daß sich die meridionale

- 10 -

8098A8/0777

Brennlinie in dem Werkstück 12 von T¹- nach T"» bewegt, während sie sich bei nicht vorhandener Reflexion zwischen T¹^ und T'2 bewegen müßte. In der Stellung B₁ der aussendenden Fläche 30 werden die Ultraschallwellen am unteren Ende der Schweißstelle im Punkt 32 fokussiert, während in der Stellung B₂ der aussendenden Fläche 30 die Ultraschallwellen nach einer Reflexion an der unteren Grenzfläche 4 0 des Werkstückes 12 am oberen Ende 34 der Schweißstelle P¹ fokussiert werden.

Für jede Zwischenstellung werden die Ultraschallwellen an einem zwischen den Punkten 32 und 34 gelegenen Punkt des Schweißbereiches P¹ fokussiert. Man arbeitet in diesem Fall mit Reflexion, um zu vermeiden, daß die Einfallsstelle des Ultraschallwellenbündels sich zu nahe an der Ebene P¹ befindet, da dieser Bereich durch das Schweißen verformt ist und keine geeignete Grenzfläche darstellt, in der die Brechungswinkel konstant sind. Die Lagen des Brennpunktes im Wasser sind für die beiden Stellungen B₁ und B₂ des Wandlers mit T₁ und T₂ bezeichnet. Folglich ist T₁ die Lage des Brennpunktes,die einer meridionalen Bildlinie bei 32 in dem Werkstück entspricht und T₂ ist die Lage des Brennpunktes, die einer meridionalen Bildlinie 36 entspricht, die ein Bild des Punktes 34 in der Reflexionsebene 40 darstellt. Bei

dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also der Wandler längs des Segmentes B₁B- bewegt, das parallel zu und gleich dem Segment T₁T- ist, um die Schweißstelle mit konstanten Energiekonzentrationen zu untersuchen. In einem Ausführungsbeispiel konnte man auf diese Weise Schweißstellen in Blechen mit einer Stärke von 20 mm untersuchen. Die Einfallsebene verlief senkrecht zur

- 11 -

809848/0777

Ebene P¹ und die erregten Wellen waren Transversalwellen, die sich mit einem Brechungswinkel von 45° in dem aus Stahl bestehenden Werkstück 12 fortpflanzten. Der Einfallswinkel im Wasser hat einen Wert in der Größen-Ordnung von 20,5°. Wie bereits aufgezeigt wurde, verwendet man die Reflexion der Ultraschallwellen an der unteren Grenzfläche des Werkstückes 12, um zu vermeiden, daß man durch Unregelmäßigkeiten der das Werkstück von dem Ankopplungsmedium trennenden Durchtrittsfläche nahe der Schweißnaht behindert wird. Um in diesem Fall die gesamte Schweißebene P¹ mit der meridionalen Brennlinie eines punktförmig fokussierenden Wandlers untersuchen zu können, ist das Segment T₁T- 93 mm lang und gegenüber der Normalen um 9° geneigt.

In dem Fall, wo man sich dazu entscheidet, die Schweißebene mit der sagittalen Brennlinie zu untersuchen, stünde das Segment B₁B- senkrecht auf der Grenzfläche, wobei natürlich die Schweißebene senkrecht zur Werkstückoberfläche veι läuft. Wenn man zur Untersuchung den Kreis geringster Unscharfe heranzöge, wäre das

Segment B₁B₃ für das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 etwa um 4,5° geneigt.

In Fig. 3 wurde eine Vorrichtung dargestellt, die eine Bewegung des Wandlers in der vorstehend beschriebenen Weise ermöglicht. Der Wandler ist bei 41 in seiner untersten Stellung und bei 45 mit gestrichelten Linien in seiner obersten Stellung dargestellt. Er kann in einer Richtung senkrecht zur Zeichenebene verstellt werden, indem man ein den Wandler 41 tragendes Gehäuse

- 12 -

809848/0777

43 auf Führungszylindern 42 und 44 gleitend bewegt. Das Gehäuse 43 wird längs der Führungszylinder 42 und 44 mittels eines Antriebsmotors 46 bewegt, der mit einem Schneckengetriebe 48 gekoppelt ist. Die Schweißstelle ist in dem Werkstück 12 bei B dargestellt. Der Wandler taucht in das Ankopplungsmedium 50 ein, das von Wasser gebildet ist, das durch einen Einlaßstutzen 52 einströmt und durch einen Auslaßstutzen 54 abgezogen wird. Die Abdichtung erfolgt durch Gleitdichtungen.

