DE1573572C - Ultraschallkopf für ein Ultraschallgerät zur Ortung von Fehlern in einem relativ zu dem Ultraschallkopf bewegten Prüfling - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen Ultraschallkopf für ein Ultraschallgerät zur Ortung von Fehlern in einem relativ zu dem Ultraschallkopf bewegten Prüfling mit wenigstens zwei jeweils ein Schallstrahlenbündel gleicher oder benachbarter Resonanzfrequenz abgebenden, auf einem gemeinsamen Schwingungsdämpfungsblock angeordneten Wandlerplatten, die in Bewegungsrichtung gegeneinander versetzt und derart gegeneinander geneigt sind, daß mindestens ein Schallstrahlenbündel an einer vorgegebenen Testfläche reflektiert wird, so daß das reflektierte Schallstrahlenbündel zur Ankopplungskontrolle ausgenützt wird, während mindestens ein anderes Schallstrahlenbündel nur zur Fehlerortung im Prüfling ausgesandt wird.

Ein Gerät mit einem derartigen Ultraschallkopf ist bekannt (USA.-Patentschrift 3400 987). Es handelt sich dabei um ein Gerät zur Ultraschallprüfung von Stumpf sch weißungen. Der bekannte Ultraschallkopf weist jeweils paarweise einander zugeordnete, in Bewegungsrichtung des Prüflings gegeneinander versetzte Sendewandler und Empfangswandler auf, von denen jeweils einer-zur Prüfung der Kopplungsgüte und der andere zur Fehlerortung benutzt wird. Als "Testfläche zur Ankopplungskontrolle dient, dort eine den Wandlerplatten gegenüberliegende Fläche des Ultraschallkopfs, die mit dem Prüfling in Kontakt kommt.. Bei guter Kopplung zwischen Ultraschallkopf und Prüfling wird an der Testfläche wenig, bei schlechter Ankopplung viel von der von dem Kontrollsendewandler ausgesandten Ultraschallenergie in den Ultraschallkopf zu dem betreffenden Empfangswandler zurückreflektiert. Die von den einander zugeordneten Sendewandlern emittierten Strahlenbündel konvergieren und schneiden sich auf der genannten Test- und Kontaktfläche des Prüfkopfs. Zur Erfassung einer einzigen Richtung sind bei dem bekannten Ultraschallkopf vier einander zugeordnete Wandler erforderlich. .

Ferner ist es bekannt (USA.-Patentschrift 1 628 335), zur Materialprüfung von Eisenbahnschienen od. dgl. einen Ultraschallkopf zu verwenden, der die Schiene von der Lauffläche her mit einer größeren Anzahl von teilweise zueinander divergierenden Ultraschallbündeln beaufschlagt. Mit diesem relativ kompliziert aufgebauten Ultraschallkopf lassen sich zwar innerhalb des Schienenkörpers verlaufende Haarrisse relativ gut erfassen. Die wichtigsten zu erkennenden Strukturfehler in Eisenbahnschienen, nämlich die Fehler im Bereich der Lauffläche, können damit jedoch nicht mit Sicherheit erkannt werden. Da darüber hinaus mit diesem bekannten Ultraschallkopf keine Kopplungskontrolle durchgeführt werden kann, besteht zudem die Gefahr von Fehlmessungen.

In einer anderen bekannten Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung von Eisenbahnschienen (USA.-Patentschrift 3 028 751) ist ein auf einem Führungsschlitten angeordneter Ultraschallprüfkopf vorgesehen, der zusätzlich senkrecht zur Bewegungsrichtung des Schlittens auf dem Werkstück verschoben werden kann. Nachteilig bei dieser Vorrichtung ist jedoch, daß bei der Messung nicht das ganze Volumen des Schienenkopfteiles erfaßt wird. Ferner besteht dort nicht die Möglichkeit einer Überprüfung der Kopplungsgüte, weshalb Fehlmessungen nicht mit Sicherheit vermieden werden können.

Außerdem ist es bei einem Ultraschallkopf für ein Ultraschallgerät an sich bekannt (deutsches Patent 1038 309), ein und dieselben elektroakustischen Wandlerplatten sowohl als Sender als auch als Empfänger von Ultraschallstrahlen zu verwenden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen besonders einfach aufgebauten Ultraschall-Prüfkopf der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, mit dem bei der Messung das ganze Volumen eines vorzugsweise einen polygonalen Umriß aufweisenden Prüflings erfaßt und die Kopplungsgüte laufend kontrolliert werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß als Testfläche für die Ankopplungskontrolle eine der Kontaktfläche zwischen Ultraschallkopf und Prüfling gegenüberliegende Fläche des Prüflings dient, daß die Achsen der Schallstrahlenbündel senkrecht zur Bewegungsrichtung des Prüflings verlaufen, so daß die Wandlerplatten in an sich bekannter Weise sowohl als Sender als auch als Empfänger dienen, und daß die Wandlerplatten in Bewegungsrichtung nebeneinander angeordnet und weiter so gegeneinander geneigt sind, daß die Schallstrahlenbündel in ihrer Projektion auf eine· Ebene senkrecht zur Bewegungsrichtung in an sich bekannter Weise divergieren und wenigstens eines der anderen Strahlenbündel auf die gegenüberliegende Fläche des Prüflings mit polygonalem Umriß trifft, dort jedoch so reflektiert wird, daß dieses Reflexionsstrahlenbündel nicht direkt auf dief Wandlerplatte auf trifft.

