Prüfkopf zur Ultraschallprüfung

Abstract

 Bei einem Prüfkopf zur Ultraschallprüfung in Δ -Technik sind Sender (1) und Empfänger (2) in einem gemeinsamen Gehäuse (30) eingeschlossen. Ihre Schwingerträger (4, 7) weisen mehrere Schwingersegmente (8 - 11) auf, die über Schaltelemente (35) einzeln ansteuerbar sind. Damit ge­lingt eine einstellbare Tiefenfokussierung, die den Ein­satz eines Prüfkopfes für verschiedene Tiefenzonen er­möglicht.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Prüfkopf zur Ultraschall­prüfung in Δ -Technik mit einem Sender und einem Emp­fänger, die jeweils einen piezzoelektrischen Schwinger auf einem Schwingträger umfassen, wobei Sender und Emp­fänger baulich so zusammengefaßt sind, daß ihre Strah­lungsrichtungen mindestens annähernd rechtwinkelig zu einer Prüflingsoberfläche und unter einem spitzen Winkel dazu verlaufen.

[0002] Die Δ -Technik der Ultraschallprüfung ist z.B. in dem Buch "Werkstoffprüfung mit Ultraschall" von J. und H. Krautkrämer, Springer-Verlag, Seiten 331 und 332 beschrieben. Dabei zeigt die schematische Darstel­lung der Abbildung 15.10, daß der Empfänger rechtwinklig zu einer Prüflingsoberfläche angeordnet ist, während der Sender unter einem Spitzen Winkel dazu durch eine Flüssig­keit strahlt, die zur Ankopplung benötigt wird, weil bei der Prüfung beide Köpfe sowohl gemeinsam wie auch gegen­einander verschoben werden sollen. Die Δ -Technik wird als umständlich bezeichnet, so daß ihre Anwendung auf Spezialfälle beschränkt ist.

[0003] Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, das Arbeiten mit der Δ -Technik zu vereinfachen. Anders ausgedrückt, soll die genannte Umständlichkeit behoben werden.

[0004] Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß der Schwingerträger des Senders oder des Empfängers mehrere Schwingersegmente aufweist, die über Schaltelemente einzeln ansteuerbar sind, und daß die Schwingerträger in einem gemeinsamen Gehäuse eingeschlossen sind.

[0005] Bei der Erfindung sind somit in einem stabilen, für eine leichte Handhabung geeigneten Gehäuse vereinigt: 1. Ein Senkrechtprüfkopf, der auch eine Neigung bis 20° haben kann und vorzugsweise als Sender benutzt wird, und 2. ein Winkelprüfkopf, der mit mehreren segmentierten Schwingern ausgestattet ist und vorzugsweise als Empfänger benutzt wird. Dabei liefert der Senkrechtprüfkopfteil mit einem großflächigen Schwinger ein intensives Schallfeld mit hoher Anregungsamplitude bzw. Empfindlichkeit direkt unterhalb des Prüfkopfes. Die mehr streifenförmigen Schwinger des Winkelprüfkopfteils erzeugen gleichzeitig einzeln ein recht divergentes Schallfeld für eine breite Empfindlichkeit bzw. Anregungstiefenzone.

[0006] Die segmentierten Schwinger des Winkelprüfkopfes können getrennt oder gemeinsam durch Schaltelemente, vorzugswei­se durch Schalter, wirksam gemacht werden, die am Prüf­kopfgehäuse sitzen. Damit kann der Empfindlichkeitsbe­reich des Prüfkopfes variiert werden. Man erhält also einen Prüfkopf für mehrere Tiefenzonen, wodurch die in dem genannten Buch angeführte Umständlichkeit weitgehend beseitig ist, denn der neue Prüfkopf braucht zur Tiefen­anpassung nicht mehr verschoben zu werden.

[0007] Die Schwingersegmente können in einfacher Weise auf einem üblicherweise keilförmigen Schwingerträger aufgebracht sein, so daß sie gleiche Strahlungswinkel gegenüber dem Senkrechtprüfkopfteil aufweisen. Man kann aber auch un­terschiedliche Einschallwinkel verwenden, damit auch bei einem relativ kleinen Prüfkopf größere Tiefen erreicht werden, wie später noch näher beschrieben wird. Ferner können alle Elemente mit gleicher Vorlaufstrecke verse­hen werden, um die Laufzeitdynamik des Prüfkopfes zu be­einflussen. Dies geschieht in bekannter Weise durch eine stufenförmige Ausbildung des Schwingerträgers.

