DE2209906A1

DE2209906A1 - Pruefkopfanordnung zur zerstoerungsfreien werkstoffpruefung von rohren und stangen im ultraschallverfahren

Info

Publication number: DE2209906A1
Application number: DE19722209906
Authority: DE
Inventors: Werner Dr Phil Grabendoerfer
Original assignee: Krautkraemer GmbH
Current assignee: Krautkraemer GmbH
Priority date: 1972-03-02
Filing date: 1972-03-02
Publication date: 1973-09-06
Also published as: DE2209906B2; DE2209906C3; JPS4948389A; JPS5620497B2; GB1413755A

Description

Patentanwalt «_y. ^L££ ¹^We**, Dipl.-Phys.

5 Köln · Friesenstraße 84 · Telefon 21 41 95 (am Hohenzollernring)

15.2.1972 IG/st

Dr. J. u. H. Krautkrämer, Gesellschaft für Elektrophysik 5 Köln 41, Postfach 420250

5 Köln-Klettenberg, Luxemburger Strasse 449

Prüfkopfanordnung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung von Rohren und Stangen im Ultraschallverfahren.

Die Erfindung betrifft eine Prüfkopfanordnung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung von Rohren und Stangen im Ultraschallverfahren, wobei die in Tauchtechnik eingesetzten Prüfköpfe ' in einer Ebene zur Rohrachse angeordnet sind.

Bei der Ultraschallmaterialprüfung ist es bekannt, die Ultraschallwellen über eine Wasservorlaufstrecke so in das Rohr— oder Stangenmaterial einzuleiten, daß eine in der Rohrwandung zickzackförmig zwischen Außen- und Innenoberfläche hin- und herlaufende, in einer Ebene senkrecht zur Rohrachse umlaufende Transversalwelle entsteht bzw. daß in der Stange eine in Form eines einbeschriebenen Polygonzuges umlaufende Transversalwelle entsteht. Um Oberflächenfehler mit nach beiden möglichen Seiten gerichteten Neigungen zu erfassen, wird meist ein in und ein entgegen dem Uhrzeigersinn umlaufendes Schallbündel erzeugt. Ändert sich der Durchmesser des zu prüfenden Rohres bzw. der Stange, dann muß der Abstand oder die Winkelstellung der Prüfköpfe zum Prüfobjekt oder beides geändert werden, um beim neuen Durchmesser des Prüfobjektes gleiche Verhältnisse bez. Einstrahlwinkel vorliegen zu haben. Je nach Ausführungsform der Prüfmechanik bedeuteb dies oft eine komplizierte und ggfs. langwierige Justierarbeit, die zumeist mit den zugehörigen Testprüfobjekten vorgenommen werden muß,

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Ferner ist es bekannt, die in und entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn strahlenden Prüfkopfsysteme in verschiedenen, d.h. in Längsrichtung der Rohre bzw» Stangen hintereinander gelegenen Ebenen anzuordnen. Das bedeutet einen zusätzlichen Aufwand an Prüfköpfen und elektronischen Bausteinen, wenn das einwandfreie Funktionieren der zur Fehlerprüfung eingesetzten Prüfköpfe während des Prüfablaufs dauernd überprüft werden soll. Eine solche automatische Funktionsüberwachung ist jedoch für eine im kontinuierlichen Produktionsfluß arbeitende Prüfanlage zur Sicherung eines zuverlässigen Prüfresultates unbedingt erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Prüfkopfanordnung zu finden, welche bei Durchmesserwechsel von Rohren und Stangen einfach, schnell und leicht einstellbar und nachkontrollierbar ist, so daß wieder gleiche Einstrahlverhältnisse vorliegen, und daß ausserdem mit der gewählten Prüfkopfanordnung in einfacher Weise eine dauernd wirksame Funktionsüberwachung der Prüfköpfe möglich wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwei auch als Sender dienende Prüfköpfe bzw. ihre Schwinger zu einer starren Einheit verbunden sind, derart, daß die ausgesandten Schallbündel unter υ aber entgegengesetzt gerichteten Winkeln in nur einem Oberflächenpunkt des Prüflings auftreffen, die Winkelhalbierende zwischen den beiden Schallbündeln auf dieser Oberfläche und damit auf der Längsachse des Rohres oder der Stange senkrecht steht und die beiden starrjgekoppelten Prüfköpfe in oder an einer Halterung, einer Führung odgl. nur in Richtung der Winkelhalbierenden, unter Beibehaltung der Richtung und Lage derselben, verschiebbar angeordnet sind. Eine erfindungsgemäße Abwandlung dieser Anordnung sieht vor, daß anstelle von zwei einzelnen Prüfköpfen zwei Prüfkopfsysteme verwendet werden. In jedem System sind mehrere Prüfköpfe vorgesehen, die insbesondere hintereinander liegen und mit gleichen Einstrahlwinkeln hinsichtlich der Oberfläche des Prüflings einge setzt werden·

