DE3316478A1 - Device for testing and monitoring components using ultrasound - Google Patents
Device for testing and monitoring components using ultrasoundInfo
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Abstract
Description
Dr.-Ing. Karl-Heinz RaesDr.-Ing. Karl-Heinz Raes
Raes 2Raes 2
2. Mai 1983May 2, 1983
Vorrichtung zum Prüfen und Überwachen von Bauteilen mittels Ultraschalls Device for testing and monitoring components by means of ultrasound
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung und zur Überwachung von fertigen Bauteilen und Werkstücken unter Verwendung eines Ultraschallschwingers. Die zerstörungsfreie Prüfung wird hauptsächlich zum Auffinden von inneren Fehlerstellen von fertigen Bauteilen angewendet. Bei dei Überwachung werden Schallemissionsmessungen (Rißgeschrei, Lecksuche) und Körperschallmessungen (loose particles) eingesetzt. Für diese Anwendungsfälle soll die Vorrichtung nach der Erfindung dienen. Der Einfachheit halber wird in der folgenden Beschreibung, stellvertretend auch für die anderen Anwendungsfall* nur die Ultraschallprüfung erläutert.The invention relates to a device for non-destructive Testing and monitoring of finished components and workpieces using an ultrasonic transducer. the Non-destructive testing is mainly used to find internal defects in finished components. At dei Monitoring, acoustic emission measurements (crack screams, leak detection) and structure-borne noise measurements (loose particles) are used. The device according to the invention is intended for these applications to serve. For the sake of simplicity, in the following description, also on behalf of the other application * only the ultrasonic testing explained.
Dem Ultraschall kommt auf dem Gebiet der zerstörungsfreien j Prüfung von Bauteilen und Werkstücken für den Nachweis tiefer ' liegender Fehlerstellen die wohl größte Bedeutung zu. Probleme existieren jedoch, sofern bei höheren Temperaturen geprüft werden soll, wobei insbesondere die Schrägeinschallung, wie sieThe ultrasound used in the field of non-destructive j testing of components and parts for the detection deeper 'lying flaws probably the greatest importance. Problems exist, however, if tests are to be carried out at higher temperatures, in particular the oblique sounding, as they do
ζ. B. zur Schweißnahtprüfung erforderlich ist, große Schwierigkeiten bereitet. Normale Prüfköpfe haben zur Schrägeinschallung eine keilförmige Vorlaufstrecke aus Kunststoff, beispielsweise aus Acrylglas. Bereits bei geringer Temperaturerhöhung (einige zehn Grad Celsius) ändert sich die Schallgeschwindigkeit in der Vorlaufstrecke stark und damit der Einschallwinkel. Bei höheren Temperaturen (oberhalb 100 C) müssen dann entweder andere Materialien für die Vorlaufstrecke verwendet werden oder das Werkstück muß gekühlt werden. Es können auch berührungslos arbeitende Verfahren eingesetzt werden. Darüber hinaus treten auch Probleme mit dem Koppelmedium auf, da z. B. Wasser zu verdampfen beginnt.ζ. B. is required for weld inspection, great difficulties prepares. Normal probes have a wedge-shaped feed path made of plastic, for example, for oblique irradiation made of acrylic glass. Even with a slight increase in temperature (a few tens of degrees Celsius) the speed of sound changes in the Leading distance strong and thus the angle of incidence. At higher Temperatures (above 100 C) then either have to use other materials for the feed line or the workpiece must be cooled. Contactless methods can also be used. In addition, problems also arise with the coupling medium, since z. B. Water begins to evaporate.
Berührungslos arbeitende Verfahren, wie die optische oder die elektrodynamische Ultraschallerzeugung, befinden sich z. T. noch im LaborStadium (Optik). Darüberhinaus treten einige gravierende Nachteile auf, die einen Einsatz erst bei extrem hohen Temperaturen ( > 750 C) rechtfertigen:Contactless processes, such as the optical or the electrodynamic ultrasound generation, are z. Sometimes still in the laboratory stage (optics). In addition, there are some serious ones Disadvantages that only justify use at extremely high temperatures (> 750 C):
- So sind diese Verfahren relativ schlecht im Wirkungsgrad, wodurch ein elektrodynamischer Wandler (EDW) mehr als 40 dB unempfindlicher ist als ein piezoelektrischer.- So these processes are relatively poor in efficiency, which means an electrodynamic converter (EDW) is more than 40 dB less sensitive is called a piezoelectric.
