DE2216264A1

DE2216264A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Materialprüfung mittels Ultraschall

Info

Publication number: DE2216264A1
Application number: DE19722216264
Authority: DE
Inventors: Carl Lee Chattanooga; Ramey William Marvin Hixson; Tenn. Gillette (V.St.A.). GOIn 21-32
Original assignee: Combustion Engineering Inc
Current assignee: Combustion Engineering Inc
Priority date: 1971-04-19
Filing date: 1972-04-05
Publication date: 1972-11-02
Also published as: US3895685A; CA971664A; FR2136491A5; NL7205207A

Description

Beschreibung
zur.i Patentassuch

der Firma Combustion Engineering, Inc., Windsor, Conn. o6o95/

USA

betreffend:

"Verfahren und Vorrichtung zur Materialprüfung mittels Ultraschall"

Die Erfindung betrifft' ein Verfahren zur Ultraschallprüfung einer von der Oberfläche aus in die Tiefe eines Materials reichenden interessierenden Zone, insbesondere einer Schweißstelle, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Allgemein betrifft die Erfindung also die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung. Speziell handelt es sich um die Verwendung von Ultraschall zur zerstörungsfreien Pirüfung fester Materialien. Den engeren Gegenstand der Erfindung schließlich bilden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ultraschallprüfung interessierender Materialzonen, beispielsweise von Schweißstellen, in Materialisn mit großer Dicke, wobei Diskontinuitäten festgestellt werden sollen.

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ORIGINAL INSf£<ΪΤΗ)

Die Verwendung von Ultraschallenergie zur Prüfung von Materialien auf das Vorliegen von Fehlern in Form von Diskontinuitäten ist bekannt. Bei den bekannten Verfahren dieser Art findet üblicherweise ein Ultraschallumsetzer oder Ultraschallwandler, beispielsweise ein piezoelektrischer Kristall, Vervendung, um au^? die zu interessierende Zone Ultraschallenergie zu strahlen, wobei zum Nachweis und zur Analyse der durch eine Diskontinuität auf den einfallenden Ultraschallstrahl ausgeübten Effekte eine Vielzahl von Untersuchungstechniken Verwendung findet.

Die auf die zu prüfende Fläche gerichtete Ultraschallenergie kann entweder in Form einer kontinuierlichen VTelle in ültraschallfre^uenzbereich vorliegen, sie kann jedoch auch aus diskreten Impulsen bestehen. Allgemein Iä3t sich sagen, daß Prüfverfahren, bei denen eine kontinuierliche Ultraschallwelle ausgesandt wird, getrennte Sonden oder Umsetzer zum Senden und Empfangen verwenden, wobei üblicherweise das Vorliegen einer Diskontinuität durch eine Verminderung der durch den zum Empfang dienenden Umsetzer empfangenen Ultraschallenergie angezeigt wird. Systeme, bei denen gepulste Ultraschallenergie Verwendung findet, kennen in verschiedener '-feise betrieben werden, Das häufiaste Verfahren ist dabei cie Impulsechomethode. Bei der Prüfung mittels des Impulsechoverfahrens richtet der Umsetzer Ultraschallimpulse auf die interessierende Zone unci dient gleichzeitig als Eiripfilnaer für reflektierten Schall oder Ultraschallecho, welches von den Grenzflächen oess Materials und inneren Diskontinuitäten herrührt und auf den Umsetzer zurückreflektiert wird. Beim anderen Prüfverfahren, bei dem Tepulste Ultraschallenergie verwendet wird, wird im Sender/Eiapfänger-Betrieb gearbeitet. Beim Sender/Empfänger-Betrieb werden getrennte Umsetzer zum Senden und zum Empfangen verwendet. Die durch den Sender

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auf die interessierende Zone gerichtete, gepulste Ultraschalleneraie wird durch die Material-rrenzf lachen unä etwa vorhandene Diskontinuitäten zurückgesandt und durch den separaten Empfänger aufgefangen. Bei den verschiedenen Verfahren, bei denen gepulste Ultraschallenergie verwendet wird, v/erden die Laufzeit, der Refklektionsvinkel und/oder der Brechungswinkel der Impulse zur Anzeige des Vorliegens von Diskontinuitäten und zur Lokalisierung der Diskontinuitäten innerhalb des Materials verwendet.