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Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein Verfahren zur Betriebsüberwachung der Funktionen in der Prüfkopfanordnung vorgesehen, wobei die Prüfköpfe in vorbestimmter Taktfolge, "z.B. neben der Prüfung bzw. den Prüf schritten mit im Uhrzeigersinn und entgegen dem Uhrzeigersinn verlaufenden Strahlbündeln ausserdem in einem oder mehreren Zusatztakten, zur Überwachung der eigenen Funktion einschließlich verwendeter Sender und Empfänger, angeregt werden. Dies ist eine vorteilhafte Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Prüfanordnung hinsichtlich einer einfachen und dauernd wirksamen Funktionsüberwachung zugehöriger Prüfköpfe.

Eine andere Weiterentwicklung der Erfindung besteht darin, daß zur Einstellung der richtigen Entfernung der Prüfkopfanordnung und des richtigen Einstrahlwinkels die auf dem Leuchtschirm des zugehörigen Ultraschallgerätes abgebildete vorbestimmte Laufzeit des an der Oberfläche des Prüflings von einem Prüfkopf zum gegenüberliegenden Prüfkopf gespiegelte Durchschallungs— anzeige als Einstellmarke benutzt wird. Hierdurch ist eine schnelle und einfache Nachjustierung gewährleistet, wenn die Prüfanlage von einem Prüfling grösseren Durchmessers auf einen solchen kleineren Durchmessers, oder umgekehrt, umgestellt werden muß.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine SiLmansicht eines Prüf kopf systems ,mit einem (teilweise dargestelltem) Rohr als Prüfling, z.B. zur Erzeugung von Transversalwellen unter k5 in einer Rohrwandung zur Längsfehlersuche·

Fig. 2 eine, der Fig. 1 entsprechend gleiche Darstellung, mit erregtem linken Prüfkopf, so daß die Schallstrahlrichtung im Rohr im Uhrzeigersinn verläuft.

Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung, jedoch mit erregtem rechten Prüfkopf, wobei der Schallstrahl entgegen Uhrzeigersinn verläuft. .

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Fig. 4 eine der Fig. 2 bzw. Fig. 3 ahnliche Darstellung, jedoch in der Kontrollstellung, mit Darstellung des am Oberflächenpunkt reflektierten Strahles.

Fig. 5, 6, 7, 8, schematisch, die Stirnansicht auf einen im Querschnitt runden Prüfling, um die Winkelbeziehungen zwischen den Schwingern, des ausgesandten bzw. reflektierten Strahlbündels bzw. Lage des Oberflächenpunktes zu erläutern.

Fig. 9, schematisiert, eine Ausführungsform für den

Einsatz von Prüfkopfsystemen, angeschlossen an den Ultraschallgenerator und gesteuert durch eine Schieberegisterschaltung.

Fig.10 - Fig. 13 das Schirmbild einer Braunschen Röhre

mit Darstellung der richtigen bzw. der fehlerhaften Durchschallungsanzeigen.

