Verfahren zum Erzeugen von Ultraschallwellen zur zerstörungsfreien Werkstoff-prüfung und Prüfvorrichtung

Abstract

 Bei dem vorliegenden Verfahren zum Erzeugen von Ultraschallwellen (4) zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung eines Werkstückes (24), mit wenigstens einer in einem im wesentlichen homogenen Magnetfeld (26) angeordneten Hochfrequenz-Spule (12-18), deren Längsachse (20) parallel zur Oberfläche (22) des Werkstückes (24) angeordnet ist, werden aufgrund der Wechselwirkung des Magnetfeldes (26) mit den von der Hochfrequenz-Spule (12-18) im Werkstück (24) erzeugten Wirbelströmen horizontal polarisierter transversaler Ultraschallwellen (4) in diesem erzeugt. Durch diese Maßnahme ist ein einfaches Erzeugen von horizontal polarisierten transversalen Ultraschallwellen (4) gewährleistet.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen von Ultraschallwellen zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung und auf eine Prüfvorrichtung.

[0002] Die Ultraschallprüfung ist ein Verfahren der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung zum Auffinden von Rissen, Einschlüssen, Inhomogenitäten und anderen Fehlern. Der Ultraschall wird dabei beispielsweise piezoelektrisch oder elektrodynamisch erzeugt.

[0003] Bei der elektrodynamischen Ultraschallerzeugung wird der Ultraschall direkt im Prüfling erzeugt, so daß ein Koppelmedium entfällt. Die Entstehung der Ultraschallschwingungen ist auf die Wechselwirkung von hochfrequenten Wirbelströmen mit einem Magnetfeld zurückzuführen. Die Wirbelströme werden beispielsweise durch eine Hochfrequenz-Spule erzeugt, die in die Nähe der Oberfläche des Werkstückes gebracht wird. Durch ein zugleich wirkendes Magnetfeld entstehen Lorentzkräfte, die die Schallwellen im Werkstück erzeugen. Je nach Orientierung von Magnetfeld und wirbelstromerzeugender Spule zueinander können Longitudinalwellen und beliebig polarisierte Transversalwellen angeregt werden. Bei der Longitudinalwelle sind Ausbreitungs- und Schwingungsrichtung identisch, wo hingegen bei der Transversalwelle die Schwingungsrichtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung ist. Die Transversalwelle wird auch als Schub- oder Scherwelle bezeichnet und breitet sich nur in festen Medien aus.

[0004] Liegt die Polarisierungsrichtung in der durch die Werkstücksoberflächennormale und Ausbreitungsrichtung des Ultraschalls aufgespannten Ebene, spricht man von vertikal polarisierten Transversalwellen. Liegt die Polarisierungsrichtung hingegen senkrecht zu dieser Ebene, spricht man von horizontal polarisierten Transversalwellen. Horizontal polarisierte Transversalwellen lassen sich für die Anwendung in der Prüfpraxis nur durch elektrodynamische Anregung erzeugen.

[0005] Mit der elektrodynamischen Ultraschallerzeugung ist eine Prüfung des Werkstückes bei Temperaturen bis etwa 1000 K möglich.

[0006] Aus der Patentschrift DE 42 04 643 ist eine Prüfvorrichtung mit senkrecht orientierten Permanentmagneten bekannt, deren Orientierung schachbrettartig wechselt. Als Orientierung wird dabei die Richtung zwischen Nord- und Südpol des Permanentmagneten definiert. Bei dieser Vorrichtung sind die Leiterbahnen der Hochfrequenz-Spule zwischen einer Oberfläche des Werkstückes und den Permanentmagneten mäanderförmig angeordnet. Diese Prüfvorrichtung ist sehr aufwendig herzustellen, da die Sende- bzw. Empfangsspule in ebener Form sehr dünn gewickelt werden muß. Bei den bisher üblichen Prüffrequenzen von ca. 0,7 MHz kann dies nur mit großem Aufwand erfolgen. Für eine Prüfung von dünnwandigen Komponenten und Rohrleitungen sind allerdings Frequenzen zwischen 1 und 2 MHz üblich. Um dies zu erreichen, müssen Permanentmagnet- und Hochfrequenz-Spulenanordnungen entsprechend der Frequenz verkleinert werden. Die reproduzierbare Herstellung solcher Prüfvorrichtungen wird damit sehr aufwendig.

