Vorrichtung zur Ultraschall Materialprüfung von Körpern mit gekrümmter Oberfläche
Bei der Ultraschall-Materialprüfung ist es üblich, um eine möglichst reproduzierbare Ankopplung zu erreichen, Prüfling und Schallköpfe in ein Flüssigkeitsbad zu bringen und auf diese Weise entweder mit dem Durchstrahlungsverfahren (mit zwei Schallköpfen) oder dem Impulsechoverfahren (mit einem Schallkopf) zu prüfen.
Bei Prüflingen grosser Ausdehnung (Bänder, Stangen, Rohre, Drähte usw.) wählt man den Weg, den Prüfling dicht über den Rand und durch den Meniskus eines mit Flüssigkeit gefüllten und durch eine Pumpe dauernd zum Überlaufen gebrachten Gefässes hinwegzuführen, wobei sich der Ultraschallstrahler dann im Inneren dieses Gefässes befindet und in regulierbarem Winkel von unten in den Prüfling einstrahlt.
Derartige Anordnungen haben sich bei der Prüfung, insbesondere der vollautomatischen Durchlaufprüfung von Körpern mit planer Oberfläche (Bänder, Bleche, Platten usw.) gut bewä, hlit, weil sich die optimalen Anrv gungsbedingungen der gewünschten Wellen arzt durch eine aussen am Kopplungsgefäss befindliche Einstellung des Einstrahlungswinkels bequem erzielen lassen.
Handelt es sich jedoch um Körper mit gekrümmter Oberflädhe, z. B. Stäbe, Drähte, Rohre, Kugeln oder Hohlkugeln usw., so kann ein definierter, optimaler Einstrahlungswinkel zur Erzeugung einer gewünschten speziellen Wellenart nicht mehr eingestellt werden, weil jedes Flächenelement der gekrümmten Oberfläche des Prüflings einen anderen Einstrahlungswinkel fordert.
Um diesen überstand zu beseitigen, ist man daher bereits so vorgegangen, dass man vor der planen abstrahlenden Fläche des Schallsenders bzw.-empfänger, eine Schallinse angeordnet hat, um die Ultraschallstrahlung entsprechend zu fokussieren. Ein derartiges Vorgehen hat bereits zu gewissen Teilerfolgen geführt.
Gründliche Untersuchungen haben nun ergeben, dass die Benutzung schalloptischer Systeme zur Einstrahlung in Körper mit gekrümmten Oberflächen nicht genügt, und zwar einerseits, weil durch den sehr hohen Schallbrechungsindex, der sich aus dem grossen Unterschied der Schallgeschwindigkeit im Prüfling (im allgemeinen Metall) zu derjenigen in der umgebenden Flüssigkeit (im allgemeinen Wasser) ergibt, die optimale Anregungsbedingung auf wenige Winkelgrade des Einstrahlungswinkels zusammendrängt und somit selbst bei gekrümmten Oberflächen in jedem Flächenelement möglichst exakt mit dem gleichen Einfallswinkel eingestrahlt werden muss.
Da man anderseits aus energetischen Gründen mit dem schalloptischen System verhältnismässig nahe an die gekrümmte Oberfläche des Körpers herangeht, befindet man sich noch in den meisten Fällen im Nahfeld des Strahlers, das durch seine stark zerklüftete Energieverteilung ohnehin definierte Brennpunkte oder Brennlinien in Frage stellt.
Die neue Vorrichtung zur Ultraschallprüfung von Körpern mit gekrümmter Oberfläche vermeidet diese tlbelstände, indem der die Wellen anregende bzw. empfangende Ultraschallstrahler eine Form besitzt, die der wenigen der Oberfläohenkrümmung geometrisch ähnlich ist. Zur Einstrahlung in Stangen, Drähte, Rohre usw. würde man also vornehmlich Schallstrahler mit Brennlinien wählen, also, der zylluderförmigen Form der genannten Körper entsprechend, einen Ultraschallstrahler, der als Segment aus einem Zylindermantel herausgeschnitten ist. Für Kugeln, Hohlkugeln usw. würde man einen Strahler wählen, der als Kugelkalotte ausgebildet ist usw.
Die Fig. 1 bis 4 veranschaulichen die Verhältnisse:
Fig. 1 zeigt die Querdurchstrahlung einer Stange mit Longitudinalwellen,
Fig. 2 zeigt bei versetzter Einstrahlung die Erzeugung eines Polygonal-Wellenzuges von Transversalwellen in einer Stange (oder Rohr),
Fig. 3 zeigt die Anregung von Oberflächenwellen auf einer Stange (oder Rohr) bzw. einer Kugel,
Fig. 4 zeigt die Anregung einer Plattenwelle (bzw.
Rohrwandwelle) in einem Rohr oder auch den gleichen Vorgang in der Wandung einer Hohlkugel.
Fig. 1a zeigt den Strahlenverlauf bei der Durchstrahlung eines Körpers mit gekrümmter Oberfläche und Anwendung der üblichen planen Strahler. Der Sender ist mit S bezeichnet. Sein Zentralstrahl So fällt senkrecht auf die Mantelfläche auf, wird daher nicht gebrochen und erreicht daher den Empfänger E. Der ausseraxiale Strahl S, L fällt unter dem Einfallswinkel a1 ein.
