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Verfahren und Einrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung von Werkstücken
mit Ultraschall-Impulsen
Es ist bekannt, zur zerstörungsfreien Prüfung von Schweißnähten
auf Fehlstellen oder von Rohren auf Längsrissen usw. mit Ultraschall-Impulsen nach
der Echomethode in den Prüfling Schubwellen unter schrägem Winkel zum Lot hineinzusenfden.
Der Ultraschallgeber wird hierfür mit einem lçeilförmigen Zwischenstück aus Kunststoff
versehen und unter Verwendung von den akustischen Kontakt gewährleistender Koppelflüssigkeit
auf das zu prüfende Werkstück aufgesetzt. Die vom Quarz in das keilförmige Zwischenstück
ausgehende Ultraschallwelle ist eine Druck- oder Longitudinalwelle, die an der Grenzfläche
Zwischenstücc-Prüfling in Form einer Schub- oder Transversalwelle in dem Prüfling
gebrochen wird. Sie kann bei der Grenzfläche Kunststoff-Eisen zum Lot hin einen
Winkel von etwa 350 bis nahezu goO bilden, je nach dem Keikvinkel des Zwischenstücks.
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Trifft nun diese Schubwelle im Prüfling auf eine seiner Grenzflächen
gegen Luft unter einem bestimmten, bei Eisen 330 betragenden Mindesteinfallswinkel
oder unter einem höheren Einfallswinkel, so wird sie unter ihrem Einfallswinkel
total reflektiert. Sie läuft somit in einem plattenförmigen Prüfling zwischen seinen
Oberflächen im Zickzack hin und her. Sie folgt dabei auch einer Krümmung beider
Oberflächen, so daß eine Schubwelle, die in einen Rohrmantel im wesentlichen in
Querrichtung des Rohres hineingesandt wird, im Mantel des Rohres immer weiter rund
läuft und zur Anzeige von Längs rissen oder ähnlichen Fehlern dienen kann, an denen
sie teilweise in sich zurückgeworfen
wird. Die Fehleranzeige kann
dann in ebenfalls bekannter Weise nach-der Laufzeitmeßmethode etwa auf dem Leuchtschirm
einer Kathodenstrahlröhre erfolgen.
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Diese bekannte Methode hat bei ausgedehnteren Prüflingen und bei
Rohren den Nachteil, daß man kein deutliches Echo des Ultraschall-Impulses von einer
Rücvand erhält. Man kann nämlich mit Hilfe des Rückwandechos bei der gewöhnlichen
Echomethode sowohl die Güte der Anooplung des Prüfkopfes an die Oberfläche kontrollieren
als auch oft nur allein aus zudem Verhalten des Rückwandechos auf Fehler im Werkstück
schließen, die sich nicht selbst durch ein eigenes Fehlerecho zu er kennen geben.
Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn es sich um eine glatte Trennung im Werkstück
handelt, die den Schall infolge ihrer Neigung zur Schallrichtung zum größten Teil
seitlich wegspiegelt und kaum oder überhaupt nicht in sich zurückreflektiert. Ebenso
kann sich ein sehr stark absorbierender und wenig reflektierender Fehler, wie z.
B. ein Porennest, eher durch eine Schwächung des Rückwandechos als durch eigene
Echos anzeigen.
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So kann beispielsweise bei der in Fig. I dar gestellten bekannten
Anordnung die Werkstückplatte I nach rechts weiter ausgedehnt oder auch so begrenzt
sein, daß kein Echo mehr zurückkommt.
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Wenn dann bei derçPrüfung der Schweißnaht 2 kein Fehlerecho angezeigt
wird, kann dies sowohl auf Fehlerfreiheit der Schweißnaht 2 als auch auf einer ungenügenden
Ankopplung des Prüfkopfes 3 an die Oberfläche des Werkstückes I beruhen. Es kann
aber auch eine glatte Trennung oder eine stark absorbierende Fehlstelle vorliegen,
und diese verschiedenen Möglichkeiten lassen sich bei dem bekannten Verfahren nicht
sicher unterscheiden.
