DE2923142C2 - Ultrasonic transducer for material testing in immersion technology - Google Patents
Ultrasonic transducer for material testing in immersion technologyInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallgeber zur Werkstoffprüfung in Tauchtechnik mit einer ZUm Fokussieren der Ultraschallstrahlen dienenden Plankonkavlinse, deren konkave Oberfläche in einer Schnittebene eine kreisbogenförmige und in der dazu senkrechten Schnittebene eine gerade Schnittkante aufweist, mit einer an der planen Seite der Plankonkavlinse anliegenden piezoelektrischen Platte, auf derenThe invention relates to an ultrasonic transducer for testing materials using immersion technology with a ZUm Focusing the ultrasonic beam serving plano-concave lens, the concave surface in a Section plane a circular arc and a straight cutting edge in the section plane perpendicular to it having, with a piezoelectric plate resting on the flat side of the plano-concave lens, on the
60 Oberfläche Elektroden angeordnet sind, und mit einem Dämpfungsglied auf der der Plankonkavlinse abgewandten Seite der piezoelektrischen Platte. 60 surface electrodes are arranged, and with an attenuator on the side of the piezoelectric plate facing away from the plano-concave lens.
Ein solcher Ultraschallgeber ist aus der Zeitschrift »Materialprüfung« Bd. 18, Nr. 8, August 1976, S. 280—284 bekannt Generell werden derartige Ultraschallgeber zur störungsfreien Prüfung von Werkstükken verwendet, beispielsweise von Rohren. Bei dem eingangs genannten Ultraschallgeber ist die konkave Oberfläche der Plankonkavlinse Teil eines Zylinders und dient zum Erkennen von längsorientierten Fehlern des Werkstückes. Die akustische Achse dieses Gebers ist dabei vertikal zur Oberfläche des zu prüfenden Werkstückes eingestellt, d. h. die Achse des Zylinders liegt parallel zur Werkstückoberfläche. Punktförmige und querorientierte Fehler können damit nur sehr schlecht entdeckt werden.Such an ultrasonic transducer is from the magazine "Materialprüfung" Vol. 18, No. 8, August 1976, p. 280-284 known Generally, such ultrasonic transducers are used for the trouble-free inspection of workpieces used, for example by pipes. In the case of the above-mentioned ultrasonic transducer, the one is concave Surface of the planoconcave lens part of a cylinder and is used to detect longitudinally oriented defects of the workpiece. The acoustic axis of this encoder is vertical to the surface of the object to be tested Workpiece set, d. H. the axis of the cylinder lies parallel to the workpiece surface. Point-like and cross-oriented errors can only be very bad to be discovered.
Auch ist es allgemein bekannt, sphärische plankonkave Linsen in Ultraschallgebern zu verwenden, um punktförmige oder querorientierte Defekte zu entdekken. It is also generally known to use spherical plano-concave lenses in ultrasound transducers in order to to discover punctiform or transversely oriented defects.
Zum gleichzeitigen Erkennen von punktförmigen, quer- und längsorientierten Defekten wurde auch schon versucht, eine Kombination von zwei Ultraschallgebem zu verwenden, von denen der eine mit einer sphärischen und der andere mit einer oben beschriebenen »zylindrischen« Linse ausgestattet ist Allerdings ist hierbei die Einstellung erschwert unu die Prüfleistung relativ gering.For the simultaneous detection of punctiform, transversely and longitudinally oriented defects, was also already tried a combination of two ultrasound transducers to use, one of which with a spherical and the other with one described above The lens is equipped with a »cylindrical« lens relatively low.