Meistens finden bei der Ultraschallprüfung zwei Modes der Ultraschallwellenfortpflanzung, nämlich longitudinale und transversale Wellen, Verwendung. Wenn die Bewegung von Partikeln in einem Medium parallel zur Richtung der Wellenfortpflanzung induziert wird, werden Longitudinalwellen erzeugt, wo^ei die Wellenfronten als eine ultraschallschnelle Aufeinanderfolge von Kompressionen und Verdünnungen fortschreiten. Derartige Longitudinalwellen pflanzen sich in Flüssicrkeiten, festen Körpern oder Gasen mit einer Geschwindiakeit fort, die von den physiJaLisehen Eigenschaften des betreffenden laterials abhängt. Bei der Transversal- oder Scherwelle beweaen sich die Partikel im Medium im rechten Winkel zur Fortpflanzungsrichtung der Welle. Transversalwellen können sich in Flüssigkeiten oder Gasen nicht fortpflanzen, sondern lediglich in festen Körpern. Weiterhin haben Transversalwellen eine Geschwindiakeit, die etwa halb so groß ist wie diejenige von Longitudinalwellen derselben Freouenz iia selben „-ledium.

Die spezielle, bei eineir. bestimmten Beispiel verwendete Prüftechnik hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie beispielsweise von der Art und der Dicke des zu prüfenden .'Materials, cer Betriebsumaebung und den zu erwartenden Arten und Orientierungen von Diskontinuitäten in den zu untersuchenden Material. Für liaterialien mit beträchtlicher Dicke wurden das Hindurensenden Kontinuierlicher Wellen durc'i das Itaterial in seiner gesainten Dicke oder im Pulsechoverfahren angewandt, bei denen mit einer

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Longitudinalwelle gearbeitet wird, die norraal zur Oberfläche des zu prüfenden Materials gerichtet ist. Die Longitudinalwelle ist besonders geeignet, um auch dicke Materialquerschnitte zu durchdringen, da der Longitudinalwellenstrahl sich schärfer fokussieren läßt als ein Transversalwellenstrahl derselben Frequenz und durch kleine Einschlüsse im Material weniger gestreut wird. Ein derartiger, senkrecht auf die Oberfläche auftreffender Energiestrahl kann jedoch nur schwer Diskontinuitäten nachweisen, die parallel zum Strahl liegen. Zur überweincung dieses Problems, welches auf die spezielle Art der Orientierung der Diskontinuitäten zurückzuführen ist, sine bereits Ultraschallprüfsysteme entwickelt worden, bei denen Inpulsechoverfahrcn und Sender/Empfänger-Verfahren Verwendung finden und die rit Transversalwellen arbeiten, die sich in dem zu untersuchenden festen Material fortpflanzen. Diese Transversalwellen sind durch Brechung des einfallenden Strahles schrein zur indossierenden Zone gerichtet. Mittels dieses Verfahrens lassen sich Schadstellen, die in den untersuchten Material statistisch orientiert sind, besonders befriedigend nachweisen. Speziell hat dieses Verfahren bei der Prüfung von Rohrleitungen und bei anderen rohrförmigen Materialien Anwendung gefunden. Bei diesem Verfahren werden absichtlich nur Transvcrsalv/ellen verwendet, die sich in dem zu prüfenden Material fortpflanzen, un jede Störung zu vermeiden, die beim gleichzeitigen Auftreten von Transversalwellen und Longitudinalwellen auftreten könnte. Die Verwendung von schräg einfallenden Transversalwallen hat jedoch ihre Nachtelle, da e.in derartiges Prüfverfahren im wesentlichen auf Materialien mit relativ geringer Dicke begrenzt ist, beispielsweise mit einer Dicke von weniger als einigen Zentimetern (einigen inches).

Bei verschiedenen Anwendun^saebieten für Ultraschallprüfverf ahren_v ist die genaue Prüfunn· von Materialien erforderlich, deren Dicke 20 bis 30 cn (8 bis 12 inches) oder mehr beträgt.