- Die Ausbildung des Schallfeldes und seine Steuerung sind ein noch weitgehend ungelöstes Problem und die einseitige Schrägeinschallung erfordert einen hohen Aufwand mit entsprechend hohen Kosten.- The formation of the sound field and its control are a still largely unsolved problem and the one-sided oblique sounding requires a lot of effort with correspondingly high costs.
- Die Erzeugung von Longitudinalwellen, wie sie z. B. zur Prüfung 5 grobkörniger Werkstoffe erforderlich sind, ist mit EDW zum heutigen Zeitpunkt nicht möglich.- The generation of longitudinal waves, as they are, for. B. for testing 5 coarse-grained materials are required is not possible with EDW at the present time.
- Die Bedingungen für die Erzeugung auf elektrodynamischem Wege (Magnet) verlangen relativ große Abmessungen des Prüfkopfes. Hierdurch wird die Zugh'ncjlichkeit bei i komplexen Geometrien der zu prüfenden Bauteile stark reduz.i ort.- The conditions for generation by electrodynamic means (magnet) require relatively large dimensions of the test head. This increases the elasticity in complex geometries Components to be tested greatly reduced.
Aus diesem Grunde wird auch bei höheren Temperaturen bevorzugt mit der Kontakttechnik gearbeitet. Hierzu wird der Prüfkopf des Ultraschallschwingers über eine Was::orankoppluncj (Fließwasser-For this reason, contact technology is preferred even at higher temperatures. For this purpose, the probe of the Ultrasonic transducer via a Was :: orankoppluncj (flowing water
ankopplung) an das Bauteil angekoppelt. Dabei wird zwar der Prüfkopf geschützt, für die Prüfdurchführung und das zu prüfende Teil entstehen jedoch Nachteile. Das Werkstück wird durch das Wasser einer Thermoschock-Belastung ausgesetzt, die zu Schaden führen kann. Da die Schallgeschwindigkeit im Werkstück sich mit der Temperatur ändert, ist bei Schrägeinschallung ein gekrümmtes Schallfeld die Folge. Weil hohe Strömungsgeschwindigkeiten für das Wasser vorliegen müssen, um Verdampfen und damit Kontaktunterbrechungen zu vermeiden, ist ein hoher Wasserverbrauch die Folge. Das ablaufende Wasser kann zu Korrosion am zu prüfenden Werkstück führen.coupling) coupled to the component. In doing so, the test head is protected for the test execution and the test head However, there are some disadvantages. The water exposes the workpiece to a thermal shock load that causes damage can lead. Since the speed of sound in the workpiece changes with temperature, oblique sound is a curved sound Sound field the result. Because there must be high flow velocities for the water to evaporate and thus to break the contact Avoid high water consumption as a result. The draining water can cause corrosion on the tested Guide workpiece.
Diese Gründe lassen das Verfahren nur zur Prüfung von Halbzeug, nicht zur Prüfung von fertigen Bauteilen und ihren Schweißnähten geeignet erscheinen. Es wurden daher Versuche mit Vorlaufstrecken aus temperaturbeständigen Materialien gemacht. Als geeignet erwies sich hierbei Silber. Neben dem hohen Preis und dem Verschleißproblem sind jedoch auch hierbei Nachteile vorhanden. So ist das Verfahren nur für Temperaturen bis 250° C einsetzbar. Die Erwärmung des Schwingers senkt auch die Empfindlichkeit der Messung. Die Echos, die an der Grenzfläche Silber / Prüfobjekt entstehen, überlagern das Echobild und begrenzen den Prüfbereich: so daß dünnwandigere Komponenten und oberflächennahe Fehler nicht geprüft werden können. |For these reasons, the method is only used for testing semi-finished products, not for testing finished components and their weld seams appear suitable. Therefore, attempts have been made with feed lines made of temperature-resistant materials. As suitable This turned out to be silver. In addition to the high price and the problem of wear and tear, there are also disadvantages here. The process can only be used for temperatures up to 250 ° C. The heating of the transducer also lowers the sensitivity of the Measurement. The echoes that arise at the silver / test object interface overlap the echo image and limit the test area: so that thinner-walled components and near-surface defects do not can be checked. |
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Prüfen und Überwachen von Bauteilen und Werkstücken mittels Ultraschalls anzugeben, deren Aufbau unabhängig von der Temperatur des Bauteils ist und die insbesondere bei Temperaturen von mehr als 250° C eingesetzt werden kann.The invention is based on the object of providing a device for testing and monitoring components and workpieces by means of Specify ultrasound, the structure of which is independent of the temperature of the component and which in particular at temperatures of more than 250 ° C can be used.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs geschilderten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst,In the case of a device, this task is performed as described above Type solved according to the invention by
- daß der Ultraschallschwinger in einem geschlossenen Behälter angebracht ist, bei dem mindestens die als Koppelfläche dienende Wandung aus Metall und/oder aus einer Schicht aus wärme isolierendem Material besteht.- That the ultrasonic transducer is mounted in a closed container, in which at least the coupling surface serving wall made of metal and / or consists of a layer of heat-insulating material.
