DE19640389C2 - Ultraschall-Prüfkopf - Google Patents
Ultraschall-PrüfkopfInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschall-Prüfkopf zur
Prüfung einer Schweißnaht im heißen Zustand.
Gelegentlich ergibt sich die Aufgabe, eine Schweißnaht in
heißem Zustand mittels Ultraschall zu prüfen. Beispielsweise
soll die Sekundärdeckel-Schweißnaht des Pollux-Lagerbehälters
für radioaktive Substanzen mittels Ultraschall geprüft wer
den. Die Prüfung soll dabei im heißen Zustand der Schweißnaht
bei ca. 125°C erfolgen. Diese hohe Temperatur ist durch die
Strahlungswärme der radioaktiven Substanzen und durch die
Restwärme vom Schweißen bedingt. Für eine solche Prüfung ist
ein Heißprüfkopf-Satz erforderlich, damit die Prüfung von
Engspalt-Schweißnähten mit Wurzelsteg erfolgen kann. Die hohe
Temperatur erfordert einen speziellen Aufbau der einzelnen
Prüfköpfe. Denn bei Ultraschall-Prüfköpfen der herkömmlich am
meisten verwendeten Bauart löst sich die Klebeverbindung zwi
schen dem Ultraschall-Schwinger (Piezoschwinger) und dem
Schwingerträger schnell ab, insbesondere bei häufigen Tempe
raturschwankungen.
Aus der Deutschen Patentschrift DE 33 15 649 C1 ist ein Ul
traschall-Prüfkopf zur zerstörungsfreien Prüfung heißer Prüf
stücke bekannt, bei dem ein elektroakustischer Wandler von
einer Feder auf einen dem Prüfstück zugewandten spaltförmi
gen, mit einem flüssigen Ankoppelmittel gasblasenfrei gefüll
ten Zwischenraum gedrückt wird. Die Feder übt über ein Druck
stück und eine Keramikscheibe eine Kraft auf den elektroaku
stischen Wandler aus. Die Feder, das Druckstück, die Keramik
scheibe und der elektroakustische Wandler sind in einem Prüf
kopf-Gehäuse untergebracht, welches auf das Prüfstück aufge
legt wird. Die Federkraft der Feder ist dabei so groß einge
stellt, daß der Druck in dem spaltförmigen Zwischenraum min
destens so groß ist wie der Dampfdruck des flüssigen Ankop
pelmittels bei der Arbeitstemperatur. Eine derartige Drucker
zeugung ist konstruktiv aufwendig. Darüber hinaus muß die Fe
derkraft unter Umständen für jede Arbeitstemperatur neu ein
gestellt werden. Weiterhin nachteilig an dem in der DE 33 15
649 C1 beschriebenen Ultraschall-Prüfkopf ist, daß eine Ul
traschall-Abstrahlung nicht nur in Richtung auf das Prüfstück
sondern unter anderem auch in entgegengesetzter Richtung aus
dem elektroakustischen Wandler heraus stattfindet, und daß
diese in entgegengesetzter Richtung abgestrahlten akustischen
Wellen reflektiert werden und zu einer Störung der Ultra
schallprüfung führen können.
In der Deutschen Offenlegungsschrift DE 33 16 478 A1 ist eine
Vorrichtung zum Prüfen und Überwachen von Bauteilen mittels
Ultraschall beschrieben, bei der ein Ultraschallschwinger mit
Abstand zu einer Wandung des Gehäuses der Vorrichtung ange
ordnet ist, und bei dem in dem Spalt ein flüssiges, während
des Betriebs der Vorrichtung bewegbares Kühlmittel angeordnet
ist. Das Kühlmittel steht sowohl mit dem Ultraschallschwinger
als auch mit der Wandung des Gehäuses in Berührung. Als Kühl
mittel wird insbesondere Wasser verwendet. Daraus ergibt sich
der Nachteil, daß bei sehr hohen Temperaturen entweder das
Wasser zu verdampfen beginnt oder überaus große Mengen an
Wasser benötigt werden, um die Temperatur des Wassers unter
halb der Siedetemperatur zu halten. Auch diese Vorrichtung
weist darüber hinaus den Nachteil auf, daß eine Abstrahlung
des Ultraschallschwingers in einer von dem Bauteil weg wei
senden Richtung zu störenden Reflexionen führen kann.