Aus der Zeitschrift »Materialprüfung«, Bd. 18, Nr. 5, Mai 1976, S. 152—161 ist es bekannt, den Ultraschallgeber unter einem Winkel, d. h. »schräg« zur Werkstückoberfläche anzuordnen. Die Linsen für eine derartige schräge Abtastung weisen dann Oberflächen in Gestalt von Torusflächen auf.It is known from the magazine "Materialprüfung", Vol. 18, No. 5, May 1976, pp. 152-161, the ultrasonic transducer at an angle, d. H. To be arranged »at an angle« to the workpiece surface. The lenses for such oblique scanning then have surfaces in the form of torus surfaces.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Ultraschallgeber der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß das Erkennen von punktförmigen, quer- und längsorientierten Defekten mit höherer Empfindlichkeit und verbesserter Prüfleistung möglich ist.The object of the invention is to improve the ultrasonic transducer of the type mentioned at the beginning, that the detection of punctiform, transversely and longitudinally oriented defects with higher sensitivity and improved test performance is possible.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichenteil der Patentansprüche 1 bzw. 2 angegebenen Merkmale gelöst. Dieser Ultraschallgeber wird unter einem Winkel zur Werkstücksoberfläche angeordnet, wodurch alle oben genannten Fehler erkannt werden können. Durch die Form der konkaven Oberfläche der Plankonkavlinse wird eine Fokussierung der Ultraschallstrahlen auf dem gesamten abzutastenden Bereich erzielt. Mit anderen Worten wird eine gleichmäßige Empfindlichkeit cuf der gesamten Länge des »Brennflecks« erzielt. Bei den beiden Varianten der Ansprüche 1 und 2 liegt die geometrische Achse des Kegelstumpfes im einen Falle parallel zur planen Oberfläche der Plankonkavlinse, während im anderen Falle die geometrische Achse des Kegelstumpfes unter einem solchen Winkel zur planen Oberfläche der Plankonkavlinse verläuft, daß die der planen Oberfläche der Plankonkavlinse am nächsten liegende gerade Linie des Kegelmantels parallel zur planen Oberfläche der Plankonkavlinse verläuft.This task is carried out by the in the characterizing part of the Patent claims 1 and 2 specified features solved. This ultrasonic transducer is under a Arranged at an angle to the workpiece surface, whereby all of the above errors can be detected. The shape of the concave surface of the plano-concave lens enables the ultrasound beams to be focused achieved on the entire area to be scanned. In other words, it becomes a uniform Sensitivity achieved over the entire length of the "focal point". With the two variants of the claims 1 and 2, the geometric axis of the truncated cone is in one case parallel to the flat surface of the Plano-concave lens, while in the other case the geometric axis of the truncated cone is below a such an angle to the planar surface of the planoconcave lens extends that that of the planar surface of the Plano-concave lens closest straight line of the cone jacket parallel to the planar surface of the Plano-concave lens runs.
Nach vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung ist die Grundlinie des Kegelstumpfmantels ein Kreis oder eine Ellipse.According to advantageous developments of the invention, the base line of the truncated cone jacket is a circle or an ellipse.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlich erläutert. Es zeigtIn the following the invention is based on exemplary embodiments in connection with the Drawing explained in detail. It shows
F i g. 1 eine perspektivische, schematische Darstellung des Ultraschallgebers nach einem Ausführungsbei-F i g. 1 is a perspective, schematic representation of the ultrasonic transducer according to an embodiment
spiel der Erfindung;game of invention;
Fig.2 eine perspektivische, schematische Darstellung des Ultraschallgebers nach einem weiteren AusfOhrungsbeispiel der Erfindung;2 shows a perspective, schematic illustration of the ultrasonic transducer according to a further exemplary embodiment of the invention;
