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DE3715914A1 - METHOD AND DEVICE FOR DETECTING CRACKS USING ULTRASOUND - Google Patents

METHOD AND DEVICE FOR DETECTING CRACKS USING ULTRASOUND

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DE3715914A1
DE3715914A1 DE19873715914 DE3715914A DE3715914A1 DE 3715914 A1 DE3715914 A1 DE 3715914A1 DE 19873715914 DE19873715914 DE 19873715914 DE 3715914 A DE3715914 A DE 3715914A DE 3715914 A1 DE3715914 A1 DE 3715914A1
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DE
Germany
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test
angle
ultrasound transducer
waves
ultrasonic
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Application number
DE19873715914
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German (de)
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Inventor
Wolfgang Dr Gebhardt
Friedhelm Dipl Ing Walte
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Intelligendt Systems & Services & Co Kg 9105 GmbH
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Publication of DE3715914A1 publication Critical patent/DE3715914A1/en
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Abstract

An ultrasound testing device for detecting large-surface-area, smooth cracks (18) oriented perpendicular to the test surface (1) of a test specimen (2) operates in the single-probe pulse echo mode, the transformation of a longitudinal wave (16) into a transverse wave (20) occurring on reflection at the crack (18) to be detected. A testing probe (44) here switches between longitudinal wave operation having a relatively small acoustic irradiation angle and transverse wave operation having a relatively large acoustic irradiation angle. When the testing probe (44) is being used as a longitudinal-wave ultrasound transmitter, a longitudinal wave (16) arrives at the back of the test specimen (17), is reflected there and on further reflection at the smooth crack (18) is transformed into a transverse wave (20) which impinges on the testing probe (44) at a relatively large reception angle. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nachweis großflächiger, rechtwinklig zur Prüflingsoberfläche orientierter glatter Risse mit Hilfe von Ultraschall im Impulsecho-Betrieb, bei dem der Sendeultraschallwandler und der Empfangsultraschallwandler auf die Prüflings­ oberfläche aufgesetzt werden und an der der Prüflings­ oberfläche gegenüberliegenden Prüflingsrückseite sowie an dem zwischen der Prüflingsoberfläche und der Prüf­ lingsrückseite liegenden und zu erfassenden Riß jeweils reflektiert werden.The invention relates to a method for detection larger area, perpendicular to the surface of the test object oriented smooth cracks with the help of ultrasound in the Pulse echo operation in which the transmit ultrasound transducer and the receiving ultrasound transducer on the test specimen be placed on the surface and on the test object opposite surface of the test specimen as well as on the between the test piece surface and the test the back of the ling and the crack to be detected be reflected.

Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einem auf die Prüf­ lingsoberfläche aufsetzbaren, an ein Impulsecho-Ultra­ schallprüfgerät angeschlossenen Sendeultraschallwandler und Empfangsultraschallwandler.The invention also relates to a device for Execution of the procedure with one on the test attachable to an impulse echo ultra Transmitter connected to the sound tester and receiving ultrasound transducer.

Derartige Verfahren und Vorrichtungen sind aus der Ultraschalltandemprüfung bekannt, die entwickelt wurde, um große, senkrecht zur Bauteiloberfläche orientierte Risse in Schweißnähten aufzufinden, nachdem sich her­ ausgestellt hatte, daß bei den sogenannten Einkopf­ techniken bei großflächigen Rissen der größte Teil der Energie am Riß spiegelnd wegreflektiert wird und der bei kleineren Rissen auswertbare gebeugte Anteil für einen sicheren Nachweis zu schwach wird.Such methods and devices are from the Known ultrasound tandem test that was developed around large, oriented perpendicular to the component surface Find cracks in welds after coming out had issued that with the so-called single head techniques for large area cracks the majority of the Energy reflected at the crack is reflected and the for smaller cracks, the diffracted portion can be evaluated for reliable evidence becomes too weak.