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- daß die Koppelfläche des Ultraschallschwingers mit Abstand zu dieser Wandung des Behälters unter Freilassung eines Spaltes in dem Behälter angeordnet ist und- That the coupling surface of the ultrasonic vibrator at a distance from this wall of the container leaving a Gap is arranged in the container and
- daß in dem Spalt ein flüssiges, während des Betriebes der- That in the gap a liquid, during the operation of the
Vorrichtung bewegbares Kühlmittel angeordnet ist, das sowohl mit dem Ultraschallschwinger als auch mit der Wandung des Behälters in Berührung steht.Device movable coolant is arranged, which both with the ultrasonic transducer and with the wall of the Container is in contact.
Mit einer solchen Vorrichtung ergibt sich für den Ultraschallschwinger und eine eventuell an demselben angebrachte Vorlaufstrecke durch den Behälter ein ausreichender Wärmeschutz, der auch bei sehr hohen Temperaturen von beispielsweise 750 C und mehr noch wirksam ist. Der Schwinger selbst kann dementsprechend einfach aufgebaut werden und für die Vorlaufstrecke können übliche Materialien verwendet werden. Wenn das zwischen dem Schwinger und dem Boden des Behälters hindurchgeführte Kühlmedium, bei welchem es sich beispielsweise um Wasser handelt, schnell genug bewegt wird, ist sichergestellt, daß die jeweilige Koppelfläche ständig gleichbleibende Temperatur hat. Die Vorrichtung arbeitet dementsprechend immer mit gleichbleibenden 0 Bedingungen.With such a device results for the ultrasonic oscillator and a possibly attached to the same feed line through the container a sufficient heat protection, the is still effective even at very high temperatures of, for example, 750 C and more. The transducer itself can accordingly can be set up easily and usual for the pre-run section Materials are used. If the cooling medium passed between the transducer and the bottom of the container, which is, for example, water, is moved fast enough, it is ensured that the respective The coupling surface has a constant temperature. The device works accordingly always with constant 0 conditions.
Mit dieser Vorrichtung werden die verschiedenen Aufgaben, die der Ultraschallschwinger mit oder ohne Vorlaufstrecke zu erfüllen hat, wie Kopplung, Kühlung, Schalleitung und Schallführung, nicht in der herkömmlichen, bekannten Art erfüllt, mit 5 Kopplung und Kühlung über den gleichen Spalt, sondern diese Aufgaben sind bei der neuen Vorrichtung geteilt. Durch die Unterbringung des Ultraschallschwingers in dem Behälter sind Ankopplung und Kühlung getrennt, so daß .sio unabhängig voneinander optimiert werden können. Die temperaturunabhängige, stets gleichbleibende Arbeitsweise der Vorrichtung ist damit gewährleistet.With this device the various tasks that to meet the ultrasonic transducer with or without a feed line has, like coupling, cooling, sound conduction and sound guidance, not met in the conventional, known way with 5 Coupling and cooling via the same gap, but these tasks are shared in the new device. By housing of the ultrasonic vibrator in the container, coupling and cooling are separated, so that .sio are independent of each other can be optimized. The temperature-independent, always constant mode of operation of the device is thus guaranteed.
Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgogenstandes ist in der Zeichnung dargestellt.An embodiment of the inventive status is in Drawing shown.
Die einzige Figur zeigt einen Ultrnsc-.ha 11-Prüfkopf zur Schrägeinschal lung, bei welchem an dom Schwinqer 1 eine keilförmige The single figure shows an Ultrnsc-.ha 11 test head for inclined encasement, in which the dome Schwinqer 1 has a wedge-shaped
— 5 —- 5 -
Vor]aufstrecke angebracht ist. Die Vorrichtung kann aber auch mit oder ohne Vor laufstrecke für Geradeeinschallung verwendet werden.Before] straightening is appropriate. The device can also used with or without advance section for straight-line irradiation will.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Schwinger 1 auf einem als Vorlaufstrecke dienenden Keil 2 befestigt. Der Keil 2 kann aus einer Flüssigkeit mit zusätzlichen schallstreuenden Partikeln oder einem schallschwächenden Festkörper bestehen, dessen Schallgeschwindigkeit kleiner als die des zu prüfenden Bauteils ist. Die Auswahl des Materials richtet sich dabei nach dem Prüfbereich und wird anhand des Schwächungskoeffizienten und der Schallimpedanz bestimmt.In the illustrated embodiment, the oscillator 1 is on attached to a wedge 2 serving as a lead-in section. The wedge 2 can consist of a liquid with additional sound-scattering particles or a sound-attenuating solid, whose speed of sound is lower than that of the component to be tested. The choice of material depends on the test area and is based on the attenuation coefficient and the sound impedance is determined.
Der Keil 2 lagert auf Abstandshaltern 4, die die Breite eines für ein Kühlmittel vorgesehenen Spaltes 3 vorgeben. Die Abstands halter 4 sind durchbrochen und ermöglichen einem Kühlmittel dahe:The wedge 2 rests on spacers 4 which define the width of a gap 3 provided for a coolant. The distance holders 4 are perforated and allow a coolant to:
Zu- und Austritt in den Spalt 3. Das Kühlmittel, das zugeleitet wird, wird dadurch von einem der beiden ansonsten hermetisch abgeriegelten Teile des Prüfkopfes mit Schwinger 1 und Keil 2 in den anderen übergeleitet. Infolge der extern vorgegebenen Temperatur des Bauteils und infolge der Druckbeaufschlagung kann die Durchflußgeschwindigkeit des Kühlmittels eingestellt werden. Die Auswahl des Kühlmittels wird dabei von seiner Dichte und Schallgeschwindigkeit, die Breite des Spaltes 3 vom Prüfbereich bestimmt. Zum Bauteil hin wird der Kühlmittelspalt von einem .Inlet and outlet into gap 3. The coolant that is fed in is thereby hermetically sealed off by one of the two Parts of the test head with transducer 1 and wedge 2 transferred to the other. As a result of the externally specified temperature of the component and as a result of the pressurization, the Flow rate of the coolant can be adjusted. The choice of coolant depends on its density and Speed of sound, the width of the gap 3 from the test area certainly. The coolant gap becomes from one to the component.
CLCL
verschleißfesten Gehäuse*begrenzt, das mit einer Wärmeisolierschicht 7, ζ. Β. einer durch Spritzen aufgebrachten Keramik, versehen ist. Die Schicht 7 kann auch durch Klemmen (magnetisch) oder durch Schweißen aufgebracht werden. . :wear-resistant housing * limited with a thermal insulation layer 7, ζ. Β. a ceramic applied by spraying. Layer 7 can also be clamped (magnetically) or applied by welding. . :
Am vorderen und hinteren Ende kann die Geometrie der Festkörperschichten verändert werden. Weiterhin können die den Spalt 3 begrenzenden Flächen auch aus zwei oder mehr Schichten bestehen, die einen stuf enwe.i. sen Tempera tür abbau ermöglichen. Bei mehrere Schichten ist auch eine gezielte Schallbeeinflussung möglich. So können beispielsweise der reflektierte Schall weggeführt, die Dämpfung beeinflußt und die Fokussierung verbessert werden.At the front and rear ends, the geometry of the solid layers to be changed. Furthermore, the surfaces delimiting the gap 3 can also consist of two or more layers, the one stage enwe.i. sen tempera allow door dismantling. With several Targeted sound influencing is also possible in layers. For example, the reflected sound can be carried away, the attenuation can be influenced and the focusing can be improved.
