DE2952885C2 - Vorrichtung zur berührungslosen Ultraschallfehlerprüfung - Google Patents
Vorrichtung zur berührungslosen UltraschallfehlerprüfungInfo
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Description
nungen näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 ein Diagramm, das die Wellenform eines impulsförmigen
Laserstrahls wiedergibt;
Fig.2 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen
dem Einfallswinkel des Laserstrahls bezüglich dem zu überprüfenden Werkstück und der Intensität der erzeugten
Ultraschallwelle darstellt;
F i g. 3 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur berührungslosen Ultraschallfehlerprüfung in Draufsicht,
F i g. 4 in Seitenansicht und
Fig.5 in Vorderansicht entlang der Linie V-V der
Fig. 4,
F i g. 6 ein anderes Ausführungsbeispiel in Draufsicht,
ρ ΐ £Tt 7 in Seitenansicht und
Fig.8 in Vorderansicht entlang der Linie VHI-VHI
der F i g. 7,
F i g. 9 eine detaillierte Darstellung des Ausführungsbeispiels gemäß F i g. 6 in Vorderansicht und
Fig. 10 in Seitenansicht entlang der Linie X-X der
Fig. 9,
F i g. 11 eine Taktsignalerzeugungsscheibe in geschnittener
Seitenansicht und
F i g. 12 in Draufsicht,
Fig. 13 eine schema tische Abbildung der Reflexion des Laserstrahls auf der Reflexionsfläche des Drehspiegels,
Fig. 14 ein schematisches Blockdiagramm einer
Steuereinheit der Abtastvorrichtung gemäß F i g. 9,
Fig. 15A bis 15F Signaldiagramme zur Verdeutlichung der Arbeitsweise der Steuereinheit gemäß F i g. 1,
F i g. 16 eine elektromagnetische Sonde für Longitudinalwellen
bei abgenommenem Bodendeckel in Vorderansicht und
F i g. 17 in geschnittener Seitenansicht entlang der Linie
XVII-XVII der F i g. 16,
F i g. 18 eine elektromagnetische Sonde für Transversalwellen
bei abgenommenem Bodendeckel in Vorderansicht und
F i g. 19 in geschnittener Seitenansicht entlang der Linie XIX-XiX der F i g. 18,
F i g. 20 eine elektromagnetische Sonde für Oberflächenwellen bei abgenommenem Bodendeckel in Vorderansicht
und
F i g. 21 in geschnittener Seitenansicht entlang der Linie XXI-XXI der F i g. 20.
F i g. 1 zeigt eine Wellenform eines Nd-Impulslasers.
Ein steiler Anstieg der Welle zur Erzeugung von Ultraschallwellen ist von Vorteil. Die Frequenzen der durch
einen derartigen Impulslaser erzeugten Ultraschallwellen reichen von mehreren zehn kHz bis zu mehreren
hundert MHz. Sieht man ein geeignetes Bandpaß-Frequenzfilter auf der Empfangsseite vor, so kann die Fehlersuche
bei einer optimalen Frequenz, die auf die Eigenschaften des zu untersuchenden Materials (Dicke,
Ultraschalldämpfungswert) und der Größe des zu erfassenden Fehlers abgestimmt ist, durchgeführt werden.
Fig.2 zeigt eine experimentell gewonnene Beziehung
zwischen dem Einfallswinkel des Laserstrahls auf das Material und der Intensität der erzeugten Ultraschallwellen.
Wie aus F i g. 2 ersichtlich, ist die Intensität der Ultraschallwellen im wesentlichen unabhängig vom
Einfallswinkel des Laserstrahls. Daraus folgt, daß der Einfallswinkel des Laserstrahls beispielsweise durch
Spiegel frei geändert und die Oberfläche des zu überprüfenden Materials in weitem Maße abgetastet werden
kann.
Im folgenden wird eine Vorrichtung zur Laserstrahlabtastung einer Oberfläche eines zu überprüfenden
Werkstücks unter Verwendung eines Drehspiegels beschrieben. In den F i g. 3,4 und 5 wird das zu überprüfende
Werkstück fortwährend in die durch einen Pfeil gekennzeichnete Richtung befördert. Über einer der beiden
Oberflächen des Werkstücks 4 (in dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Oberseite) sind ein Laserstrahlgenerator
12, ein Drehspiegel 13 und ein Drehantrieb 14 befestigt.
Unter der anderen Oberfläche des Werkstücks (im gezeigten Ausführungsbeispiel der Unterseite) ist eine
Vielzahl von elektromagnetischen Ultraschallsonden 5 in bestimmtem Abstand entlang der Breite senkrecht
zur Förderrichtung des Werkstücks 4 angeordnet.
!5 Der Drehspiegel 13 besteht aus einem regelmäßigen polygonalen Prisma (im gezeigten Ausführungsbeispiel
aus einem sechseckigen Prisma), wobei eine entlang der Mittelachse vorgesehene Welle 131 parallel zur Förderrichtung
des Werkstücks 4 ausgerichtet ist. Der Drehspiegel 13 wird durch den Drehantrieb 14 in Drehung
versetzt. Auf dem Drehspiegel 13 befinden sich η Flächen, die die Umfangsfläche des polygonalen Prismas
darstellen (in dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind es sechs Flächen) und als Reflexionsflächen 132 ausgebildet
sind. Wie aus F i g. 5 ersichtlich, ist der Drehspiegel 13 in einem angemessenen Abstand von der Oberfläche
des zu überprüfenden Werkstücks 4 derart angeordnet, daß der nahe einem vorderseitigen Ende R der
Reflexionsfläche 132 — in bezug auf die Drehrichtung des Drehspiegels 13 — einfallende Laserstrahl L zum
einen Rand O\ des Werkstücks 4 reflektiert wird und
daß der Laserstrahl, der nahe einem rückwärtigen Ende R2 der Reflexionsfläche 132 — in bezug auf die Drehrichtung
des Drehspiegels 13 — einfällt, zum anderen Rand O2 des Werkstücks 4 reflektiert wird.
Der Laserstrahlgenerator 12 ist nach oben gerichtet und in einem bestimmten Höhenwinkel in einer, die
Welle 131 des Drehspiegels 13 einschließenden senkrechten Ebene, auf den unteren Teil der Reflexionsfläehe
132 des Drehspiegels 13 gerichtet Der Lasergenerator 12 besteht beispielsweise aus eine YAG: Nd-Laser
(Yttrium-Aluminium-Granat: Nd-Laser), der eine im Infrarotbereich liegende Wellenlänge aufweist und mit
dem sehr kurze impulsförmige Laserstrahlen (Fig. 1) in
einer bestimmten Periode ausgesendet werden können.
Der Laserstrahl trifft auf die Reflexionsfläche 132, die
sich zur Unterseite des Drehspiegels 13 hin bewegt hat, wird reflektiert und trifft dann auf die Oberfläche des zu
überprüfenden Werkstücks 4. Der Drehspiegel 13 wird
so durch den Drehantrieb 14 gedreht Wie in F i g. 5 gezeigt,
wird der Projektionspunkt des Laserstrahls auf der Oberfläche des zu überprüfenden Werkstücks 4 in
der Breite des Werkstücks 4 in Erwiderung auf die Winkeländerung der Reflexionsfläche 132 bewegt, so daß
demzufolge die Oberfläche des Werkstücks 4 entlang des Weges S — wie in F i g. 3 gezeigt — abgetastet wird.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel wird als regelmäßiges polygonales Prisma ein sechsseitiges Prisma
mit einer Geschwindigkeit von 1/6 Hz gedreht Der impulsförmige Laserstrahl trifft mit einer Frequenz von
100 Hz auf. Während einer Drehung des Drehspiegels 13 um 360° In (im Ausführungsbeispiel 60°) wird der auf
den Drehspiegel 13 einfallende Laserstrahl etwa um 720°Ίπ (in dem Ausführungsbeispiel 120°) abgelenkt,
durch die Reflexionsflächen 132 reflektiert und auf 100
Punkte projiziert, die sich in gleichmäßigem Abstand über die Breite des Werkstücks 4 verteilen. Demgemäß
kann durch eine einzige Abtastung in Richtung der Brei-
te des zu überprüfenden Werkstücks 4 das Werkstückmaterial an 100 Stellen bzw. Punkten überprüft werden.