Vorzugsweise bilden zwei nebeneinander angeordnete Wandlerplatten einen Winkel von weniger als ao 10° miteinander.

Um eine sichere Kontrolle der Kopplungsgüte und damit eine Ausschaltung der Gefahr von Fehlmessungen zu gewährleisten, sind vorzugsweise eine der Wandlerplatten und die der Kontaktfläche gegenüberliegende Begrenzungsfläche des Prüflings bei einer Messung so relativ zueinander angeordnet, daß das von der Wandlerplatte emittierte Strahlenbündel nach Brechung einer Kontaktfläche mit der gegenüberliegenden Fläche einen Winkel zwischen 80 und 100° bildet.

Die Erfindung ermöglicht somit eine erhebliche Verbesserung bei der Ultraschallprüfung von Erzeugnissen mit beliebigem polygonalem Profil,, mit ebenen oder gekrümmten Begrenzungsflächen. Der mit dem erfindungsgemäßen Prüfkopf erfaßbare Prüfbereich wird dadurch sehr groß, daß die von den Wandlerplatten emittierten Strahlenbündel einen so kleinen Winkel miteinander bilden, daß sich benachbarte Bündel im Prüfgut teilweise überschneiden. Durch Vervielfachung der Anzahl der piezoelektrischen Wandler läßt sich auf diese Weise das Innere jedes beliebigen Erzeugnisses mit jedem denkbaren polygonalen Profil prüfen, selbst wenn die Flächen des Erzeugnisses nicht eben sind.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer Weise dargestellt Es zeigt

Fig. 1 eine Meßanordnung zur zerstörungsfreien Prüfung einer Eisenbahnschiene mit einem Ultraschallkopf mit zwei verschieden geneigten Wandlerplatten,

F i g. 2 einen Ultraschallkopf in schau bildlicher Darstellung.

In der Zeichnung sind zwei piezoelektrische Wandlerplatten 1,2 dargestellt, welche in Parallelschaltung von dem gleichen Impulsgeber 3 beaufschlagt werden. Wenn an den Klemmen des über die Leitungen 4,5 an die Platten 1,2 angeschlossenen Gebers 3 ein Impuls erscheint, wandeln die Platten 1, 2 diesen elektrischen Impuls in mechanische Schwingungen um. Damit diese mechanischen Schwingungen ohne große Absorptionsverluste in das Prüfgut übertragen werden können, wird eine akustische Brücke hergestellt, indem der zwischen den Platten und dem Prüfling befindliche Raum mit einer sogenannten Kupplungsmasse 6 ausgefüllt wird. Die Platte 1 strahlt ein Ultraschallbündel aus, dessen Grenzen bei· 7, 8 gestrichelt gezeigt sind; beim Eintreten des Strahlenbündels in den Prüfling 9 erfolgt eine Brechung und der vom Strahlenbündel bestrichene Bereich wird von den gestrichelten Linien 10, 11 begrenzt. Gleichzeitig erzeugt die Platte 2 ein Ultraschallbündel, das von den punktierten Linien 12, 13 begrenzt wird; beim Eintreten des Strahlenbündels in den Prüfling 9 erfolgt eine Brechung und die von dem Strahlenbündel bestrichene Zone wird von den punktierten Linien 14, 15 begrenzt. Durch Vervielfachung der Anzahl der piezoelektrischen Wandler 1,2 läßt sich auf diese Weise das Innere jedes beliebigen Erzeugnisses mit jedem denkbaren polygonalen Profil prüfen, selbst wenn die Flächen des Erzeugnisses nicht eben sind. Der in Fig. 1 dargestellte Prüfling9 hat den Querschnitt einer Eisenbahnschiene. ■■■·■'..

Das von den Wandlerplatten 1,2 erzeugte resultierende Bündel wird innerhalb des Prüflings daher von der gestrichelten Linie 10 und der punktierten Linie 15 begrenzt und bestreicht somit fast den ganzen Prüfling 9, auf jeden Fall aber den zu prüfenden Bereich. Da ferner das von 10, 11 begrenzte Bündel fast senkrecht zu der der Eintrittsfläche 17 des Strahlenbündels gegenüberliegende Fläche 16 verläuft, wird ein Teil der Ultraschallenergie dieses Bündels direkt von der Fläche 16 reflektiert und kann als Bezugswert für die Überwachung der von den Platten 1, 2 in den Prüfling 9 eingestrahlten Ultraschallenergie und somit des einwandfreien akustischen Kontaktes zwischen dem Ultraschallkopf und dem Prüfling verwendet werden.