ib Die Schichten können auch durch keilförmigen oder anders ange- ib The layers can also be wedge-shaped or otherwise arranged
- 6 - ] GOPV j- 6 -] GOPV j
331Ö47Ö331Ö47Ö
paßten Aufbau "verstimmt" und unter Vermeidung eines resonanten Verhaltens für den sogenannten "weißen Schall" durchgängig werden.Appropriate structure "out of tune" and avoiding a resonant behavior for the so-called "white sound".
Die Ankopplung bei der Prüfung geschieht anhand eines auf die Prüfbereiche aufgebrachten hochtemperaturbeständigen Koppelmittels, dessen Auswahl sich nach der Temperatur des zu prüfenden Bauteils richtet. The coupling during the test is based on a High-temperature-resistant coupling agent applied to the test areas, the selection of which depends on the temperature of the component to be tested.
Die wesentlichen, durch eine Vorrichtung nach dem Ausführungsbeispiel erreichbaren Vorteile sind folgende:The essentials, by a device according to the embodiment achievable advantages are the following:
- Mit dem vorgeschlagenen Konzept kann eine Schrageinschallung auch an Bauteilen erfolgen, die Temperaturen von deutlich mehr als 250 C aufweisen.- With the proposed concept, an oblique irradiation can also take place on components that have temperatures of significantly more than 250 C.
- Durch den Einsatz piezoelektrischer Schwinger sowie die an den Prüfbereich anpaßbare Abstimmung der akustischen Daten der einzelnen Komponenten (Impedanz, Schichtdicke) kann eine hohe Empfindlichkeit erreicht werden.- Through the use of piezoelectric oscillators and the adjustment of the acoustic data of the individual components (impedance, layer thickness), a high level of sensitivity can be achieved.
- Dadurch, daß Schwinger und Vorlaufstrecke im kalten Bereich liegen, bleibt der Schwinger hochempfindlich und die Schallgeschwindigkeit in der Vorlaufstrecke bleibt - auch bei variierender Bauteiltemperatur - konstant, so daß konstante Einschallwinkel, Wellenarten und Intensitäten vom Prüfkopf her garantiert werden können.- Due to the fact that the transducer and the feed section are in the cold area the transducer remains highly sensitive and the speed of sound remains in the feed line remains constant - even with varying component temperatures - so that constant The angle of incidence, wave types and intensities can be guaranteed by the probe.
- Durch die gleichbleibende Kühlschicht werden eine gleichmäßige Kühlung eingestellt und teilweises Sieden vermieden.- Due to the constant cooling layer, even cooling is set and partial boiling is avoided.
- Die Wärmeschutzschicht reduziert die Einwirkung des Kühl-- The heat protection layer reduces the effect of the cooling
5 prozesses auf das Bauteil, so daß schädliche Nebenwirkungen infolge von Thermoschock vermieden werden.5 process on the component, so that harmful side effects due to thermal shock are avoided.
- Das schallschwächende Material des Keils, der durchbrochenen Abstandshalter und die Veränderung der Schichtdicke der Schutzschichten reduzieren die Prüfkopfochos, so daß auch nahe der Oberfläche mit hoher Empfindlichkeit geprüft werden kann.- The sound-attenuating material of the wedge, the perforated spacers and the change in the thickness of the protective layers reduce the Prüfkopfochos, so that also close to the Surface can be examined with high sensitivity.
Claims (9)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19833316478 DE3316478A1 (en) | 1983-05-05 | 1983-05-05 | Device for testing and monitoring components using ultrasound |
Applications Claiming Priority (1)
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| DE19833316478 DE3316478A1 (en) | 1983-05-05 | 1983-05-05 | Device for testing and monitoring components using ultrasound |
Publications (1)
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|---|---|
| DE3316478A1 true DE3316478A1 (en) | 1984-12-13 |
Family
ID=6198249
Family Applications (1)
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| DE19833316478 Ceased DE3316478A1 (en) | 1983-05-05 | 1983-05-05 | Device for testing and monitoring components using ultrasound |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| DE (1) | DE3316478A1 (en) |
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