Ebenso kann man durch Verdoppelung der Rotationsgeschwindigkeit des Drehspiegels auf 1/3 Hz durch eine
einzige Abtastung in Richtung der Breite des Werkstücks 4 das Material an 50 Punkten überprüfen.
Der Abtastbereich des Laserstrahls kann beliebig eingestellt werden, indem man den Drehspiegel 13 in Form
eines geeigneten regelmäßigen polygonalen Prismas ausführt und den Drehspiegel 13 in einem entsprechenden
Abstand zum Werkstück 4 anordnet. Die Abtastgeschwindigkeit kann beliebig variiert werden, indem man
die Rotationsgeschwindigkeit des Drehspiegels 13 durch den Drehantrieb 14 entsprechend einstellt. Der
Abstand zweier benachbarter Strahlorte des Laserstrahls auf der Oberfläche des zu überprüfenden Werkstücks
4 kann durch Änderung der Emissionsperiode des Laserstrahls beliebig gewählt werden.
Durch den Aufprall des Laserstrahls wird eine Ultraschallwelle in dem zu überprüfenden Werkstück 4 erzeugt.
Diese Ultraschallwelle wird durch die Ultraschallsonde 5 empfangen und zum Fehlerdetektor 7
übertragen. Ein Rotationssynchronisiersignal für den Drehspiegel 13 wird vom Fehlerdetektor 7 vorgesehen
und die empfangenen Echos, die den Abtastpunkten des Laserstrahls entsprechen, werden im Bildschirm des
Fehlerdetektors 7 angezeigt.
Eine Projektion des Laserstrahls auf das zu überprüfende Werkstück 4 wird — unter den oben beschriebenen
Bedingungen — an 100 Punkten (Strahlorten) durchgeführt Die Ultraschallsonden 5 können unterhalb
des Werkstücks 4 angeordnet sein, und zwar für jeden Strahlort eine Sonde oder in einer verringerten
Anzahl, so daß dann eine Sonde mehrere Projektionspunkte erfaßt. Der Ultraschallwellenempfang mit Hilfe
der Ultraschallsonden 5 wird elektrisch oder mechanisch synchron mit der Abtastung des Laserstrahls
durchgeführt
Das gezeigte Ausführungsbeispiel, bei dem die Ultraschallsonden 5 auf der dem Drehspiegel 13 abgewandten
Seite des Werkstücks 4 angeordnet sind, stellt ein Durchstrahlungsverfahren dar. Jedoch können die Ultraschallsonden
5 auch auf der gleichen Seite, auf der sich der Drehspiegel 13 befindet, vorgesehen werden,
um ein Reflexionsverfahren durchführen zu können. Weiterhin kann eine Oberflächenwellensonde zum Erfassen
von Oberflächenfehlern benutzt werden.
Wie aus F i g. 5 ersichtlich, ändert sich der Einfallswinkel des Laserstrahls vom Drehspiegel 13 zur Oberfläche
des zu überprüfenden Werkstücks 4 mit der Lage des Strahlorts. Die experimentellen Ergebnisse gemäß
F i g. 2 bestätigen, daß die Variation des Einfallswinkels des Laserstrahls nur geringe Auswirkungen auf den Ultraschallerzeugungspegel
hat In der Tat ist die Abnahme des Ultraschallerzeugungspegels mit der Zunahme des Einfallswinkels, wie aus F i g. 2 ersichtlich, so gering,
daß die Fehlerprüfung dadurch nur wenig beeinträchtigt wird.
Mit Bezug auf die Fig.6 bis 15 wird im folgenden
eine Vorrichtung zur Überprüfung eines Werkstücks mit relativ großer Breite beschrieben. Die F i g. 6,7 und
8, die den Fig.3, 4 bzw. 5 entsprechen, zeigen das Grundprinzip der Vorrichtung zum Abtasten der Oberfläche
des Werkstücks. In diesen Figuren sind hinsichtlich der verschiedenen Ansichten gleiche Teile mit einer
gleichen Bezugsnummer bzw. Bezeichnet versehen, so daß sich eine detaillierte Erläuterung hierzu erübrigt
Die in den F i g. 6,7 und 8 gezeigte Vorrichtung unterscheidet
sich von der in den F i g. 3, 4 und 5 gezeigten Vorrichtung in den folgenden vier Punkten. Erstens ist
eine Vielzahl von Drehspiegeln 13a, 136,13c... (drei im
Ausführungsbeispiel) längs der Breite des zu überprüfenden Werkstücks 4 in vorbestimmtem Abstand angeordnet.
Zweitens ist zwischen dem Drehantrieb 14 und den Drehspiegeln 13a, 136, 13c... ein Getriebesystem
16 zur gemeinsamen Drehung der Vielzahl von Drehspiegeln zwischengeschaltet. Drittens sind mehrere teilweise
durchlässige Spiegel 15a, 156, 15c ... entsprechend den Drehspiegeln 13a, 136 bzw. 13c... vorgesehen,
um den Laserstrahl L vom Laserstrahlgenerator 12 auf die Drehspiegel umlenken zu können. Der am Ende
des Aufbaus angeordnete Spiegel ist ein total reflektierender Spiegel. Viertens sind die Sonden entsprechend
dem Prinzip des Reflexionsverfahrens angeordnet Die Ultraschallsonden 5 können jedoch auch nach dem Prinzip
des Durchstrahlungsverfahrens, wie in Fig.5 gezeigt,
angeordnet werden.
Wie aus F i g. 6 ersichtlich, trifft der von dem Laserstrahlgenerator
12 emittierte Laserstrahl L auf eine Reflektorgruppe, die aus einer Vielzahl (im Ausführungsbeispiel sind es zwei) parallel angeordneter, teilweise
durchlässiger Spiegel 15a, 156 und einem total reflektierenden Spiegel 15c besteht. Diese Spiegel sind entlang
der Ablenkung des Laserstrahls angeordnet, wobei diese zum Laserstrahl in einem bestimmten Winkel (im
Ausführungsbeispiel 45°) liegen. Die teilweise durchlässigen Spiegel 15a, 156 und der hinter diesen angeordnete
total reflektierende Spiegel 15c sind jeweils über der Mitte von drei gleich breiten, sich senkrecht zur Förderrichtung
des Werkstücks 4 erstreckenden Bereiche angeordnet Die teilweise durchlässigen Spiegel 15a und
15b weisen einen Durchlässigkeitsfaktor von 2/3 bzw. 1/2 auf. Demzufolge wird ein Drittel der gesamten Menge
des von dem Lasergenerator 12 emittierten Laserstrahls L durch den teilweise durchlässigen Spiegel 15a
abgelenkt Zwei Drittel der gesamten Menge des Laserstrahls L wird durch den teilweise durchlässigen Spiegel
15a durchgelassen und erreicht den teilweise durchlässigen Spiegel 156 und wird dadurch zur Hälfte der einfallenden
Menge oder zu einem Drittel der gesamten Menge des Laserstrahls reflektiert, während die andere Hälfte
der auf den teilweise durchlässigen Spiegel 156 einfallenden Menge oder ein Drittel der gesamten Menge des
Laserstrahls L durch den teilweise durchlässigen Spiegel 156 hindurchgelassen und an dem Spiegel 15c total
reflektiert wird. Insgesamt gesehen beträgt die Menge des durch jeden der teilweise durchlässigen Spiegel 15a,
so 156 und des total reflektierenden Spiegels 15c abgelenkten Lichts ein Drittel der von dem Laserstrahlgenerator
12 emittierten Menge des Laserstrahiiichts. Somit treffen die drei parallelen Laserstrahlen jeweils mit gleicher
Lichtmenge auf die unterseitigen Flächen der entsprechend angeordneten Drehspiegel 13a, 136 bzw. 13c auf.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel besteht die Reflektorgruppe aus drei Elementen, nämlich aus zwei teilweise durchlässigen Spiegeln und einem total reflektierenden Spiegel. Im allgemeinen kann die Reflektorgruppe insgesamt aus π Elementen bestehen, nämlich aus n— 1 teilweise durchlässigen Spiegeln und einem total reflektierenden Spiegel. Bei diesem allgemeinen Aufbau werden die Durchlässigkeitsfaktoren der nacheinander entlang des Weges des Laserstrahls L angeordneten Spiegeln zu(n— \)ln,(n—2)/(n— \\... 1/2, bestimmt, so daß der Laserstrahl L in π gleiche Teile, die auf die entsprechenden Drehspiegel auftreffen, aufgespalten wird.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel besteht die Reflektorgruppe aus drei Elementen, nämlich aus zwei teilweise durchlässigen Spiegeln und einem total reflektierenden Spiegel. Im allgemeinen kann die Reflektorgruppe insgesamt aus π Elementen bestehen, nämlich aus n— 1 teilweise durchlässigen Spiegeln und einem total reflektierenden Spiegel. Bei diesem allgemeinen Aufbau werden die Durchlässigkeitsfaktoren der nacheinander entlang des Weges des Laserstrahls L angeordneten Spiegeln zu(n— \)ln,(n—2)/(n— \\... 1/2, bestimmt, so daß der Laserstrahl L in π gleiche Teile, die auf die entsprechenden Drehspiegel auftreffen, aufgespalten wird.
