DE3814367A1

DE3814367A1 - Verfahren und vorrichtung zur us-materialpruefung von werkstuecken

Info

Publication number: DE3814367A1
Application number: DE19883814367
Authority: DE
Inventors: Friedhelm Dr Schlawne
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: Vodafone GmbH
Priority date: 1987-06-16
Filing date: 1988-04-25
Publication date: 1988-12-29
Also published as: DE3814367C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur akustischen Ankoppelung eines Prüflings bei der US-Materialprüfung von Werkstücken gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Zur Materialprüfung mit Ultraschall werden in der Praxis zwei Typen von Ultraschallwandlern verwendet, zum einen die koppelmittelfrei arbeitenden elektrodynamischen Wandler, wobei die Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie im notwendigerweise elektrisch leitenden Prüfling selbst stattfindet und konventionelle Wandler, die meist den piezoelektrischen Effekt ausnutzen und bei denen die Schallübertragung auf den Prüfling durch ein akustisches Koppelmedium erfolgt. (Werkstoffprüfung mit Ultraschall; 3. Auflage, Springer Berlin-Heidelberg-New-York, 1975 S. 115 ff und S. 153 ff).

Konventionelle Wandler koppeln üblicherweise über Wasser (Tauchtechnik, Wasserstrahl) an dem Prüfling an oder sie arbeiten mit speziellen Koppelmitteln (Direktkontakttechnik), wobei letzteres Verfahren insbesondere bei Prüflingen im eingebauten Zustand (Wiederholungsprüfung) zum Einsatz kommt. (Werkstoffprüfung mit Ultraschall; 3. Auflage, Springer, Berlin-Heidelberg-New York, 1975, S. 293-297) Nachteilig sind dabei besonders im letzten Fall die häufig undefinierbaren Ankoppelbedingungen, zum Beispiel durch Luftblasen zwischen Prüflingsoberfläche und Wandler. Diese Ankoppelschwlerigkeiten müssen vom Prüfer stets erkannt werden und erschweren erheblich reproduzierbare Prüfergebnisse.

Zur Überwindung dieser Schwierigkeiten und zur Verbesserung der Ankoppelbedingungen ist vorgeschlagen worden, eine zwischen Prüfkopf und Prüfling sich befindende magnetische Flüssigkelt, die durch ein im Prüfkopf angeordneten Magneten gehalten wird, zu verwenden (US-Zeitschrift: Soviet Inventions Illustrated; Section Instrumentation, Measuring and Testing; 5. October 1983; SU 270287).

Bei magnetischen Flüssigkeiten handelt es sich um kolloidale Suspensionen von ferromagnetischen Einbereichsteilchen (z. B. Fe₃O₄, Größenordnung der Partikel 10^-5 mm=100 A) in unterschiedlichen Trägerflüssigkeiten. Das Zusammenklumpen der Teilchen wird durch eine monomolekulare Beschichtung verhindert, die den Abstand der Teilchen untereinander und ihre Löslichkeit in der Trägerflüssigkeit gewährleistet. (M.I. Shliomis "Magnetic fluids", Sov.Phys. Usp. 112 (3), 153, 1974). Wegen der extrem kleinen Partikel (Durchmesser sehr klein gegen Ultraschallwellenlänge) erscheint die magnetische Flüssigkeit für die Ultraschallwelle homogen, so daß störende Streubeiträge aufgrund der festen Partikel vernachlässigt werden können, wobei allerdings die Dämpfung nur relativ kurze Laufwege in der Flüssigkeit gestattet (Größenordnung 1 cm). Flüssigkeiten der beschriebenen Art unterscheiden sich somit grundsätzlich von früher benutzten Flüssigkeiten zur Sichtbarmachung magnetischer Domänen und von magnetischen Kupplungsflüssigkeiten, deren Partikel etwa 2 bis 3 Zehnerpotenzen größer sind. Die Wirkung der magnetischen Kupplungsflüssigkeiten beruhte gerade auf dem Festwerden (Zusammenklumpen der Teilchen) in einem Magnetfeld.

Für die einwandfreie Funktion der akustischen Ankopplung mittels einer magnetischen Flüssigkeit ist die Ausbildung des Magnetfeldes von entscheidender Bedeutung. Dazu wird in der genannten US-Zeitschrift ausgeführt, daß das Magnetfeld in dem Bereich zwischen Prüfkopf und Prüfling seine maximale Intensität hat und der Ultraschallstrahl die magnetische Flüssigkeit durchdringt. Mit dieser Anordnung ist aber eine optimale akustische Ankopplung nicht zu erreichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das bel genau definierten Ankopplungsbedingungen, auch bei einem lang andauern den Prüfzyklus eine sichere und zuverlässige sowie reproduzierbare Prüfung bei ferromagnetischen und nicht-ferromagnetischen sowie elektrisch nicht leitenden Prüflingen ermöglicht und eine Vorrichtung, die einfach herstell bar und leicht handhabbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Weitere Merkmale sind in den Unteransprüchen dargelegt.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet für die Materialprüfung von Werkstücken entscheidende Vorteile. Durch die Ausbildung eines stark in homogenen Magnetfeldes, dessen Feldgradient im Bereich der zwischen dem Prüfkopf und der Prüflingsoberfläche eingebrachten Menge der magnetischen Flüssigkeit seinen größten Wert erreicht, wirken starke Kräfte auf die magnetische Flüssigkeit. Dies bedeutet, daß bei Verschieben des Prüflings relativ zum elektromechanischen Wandler das Koppelmedium dem elektromechanischen Wandler folgt, es "klebt" am Prüfkopf. Dieses ist besonders bei der Handprüfung eingebauter Bauteile und bei Untersuchungen, die eine Ortsmittelung (Ultraschall-Gefügeanalyse) erfordern, von Vorteil. Desgleichen läßt sich eine Prüfung rotierender Prüflinge durchführen (z.B. Schallemissionsanalyse an einer Drehachse), die in Direktkontakttechnik praktisch nicht durchführbar ist.