Aufgabe der Erfindung ist es demnach, einen Ultraschall-Prüf
kopf zur Prüfung einer Schweißnaht im heißen Zustand anzuge
ben, der die Nachteile der bekannt gewordenen Ultraschall-
Prüfköpfe vermeidet und dabei insbesondere eine störende, von
dem zu prüfenden Bauteil weggerichtete Schallabstrahlung aus
dem Ultraschallschwinger verhindert. Das Prinzip dieses Ul
traschall-Prüfkopfs soll für einen Heißprüfkopf-Satz für ver
schiedenartige Prüfungen geeignet sein.
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen
Ultraschall-Prüfkopf mit
- a) einem teilweise von einer vorgegebenen Wand begrenzten Hohlraum, wobei die Wand eine dem Hohlraum zugewandte vor gegebene Wandfläche und eine andere der Schweißnaht zu wendbare Wandfläche besitzt,
- b) einem in einem hochtemperaturfesten Gehäuse untergebrach ten Dämpfungskörper im Hohlraum,
- c) einem hochtemperaturfesten Silikonöl im Hohlraum,
- d) einem Ultraschall-Schwinger, der zwischen dem Dämpfungs körper und der vorgegebenen Wandfläche angeordnet und dort befestigt sowie über einen Film aus Silikonöl an der vor gegebenen Wandfläche angekoppelt ist, und
- e) mindestens zwei Schrauben, die den Dämpfungskörper unter Zwischenlage des Ultraschall-Schwingers und des Films aus Silikonöl an der vorgegebenen Wand befestigen.
Dieser Aufbau eines Ultraschall-Prüfkopfes läßt sich glei
chermaßen einsetzen für einen Heißprüfkopf-Satz, der besteht
aus einem Längsfehler-, zwei Querfehler- und einem Fokusprüf
kopf. Letzterer ist insbesondere geeignet für die Wurzelsteg
prüfung, also für die Schweißnahtprüfung an den letzten zwei
Millimetern der Schweißnaht.
Aus dem Kennzeichen des Ultraschall-Prüfkopfes wird deutlich,
daß er "schwimmend", d. h. ohne Klebeverbindung, aufgebaut
ist. Die Ankopplung zwischen dem Ultraschall-Schwinger und
dem Schwingerträger, d. h. der erwähnten "vorgegebenen Wand",
erfolgt über ein flüssiges hochtemperaturfestes Kopplungsme
dium, nämlich über Silikonöl.
Bei Temperaturen über 100°C ist zu erwarten, daß die übli
cherweise verwendete Dämpfungsmasse im Dämpfungskörper weich
wird. Sie könnte dadurch vorliegend Einfluß auf die Position
des Ultraschall-Schwingers nehmen. Um dieses zu vermeiden,
ist der Dämpfungskörper in einem hochtemperaturfesten Gehäuse
untergebracht, das vorzugsweise aus Aluminium besteht. Mit
anderen Worten: Die Position des Ultraschall-Schwingers ist
durch eine Profilhalterung gesichert, die vorzugsweise aus
Aluminium besteht.
Als Ultraschall-Schwinger wird vorzugsweise eine Piezokeramik
eingesetzt. Bei einem Prüfkopf zur Bestimmung von Quer- und
von Längsfehlern ist diese Piezokeramik planparallel ausge
bildet. Bei der Ausbildung als Fokus-Prüfkopf wird vorzugs
weise ein Composite-Schwinger eingesetzt.
Bei Temperaturen über 250°C geht die Polarisation der Piezo
keramik allerdings verloren. Dennoch ist als Vorteil zu ver
zeichnen, daß durch den oben beschriebenen Aufbau eine Tempe
raturfestigkeit des Ultraschall-Prüfkopfs bis 250°C erreicht
werden kann.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprü
chen gekennzeichnet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand
von vier Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 einen Querfehler-Prüfkopf,
Fig. 2 einen Längsfehler-Prüfkopf, und
Fig. 3 und 4 einen Fokus-Prüfkopf im Seitenschnitt bzw. im
Horizontalschnitt.