Das gezeigte Ausführungsbeispiel wird unter Verwendung eines total reflektierenden Spiegels 15c beschrieben,
der den Laserstrahl auf den letzten Drehspiegel 13c ablenkt. Jedoch kann der total reflektierende
Spiegel auch durch einen teilweise durchlässigen Spiegel ersetzt werden, so daß die Reflektorgruppe nur noch
aus teilweise durchlässigen Spiegeln besteht. Bei dieser Anordnung besitzen die teilweise durchlässigen Spiegel,
die näher am Laserstrahlgenerator 12 liegen, einen größeren Durchlässigkeitsfaktor als bei vorstehend beschriebenem
Ausführungsbeispiel, so daß die Mengen des abgelenkten Lichts, die auf die Drehspiegel auftreffen,
jeweils gleich groß sind.
Bei der Anordnung, bei der die Reflektorgruppe nur aus teilweise durchlässigen Spiegeln besteht, wird ein
Tei! des Laserstrahls durch den den total reflektierenden Spiegel 15c ersetzenden, teilweise durchlässigen
Spiegel aus der Reflektorgruppe heraus übertragen. Jedoch kann, wie im folgenden beschrieben, der abgeleitete
Teil des Laserstrahls zur Synchronisierung der Drehung der Drehspiegel mit dem Abtastvorgang der Ultraschallsonden
5 herangezogen werden.
Die Drehspiegel 13a, 136 und 13c sind oberhalb der Bereiche des zu überprüfenden Materials 4 angeordnet,
und zwar in gleichem Abstand von den teilweise durchlässigen Spiegeln 15a und 15b bzw. dem total reflektierenden
Spiegel 15c in Förderrichtung des Werkstücks 4. Die Drehspiegel 13a, 136 und 13c sind mit dem Drehantrieb
14 über das Getriebesystem 16 in Form eines Steuer- bzw. Synchronisierriemens oder eines Getriebes
derart verbunden, daß die Drehspiegel in gleiche Richtung und mit gleicher Geschwindigkeit angetrieben
werden können.
Wie aus F i g. 8 ersichtlich, sind die Drehspiegel 13a,
136 und 13c in Form von sechskantigen Prismen ausgeführt, die auf der Außenfläche sechs Reflexionsflächen
132a, 1326 bzw. 132c und parallel zur Förderrichtung des Werkstücks 4 ausgerichtete Wellen 131a, 1316 bzw.
131c aufweisen. Die Laserstrahlen L, die durch die teilweise
durchlässigen Spiegel 15a und 156 sowie den total reflektierenden Spiegel 15c abgelenkt werden, treffen
auf die unterseitigen Reflexionsflächen (d. h. auf die der Oberseite des zu überprüfenden Werkstücks 4 gegenüberliegenden
Reflexionsflächen) 132a, 1326 bzw. 132c der Drehspiegel 13a, 136 bzw. 13c auf, werden dort
reflektiert und treffen dann auf die entsprechenden Bereiche des Werkstücks 4 auf. Während sich die Drehspiegel
13a, 136 bzw. 13c um 60' um die Wellen 131a, 1316 bzw. 131c drehen, verschieben sich die Strahlorte
der reflektierten Laserstrahlen L nach und nach über einen Winkel von etwa 120°, und zwar von dem einen
lxcLiiu v^i £.ULU alluvial! ivaiiu \S2 UC9 JC WClUgCU DCICUJlId.
Obwohl die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel dargestellten Drehspiegel als regelmäßige sechskantige
Prismen ausgeführt sind, können diese ebenso in anderen Formen, wie z. B. in Form von regelmäßigen acht-
oder zwölfseitigen Prismen usw. ausgestaltet werden.
Werden Drehspiegel in Form von polygonalen Prismen verwendet, so ergibt sich, da die Reflexionsrichtung
des Laserstrahls um etwa 720° In variiert, folgender Zusammenhang:
Je kleiner die Werte von η sind, desto breiter wird der
Projektionsbereich, nämlich der Fehlerprüfbereich am Werkstück 4 durch den Laserstrahl. Andererseits, je
größer die Werte von π sind, desto enger wird der Fehlerprüfbereich.
Durch Änderung des Wertes von π kann die Breite des Fehlerprüfbereichs des Laserstrahls beliebig
eingestellt werden. Die Breite des Fehlerprüfbereichs kann ebenso dadurch eingestellt werden, daß man
die Höhe der Drehspiegel bezüglich der Oberfläche des zu überprüfenden Werkstücks 4 ändert.
Mit Bezug auf die F i g. 9 bis 15 wirrl ein detaillierter Aufbau und die Wirkungsweise einer Abtastvorrichtung beschrieben. Die F i g. 9 und 10 stellen Ansichten dar, die im wesentlichen den der F i g. 8 und 7 entsprechen. Die F i g. 9 und 10 zeigen in spezieller Weise eine Wellenleitung 100, die zur Führung des Laserstrahls L entlang eines bestimmten Weges dient, den Drehspiegel 13a, Sektorwellenleitungen 101 zur Führung der von den Drehspiegeln reflektierten Laserstrahlen, wärmebeständige Gläser 110, der !>ehantrieb 14, das Getriebesystem 16, einen Taktsignalgenerator 200, eine Sondenhaltevorrichtung 300 und eine Abdeckung 103 zum Schutz des Drehantriebs, des Getriebesystems und der Drehspiegel.
Mit Bezug auf die F i g. 9 bis 15 wirrl ein detaillierter Aufbau und die Wirkungsweise einer Abtastvorrichtung beschrieben. Die F i g. 9 und 10 stellen Ansichten dar, die im wesentlichen den der F i g. 8 und 7 entsprechen. Die F i g. 9 und 10 zeigen in spezieller Weise eine Wellenleitung 100, die zur Führung des Laserstrahls L entlang eines bestimmten Weges dient, den Drehspiegel 13a, Sektorwellenleitungen 101 zur Führung der von den Drehspiegeln reflektierten Laserstrahlen, wärmebeständige Gläser 110, der !>ehantrieb 14, das Getriebesystem 16, einen Taktsignalgenerator 200, eine Sondenhaltevorrichtung 300 und eine Abdeckung 103 zum Schutz des Drehantriebs, des Getriebesystems und der Drehspiegel.
Diese Teile und Mechanismen sind, obwohl in den Zeichnungen nicht gezeigt, individuell oder untereinander
mit geeigneten hitzebeständigen bzw. wasserkühlenden Konstruktionen versehen. Beispielsweise bestehen
die Wellenleitung 100 und die Abdeckung 103 aus einer doppelwandigen Konstruktion, und die Sektorwellenleitungen
101 werden durch Kühlrohre gekühlt.