Gemäß Fig. 1 sind die Prüfköpfe 11 und 12 mit ihren zugehörigen Schwingern 11a, 12a zu einem starren Block 10 als Prüfkopfeinheit vereinigt. Die von den Schwingern ausgehenden Ultraschallbündel 13 bzw. 14, als gerade idealisiert dargestellt und sofern Prüfköpfe 11 und 12 als Sender ausgebildet bzw. geschaltet sind, treffen in dieser Fig« in dem gemeinsamen Oberflächenpunkt 15 des Rohres 16 auf und werden nach der bekannten Gesetzmäßigkeit vom Einfallslot weggebrochen und verlaufen dann zickzackförmig weiter. Gemäß Fig. 1 - Fig. 4 ist erkennbar, daß die notwendigen Bedingungen eines gleichen Eintrittspunktes und eines gleichen Auftr*.ff winkeis immer nur dann erfüllt sind, wenn die Winkelhalbierende 17 zwischen den beiden ausgesandten Schallbündeln 13» 14 senkrecht auf die Achse des Rohres 16 zeigt und daß die Materialoberfläche sich in einem bestimmten Abstand vöh den Prüfköpfen 11, 12 befinden muß, nämlioh im Konvergenzpunkt 15 der beiden Schallbündel. Der Vorgang des Einsteilens eines z.B. 45 Prüfkopfsystems auf eine neue Prüflingsabmessung an Stangen verschiedenen Durchmessers geht im einzelnen aus den Fig. 5-8 hervor. Bei einem großen Stangendurchmesser D₁, gemäß Fig. 5» wird die richtige Einstellung für °v = 45 nur bei einer vorbestimmten

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Entfernung S erreicht, also für S = S. Wenn gemäß Fig. 6 ein neuer, kleinerer Stangendurchmesser D~ zur Prüfung kommt, würde der richtige Eintrittspunkt vor der Oberfläche der Stange 16a an der Stelle 15a liegen, die Forderung des gleichen Auftreffwinkels wäre nicht erfüllt und es gilt: S> S_o, oO 45°.

Beim Versuch, einen gleichen Auftreffwinkel wie bei Fig. 5 zu erreichen, oder dann, wenn sich aus anderen Gründen die Entfernung zwischen den Schwingern 11a, 12a und einer Stange 16b geändert hat, liegt wiederum nicht der gleiche Auftreffwinkel vor, sondern der richtige Punkt 15a liegt zu tief, so daß hier gilt: S-CS _tot'<k5°.

Die richtige Einstellung jedoch mit der Bedingung S=S und o£ = Jj-5 ergibt sich anhand der Fig. 8, wobei die Schwinger 11a, 12a die richtige Entfernung von der Oberfläche des Prüflings haben, so daß die Schallstrahlbündel 13i 1^· wie bei Fig. 1 im gleichen Eintrittspunkt 15 zusammentreffen» Die Kontrolle über die richtige Lage gemäß Fig. 8, statt der Lage gemäß Fig. 6 bzw. 7» wird anhand der Figuren 10 - 13 erläutert.

Hier gibt die Ordinate der jeweiligen Fig. die Amplituden- bzw. Echoanzeige, die Abszisse die Laufzeit t an. Dem vorbestimmten Abstand der Materialoberfläche von den Prüfköpfen, dem Wert S , entspricht sinngemäß auf der Abszisse des Leuchtschirmbildes der Wert t · Deshalb ist in diesen Fig. der richtige Wert S=S oder der falsche Wert Sζ S direkt auf der Laufzeitachse dargestellt. Die den Fig. 5 bzw. 8 entsprechende Darstellung ist in Fig. 10 bzw. Fig. 13 angegeben, entsprechend zu Fig. 6 bzw, Fig. 7 in Fig. 11 bzw. Fig. Die Echoanzeige K auf Fig. 10 bzw. Fig. 13 entspricht dem Oberflächenpunkt 15 bzw. der richtigen Entfernung zwischen Schwingern 11a bzw, 12a und dem Oberflächenpunkt 15. Dagegen liegt die Echoanzeige K in Fig. 11 bzw. Fig. 12 zu weit bzw. zu kurz, verglichen mit der Marke 17» In. etwa ist die falsche Einstellung auch durch den niedrigeren Amplitudenwert K in Fig. 11, 12 ersichtlich, da eine stärkere Streuung des Schallbündels an der Oberfläche gegeben ist. ,-

