DE3534002C1 - Ultraschall Winkelpruefkopf mit mindestens zwei Ultraschallwandlern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschall-Winkelprüf­ kopf mit mindestens zwei Ultraschallwandlern nach dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1.

Bei dem aus der AT-PS 2 36 678 bekannten Ultraschall-Winkel­ prüfkopf der eingangs genannten Art sind zwei keilförmige, rechtwinklige Vorlaufkörper unterschiedlicher Schallgeschwin­ digkeit oder unterschiedlicher Form auf gleich großen Katheten­ flächen miteinander so verbunden, daß sich eine ebene Basis­ fläche ergibt, auf welcher jeder Wandler, der einem der Vor­ laufkörper zugeordnet ist, angeordnet ist. Dabei wird ein Spezialklebemittel oder eine spezielle Grenzschicht zwischen den beiden Vorlaufkörpern benutzt, um zu vermeiden, daß der von einem Wandler ausgehende Schall in den jeweils anderen Vorlaufkörper, mit dem dieser Wandler nicht direkt verbunden ist, gelangen kann. Eine gleichzeitige Erzeugung von zwei Schallwellen unterschiedlicher Ausbreitungsrichtung ist mit dem vorbekannten Ultraschall-Winkelprüfkopf daher nicht mög­ lich. Weiterhin ist der vorbekannte Ultraschall-Winkelprüfkopf relativ groß, da er aus zwei separaten Einzel-Winkelprüfköpfen besteht.

Bei dem aus der DE-OS 30 35 463 bekannten Ultraschall-Winkel­ prüfkopf werden die beiden Wandler unter verschiedenen Winkeln auf einem einzigen Vorlaufkörper angebracht. Insbesondere bei Verwendung von Wandlern mit relativ großen Flächen (Voraus­ setzung für große Nahfeldlängen) sind sehr große Vorlaufkörper erforderlich. Dabei sind häufig den einzelnen Wandlern unter­ schiedliche Schallaustrittsflächen an der dem zu prüfenden Werkstück zugewandten Seite des Prüfkopfes zugeordnet, so daß die Ankopplungsverhältnisse je nach verwendetem Wandler unter­ schiedlich sein können.

Ferner ist es aus der DE-OS 22 27 198 bekannt, anstatt mehrere Wandler unter verschiedenen Winkeln auf dem Vorlaufkörper zu befestigen, nur einen einzigen Wandler zu verwenden und diesen drehbar anzuordnen. Dies erfordert ein relativ aufwendiges Drehgestell.

Schließlich ist aus der DE-OS 31 47 482 ein Winkelprüfkopf be­ kannt, bei dem in den Vorlaufkörper eine Linse eingelassen ist, auf der sich ein Array-Wandler befindet. Je nach dem welche Wandlerelemente des Arrays angesteuert werden, ergeben sich Schallwellen unterschiedlicher Ausbreitungsrichtungen. Auch diese Prüfkopfanordnung ist relativ aufwendig und für eine Reihe von Anwendungszwecken nicht geeignet.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Ultraschall- Winkelprüfkopfes der eingangs genannten Art zu vermeiden und diesen Winkelprüfkopf hingehend weiter zu entwickeln, daß er insgesamt kleiner ist und eine gleichzeitige Aussendung von Schallwellen unterschiedlicher Ausbreitungsrichtung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Ultraschall-Winkelprüf­ kopf mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung beschreiben die kennzeichnenden Teile der Ansprüche 2 und 3.

Die Erfindung beruht also auf dem Gedanken, anstatt mehrere Wandler nebeneinander anzuordnen, die entsprechenden Wandler übereinander anzuordnen, wobei über keilförmige Zwischenstücke, die jeweiligen Winkelunterschiede der Schallausbreitungsrich­ tungen der entsprechenden Ultraschallwellen berücksichtigt werden.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen, die in den Figuren 1 und 2 dargestellt sind, beschrieben.

In Fig. 1 ist mit 1 ein erfindungsgemäßer Prüfkopf, mit 2 ein mit dem Prüfkopf über ein Kabel 3 verbundenes Ultraschallgerät und mit 4 ein auf Materialfehler zu prüfendes Werkstück be­ zeichnet.

Der Prüfkopf 1 besteht aus einem Prüfkopfgehäuse 10, das einen ersten keilförmigen Vorlaufkörper 11 und einen ersten Ultra­ schallwandler 12 sowie einen zweiten keilförmigen Vorlauf­ körper 13 und einen zweiten Ultraschallwandler 14 umschließt.

Die beidseitig an dem ersten Ultraschallwandler 12 angeordneten Elektroden sind mit 15 und 16 und die entsprechenden am zwei­ ten Ultraschallwandler 14 angeordneten Elektroden mit 17 und 18 gekennzeichnet. Die Verbindungsleitungen von den Elektroden 15 bis 18 des Kabels 3 besitzen die Bezugsziffern 19 bis 22.

Bei dem Aufbau eines erfindungsgemäßen Prüfkopfes 1 wurde von einem an sich käuflichen 45° Winkelprüfkopf ausgegangen. Ein derartiger Prüfkopf enthält den ersten Vorlauf­ körper 11, der üblicherweise aus Plexiglas besteht so­ wie den Ultraschallwandler 12. Der Keilwinkel α 1 des Vorlaufkörpers ist dabei derart gewählt, daß bei einem zu prüfenden Werkstück 4 aus Stahl, der Einschall­ winkel β 1 des Zentralstrahles 23 gegenüber der normalen einen Winkel von 45° aufweist.