Mit Bezug auf die Fig. 11 bis 14 wird im folgenden
der Taktsignalgenerator 200 beschrieben. Bei oü:l.t.
Ausführungsbeispiel ist der Drehspiegel 13 in Form eines regelmäßigen, achtseitigen Prismas ausgebildet und
führt fünf Schritte einer intermittierenden zusätzlichen Drehung bezüglich einer Reflexionsfläche 132 durch.
Der Taktsignalgenerator 200 ist somit derart ausgestaltet, daß, während der Drehspiegel in Ruhe ist, ein impulsförmiger
Laserstrahl ausgesendet wird. Demgemäß stellt der Taktsignalgenerator 200 die Synchronisation
zwischen der intermittierenden zusätzlichen Drehung des Drehspiegels 13, der von dem impulsförmigen Laserstrahl
abgetasteten Ultraschall-Schwingungsstelle und der elektromagnetischen Ultraschallsonde 5, die die
Empfangsstelle darstellt, sicher.
Der Taktsignalgenerator 200 hat einen üblichen Aufbau und weist eine Drehscheibe 210, eine Lichtquelle
220 und einen Lichtdetektor 230 auf. Die Drehscheibe 210 ist mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern 211
versehen, die in einer bestimmten Lagebeziehung — wie aus Fig. 12 ersichtlich — verteilt sind. Die Lagebeziehung
der Durchgangslöcher 211 in der Drehscheibe 210 wiederholt sich für jeden Reflexionsoberflächenwinkel
#(im gezeigten Ausführungsbeispiel ist ©gleich 20°). Bei einem Reflexionsoberflächenwinkel ösind die
Durchgangslöcher 211 an Stellen vorgesehen, die für jeden stufenweisen zusätzlichen Drehwinkel Φ (im gezeigten
Aüsführungsbeispiel beträgt Φ = 4°) vorbestimmt
sind. Der Lichtstrahl, der durch eines der Durchgangslöcher 211 hindurchgelassen wird, wird durch den
vorbestimmten Lichtdetektor 230 erfaßt und durch eine in F i g. 14 dargestellte Steuereinheit weiterverarbeitet
Beträgt der Reflexionsoberflächenwinkel θ = 20°,
der Radius des Laserstrahls etwa 8 mm und der Radius des Drehspiegels etwa 300 mm, so ergibt sich in F i g. 13
der schrittweise zusätzliche Drehwinkel Φ vorzugsweise zu 2°, 6°, 10°, 14° oder 18° im Hinblick auf das
Vorhandensein der Totzonen an den Kanten des Drehspiegels.
F i g. 14 zeigt eine schematische Anordnung einer Abtaststeuereinheit für einzelne oder eine Gruppe von elektromagnetischen Ultraschallsonden 5. Die F i g. 15A bis 15F stellen Signaldiagramme dar, die die Arbeitsweise der Steuereinrichtung der F i g. 14 verdeutlichen. Ein
F i g. 14 zeigt eine schematische Anordnung einer Abtaststeuereinheit für einzelne oder eine Gruppe von elektromagnetischen Ultraschallsonden 5. Die F i g. 15A bis 15F stellen Signaldiagramme dar, die die Arbeitsweise der Steuereinrichtung der F i g. 14 verdeutlichen. Ein
Impuls- bzw. Schrittmotor 141 des Drehantriebs 14 führt eine schrittweise zusätzliche Drehung in Erwiderung
auf ein von einem Oszillator 142 empfangenes Impulssignal durch (während »EIN« in F i g. 15A).
Ein in F i g. 15B dargestelltes Signal, das in einer vorbestimmten
Periode von einem ersten Lichtdetektor 231 übertragen wird und ein in Fig. 15C dargestelltes
Signal, das um eine bestimmte Zeitdauer verzögert ist und von einem voreinstellbaren Zähler 143 herrührt,
werden an den Oszillator 142 angelegt, der wiederum in einem bestimmten Zeitablauf »EIN-AUS« gemäß
Fig. 15A wiederholt.
Während der Schrittmotor 141 anhält, empfängt die elektromagnetische Ultraschallsonde 5a ein Signal von
einem zweiten Lichtdetektor 232 und ein Signal (Fig. 15C) von dem voreinstellbaren Zähler 143 und
wird in Empfangsstellung (F i g. 15D) für eine bestimmte
Zeitdauer betrieben. Zu diesem Zeitpunkt empfängt die elektromagnetische Ultraschallsonde 5 einen Ultraschallimpuls,
der von einem impulsförmigen Laserstrahl L von bestimmter, sich wiederholender Frequenz
(Fig. 15E) herrührt und überträgt die Ergebnisse der Fehlersuche an den Fehlerdetektor 7. Der Laserstrahl L
wi. ·.! dabei von dem Laserstrahlgenerator 12 erzeugt
Der voreinstellbare Zähler 143 wird durch ein Rücksetzsignal
vom ersten Lichtdetektor 231 zurückgesetzt (Fig. 15F) und beginnt die Laserschwingungsimpulse
von dem Laserstrahlgenerator 12 zu zählen. Ist ein bestimmter Wert gezählt, so überträgt der Zähler 143 das
Signal gemäß F i g. 15C und beendet den Zählvorgang.
Anschließend dient ein Signal von einem dritten Lichtdetektor 233 als Startsignal für die elektromagnetische
Ultraschallsonde 5b. Der gleiche Vorgang wiederholt sich dann bezüglich der Sonden 5c; 5c/und Se nacheinander
für jede schrittweise zusätzliche Drehung des Schrittmotors.
Mit Bezug auf die Fig. 16 bis 21 werden Ausführungsbeispiele
der elektromagnetischen Ultraschallsonde 5 beschrieben. Die in den Fig. 16 und 17 gezeigte
Ultraschallsonde 5a ist für Longitudinalwellen, die in den Fig. 18 und 19 gezeigte Ultraschallsonde Sb für
Transversalwellen und die in den F i g. 20 und 21 gezeigte Ultraschallsonde 5c für Oberflächenwellen geeignet.
In den Fig. 16 und 17 kennzeichnet das Bezugszeichen
51 ein wasserdichtes Gehäuse, das folgende Teile aufweist: eine zylindrische Seitenwand 511, eine scheibenförmige
obere Deckplatte 512, die mit dem oberen Ende der Seitenwand 511 integrierend verbunden ist
eine scheibenförmige Bodenplatte 514, die am unteren Ende der Seitenwand 511 mit dieser über eine Dichtung
513 verschraubt ist und deren Mittelbereich in Art einer runden öffnung ausgeschnitten ist sowie eine Keramikplatte
515 aus hochwiderstandsfähigem und hitzebeständigem Material wie z. B. einem hochlegierten Aluminiummaterial;
diese Keramikplatte ist in die zentrale öffnung der Bodenplatte 514 eingepaßt und mit dieser
mit einem hitzebeständigen Klebstoff verklebt Die obere Deckplatte 512, die Seitenwand 511 und die Bodenplatte
514 sind aus nichtmagnetischem Material, wie z. B. aus austenitischem, rostfreiem Stahl od. dgl, gefertigt
Das Bezugszeichen 52 bezeichnet einen zentralen Pol aus magnetischem Material, wobei die obere Hälfte ein
quadratisches Prisma darstellt, dessen horizontale Seite etwas langer als ein Drittel des Innendurchmessers des
Gehäuses ist Die untere Hälfte läuft nach unten trichterförmig in Art eines umgekehrten konischen Kegelstumpfes zu. Die Höhe des zentralen Pols 52 ist etwas
geringer als die Innentiefe des Gehäuses 51. Der zentrale Pol 52 ist in der Mitte des Gehäuses 51 derart angeordnet,
daß sich die Oberfläche gegenüber dem Mittelteil der oberen Deckplatte 512 und die untere Fläche
s gegenüber dem Mittelteil der Keramikplatte 515 befindet.