Die Fig. 1 bis 4 zeigen somit einen Heißprüfkopf-Satz zur
Prüfung von Engspalt-Schweißnähten mit Wurzelsteg im heißen
Zustand.
Nach Fig. 1 wird ein Hohlraum 2 gebildet aus einer keilför
migen Abstrahlwand 4 mit einer ebenen Wandfläche 5, aus zwei
Seitenwänden 6 und 8 aus demselben Material, welches insbe
sondere Polymid (Handelsname: Vespel) ist, und aus einer
Rückwand 9 aus VA-Stahl. Die Seitenwände 6, 8 sind durch Au
ßenwände 10 bzw. 12 aus VA-Stahl eingefaßt.
Im Hohlraum 2 befindet sich ein Dämpfungskörper 14. Weiterhin
befindet sich dort ein hochtemperaturfestes Kopplungsmedium
16 im flüssigen Zustand, nämlich Silikonöl. Ferner ist dort
ein Ultraschall-Schwinger 18 angebracht, und zwar zwischen
dem Dämpfungskörper 14 und der Wandfläche 5 der keilförmigen
Koppelwand 4. Zur Ankopplung an der Wandfläche 5 dient ein
Film 26 aus Silikonöl 16. Ein gleichartiger Film kann sich
auch zwischen dem Ultraschall-Schwinger 18 und dem Dämpfungs
körper 14 befinden. Die Rückseite des Dämpfungskörpers 14 ist
mit 24 bezeichnet.
Von Bedeutung ist, daß vorliegend die Befestigung des Dämp
fungskörpers 14 an der Wandfläche 5 durch Schrauben 22 er
folgt. Vorliegend sind vier wandseitig angebrachte Schrauben
22 vorgesehen, von denen lediglich zwei in Fig. 1 erkennbar
sind. Diese Schraubverbindung kann sich bei hohen Temperatu
ren nicht lösen.
Der Ultraschall-Schwinger 18 ist hier mit einer Profilhalte
rung aus Aluminium versehen. Mit anderen Worten: Der Ultra
schall-Schwinger 18 ist randseitig in einem Rahmen 20 festge
halten, der bevorzugt aus Aluminium besteht. Schrauben 28
halten die Rückwand 9 an den Seitenwänden 6, 8.
Für den Prüfvorgang werden zwei der in Fig. 1 dargestellten
Prüfköpfe benötigt, und zwar einer als Sender und einer als
Empfänger.
Fig. 2 zeigt einen Längsfehler-Prüfkopf mit zwei gleichartig
aufgebauten Teilköpfen, von denen der links dargestellte als
Sender und der rechts dargestellte als Empfänger ausgebildet
ist. Diese Teilköpfe sind unter Zuhilfenahme von zwei Hohl
räumen 2, 2a gebildet, und die Sendefläche und die Empfangs
fläche sind gegeneinander geneigt. Die Schrägstellung bewirkt
hier die Fokussierung. Als Ultraschall-Schwinger 18, 18a wer
den hier ebenfalls Piezo-Schwinger eingesetzt.
Fig. 3 und 4 zeigen einen Fokus-Prüfkopf. Dieser kann z. B.
linienfokusiert sein auf 3 mm Bündelbreite in 64 mm Prüf
tiefe. Diese Fokussierung wird durch die Kombination eines
gekrümmten Ultraschall-Schwingers 18, insbesondere eines Com
posite-Schwingers, mit einer halblinsenförmigen Abstrahlwand
4 aus hochtemperaturbeständigen Material, insbesondere aus
Polymid, erreicht. Auch hier sind wieder Schrauben 22 vorge
sehen.
Ein Composite-Schwinger ist ein solcher mit würfelweise vor
gesehenen Schlitzen, die verfüllt sind mit einer Harz-Klebe
verbindung. Ein solcher Composite-Schwinger kann kurze Im
pulse abgeben, die weitgehend von alleine gedämpft sind.