[0007] Aus der Patentschrift EP 0 579 255 ist eine weitere Prüfvorrichtung bekannt, bei der die zur Schallanregung erforderlichen Wirbelströme über ein die Permanentmagnete einschließendes Magnetjoch induziert werden. Der Abstand der beiden Polschuhe des Magnetjochs ist damit unerwünscht groß. Damit ist diese Prüfvorrichtung bezgl. Schallanregung und Schallempfang in ihrer Effizienz stark abhängig vom zu prüfenden Material, z.B. wurden bei nichtmagnetischen Komponenten bisher keine befriedigenden Ergebnisse erzielt. Aber gerade bei nichtmagnetischen Schweißnähten und Mischnähten ist aufgrund der zu durchschallenden Stengelkristalle die Anwendung horizontal polarisierter Wellen, die praktisch nur elektrodynamisch erzeugbar sind, besonders geeignet.

[0008] Den aus dem Stand der Technik bekannten Prüfvorrichtungen unter Verwendung horizontal polarisierter transversaler Ultraschallwellen ist gemeinsam, daß eine oder mehrere Hochfrequenz-Spulen zum Anregen der Ultraschallwellen in Magnetfeldern angeordnet sind, die mit alternierender Polarität angeordnet sind und von einer Vielzahl von Permanentmagneten erzeugt werden. Als Problem erweist sich dabei, daß zum Verändern des Einschallwinkels α neben einer zeitlichen Ansteuerung der einzelnen Hochfrequenz-Spulen auch die Erregerfrequenz der Ultraschallwellen verändert werden muß. Dabei müssen zur Erzeugung unterschiedlicher Einschallwinkeln α unterschiedliche Erregerfrequenzen verwendet werden. Ein Einschallwinkel von 0° läßt sich dabei nicht erreichen. Als Einschallwinkel α wird der Winkel zwischen der Ausbreitungsrichtung der Ultraschallwellen im Werkstück und der Oberflächennormalen des Werkstückes definiert. Der Einschallwinkel α hat die funktionelle Abhängigkeit

wobei λ die Wellenlänge der Ultraschallwelle und λ_s die Spurwellenlänge ist, die durch die Priodizität des statischen Magnetfeldes bestimmt wird. Da die Wellenlänge λ von der Frequenz ν abhängt, ist somit auch der Einschallwinkel α von der Frequenz ν abhängig.

[0009] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erzeugen horizontal polarisierter transversaler Ultraschallwellen zur zerstörungsfreien Werkstoffsprüfung anzugeben, das ein einfaches Erzeugen der Ultraschallwellen gewährleistet. Außerdem soll eine Prüfvorrichtung zum Durchführen des Verfahrens angegeben werden, die ein effizientes Erzeugen und Empfangen von Ultraschallwellen gewährleistet und dabei kostengünstig herzustellen ist.

[0010] Nach einer anderen Aufgabe soll der Einschallwinkel der Ultraschallwellen bei einer zerstörungsfreien Werkstoffprüfung einfach vorgegeben werden können, ohne die Frequenz ändern zu müssen.

[0011] Die erstgenannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Verfahren zum Erzeugen von Ultraschallwellen zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung eines Werkstückes mit wenigstens einer in einem im wesentlichen homogenen Magnetfeld angeordneten Hochfrequenz-Spule, deren Längsachse ungefähr parallel zur Oberfläche des Werkstückes angeordnet ist, wobei aufgrund der Wechselwirkung des Magnetfeldes mit den von der Hochfrequenz-Spule im Werkstück erzeugten Wirbelströmen horizontal polarisierte transversale Ultraschallwellen in diesem erzeugt werden.

[0012] Eine entsprechende Prüfvorrichtung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung eines Werkstückes mit horizontal polarisierten transversalen Ultraschallwellen umfaßt gemäß der Erfindung wenigstens eine Hochfrequenz-Spule und wenigstens drei Magnete, wobei die Hochfrequenz-Spule zwischen den Magneten angeordnet ist und ihre Längsachse parallel zur Oberfläche des Werkstückes ausgerichtet ist.

[0013] Um den Einschallwinkel von Ultraschallwellen in einem Werkstück bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung einfach vorzugeben, sieht die Erfindung vor, ein praktisch homogenes Magnetfeld zu erzeugen und mehrere Hochfrequenz-Spulen jeweils mit einem hochfrequenten Wechselstrom zu speisen, dessen Frequenz in allen Spulen gleich ist. Dabei werden die Hochfrequenz-Spulen nebeneinander derart im homogenen Magnetfeld angeordnet, daß ihre Längsachsen ungefähr parallel zueinander und zur Oberfläche des Werkstücks ausgerichtet sind.

