-
Ultraschall-Schwingeranordnung zur zerstörungsfreien VVerkstoffprüfung
mittels Ultraschall-Impulsen Die bekannten Ultraschallköpfe zur Werkstoffprüfung
mittels Ultraschall-Impulsen, die an das zu prüfende Werkstück mittels einer Koppelsubstanz,
meist 01, angekoppelt werden, enthalten im wesentlichen einen Ultraschall-Schwinger,
der bei der Sendeperiode durch einen elektrischen Hochfrequenzgenerator kurzzeitig
erregt wird und Ultraschall-Impulse in das Werkstück hineinsendet, bei der Empfangsperiode
dagegen die im Werkstück reflektierten Ultraschall-Impulse empfängt und in elektrische
Impulse umwandelt, die nach Verstärkung an einer Braunschen Röhre zur Anzeige gebracht
werden. Der Schallkopf enthält ferner einen Ballastkörper, an den der Sende-/Empfangsschwinger
angekittet ist und verhindern soll, daß der Schwinger bei Beendigung der Sendeperiode
nachschwingt.
-
Für eine einwandfreie Einstrahlung von Ultraschallenergie in das Werkstück
ist Voraussetzung, daß der Schallkopf genügend fest an die Werkstückoberfläche angekoppelt
ist. Schon ein geringes Verkanten des Schallkopfes oder eine unebene Oberfläche
des Prüflings ergeben eine ungenügende Ankopplung und unter Umständen überhaupt
keine Einschallung von Ultraschallenergie in das Werkstück. Die Folge davon ist,
daß ein fehlerhaftes Werkstück fälschlich als fehlerfrei erachtet wird.
-
Ist der Prüfkopf in bekannter Weise z. B. so aufgebaut, daß der Schallstrahl
senkrecht in das zu prüfende Werkstück eintritt, so ist eine Ankopplungskontrolle
des auf das Werkstück aufgesetzten
Prüfkopfes meist dadurch gegeben,
daß auf dem Leuchtschirmbild der Braunschen Röhre das Bodenecho von der rückwärtigen
Grenzfläche des Werkstückes erscheint, wodurch der Beweis erbracht ist, daß Ultraschallenergie
in das Werkstück eintreten konnte. Es kann aber vorkommen, daß innerhalb des Werkstückes
Fehlereinschlüsse vorhanden sind, die so ungünstig liegen, daß ein Echo aus dem
Prüfling nicht empfangen werden kann. In diesem Falle bleibt der Prüfende darüber
im unklaren, ob ein fehlerfreies Werkstück vorliegt oder lediglich eine ungenügende
Ankopplung des Prüfkopfes an das Werkstück vorliegt.
-
Bei den bekannten Ultraschall-Schwingeranordnungen, die so aufgebaut
sind, daß der Schallstrahl unter einem spitzen Winkel zur Werkstückoberfläche in
das Werkstück eindringt und bei denen der Ultraschall-Sende-/Empfangsschwinger an
einen Ballastkörper angrenzt, der keilförmig gestaltet ist und aus einem Kunststoff
besteht, ist es z. B. bei der Prüfung von Rohrwandungen bei- fehlerfreien Stücken
nicht möglich, ein dem Rückwandecho entsprechendes Kontrollecho zu erhalten, weil
der Schallstrahl durch die Schrägeinstrahlung laufend an der äußeren und inneren
Rohrwandung reflektiert wird und im Rohr rund läuft. Auch hier kann der Prüfende
nicht unterscheiden, ob er ein fehlerfreies Werkstück vor sich hat, oder ob lediglich
der Prüfkopf ungenügend an das Werkstück angekoppelt ist und keine Schallenergie
in das Werkstück eindringen kann. Es besteht daher das Bedürfnis, dem Prüfenden
Aufschluß darüber zu geben, daß der Prüfkopf ausreichend fest an das Werkstück angekoppelt
ist.
-
Die Erfindung beschäftigt sich mit der Lösung dieser Aufgabe und
fußt auf der Erkenntnis, daß ein Teil der vom Sende-/Empfangsschwinger abgestrahlen
Ultraschallenergie in den Ballastkörper eingestrahlt wird, mit dem der Schwinger
im Prüfkopf verbunden ist.