Bei den Verfahren und Vorrichtungen, die auf dem Prin­ zip der Tandemtechnik beruhen, sendet ein Prüfkopf unter 45° eine Transversallwelle aus, die an der Prüf­ lingsrückseite reflektiert wird und danach auf den senkrechten Riß auftrifft. Nach einer wiederum spie­ gelnden Reflexion am Riß trifft die Transversalwelle schließlich unter einem Winkel von 45° auf die Prüf­ lingsoberfläche. An dieser Stelle befindet sich ein zweiter empfangender Prüfkopf, der die ankommenden Ultraschallimpulse detektiert. Bei der Tandemtechnik ist somit mindestens ein Prüfkopfpaar erforderlich. Sollen mehrere Tandemzonen oder Prüfzonen erfaßt wer­ den, sind entsprechend viele Prüfköpfe notwendig. Hierdurch ergeben sich lange Rüstzeiten, die insbe­ sondere bei radioaktiv strahlenden Komponenten sehr nachteilig sind.The procedures and devices based on the Prin zip based on tandem technology, sends a test head a transversal wave at 45 °, which on the test back of the ling is reflected and then on the vertical crack. After another spit The transverse wave hits the valid reflection at the crack finally at an angle of 45 ° to the test ling surface. At this point there is a  second receiving probe that receives the incoming Ultrasonic pulses detected. With tandem technology at least one pair of test heads is required. If several tandem zones or test zones are to be recorded accordingly, a corresponding number of test heads are necessary. This results in long set-up times, especially especially with radioactive components are disadvantageous.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Er­ findung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die es gestatten, großflächige rechtwinklig zur Prüflingsoberfläche orientierte glatte Risse unabhängig von der Wandstärke des Prüflings mit Hilfe eines einzigen Prüfkopfes zu erfassen.Based on this state of the art, the Er the task is based on a method and a To create a device that allows large areas smooth, oriented perpendicular to the surface of the test object Cracks regardless of the wall thickness of the test object Using a single probe.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei dem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Sendeultraschallwandler und der Empfangsultraschall­ wandler am gleichen Aufsetzbereich der Prüflingsober­ fläche mit voneinander verschiedenen Einschallwinkeln betrieben werden, daß der dem großen Einschallwinkel zugeordnete Ultraschallwandler für Transversalwellen und der dem kleineren Einschallwinkel zugeordnete Ultraschallwandler für Longitudinalwellen ausgelegt wird, wobei an der Prüflingsrückseite im wesentlichen eine spiegelnde Reflexion von Longitudinalwellen er­ folgt, während am Riß eine Umwandlung zwischen Longi­ tudinalwellen und Transversalwellen mit unterschied­ lichem Ein- und Ausfallswinkel erzielt wird.This object is achieved according to the method of the type mentioned in that the Transmitting ultrasound transducer and the receiving ultrasound converter on the same contact area of the test specimen top area with different insonification angles be operated that the large insonification angle assigned ultrasonic transducers for transverse waves and the one assigned to the smaller insonification angle Ultrasonic transducer designed for longitudinal waves is, on the back of the test piece essentially a specular reflection of longitudinal waves follows, while at the tear a transformation between Longi tudinal waves and transverse waves with difference Lich incidence and drop angle is achieved.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß der Sendeultraschallwandler und der Empfangsultraschallwandler im gleichen Ultra­ schallprüfkopf untergebracht und für voneinander ver­ schiedene Einschallwinkel ausgelegt sind, wobei der Ultraschallwandler mit dem größeren Einschallwinkel ein Transversalwellen-Ultraschallwandler und der Ultra­ schallwandler mit dem kleineren Einschallwinkel ein Longitudinalwellen-Ultraschallwandler ist.An apparatus for performing the method is characterized in that the transmit ultrasound transducer and the receiving ultrasound transducer in the same ultra  sound test head housed and ver different insonification angles are designed, the Ultrasonic transducer with the larger insonification angle Transverse wave ultrasound transducers and the Ultra sound converter with the smaller insonation angle Longitudinal wave ultrasound transducer.

Dadurch, daß die Umwandlung von Longitudinalwellen in Transversalwellen oder eine Umwandlung von Transversal­ wellen in Longitudinalwellen bei einem großen Ein­ schallwinkel am glatten Riß ausgenutzt werden, ist es möglich, bei voneinander verschiedenen Einschallwinkeln am Sendeort und Empfangsort den Sendeultraschallwandler und den Empfangsultraschallwandler in einem einzigen Prüfkopf unterzubringen. Hierdurch werden lange Rüst­ zeiten vermieden und der Prüfbereich an unzugänglichen Geometrien erweitert.The fact that the conversion of longitudinal waves in Transverse waves or a conversion of transverse waves in longitudinal waves with a large on sound angle on the smooth crack, it is possible with different insonification angles the transmitting ultrasound transducer at the sending and receiving locations and the receive ultrasound transducer in one To accommodate the test head. This will make long armament times avoided and the test area at inaccessible Geometries expanded.

Zweckmäßige Ausführungsbeispiele und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeich­ net.Practical embodiments and further developments the invention are characterized in the subclaims net.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungs­ beispielen unter Bezug auf die Zeichnung näher er­ läutert. Es zeigen:The invention based on execution examples with reference to the drawing he purifies. Show it:

Fig. 1 einen Ultraschallprüfkopf gemäß der Erfindung in einem Schnitt, Fig. 1 is an ultrasonic probe according to the invention in a section,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel für einen Prüfkopf gemäß der Erfindung im Schnitt zusammen mit dem Blockschaltbild eines Teils des Ultraschallprüfgerätes, Fig. 2 shows a second embodiment of a testing head according to the invention in section along with the block diagram of a portion of the Ultraschallprüfgerätes,

Fig. 3 den Einsatz eines Gruppenstrahlers zur Durch­ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens und den Verlauf der Ultraschallwellen im Prüfling im Schnitt, Fig. 3 shows the use of a phased array for the implementing of the method according to the invention and the course of the ultrasonic waves in the test specimen in section,

Fig. 4 eine Fig. 3 entsprechende Darstellung der Ultraschallwege für unterschiedliche Ein­ schallwinkel und Fig. 4 is a Fig. 3 corresponding representation of the ultrasonic paths for different sound angles and

Fig. 5 ein Blockschaltbild eines Ultraschallprüf­ gerätes zum Anschluß eines Gruppenstrahlers. Fig. 5 is a block diagram of an ultrasonic testing device for connecting a group radiator.

In Fig. 1 erkennt man eine Prüflingsoberfläche 1 eines Prüflings 2, der beispielsweise aus Stahl besteht, sowie einen Ultraschallprüfkopf 3. Der Ultraschallprüf­ kopf 3 ist auf die Prüflingsoberfläche 1 des Prüflings 2 im Aufsetzbereich 4 aufgesetzt.In Fig. 1, 1 a test piece 2, which for example is made of steel, and an ultrasonic probe 3 detects a sample surface. The ultrasonic test head 3 is placed on the test specimen surface 1 of the test specimen 2 in the mounting area 4 .

Wie man der Fig. 1 weiter entnehmen kann, verfügt der Ultraschallprüfkopf 3 über einen stufigen Plexiglaskeil 5 mit einer Aufsetzfläche 6, einer ersten Keilfläche 7 und einer zweiten Keilfläche 8. Der Keilwinkel der ersten Keilfläche 7 ist kleiner als der Keilwinkel der zweiten Keilfläche 8.As can further be seen from FIG. 1, the ultrasound test head 3 has a stepped plexiglass wedge 5 with a mounting surface 6 , a first wedge surface 7 and a second wedge surface 8 . The wedge angle of the first wedge surface 7 is smaller than the wedge angle of the second wedge surface 8 .