[0014] Eine entsprechende Prüfvorrichtung enthält eine Magnetanordnung zur Erzeugung eines praktisch homogenen Magnetfeldes und mehrere Hochfrequenz-Spulen, die nebeneinander im homogenen Magnetfeld angeordnet sind und Längsachsen besitzen, die praktisch parallel zueinander und zur Werkstück-Oberfläche ausgerichtet sind. Vorzugsweise ist jeder Hochfrequenz-Spule eine eigene Stromversorgung zugeordnet, wobei die Stromversorgungen benachbarter Spulen Wechselströme mit einer vorgebbaren Zeitverzögerung erzeugen.

[0015] Dabei sind die Hochfrequenz-Spulen in ein und demselben Magnetfeld angeordnet. Durch die Überlagerung mehrerer Schallwellen aus mehreren benachbarten Hochfrequenz-Spulen erhält man ein ausreichend starkes Signal für die Werkstoffprüfung unter dem Einschallwinkel α.

[0016] Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Prüfvorrichtungen werden die Hochfrequenz-Spulen also in einem im wesentlichen homogenen Magnetfeld angeordnet und nicht mehr in alternierenden Magnetfeldern. Dagegen wird ein Wechsel-Magnetfeld hoher Frequenz erzeugt, das senkrecht oder zumindest schräg zu dem homogenen Magnetfeld, aber parallel zur Werkstück-Oberfläche ausgerichtet ist. Für den Einschallwinkel α ergibt sich nunmehr der funktionelle Zusammenhang

wobei

v_t die Geschwindigkeit der Ultraschallwellen im Werkstück,

Δt die Verzögerungszeit der Ansteuerung zwischen zwei benachbarten Hochfrequenz-Spulen und

d der Abstand zwischen den Hochfrequenz-Spulen ist.

[0017] Da die Geschwindigkeit v_t der Ultraschallwellen und der Abstand d der Hochfrequenz-Spulen voneinander konstante Größen in dem funktionellen Zusammenhang sind, ist der Einschallwinkel α nur noch von der Verzögerungszeit Δt abhängig. Das heißt mit anderen Worten, um den Einschallwinkel α zu verändern muß nicht mehr die Frequenz ν der zu erzeugenden Ultraschallwellen verändert werden. Mit diesem Verfahren ist somit ein einfaches und effizientes Erzeugen von Ultraschallwellen im Werkstück unter einem vorgegebenen Einschallwinkeln α möglich. Die Magnetanordnung umfaßt bevorzugt drei Magnete.

[0018] Vorzugsweise ist das Magnetfeld senkrecht zu der Oberfläche des Werkstückes ausgerichtet, also auch senkrecht zu den Hochfrequenz-Spulen. Es ist aber auch eine schräge Ausrichtung möglich, z.B. wenn die räumlichen Verhältnisse dies erfordern.

[0019] Insbesondere sind die ersten beiden Magnete in der Ebene der Hochfrequenz-Spule angeordnet und ihre Orientierungen parallel zur Oberfläche des Werkstückes ausgerichtet.

[0020] In einer weiteren Ausgestaltung ist der dritte Magnet oberhalb der Hochfrequenz-Spule angeordnet, wobei seine Orientierung senkrecht zur Oberfläche ist. Mit dieser Anordnung der Magnete wird ein im wesentlichen homogenes Magnetfeld erzeugt, in welchem die Hochfrequenz-Spule angeordnet ist.

[0021] Vorzugsweise ist die Längsachse der Hochfrequenz-Spule parallel zu der Oberfläche des Werkstückes angeordnet.

[0022] In einer weiteren Ausgestaltung ist der Abstand zwischen den Hochfrequenz-Spulen möglichst klein.

[0023] Vorzugsweise beträgt der Durchmesser der Hochfrequenz-Spulen jeweils ungefähr die Hälfte der Wellenlänge λ der zu erzeugenden Ultraschallwellen. Durch diese Maßnahme wird mit jeder Hochfrequenz-Spule ein bzgl. des Einschallwinkels α breites Schallwellenbündel erzeugt, wodurch wiederum ein großer Schwenkwinkelbereich der Prüfvorrichtung ermöglicht wird.

[0024] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

[0025] Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf das Ausführungsbeispiel der Zeichnung verwiesen, in deren einziger Figur eine Prüfungsvorrichtung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung eines Werkstückes mit horizontal polarisierten transversalen Ultraschallwellen schematisch dargestellt ist.