-
Gemäß der Erfindung ist an dem Ballastkörper eine Vorrichtung zur
Anzeige des in dem Ballastkörper zurückbleibenden, nicht in das Werkstück eindringenden
Schallstrahlungsanteils angebracht.
-
Bei Schwingeranordnungen, die den Schall senkrecht in das Werkstück
einstrahlen und bei denen der Ballastkörper an der dem Prüfling abgewandten Rückfläche
des Sende-/Empfangsschwingers angrenzt, ist die Anzeigevorrichtung - an det dem
Sende - 1 Empfangsschwinger gegenüberliegenden freien Grenzfläche des Ballastkörpers
angebracht.
-
Bei Ultraschall-Schwingeranordnungen, bei denen zur Schrägeinstrahlung
der Ultraschallenergie in das Werkstück der Sende-/Empfangsschwinger an einen keilförmig
gestalteten-Ballastkörper angrenzt, ist die Anzeigevorrichtung an einer Grenzfläche
des Ballastkörpers angebracht, auf die der von der Schallabstrahlungsfiäche in den
Ballastkörper zurückreflektierte Strahlungsanteil des Sende-/Empfangsschwingers
fällt.
-
Die Anzeigevorrichtung besteht zweckmäßig aus einem oder mehreren
Ultraschall-Schwingern, die Ultraschall-Impulse in elektrische Impulse umzuwandeln--vermögen
und vorzugsweise an ihrer dem Schallstrahlungsfeld abgewandten Rückseite mit schallabsorbierendem
Material, z. B. Hartgummi, hinterlegt sind. Der oder die Empfangsschwinger der Anzeigevorrichtung
werden zweckmäßig durch Schaltmittel während der Empfangsperiode des Sende-/Empfangsschwingers
parallel zu diesem geschaltet, so daß die von den Empfangsschwingern der Anzeigevorrichtung
abgegebenen Impulse ebenfalls auf dem Leuchtschirmbild der Braunschen Röhre sichtbar
werden. Die Schaltmittel können so ausgebildet sein, daß die von den Empfangsschwingern
der Anzeigevorrichtung abgegebenen Impulse lediglich während eines Teiles der Empfangsperiode
des Sende-/Empfangsschwingers angezeigt werden. Vorzugsweise können sie während
dieser Zeit periodisch zur Anzeige gebracht werden.
-
Auf weitere Merkmale der Erfindung wird bei der nachfolgenden Beschreibung
zweier Ausführungsbeispiele näher hingewiesen.
-
Die Fig. I veranschaulicht in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäß
ausgebildete Ultraschall-Schwingeranordnung, bei der der Schallstrahl senkrecht
in das Werkstück eingestrahlt wird. Mit I ist ein auf Sendung und Empfang umschaltbarer
Quarzschwinger bezeichnet, der mit seiner einen Fläche an das zu prüfende Werkstück
2 angekoppelt ist und mit seiner rückwärtigen Fläche an den Ballastkörper 3 angrenzt.
An der dem Schwinger I gegenüberliegenden freien Grenzfläche des Ballastkörpers
3, die schräg zu der mit dem Schwinger I z. B. durch Kittung verbundenen Grenzfläche
verläuft, ist ein Empfangsschwinger 4 angebracht, vorzugsweise ebenfalls aufgekittet,
der die von dem Schwinger I in den Ballastkörper 3 hineingesandte Ultraschall-Impulsenergie
empfängt und die empfangenen Ultraschall-Impulse in elektrische Impulse umwandelt.