Fig.3 eine geschnittene Vorderansicht des Ultraschallgebers der F i g. 1;3 shows a sectional front view of the ultrasonic transducer the F i g. 1;
Fig.4 eine geschnittene Vorderansicht des Ultraschallgebers nach F i g. 2; und4 shows a sectional front view of the ultrasonic transducer according to FIG. 2; and
F i g. 5 eine geschnittene Seitenansicht eines Ultraschallgebers nach der Erfindung in seiner Arbeitslage bezüglich des zu prüfenden Werkstückes und in einem Gehäuse eingebautF i g. 5 is a sectional side view of an ultrasonic transducer according to the invention in its working position with respect to the workpiece to be tested and installed in a housing
Gleiche Bezugszeichen in den einzelnen Figuren bezeichnen gleiche Teile. Zur besseren Anschaulichkeit sind in den Fig. 1 bis 4 die einzelnen Teile des Ultraschallgebers auseinandergezogen dargestelltThe same reference symbols in the individual figures denote the same parts. For better clarity 1 to 4, the individual parts of the ultrasonic transducer are shown pulled apart
Der Ultraschallgeber besteht aus einer Plankonkavlinse 1, einer piezoelektrischen Platte 2, auf deren Oberfläche Elektroden 3 angeordnet sind, an welche elektrische Hochfrequenzspannungen angelegt werden. Schließlich ist oberhalb der Elektroden 3 ein Dämpfungsglied 4 vorgesehen, welches verhindert, daß wesentliche Uitraschaiienergie »nach hinten« abgestrahlt wird. Die konkave Oberfläche 5 der Pliriikonkavlinse 1 sowie die piezoelektrische Platte 2 weisen eine gemeinsame Hauptsymmetrieebene A auf.The ultrasonic transducer consists of a plano-concave lens 1, a piezoelectric plate 2, on the surface of which electrodes 3 are arranged, to which electrical high-frequency voltages are applied. Finally, an attenuator 4 is provided above the electrodes 3, which prevents substantial Uitraschai energy from being radiated "backwards". The concave surface 5 of the poly-concave lens 1 and the piezoelectric plate 2 have a common main plane of symmetry A.
Die konkave Oberfläche 5 der Plankonkavlinse 1 ist Teil eines kegelstumpfen Mantels. Die geometrische Längsachse liegt in der erwähnten Symmetrieebene A und ist in den Fi g. 1 und 2 mit OO'P bezeichnet. Die in der Symmetrieebene A liegende Mantellinie des Kegelmantels, die somit am nächsten zur planen Oberfläche der Plankonkavlinse verläuft, ist in den F i g. 1 und 2 mit MNP bezeichnet. Die Linien SMK. TNL und die Linien mit den Pfeilen zeigen schematisch den Strahlengang der Ultraschallstrahlen von der Oberfläche der piezoelektrischen Platte 2 durch die Plankonkavlinse 1 hindurch zur Oberfläche des zu prüfenden Werkstückes.The concave surface 5 of the planoconcave lens 1 is part of a frustoconical jacket. The geometric longitudinal axis lies in the aforementioned plane of symmetry A and is shown in FIGS. 1 and 2 labeled OO'P . The surface line of the surface of the cone lying in the plane of symmetry A , which therefore runs closest to the flat surface of the plano-concave lens, is shown in FIGS. 1 and 2 labeled MNP. The lines SMK. TNL and the lines with the arrows show schematically the beam path of the ultrasonic beams from the surface of the piezoelectric plate 2 through the plano-concave lens 1 to the surface of the workpiece to be tested.
Der Winkel β (in der Symmetrieebene A) bezeichnet den Neigungswinkel des Ultraschallgebers über der Oberfläche des zu prüfenden Werkstückes.The angle β (in the plane of symmetry A) denotes the angle of inclination of the ultrasonic transducer over the surface of the workpiece to be tested.
Die plane Oberfläche der Plankonkavlinse ist in Übereinstimmung mit der Projektion des Teils des Kegelstumpfmantels in die Ebene der planen Oberfläche trapezförmig ausgebildet. Ebenso ist die piezolektrische Platte 2 in Anpassung an die plane Fläche der Plankonkavlinse 1 ebenfalls trapezförmig ausgebildet.The planar surface of the planoconcave lens is in conformity with the projection of the part of the Truncated cone jacket formed trapezoidal in the plane of the flat surface. Likewise is the piezoelectric Plate 2 is also trapezoidal in adaptation to the planar surface of the planoconcave lens 1.