Ein weiterer großer Vorteil bei Verwendung einer magnetischen Flüssigkeit und geeigneter Magnetsysteme mit einer entsprechenden Ausbildung des Magnetfeldes zur Ankopplung von Ultraschall ist eine sehr effektive Unterdrückung störender Luftblasen. Ein unmagnetischer Körper, der in eine magnetische Flüssigkeit getaucht wird, erfährt in einem Magnetfeld Zusatzkräfte, die antiparallel zum Feldstärkegradienten gerichtet sind. Das bedeutet, daß durch das vorgeschlagene ausgebildete Magnetfeld Luftblasen aus einer magnetischen Flüssigkeit ausgetrieben werden.

Des weiteren kann durch den Vorschlag der Anordnung eines Vorratsbehälters in dem Prüfkopf die sich bei einem lang andauernden Prüfzyklus allmählich verbrauchende magnetische Flüssigkeit ersetzt werden. Dadurch wird sichergestellt, daß im Hinblick auf die Reproduzierbarkeit der Prüfergebnisse, die sich einstellende Dicke der Flüssigkeitsschicht immer konstant bleibt und auch die Ausbreitungsfläche sich nicht verändert. Dieser letzte Punkt ist wichtig im Zusammenhang mit der Durchdringung des Schallbündels durch die Flüssigkeit. Ist das Schallbündel gleich oder größer als die Ausbreitungsfläche der magnetischen Flüssigkeit, dann ergeben sich störende Einflüsse an den Grenzflächen der Flüssigkeit. Dies muß im Hinblick auf die Forderung nach genau definierten Ankoppelungsbedingungen in jedem Fall vermieden werden.

Für eine leichte Handhabbarkeit des Ultraschallprüfkopfes wird vorgeschlagen, den Vorratsbehälter im Prüfkopf so in bezug auf den Magneten anzuordnen, daß beim Aufsetzen die magnetische Flüssigkeit in den Spalt zwischen Prüfkopf und Prüflingsoberfläche getrieben wird. Umgekehrt wird beim Abheben des Prüfkopfes die magnetische Flüssigkeit in den Vorratsbehälter hineingezogen. Dadurch wird eine Verschmutzung des Prüflings und des Prüfpersonals vermieden. Dieser Vorteil ist allerdings auf Prüfungen mit ferromagnetischen Werkstücken beschränkt.

Alle genannten Vorteile gestatten es, mit dem einfach herstellbaren und leicht handhabbaren Ultraschallprüfkopf bei genau definierten Ankopplungsbedingungen auch bei lang andauernden Prüfzyklen eine sichere und zuverlässige, sowie reproduzierbare Prüfung bei ferromagnetischen und nicht-ferromagnetischen sowie nicht leitenden Prüflingen durchzuführen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Ultraschallprüfkopf.

Der erfindungsgmäße Ultraschallprüfkopf 1 enthält ein konventionelles Piezoelement 2, einen Dämpfungskörper 3 und einen Verschleißschutz 4. Das erforderliche inhomogene Magnetfeld wird durch einen Permanentmagneten 5 erzeugt, der in einem zylindrischen Weicheisengehäuse 6, das als magnetischer Rückschluß dient, eingebaut ist. Die zwischen dem Verschleißschutz 4 und der Prüflingsoberfläche 7 des Prüfllngs 8 zu Beginn des Meßvorganges eingebrachte Menge einer magnetischen Flüssigkeit 9, koppelt den vom Piezoelement 2 erzeugten Ultraschall in dem Prüfling 8 ein. Bei Verschieben des Prüfkopfes gegenüber dem ortsfesten Prüfling 8 bzw. des Prüflings 8 gegenüber dem ortsfesten Prüfkopf 1 wird die magnetische Flüssigkeit 9 durch das stark inhomogene Magnetfeld mitgeführt. Für den Ersatz der bei einem langandauernden Prüfzyklus sich allmählich verbrauchenden magnetischen Flüssigkeit 9 ist im Prüfkopf 1 ein Vorratsbehälter 10 angeordnet, der eine Verbindung 11 zu der dem Prüfling 8 zugewandten Seite des Prüfkopfes 1 aufweist. Die Anordnung des Vorratsbehälters 10 ist in bezug auf den Permanentmagneten 5 so gewählt, daß beim Aufsetzen des Prüfkopfes 1 auf den Prüfling 8, die Kräfte des Magnetfeldes überwiegen, die die magnetische Flüssigkeit 9 in den Spalt zwischen Prüfkopf 1 und Prüflingsoberfläche 7 treiben. Beim Abheben des Prüfkopfes 1 wird die magnetische Flüssigkeit 9 in den Vorratsbehälter 10 hineingezogen.