Auf der Umfangsfläche des zentralen Pols 52 sind von
oben nach unten folgende Teile vorgesehen:
Ein oberes Joch 53, ein ein statisches Magnetfeld bildender Permanentmagnet 54 und ein unteres Joch 55. Das obere Joch 53 besteht aus magnetischem Material, das in Form eines dicken Ringe'! mit einer zentralen Öffnung ausgebildet ist, dessen Durchmesser im wesentlichen der horizontalen Seitenlänge der oberen Hälfte des zentralen Pols 52 entspricht. Am oberen Ende der Innenwand des oberen Jochs 53 ist eine vergrößerte, kreisförmige Abstufung vorgesehen, in die ein an dem vorderen Ende des Pols 52 befindlicher Flansch 521 derart eingepaßt ist, daß der Pol 52 und das obere Joch 53 mit Hilfe mehrerer Gewindestifte 522 miteinander verbunden werden können. Das obere Joch 53 ist selbst mittels mehrerer Gewindestifte 531 an der oberen Deckplatte gehalten.
Der Permanentmagnet 54 ist ringförmig und weist eine Anzahl kleiner Würfel aus einem Edelerde-Magneten (wie z. B. Yttrium-Eisen-Granat) auf, die fest miteinander zur Ringform verbunden sind, wobei die Nordpole nach oben und die Südpole nach unten gerichtet sind. Der Permanentmagnet 54 weist einen Innendurch-
Ein oberes Joch 53, ein ein statisches Magnetfeld bildender Permanentmagnet 54 und ein unteres Joch 55. Das obere Joch 53 besteht aus magnetischem Material, das in Form eines dicken Ringe'! mit einer zentralen Öffnung ausgebildet ist, dessen Durchmesser im wesentlichen der horizontalen Seitenlänge der oberen Hälfte des zentralen Pols 52 entspricht. Am oberen Ende der Innenwand des oberen Jochs 53 ist eine vergrößerte, kreisförmige Abstufung vorgesehen, in die ein an dem vorderen Ende des Pols 52 befindlicher Flansch 521 derart eingepaßt ist, daß der Pol 52 und das obere Joch 53 mit Hilfe mehrerer Gewindestifte 522 miteinander verbunden werden können. Das obere Joch 53 ist selbst mittels mehrerer Gewindestifte 531 an der oberen Deckplatte gehalten.
Der Permanentmagnet 54 ist ringförmig und weist eine Anzahl kleiner Würfel aus einem Edelerde-Magneten (wie z. B. Yttrium-Eisen-Granat) auf, die fest miteinander zur Ringform verbunden sind, wobei die Nordpole nach oben und die Südpole nach unten gerichtet sind. Der Permanentmagnet 54 weist einen Innendurch-
messer auf, der der zentralen öffnung des oberen Jochs
53 entspricht und eine Höhe, die etwa der Hälfte des zentralen Pols 52 entspricht Der Permanentmagnet 54
wird auf die Außenseite des zentralen Pols 52 derart aufgepaßt, daß er sich von der quadratischen, prismatisehen
oberen Hälfte zu der in Form eines umgekehrten konischen Kegelstumpfes ausgebildeten unteren Hälfte
des Pols 52 erstreckt Der Permanentmagnet 54 ist mit der oberen Fläche an der unteren Fläche des oberen
Jochs 53 angeklebt
Das untere Joch 55 besteht aus einem magnetischen Material und ist von einer quadratischen, dünnen, schalenförmigen
Form, wobei der mittlere Bereich kreisförmig herausgeschnitten ist. Das untere Joch 55 ist an der
unteren Fläche des Permanentmagneten 54 mittels mehrerer Gewindestifte 551 befestigt Der Innendurchmesser
der zentralen öffnung des unteren Jochs 55 am oberen Ende entspricht dem des Permanentmagneten
54 oder des oberen Jochs 53. Jedoch ist der Innendurchmesser der zentralen öffnung des unteren Jochs 55 kleiner
als der Durchmesser am oberen Ende, so daß die unterseitige Innenkante 552 mit einem verhältnismäßig
kleinen Zwischenraum der Umfangsfläche des unteren Endes des Pols 52 gegenüberliegt In diesem Zwischenraum
bzw. Spalt ist eine Spule 56 mit mehreren Windungen angeordnet die das untere Ende des zentralen Po!s
52 umgibt Die gegenüberliegenden Enden der Spule 56 sind mit einem Kabel 561 verbunden, das sich von der
Unterseite des unteren Jochs 55 an dessen Seite nach oben zu einem Anschluß 562 für externe Geräte erstreckt
Der A'ißendurchmesser des oberen und unteren Jochs 53 und 55 sowie des Permanentmagneten 54 sind
so bestimmt daß sich ein äußerer ringförmiger Raum 516 zwischen diesen und der Seitenwand 511 des Gehäuses
ergibt Die obere Deckplatte 512 ist mit jeweils zwei langen Wasserrohren 57a und z-wei kurzen Wasserrohren
576 versehen, die wechselweise entlang der Umfangsfläche der Deckplatte 512 in gleichem Winkel-
abstand angeordnet sind, damit der äußere ringförmige
Raum 516 mit der Außenseite in Verbindung steht. Die kurzen Wasserrohre 57 6 erstrecken sich mit ihren unteren Enden ein wenig unter die Deckplatte 512 und die
langen Wasserrohre 57a erstrecken sich mit ihren unteren Enden bis nahe an die Bodenplatte 514. Die langen
Wasserrohre 57a stehen mit einer externen Wasserquelle (nicht gezeigt) in Verbindung, um Wasser als Kühlmedium, wie durch die Pfeile angedeutet, in das Gehäuse 51
einführen zu können. Die kurzen Wasserrohre 576 hingegen dienen, wie durch die Pfeile angedeutet, zum Ausschleusen des Wassers aus dem Gehäuse 51.
Da die untere Hälfte des zentralen Pols Ki in Form
eines umgekehrten konischen Kegelstanipfes ausgebildet ist, entsteht zwischen der unteren Hälfte des Pols 52
und der inneren Umfangsfläche des Permanentmagneten 54 ein Innenraum 541. Auf der äußeren Umfangsfläche der prismatischen oberen Hälfte des zentralen PoU
52 sind eine angemessene Zahl von senkrechten Kanälen 542 vorgesehen, damit der Innenraum 541 mit einem
kleinen Zwischenraum 53Γ in Verbindung steht Dieser Zwischenraum 531' wird zwischen der Oberfläche des
zentralen Pols 52 und der Unterseite der oberen Deckplatte 512 ausgebildet Die obere Deckplatte 512 ist mit
zwei Wasserrohren 58 versehen, die symmetrisch bezüglich der Mitte der oberen Deckplatte 512 angeordnet sind, damit der kleine Zwischenraum 531' mit der
Außenseite in Verbindung steht Eines der Wasserrohre 58 steht mit einer Wasserquelle in Verbindung, damit
Wasser, wie durch einen Pfeil angedeutet, in das Gehäuse eingeführt werden kann. Das andere Wasserrohr 58
dient hingegen zum Ausschleusen des Wassers aus dem Gehäuse, wie dies durch einen Pfeil angedeutet ist Anstelle der senkrechten Kanäle 542 können ebenso im
zentralen Pol 52 Wasserlöcher vorgesehen werden, damit der kleine Zwischenraum 531' mit dem Innenraum
541' in Verbindung steht
Wie oben beschrieben, wird das Innere des Gehäuses 51 mit Wasser gekühlt, das von einer externen Quelle
geliefert wird. Aus diesem Grund sind der Permanentmagnet 54, das obere und untere Joch 53 und 55 und der
zentrale Pol 52 mit einem Rostschutz oder an den Umfangsflächen mit einem Metall zur Verhinderung von
Korrosion überzogen.
