DE3614069A1 - Vorrichtung zur zerstoerungsfreien pruefung durch ultraschall - Google Patents

Description

Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung von Werkstücken aus elek­ trisch leitendem Material mit den Merkmalen des Gattungsbegriffs des Hauptanspruchs.

Elektrodynamische Ultraschallwandler sind in ihrer Funktionsweise und ihrem Aufbau in der Fachliteratur bereits ausführlich beschrieben und untersucht worden. Sie bestehen im wesentlichen aus je einer Sende- und einer Empfangswandlerspule oder einer kombinierten Sende/ Empfangswandlerspule, die in einem statisch magnetischen Feld gegen­ über dem Werkstück und nahe dessen Oberfläche angeordnet sind. Die Wandlerspulen sind elektrisch beaufschlagt und erzeugen dabei Ultra­ schallimpulse im Werkstück und rückwandeln akustische Reaktionsim­ pulse in elektrische Impulse. Alle derartigen in der Literatur beschriebenen elektrodynamischen Ultraschallwandler, die auf ebenen oder gekrümmten Werkstücken zur zerstörungsfreien Prüfung frei ein­ gesetzt werden können, bestehen aus nur einer oder bis zu zwei Wand­ lerspulen, von denen die zweite dann lediglich Empfangsspule ist (EP-PS 24 707). Technisch ist diese Einschränkung auf nur eine Wand­ lerspule oder ein Wandlerspulenpaar darin begründet, daß das zur elektromagnetischen Ultraschallwandlung erforderliche hohe statische Magnetfeld ohne spezielle Vorkehrung nur auf sehr begrenztem Raum aufgebaut werden kann. Zur Steigerung der Prüfleistung ist schon vorgeschlagen worden, mehrere Ultraschallwandler auf engem Raum ne­ beneinander in einem homogenen statischen Magnetfeld anzuordnen und mit Hilfe einer geeigneten Elektronik nach einem vorgegebenen Takt­ schema anzusteuern. Bekannt ist eine Anordnung mit einer Sende-Wand­ lerspule in dem Magnetfeld eines Polstückes und mehreren Empfangs­ wandlerspulen unter demselben Polstück (DE-OS 28 45 579). Die Prüfgeschwindigkeit, die mit derartigen Einrichtungen erreicht wird, wird als nicht ausreichend angesehen, da die Prüfgeschwindig­ keit auch bei Anwendung von noch mehr Wandlerspulen oder Wandlerspu­ lenpaaren auf dem Querschnitt des homogenen Magnetfeldes eines Polstückes durch die Baugröße des Magneten sehr beschränkt ist.

Aufgabe der gegenwärtigen Erfindung ist es, bekannte elektrodyna­ mische Ultraschallwandler im Hinblick auf ihre Prüfgeschwindigkeit bei lückenloser Abtastung des Werkstückes und deren leichte Führung an der Werkstückoberfläche zu verbessern.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Aufbringung des homogenen statischen Magnetfeldes ein Elektromagnet eingesetzt wird, der als Mehrpolmagnet ausgelegt ist. Der Elektromagnet ist durch einen kammartigen Aufbau gekennzeichnet, wobei die Polarität von Pol zu Pol wechselt, so daß seine Handhabung am Werkstück er­ leichtert ist. Die zwischen den Polstücken bestehenden Lücken sind durch mit Gleichstrom beaufschlagte Wicklungen ausgefüllt. Die Wand­ lerspulen sind zwischen dem kammartig aufgebauten Mehrpolmagneten und dem Werkstück angeordnet; sie werden mit Stromimpulsen beaufschlagt, wodurch es zur Ultraschallerzeugung im Werkstück im Bereich der Wandlerspulen kommt. Befinden sich in dem Wirkungsbereich einer Wandlerspule Werkstückfehler, so induziert die Reflektionsultra­ schallwelle einen Spannungsimpuls in der Empfangswandlerspule, der zur Anzeige gebracht wird.

Der kammartig aufgebaute elektrodynamische Ultraschallwandler wird über die Werkstückoberfläche geführt. Die Richtung der Bewegung steht annähernd senkrecht auf der Reihenerstreckung der Polanordnung. Bei Rohren wird die vollvolumetrische Prüfung durch eine schraubenförmige Bewegung des Rohres erreicht, wenn der elektrodynamische Ultra­ schallwandler in Richtung der Rohrachse angeordnet ist. Diese Lösung wird für vorteilhafter gehalten als Maßnahmen zur Verbreiterung des magnetischen Flusses in einem Magnetpol.