Diese Impulse werden während der Empfangsperiode des Sende-/Empfangsschwingers I
ebenfalls dem Empfangsverstärker und der Braunschen Röhre zugeführt, so daß die
vom Empfangsschwinger 4 abgeleiteten Impulse als Signale auf dem Bildschirm der
Röhre erscheinen. Die Amplitude der von dem Schwinger 4 herrührenden Impulse ist
ein Maß für die Güte der Ankopplung des Sende-/Empfangsschwingers I an die Werkstückoberfläche
2. Die dem Schwinger I gegenüberliegende freie Grenzfläche des Ballastkörpers 3
ist vorzugsweise deshalb gegenüber dessen an den Schwinger I anliegenden Grenzfläche
geneigt, um zu verhindern, daß die an dieser reflektierte Schallstrahlung unmittelbar
auf den Sende-/ Empfangsschwinger I zurückfallen kann, was auf dem Bildschirm der
Braunschen Röhre unerwünschte Echos hervorrufen würde. Wird der aus den Teilen I,
3 und 4 bestehende Prüfkopf von der Werkstückoberfläche abgehoben, so empfängt der
Empfangsschwinger 4 die von dem Schwinger in den Ballastkörper 3 hineingesandten
Impulse, deren Amplitude eine Größe hat, die aus der Höhe der auf dem Bildschirm
sichtbaren Impulse ermittelt werden kann. Beim Aufsetzen des Sende-/Empfangsschwingers
I auf das Werkstück wird außerdem
Ultraschallenergie in den Prüfling
2 eindringen, wobei sich die von der Rückseite des Schwingers in den Ballastkörper
3 eingeschallte Impulsenergie verändert. Die Amplitudenveränderung des auf dem Bildschirm
sichtbaren, vom Empfangsschwinger 4 herrührenden Signals ist dann ein Maß für die
Ankopplungsgüte des Schwingers I an das Werkstück 2 und damit auch ein Maß für die
in das Werkstück eingeschallte Energie.
-
Für den Fall, daß das von dem Empfangsschwinger 4 herrührende auf
dem Bildschirm sichtbare Impulsbild die Auswertung der aufgezeichneten Echoimpulsbilder
aus dem Werkstück stören sollte, können Schaltmittel vorgesehen sein, die die Impulsspannungen
des Schwingers 4 nur zeitweise, z. B. periodisch während der Empfangsperiode des
Schwingers I an den Empfangsverstärker anlegen.
-
Im Bedarfsfall können während der Prüfung des Werkstückes die Spannungen
des Kontrollschwingers 4 auch vom Verstärker abgeschaltet werden, da in vielen Fällen
eine Ankopplungskontrolle nicht während der gesamten Messung erforderlich sein dürfte.
-
Die Fig. 2 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung
unter Verwendung einer Ultraschall-Schwingeranordnung, die Ultraschall-Impulse unter
einem spitzen Winkel zur Werkstückoberfläche in das Werkstück einstrahlt.
-
Der Sende-/Empfangsschwinger ist wiederum mit I und das zu prüfende
Werkstück mit 2 bezeichnet.
-
Der Sende-/Empfangsschwinger I ist auf den keilförmigen Ballastkörper
5 aufgekittet. Die vom Schwinger in den Keil in Richtung des Pfeiles 6 gesandte
Ultraschall-Impulsenergie tritt beim Aufsetzen des Keiles 5 auf das Werkstück 2
unter dem Winkel a in das Werkstück 2 ein. Ein Teil der Energie wird jedoch an der
Grenzfläche zwischen dem Keil 5 und der Werkstückoberfläche in den Keil zurückreflektiert,
wie durch den Pfeil 7 dargestellt werden soll. Im Bereich des in den keilförmigen
Ballastkörper 5 zurückreflektierten Schallbündels ist an einer Grenzfläche des Keiles
5 der Schwinger 4 angeordnet, der wie bei dem zuvor betrachteten Ausführungsbeispiel
(Fig. 1) erläutert, auf ihn auftreffende Ultraschall-Impulse in elektrische Impulse
umwandelt, die, da der Schwinger 4 während der Empfangsperiode des Schwingers I
zu diesem parallel geschaltet ist, über den Empfangsverstärker verstärkt auf der
Braunschen Röhre mitaufgezeichnet werden. Die Amplitude des so auf dem Bildschirm
sichtbaren Signals ist dann ein Maß für den nicht in das Werkstück 2 gesandten,
im Ballastkörper reflektierten Schallenergieanteil.
-
Um zu verhindern, daß die am Empfangsschwinger 4 eintreffende, an
der Grenzfläche reflektierte Ultraschallenergie in unerwünschter Weise wieder in
Richtung zum Prüfling 2 zurückreflektiert wird, ist der Empfangsschwinger 4 möglichst
reflektionsfrei an den Keil angekittet, z. B. über eine Zwischenschicht aus einem
Material geeigneten Wellenwiderstandes, und rückseitig mit einem schallabsorbierenden
Material, z. B. einem Hartgummikörper 8, hinterlegt.