Der Magnetkreis der Ultraschallsonde 5a für Longitudinalwellen weist den das statische Magnetfeld bildenden Permanentmagneten 54, das obere und untere
Joch 53 und 55 und den zentralen Pol 52 auf. Da der magnetische Fluß zwischen dem zentralen Pol 52 u-.;d
dem unteren Joch 55 nach außen tritt, wird das; zu überprüfende Material, das gegenüber der Bodenplatte 514
bzw. der Keramikplatte 515 angeordnet wurde, mit einem statischen Magnetfeld parallel zur Oberfläche des
Werkstücks 4 beaufschlagt
Mit Bezug auf die F i g. 18 und 19 wird die Sonde 56
für Transversalwellen beschrieben. In den Fig. 18 und 19 sind die gleichen, der Fig. 16 und der Fig. 17 entsprechenden Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Das Gehäuse 51 ist wasserdicht und weist die Seitenwand 511, die obere Deckplatte 512, die Bodenplatte
514 und die Keramikplatte 515, entsprechend dem Gehäuse 51 der F i g. 26 und 27 auf. Die Seitenwand 511, die
obere Deckplatte 512 und der Verbindungsteil der Bodenplatte 514 mit der Seitenwand bestehen aus einem
magnetischen Material, wie z. B. einem ferritischen, rostfreien Stahl, wohingegen der Mittelteil der Bodenplatte 514 mit Ausnahme des Verbindungsteils aus ei
nem nichtmagnetischen Material, wie z. B. einem austenitischen rostfreien Stahl SUS 304 besteht Der Permanentmagnet 54 ist prismatisch geformt und besteht aus
einer Anzahl kleiner Würfel eines Edelerde-Magneten, die fest miteinander zu der prismatischen Form verbunden sind, wobei die Nordpole nach oben und die Südpole nach unten gerichtet sind. Die Höhe des Permanentmagneten 54 ist etwas geringer als die innenseitige Tiefe
des Gehäuses Sl und die horizontale Länge etwa ein
ίο Drittel des Innendurchmessers der Seitenwand 511. Der
Permanentmagnet 54 ist innerhalb einer Halterung 59 aus Kupferblech fest eingepaßt Die Halterung 59 stellt
einen quadratsehen Tubus mit Boden dar. Die Halterung 59 ist h der Mitte des Gehäuses 51 angeordnet
wobei die urtat: Fläche der Halterung 59 der oberen
Fläche der Keramikplatte 515 mit einem kleinen Spalt
dazwischen gegenüberliegt Die Halterung 59 ist mit ihrem oberen Flansch mit Schrauben an der Unterseite
der oberen Deckplatte 512 und somit am Gehäuse 51
befestigt
Die Spule 56 ist in dem kleinen Spalt zwischen der Halterung 59 und der Keramikplatte 515 angeordnet
und ist konzentrisch zur Halterung 59 bzw. dem Permanentmagneten 54 an der Unterseite der Halterung 59
mit einem hit.ebeständigen Kleber aufgeklebt Die gegenüberliegenden Enden der Spule 56 sind über das
Kabel 561, das sich innerhalb des ringförmigen, durch die Seitenwand 511 und der Halterung 59 gebildeten
Raums 516 erstreckt, mit einem Anschluß 562 verbun
den, der auf der oberen Deckplatte 512 zur Verbindung
mit externen Geräten befestigt ist
Die obere Deckplatte 512 ist mit zwei langen Wasserrohren 57a, deren untere Enden bis in die Nähe der
Bodenplatte 514 reichen, und zwei kurzen Wasserroh
ren 57b versehen, die ein wenig unter die Deckplatte 512
reichen. Diese Rohre sind wechselweise entlang der Umfangskante in gleichem Winkelabstand zueinander
angeordnet Die langen Wasserrohre 57a stehen mit der externen Wasserquelle (nicht gezeigt) in Verbindung,
damit Wasser, wie durch den Pfeil verdeutlicht in das
dargestellt, wieder ausgeschleust
versalwellen besteht aus dem ein statisches Magnetfeld bildenden Permanentmagneten 54 und dem Gehäuse 51.
Da der Magnetfluß zwischen dem Permanentmagneten 54 und der Umfangskante der Bodenplatte 514 des Gehäuses 51 nach außen austritt, wird das z.u überprüfende
so Werkstück 4, das gegenüber der Umfangskante der Bodenplatte 514 bzw. der Keramikplatte 515 in Stellung
gebracht wurde, mit einem statischen Magnetfeld senkrecht zur Oberfläche beaufschlagt.
Mit Bezug auf die F i g. 20 und 21 wird die Ultraschall
sonde 5c für Oberflächenwellen beschrieben. In der
Fig. 20 und 21 werden für die den Fig. 16 und 17 entsprechenden Teile gleiche Bezugszeichen verwendet.
Das Gehäuse 51 ist wasserdicht ausgeführt und weisi
die Seitenwand 511, die obere Deckplatte 512, die Bo
denplatte 514 und die Keramikplatte 515 auf, wie im FaI der F i g. 16 und 17 sowie der F i g. 18 und 19. Die Seitenwand 511, die obere Deckplatte 512 und die Bodenplatt«
514 bestehen aus nichtmagnetischem Stahl, wie ζ. Β SUS 304. Der Permanentmagnet 54 ist prismatisch ge
formt und besteht aus einer Anzahl kleiner Würfel au; Edelerde-Magneten. Diese Würfel sind in Form de:
Prismas fest miteinander verbunden, wobei die Nord und Südpole in horizontaler Richtung liegen. Der Per
manentmagnet 54 weist die unteren Joche 552 auf, die an den gegenüberliegenden Seitenflächen des Permanentmagneten
54 angeklebt und an der oberen Deckplatte 512 mit Hilfe von Schrauben 531 befestigt sind.
Die Spule 56 ist mit einem h'tzebeständigen Klebstoff
an der Keramikplatte 535 befestigt. Die Spule 56 stellt,
wie in Fig.20 gezeigt, eine Zickzack-Spule dar, wobei
der Abstand gleich der halben zu erfassenden Wellenlänge ist Die gegenüberliegenden Enden der Spule 56
erstrecken sich entlang der Außenfläche des unteren Jochs 552 zu einem Anschluß 562, der zur Verbindung
mit externen Geräten dient
Die obere Deckplatte 512 ist mit zwei langen Wasserrohren 57a, dessen untere Enden nahe an die Bodenplatte
heranreichen sowie mit zwei kurzen Wasserrohren 576, deren untere Enden etwas unter die obere Deckplatte
512 reichen, versehen. Diese Rohre sind wechselweise entlang der Umfangskante in gleichem Winkelabstand
angeordnet Die langen Wasserrohre 57a führen Wasser von einer externen Wasserquelle, wie durch den
Pfeil verdeutlicht, in das Gehäuse 51 ein. Über die kurzen Wasserrohre 576 wird das Wasser aus dem Gehäuse
51, wie durch den Pfeil angedeutet, wieder nach außen ausgeschleust
Der Magnetkreis der Ultraschallsonde 5c für Oberflächenwellen besteht aus dem ein statisches Magnetfeld
bildenden Permanentmagneten 54 und den unteren Jochen 55. Da der Magnetfluß zwischen den beiden unteren
Jochen 55 austritt, wird das zu überprüfende Werkstück, das gegenüber der Keramikplatte 515 (Spule 56)
in Stellung gebracht wurde, mit einem statischen Magnetfeld parallel zur Materialoberfläche beaufschlagt.
Da die Spule 56 in einer Zickzack-Anordnung ausgeführt ist und der Strom in zwei benachbarten Windungen
in entgegengesetzten Richtungen fließt, fließen auf der Materialoberfläche Wirbelströme in entgegengesetzten
Richtungen in einem Abstand von λΙ2 und die senkrechte Schwingung kehrt sich in der Phase im Abstand
von Ml um, wodurch Oberflächenwellen hervorgerufen werden.
Die Ultraschallsonden 5a und 5b arbeiten im wesentlichen in der gleichen Weise, nur daß hier Ultraschallwellen
in Art von Longitudinalwellen bzw. Transversalwellen vorliegen, und zwar infolge der unterschiedlichen
Richtungen der statischen Magnetfelder, die in den zu überprüfenden Werkstücken ausgebildet werden.