Auf der ersten Keilfläche 7 ist ein Longitudinalwel­ len-Ultraschallwandler 9 befestigt, während die zweite Keilfläche 8 einen Transversalwellen-Ultraschallwandler 10 trägt. Der Longitudinalwellen-Ultraschallwandler 9 enthält einen Schwinger 11 aus Piezokeramik. Ebenso verfügt der Transversalwellen-Ultraschallwandler 10 über einen Schwinger 12 aus Piezokeramik. Dem Schwinger 11 ist ein Dämpfungskörper 13 zugeordnet. Entsprechend ist auf der Rückseite des Schwingers 12 ein Dämpfungs­ körper 14 vorgesehen. On the first wedge surface 7 , a Longitudinalwel len ultrasonic transducer 9 is attached, while the second wedge surface 8 carries a transverse wave ultrasonic transducer 10 . The longitudinal wave ultrasound transducer 9 contains an oscillator 11 made of piezoceramic. Likewise, the transverse wave ultrasound transducer 10 has an oscillator 12 made of piezoceramic. A damping body 13 is assigned to the oscillator 11 . Accordingly, a damping body 14 is provided on the back of the vibrator 12 .

Beim Betrieb des Ultraschallprüfkopfes 3 werden mit Hilfe des Longitudinalwellen-Ultraschallwandlers 9 Longitudinalwellen erzeugt oder empfangen. Entsprechend erzeugt oder empfängt der Transversallwellen-Ultra­ schallwandler 10 Transversalwellen. In Fig. 1 ist der Fall dargestellt, bei dem der Longitudinalwellen-Ultra­ schallwandler 9 als Sendeultraschallwandler und der Transversalwellen-Ultraschallwandler 11 als Empfangs­ ultraschallwandler arbeitet.When the ultrasonic probe 3 is in operation, longitudinal waves are used to generate or receive 9 longitudinal waves. Correspondingly, the transversal wave ultrasound transducer generates or receives 10 transverse waves. In Fig. 1, the case is shown in which the longitudinal wave ultrasound transducer 9 operates as a transmit ultrasound transducer and the transverse wave ultrasound transducer 11 works as a reception ultrasound transducer.

Die vom Schwinger 11 erzeugten Longitudinalwellen 15 durchqueren den Plexiglaskeil 5 und werden an der Grenzfläche zwischen der Aufsetzfläche 6 und der Prüf­ lingsoberfläche 1 in der in Fig. 1 dargestellten Weise gebrochen. Die gebrochene Longitudinalwelle 16 hat im Prüfling 2 einen Einschallwinkel, der in Abhängigkeit von dem Keilwinkel der ersten Keilfläche 7 etwa zwi­ schen 0° und 45° liegt. Bei dem in Fig. 1 dargestell­ ten Ausführungsbeispiel ist der Keilwinkel für die erste Keilfläche 7 so gewählt, daß sich für die Longi­ tudinalwelle 16 ein Einschallwinkel von 20° ergibt.The longitudinal waves 15 generated by the vibrator 11 pass through the plexiglass wedge 5 and are broken at the interface between the contact surface 6 and the test surface 1 in the manner shown in FIG. 1. The broken longitudinal wave 16 has an insonification angle in the test specimen 2 which, depending on the wedge angle of the first wedge surface 7, is approximately between 0 ° and 45 °. In the exemplary embodiment shown in FIG. 1, the wedge angle for the first wedge surface 7 is selected such that the Longi tudinalwelle 16 has an insonification angle of 20 °.

Die Longitudinalwelle 16 wird in der in Fig. 1 nicht dargestellten, jedoch aus Fig. 3 entnehmbaren Weise an der Prüflingsrückseite 17 reflektiert. Wegen des ge­ ringen Auftreffwinkels wird bei dieser Reflexion ledig­ lich ein geringer Teil der Longitudinalwellenenergie in einen Transversalwellenanteil umgewandelt. Der größte Teil der Energie wird somit als Longitudinalwelle zurückreflektiert. Befindet sich der Ultraschallprüf­ kopf 3 in einem passenden Projektionsabstand a von einem in Fig. 1 nicht dargestellten, jedoch in Fig. 3 gezeichneten großflächigen, rechtwinklig zur Prüf­ lingsoberfläche 1 orientierten glatten Riß 18, so trifft die Schallbündelachse der reflektierten Longi­ tudinalwelle 19 in der in Fig. 3 erkennbaren Weise auf die Reflektormitte des als Reflektor wirksamen Risses 18. Aufgrund des flachen Einschallwinkels, der bei dem in Fig. 3 gezeichneten Ausführungsbeispiel etwa 70° beträgt, wird am Reflektor des Risses 18 jedoch die Longitudinalwelle 19 in eine Transversalwelle 20 umge­ wandelt und trifft unter einen Winkel von etwa 58° auf die Aufsetzfläche 6 des Ultraschallprüfkopfes 3.The longitudinal wave 16 is reflected in the manner not shown in FIG. 1, but can be seen in FIG. 3, on the rear side 17 of the test specimen. Because of the low angle of incidence, only a small part of the longitudinal wave energy is converted into a transverse wave portion in this reflection. Most of the energy is thus reflected back as a longitudinal wave. If the ultrasonic test head 3 is at a suitable projection distance a from a smooth crack 18 , not shown in FIG. 1, but drawn in FIG. 3, oriented at right angles to the test specimen surface 1 , then the beam axis of the reflected longitudinal wave 19 hits in the in Fig. 3 recognizable manner on the center of the reflector as a reflector effective crack 18th Due to the flat insonification angle, which in the exemplary embodiment shown in FIG. 3 is approximately 70 °, the longitudinal wave 19 is converted to a transverse wave 20 at the reflector of the crack 18 and strikes the contact surface 6 of the ultrasound probe at an angle of approximately 58 ° 3rd

Wie man in Fig. 1 erkennt, gelangt die vom Riß 18 ausgesandte Transversalwelle 20 nach einer Brechung an der Grenzfläche zwischen dem Plexiglaskeil 5 und dem Prüfling 2 als gebrochene Transversalwelle 21 zum Schwinger 12 des Transversalwellen-Ultraschallwandlers 10 des Ultraschallprüfkopfes 3.As can be seen in FIG. 1, the transverse wave 20 emitted by the crack 18 reaches the oscillator 12 of the transverse wave ultrasound transducer 10 of the ultrasound probe 3 after a break at the interface between the plexiglass wedge 5 and the specimen 2 as a broken transverse wave 21 .