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Neben dieser beschriebenen Prüfmethode mit nur einem einzigen, sowohl
als Geber als auch als Empfänger dienenden Prüfkopf ist auch ein Prüfverfahren bekannt,
bei dem mit zwei Prüfköpfen gearbeitet wird, von denen der eine nur als Geber und
der andere nur als Empfänger wirkt. Die beiden Prüfköpfe sind mechanisch durch ein
verstellbares Gestänge miteinander verbunden, und' an jeden der Prüfköpfe schließt
sich eine Zuleitung zum Gerät an, die respektive in die Senderbuchse und die Empfäqgerbuchse
des Gerätegehäuses eingesteckt werden. Von dem Geberkopf aus werden Longitudinalwellen
in den Prüfling hineingesandt, die arn Boden des Prüflings reflektiert und von dem
Empfängerkopf wieder aufgenommen werden. Trifft die in den Prüfling hineingesandte
Schallwelle auf eine Fehlerstelle, so wind sie auf einem kürzeren Weg in den Empfangskopf
reflektiert, und dadurch tritt auf dem Leuchtschirm eine Fehlerzacke auf.
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Aber auch dieses mit einem nur als Geber und einem gesonderten, nur
als Empfänger arbeitenden Prüfkopf -durchgeführte bekannte Verfahren versagt in
verschiedenen Fällen bzw. liefert nur unbefriedigende Ergebnisse, denn beispielsweise
wird eine Fehlerstelle stets nur auf einem Schallweg erfaßt, so daß sich über die
Art und Ausdehnung des Fehlers nur wenig aussagen läßt. Darüber hinaus besteht der
bedeutende Nachteil, daß zwei getrennte Köpfe und zwei -gesonderte Kabelanschlüsse
und ein entsprechender Aufbau des elektrischen Geräteteils erforderlich sind. Auch
können Senderkopf und Empfängerkop-f nicht auf gegenüberliegenden Seiten des Werkstückes
angeordnet werden, wie dies bei verschiedenen Werkstückformen erforderlich wäre.
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Dieses bekannte Verfahren eignet sich vielmehr im wesentlichen nur
für das Auffinden von dicht unter der Werkstückoberfläche liegenden, den eigesandten
Strahl zum Empfängerkopf reflektierenden Fehler stellen.
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Die Nachteile der bekannten Verfahren werden erflndungsgemäß dadurch
vermieden, daß ein kräftiges Rückwandecho durch eine besondere Einrichtung künstlich
erzeugt wird.
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Die Fig. 2 zeigt als Ausführungsbeispiel schematisch eine Anordnung
-zur Durchführung des erfindungsagemäßen Verfahrens in seiner einfachsten Form zusammen
mit dem schematischen Leuchtschirmbild. Der Prüfling I mit der Schweißnaht 2 wird
mit dem aufgesetzten Prüfkopf 3 durchschallt.
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An einer Stelle der Oberfläche des Prüflings, an der die im Zickzack
laufende Schubwelle reflektiert wird, ist ein Reflektor 4 in akustischem Kontakt
mit dem Prüfling aufgesetzt. Er kann aus demselben Kunststoff wie das Zwischenstück
des Prüfkopfes bestehen. und denselben Keilwinkel haben, kann auch davon abweichen,
nur muß sein Keilwinkel so groß sein, daß der einfallende Schallstrahl in sich zurückgeworfen
wird und zu einem Reflektorecho Anlaß gibt. Das schematische Leuchtschirmbiltd zeigt
bei a den Sendeimpuls, bei b das Echo einer Fehlstelle in der Schweißnaht und bei
c das Echo aus dem Reflektor. Nur wenn dieses Echo deutlich vorhanden ist, kann
man bei Ausbleiben eines Fehlerechos eindeutig schließen, Edaß die Schweißnaht an
der Prüfstelle fehlerfrei ist. Ferner kann man beiVorhandensein eines Fehlerechos
aus einem Vergleich seiner Größe mit der des Reflektorechos auf die Größe des Fehlers
schließen. ...