Für die vorteilhafte Ausgestaltung zur Vergleichmässigung des magne­ tischen Flusses jedes Poles und aller Pole untereinander werden in den Unteransprüchen besondere Empfehlungen gegeben. Dies gilt in be­ sonderer Weise für die Maßnahme nach Anspruch 8. Des weiteren wer­ den Maßnahmen empfohlen, die die Abstandsanpassung der Wandlerspulen und der Polstücke an das Werkstück und die Anpassung des elektrody­ namischen Ultraschallwandlers insgesamt an nicht ebene Werkstückfor­ men ermöglicht.

Die Maßnahmen nach den Ansprüchen 6, 7 und 9 sind mehr praktischer Natur. Dagegen ist die in Anspruch 10 vorgeschlagene Maßnahme beson­ ders sinnvoll bei der schraubenlinienförmigen Abtastung von Rohren, da mit einer derartigen spezifizierten Vorrichtung die vollvolume­ trische Prüfung in einem Durchgang erfolgt, was der angestrebten Prüfgeschwindigkeitssteigerung in hervorragender Weise dient.

Die Erfindung wird an Hand eines schematisch dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 den elektrodynamischen Ultraschallwandler im Längsschnitt über dem rohrförmigen Werkstück

Fig. 2 die versetzte Doppelanordnung von zwei EUS-Apparaten zur vollvolumetrischen Rohrprüfung in einem Durchgang

Fig. 3 einen Querschnitt durch das Polstück

Fig. 4 den Querschnitt wie Fig. 2, jedoch mit einem einstellbaren Polstück

In Fig. 1 ist das zu prüfende Rohr mit 8 bezeichnet. Im geringen Ab­ stand - aber übertrieben dargestellt - ist über dem Rohr ein elek­ trodynamischer Ultraschallwandler mit den Polstücken 1 bis 7 an­ geordnet. Der Abstand der Polstücke 1 bis 7 voneinander ist etwa ebenso groß wie die in der Fig. 1 sichtbare Dicke der Polstücke. Die Zwischenräume sind mit den die Polstücke 1 bis 7 umgebenden Wick­ lungen 10 bis 16 ausgefüllt. Die Wicklungen sind derart gewickelt und werden von einem Magnetisierungsstrom durchflossen, daß die Polarität der nach unten gerichteten freien Enden der Polstücke 1 bis 7 ab­ wechselt. Den freien Enden gegenüber sind die Polstücke 1 bis 7 mit dem gemeinsamen magnetischen Rückfluß 17 verbunden. Die Polstücke 2 bis 6 tragen an den freien Enden Kappen 18 bis 22, in die Wandlerspulen eingebettet sind, die von Stromimpulsen beauf­ schlagt sind, so daß sie unter dem Einfluß des homogenen stati­ schen Magnetflusses Ultraschallwellen in den schraffiert gezeichneten Bereichen 23 bis 27 im Rohr 8 erzeugen. Nach jedem Impuls werden Ul­ traschallreflektionswellen von etwaigen Fehlstellen im Rohr 8 em­ pfangen und in elektrische Impulse umgesetzt. Diese lösen in weiteren nicht dargestellten Anlagenteilen Fehleranzeigen, Protokolle und Fehlstellensignierungen am Rohr 8 aus. Die Polstücke 1 und 7 haben aus Symmetriegründen und um ein möglichst homogenes und gleich star­ kes Magnetfeld unter allen Polstücken 2 bis 6 zu erzeugen eine Spu­ lenwicklung aber keine Wandlerspulen.

Die Hauptbewegungsrichtung zum fortlaufenden Prüfen des Rohres 8 steht senkrecht auf der Zeichenebene der Fig. 1. Praktisch wird der elektrodynamische Wandler raumfest in einem Rahmen angeordnet und das Rohr 8 schraubenförmig um seine Längsachse daran vorbeibewegt, dabei kann es auch an den Kappen 18 bis 22 anliegen. Die vollvolumetrische Prüfung erfolgt mit zwei derartigen reihenartigen elektrodynamischen Wandlern 28, 29, die um die halbe Teilung der Polstücke gegeneinander versetzt und in Hauptbewegungsrichtung hintereinander angeordnet sind, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Die Hauptbewegungsrichtung ist in der perspektivischen Darstellung der Fig. 2 mit 29 bezeichnet. Zur Anpassung der reihenartigen elektrodynamischen Wandler 27, 28 an unterschiedliche Rohrdurchmesser sind sie durch die Gelenke 29 und 30 miteinander verbunden. Die elektrischen Anschlüsse sind auch in die­ ser Figur nicht dargestellt.