Auf dem ersten Vorlaufkörper 11 mit dem entsprechenden Ultra­ schallwandler 12, wurde ein zweiter keilförmiger Vorlaufkörper 13 und auf diesem der zweite Ultraschallwandler 14 angeordnet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde ein Vorlaufkörper 13 aus Aluminium verwendet, der einen Keilwinkel α 2 von 23,6° besaß. Bei Berücksichtigung der Brechungsgesetze an den Grenz­ flächen der Vorlaufkörper 13 und 11 sowie an den Grenzflächen des Vorlaufkörpers 11 und dem zu prüfenden Werkstück 4 (aus Stahl), ergab sich ein Einschallwinkel β 2 des Zentral­ stahles 24 von 60°.

Der zweite Vorlaufkörper 13 wurde auf den ersten Vorlaufkör­ per 11 aufgeklebt, wobei auch der in Fig. 1 dargestellte Zwischenraum 24 mit Klebemasse ausgefüllt wurde. Als Kleber wurden Epoxy-Kleber verwendet.

Zum Betrieb wurde nach Vorgabe des entsprechenden Winkels (45° bzw. 60°) der jeweilige Ultraschallwandler 12 bzw. 14 aktiviert, indem von dem Ultraschallprüfgerät über die Leitungen 19 und 20 bzw. 21 und 22 elektrische Impulse dem jeweiligen Wandler zugeführt wurden. Dabei gelangen die Ultraschallimpulse 23 des Wandlers 12 über den Vorlaufkörper 11 in das zu prüfende Werkstück 4. Hingegen durchlaufen die von dem Wandler 14 erzeugten Ultraschallimpulse zunächst den Vorlaufkörper 13 und gelangen dann durch den Wandler 12 in den Vorlaufkörper 11.

Damit an der Grenzfläche zwischen Vorlaufkörper 13 und Ultra­ schallwandler 12 der reflektierte Schallanteil gering bleibt, ist darauf zu achten, daß die Schallwiderstände des Vorlauf­ körpers 13 und des Wandlers 12 etwa die gleichen Werte besitzen.

Wie Fig. 1 zeigt, fallen die Schallaustrittspunkte 26 und 27 der Zentralstrahlen 23 und 24 räumlich auseinander. Entsprechend sind daher auch die Schallaustrittsflächen der entsprechenden Schallbündel (in Fig. 1 und 2 nicht dargestellt) unterschiedlich.

Durch eine seitliche Verschiebung der beiden Ultraschallwandler kann aber erreicht werden, daß beide Zentralstrahlen den glei­ chen Schallaustrittspunkt besitzen. Dieses ist in Fig. 2 wie­ dergegeben. Dabei sind mit 11 und 13 wieder die keilförmigen Vorlaufkörper und mit 120 und 140 die entsprechenden Ultra­ schallwandler bezeichnet. Die Zentralstrahlen 230 und 240 durchlaufen den gleichen Schallaustrittspunkt 260.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. So ist zum Beispiel statt zweier Ultraschallwandler auch die Verwendung von drei oder mehr Ultraschallwandlern möglich. Dabei müssen dann diese Ultraschallwandler über eine entsprechende Anzahl zusätzlicher keilförmiger Vorlaufkörper miteinander verbunden werden.

Claims (3)

1. Ultraschall-Winkelprüfkopf zur Erzeugung und zum Empfang von Ultraschallwellen unterschiedlicher Ausbreitungsrich­ tungen, mit zwei jeweils keilförmigen Vorlaufkörpern, mit einem ersten Wandler (12, 120) der auf einer Basis­ fläche des ersten Vorlaufkörpers (11) angeordnet ist und dessen Schallwellen über eine andere, dem zu prüfenden Werkstück zugewandte Basisfläche des ersten Vorlauf­ körpers in das Werkstück gelangen und mit einem zweiten Wandler (14, 140), der auf einer Basisfläche des zweiten Vorlaufkörpers (13 angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich der zweite Vorlaufkörper (13) zwischen den bei­ den Wandlern (12, 120; 14, 140) befindet und der auf der einen Basisfläche des ersten Vorlaufkörpers (11) ange­ ordnete erste Wandler (12, 120) vom zweiten Vorlaufkörper (13) beim schalleitenden Zusammenfügen der beiden Vor­ laufkörper (11, 13) überdeckt wird, so daß die vom zweiten Wandler (14, 140) erzeugten bzw. empfangenen Schallwellen den zweiten Vorlaufkörper (13), mindestens teilweise den ersten Wan­ dler (12, 120) und dann den ersten Vorlaufkörper (11) durchdringen.

2. Ultraschall-Winkelprüfkopf nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der zweite Wandler (140) seitlich so gegenüber dem ersten Wandler (120) versetzt auf der dem Werkstück (4) zugewandten Basisfläche des zweiten Vor­ laufkörpers (13) angeordnet ist, daß die Zentralstrahlen (230, 240) beider Wandler (120, 140) an der dem Werkstück (4) zugewandten Basisfläche des ersten Vorlaufkörpers (11) den gleichen Austrittspunkt (260) aufweisen.

3. Ultraschall-Winkelprüfkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallwiderstände des zweiten Vorlaufkörpers (13) und des ersten Wandlers (12, 120) etwa die gleichen Werte besitzen.