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BAD OR)G₁NAL

Diese Notwendigkeit besteht beispielsweise bei der Prüfung von Schweißnähten in und zwischen Matten, Schmiedestücken und/oder anderen Erzeugnissen, wie sie beispielsweise in Druckkesseln mit großer Wandstärke verwendet werden. Die in derartigen Kesseln oder Gehäusen verwendeten Platten haben oft Dicken von 20 bis 30 cn (8 bis 12 inches) und erfordern Schweißnähte derselben Dicke. Die bekannten Impulsechoverfahren und Ultraschallprüfverfahren rait kontinuierlicher Welle, die durch die gesamte Dicke des Materials hindurachgeschickt wird, bei denen der Strahl normal einfällt, besitzen zwar die erforderliche Eindringtiefe, sind jedoch bei derartigen Materialien in keiner Weise zufriedenstellend. Dies beruht darauf, daß bei dieser Art des Schweißens sowohl zum Zeitpunkt der Herstellung der Schweißnaht, als auch bei der nachfolgenden Zug- oder Spannuncrsbeanspruchung häufig an der Trennfläche zwischen dem Basismaterial des betreffenden Abschnittes und der Schweißnaht Diskontinuitäten auftreten, welche normal zur Oberfläche des Abschnittes orientiert sind, also parallel zu einem Ultraschallstrahl, der senkrecht auf die Oberfläche auftritt.

Die verschiedenen Systeme, bei denen schräg einfallende, gepulste Transversalwellen zur Prüfung von Schweißnähten verwendet v/erden, werden im allgemeinen durch die Orientierung der Diskontinuitäten, die üblicherweise in Schweißnähten auftreten, nicht nachteilig beeinflußt. Diese Prüfverfahren sind zur Prüfung von Materialien mit Querschnittsdicken von weniger als einigen Zentimetern (einigen inches) gut geeignet. Der aus transversalen Ultraschallwellen aufgebaute Strahl wird jedoch nach einer kurzen Strecke rapide abgeschwächt und muß in manchen Fällen Strecken zurücklegen, die die mehrfache Dicke das eine Schweißstelle aufweisenden, zu prüfenden Materials betragen, ehe er empfangen werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, welche sich zur Ultraschallprüfung einer interessierenden Zone, beispielsweise einer Schweißnaht, in Materialien mit großer Dicke eignet.

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BAD

Erfindungsaemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, welches gekennzeichnet ist durch die Schritte:

a) Erzeugen eines vorzugsweise gepulsten Ultraschallenergiestrahles ,

b) Ausrichten des Strahles auf einer: Oberflächenbereich des Materials unter einera schrägen Einfallswinkel, so daß sich in dem Material ein gebrochener Ultraschallenergiestrahl in Lon-fituclinalwcllenmoce fortpflanzt, der einen "eil der interessierenden Zone unter einen zur Normalen auf die Oberfläche schrägen ','inkel schneidet und den geschnittenen Teil der interessierenden Zone durchsetzt, wobei diese Ultraschallenergie zurückgesandt wird, wenn sie eine Diskontinuität in geschnittenen Teil der interessierenden Zone trifft, und

c) Nachweis der von der interessierenden Zone zurückgesandten, von dem Material in wesentlichen normal zur Oberfläche und innerhalb eines den durch den Longitudinalwellenstrahl geschnittenen Teil der interessierenden Zone überdeckenden Flächenbereichs ausgehenden Ultraschallenergie, welche das Vorliegen einer Diskontinuität in dem durch den Longitudinalwellenstrahl geschnittenen Teil der interessierenden Zone anzeigt.

Eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist gekennzeichnet durch:

a) Eine Umsetzeinrichtung zum Aussenden eines Ultraschallenergiestrahles, welcher so angaadnet und orientiert ist, daß der Strahl auf einen Oberflächenbereich des Materials unter einem schrägen Einfallswinkel auftrifft, so daß sich in dein Material ein gebrochener Ultraschallenergiestrahl im Longitudinalwellenmode fortpflanzt, der

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einen Teil der interessierenden Zone unter einem zur tforraalen auf die Oberfläche schrägen -Tinkel schneidet und den geschnittenen Teil der interessierenden Zone durchsetzt, v;obei diese Ultraschallenergie zurückgesandt wird, wenn sie eine Diskontinuität im geschnittenen Teil der interessierenden Zone trifft,

b) Eine mit aer ünsetzeinrichtunq -(Söf gekoppelte Einrichtung, welche die als Sender dienende Umsetzeinrichtung zum Aussenden des Ultraschallstrahles stimuliert,

c) Eine über der interessierenden, durch den gebrochenen Strahl geschnittene Zone angeordnete Umsetzeinrichtung zum Empfanaen der von der Zone im wesentlichen normal zur Materialoberfläche ausgehenden Ultraschallenergie, wobei die als Empfänger dienende Umsetzeinrichtunq ein von der empfangenen Ultraschallenergie abhängiges Ausqangssignal liefert, und

d) Eine mit der als Empfänger dienenden Umsetzeinrichtung gekoppelte Ableseeinrichtung, welche auf das Ausgangssignal anspricht und das Vorliegen einer Diskontinuität in der interessierenden Zone anzeigt.