Beim Verfahren des Ultraschallprüfkopfes 3 entlang der Prüflingsoberfläche 1 werden aufgrund der geometrischen Bedingungen nur solche Risse 18 erfaßt, die sich in einer Prüfzone befinden, die sich in einem bestimmten Abstand parallel zur Prüflingsoberfläche 1 erstreckt. Die Keilgeometrie, das heißt die Keilwinkel der ersten Keilfläche 7 und der zweiten Keilfläche 8 des Ultra­ schallprüfkopfes 3 werden daher entsprechend dem Ab­ stand der gewünschten Prüfzone gewählt. Für jede Prüf­ zone wird somit ein einziger Ultraschallprüfkopf 3 benötigt, wobei die erforderlichen Keilwinkel für die erste Keilfläche 7 und die zweite Keilfläche 8 unab­ hängig von der Wandstärke des Prüflings 2 sind. Die Keilwinkel für die erste Keilfläche 7 werden dabei so gewählt, daß der Einschallwinkel der Longitudinalwelle 16 etwa im Bereich zwischen 0° und 45° liegt. Entspre­ chend dem Einschallwinkel der Longitudinalwelle ergibt sich ein jeweils geringfügig unterschiedlicher Ein­ schallwinkel der Transversalwelle 20 zwischen etwa 58° und 68°. Wenn der Keilwinkel der zweiten Keilfläche 8 und der Transversalwellen-Ultraschallwandler 10 so ausgebildet sind, daß der Transversalwellen-Einschall­ winkel 63° beträgt und der Schallbündel-Öffnungswinkel ausreichend breit ist, so kann mit einer geometrischen Anordnung der in der Praxis auftretende gesamte Emp­ fangswinkelbereich zwischen etwa 58° und 68° abgedeckt werden. Die Ultraschallprüfköpfe 3 für verschieden tief liegende Prüfzonen unterscheiden sich somit lediglich durch den Keilwinkel der ersten Keilfläche 7.When the ultrasonic test head 3 is moved along the test specimen surface 1 , only those cracks 18 that are located in a test zone that extend parallel to the test specimen surface 1 at a certain distance are detected due to the geometric conditions. The wedge geometry, that is, the wedge angle of the first wedge surface 7 and the second wedge surface 8 of the ultrasonic test head 3 are therefore selected in accordance with the status of the desired test zone. A single ultrasonic test head 3 is thus required for each test zone, the required wedge angles for the first wedge surface 7 and the second wedge surface 8 being independent of the wall thickness of the test object 2 . The wedge angles for the first wedge surface 7 are chosen so that the insonification angle of the longitudinal wave 16 is approximately in the range between 0 ° and 45 °. Corresponding to the insonification angle of the longitudinal wave, there is a slightly different insonation angle of the transverse wave 20 between approximately 58 ° and 68 °. If the wedge angle of the second wedge surface 8 and the transverse wave ultrasound transducer 10 are designed so that the transverse wave insonification angle is 63 ° and the beam angle is sufficiently wide, then the entire receiving angle range occurring in practice with a geometric arrangement about 58 ° and 68 ° are covered. The ultrasound probes 3 for test zones at different depths therefore differ only in the wedge angle of the first wedge surface 7 .

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist es möglich, mit einem einzigen Ultraschallprüfkopf 23 eine Vielzahl von Prüfzonen zu erfassen. Der Prüf­ kopf 23 verfügt über einen Gruppenstrahler 24, der auf einem Plexiglaskeil 25 montiert ist und eine Vielzahl von Einzelschwingern in der aus der Array-Technik bekannten Weise aufweist. Auf der Rückseite der Einzel­ schwinger des Gruppenstrahlers 24 ist in an sich be­ kannter Weise ein Dämpfungskörper 26 vorgesehen.In the exemplary embodiment shown in FIG. 2, it is possible to detect a multiplicity of test zones with a single ultrasound test head 23 . The test head 23 has a group radiator 24 , which is mounted on a plexiglass wedge 25 and has a large number of individual transducers in the manner known from array technology. On the back of the individual vibrators of the group radiator 24 , a damping body 26 is provided in a manner known per se.

Der Gruppenstrahler 24 des Ultraschallprüfkopfes 23 dient sowohl zum Senden von Longitudinalwellen 16 mit einem Einschallwinkelbereich zwischen etwa 0° und 45° als auch zum Empfangen der vom Riß 18 ausgehenden Transversalwellen 20, deren Einschallwinkel oder Emp­ fangswinkel in einem verhältnismäßig engen Bereich um 63° liegt.The group emitter 24 of the ultrasonic probe 23 is used both for sending longitudinal waves 16 with an insonification angle range between approximately 0 ° and 45 ° and for receiving the transverse waves 20 emanating from the crack 18 , the insonification angle or reception angle in a relatively narrow range around 63 °.