Die Platten 1, 2 sind fest mit einem als Schwingungsdämpfer ausgebildeten Block 18 verbunden, welcher die Dauer der mechanischen Schwingungen der Platten begrenzt und den Winkel zwischen den beiden Platten konstant hält. Bekannte Führungsorgane der Vorrichtung, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind, halten die Entfernung zwischen dem-Ultraschallkopf und der Kontaktfläche 17 sowie den Winkel zwischen der Platte 1 und der Fläche 16 konstant. .

Die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendeten Ultraschallwellen sind vorzugsweise Longitudinalwellen, d. h. Wellen, bei welchen die Schwingung bzw. Bewegung in der Ausbreitungsrichtung der Wellen erfolgt. Wenn das Longitudinalwellenbündel auf eine Materialfehlstelle trifft, wird das Strahlenbündel reflektiert und mit Hilfe des Ultraschallkopfes auf eine für eine bestimmte Zeit geeichte elektronische Vorrichtung z. B. auf ein- Oszilloskop übertragen. Derartige Vorrichtungen sind . begannt. Die Transversalwellen, welche bei bestimmten Einfallbedingungen ebenfalls auftreten können, lassen sich leicht ausschalten; da ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit im Prüfgut etwa zweimal kleiner ist als diejenige der Longitudinalwellen, können sie nicht rechtzeitig zu dem geeichten Oszilloskop übertragen werden. Das gleiche gilt für Schwingungen mit Longitudinalwellen, die nacheinander von mehreren Materialfehlstellen oder Flächen des Prüflings reflektiert werden.

Schließlich empfängt das geeichte Oszilloskop nur die Echos der direkten Reflexionen der Schallwellen an Inhomogenitäten oder Fehlstellen im Inneren des Prüflings oder an den Wandungen des Prüflings. Die Reflexionen durch die der Kontaktfläche 17 des Ultraschallbündels gegenüberliegende Fläche 16 dienen hierbei lediglich als Vergleichswerte. Das geeichte

Oszilloskop ist mit einem Registrierinstrument verbunden, welches seinerseits die Vergleichsreflexionen ausschaltet und lediglich dievon den Materialfehlstellen im Inneren des Prüflings herrührenden Reflexionen festhält.

Die Erfindung verbessert die Prüfung von kontinuierlich vorbeilaufenden langen Werkstücken, insbesondere von Werkstücken mit beliebigen polygonalen Profilen, erheblich, selbst wenn dieses Profil unebene Flachen besitzt. Sie gestattet die ständige Kontrolle der Ultraschallenergie, mit welcher das Prüfgut beschallt wird; sie ermöglicht ebenfalls eine Vergrößerung des Anwendungsbereiches für Ultraschallköpfe, insbesondere durch Vergrößerung der Geschwindigkeit und Sicherheit bei der Ultraschallprüfung von Werkstücken der genannten Art.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Ultraschallkopf für ein Ultraschallgerät zur Ortung von Fehlern in einem relativ zu dem Ultraschallkopf bewegten Prüfling mit wenigstens zwei jeweils ein Schallstrahlenbündel gleicher oder benachbarter Resonanzfrequenz abgebenden, auf einem gemeinsamen Schwingungsdämpfungsblock angeordneten Wandlerplatten, die in ίο Bewegungsrichtung gegeneinander versetzt und derart gegeneinander geneigt sind, daß mindestens ein Schallstrahlenbündel an einer vorgegebenen Testfläche reflektiert wird, so daß das reflektierte Schallstrahlenbündel zur Ankopplungskontrolle ausgenützt wird, während mindestens ein anderes Schallstrahlenbündel nur zur Fehlerortung im Prüfling ausgesandt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Testfläche für die Ankopplungskontrolle eine der Kontaktfläche (17) zwischen Ultraschallkopf und Prüfling gegenüberliegende Fläche (16) des Prüflings (9) dient, daß die Achsen der Schallstrahlenbündel (7, 8, 10, 11; 12, 13, 14, 15) senkrecht zur Bewegungsrichtung des Prüflings (9) verlaufen, so daß die · Wandlerplatten (1, 2) in an sich bekannter Weise sowohl als Sender als auch als Empfänger dienen, und daß die Wandlerplatten in Bewegungsrichtung nebeneinander angeordnet und weiter so gegeneinander geneigt sind, daß die Schallstrahlenbündel in ihrer Projektion auf eine Ebene senkrecht zur Bewegungsrichtung in an sich bekannter Weise divergieren und wenigstens eines der anderen Schallstrahlenbündel (14, 15) auf die gegenüberliegende Fläche (16) des Prüflings mit polygonalem Umriß trifft, dort jedoch so reflektiert wird, daß dieses Reflexionsstrahlenbündel nicht direkt auf die Wandlerplatte (2) auftrifft.

2. Ultraschallkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei nebeneinander angeordnete Wandlerplatten (1,2) einen Winkel von weniger als 10° miteinander bilden.

3. Ultraschallkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Wandlerplatten (1) und die der Kontaktfläche (17) gegenüberliegende Fläche (16) des Prüflings (9) während einer Messung so relativ zueinander angeordnet sind, daß das von der Wandlerplatte (1) emittierte Strahlenbündel (10, 11) nach Brechung an der Kontaktfläche mit der gegenüberliegenden Fläche einen Winkel zwischen 80 und 100° bildet.