Bei der Erfindung findet also eine Sender/Empfänger-Prüftachnik mit mehreren Umsetzern Verwendung. Zwar kann in bestimmten Fällen ein kontinuierlicher Ultraschallwellenstrahl verwendet werden, jedoch wird gehülste Ultraschallenergie bevorzugt, da sie sich zur Erzeuaunq eines Zeitbezuges oder einer Zeitreferenz eignet. Ein Stfhl gepulster Ultraschallenergie wird schräg auf die Oberfläche des Materials gerichtet. Beim Eintränken in das Material wird die Ultraschallenergie unter einem anderen 'Kinkel gebrochen. Dieser Brechungswinkel wird so eingestellt, daß ein Longitudinalwellenmode der Strahlfortpflanzung innerhalb des Materials in der qewünschten Richtuna erhalten wird. ^Ttfenn der

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gebrochene Längswellenstrahl auf eine Diskontinuität trifft, wird seine Energie auf verschiedene Weise zurückgesandt. Ein Teil der Energie wird reflektiert, ein Teil wird in Transversalwellen umgewandelt und ein weiterer Teil schließlich wird durch die Diskontinuität in alle Richtungen abgestrahlt. Ein als Empfänger dienender Umsetzer wird über der Oberfläche des Materials oder der Schweißnaht senkrecht zu dieser angeordnet und dient zum Empfang der auf ihn zurückgesandten Energie. Wenn die interessierende Zone eine Schweißnaht ist, wird der als Empfänger dienende Umsetzer oberhalb der Oberfläche an der Schweißnaht so angeordnet, daß er diejenige zurückgesandte Ultraschallenergie empfängt, die von der Oberfläche an der Schweißnaht im wesentlichen senkrecht zu dieser ausgeht. Geeignet gestaltete und geeichte elektronische Empfangseinrich- · tungen stellen die zurückgesandte, durch den als Empfänger dienenden Umsetzer empfangene Energie als Anzeige für das Vorliegen einer Diskontinuität dar und/oder speichern sie. Die Laufzeit für die Energie von einer bestimmten Stelle bis zur Diskontinuität und von der Diskontinuität bis an eine andere bestimmte Stelle dient zur Lokalisierung der Diskontinuität.

Es hat sich herausgestellt, daß derartige, unter einem Winkel verlaufende Longitudinalwellen bedeutend mehr akustische Energie über eine große Strecke transportieren als dies bei Transversalwellen der Fall ist. Da der Longitudinalwellenstrahl innerhalb des Materials auf die interessierende Zone, d.h. die Schweißnaht, unter einem Winkel auftrifft, der schräg sowohl · zur Oberfläche des Materials als auch zu der durch das Material hindurchgehenden Richtung der interessierenden Zone liegt, werden Diskontinuitäten im wesentlichen jeder Orientierung, die in einer Schweißstelle vermutlich auftreten könnte, durch den Strahl getroffen. Da der Durchmesser des Strahles üblicherweise

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kleiner ist als die Dicke oder Tiefe einer Schweißnaht, kann es erforderlich sein, die gebrochene Longitudinalwelle entlang dieser Dimension der Schweißstelle zum Abtasten zu "scannen". Dies kann auf verschiedene Arten erfolgen.

Ein bevorzugtes Verfahren zum Abtasten der gesamten Dicke der Schweißstelle besteht darin, die ausgesandte Longitudinalwelle unter einem bestimmten Einfallswinkel und dementsprechend unter einem konstanten Brechungswinkel zu halten, wobei der Sender auf die Schweißnaht zu und von der Schweißnaht weg hin- und herbewegt wird. Die Bewegung des Senders erfolgt dabei entlang einer Bahn, die parallel zur Oberfläche des Materials, welches die Schweißnaht aufreißt, liegt. Bei einer Modifikation dieser Technik findet eine Vielzahl von Ultraschallsendern Verwendung, die entlang der Linie der Hin- und Herbewegung angeordnet sind, wobei die Sender -nacheinander zur Erzielung der Äbtastwirkung gepulst werden. Bei einer anderen Äbtasttechnik wird der ültraschallsender lediglich winkelmäßig bewegt,, am den Einfallswinkel und den Brechungswinkel der Longitucllaalwelle zu variieren _# wodurch ebenfalls eine Abtastung der Gesamtdicke der Schweißstelle erzielt wird.