Die konkave Oberfläche 5 der Plankonkavlinse 1 ist in dem Ausführungsbeispiel der F i g. 1 und 3 kegelstjmpfmantelförmig ausgeführt. Die Grundlinie 6 der konkaven Oberfläche 5 ist somit ein Kreis.The concave surface 5 of the plano-concave lens 1 is shown in the exemplary embodiment in FIG. 1 and 3 cone-shaped executed. The base line 6 of the concave surface 5 is thus a circle.
In F i g. 2 ist die Grundlinie 6 des Kegelstumpfmantels dagegen eine Ellipse. Auch liegt dort die in der Symmetrieebene A liegende gerade Linie des Kegelmantels 7 parallel zur planen Oberfläche der Plankonkavlinse 1, d. h. parallel zur Linie Cin F i g. 2.In Fig. 2, the base line 6 of the truncated cone jacket, on the other hand, is an ellipse. The straight line of the conical jacket 7 lying in the plane of symmetry A also lies there parallel to the planar surface of the plano-concave lens 1, ie parallel to the line Cin F i g. 2.
Aus den Schnittdarstellungen der F i g. 3 und 4 ist gut zu erkennen, daß die konkave Oberfläche 5 im einen Falle durch einen Kegelstumpfmantel mit kreisförmiger Grundlinie und im anderen Falle durch einen Kegel-Stumpfmantel mit elliptischer Grundlinie gebildet wird,From the sectional views of FIG. 3 and 4 can be clearly seen that the concave surface 5 in one Fall through a truncated cone jacket with a circular base line and in the other case by a truncated cone jacket is formed with an elliptical baseline,
Fig.5 zeigt eine Ausführungsform eines in einem Gehäuse eingebauten und in Arbeitslage bzüglich des zu prüfenden Werkstückes angeordneten Ultraschallgebers in geschnittener Seitenansicht.Fig.5 shows an embodiment of a built in a housing and in the working position with respect to the testing workpiece arranged ultrasound transducer in a sectional side view.
Die Wirkungsweise des beschriebenen Ultraschallgebers ist wie folgt:The operation of the described ultrasonic transducer is as follows:
Der in einem (nicht dargestellten) Spannelement befestigte Ultraschallgcber wird gegenüber dem Werkstück so angeordnet, daß die Abstrahlrichtung E unter dem Winkel β zur Werkstückoberfläche liegt Weiterhin wird der Ultraschallgeber so ausgerichtet, daß die geometrische Längsachse des Kegelstumpfes bzw. die Linie C in Fig.2 in einer Ebene liegen, die sich senkrecht zu der zu prüfenden Oberfläche erstreckt Der zu prüfende Abschnitt des Werkstückes und derThe ultrasonic transducer, which is fastened in a clamping element (not shown), is arranged opposite the workpiece in such a way that the direction of radiation E is at the angle β to the workpiece surface lie in a plane that extends perpendicular to the surface to be tested The section of the workpiece to be tested and the
ίο Ultraschallgeber selbst sind von einer Flüssigkeit beispielsweise Wasser, umgeben. Vor der Prüfung wird unter dem Ultraschallgeber anstelle des zu prüfenden Erzeugnisses ein Prüfmuster angeordnet, wobei dieses hinsichtlich seiner Abmessungen und seines Materialsίο Ultrasonic transducers themselves are made of a liquid for example water. Before the test, place the ultrasonic transducer under the test Product a test sample is arranged, this with regard to its dimensions and its material
ι > dem später zu prüfenden Werkstück entspricht Auf der Außen- und Innenfläche des Prüfmusters werden künstlich erzeugte Fehler in Form von Ritzen, Löchern usw. angebracht, deren Anordnung den in der Praxis am häufigsten auftretenden natürlichen Fehlern, beispielsweise längs- und querorientierten Fehlern entspricht. Die Größen und Koordinaten der Fehler des Prüfmusters sind soweit bekannt Das beschriebene Prüfmuster dient zur Einstellung des Gebers. Der Geber wird dann unter dem Winkel β wie oben beschrieben zur Oberfläche des Prüfmusters ausgerichtet. Der Winkel β wird dann notiert Im weiteren werden an die Elektronen 3 der piezoelektrischen Platte 2 von einem (nicht dargestellten) Impulsgenerator Impulse