DE3147900A1

DE3147900A1 - "ultraschall-winkelpruefkopf"

Info

Publication number: DE3147900A1
Application number: DE19813147900
Authority: DE
Inventors: Michael 8521 Spardorf Vieth
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1981-12-03
Filing date: 1981-12-03
Publication date: 1983-06-16

Description

Ultraschall-Winkelprüfkopf
Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschall-Winkelprüfkopf zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit wenigstens einem Ultraschallwandler, der mit einer Vorlaufstrecke versehen ist.
In der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit Ultraschall wird zur Einschallung unter einem vorbestimmten Winkel zur Oberfläche des zu prüfenden Werkstücks von der Brechung und Umwandlung der Wellenarten Gebrauch gemacht. Man benutzt dazu in einfacher Weise keilförmige Zwischenstücke, auf die der Wandler aufgedrückt oder aufgekittet wird. Der Keil kann auch einfach als anschraubbares Vorsatzstück für einen Normalprüfkopf ausgebildet sein und beispielsweise aus Polymethylmethacrylat (Plexiglas) bestehen. Diese keilförmige Vorlaufstrecke bewirkt beim Schallübergang zwischen Vorlauf strecke und Prüfkörper eine Brechung in die gewünschte Richtung und gegebenenfalls eine Umwandlung der einfallenden Longitudinal- in eine gebrochene Transversalwelle. Solche Winkelprüfköpfe werden verwendet zur Fehlerortung in Werkstücken mit dem Impulsechoverfahren, bei dem die Tiefe des Fehlers aus dem zeitlichen Abstand zwischen Sende--und Echo impuls und die Größe des Fehlers aus der Amplitude des Echoimpulses abgeleitet wird. Der Ultraschallwandler und die keilförmige Vorlaufstrecke können in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sein. Der Winkelprüfkopf wird dann mit dem Werkstück in der Weise verbunden, daß die Grundfläche des Keils an der Probe anliegt Die Wirkung der Winkelprufköpfe, nämlich eine zur Oberfläche des zu untersuchenden Werk stücks geneigte Schalleinstrahlung erhält man ferner durch einen Prüfkopf mit mehreren Wandlerelementen, die nacheinander angesteuert werden. Durch eine sogenannte Verzögerungskette wird eine zur Oberfläche des Werkstücks schräge Wellenfront gebildet (deutsche Offenlegungsschrift 27 13 087).
Es ist ferner bekannt, zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung Ultraschall-Untersuchungsgeräte mit Wandlerelementen zu verwenden, die einen Grundkörper aus piezoelektrischem Material enthalten, dessen in der Schallabstrahlungsrichtung hintereinanderliegende Oberflächen jeweils mit einer Elektrode aus elektrisch leitendem Material versehen sind. Diese Ultraschallwandler dienen sowohl als Sender als auch als Empfänger. Zwischen dem Ultraschallwandler und dem zu untersuchenden Werkstück ist eine Impedanzanpassungsschicht angeordnet, die beispielsweise aus Epoxyharz bestehen kann, in dem Wolframpulver enthalten ist. Die Dicke dieser Anpassungsschicht wird im allgemeinen so gewählt, daß sie für eine durchlaufende Schallwelle eine /4-Schicht darstellt. Sie besteht aus einem Material, dessen akustische Impedanz etwa gleich dem geometrischen Mittel zwischen den Impedanzen der beiden zu verbindenden Medien ist. Auf seiner gegenüberliegenden Flachseite kann der piezoelektrische Grundkörper unter Umständen noch mit einem sogenannten Dämpfungskörper versehen sein (DE-AS 27 27 691).
Bei den erwähnten Winkelptu£köpfen hängt die Brechung ab vom Verhältnis der Schallgeschwindigkeiten in der Vorlauf strecke und im Werkstück. Für die Vorlauf strecke wird deshalb ein Material ausgewählt, dessen Schallge- schwindigkeit wesentlich kleiner ist als die Schallgeschwindigkeit des zu prüfenden Werkstücks. Für Winkelprüfköpfe zur Prüfung von Stahl mit einer Schallgeschwindigkeit der Lingitudinalwelle ClOng = 5900 m/s und einer Schallgeschwindigkeit der Transversalwelle Ctrans = 3250 nils wird deshalb im allgemeinen als Material für die Vorlaufstrecke Polymethylmethacrylat (Plexiglas) mit einer Schallgeschwindigkeit der Longitudinalwelle Clong = 2730 m/s oder'ein verwandter Kunststoff gewählt. Damit wird zwar die Aufgabe der Brechung befriedigend gelöst, eine derartige Vorlaufstrecke führt aber zu einer starken akustischen Fehlanpassung zwischen Winkelprüfkopf und Werkstück, da die akustischen Impedanzen von Polymethylmethacrylat (z = 3.106 Pa.s/m) und Metall (beispielsweise Stahl mit Z = 45.106 Pa sIm) stark voneinander abweichen.