-
Betrachtet man, wie in Fig. 2 durch Pfeil 6 angedeutet, lediglich
den vom Sende-/Empfangsschwinger I in den Keil gesandten Mittelstrahl, so würde
bei vom Prüfling 2 abgehobenen Schallkopf der Schallstrahl am Punkt g der Bodenfläche
des Keiles 5 eintreffen und in Richtung des Pfeiles 7 reflektiert werden. Beim Aufsetzen
des Keiles 5 auf den Prüfling 2 ergibt sich jedoch eine sogenannte Strahlversetzung
des reflektierten Strahles 7, d. h. der Strahl 7 wird um den Betrag b parallel zu
sich selbst verschoben und verläuft in Richtung des dargestellten Strahles 7'. Die
Größe der Strahlversetzung b ist abhängig von dem Wellenwiderstand des Materials,
aus dem der Keil 5 gefertigt ist und von dem Wellenwiderstand des zu prüfenden Materials
2. Da das Material für den Keil 5 während der Messungen nicht geändert wird, ist
daher die Strahlversetzung b ausschließlich abhängig von dem Wellenwiderstand des
Prüflings 2.
-
Gemäß der weiteren Erfindung wird die Strahlversetzung der innerhalb
des keilförmigen Ballastkörpers reflektierten Strahlung zur Ankopplungskontrolle
des Winkelprüfkopfes und zur Messung der in das Werkstück eingeschallten Ultraschallenergie
benutzt. Unter Ausnutzung des Effektes der Strahlversetzung in dem keilförmigen
Ballastkörper 5 bei Winkelprüfköpfen wird als Empfangsschwinger 4 ein möglichst
kleiner piezo-elektrischer Schwinger verwendet, der so angeordnet ist, daß er nur
von dem versetzten Rückstrahl 7' getroffen werden kann. Beim Abheben des Prüfkopfes
vom Prüfling verläuft der im Ballastkörper reflektierte Schallstrahl dann in der
Richtung des Pfeiles 7, wobei keine Anzeige erfolgt, weil dieser Schallstrahl den
Schwinger 4 nicht trifft. Beim Aufsetzen des Prüfkopfes auf das Werkstück 2 dagegen
tritt die beschriebene Strahlversetzung ein, und der reflektierte Schallstrahl 7'
trifft auf den Empfangsquarz 4 auf, wobei von diesem ein elektrischer Impuls abgegeben
wird, der als Signal auf dem Bildschirm sichtbar wird und ein Maß für die richtige
Ankopplung darstellt.
-
Hat man häufig mit Winkelprüfköpfen Materialien mit unterschiedlichen
Wellenwiderständen zu prüfen, so wird die Strahlversetzung je nach dem Wellenwiderstand
des Prüflings eine andere sein. Deshalb ist es zweckmäßig, an Stelle eines einzigen
Empfangsschwingers 4 deren mehrere zu verwenden, die einen Abstand voneinander haben,
der der erwarteten unterschiedlichen Größe b der Strahlversetzung entspricht (Fig.
3). Besonders zweckmäßig ist es weiterhin, die einzelnen Empfängerquarze 4 nicht
nur, wie in Fig. 3 veranschaulicht, in einer Ebene nebeneinander anzuordnen, sondern
diese, wie in Fig. 4 dargestellt ist, auch noch um einen Betrag versetzt, in verschiedenen
Ebenen parallel zueinander liegenden Ebenen anzuordnen, um Laufzeitunterschiede
der versetzten reflektierten Strahlung zu erreichen. Die Folge dieser Maßnahme ist,
daß, wenn sämtliche Kontrollempfängerquarze 4 einander parallel geschaltet sind,
die auf dem Bildschirm der Braunschen Röhre sichtbaren Kontrollsignale je nach der
Größe der Strahlversetzung bt,
b2, bs in verschiedenem Abstand voneinander
liegen, wodurch bereits bei der Ankopplungskontrolle Rückschlüsse auf den Wellenwiderstand
des zu prüfenden Materials gezogen werden können.