elektrischer Hochfrequenzspannung angelegt. Die piezoelek-ι> corresponds to the workpiece to be tested later Artificially created defects in the form of cracks, holes, etc. are attached to the outer and inner surface of the test sample, the arrangement of which corresponds to the natural defects that occur most frequently in practice, for example longitudinal and transverse defects. The sizes and coordinates of the errors in the test sample are known as far as possible. The test sample described is used to set the encoder. The encoder is then aligned at the angle β to the surface of the test sample as described above. The angle β is then noted. Furthermore, pulses of electrical high-frequency voltage are applied to the electrons 3 of the piezoelectric plate 2 by a pulse generator (not shown). The piezoelectric
ti) trische Platte 2 schwingt dann mit der Frequenz der Hochfrequenzspannung und strahlt ml' ihrer konkaven Oberfläche 5 Ultraschallschwingungen in Form von Längswellen aus. Die sich in Richtung des Dämpfungsgliedes 4 ausbreitenden Ultraschallschwingungen wer-ti) tric plate 2 then oscillates with the frequency of High frequency voltage and emits 5 ultrasonic vibrations in the form of ml 'its concave surface Longitudinal shafts off. Which is in the direction of the attenuator 4 propagating ultrasonic vibrations are
j-, den durch das Dämpfungsmaterial gedämpft und bei der Werkstoffprüfung nicht genutzt. Dagegen gehen die sich in Richtung der Plankonkavlinse 1 ausbreitenden Ultraschallschwingungen durch das Material der plankonkaven Linse 1 hindurch und breiten sich in derj- which is damped by the damping material and not used in the material test. Against this they go Ultrasonic vibrations propagating in the direction of the plano-concave lens 1 through the material of the plano-concave Lens 1 through and spread in the
4(i Flüssigkeit in Richtung auf das Werkstück hin ?.us. so daß in der Brennfläche der Linse eine Fokussierung der Ultraschallstrahlen erfolgt. Der Abstand zwischen dem Ultraschallgeber und dem Werkstück wird am einfachsten dadurch bestimmt, daß der Empfang der reflek-4 (i liquid in the direction of the workpiece? .Us. So that the ultrasonic beams are focused in the focal surface of the lens. The distance between the The easiest way to determine the ultrasound transmitter and the workpiece is that the reception of the reflective
-r, trierten Ultraschallwelle ein Signal mit maximaler Amplitude hervorruft. Wird in dem zu prüfenden Werkstück unter Einwirkung der Ultrasciiallschwingungen eine Längswelle erzeugt, so können dünnwandige Erzeugnisse gleichzeitig auf Außen- und Innenfehler-r, ultrasonic wave traversed a signal with maximum Amplitude. Used in the workpiece to be tested under the action of ultrasonic vibrations If a longitudinal wave is generated, thin-walled products can detect external and internal defects at the same time
«ι untersucht werden. Zur Untersuchung von dickwandigen Erzeugnissen werden mindestens zwei getrennt auf Außen- und Innenfehler identisch eingestellte Ultraschallgeber verwendet. Die Einstellung der Ultraschallgeber erfolgt zusätzlich so, daß die Strahlungsrichtung«Ι to be examined. For examining thick-walled At least two ultrasonic transducers, separately adjusted for external and internal defects, are set identically to products used. The setting of the ultrasonic transmitter is also carried out in such a way that the radiation direction
3". in etv? senkrecht zu der erwarteten Lage des Fehlers verläuft. Nach Abschluß der Einstellungsarbeiten wird das Prüfmuster gfgen das zu prüfende Werkstück ausgetauscht und der Prüfvorgang wird in analoger Weise durchgeführt.3 ". In etv? Perpendicular to the expected location of the fault runs. After the adjustment work has been completed, the test sample becomes the workpiece to be tested exchanged and the test process is carried out in an analogous manner.