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Die Funktionen der Prüfkopfeinheit gehen am besten aus den Fig, 2-4 hervor. ¥ird der eine Prüfkopf 11, der ein Senderund Empfängerprüfkopf ist, zur Schallabstrahlung angeregt, so entsteht im Prüfling 16 ein unter einem Winkel oC schräg eintretendes Schallbündel, das in diesem Falle im Uhrzeigersinn umläuft. Wird zu einem anderen Zeitpunkt der zweite Prüfkopf 12, vgl, Fig. 3> erregt, so erzeugt dieser im Prüfling 16 ein Schallbündel i4a, das ebenfalls unter einem Winkel oCeintritt, aber entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn umläuft. Die Kontrollfunktion ist einmal dann gegeben, Fig. 4, wenn Prüfkopf 11 als Sender erregt ist, Prüfkopf 12 lediglich als Empfänger arbeitet, oder man hat eine symmetrische Kontrolle in zwei Kontrolltakten: Prüfkopf 11 als Sender, Prüf -»kopf 12 als Empfänger und in einem nachfolgenden Takt Prüfkopf 12 als Sender und Prüfkopf 11 nunmehr als Empfänger E.

Anstelle von nur zwei Prüfköpfen in einer Ebene kann ein Prüfkopfsystem gemäß Fig, 9 mit z.B. getrennten Sender- und Empfängerprüfköpfen 20 - 23 Anwendung finden, die an die Schwinger 11a, 12a angeschlossen sind und andererseits mit dem Ultraschallgenerator 24 in Verbindung stehen. Die Steuerung des Impulstaktes an der Einspeisungsstelle 25 erfolgt durch einen Schieberegister 26 in Ringform, der die Takte z.B, als Folgen I, II, III, IV steuert. Entsprechend dieser Ziffern werden die Köpfe als eine Zweiergruppe erregt, d.h. sie senden bzw. empfangen, während die anderen Köpfe in ihrer Funktion unterdrückt sind. Die Arbeitsweise entspricht dem folgenden Prüf- und Kontrollschema:

Takt Art Prüfkopf 1 als Prüfkopf 2 als

S + E

I	prüfen	S + E
II	Kontrolle	S
III	prüfen	-
IV	Kontrolle	E

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Claims

15.2.1972 IG/st

Dr. J. u. H. Krautkrämer, Gesellschaft für Elektrophysik

Patentansprüche

(1.JPrüfkopfanordnung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung von Rohren und Stangen im Ultraschallverfahren, wobei die in Tauchtechnik eingesetzten Prüfköpfe in einer Ebene zur Rohrachse angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwei solche Prüfköpfe bzw. ihre Schwinger zu einer starren Einheit verbunden sind, derart, daß die ausgesandten Schallbündel (13» unter gleichen, aber entgegengesetzt gerichteten Winkeln in nur einem Oberflächenpunkt (15) des Prüflings (i6) auftreffen, die Winkelhalbierende (17) zwischen den beiden Schallbündeln (13, 14) auf dieser Oberfläche und damit auf der Längsachse des Rohres oder der Stange senkrecht steht und die beiden starr gekoppelten Prüfköpfe in oder an einer Halterung, einer Führung odgl. nur in Richtung der Winkelhalbierenden, unter Beibehaltung der" Richtung und Lage derselben, verschiebbar angeordnet sind.

2. Prüf kopfanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Prüfkopfsysteme mit jeweils mehreren, zur Längsachse

vorzugsweise des Prüflings hintereinanderliegenden Prüfköpfen mitv%leichen Einstrahlwinkeln Verwendung finden,

3· Verfahren zur Betriebsüberwachung der Funktionen in der Prüfkopfanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfköpfe in vorbestimmter Taktfolge, z.B, neben der Prüfung bzw. den Prüfschritten mit im Uhrzeigersinn und * entgegen dem Uhrzeigersinn verlaufenden Strahlbündeln ausserdem

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in einem oder mehreren Zusatztakten, zur Überwachung der eigenen Punktion einschließlich verwendeter Sender und
Empfänger, angeregt werden.

h» Verfahren zur Einstellung der richtigen Entfernung der Prüfkopfanordnung und des riohtigen Einstrahlwinkels nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf dem Leuchtschirm des zugehörigen Ultraschallgerätes abgebildete vorbestimmte Laufzeit (t ) des an der Oberfläche des Prüflings von einem Prüfkopf zum gegenüberliegenden Prüfkopf gespiegelte Durohschallungsanzeige (K) als Einstellmarke benutzt wird·

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