Die Steuerung des Einschallwinkels der Longitudinal­ wellen 16 erfolgt nach dem an sich bekannten Prinzip der Gruppenstrahler bzw. Phased Arrays. Dazu sind die Schwinger des Gruppenstrahlers 24 über jeweils geson­ derte Leitungen 27 mit dem Ausgang einer Sendeeinheit 28 verbunden, die von einer Verzögerungseinheit 29 angesteuert ist, welche ihrerseits mit einem in Fig. 2 nicht dargestellten Steuerwerk und Signalgenerator verbunden ist. Durch die individuelle elektrische Ansteuerung der Schwinger des Gruppenstrahlers 24 nach Amplitude und Phase kann das Schallfeld des Ultra­ schallprüfkopfes 23 rein elektronisch gesteuert werden. Die Ansteuerung erfolgt bei dem in Fig. 2 dargestell­ ten Ausführungsbeispiel so, daß Longitudinalwellen mit einem veränderbaren Einschallwinkel erzeugt werden.The control of the angle of incidence of the longitudinal waves 16 takes place according to the principle of the group emitter or phased arrays known per se. For this purpose, the vibrators of the group radiator 24 are connected via separate lines 27 to the output of a transmission unit 28 which is controlled by a delay unit 29 , which in turn is connected to a control unit and signal generator (not shown in FIG. 2). The sound field of the ultrasonic test head 23 can be controlled purely electronically by the individual electrical control of the vibrators of the group radiator 24 according to the amplitude and phase. The control takes place in the embodiment shown in FIG. 2 so that longitudinal waves are generated with a variable insonification angle.

Nach dem Aussenden eines Longitudinalwellenimpulses wird der Ultraschallprüfkopf 23 umgeschaltet, um den verzögert eintreffenden Transversalwellenimpuls des Risses 18 zu empfangen. Da der Empfangswinkel für die Transversalwellen 20 nur in einem sehr engen Bereich schwankt, reicht es für viele Anwendungen aus, wenn der Gruppenstrahler 24 während der Empfangszeit ohne Pha­ senverzögerung betrieben wird. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt daher eine Phasensteuerung der Einzelschwinger des Gruppenstrah­ lers 24 nur beim Senden, während beim Empfang eine Untergruppe der Einzelschwinger des Gruppenstrahlers 24 elektrisch zusammengeschaltet ist. Die Breite der Untergruppe bestimmt dabei den Öffnungswinkel. Der Keilwinkel der Keilfläche 37 ist so gewählt, daß bei phasengleicher Ansteuerung der Elemente eine Trans­ versalwelle unter etwa 63° empfangen wird. Auf diese Weise wird die gesteuerte Verzögerung analoger Signale mit hohem Dynamikumfang auf der Empfangsseite ver­ mieden. Das von den elektrisch zusammengeschalteten einzelnen Schwingern des Gruppenstrahlers 24 gelieferte Signal gelangt über eine Eingangsleitung 38 zu einem Vorverstärker 39 eines in der Zeichnung nicht darge­ stellten Impulsecho-Ultraschallgerätes. After the transmission of a longitudinal wave pulse, the ultrasound probe 23 is switched over in order to receive the transverse wave pulse of the crack 18 arriving with a delay. Since the reception angle varies across the transverse waves 20 only in a very narrow range, it is sufficient for many applications, when the phased array 24 is operated during the reception time without Pha senverzögerung. In the illustrated in Fig. 2 embodiment, a phase control of the single element, thus takes place of the Gruppenstrah coupler 24 only when sending while when receiving a subset of the single element of the phased array 24 is electrically connected together. The width of the sub-group determines the opening angle. The wedge angle of the wedge surface 37 is selected so that when the elements are driven in phase, a transversal wave is received at approximately 63 °. In this way, the controlled delay of analog signals with a high dynamic range on the receiving side is avoided. The signal supplied by the electrically interconnected individual vibrators of the group radiator 24 passes via an input line 38 to a preamplifier 39 of a pulse echo ultrasound device (not shown in the drawing).

Eine weitere, in der Zeichnung nicht dargestellte Ausführungsform ergibt sich, wenn ähnlich wie bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel empfangs­ seitig ein getrennter Einzelschwinger geeigneter Größe verwendet wird und die Longitudinalwellen 16 statt durch einen einzelnen Schwinger 11 mit Hilfe eines Gruppenstrahlers 24 erzeugt werden.A further embodiment, not shown in the drawing, results if, similarly to the exemplary embodiment shown in FIG. 1, a separate individual oscillator of suitable size is used on the receiving side and the longitudinal waves 16 are generated with the aid of a group radiator 24 instead of by an individual oscillator 11 .

Gemäß dem in Fig. 3 schematisch dargestellten Aus­ führungsbeispiel der Erfindung ist es auch möglich, sowohl empfangsseitig als auch sendeseitig einen Grup­ penstrahler 44 zu verwenden, der unmittelbar auf die Prüflingsoberfläche 1 eines Prüflings 2 aufgesetzt wird. Der Gruppenstrahler 44 erzeugt beispielsweise eine Longitudinalwelle 16 unter einem Einschallwinkel von 15°. Diese wird an der Prüflingsrückseite 17 re­ flektiert und wegen des geringen Auftreffwinkels nur zu einem geringen Teil in einen Transversalwellenanteil umgewandelt. Mehr als 90% der Longitudinalwellenener­ gie wird als Longitudinalwellen 19 zurückreflektiert und gelangt zu dem sich in einem Projektionsabstand a vom Gruppenstrahler 44 befindenden, großflächigen, rechtwinklig zur Prüflingsoberfläche 1 orientierten glatten Riß 18. Bei den in Fig. 3 dargestellten Ver­ hältnissen wurde angenommen, daß die Schallbündelachse auf die Reflektormitte des Risses 18 auftrifft, der beispielsweise in einer Tiefe von etwa 50 mm eines Prüflings 2 liegt, der durch einen Stahlblock mit planparallelen ebenen Oberflächen und einer Dicke von 150 mm gebildet ist, wobei der Gruppenstrahler 44 von rechts nach links über die Prüflingsoberfläche 1 bewegt wird, um den Riß 18 nachzuweisen. According to the exemplary embodiment of the invention shown schematically in FIG. 3, it is also possible to use a group radiator 44 both on the receiving side and on the transmitting side, which is placed directly on the specimen surface 1 of a specimen 2 . The group radiator 44 generates, for example, a longitudinal wave 16 at an insonification angle of 15 °. This is reflected on the back of the test specimen 17 and converted only to a small extent into a transverse wave portion due to the small angle of incidence. More than 90% of the longitudinal wave energy is reflected back as longitudinal waves 19 and arrives at the large-area smooth crack 18, which is located at a projection distance a from the group radiator 44 and is oriented at right angles to the specimen surface 1 . In the Ver shown in Fig. 3, it was assumed that the beam axis hits the reflector center of the crack 18 , which is, for example, at a depth of about 50 mm of a test specimen 2 , which is through a steel block with plane-parallel flat surfaces and a thickness of 150 mm is formed, the group radiator 44 being moved from right to left over the test specimen surface 1 in order to detect the crack 18 .