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Für den praktischen Gebrauch wird der Reflektor mit dem Geber-iEmpfänger
in einer Haltevorrichtung vereinigt, welche die Einstellung des Abstandes voneinander
und der Winkelrichtungen aufeinander erlaubt und die Anordnung während der Prüfung
konstant hält. Der erforderliche Abstand von Geber-Empfänger und Reflektor kann
durch Rechnung aus dem bekannten Schalhvinkel und der Dicke des Prüflings I oder
durch einen Versuch mit veränderlichem Abstand an einem gesunden Stück des Prüflings
ermittelt werden. Der Abstand kann auch ein ganzzahliges Vielfaches des Mindestabstandes
betragen. Ferner können beide Köpfe auch auf entgegengesetzten Seiten des Prüflings
angeordnet sein, wobei der Abstand entsprechend dem Schallwellenverlauf eingestellt
wird.
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Die Schwierigkeit, etwas über die Fehlergröße auszusagen, wenn die
Oberflächengüte infolge Korrosion oder Anstrich herabgesetzt ist, führte erflndungsgemäß
zu der verbesserten Methode der Verxvendung von zwei gleichen oder ähnlichen, -
je
sowohl als Geber als auch als Empfänger arbeitenden Prüfköpfen.
Gemäß Fig. 3 ist der zweite Prüfkopf 5 parallel zum ersten Prüfkopf 3 geschaltet,
und sie arbeiten somit beide als Geber als auch als Empfänger für ihre eigenen Echos
und diejenigen Impulse, die vom gegenüberliegenden Geber stammen. Der Prüfling wird
also gleichzeitig von zwei Stellen aus durchschallt, und die von den beiden Sender-Empfänger
herrührenden Echos werden alle zugleich mit der Anzeige des durchgegangenen Impulses
auf dem Leuchtschirm überlagert aufgezeichnet. Das zur Fig. 3 gehörende schematisch
dargestellte Leuchtschirmbild zeigt hierbei auch wieder das Reflektorecho c wie
in Fig. 2, denn jeder Geber-Empfänger arbeitet auch wieder als Reflektor.
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Das Kontrollecho c besteht jetzt aus zwei iiberlagerten Echos, die
von den beiden Geber-Empfängern stammen und sich wegen der gleichen Laufzeit überlagern.
Außerdem tritt als weiteres Kontrollecho bei d die Anzeige des von einem Geber zum
anderen Empfänger durchgelaufenen Impulses auf. Das Kontrollecho d erscheint in
der Mitte zwischen Sendeimpuls a und Reflektorecho c, weil es kein eigentliches
Echo, sondern nur der vom einen Kopf zum andern gelaufene Impuls und seine Laufzeit
gerade so groß ist wie zdie eines richtigen Echos aus der Mitte zwischen beiden
Prüfköpfe 3 und 5. Eine Fehleranzeige erscheint wie bei der Anordnung nach Fig.
2 bei b, außerdem aber auch bei e symmetrisch zur Mitte d. DieFehleranzeigen b und
e sind aber nur dann symmetrisch zur Mitte, wenn der Fehler eine geringe Aus-dehnung
in Schallrichtung hat, wenn also die Laufzeit von einem Geber zum Fehler und zurück
zusammen mit der Laufzeit vom anderen Geber zum Fehler und zurück gerade ebenso
groß ist wie die doppelte Laufzeit von einem zum anderen Geber-Empfänger.