Der Auftreffwinkel des Ultraschallwellenbündels auf das Werkstück 12 wird durch die Neigung des Wandlers 41 relativ zur Vertikalen bestimmt. Der Wandler ist in einer definierten Neigung durch eine Feststellschraube 53 an einer den Wandler 41 tragenden Stange 56 blockierbar. Die Bewegung dieser Stange 56 ist hinsichtlich ihrer Winkelrichtung durch eine Führungsbuchse 58 festgelegt, deren Winkelstellung durch eine Schraube 60 bestimmt ist, mit welcher eine um eine Achse 64 schwenkbare Klaue 62 feststellbar ist. Die Bewegung des Wandlers zwischen den bei 41 und 45 dargestellten Stellungen wird durch einen nicht dargestellten Motor erreicht, welcher über ein Zahnrad 66 ein Zahnrad 68 antreibt, an dem über einen Verbindungsbügel 70 die den Wandler tragende starre Stange 56 befestigt ist. Die Amplitude der Bewegung zwischen den Stellungen 41 und 45 wird durch die Befestigungsstelle des Verbindungsbügels 70 an dem Rad 68 bestimmt.

809848/0777

Claims

PATENTANWÄLTE DR. KADOR&DR. KLUNKER

K 12 337

Commissariat ä I¹Energie Atomique 29, rue de la Federation

75015 Paris / Frankreich

Verfahren und Vorrichtung zur Untersuchung von Gegenständen mit Hilfe eines fokussierten Ultraschallwellenbündels

Patentansprüche

ι.ι Verfahren zum Untersuchen eines in einem zweiten iedium liegenden Segmentes C¹ mit Hilfe" eines Ultraschallwellenbündels, das von einem in einem ersten Medium gelegenen fokussierenden Wandler erzeugt wird, wobei das erste und das zweite Medium durch eine Grenzfläche voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bewegung eines fokussierten Bereiches des Ultraschallwellenbündels in dem zweiten Medium (12) und zur Untersuchung des Segmentes (C¹) der Brennpunkt des Wandlers (41) längs eines KurvenSegmentes (C) bewegt wird, welches das optische Bild des Segmentes (C) in der Grenzfläche darstellt.

809848/0777

— 9 —

20/ 1312
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Wandler (41) derart bewegt wird, daß die me^idionale Brennlinie des von dem Wandler

(41) in das zweite Medium (12) ausgesandten Ultraschallwellenbündels sich längs des Kurvensegmentes (C) bewegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Wandler (41) derart bewegt wird, daß die sagittale Brennlinie des von dem Wandler (41) in das zweite Medium (12) ausgesandten Ultraschallwellenbündels sich längs des Kurven Segmentes (C) bewegt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (41) derart bewegt wird, daß der Kreis geringster Unscharfe des von dem Wandler (41) in das zweite Medium (12) ausgesandten Ultraschallwellenbündels sich längs des Kurvensegmentes (C) bewegt.
5. Vorrichtung zum Untersuchen eines in einem zweiten Medium liegenden Segmentes (C¹) mit Hilfe eines Ultraschallwellenbündels, das von einem in einem ersten Medium gelegenen fokussierenden Wandler erzeugt wird, wobei das erste und das zweite Medium durch eine Grenzfläche voneinander getrennt sind, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Vorrichtung Mittel (66, 68,

70) aufweist, um den Brennpunkt des Wandlers (41) längs eines Segmentes (C) so zu bewegen, daß das Segment (C) ganz oder teilweise dem Bild von (C) in der Grenzfläche entspricht.

809848/0777
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Segmente (C und C¹) geradlinige Semgente sind und daß die Mittel zur Bewegung des Brennpunktes von mechanischen Mitteln (66, 68, 70, 58, 56) gebildet sind, die den Wandler (41) längs eines Segmentes parallel zu sich selber bewegen.

809848/0777