Das bevorzugte Verfahren zum Abtasten der Schweißstelle läßt sich verbessern, wenn zwei Ultraschallsender anstelle eines einzigen verwendet werden, wobei beide Ultraschallsender auf parallel zur Oberfläche des Materials liegenden Bahnen bewegt werden. Dabei arbeitet einer der Sender auf einer Seite des als Empfänger dienenden Umsetzers und der Schweißnaht, während der andere Sender auf der anderen Seite angeordnet ist«, Durch diese Anordnung wird die Schweißnaht gleichzeitig von zwei Seiten aus abgetastet, wie es für derartige Prüfungen allgemein erwünscht ist. Außerdem läßt sich durch diese Doppel-Senderanordmsng ©in© Diskontinuität in der Schweißnaht in Richtung, der Breit© gensa "okalisieren.

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Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird das Basismaterial nahe der Schweißnaht vor der Prüfung der Schweißnaht selbst einer vorläufigen Prüfung unterzogen. Durch eine derartige Prüfung lassen sich irgendwelche Diskontinuitäten im Basismaterial feststellen, die mit dem schräg verlaufenden Longitudinalwellenstrahl interferieren könnten, ehe dieser mit der untersuchten Schweißnaht in Kontakt kommt. Diese vorläufige Untersuchung ist lediglich bei der ersten Untersuchung der Schweißstelle erforderlich und braucht im allgemeinen nach dieser Untersuchung nicht mehr durchgeführt zu werden. Eine derartige vorläufige Prüfung erfolgt durch ein Impulsechoverfahren mit normal verlaufendem Strahl, bei dem derselbe Umsetzer sowohl zum Senden als auch zum Empfangen verwendet wird.

Wenn die Erfindung wahrscheinlich auch bei der Prüfung von Schweißnähten am häufigsten verwendet werden wird, so ist doch zu beachten, daß die Anwendbarkeit der Erfindung auch die Prüfung verschiedener Formen von Schweißungen und auch von interessierenden Zonen innerhalb von Materialien großer Dicke umfaßt, welche nicht Schweißstellen sind, sondern statt dessen Teile des Materials selbst.

Bei der Erfindung wird ein als Empfänger dienender Ultraschallumsetzer oberhalb der interessierenden Zone, beispielsweise einer Schweißstelle, welche sich in ein dickes Material hinein- oder durch dieses hindurcherstreckt, angeordnet und senkrecht zu dieser orientiert. Im Material pflanzt sich ein Ultraschallenergiestrahl im Longitudinalwellenmode fort und ist so gerichtet, daß er die interessierende Zone innerhalb des Blickfeldes des als Empfänger dienenden Umsetzers schneidet, und zwar unter einem geneigten Winkel zu der in Richtung der Dicke des Materials weisenden Dimension der interessierenden Zone. Diese Verwendung eines "geneigten" oder schrägen Ultraschallwelle_nstrahles erlaubt eine genauere und sicherere Anzeige der Existenz im wesentlichen aller Diskontinuitäten in einem Material mit großer Dicke, als es bisher möglich war. Zum Abtasten der interessierenden Zone mittels des Ultrasch.illstrahles sind sowohl mechanische als auch elektronische Einrichtungen vorgesehen.