Da der Prüfling im allgemeinen eine höhere Schallgeschwindigkeit besitzt als die umgebende Flüssigkeit, wird der Strahl vom Lot weggebrochen, pflanzt sich in Richtung al fort, trifft unter a3 auf die Wandung und verlässt den Körper mit dem kleineren Ansfallwinkel a4 oder reflektiert zum Teil unter dem gleichen Winkel a8, so dass nur ein Bruchteil der Strahlung den Empfänger E erreicht.
Ganz anders liegen die Verhältnisse in Fig. ib, in der der Strahler und/oder der Empfänger eine Form besitzt, die derjenigen der Oberflächenkrümmung geometrisch ähnlich ist. Hier fallen alle Strahlen senkrecht ein, eine Brechung findet nicht statt, der Strahlenaustritt erfolgt wiederum senkrecht und der Empfänger E wird von der vollen Strahlung beaufschlagt. Für die Durchstrahlung einer Stange wird man somit Ausschnitte eines Zylindermantels (Rinnen), für die Durchstrahlung von Kugeln Kugelkalotten wählen, was durch die strichierte Linie am Sender und Empfänger angedeutet ist.
Die Vorrichtung braucht jedoch nicht nur in der in Fig. 1b gezeigten symmetrischen Anordnung eingesetzt zu werden, sondern auch in einer unsymmetrischen gemäss Fig. 2. Hiedurch ergeben sich zahlreiche Möglichkeiten, speziell für Idie jeweilige Problemstellung geeignete Wellenarten zu erzeugen.
Strahlt man beispielsweise in einem derartigen Abstand A von der Symmetrieebene einer Stange oder Kugel ein, dass der Einfallwinkel aO des Zentralstrahls grösser ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion für longitudinale Wellen, so können nur transversale Wellen in I Körper K entstehen, die sich bei geeigneter Wahl des Winkels a0 als Polygonal-Wellenzug von Transversalwellen unter wiederholter Reflexion an der Oberfläche im Körper K ausbreiten.
Zweckmässigerweise taucht man den I Körper A bei der- artigen Anordnungen nur so weit in die Kolppe3flüssigkeit F ein, wie es der Einstrahlungsquerschnitt erfordert und in Fig. 2 dargestellt ist. Befindet sich ein Riss R in der Stange, so reflektiert ein entsprechender Strahlungsanteil und kehrt bei Anwendung des Impulsechoverfahrens in den inzwischen auf Empfang umgeschalteten Strahler SE zurück. Wählt man den Abstand B zwischen der Vorrichtung SE und dem Körper K derart, dass Brennpunkt oder Brennlinie in die Symmetrieebene von K fallen, so lässt sich zeigen, dass die Winkelabweichung der Randstrahlen al und a2 von 0 ein Minimum bilden, d. h. in diesem Falle sind selbst bei unsymmetrischer Einstrahlung alle Einfallswinkel angenähert gleich und somit auch die Brechungswinkel.
Vergrössert man gemäss Fig. 3 den Abstand A um einen kleinen Betrag derart, dass man auch den Grenz winkel der Totalreflexion für transversale Wellen überschreitet, so kann der in Fig. 2 gezeigte Strahlenverlauf nicht mehr zustandekommen, und es bilden sich die in Fig. 3 wiedergegebenen Oberflächenwellen 0 aus. Da sie streng an der Oberfläche des Körpers entlanglaufen, der Oberflächenkrümmung folgen, falls diese nicht zu stark ist und in Ecken und Kanten entartet, und die Welle sehr schnell zur Tiefe hin abfällt, ist sie besonders empfindlich auf Oberflächenrisse, selbst sehr geringer Tiefe.
Hier wird also praktisch der gesamte Wellenanteil an R reflektiert und kehrt zu SE zurück.
Fig. 4 zeigt als Beispiel die Anwendung der Vorrichtung auf einen Hohlkörper mit gekriimmter Oberfläche, ein Rohr. Es ist bekannt, dass man bei Einstrahlung mit ganz speziellen Winkeln über ein Medium geringer Schallgesohwindisseit in eine PiattePlattenwellen(Lamb- Wellen) erzeugen kann. Dieses ist auch möglich, wenn die Platte gekrümmt ist, beispielsweise also die Wandung eines Rohres bildet. Jedoch ist bei der Anregung von Plattenwellen von entscheidender Bedeutung, dass die Einstrahlung nicht über einen zu kleinen Querschnitt erfolgen darf und über den Querschnitt alle Einfallswinkel recht genau gleich sein müssen. Wie in Fig. 2 erläutert, ist aber gerade die Erfüllung dieser Bedingung mit der genannten Vorrichtung besonders gut möglich.
Man erkennt aus den Darlegungen, dass - wie bereits oben erwähnt - auf Grund des sehr grossen schalloptischen Brechungsindexes bereits sehr kleine Ände- rungen des Abstandes A zu völlig verschiedenen Anregungsbedingungen führen. Würden nun die Winkel al und a2 (Fig. 2) merklich von aO abweichen, so würden sich die verschiedensten Anregungsbedingungen gleichzeitig ergeben, einander überlagern und nur eine sehr schlechte oder keine Fehlererkennbarkeit zustandekommen lassen. Die genannte Vorrichtung ist daher in der Lage, eine optimale Fehlererkennbarkeit in Prüflingen mit gekrümmter Oberfläche zu gewährleisten.