DE1952380C3 - Verfahren zur Funktionskontrolle von mindestens einem Ultraschallwandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Funktionskontrolle von mindestens einem Ultraschallwandler, der mit einem anderen Wandler ein Wandlerpaar bildet, dessen beide Wandler sich auf einem gemeinsamen Vorlaufkörper oder auf getrennten Vorlaufkörpern befinden, der bzw. die je eine Ankoppelfläche zum Prüfling besitzen.

Ultraschall-Prüfköpfe enthalten einen oder mehrere elektroakustische Wandler, die mit einem Wandlerträger verbunden sind. Dieser Träger wird häufig zwischen Wandler und zu prüfenden Werkstoff als Schallvorlaufstrecke gebracht. Die Wandler sind über elektrische Kabelverbindungen mit einem Ultraschall-Gerät verbunden. Werden als Wandler Piezoplatten verwendet, so sind diese in der Regel auf die Träger aufgekittet. Es besteht die Gefahr, daß sich die Ultraschallwandler ganz oder teilweise ablösen. Dadurch ist der Ultraschall-Prüfkopf nicht mehr funktionsfähig. Ferner können Leitungsschäden auftreten. Damit Ultraschall in einen Werkstoff gelangt, muß der Prüfkopf angekoppelt werden. Der Ankopplungsgrad hängt vom Koppelmedium und der Dicke der Koppelschicht ab. Bei der Ankopplung über Flüssigkeiten kann sich die Dicke der Koppelschicht ändern, und bei Direktkontakt des Prüfkopfes auf dem Werkstoff und Verschiebung des Kopfes kann der Koppelfilm abreißen. Eine getrennte Kontrolle auf Funktionstüchtigkeit und Ankopplung ist wichtig, damit z. B. Prüfkopfschäden durch Ablösen einer Piezowandlerplatte erkannt werden. Ist der Piezokristall nur zu einem Teil mit dem Wandlerträger

ίο verbunden, so wird u. a. der Schallbündel-Öffnungswinkel größer neben dem Energieverlust, und damit ist die Bestimmung der Lage und der Größe eines Reflektors (Fehlers) im Werkstoff schwieriger.
Wenn aufgrund der Geometrie der Anordnung von Prüfkopf und Prüfling stets ein Echo bestimmter Laufzeit vorliegt, dann können aus der Größe der reflektierenden Schallenergie Rückschlüsse auf die Prüfkopfqualität und den Ankopplungsgrad gezogen werden. Die Prüfkopfqualität und der Ankopplungsgrad können aber nur gleichzeitig erkannt werden und nur im angekoppelten Zustand.

Es ist bereits bekannt, daß von der Rückwand des Prüflings mit Hilfe eines zusätzlichen, auf den Vorlaufkeil parallel zur Schallaustrittsfläche aufgekitteten Schwingers unter Durchschallung der Ankopplungsfläche des Winkelprüfkopfes Mehrfachechos erhalten werden, mit denen gemäß dem Vorhergesagten Ankopplung des gesamten Prüfkopfes und Funktionstüchtigkeit des Winkelschwingers und des zusätzlichen Schwingers gemeinsam überprüft werden.

Nach einem' anderen Verfahren wird zur Überwachung eines Winkelprüfkopfes ein zweiter Kopf so auf den Prüfling gesetzt, daß der Schallimpuls in diesem zweiten Kopf reflektiert wird und damit ein Kontrollecho liefert (s. DE-PS 8 89 840). Die Amplitude des Echos ist von der Qualität der Köpfe, insbesondere aber von deren Ankopplungsgrad zum Prüfling, abhängig.

Die Nachteile der vorgenannten Anordnungen liegen darin, daß die Funktionskontrolle nur möglich ist, wenn bei der erstgenannten Anordnung bekannte Reflektoren im Prüfling vorhanden sind. Die Methode nach der DE-PS 8 89 840 setzt voraus, daß man einen zweiten Kopf aufsetzt, der genau geführt werden muß. Bei der erstgenannten und bei der in der DE-PS 8 89 840 beschrieben Methode müßte ein Eichkörper verwendet werden, um die Prüfkopfqualität zu erfahren. Ferner hängt die zum Wandler zurückkehrende Schallenergie des Kontrollechos von den Ankopplungsbedingungen des Prüfkopfes an den Werkstoff, der Schallschwächung im Werkstoff und den Schallimpdeanzunterschieden von Koppelmedium und Werkstoff ab. Da diese Variablen werkstoffabhängig sind, mußten zur Qualitätsbestimmung des Prüfkopfes die vorbezeichneten Eichkörper verwendet werden. Eine getrennte Funktionsüberwachung des Prüfkopfes ist praktisch nicht möglich.