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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen im einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt:

fig. 1 ein Materialstück mit Schweißstelle im Gesamtquerschnitt , wobei eine Grundform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Schweißnahttiberprüfung dargestellt ist,

Fig. 2 einen Gesamtschnitt durch das Material und die Schweißstelle von der Seite, wobei, eine bevorzugte Ausführungsform der Prüfvorrichtung dargestellt ist,

Fig. 3 das Materialstück und die Schweißstelle in der Draufsicht, wobei eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung gezeigt ist,

Fig. 4 einen Gesamtquerschnitt ähnlich wie in Fig. 2, wobei auf dem die Schweißstelle aufweisenden Material eine Oberflächenschicht aus einem Ausschweißungsüberzug angeordnet ist,

Fig. 5 in schematischer, vereinfachter Blockdarstellung die elektronische Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Ultraschall-Impulsen und zur Verarbeitung und Aufzeichnung der empfangenen Ultraschallsignale, und

Fig. 6 einen Gesamtquerschnitt ähnlich wie in Fig. 2, wobei ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung gezeigt ist, bei dem die Schweißstelle elektronisch abgetastet ("gescanned") wird.

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In den einzelnen Figuren sind für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen verwendet. Fig. 1 zeigt eine Grundform der Erfindung. Ein Materialabschnitt 8, wie er in Druckkesseln verwendet wird, besteht aus Stahlplatten 10, 12 großer Dicke, die durch das gesamte Material hindurch durch eine Stumpfschweißnaht 14 miteinander verbunden sind. Fig. 1 zeigt einen Gesaratquerschnitt durch den Materialabschnitt 8 und die Schweißnaht Der Materiälabschnitt 8 hat eine Dicke T, welche gleich der Dicke der Platten 10 und 12 ist. Die Tiefe der Schweißnaht 14 erstreckt sich bei diesem Beispiel über die gesamte Dicke des Materialabschnittes 8 von einer Oberfläche 15 desselben bis zu einer Fläche 17. Die Dicke T des Materialabschnittes 8 kann von einigen Zentimetern (inches) bis zu mehr als 30,5 cm (12 inches) reichen, je nach der vorgesehenen Beanspruchung. Die Breite W der Schweißnaht 14 schwankt mit der Dicke des Materialabschnittes, wobei die Breite typischerweise etwas größer als 2,54 cm (1 inch) für eine Abschnittsdicke von etwa 25,4 cm (Io inches) ist. Die Schweißnaht 14 ist üblicherweise eine langgestreckte Schweißnaht mit einer Länge L, gemessen in Richtung normal zur Ebene von Fig. 1. Die Schweißnaht 14 kann auf verschiedene Arten hergestellt werden, beispielsweise durch Bogenschweißung mit mehreren Durchgängen, wobei das aufgebrachte Schmelzmetall mit den Platten 10 und 12 verschmolzen wird.

Zur Vereinfachung der Darstellung ist der Materialabschnitt 8, der die Schweißnaht 14,, welche geprüft werden soll, enthält, in der Zeichnung in ein akustisches Kopplungsmedium, beispielsweise Wasser, 16, welches sich in einem Tank 18 befindet, eingetaucht. Wenn die Prüfung einen Teil des Herstellungsverfahrens umfassen soll oder zum Inspektions- oder Prüfprogramm für einen im Betrieb befindlichen Druckkessel gehört, bilden die Stahlplatten den Teil eines zylindrischen Druckkessels, wobei die Schweißnähte sich axial und in ümfangsrichtung zum Kessel erstrecken. Das den Kessel füllende Wasser gewährleistet in diesem TaXl die erforderliche akustische Kopplung, wobei die UltraschaXXprüfung vorzugsweise vom Kesselinneren aus ausgeführt wird.