[0026] Im Ausführungsbeispiel nach dieser Figur umfaßt eine Prüfvorrichtung 2 zur Werkstoffprüfung eines Werkstückes 24 mit horizontal polarisierten transversalen Ultraschallwellen 4 drei Magnete 6, 8, 10 und die Hochfrequenz-Spulen 12 bis 18, wobei diese zwischen den Magneten 6, 8, 10 angeordnet sind.

[0027] Die Hochfrequenz-Spulen 12 bis 18 sind jeweils von einer eigenen Stromversorgung (dargestellt sind nur die Stromversorgungen 13,15 für die nebeneinander liegenden Spulen 12,14) gespeist. Dabei sind als Stromversorgungen Pulswechselrichter verwendet, die an die Spulen eine pulsbreiten-modulierte, hochfrequente Wechselspannung legen. Ein derartiger Pulswechselrichter gestattet durch Vorgeben einer (z.B. sinusförmigen) Sollkurve nicht nur die Frequenz, sondern auch den Zeitpunkt der Nulldurchgänge von Strom oder Spannung vorzugeben. An den Symbolen der Stromversorgung ist erkennbar, daß der Strom in der Spule 14 gegenüber dem Strom in der Spule 12 eine Phasenverschiebung aufweist, die durch eine Zeitverzögerung Δt für die Stromversorgung vorgegeben ist.

[0028] Die Längsachsen 20 der Hochfrequenz-Spulen 12 bis 18 sind dabei parallel zu einer Oberfläche 22 des zu prüfenden Werkstückes 24 und parallel zueinander angeordnet. Der Abstand zwischen den Hochfrequenz-Spulen 12 bis 18 ist dabei möglichst klein. Die Hochfrequenz-Spulen 12 bis 18 sind über eine nicht weiter dargestellte Schutzschicht an die Oberfläche 22 des Werkstückes 24 gekoppelt.

[0029] Der erste und der zweite Magnet 6 bzw. 8 sind in der Ebene der Hochfrequenz-Spulen 12 bis 18 angeordnet, wobei ihre Orientierungen parallel zu der Oberfläche 22 sind. Der dritte Magnet 10 ist oberhalb der Hochfrequenz-Spulen 12 bis 18 angeordnet, wobei seine Orientierung senkrecht zur Oberfläche 22 ist. Diese Anordnung der Magnete 6, 8, 10 erzeugt ein im wesentlichen homogenes Magnetfeld 26, das senkrecht zur Oberfläche 22 des Werkstückes 24 ausgerichtet ist und sich zwischen den Magneten 6, 8, 10 befindet. Die Spulen 12 bis 18 sind somit in diesem Magnetfeld 26 angeordnet. Es werden keine alternierenden Magnetfeldern mehr verwendet, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind.

[0030] Da das zeitlich veränderliche Magnetfeld der Hochfrequenz-Spulen 12 bis 18 in den Außenbereich des Werkstücks 24 parallel zur Werkstück-Oberfläche 22 verläuft, erzeugen die Wirbelströme im Werkstück Transversalwellen.

[0031] Für den Einschallwinkel α ergibt sich nunmehr der funktionelle Zusammenhang

wobei

v_t die Geschwindigkeit der Ultraschallwellen 4 im Werkstück 24,

Δt die Verzögerungszeit zwischen den Ansteuerungen der Stromversorgungen für zwei benachbarte Hochfrequenz-Spulen 12, 14 bzw. 14, 16, bzw. 16, 18 und

d der Abstand zwischen den Hochfrequenz-Spulen 12 bis 18 ist.

[0032] Da die Geschwindigkeit v_t der horizental polarisierten transversalen Ultraschallwellen 4 und der Abstand d der Hochfrequenz-Spulen 12 bis 18 voneinander konstante Größen in dem funktionellen Zusammenhang sind, ist der Einschallwinkel α nur noch von der Verzögerungszeit Δt abhängig. Das heißt mit anderen Worten, um den Einschallwinkel α zu verändern, muß nicht mehr die Frequenz ν der zu erzeugenden Ultraschallwellen 4 verändert werden. Es muß lediglich die Verzögerungszeit Δt der Ansteuerung zwischen zwei benachbarten Hochfrequenz-Spulen 12, 14 bzw. 14, 16, bzw. 16, 18 verändert werden. Mit diesem Verfahren ist somit ein einfaches und effizientes Erzeugen von Ultraschallwellen 4 im Werkstück 22 unter einem vorgegebenen Einschallwinkeln α möglich.

[0033] Der Durchmesser der Hochfrequenz-Spulen 12 bis 18 beträgt jeweils ungefähr die Hälfte der Wellenlänge λ der zu erzeugenden Ultraschallwellen 4.