Wi Sollen, vorzugsweise bei der Rohrprüfung, gleichzeitig Quer- und Läi.gsfehler festgestellt werden, so ist nach der Einstellung des Ultraschallgebers auf punktförmige und Querfehler noch eine zusätzlich Einstellung auf Längsfehler durchzuführen. Zu dieser.) Zweck wirdWe should, preferably when testing the pipe, at the same time Transverse and longitudinal errors are found, so after setting the ultrasonic transducer to punctiform and transverse flaws to carry out an additional setting for longitudinal flaws. To this.) Purpose will
ei der Ultraschallgeber so verschoben, daß der Einstrahlungswinkel der Ultraschallschwingung in die Rohrwand eine Erregung von sich quer zur Rohrmanteüinie ausbreitenden Ultraschallschwingung gewährleistet.ei the ultrasonic transducer shifted so that the angle of incidence the ultrasonic vibration in the pipe wall excites itself across the pipe wall propagating ultrasonic vibration guaranteed.
Die Fokalspur des Ultraschallgcbers bleibt hierbei auf der Rohroberfläche und liegt parallel zur Rohrmantellinie. Gleichzeitig wird ein in der Querschniüsflüche des Rohrs orientierter Einstrahlungswinkel /wischen der akustischen Achse des Gebers und der Senkrechten zur Rohroberfläche in der Einstrahlungszone gebildet. Hierdurch werden Quer- und Längsfehler erkannt.The focal track of the ultrasound receiver remains on the pipe surface and is parallel to the pipe envelope line. At the same time, an in the cross-section of the Rohr's oriented angle of incidence / wipe the acoustic axis of the encoder and the perpendicular to the Pipe surface formed in the irradiation zone. This enables transverse and longitudinal defects to be recognized.
Bei einem praktischen Versuch wurden dünnwandige Metallrohre geprüft. Die piezoelektrische Platte 2 hat eine Dicke von 0,5 mm und war 22 mm lang. Die größere Kante war 9 mm und die kleinere Kante 6 mm lang. Der größere Halbmesser der Grundlinie des kreisförmigen Kegelstumpfmantels war 12,59 mm und der kleinere 3,4 J mm. Der Winkel ;i betrug Jb , während die Breite der »Hreiinspur« 1.0 mm betrug. Mit einem solchen Uliraschallgeber konnten folgende Fehler erfaßt werden:In a practical test, thin-walled metal pipes were tested. The piezoelectric plate 2 was 0.5 mm thick and 22 mm long. The larger edge was 9 mm and the smaller edge 6 mm long. The larger radius of the baseline of the circular truncated cone jacket was 12.59 mm and the smaller 3.4 J mm. The angle ; i was Jb, while the width of the "Hreiinspur" was 1.0 mm. With such an ultrasonic transducer, the following errors could be detected:
— Vertiefung mit einem Durchmesser von 0.5 mm und einer Tiefe von 0.045 mm und- recess with a diameter of 0.5 mm and a depth of 0.045 mm and
— Ritze mit einer Länge von 10 mm und einer Tiefe von 0.02 mm.- Cracks with a length of 10 mm and a depth of 0.02 mm.
Die Empfindlichkeit war über die gesamte Länge der »Brcnnspur« gleich.The sensitivity was the same over the entire length of the "burn track".
Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings
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Legal Events
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| OAM | Search report available | ||
| OAP | Request for examination filed | ||
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| OD | Request for examination | ||
| D2 | Grant after examination | ||
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