[0008] Das gemeinsame Gehäuse ergibt bei dem Prüfkopf nach der Erfindung eine stabile Bauweise, so daß die empfindlichen Schwinger gut geschützt untergebracht sind. Außerdem kann das gemeinsame Gehäuse auch die Schalter für die Schwin­gersegmente aufnehmen sowie seitliche Buchsen zum An­schluß von Meßleitungen aufweisen.

[0009] Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele beschrieben. Es zeigt

Figur 1 schematisch die Zuordnung von Sender und Empfän­ger zueinander,

Figur 2 eine Tabelle, in der verschiedene Fokusbereiche mit der zugehörigen Schalterstellung und Segment­anregung dargestellt sind,

Figur 3 Kennlinien der Empfindlichkeit von Fokusbereichen A bis D,

Figur 4 Kennlinien der Empfindlichkeit von Fokusbereichen E bis H,

Figur 5 schematisch einen Empfänger mit gleichen Vor­laufstrecken für alle Segmente,

Figur 6 einen Empfänger mit unterschiedlichen Einstrah­lungswinkeln für die einzelnen Segmente, und

Figur 7 eine vergrößerte Darstellung eines Prüfkopfes nach der Erfindung in einem Schnitt, im Maßstab 2 : 1.

[0010] Der in Figur 1 schematisch, insbesondere ohne Gehäuse, dargestellte Prüfkopf umfaßt einen Senkrechtprüfkopfteil 1, der auch als Nullgradschwinger bezeichnet wird, und einen Winkelprüfkopfteil 2. Der Senkrechtprüfkopfteil 1 umfaßt einen Schwingerträger 4 und einen piezzo-elektri­schen Schwinger 5. Der Winkelprüfkopfteil 2 hat einen keilförmigen Schwingerträger 7 mit einem in vier Teile 8, 9, 10 und 11 segmentierten Schwinger 12. Zwischen den Prüfkopfteilen 1 und 2 ist eine Schicht Dämpfungsmate­rial 14 vorgesehen, die der akustischen Trennung zwi­schen Sender und Empfänger dient.

[0011] Der Senkrechtprüfkopfteil 1 liefert ein Longitudinalwel­lenschallbündel, dessen Zentralstrahl 15 rechtwinklig zu der Oberfläche des nicht dargestellten Prüflings verläuft. Die aus den Schwingersegmenten 8 bis 11 resultierenden longitudinalen oder transversalen Schallbündel kreuzen sich mit dem Schallbündel des Senkrechtprüfkopfteils 1, so daß Zentralstrahlengänge gemäß 18, 19, 20 und 21 ein­gestellt werden. Trifft der Sendestrahl auf flächige Re­flektoren, wie sie Rißspitzen, Bindefehler usw. darstel­len, so werden Zylinderwellen angeregt, die dann mit den Empfängersegmenten je nach der Tiefenlage des Reflektors selektiv empfangen werden. Im Hinblick auf besondere Prüfbedingungen, z.B. in der Nähe einer Schweißnaht, kann der Zentralstrahl 15 auch etwas geneigt verlaufen, und zwar so weit (bis 20°), daß die Schweißnaht nicht durchschallt wird. Zentralstrahl 15 und die Strahlen­gänge 18 bis 21 sind dabei zur gleichen Seite geneigt.

[0012] Mit dem neuen Prüfkopf kann die in Tabelle 2 angeführte Tiefenfokussierung vorgenommen werden. Die dort mit den Großbuchstaben A bis H bezeichneten acht Fokusbereiche werden dadurch erhalten, daß die vier Schwingersegmente 8 bis 11 entsprechend der Tabelle wirksam gemacht werden. Dabei ist die Wirksamkeit durch ein Kreuz, die Unwirksam­keit durch einen Kreis dargestellt.

[0013] Je nach der Segmentanregung ergeben sich die in den Figu­ren 3 und 4 dargestellten Fokuskurven. Die Diagramme zei­gen auf der Abszisse die Reflektortiefenlage T in Milli­metern, auf der Ordinate die spezifische Empfindlichkeit E in dB, wobei für die Kurven B bis H die Empfindlichkeit auf die Empfindlichkeit des Fokusbereiches A bezogen ist.