Für den Edelerde-Magneten, der Bestandteil des ein statisches Magnetfeld bildenden Permanentmagneten
54 ist, gelten folgende charakteristische Werte:
remanente magnetische Flußdichte 8,5 KG bei 0,1 T,
Koerzitivkraft 8,25 Oe bei 0,1 T,
maximales Energieprodukt 18,0 MGO und
maximale Arbeitstemperatur 250° C.
von 140 bis 150 mm und eine Höhe von 60 bis 100 mm aufweisen. Um die Temperatur des Permanentmagneten
54 niedriger als 25O0C (höchste Betriebstemperatur
des Edelerde-Magneten) zu halten und um ungünstige Einflüsse infolge der Hitze des eine Temperatur von
800° C bis 12000C aufweisenden und zu überprüfenden
Werkstücks zu verhindern, muß die Sonde mit Wasser
— wobei nur zwei bis drei Liter pro Minute ausreichen
— gekühlt werden.
50
55
Die Ultraschallsonde wird — wie aus F i g. 4 oder 5 ersichtlich — in einem Abstand von 0,5—50 mm gegenüber
der Oberfläche des zu überprüfenden Werkstücks 4 angeordnet. Hierzu kann die Sonde in einer geeigneten
Abstützvorrichtung befestigt oder an der äußeren Umfangskante der Bodenplatte 514 mit einem hitze-
und verschleißfestem Schuh von geeigneter Dicke versehen werden, um die Abstützvorrichtung leicht zum
Werkstück 4 bewegen zu können, indem diese auf der ober- oder unterseitigen Fläche des Werkstücks 4 gleitet.
Die Ultraschallsonde kann einen Außendurchmesser Hierzu 13 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Vorrichtung zur berührungslosen Ultraschallfehlerprüfung von Werkstücken mit einem Laser-Strahlgenerator
zur Erzeugung eines die Oberfläche des zu überprüfenden Werkstücks linear abtastenden
impulsförmigen Laserstrahls, einer in der Nähe der Oberfläche des zu untersuchenden Werkstücks
angeordneten Ultraschallsondeneinrichtung zum Erfassen von infolge des Laserstrahleinfalls erzeugten
Ultraschallwellen, die sich im Material und entlang der Oberfläche mit unterschiedlichen Wellenmoden
fortpflanzen, und einer an die Ultraschallsondeneinrichtung angeschlossenen Anzeigeeinrichtung
zur Anzeige der Ergebnisse der Fehlerprüfung,
dadurch gekennzeichnet, daß
40
2. Vorrichtung nach Anspruch I1 dadurch gekennzeichnet,
daß
— im Strahlengang des Laserstrahls mehrere teilweise durchlässige Spiegel (15a, \5b) und ein
total reflektierender Spiegel (15c) zueinander parallel angeordnet sind und
— in von diesen Spiegeln (15a, 156,15c) reflektierten
Strahlengängen jeweils ein Drehspiegel (13a, 136, 13c) angeordnet ist zur Bildung aufeinanderfolgender,
zu einer jeweiligen ganzen Ablenkspur zusammengefügter Teilablenkspuren.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der wenigstens eine der Ultraschallsonden als elektromagnetische
Ultraschallsonde für Transversalwellen ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß
— für die Ultraschallsonde (5b) für Transversalwellen
ein geschlossenes Gehäuse (51) mit einer Deckplatte (512) und einer Seitenwand (511)
aus magnetischem Material und einer Bodenplatte (514) aus nichtmagnetischem Material
vorgesehen ist,
— ein Permanentmagnet (54), der das Werkstück mit einem senkrecht zur Werkstücksoberfläche
verlaufenden statischen Magnetfeld beaufschlagt, mit seiner Oberseite mit der Deckplatte
(512) verbunden ist und mit seiner Unterseite der Bodenplatte (514) gegenüberliegt,
— im Zwischenraum zwischen der Bodenplatte (514) und der Unterseite des Permanentmagneten
(54) eine Spule (56) vorgesehen ist und
— ein Ringraum (516) im Gehäuse (51) den Permanentmagneten für ein zirkulierendes Kühlmittel
umgibt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der wenigstens eine der Ultraschallsonden als elektromagnetische
Ultraschallsonde für Oberflächenwellen ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß
ein als polygonales Prisma ausgebildeter Drehspiegel
(13) mit seinen Reflexionsflächen den Laserstrahl auf die Oberfläche des zu überprü- —
fenden Werkstücks (4) reflektiert und der Drehspiegel (13) bei Drehung den Laserstrahl entlang
einer Geraden ablenkt,
die Ultraschallsondeneinrichtung mehrere Ultraschallsonden (5) für unterschiedliche Aus- —
die Ultraschallsondeneinrichtung mehrere Ultraschallsonden (5) für unterschiedliche Aus- —
breitungsarten der Ultraschallwellen aufweist, die entlang bzw. parallel zu der vom Laserstrahl
auf der Oberfläche des Werkstücks gebildeten Ablenkspur angeordnet sind, und 30 —
eine Abtaststeuereinrichtung (F i g. 14) an die Ultraschallsonden angeschlossen ist zur Steuerung
der Ein- und Ausschaltung der Ultraschallsonden (5) in Abhängigkeit von Taktimpulsen —
eines Taktsignalgenerators (200), der in Übereinstimmung mit der Drehspiegelbewegung die
Taktimpulse für das Ein- und Ausschalten des Laserstrahls sowie der dem jeweiligen Strahlort
zugeordneten Ultraschallsonden liefert.
für die Ultraschallsonde (5c) für Oberflächenwellen ein geschlossenes Gehäuse (51 b) mit einer
Deckplatte (5\2b), einer Seitenwand [5Ub) und einer Bodenplatte (5146,) aus nichtmagnetischem
Material vorgesehen ist,
ein Permanentmagnet {54b), der das Werkstück mit einem statischen, zur Werkstückoberfläche parallelen Magnetfeld beaufschlagt, mit dem mittleren Teil der Deckplatte (5\2b) verbunden ist,
ein Permanentmagnet {54b), der das Werkstück mit einem statischen, zur Werkstückoberfläche parallelen Magnetfeld beaufschlagt, mit dem mittleren Teil der Deckplatte (5\2b) verbunden ist,
ein Jochpaar (552) mit seinen obsren Enden mit der Seitenfläche des Permanentmagneten (54)
verbunden sind und mit seinen unteren Enden der Bodenplatte (5\4b) gegenüberliegt,
zwischen den unteren Enden des Jochpaars (552) und der Bodenplatte (5146,1 gegenüberliegend eine Spule (56) in Zickzackform angeordnet ist und
zwischen den unteren Enden des Jochpaars (552) und der Bodenplatte (5146,1 gegenüberliegend eine Spule (56) in Zickzackform angeordnet ist und
für die Zirkulation eines Kühlmittels im Gehäuse (51 b) ein Ringraum vorgesehen ist
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der wenigstens eine der Ultraschallsonden als elektromagnetische
Ultraschallsonde für Longitudinalwellen ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß
— für die Ultraschallsonde (5a) für Longitudinalwellen
ein geschlossenes Gehäuse (51a) mit einer Deckplatte (512a), einer Seitenwand (511a)
und einer Bodenplatte (514a) aus nichtmagnetischem Material vorgesehen ist,
— ein zentraler Pol (52) mit seinen oberen Enden mit dem mittleren Teil der Deckplatte (512a)
verbunden ist und mit seinen unteren konischen Enden der Bodenplatte (514a) gegenüberliegt,
— ein oberes ringförmiges Joch (53) aus magnetischem Material ein oberes Ende des zentralen
Pols (52) umgibt und mit der Deckplatte (512a) verbunden ist,
— ein ringförmiger Permanentmagnet (54a) an der Unterseite des oberen ringförmigen Joches (53)
vorgesehen ist und den mittleren Teil des zentralen Pols (52) umgibt,
— zur Abgabe eines zur Oberfläche des Werkstücks parallelen, statischen Magnetfelds ein
unteres ringförmiges Joch (55) aus magnetischem Material an der Unterseite des Permanentmagneten
(54a) vorgesehen ist und das untere Ende des zentralen Pols (52) umfassend der Bodenplatte (514a) gegenüberliegt,
— eine Spule (56a) zwischen dem unteren Ende des zentralen Pols (52) und dem unteren ringförmigen
Joch (55) angeordnet ist und
— im Gehäuse (51a) ein Ringraum für ein Kühlmittel vorgesehen ist
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus Applied Physics Letters, Vol. 32, Nr. 9. l.Mai
1978, Seiten 538,539, ist eine derartige Vorrichtung zur
berührungsiosen Ultraschallfehlerprüfung bekannt, bei
dem das zu untersuchende Werkstück in einer speziell ausgebildeten Zelle, welche ein geeignetes Gas und ein
empfindliches Mikrophon enthält, angeordnet ist Das Werkstück wird mit einem impulsförmigen Laserstrahl,
der senkrecht auf die Werkstücksoberfläche gerichtet ist abgetastet, und mit Hilfe des Mikrophons werden
innerhalb des Werkstücks durch den Laserstrahleinfall erzeugte Ultraschallwellen empfangen und aufgezeichnet
Die bekannte Vorrichtung läßt sich zur Erfassung der MikroStruktur von Festkörpern, beispielsweise von
Siliciumnitritkeramikproben, verwenden, sie ist jedoch ungeeignet bei der Fehlerprüfung von relativ breiten
Werkstücken, wie sie beispielsweise in der Stahlherstellung in Form von gewalzten Bändern oder Ausgangsprofilen
für das Walzen vorkommen. Mit Hilfe der einzigen, in der gashaltigen Zelle angeordneten Ultraschallsondeneinrichtung
in Form eines Mikrophons läßt sich nur ein relativ schmaler abgetasteter Bereich eines
Werkstücks von einigen Millimetern Breite erfassen.