Aufgrund des flachen Einfallswinkels von beispielsweise 75° wird bei der zweiten Reflexion die Longitudinal­ welle 19 zum großen Teil in eine Transversalwelle 20 umgewandelt und trifft unter einem Winkel von etwa 58° auf die Mitte des Gruppenstrahlers 44. Die Empfangs­ charakteristik des Gruppenstrahlers 44 wurde nach dem Aussenden der Longitudinalwelle 16 auf 58° und Trans­ versalwellenbetrieb umgeschaltet, so daß eine sehr hohe Echoanzeige resultiert.Due to the flat angle of incidence of, for example, 75 °, the longitudinal wave 19 is largely converted into a transverse wave 20 in the second reflection and strikes the center of the group radiator 44 at an angle of approximately 58 °. The reception characteristics of the phased array 44 has been switched, so that a very high mesa results versalwellenbetrieb after the transmission of the longitudinal wave 16 at 58 ° and Trans.

Um Risse 18 in verschiedenen Tiefenbereichen nachzu­ weisen, ist es erforderlich, für jede Prüfzone die zugeordneten Sende/Empfangswinkelpaare des Gruppen­ strahlers 44 einzustellen. Beim Abtasten ist es mög­ lich, entweder den Gruppenstrahler 44 mehrmals mit festem Sende/Empfangswinkelpaar entlang der Prüfspur zu bewegen, um jedesmal eine andere Prüfzone zu erfassen oder aber bei jeder Position des Gruppenstrahlers 44 mehrere, der Anzahl der erforderlichen Prüfzonen ent­ sprechende Sende/Empfangswinkelpaare nacheinander einzustellen.In order to detect cracks 18 in different depth ranges, it is necessary to set the assigned transmit / receive angle pairs of the group radiator 44 for each test zone. When scanning, it is possible to either move the group radiator 44 several times along the test track with a fixed transmit / receive angle pair in order to detect a different test zone each time, or to transmit several transmit / receive angle pairs corresponding to the number of required test zones at each position of the group radiator 44 set one after the other.

In Fig. 4 sind die unterschiedlichen Winkelverhält­ nisse für Longitudinalwellen 46 mit einem Einschall­ winkel von 5°, Longitudinalwellen 47 mit einem Ein­ schallwinkel von 30° und Longitudinalwellen 48 mit einem Einschallwinkel von 45° dargestellt. Wie man aus Fig. 4 erkennt, gestatten die unterschiedlichen Ein­ schallwinkel das Erfassen von Rissen 18 in unterschied­ lichen Tiefen des Prüflings 2. Beim Einschallen der Longitudinalwelle 48 ergibt sich eine Transversalwelle 49, deren Einschallwinkel in etwa denjenigen Einschall­ winkeln für Transversalwellen entspricht, die durch die Longitudinalwellen 47 und 48 bewirkt werden. Fig. 4 zeigt somit, daß der Empfangswinkelbereich für die Transversalwellen in einem verhältnismäßig engen Be­ reich um 63° liegt.In FIG. 4, the different angles are behaves nit for longitudinal waves 46 with a Einschall angle of 5 °, longitudinal waves 47 with a beam angle A of 30 ° and longitudinal waves 48 shown with an angle of incidence of 45 °. As can be seen from FIG. 4, the different sound angles permit the detection of cracks 18 in different depths of the test object 2 . When the longitudinal wave 48 is insonified, a transverse wave 49 results, the insonification angle of which approximately corresponds to the insonification angle for transverse waves which are caused by the longitudinal waves 47 and 48 . Fig. 4 thus shows that the receiving angle range for the transverse waves is in a relatively narrow range by 63 °.

Der in der Zeichnung gezeigte Strahlengang kann selbst­ verständlich auch in umgekehrter Richtung verwirklicht werden. Dabei wird der Reflektor 18 direkt mit einer Transversalwelle angeschallt, deren Energie größten­ teils in die Energie einer Longitudinalwelle umgewan­ delt wird und nach einer Reflexion an der Prüflings­ rückseite 17 zum Prüfkopf, insbesondere dem Gruppen­ strahler 44 gelangt. Bei einem solchen Strahlengang arbeitet der Gruppenstrahler 44 zunächst als Trans­ versalwellensender mit einem Einschallwinkel von etwa 63° und anschließend als Longitudinalwellenempfänger mit einer Winkelcharakteristik, die von der jeweils zu erfassenden Prüfzone abhängt. Dieses in der Zeichnung nicht dargestellte Ausführungsbeispiel nutzt statt einer Umwandlung von Longitudinalwellen in Transversal­ wellen an einem glatten Riß 18, die Umwandlung von Transversalwellen in Longitudinalwellen an einem glatten Riß 18.The beam path shown in the drawing can of course also be realized in the opposite direction. In this case, the reflector 18 is directly irradiated with a transverse wave, the energy of which is largely converted into the energy of a longitudinal wave and, after reflection on the test specimen back 17, reaches the test head, in particular the group radiator 44 . With such a beam path, the group radiator 44 first works as a transverse wave transmitter with an insonification angle of approximately 63 ° and then as a longitudinal wave receiver with an angle characteristic that depends on the test zone to be detected in each case. This embodiment is not shown in the drawing uses instead of a conversion of the longitudinal waves in transversal waves in a smooth crack 18, the conversion of transverse waves in the longitudinal waves on a smooth crack 18th

Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild eines Teils des zum Anschluß an den Gruppenstrahler 44 vorgesehenen Im­ pulsecho-Ultraschallgerätes. Die Sendesignale werden in einer Verzögerungseinheit 60, die an den Ausgang eines Signalgenerators 61 angeschlossen ist, in Abhängigkeit von den Signalen eines Steuerwerks 62 entsprechend den jeweils erforderlichen Einschallwinkeln verzögert und dann nach einer Leistungsverstärkung in einem Sender 63 auf einen Prüfkopf 64 mit dem Gruppenstrahler 44 gege­ ben. Die Empfangssignale des Gruppenstrahlers 44 werden in einem Empfänger 65 vorverstärkt und anschließend in der Verzögerungseinheit 60 verzögert und aufaddiert sowie über einen Summierausgang 66 zu einem Bildschirm­ gerät zur Darstellung weitergeleitet. Gemäß dem be­ kannten Gruppenstrahlerprinzip bestimmen die Verzöge­ rungszeiten die Sende- bzw. Empfangsrichtungen. Die Verzögerungszeiten werden entsprechend den oben erör­ terten Gesichtspunkten für jede Prüfzone bestimmt. Fig. 5 shows a block diagram of a part of the pulse pulse ultrasound device provided for connection to the group emitter 44 . The transmission signals are delayed in a delay unit 60 , which is connected to the output of a signal generator 61 , as a function of the signals of a control unit 62 in accordance with the required angles of incidence, and then, after power amplification in a transmitter 63, is applied to a test head 64 with the group emitter 44 ben. The received signals of the group radiator 44 are preamplified in a receiver 65 and then delayed and added in the delay unit 60 and forwarded via a summing output 66 to a screen for display. According to the known group radiator principle, the delay times determine the send and receive directions. The delay times are determined according to the considerations discussed above for each test zone.

Claims (11)