[0014] Man erkennt deutlich, daß mit dem neuen Prüfkopf eine systematische Fokussierung gelingt, die den Tiefenemp­findlichkeitsbereich des Prüfkopfes steigert.

[0015] Der in Figur 5 dargestellte Prüfkopf hat als Besonder­heit, daß der Schwingerträger 7′ im Bereich des Schwin­gers 12′ eine stufenförmige Fläche bildet. Deshalb sitzen die Schwingersegmente 8′ bis 11′ gegeneinander versetzt. Sie haben die gleichen Einschallwinkel und ihre durch den Schwingerkörper 7' gegebenen Vorlaufstrecken 25 sind gleich lang.

[0016] Bei dem Prüfkopf nach Figur 6 ist die den Schwinger 12" tragende Oberfläche 26 des Schwingerkörpers 7" in Stufen nach oben gewölbt. Die Zentralstrahlengänge 18" bis 21" haben deshalb um z.B. je 5° zwischen 30° und 45° diver­gierende Einschallwinkel. Dies hat zur Folge, daß die "Schnittstellen" mit dem Strahl 15" weiter auseinander­gezogen sind.

[0017] Der Prüfkopf nach Figur 7 zeigt, daß die aus Kunststoff, z.B. Polyacrylat, bestehenden Schwingerträger 4 und 7 über eine 2 mm dicke Korkplatte 14 miteinander verklebt sind, die über die 8 mm betragende Höhe der Schwinger­träger hinausragt. Gemeinsam bilden die Teile 4, 7 und 14 die ebene Unterseite in einem Metallgehäuse 30, dessen Innenseite 31 mit einer 1 mm dicken Korkauskleidung 32 versehen ist.

[0018] Das Gehäuse 30 besteht aus 1,5 mm dickem nichtrostendem Stahl und hat eine rechtwinklige Form. Die aus der Fi­gur nicht ersichtliche Tiefe ist etwa halb so groß wie die Breite des Gehäuses, die 30 mm beträgt. An dem Me­tallgehäuse 30 ist ein vierfacher Ein-Aus-Schalter 35 befestigt, dessen Kontakte 36 einzeln über Knöpfe 37 betätigt werden, die aus der Oberseite des Gehäuses 30 hervorstehen. Ferner sitzen in der Wand des Gehäuses 30 zwei Buchsen 39 und 40. Buchse 39 ist mit dem Schwinger 5 des Senkrechtprüfkopfteiles 1 verbunden. Die Schwinger­segmente 8 bis 11 des Winkelprüfkopfteiles 2 sind dage­gen über den Schalter 35 zur Buchse 40 geführt, so daß damit die Segmente 8 bis 11 einzeln oder kombiniert wirk­sam gemacht werden können.

Ansprüche

1. Prüfkopf zur Ultraschallprüfung in Δ -Technik mit einem Sender und einem Empfänger, die jeweils einen piezzoelektrischen Schwinger auf einem Schwingträger umfassen, wobei Sender und Empfänger baulich so zusam­mengefegt sind, daß ihre Strahlungsrichtungen mindestens annährnd rechtwinklig zu einer Prüflingsoberfläche und unter einem spitzen Winkel dazu verlaufen, da­durch gekennzeichnet, daß der Schwingerträger (7) des Senders (1) oder des Empfängers (2) mehrere Schwingersegmente (8 - 11) aufweist, die über Schaltelemente (35) einzeln ansteuerbar sind, und daß die Schwingerträger (4, 7) in einem gemeinsamen Gehäuse (30) eingeschlossen sind.

2. Prüfkopf nach Anspruch 1, dadurch ge­kennzeichnet, daß die Schwingersegmente (8′ - 11′) von Sender oder Empfänger gleiche Vokrlaufs­strecken (25) aufweisen (Fig. 5).

3. Prüfkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingerseg­mente (8" - 11") von Sender oder Empfänger unterschied­liche Einschallwinkel aufweisen (Fig. 6).

4. Prüfkopf nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das gemeinsame Ge­häuse (30) die Schaltelemente (35) aufnimmt.

5. Prüfkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das gemeinsame Gehäuse (30) seitliche Buchsen (39, 40) zum Anschluß von Meßleitungen aufweist.

Zeichnung