Aus Materials Evaluation, Oktober 1977, Seiten 97—99, ist ebenfalls eine Vorrichtung zur berührungslosen
Ultraschallprüfung bekannt, bei der ein mit einer Linse fokussierter Laserstrahl mit senkrechtem Einfallswinkel
auf die Oberfläche des zu überprüfenden Werkstücks gerichtet wird. Durch Wärmestoß infolge des
Einfalls des Laserstrahls werden Ultraschallwellen erzeugt, die sich im Material oder an dessen Oberfläche
fortpflanzen und bei denen die Ultraschallwelle mit Hilfe einer an der Rückseite des Werkstücks anliegenden
piezoelektrischen Ultraschallsonde erfaßt werden. Auch mit dieser bekannten Vorrichtung können nur Werkstücke
mit Abmessungen im Zentimeterbereich im Hinblick auf Fehler überprüft werden, wobei nicht ersichtlich
ist, wie im einzelnen die Abtastung des Werkstücks durchgeführt wird.
Ferner ist aus Applied Physics Letters, I. Januar 1968,
Seiten 12 bis 14, bekannt, auf der mit dem gepulsten Laserstrahl zu untersuchenden Probe einen Aluminiumfilm
aufzubringen, der vom Laserstrahl bestrahlt wird. Die Strahlorte liegen dabei in einer Reihe, wobei durch
die an den Strahlorten erzeugte Wärme Ultraschallwellen an der Probenoberfläche erzeugt werden, die mit
Hilfe eines Oberflächenwellen erfassenden Wandlers, der auf die Oberfläche aufgesetzt ist, erfaßt werden.
Auch bei dieser Vorrichtung lassen sich Werkstücke mit nur geringen Abmessungen überprüfen.
Aufgabe der Erfindung ist as daher, eine Vorrichtung
der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der bei der Ultraschallfehlerprüfung eine genaue Fehlerortung an
Werkstücken mit relativ großer Breite, wie sie bei zu walzenden Ausgangsprofilen oder gewalzten Bändern
in der Stahlherstellung vorkommen, erreicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
Die Unteransprüche kennzeichnen Weiterbildungen der Erfindung.
In vorteilhafter Weise wird mit einfachen Hilfsmitteln, nämlich mit Hilfe eines oder mehrerer Drehspiegel,
eine Abtastung des Werkstücks der Breite nach und auch solcher Werkstücke, die in Richtung ihrer Längsausdehnung
bewegt werden, erreicht
In bevorzugter Weise kommen Ultraschallsonden zum einsatz, welche nach dem elektromagnetisch-akustischen Prinzip arbeiten.
In bevorzugter Weise kommen Ultraschallsonden zum einsatz, welche nach dem elektromagnetisch-akustischen Prinzip arbeiten.
Aus Non-Destructive Testing, Juni 1972, Seiten 154 bis 159, sind Ultraschallsonden für die berührungslose
Federprüfung, welche nach dem elektromagnetischakustischen Prinzip arbeiten, bekannt
Da die verwendeten Ultraschallsonden jeweils einen Permanentmagneten zur Erzeugung eines statischen
Magnetfelds aufweisen, wird im Vergleich zu einer Sonde mit einem Elektromagneten ein konstantes statisches
Magnetfeld und eine hohe Prüfgenauigkeit erreicht. Da keine Spule für den Elektromagneten und somit auch
keine Stromquelle vorgesehen werden muß, kann die Ultraschallsonde hinsichtlich der Abmessungen klein
ausgeführt werden. Dadurch ist es möglich, eine Vielzahl von Sonden gemeinsam zu verwenden, wodurch
die Fehlerprüfdichte und Prüfgenauigkeit erhöht wird. Die Empfangsempfindlichkeit liegt falls das zu überprüfende
Werkstück eine Temperatur von 8000C oder höher
aufweist, 40 dB in der Empfindlichkeit niedriger als bei einer Sonde, die ein piezoelektrisches Bauelement
als ultraschalielektrischen Signalwandler bei Raumtemperatur benutzt Durch Verwendung eines Verstärkers
mit großem Rauschabstand (S/N) kann eine ausreichende Prüfgenauigkeit erzielt werden.
Da nur ein impulsförmiger Hochfrequenzstrom an die Spule angelegt werden muß, um HF-Ströme zu induzieren,
wird im Inneren des Gehäuses nur wenig Wärme erzeugt. Dadurch kann die erforderliche Menge an
Kühlwasser verringert die Isolation der Kühlstruktur überflüssig und ein einfacher Aufbau der Ultraschallsonde
erreicht werden. Probleme hinsichtlich der Verschlechterung der Isolation treten nicht auf, wodurch
eine lange Betriebszeit erzielt wird.
Da die vertikale Lage der unteren Enden der wasserzuführenden Rohre 57a von denen der wasserabführenden
Rohre 57b sich unterscheidet, wird innerhalb des Gehäuses eine ausreichende Wirbelströmung hervorgerufen,
wodurch die Kühlwirkung verstärkt wird. Die Ultraschallsonde kann somit bei einer Temperatur bis zu
12000C verwendet werden.
Dadurch, daß die Keramikplatte in der Mitte der Bodenplatte angeordnet sein kann, wird eine starke elektromagnetische
Kopplung zwischen Ultraschallsonde und zu überprüfendem Werkstück erreicht, wodurch ein
wirksamer Wirbelstrom auf der Oberfläche erzeugt und dieser von der reflektierten oder übertragenen Ultraschallwelle
erzeugte Wirbelstrom wirksam srfaßt werden kann.
Da der Permanentmagnet aus einer Anzahl kleiner Würfel eines Edelerde-Magneten besteht, wird in ihm
die Erzeugung von Wirbelströmen wirksam unterdrückt Wird der Permanentmagnet, wie bei der Ultraschallsonde
für Transversalwellen, durch eine Halterung aus Kupfer abgedeckt, so wird die Erzeugung von Ultraschallwellen
darin wirksam unterdrückt.
Thermische Einflüsse von dem zu überprüfenden Werkstück sind ausgeschaltet. Somit kann eine Fehlersuche
bei einem Stahlmaterial, wie z. B. einer Bramme oder einem Knüppel, bei hoher Temperatur sowie beim
Stranggießen bei der Stahlherstellung verwendet werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeich-
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