Eine weitere Möglichkeit wird in der DE-PS 9 29 153 erläutert. Ein Teil der von einem Ultraschallwandler abgegebenen Energie wird von der Ankopplungsfläche

(>o zu einem Hilfsempfänger geleitet. Die diesen erreichende Energie hängt vom Ankopplungsgrad und der Wandlerqualität ab. Aber gerade der erst von der Ankopplungsfläche reflektierte Anteil ergibt keine echte, direkte Anzeige darüber, ob sich die Piezoplatte

ii^r) vom Träger abgehoben hat od. dgl.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Fehler am Prüfkopf sogleich zu erkennen, unabhängig vom Grad der Ankopplung. Diese Funktionsüberwachung ist

insbesondere bei automatisch arbeitenden Anlagen wichtig.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, daß ein Anteil vom Schallstrahl, der von einem der Wandler des Wandlerpaares ausgeht, innerhalb des zu diesem Wandler gehörenden Vorlaufkörpers vom übrigen auf der Ankoppelfläche zum Prüfling auftreffenden Schallstrahl abgespalten, zum anderen Wandler über einen die Ankoppelfläche zum Prüfling nicht berührenden Weg geführt und in diesem anderen Wandler gemessen und/oder angezeigt wird.

Eine Ausgestaltung der Erfindung, bei der sich mindestens ein Wandlerpaar auf einer gemeinsamen Vorlaufstrecke befindet, sieht eine Anordnung zur Ausübung des Verfahrens vor, derart, daß die Abspaltung für die Energieüberführung von einem Wandler zum anderen Wandler eines zugeordneten Paares über einen im Vergleich zur Wandlerfläche kleinen Reflektor, wie eine Bohrung od. dgl. mit der Bohrungsachse im wesentlichen senkrech' zur Schallausbreitungsrichtung, erfolgt oder daß die Energieüberführung durch eine halbdurchlässige Grenzschicht möglich wird.

Ferner wird eine Anordnung zur Ausübung des Verfahrens vorgeschlagen, wobei die Abspaltung für die Energieüberführung von einem Wandler zum anderen Wandler des Wandlerpaares über einen aus dem direkten Schallweg des Wandlers herausführenden, schalleitenden Bauteils erfolgt, der mindestens mit einem Teil jeweils in der Vorlaufstrecke angeordnet ist.

Dieser schalleitende Bauteil kann flexibel ausgeführt werden.

Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden erläutert. Es zeigt

Fig. 1 bzw. Fig.2 Winkelprüfköpfe mit einer Ausführungsform der erfinderischen Anordnung.

F i g. 3 das zugehörige Leuchtschirmbild.

F i g. 4 einen abgewandelten Winkelprüfkopf mit einer Ausführungsform der erfinderischen Anordnung.

F i g. 5 Zwei-System-Winkelprüfköpfe zur Längs- und Querfehlerprüfung, wobei ein Systempaar jeweils ein gemeinsames Gehäuse hat.

F i g. 6 zwei getrennte Zwei-System-Winkelprüfköpfe für den gleichen Zweck, jedoch verbunden durch »Schallfaseroptiken«.

Bei einzelnen Ausführungsbeispielen ist zu berücksichtigen, daß bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung u. a. Winkelprüfköpfe verwendet werden, die zum Auffinden von schräg zur Prüflingsoberfläche liegenden Fehlern die Schallwellenimpulse unter einem bestimmten Winkel in den Prüfling leiten.

In Fig. t und Fig.2 ist in einem üblichen Winkelprüfkopf, der aus Wandler 2 und Wardlerträger 4a bestehen kann, ein weiterer Wandler 2a parallel zur Prüflingsoberfläche angeordnet. Dieser Wandler dient in bekannter Weise der Ankopplungskontrolle, indem die Höhe der Amplitude des Rückwandechos beobachtet wird. Zur Funktionskontrolle kann zusätzlich folgendermaßen verfahren werden: Der vom Wandler 2 ausgehende Schallimpuls wird z.T. an der Bohrung 1 bzw. der Grenzfläche 1 a zum Wandler 2a reflektiert.

F i g. 3 zeigt ein typisches Leuchtschirmbild, wenn Wandler 2 als Sender, jedoch zusätzlich mit dem Empfänger 2a zusammen arbeitet. Der Sendeimpuls 10a ist mit anhängenden Nachschwingern und Störechos aus dem Wandlerträger dargestellt. Der an der Bohrung 1 oder der Trennschicht la. die als Reflektor dienen.

gespielte Schallanteil, wird vom Wandler 2 bzw. 2a empfangen und auf dem Bildschirm als Kontrollimpuls 11 dargestellt. Aus der Grenzschicht 5 zwischen Prüfkopf und Prüfling 6 gelangen nach den Refiexionss gesetzen keine Reflexionsanteile zu den Wandlern 2 oder 2a, ebenso nicht von der Prüflingsrückwand 8, sondern nur vom Reflektor 7, wenn er Flächenanteile senkrecht zur Schallausbreitungsrichtung hat. Daher erscheint nur noch das Fehlerecho 13 auf dem

ίο Bildschirm.