Zu den Begriffen "Intensität des Feldes" und "Feldgradient" sei folgendes erklärt:
Unter "Intensität des Feldes" ist das Magnetfeld H zu verstehen (Einheit Oe oder A/m, Umrechnung 1 A/m = 4 · π · 10^-3 Oe). Auf einen magnetischen Dipol (hier Teilchen der magnetischen Flüssigkeit) wirkt in einem homogenen Feld ein Drehmoment

d. h. der Dipol ist bestrebt, sich parallel zu den Feldlinien auszurichten. Im homogenen Feld wirkt auf den Dipol zusätzlich eine Kraft

oder in Komponenten

i = x, y, z.

Für eine magnetische Flüssigkeit kann gezeigt werden (vgl. Shliomis, "Magnetic fluids"), daß die Kraft auf die magnetische Flüssigkeit lautet

wobei M die Magnetisierung der Flüssigkeit angibt. Für die Ausgestaltung des Prüfkopfes ist also entscheidend, daß die räumliche Änderung des Feldes, der "Feldgradient" ( H) möglichst groß ist.

Claims

1. Verfahren zur akustischen Ankopplung eines Prüflings bei der Ultraschall-Materialprüfung von Werkstücken mit einem Ultraschallprüfkopf, bei dem die Übertragung des abgestrahlten Schalles auf den Prüfling mittels einer zwischen dem Prüfling und dem Prüfkopf angeordneten magnetischen Flüssigkeit erfolgt, die durch ein auf sie wirkendes Magnetfeld gehalten wird und durch die der abgestrahlte Schall verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß ein stark inhomogen ausgeprägtes Magnetfeld erzeugt wird, dessen Feldgradient im Bereich der zwischen dem Prüfkopf und der Prüflingsoberfläche eingebrachten Menge der magnetischen Flüssigkeit seinen größten Wert erreicht und das Schallbündel durch die magnetische Flüssigkeit innerhalb der durch das Magnetfeld sich einstellenden Ausbreitungsfläche geführt und die sich bei einem lang andauernden Prüfzyklus allmählich verbrauchende magnetische Flüssigkeit ständig ersetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Prüfung von ferromagnetischen Werkstücken beim Aufsetzen des Prüfkopfes die magnetische Flüssigkeit in den Spalt zwischen Prüf kopf und Prüfling getrieben und beim Abheben des Prüfkopfes, insbesondere Kippen des Prüfkopfes die magnetische Flüssigkeit in den Prüfkopf eingezogen wird.

3. Ultraschallprüfkopf zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einem elektromechanischen Wandler und einen das Magnetfeld erzeugenden Magneten, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines stark inhomogen ausgeprägten Magnetfeldes im Bereich der zwischen Prüfkopf (1) und Prüflingsoberfläche (7) eingebrachten magnetischen Flüssigkeit (9) der Magnet in einer dafür geeigneten Form ausgebildet und aus einem speziellen Werkstoff hergestellt ist und zum ständigen Einbringen der magnetischen Flüssigkeit (9) der Ultraschallprüfkopf (1) einen Vorratsbehälter (10) mit einer Verbindung (11) zu der dem Prüfling (8) zugewandten Seite des Prüfkopfes (1) aufweist.

4. Ultraschallprüfkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet aus einem an den elektromechanischen Wandler (2) angrenzenden Permanentmagneten (5) besteht, der in einem zylindrischen Weicheisengehäuse (6) angeordnet ist.

5. Ultraschallprüfkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (5) aus einer Neodym-Eisen-Bor-Verbindung hergestellt ist.

6. Ultraschallprüfkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (5) aus einer Samarium-Kobalt-Verbindung hergestellt ist.

7. Ultraschallprüfkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet ein Hufeisenmagnet ist, zwischen dessen Schenkeln der elektromechanische Wandler (2) angeordnet ist.

8. Ultraschallprüfkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet ein an den elektromechanischen Wandler (2) angrenzender Weicheisenkern ist, der von einer Spule umfaßt wird.

9. Ultraschallprüfkopf zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das aus geeigneten Werkstoffen hergestellte Magnetsystem und der Vorratsbehälter (10) so in dem Ultraschallprüfkopf (1) angeordnet sind, daß der Vorratsbehälter (10) in einem für das Austreiben und Einziehen der magnetischen Flüssigkeit (9) erforderlichen Bereich des Feldgradienten des Magnetfeldes sich befindet.