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Das Echo e ist also !durch den von rechts gerichteten Schallstrahl
und das Echo. b durch den von links gerichteten Schallstrahl verursacht. Bei glatten
Trennungen stimmen beide Echos der Form und Größe nach überein, nicht aber immer
bei anderen Fehlern, wie Einschlüssen. Man kann also aus dem Unterschied der beiden
Echos etwas über die Art des Fehlers aussagen, während der Vergleich ihrer Größe
mit dem durchgegangenen Impuls d Aussagen über die Fehlergröße zuläßt. Der Doppelprüfkopf
in der Anordnung nach Fig. 3 gewährleistet also wesentlich größere Sicherheit derAnzeige
und mehr Möglichkeiten zur Beurteilung eines Fehlers seiner Xrt und Größe nach als
die bisherige Methode nach Fig. I. Bei der Schweißnahtprüfung hat die Verwendung
des Doppelkopfes also dann Vorteile, wenn stark unterschiedliche Oberflächenbedingungen
vorkommen, z. B. bei Prüfungen an alten Nähten, oder wenn auf die Bestimmung der
Fehlergröße besonderer Wert gelegt wird. Ferner ist es für Ungeübte zweckmäßiger,
wenn sie ihre Ankopplung ständig am Kontrollecho überwachen können.
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Für den Zweck der Rohrprüfung ist eine Anordnung gemäß Fig. 4 zweckmäßig,
bei der zwei Prüfköpfe 3 und 5 mit entgegengesetzter Schallrichtung zu einer Einheit
zusammengebaut sind. Es sind zwei Quarze vorhanden, von denen jeder als Sender und
Empfänger wirkt und von denen jeder den vom anderen ausgesandten Schallimpuls nach
seinem Umlauf sowie die eigenen Echos empfängt. Mit einem solchenRohrprüfkopf erhält
man ein Umlaufecho deutlich und stark. Der Rohrprüfkopf wird unter Zuhilfenahme
einer passend gekrümmten Zwischenplatte 7 aus dem gleichen Kunststoff wie die Prüfkopfkeilstücke
unter Verwendung von etwas Koppelflüssigkeit zwischen Kopf 3, 4 und Platte 7 wie
auch zwischen Platte 7 und Prüfling I aufgesetzt. Dabei können die beiden einzelnen
Prüfköpfe 3 und 5 wie in Fig. 4 gezeichnet angeordnet sein, wobei die vom Prüfkopf
3 ausgehende Schallwelle nach Umlauf im Mantel des Rohres zum Prüfkopf 5 gelangt
mit einemUmlaufwinkel von weniger als 3.600. IhreAnordnungkann aber auch vertauscht
sein so daß die Wellen sich zwischen den beiden Köpfen überkreuzen und der umgelaufene
Strahl von einem Prüfkopf zum anderen einen Weg von mehr als 3600 zurücklegt.
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Die von den beiden Quarzen aufgenommenen Anzeigen überlagern sich
an derselben Stelle des Leuchtschirms, und ein Fehler wird wiederum von beiden Quarze
angezeigt, so daß auf dem Leuchtschirm wiederum zwei Fehlerechos e, d auftreten
und sich ein Leuchtschirmbild und eine Fehleranzeige, wie in Fig. 3 gezeichnet,
ergeben. Mit Hilfe der Echos c und d kann man wiederum eindeutige Aussagen darüber
treffen, ob die Ankopplung des Prüfkopfes an den Prüfling genügt und ob das Fehlen
von Fehlerechos auf Fehlerfreiheit schließen läßt. Der Wert des Rohrprüfkopfes liegt
einmal darin, daß er bei einer Fehleranzeige eine Größenabschätzung durch Vergleich
mit dem Kontrollecho d und dem Reflektionsecho c ermöglicht. Ferner deutet ein Verschwinden
des Kontrollechos entweder auf eine ungenügende Ankopplung oder eine Veränderung
des Schallumlaufes hin, wobei unter Umständen noch keine direkte Fehlanzeige aufzutreten
braucht, und aus dem Kontrollecho kann man somit auf solche Schäden schließen, die
keine deutliche eigene Anzeige geben. Ausgedehntere Rißfelder verschlucken das Kontrollecho
stark und zeigen sich durch Fehleranzeigen stärker nur an den Eintrittsstellen des
Strahles in das Rißfeld an. Das erfindungsgemäße Verfahren liefert also Beurteilungsmöglichkeiten,
wie sie bei den bekannten Verfahren nicht gegeben sind.