DE4222419A1 - Ultraschallwandler-Anordnung zur Ultraschallprüfung von Tandemfehlern - Google Patents

Ultraschallwandler-Anordnung zur Ultraschallprüfung von Tandemfehlern

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ultraschallwandler-An­ ordnung zur Ultraschallprüfung von Tandemfehlern in einem Prüfling nach dem Wellenumwandlungsprinzip.
In einem Werkstück befindliche Rißfehler, die senkrecht zur Oberfläche des Werkstücks verlaufen, werden als Tan­ demfehler bezeichnet. Eine Ultraschallprüfung nach einem Impuls-Echoverfahren, bei dem der Schallweg des gesendeten Ultraschallimpulses mit dem Schallweg des empfangenen Ultraschallimpulses zusammenfällt, ist bei solchen Fehlern nicht möglich. Zur Ultraschallprüfung von Tandemfehlern sind Impuls-Echo-Verfahren notwendig, bei denen der Schallweg des Echosignals anders verläuft als der Schall­ weg des Sendesignals. Bei der Ultraschallprüfung nach dem Wellenumwandlungsprinzip werden dabei zusätzlich Effekte ausgenutzt, die sich durch eine Umwandlung des Schwin­ gungsmodus bei der Reflexion am Fehler ergeben.
Aus "Materialprüfung 30 (1988), 3, Seiten 73 bis 76" ist ein Prüfkopf bekannt, der nach der sogenannten Long-Long- Trans-Technik arbeitet. Bei dieser LLT-Technik wird von einem im Prüfkopf angeordneten als Sender betriebenen Ultraschallwandler eine longitudinale Ultraschallwelle in dem Prüfling eingeschallt, an der Rückseite des Prüflings als Longitudinalwelle reflektiert und am Tandemfehler unter Umwandlung in eine Transversalwelle reflektiert und von einem in demselben Prüfkopf angeordneten Empfangswand­ ler erfaßt.
Die Tiefenlage der mit einem solchen Prüfkopf erfaßbaren Fehler hängt jedoch vom Einschallwinkel ab, unter dem die vom Sendewandler emittierte Longitudinalwelle in den Prüf­ ling eingekoppelt wird. Dabei nimmt die Tiefenlage der Empfindlichkeitszone des Prüfkopfes mit wachsendem Ein­ schallwinkel zu.
Die bekannten Prüfköpfe sind jeweils nur in einem Teil des zu untersuchenden Dickenbereichs empfindlich. Um bei dickwandigen Prüflingen im gesamten Dickenbereich Tandem­ fehler prüftechnisch erfassen zu können, ist es beispiels­ weise aus "Materialprüfung 30 (1988) 10, S. 333 bis 338" bekannt, den gesamten Dickenbereich in drei Empfindlich­ keitszonen aufzuteilen. Eine Prüfung erfordert dann zeit­ lich aufeinanderfolgende Messungen mit drei unterschied­ lichen Prüfköpfen, deren Einschallwinkel unterschiedlich sind und beispielsweise 7,5°, 22° und 42° betragen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Ultra­ schallwandler-Anordnung zur Ultraschallprüfung von Tandem­ fehlern in einem Prüfling nach an dem Wellenumwandlungs­ prinzip anzugeben, deren Empfindlichkeitsbereich ver­ größert ist, und die eine Prüfung dicker Werkstücke ohne Prüfkopfwechsel ermöglicht.
Die genannte Erfindung wird gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Da in einem Prüfkopf mehrere Ultra­ schallwandler angeordnet sind, die wenigstens zwei für unterschiedliche Tiefenbereiche empfindliche Sender- Empfänger-Kombinationen bilden, kann ohne Prüfkopfwechsel ein größerer Dickenbereich des Prüflings erfaßt werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich gemäß der Unteransprüche.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Aus­ führungsbeispiele der Zeichnung verwiesen, in deren
Fig. 1 eine Ultraschallwandler-Anordnung gemäß der Er­ findung schematisch veranschaulicht ist.
Fig. 2 und 3 zeigen eine vergrößerte schematische Dar­ stellung eines Prüfkopfes in einer Seitenansicht bzw. einer Draufsicht und in
Fig. 4 ist die Amplitude des Empfangssignals für unter­ schiedliche Sender-Empfänger-Kombinationen gegen die Tiefe eines Testfehlers aufgetragen.
Entsprechend Fig. 1 ist ein Prüfkopf 2 an die Oberflä­ che eines Prüflings 4 angekoppelt. Der Prüfkopf 2 enthält eine Ultraschallwandler-Anordnung mit drei Ultraschall­ wandlern 22, 24 und 26, deren in der Figur im Schnitt schematisch dargestellte Sende- oder Empfangsflächen unterschiedlich zur Oberfläche des Prüflings 4 geneigt sind. Der Ultraschallwandler 22 ist als Sender betreibbar, während die Ultraschallwandler 24 und 26 als Empfänger vorgesehen sind.
Der Ultraschallwandler 22 koppelt unter einem Winkel Φ0 von etwa 60° transversale Ultraschallwellen 10 in den Prüfling 4 ein. In der Figur ist die Einhüllende des vom Ultraschallwandler 22 emittierten Wellenbündels 10 darge­ stellt, dessen Mittenstrahl oder Schallachse den Winkel Φ0 zur Oberflächennormale des Prüflings 4 einschließt.
In der Figur sind außerdem zwei unterschiedliche Empfindlichkeitsbereiche 6 und 8 eingetragen, die sich in unterschiedlicher Tiefe t im Prüfling befinden. Ein bei­ spielsweise im Tiefenbereich 6 befindlicher Tandemfehler 62 bewirkt eine Reflexion eines Teils der vom Ultraschall­ wandler 22 gesendeten Ultraschallwellen 10 unter Umwand­ lung von Transversalwellen in Longitudinalwellen. An der dem Prüfkopf 2 gegenüberliegenden Rückwand des Prüflings 4 werden diese Longitudinalwellen erneut reflektiert und vom Ultraschallwandler 24, der mit seiner maximalen Empfangs­ empfindlichkeit zum Empfangen von Longitudinalwellen 12 eingestellt ist, die sich unter einem Winkel Φ1 von etwa 17° im Prüfling 4 ausbreiten. Mit dem Ultraschallwandler 24 werden alle Tandemfehler 62 erfaßt, die sich im Tiefen­ bereich 6 befinden.
Der als Empfänger betriebene Ultraschallwandler 26 ist zum Empfangen von Longitudinalwellen 14 unter einem Winkel von etwa 38° eingestellt und empfängt die unter Wellenum­ wandlung an im Tiefenbereich 8 an Tandemfehlern 82 reflek­ tierten Ultraschallwellen.
Die Einstellung der Winkel Φ0, Φ1 und Φ2 ist an den Werk­ stoff und die verwendete Prüffrequenz anzupassen.
Anstelle einer Kombination eines Senders mit zwei Empfän­ gern ist auch eine Kombination aus zwei Sendern und einem Empfänger möglich. Dazu ist es nur erforderlich, die Ultraschallwandler 24 und 26 als Sender und den Ultra­ schallwandler 22 als Empfänger zu betreiben.
In der vergrößerten Darstellung gemäß Fig. 2 ist zu er­ kennen, daß die Schallachsen der Ultraschallwandler 22 und 26 die Koppelfläche 28 des Prüfkopfes 2 praktisch im glei­ chen Punkt durchstoßen, während der Durchstoßungspunkt der Schallachse des Ultraschallwandlers 24 vom Durchstoßungs­ punkt der Schallachse des Ultraschallwandlers 22 räumlich getrennt ist.
Dadurch ist eine zusätzliche Verlagerung des empfindlichen Tiefenbereiches 8 in die Tiefe des Werkstückes ermöglicht.
In Fig. 3 ist zu erkennen, daß die Ankoppelfläche 28 und die Sende- und Empfangsflächen der Ultraschallwandler 22 bzw. 24, 26 rechteckig sind. Als vorteilhafte Abmessungen haben sich für die Ankoppelfläche 28 38 mm × 20 mm, für die Sendefläche des Sendewandlers 22 8 mm × 10 mm und für die Empfangsfläche der Empfangswandler 24 und 26 9 mm × 10 mm ergeben.
In Fig. 4 ist die auf maximales Echosignal normierte Echohöhe E in dB gegen die Tiefe t eines in einem flachen Prüfling aus austenitischem Stahl mit einer Dicke von 140 mm für die Sender-Empfänger-Kombination 22/24 und die Sender-Empfänger-Kombination 22/26 aufgetragen. Die Prüf­ frequenz betrug 2 MHz und als Testfehler wurden Kreis­ scheibenreflektoren mit einem Durchmesser von 10 mm ver­ wendet. In der Figur ist zu erkennen, daß praktisch der gesamte Dickenbereich mit einem einzigen Prüfkopf prüf­ technisch erfaßt werden kann.