Die Sendeimpulsenergie wird bei den gebräuchlichen Ultraschall-Geräten konstant gehalten. Damit muß auch die Umwandlungsspannung des Kontrollimpulses 11 vom Kontrollecho bei einwandfreiem Prüfkopfsystem konstant bleiben. Die Höhe des Kontrollimpulses ist also ein Maß für die Prüfkopfqualität und kann durch automatische Schwellwertverstärker überwacht werden. Der Wandler la dient dem Zweck, Schallimpulse senkrecht in den Prüfling zu schicken. Damit kann man aus der Höhe des Rückwandechos auf die Ankopplungsqualität schließen. Bei schlechter oder fehlender Ankopplung unterschreitet das Rückwandecho die bei »satter« Ankopplung gefundene Echohöhe bzw. verschwindet ganz. Solche Ankopplungskontrollschwinger 2a sind bei automatischer Prüfung erwünscht und bekannt. Durch die Reflektoren 1 bzw. la lassen sich beide Wandler mit Hilfe des Kontrollechos auf einwandfreie Funktion überprüfen.

Die Reflektorbohrung ist leicht herzustellen; mit ihrer Hilfe kann jedoch nur ein Teil der Wandlerfläche kontrolliert werden, im Gegensatz zu einer etwas aufwendigeren Trennschicht im Wandlerträger, die alle Schallwellenanteile integral berücksichtigt. Eine teilweise Ablösung des Wandlers vom Wandlerträger wird

.15 erkannt. In der Regel wird aber die Bohrung genügen.

F i g. 4 zeigt einen speziellen Winkelprüfkopf mit zwei plattenförmigen Piezowandlern 2 und 2b. Während Wandler 2 sowohl als Schallsender als auch als Schallempfänger benutzt wird, dient Wandler 26 nur als Schallempfänger, einmal für den Anteil, der über die Bohrung 1 oder eine nicht gezeichnete Trennschicht zu Wandler 2b gelangt, zum anderen für den Anteil, der über die Kopplungsfläche zu Wandler 2b gelangt.

Die Anordnung der Piezoplatten 2 und 2b ist derart, daß bei aufgesetztem Wandlerträger (Vorlaufstrecke) 4 auf den Prüfling 6 ein Teil der vom Wandler 2 ausgesandten Schallimpulsenergie an der Koppelfläche 5 zum Wandler 2b reflektiert wird. Die Restenergie gelangt in den Prüfling 6. Die zum Wandler 2b

so gelangende Schallenergie hängt von der Ankopplungsqualität ab. Ist keine Ankopplung vorhanden, so wird praktisch die gesamte Schallenergie an der Grenzfläche 5 zum Wandler 2b reflektiert. Bei »satter« Ankopplung erreicht die reflektierente Energie, wie bekannt, ein Minimum. Diese Anordnung wird dann verwendet, wenn eine Ankopplungskontrolle durch Einschaltung in normaler Richtung nicht zum Ziel führt, insbesondere dann, wenn die Prüflingsrückseite entweder nicht parallel zur Oberfläche liegt oder stark zerklüftet ist

ω) oder die Schalleindringtiefe nicht ausreicht.

In Schweißnähten können Fehler mit unterschiedlicher Orientierung ihrer Flächen auftreten. F i g. 5 zeigt ein Blech mit einer Schweißnaht 3 und zwei symmetrisch zur Naht angeordnete Prüfkopfsysteme.

hi Dit Wandler (Schwinger) 2a und 24, sind so orientiert, daß ein z. B. vom Wandler 2A ausgehender Schallimpuls zum Wandler 2a gelangt, wodurch eine Ankopplungskontrolle möglich ist. Befindet sich auf dem SchallweK

vom Wandler 2A nach Wandler 2a ein Reflektor Ta, d. h. ein Fehler in der Schweißnaht 3. so kehrt ein Teil der Schallimpulsenergie zum Wandler 2u zurück. Dadurch wird der Fehler festgestellt. Ein quer zur Schweißnaht orientierter Fehler Tb kann nur gefunden werden, wenn die Ultraschall-Wandler 2b und 2ß so orientiert sind, daß ein von 2ß ausgehender Schallimpuls nach Reflexion am Reflektor Tb zum Wandler 2b gelangt. Natürlich können alle Wandler als Sende- und Empfangsschwinger benutzt werden. So würde beispielsweise der Wandler 2ß auch Fehler finden, deren Flächen senkrecht zur Schallausbreitungsrichtung orientiert sind, also in einem bestimmten Winkel zur Schweißnahtachse.