In Fig. 3 sind die vorstehend gebrauchten Bezeichnungen eingetragen. Zusätzlich ist die Breite 30, 31 der Polschuhe 2 eingezeichnet. Aus der Figur wird deutlich, daß zur Vergleichmässigung des Magnetflusses im Luftspalt die Breite 30 am freien Polstückende kleiner ist als zum magnetischen Rückfluß 17 hin, wo sie mit 31 bezeichnet ist. Außerdem sind um die Wicklung 11 usw. der Polstücke 2 usw. Verkleidungen 32 bis 35 vorgesehen, unter denen die Zuleitungen 36 der Wandlerspulen 18 usw. zu den Steckverbindungen 37 bis 39 verlegt sind. Der vordere Teil der Verkleidung 32, 33, 34, 35 ist als aufsteckbare Kappe 40 aus­ gebildet, in die die Wandlerspulen 18 und eine Steckverbindung 41 zu diesem eingebettet ist. Außerdem können die Kappen 40 Verschleiß­ schutz tragen und der Rohrkrümmung angepaßt sein.

Eine Abwandlung der Ausführung der Polstücke 2 zeigt die Fig. 4 mit den vorher verwendeten Bezeichnungen. Die aufsteckbare Kappe 40 ist zur Anpassung an die Rohrkrümmung auf der Stirnseite 42 zylinderför­ mig. Das dahinter angeordnete Polstück 2 ist in Nadellagern 43, 44 im Rückfluß 17 auf das Werkstück zu und weg zusammen mit der Wicklung 11 und der Kappe 40 um ein kleines Stück beweglich. Der Apparat wird dann unter teilweiser Überwindung der Kraft der Federn 45 und 46 ge­ gen das Werkstück gedrückt. Damit können auch nicht exakt gerade Rohre zuverlässig geprüft werden.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung von Werkstücken aus elektrisch leitendem Material, bestehend aus einem über das Werkstück hinweg bewegbares Elektromagnetsystem mit Polstücken, die mit Magnetisierungsspulen umgeben und einseitig mit einem weichmagnetischen Rückfluß untereinander verbunden sind und Sende- und Empfangsspulenwandler im homogenen Verlauf des statischen magnetischen Feldes, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens drei Polstücke (1-7) in einer Reihe mit wechselnder Polarität angeordnet, mit einem magnetischen Rück­ fluß (17) verbunden sind und die Wandlerspulen (18-22) entweder unter den Polstücken (1-7) oder auf Lücke zu diesen angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Wandlerspulen der Anzahl der Polstücke oder der Anzahl der Lücken zwischen den Polstücken entspricht (gleich ist).

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polstücke (1-7) an ihren freien Enden etwa quadratischen Querschnitt haben und die Kantenlänge etwa ebenso groß ist, wie die Lücke zwischen je zwei benachbarten Polstücken.

4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Breite (31) der Polstücke (1-7) quer zur Reihener­ streckung zu dem magnetischen Rückfluß hin so vergrößert, daß in allen Querschnitten im Abstand vom freien Ende des Polstückes die magnetische Sättigung nicht ganz erreicht wird.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polstücke im magnetischen Rückfluß gleitend angeordnet und unter Federkraft (45, 46) an das Werkstück (8) angedrückt sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Enden (42) der Polstücke (1-7) der Werkstückform (8) angepaßt sind und/oder auch der magnetische Rückfluß durch Gelenke oder Scharniere zwischen den Polen anpaßbar ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Enden der Polstücke (1-7) zur Anpassung an die Werkstückform Kappen (40) tragen, die auf die Polstücke auf­ steckbar sind und die ihrerseits Verschleißschutzelemente tragen.

8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Kappen (40) die Wandlerspulen (18-22) eingelagert und die Wandlerspulenanschlüsse Steckverbindungen (41) sind.

9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reihe von Polstücken (2-6) je ein Polstück (1, 7) ohne Wandlerspule vor- und nachgeschaltet ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen je zwei in der Reihe benachbarten unterschiedlich magnetisierten Polstücken (1-7) sich eine Kammer mit Durchfluß­ kühlung befindet.

11. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß er aus zwei Reihen (27, 28) Polstücken besteht, die in Hauptbewegungsrichtung (29) dicht hintereinander und quer zur Hauptbewegungsrichtung (29) um den halben Abstand von Polstück zu Polstück angeordnet sind.