Claims (5)

1. Ultraschallwandler-Anordnung zur Ultraschallprüfung von Tandemfehlern in einem Prüfling (4) nach dem Wellen­ umwandlungsprinzip, mit mehreren in einem Prüfkopf (2) angeordneten Ultraschallwandlern (22, 24, 26), die wenig­ stens zwei für unterschiedliche Tiefenbereiche (6, 8) empfindliche Sender-Empfänger-Kombinationen (22, 24 und 22, 26) bilden.
2. Ultraschallwandler-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei Ultraschallwandler (22, 24, 26) vorgesehen sind.
3. Ultraschallwandler-Anordnung nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß einem als Sender betreibbaren Ultraschallwandler (22) mehrere als Empfänger betreib­ bare Ultraschallwandler (24, 26) zugeordnet sind.
4. Ultraschallwandler-Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem als Sender betreibbaren Ultraschallwandler (22) Transversalwellen (10) unter einem Winkel von an­ nähernd 60° in den Prüfling (4) einkoppelbar sind.
5. Ultraschallwandler-Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß einer der als Empfänger betreibbaren Ultraschallwandler (24) zum Empfangen von Longitudinalwellen (12) eingestellt ist, die sich unter einem Winkel (Φ1) von annähernd 17° und ein anderer der als Empfänger betreibbaren Ultraschallwandler (26) zum Empfangen von Longitudinalwellen (14) eingestellt ist, die sich unter einem Winkel annähernd (Φ2) von 38° zur Oberflächennormalen im Prüfling (4) fortpflanzen.
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