Da die Wandler 2a und 2A die Ankopplungskontrolle für die Prüfköpfe an das Blech ermöglichen, isi es auch hierbei erforderlich, eine Funktionskontrolle durchzuführen über geeignete, in die Vorlaufstrecke 4 bzw. 4Λ eingebrachte Reflektoren, so daß ein konstanter Schallenergieanteil bei einwandfreiem Prüfkopfsystem vom Wandler 2a und 2b nach bzw. vom Wandler 2A und 2öund/oder umgekehrt gelangt.

In F i g. 6 wird eine ähnliche Anordnung wie in F i g. 5 gezeigt, jedoch mit in getrennten Prüfkopfvorlaufstrekken 4, 4Λ, 4ß, 4C untergebrachten Wandlern 2a, 2A, 2b und 2ß. Das heißt: Wandler 2a befindet sich im Vorlaufkörper 4, entsprechend 2A in 4A, 2bin 4ßund 2ß in 4C Das ist häufig für bestimmte Prüfaufgaben erforderlich. Die Funktionskontrolle zwischen den Wandlern 2a und 2b bzw. 2A und 2ß erfolgt jetzt über

■ eine Art »Schallfaseroptik«. Aus dem Vorlaufkörper 4 bzw. 4.4 wird z. B. ein Draht oder ein mit einer Flüssigkeit gefüllter Schlauch Ic herausgeführt, den man in 4ß bzw. 4C münden läßt. Über diese Verbindung gelangt ein Teil der Ultraschall-Energie von einem Wandler zum anderen, wie vorher an den Reflektoren gezeigt.

Die erfinderische Lösung der Prüfkopfüberwachung ist nicht nur auf die genannten Beispiele beschränkt. Insbesondere ist sie auch dann ratsam, wenn statt der Piezoplatten andere Ultraschall-Wandler verwendet werden, wie z. B. magnetostriktive Schallgeber. Ferner ist die Kontrollmöglichkeit auch bei Dauerschallköpfen möglich, wie man leicht an den Beispielen der Fi g. 1, 2, 4,5 und 6 erkennt.

Darüber hinaus ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, daß die Wandlerträger, die als Schallvorlaufstrecke wirken, aus einem oder mehreren Festkörpern bestehen. Die Vorlaufstrecke kann auch eine Flüssigkeit sein wie z. B. bei einem Fließwasserprüfkopf. In den Flüssigkeitsraum kann dann z. B. statt der Bohrung ein Röhrchen od. dgl. eingebracht werden.

Im Einzelfall kann die Erfindung, statt ein Paar von Wandlern zu verwenden, zur Funktionskontrolle eines einzigen Wandlers verwendet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Funktionskontrolle von mindestens einem Ultraschallwandler, der mit einem anderen Wandler ein Wandlerpaar bildet, dessen beide Wandler sich auf einem gemeinsamen Vorlaufkörper oder auf getrennten Vorlaufkörpern befinden, der bzw. die je eine Ankoppelfläche zum Prüfling besitzen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anteil vom Schallstrahl, der von einem der Wandler des Wandlerpaares ausgeht, innerhalb des zu diesem Wandler gehörenden Vorlaufkörpers vom übrigen auf der Änkoppelfläche zum Prüfling auftreffenden Schallstrahl abgespalten, zum anderen Wandler über einen die Änkoppelfläche zum Prüfling nicht berührenden Weg geführt und in diesem anderen Wandler gemessen und/oder angezeigt wird.

2. Anordnung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei der sich mindestens ein Wandlerpaar auf einer gemeinsamen Vorlaufstrecke befindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Abspaltung für die Energieüberführung von einem Wandler (2) zum anderen Wandler (2a) über einen im Vergleich zur Wandlerfläche kleinen Reflektor, wie eine Bohrung (1) mit der Bohrungsachse senkrecht zur Schallausbreitungsrichtung, erfolgt

3. Anordnung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abspaltung für die Energieüberführung von einem Wandler (2) zum anderen Wandler (2a) über eine halbdurchtässige Grenzschicht (1 a) erfolgt.

4. Anordnung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abspaltung für die Energieüberführung von einem Wandler zum anderen Wandler über einen aus dem direkten Schallweg des Wandlers herausführenden schalleitenden Bauteil (IcJ erfolgt, der mindestens mit einem Teil jeweils in dem Vorlaufkörper (4,4A) angeordnet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der schalleitende Bauteil (ic) flexibel ist.