1. Verfahren zum Nachweis großflächiger, rechtwinklig zur Prüflingsoberfläche orientierter glatter Risse mit Hilfe von Ultraschall im Impulsecho-Betrieb, bei dem der Sendeultraschallwandler und der Empfangsultraschallwandler auf die Prüflingsober­ fläche aufgesetzt werden und an der der Prüflings­ oberfläche gegenüberliegenden Prüflingsrückseite sowie an dem zwischen der Prüflingsoberfläche und der Prüflingsrückseite liegenden und zu erfassen­ den Riß jeweils reflektiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Sendeultraschall­ wandler und der Empfangsultraschallwandler am gleichen Aufsetzbereich der Prüflingsoberfläche mit voneinander verschiedenen Einschallwinkeln betrieben werden, daß der dem großen Einschall­ winkel zugeordnete Ultraschallwandler für Trans­ versalwellen und der dem kleineren Einschallwinkel zugeordnete Ultraschallwandler für Longitudinal­ wellen ausgelegt wird, wobei an der Prüflings­ rückseite im wesentlichen eine spiegelnde Re­ flexion von Longitudinalwellen erfolgt, während am Riß eine Umwandlung zwischen Longitudinalwellen und Transversalwellen mit unterschiedlichem Ein­ und Ausfallswinkel erzielt wird.1.Procedure for the detection of large, smooth cracks oriented at right angles to the surface of the test specimen with the help of ultrasound in pulse-echo mode, in which the transmitting ultrasound transducer and the receiving ultrasound transducer are placed on the surface of the test specimen and on the back of the test specimen opposite the surface of the test specimen and on that between the surface of the test specimen and the back of the test specimen lying and to detect the crack are each reflected, characterized in that the transmitting ultrasound transducer and the receiving ultrasound transducer are operated at the same placement area of the test specimen surface with mutually different insonification angles , that the ultrasound transducer assigned to the large insonification angle for transversal waves and the smaller insonification angle assigned ultrasonic transducer is designed for longitudinal waves, with a specular reflection of longitudinal waves taking place on the back of the test object, while a conversion between longitudinal waves and transverse waves with different angles of incidence and reflection is achieved at the crack. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der den Transversalwellen zugeordnete Einschallwinkel zwischen etwa 58° und 68° und der den Longitudinalwellen zugeordnete Einschallwinkel zwischen etwa 0° und 45° gewählt wird.2. The method according to claim 1, characterized records that the the transverse waves assigned insonification angle between about 58 ° and 68 ° and that assigned to the longitudinal waves Insonation angle chosen between approximately 0 ° and 45 ° becomes. 3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem auf die Prüflingsoberfläche aufsetzbaren, an ein Impulsecho-Ultraschallprüf­ gerät angeschlossenen Sendeultraschallwandler und Empfangsultraschallwandler, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Sendeultraschall­ wandler (11, 12, 24, 44) und der Empfangsultra­ schallwandler (11, 12, 24, 44) im gleichen Ultra­ schallprüfkopf (3, 23, 64) untergebracht und für voneinander verschiedene Einschallwinkel ausgelegt sind, wobei der Ultraschallwandler (12, 24, 44) mit dem größeren Einschallwinkel ein Transversal­ wellen-Ultraschallwandler und der Ultraschallwand­ ler (11, 24, 44) mit dem kleineren Einschallwinkel ein Longitudinalwellen-Ultraschallwandler ist.3. Apparatus for performing the method according to claim 1, with an attachable to the test surface, connected to an impulse echo ultrasound test transmitting ultrasound transducer and receiving ultrasound transducer, characterized in that the transmitting ultrasound transducer ( 11 , 12 , 24 , 44 ) and the receiving ultrasound transducer ( 11 , 12 , 24 , 44 ) housed in the same ultrasound test head ( 3 , 23 , 64 ) and are designed for different insonification angles, the ultrasound transducer ( 12 , 24 , 44 ) with the larger insonification angle being a transverse wave ultrasound transducer and the Ultrasonic converter ( 11 , 24 , 44 ) with the smaller insonification angle is a longitudinal wave ultrasound converter. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Ultraschallprüfkopf (3) einen Plexiglaskeil (5) mit zwei unterschied­ lich geneigten Keilflächen (7, 8) aufweist, und daß auf der flacher verlaufenden ersten Keilfläche (7) der Longitudinalwellen-Ultraschallwandler (11) und auf der steiler verlaufenden zweiten Keil­ fläche (8) der Transversalwellen-Ultraschallwand­ ler (12) angeordnet ist.4. The device according to claim 3, characterized in that the ultrasonic probe ( 3 ) has a plexiglass wedge ( 5 ) with two differently inclined wedge surfaces ( 7 , 8 ), and that on the flatter first wedge surface ( 7 ) of the longitudinal wave ultrasonic transducer ( 11 ) and on the steeper second wedge surface ( 8 ) of the transverse wave ultrasound transducer ( 12 ) is arranged. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwandler (11, 12, 24, 44) zu unterschiedlichen Zeiten als Ultraschallsender bzw. als Ultraschallempfänger aktiv sind.5. Apparatus according to claim 3 or 4, characterized in that the ultrasonic transducers ( 11 , 12 , 24 , 44 ) are active at different times as an ultrasonic transmitter or as an ultrasonic receiver. 6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Ultraschallprüfkopf (23) einen Plexiglaskeil (25) mit einer Keilfläche (37) aufweist, auf der ein Gruppenstrahler (24) angeordnet ist, durch den beim Sendebetrieb durch phasenverzögerte Ansteuerung Longitudinalwellen (16) mit kleinem Einschallwinkel erzeugbar sind und bei dem während des zeitlich versetzten Empfangsbetriebs eine Untergruppe von Elementen elektrisch zusammengeschaltet ist. 6. The device according to claim 3, characterized in that the ultrasonic test head ( 23 ) has a plexiglass wedge ( 25 ) with a wedge surface ( 37 ) on which a group radiator ( 24 ) is arranged, through which during transmission operation by phase-delayed control longitudinal waves ( 16 ) can be generated with a small insonification angle and in which a subset of elements is electrically interconnected during the time-shifted reception operation. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Elemente des Gruppen­ strahlers (24) während des Empfangsbetriebs so zusammengeschaltet sind, daß sich eine Empfind­ lichkeit für Transversalwellen (20) mit einem Einfallswinkel von etwa 63° und einem Schallbün­ delöffnungswinkel von etwa 10° ergibt.7. The device according to claim 6, characterized in that the elements of the group radiator ( 24 ) are interconnected during the receiving operation so that there is a sensitivity to transverse waves ( 20 ) with an angle of incidence of about 63 ° and a Schallbün delöffnungswinkel of about 10 ° results. 8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Ultraschallprüfkopf (64) einen sich parallel zur Prüflingsoberfläche (1) erstreckenden Gruppenstrahler (44) aufweist, dessen Elemente so ansteuerbar sind, daß während des Sendebetriebs Longitudinalwellen (16) mit kleinem Einschallwinkel in den Prüfling (2) ein­ geschallt werden und daß während des zeitlich versetzten Empfangsbetriebs Transversalwellen (20) mit einem großen Einschallwinkel empfangen werden.8. The device according to claim 4, characterized in that the ultrasonic test head ( 64 ) has a parallel to the test specimen surface ( 1 ) extending group radiator ( 44 ), the elements of which can be controlled so that longitudinal waves ( 16 ) with a small angle of incidence during transmission the test specimen ( 2 ) is scanned and that transverse waves ( 20 ) are received with a large insonification angle during the time-shifted receiving operation. 9. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Ultraschallprüfkopf (64) einen sich parallel zur Prüflingsoberfläche (1) erstreckenden Gruppenstrahler (44) aufweist, dessen Elemente so ansteuerbar sind, daß während des Sendebetriebs Transversalwellen mit großem Einschallwinkel in den Prüfling (2) eingeschallt werden und daß während des zeitlich versetzten Empfangsbetriebs Longitudinalwellen mit einem kleinen Einschallwinkel empfangen werden.9. The device according to claim 4, characterized in that the ultrasonic test head ( 64 ) has a parallel to the test surface ( 1 ) extending group radiator ( 44 ), the elements of which can be controlled so that transverse waves with a large angle of incidence in the test object (during transmission) 2 ) are insonified and that longitudinal waves with a small insonification angle are received during the time-shifted reception operation. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ab­ tastung unterschiedlicher sich parallel zur Prüf­ lingsoberfläche (1) erstreckender Prüfzonen unter­ schiedliche zugeordnete Einschallwinkel für die Transversalwellen/Longitudinalwellenpaare ein­ stellbar sind.10. Device according to one of claims 6 to 9, characterized in that for scanning different from parallel to the test surface ( 1 ) extending test zones under different assigned insonification angles for the transverse waves / longitudinal wave pairs are adjustable. 11. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zweiten Keilflächen (8) des Plexiglaskeils (5) für unterschiedliche sich parallel zur Prüflingsoberfläche (1) er­ streckende Prüfzonen unterschiedliche Keilwinkel aufweisen.11. The device according to claim 4, characterized in that the second wedge surfaces ( 8 ) of the plexiglass wedge ( 5 ) have different wedge angles for different test zones extending parallel to the test specimen surface ( 1 ).
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