Dadurch verbleibt ein verhältnismäßig hoher Anteil der Signalenergie als Störsignal in der Vorlaufstrecke.
Ferner führt die Bewegung der freien Oberfläche der Vorlaufstrecke auf der Oberfläche des zu untersuchenden Werkstücks während des Betriebes des Prüfkopfes zu einer verhältnismäßig starken mechanischen Abnutzung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschall-Winkelprüfkopf anzugeben, mit dem die akustische Fehlanpassung der Vorlaufstrecke kompensiert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Diese ttbertragungsschicht, die vorzugsweise mit der Vorlaufstrecke fest verbunden werden kann, bildet zugleich eine Schutzschicht für die Vorlaufstrecke. Die akustische Impedanz der Ubertragungsschicht kann ebenfalls in bekannter Weise als geometrisches Mittel der Impedanzen von Vorlauf- strecke und Untersuchungsobjekt gewählt werden.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel eines Ultraschall-Winkelprüfkopfes nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.
In der Figur ist ein Ultraschallwandler mit 2 bezeichnet, der aus piezoelektrischem Material besteht und auf seinen Flachseiten mit nicht näher bezeichneten elektrisch leitenden Bereichen versehen ist, die jeweils als Elektroden dienen und mit einem elektrischen Anschlußleiter 4 bzw. 5 verbunden sind. Der Ultraschallwandler 2 ist auf einer beispielsweise keilförmigen Vorlaufstrecke 8 befestigt, die mit einer obertragungsschicht 10 versehen ist und mit dieser obertragungsschicht auf die Oberfläche eines zu untersuchenden Werkstücks 12 aufgelegt werden kann.
Die Ubertragungsschicht 10 besteht aus einem verschleißfesten Material, das für einen Prüfkopf, der zur Untersuchung eines Werkstücks 12 aus Stahl vorgesehen ist, beispielsweise keramisches Glas (Macor) oder auch Glaskohlenstoff (z.B. Sigradur-K) sein kann, weil diese in ihren Schallgeschwindigkeiten, der akustischen Anpassung und ihrer hohen Verschleißfestigkeit den erwähnten Forderungen entsprechen. Mit einem derartigen Winkelprüfkopf erhält man eine Verdopplung der in das Werkstück 12 eingekoppelten Signalenergie. Zugleich ergibt sich eine erhebliche Absenkung der in der Vorlaufstrecke 8 verbleibenden Störsignale.
Im Aus£uhrungsbeispiel ist ein Ultraschall-Winkelprüfkopf in einer einfachen Ausführungsform mit einer keilförmigen Vor]aufstrecke dergestellt. Die Gestaltung mit einer ftbertragungsschicht nach der Erfindung kann jedoch auch bei einem Winkelprüfkopf angewendet werden, bei dem die schräge Wellenfront der einzuschallenden Ultraschallwelle durch verzögerte elektrische Ansteuerung einer Mehrzahl von Ultraschallwandlern eines Ultraschall-Arrays, die mit einer Vorlaufstrecke versehen sind, hergestellt wird.
2 Patentansprüche 1 Figur

Claims

Patentansprüche 1. Ultraschall-Winkelprüfkopf zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit wenigstens einem Ultraschallwandler, der mit einer Vorlaufstrecke (8) versehen ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Vorlauf strecke (8) an ihrer zum Schalldurchgang in ein zu untersuchendes Werkstück (12) vorgesehenen Grundfläche mit einer Übertragungsschicht (10) versehen ist, deren die Brechung bestimmende Schallgeschwindigkeit (C3) etwa gleich der Schallgeschwindigkeit (C2) der im Werkstück (12) anzuregenden Schallwelle oder der Schallgeschwindigkeit (c1) der in der Vorlaufstrecke (8) angeregten Schallwelle ist oder wenigstens zwischen diesen Schallgeschwindigkeiten (C1, C2) der Vorlaufstrecke (8) und des Werkstücks (12) liegt.
2. Ultraschall-Winkelprüfkopf nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n-z e i c h n e t , daß die Übertragungsschicht (10) aus einem gegen mechanischen Abrieb verschleißarmen Material besteht.