Aus Fig. 4 wird deutlich, daß das Prüfkopfgehäuse 9, 10, 12
aus VA-Stahl sowohl einen Sender 30 als auch einen Empfänger
32 beinhaltet. Beide sind gleichartig aufgebaut.
Claims (14)
1. Ultraschall-Prüfkopf zur Prüfung einer Schweißnaht im hei
ßen Zustand, mit
- a) einem teilweise von einer vorgegebenen Wand (4; 4a) be grenzten Hohlraum (2; 2a), wobei die Wand (4; 4a) eine dem Hohlraum (2; 2a) zugewandte vorgegebene Wandfläche (5; 5a) und eine andere der Schweißnaht zuwendbare Wandfläche be sitzt,
- b) einem in einem hochtemperaturfesten Gehäuse untergebrach ten Dämpfungskörper (14; 14a) im Hohlraum (2; 2a),
- c) einem hochtemperaturfesten Silikonöl (16; 16a) im Hohlraum (2; 2a),
- d) einem Ultraschall-Schwinger (18; 18a), der zwischen dem Dämpfungskörper (14; 14a) und der vorgegebenen Wandfläche (5; 5a) angeordnet und dort befestigt sowie über einen Film (26; 26a) aus Silikonöl (16; 16a) an der vorgegebenen Wandfläche (5; 5a) angekoppelt ist, und
- e) mindestens zwei Schrauben (22; 22a), die den Dämpfungskör per (14; 14a) unter Zwischenlage des Ultraschall-Schwin gers (18; 18a) und des Films (26; 26a) aus Silikonöl (16; 16a) an der vorgegebenen Wand (4; 4a) befestigen.
2. Ultraschall-Prüfkopf nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Hohl
raum (2; 2a) zumindest teilweise durch ein Prüfkopfgehäuse
(9, 10, 12) aus VA-Stahl gebildet ist.
3. Ultraschall-Prüfkopf nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Hohl
raum (2; 2a) zumindest teilweise durch zwei Seitenwände (6,
8; 6a, 8a) gebildet ist, die aus demselben Material wie die
vorgegebene Wand (4; 4a) bestehen und an dieser befestigt
sind.
4. Ultraschall-Prüfkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die vor
gegebene Wand (4; 4a) aus Polymid gebildet ist.
5. Ultraschall-Prüfkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die vor
gegebene Wand (4; 4a) keilförmig ausgebildet ist (Fig. 1 + 2).
6. Ultraschall-Prüfkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die vor
gegebene Wand (4) planlinsenförmig ausgebildet ist (Fig. 3).
7. Ultraschall-Prüfkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß das
hochtemperaturfeste Gehäuse aus Aluminium besteht.
8. Ultraschall-Prüfkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß der Ul
traschall-Schwinger (18) randseitig in einem Rahmen (20)
festgehalten ist.
9. Ultraschall-Prüfkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß der Ul
traschall-Schwinger (18; 18a) ein Composite-Schwinger ist.
10. Ultraschall-Prüfkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß er zur
Bestimmung von Querfehlern vorgesehen ist (Fig. 1).
11. Ultraschall-Prüfkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß er zur
Bestimmung von Längsfehlern vorgesehen ist (Fig. 2).
12. Ultraschall-Prüfkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß er als
Fokus-Prüfkopf ausgebildet ist (Fig. 3 + 4).
13. Ultraschall-Prüfkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß er als
Sender ausgebildet ist, und daß ein gleichartig aufgebauter
Empfänger unter Zuhilfenahme eines benachbarten Hohlraums
(2a) ausgebildet ist (Fig. 2).
14. Ultraschall-Prüfkopf nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, daß die Sen
defläche (5a) und die Empfangsfläche (5) gegeneinander ge
neigt sind (Fig. 2).
Priority Applications (2)
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Country Status (1)
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- 1996-09-30 DE DE1996140389 patent/DE19640389C2/de not_active Expired - Fee Related
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