[0034] Die Magnete 6, 8, 10 sind Permanentmagnete aus einem weichmagnetischen Material. In einer nicht weiter dargestellten Ausführungsform können sie jedoch auch als Elektromagnete ausgeführt sein.

Ansprüche

1. Verfahren zum Erzeugen von Ultraschallwellen (4) zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung eines Werkstücks (24), mit wenigstens einer in einem im wesentlichen homogenen Magnetfeld (26) angeordneten Hochfrequenz-Spule (12 bis 18), deren Längsachse (20) parallel zu der Oberfläche (22) des Werkstückes (24) angeordnet ist, wobei aufgrund der Wechselwirkung des Magnetfeldes (26) mit den von der Hochfrequenz-Spule (12 bis 18) im Werkstück (24) erzeugten Wirbelströmen horizontal polarisierte transversale Ultraschallwellen (4) in diesem erzeugt werden.

2. Verfahren zum Erzeugen von Ultraschallwellen (4) zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung eines Werkstücks (24), wobei ein praktisch homogenes Magnetfeld (26) erzeugt wird und mehrere Hochfrequenz-Spulen (12 bis 18) mit Längsachsen (20), die nebeneinander und praktisch parallel zueinander und zur Oberfläche (22) des Werkstücks (24) ausgerichtet sind, jeweils mit einem hochfrequenten Wechselstrom gespeist werden, dessen Frequenz in allen Hochfrequenz-Spulen (12 bis 18) gleich ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselströme jeweils benachbarter Hochfrequenz-Spulen (12 bis 24) mit einer vorgegebenen Zeitverzögerung eingespeist werden und die Ausbreitungsrichtung der Ultraschallwellen (4) im Werkstück (24) durch die Zeitverzögerung vorgegeben wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld (26) ungefähr senkrecht zur Oberfläche (22) des Werkstücks (24) ausgerichtet wird.

5. Prüfvorrichtung (2) zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung eines Werkstücks (24) mit horizontal polarisierten transversalen Ultraschallwellen (4), die wenigstens eine Hochfrequenz-Spule (12 bis 18) und wenigstens drei Magnete (6 bis 10) umfaßt, wobei die Hochfrequenz-Spule (12 bis 18), mit ihrer Längsachse (20) parallel zur Oberfläche (22) des Werkstücks (24), zwischen den Magneten (6 bis 10) angeordnet ist.

6. Prüfvorrichtung (2) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die ersten beiden Magnete (6, 8) in der Ebene der Hochfrequenz-Spule (12 bis 18) angeordnet sind und ihre Orientierungen parallel zu der Oberfläche (22) des Werkstückes (24) ausgerichtet sind.

7. Prüfvorrichtung (2) nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Magnet (10) oberhalb der Hochfrequenz-Spule (12 bis 18) angeordnet ist, wobei seine Orientierung senkrecht zur Oberfläche (22) ist.

8. Prüfvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete (6 bis 10) Permanentmagnete sind.

9. Prüfvorrichtung (2) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete (6 bis 10) aus einem weichmagnetischen Material bestehen.

10. Prüfvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 5 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete (6 bis 10) Elektromagnete sind.

11. Prüfvorrichtung (2) zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung eines Werkstücks (24) mittels Ultraschallwellen (4), mit einer Magnetanordnung (6 bis 10) zum Erzeugen eines praktisch homogenen Magnetfelds (26) und mehreren Hochfrequenz-Spulen (12 bis 18), die nebeneinander im homogenen Magnetfeld (26) angeordnet sind und Längsachsen (20) besitzen, die praktisch parallel zueinander und zur Oberfläche (22) des Werkstücks (24) ausgerichtet sind.

12. Prüfvorrichtung (2) nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine eigene Stromversorgung für jede Hochfrequenz-Spule (12 bis 18) vorgesehen ist, wobei die Stromversorgungen (13,15) benachbarter Hochfrequenz-Spulen (12 bis 18) hochfrequente Wechselströme mit einer vorgebbaren Zeitverzögerung erzeugen.

13. Prüfvorrichtung (2) nach Anspruch 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet, daß das praktisch homogene Magnetfeld (26) ungefähr senkrecht zur Oberfläche (22) des Werkstücks (24) ausgerichtet ist.

14. Prüfvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 11 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetanordnung mehrere Magnete (6 bis 10) enthält, zwischen denen die Hochfrequenz-Spulen (12 bis 18) angeordnet sind.

Zeichnung