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Eine Ultraschall-Impulsquelle, nämlich ein als Sender dienender Umsetzer 20, richtet einen Strahl 22 von Ultraschallimpulsen auf die Oberfläche 15 des Materialabschnittes 8 in Richtung der Schweißnaht 14. Der Umsetzer 20 kann zwar mit der Platte 10 in direktem Kontakt stehen oder mit dieser Platte durch ein festes Medium, beispielsweise Perspex, akustisch gekoppelt sein, jedoch erhält man eine flexiblere Anordnung, wenn der Umsetzer 20 von dem untersuchten'Prüfkörper in einer kleinen Distanz angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist es erforderlich, daß die Ultraschallenergie, welche zum Abtasten der interessierenden Zone ("Scannen") verwendet wird, im Longitudinalwellenmode vorliegt. Es hat sich gezeigt, daß die Verwendung von unter einem Winkel einfallenden Longitudinalwellen zum Abtasten der Schweißstelle dazu führt, daß erheblich höhere Intensitäten von Ultraschallenergie durch Diskontinuitäten zurückgeworfen werden und zum Nachweis duch einen als Empfänger dienenden Umsetzer zur Verfügung stehen, als dies der Fall ist, wenn die Ultraschallenergie im Transversalwellenmode verwendet wird. Da Flüssigkeiten keine Transversalwellen übertragen, besteht der Strahl 22 aus Longitudinalwellen. Wenn ein Strahl von Ultraschallwellen schräg auf eine Oberfläche oder auf eine Trennfläche zwischen zwei Medien einfällt, wird ein gewisser Teil der Energie reflektiert, während der übrige Teil in das zweite Medium übertragen und um einen Winkel gebrochen wird, der durch die Schallgeschwindigkeit in den betreffenden Medien festgelegt ist. Auch kann, infolge des als Modekonversion bekannten Phänomens der einfallende Ultraschallstrahl in einen anderen Schwingungsmode oder In einen anderen Wellenfortpflanzungsmode umgewandelt werden, wenn eine Reflexion durch das zweite Medium oder eine Übertragung in das zweite Medium auftritt. Dementsprechend wi£d ein Teil der Energie dee Strahles 22 von der Oberfläche 15 de$ Materialabschnittes 8 reflektiert, während der übrige Teil in die Platte 10 eintritt und sowohl gebrochen wird als auch einer Modekonversion unterliegt. Der Einfallswinkel des Strahles 22

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bezüglich des Materialabschnittes 8 wird gegenüber der Normalen ' gemessen und wird als «C- bezeichnet. Wird der Schall 22 durch als Kopplungsmediura dienendes Wasser übertragen und geht dann in ein Stahlmedium hinein, so beträgt der Brechungswinkel einer

Longitudinalwelle 24 in Stahl o£ _T. Der Winkel der durch Modell

konversion erzeugten Transversalwelle 26 beträgt«£_,. Nach dem Snellius'sehen Gesetz lassen sich*C_L und d, _T nach den Gleichungen:

C
sin ·£ _L = c~

sin X _T = ^ sin.

bestimmen, wobei C. die Geschwindigkeit der einfallenden Schallwelle im ersten Medium und C₂ die Geschwindigkeit der betreffenden Schallwelle, also der Longitudinal- oder Transversalwelle, im zweiten Medium bedeutet.

Allgemein ist die Geschwindigkeit einer Transversalwelle in einem bestimmten Medium etwa halb so groß wie die einer Longitudinalwelle in demselben Medium. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt die Geschwindigkeit des Longitudinal- , wellenstrahles 22 in Wasser etwa 1,53 χ 10 cm/sec (0,6 χ 10 in./ sec), die Geschwindigkeit der Longitudinalwelle 24 in Stahl etwa 6,13.x 10 cm/sec (2,41 χ 10 in./see.) und die Geschwindigkeit der Transversalwelle 25 in Stahl etwa 3,28 χ 10 cra/sec (1,29 χ 10 in./see.). Es ist zu beachten, daß die Longitudinalwelle 24 in der Stahlplatte nicht mehr auftritt, wenn der Einfallswinkel dm * einen bestimmten Wert, in diesem Fall 14,5°, überschreitet. Es ist daher erforderlich, daß *£ _ί bei der Wasserstahl-Kombination kleiner als 14,5° gehalten wird. Der kritische Winkel, unter dem die gebrochene Longitudinalwelle 24 verschwindet, hängt von der Art der verwendeten Medien ab.

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Die für die Zuverlässigkeit und Integrität einer Schweißstelle 14 schädlichsten Diskontinuitäten sind im allgemeinen diejenigen, die normal zur Oberfläche orientiert sind. Es ist daher wünschenswert, daß der Longitudinalwellenstrahl 24 auf . die interessierende Zone, nämlich die Schweißstelle 14, schräg auftrifft. Hierdurch wird sichergestellt, daß sowohl normal als auch parallel zu den Oberflächen der Platten und zur Schweißnaht orientierte Diskontinuitäten durch den Strahl 24 getroffen werden. Ein Winkel «£ _ des gebrochenen Strahles von etwa 45° führt dazu, daß der Strahl 24 die Schweißnaht 14 unter einem Winkel von etwa 45 zu einer Linie trifft, welche sich durch die Schweißnaht und normal zur Fläche 15 erstreckt. Dies würde sich geringfügig ändern, wenn die Fläche 15 des Materialabschnittes 8 nicht eben ist, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, sondern gekrümmt, wie es der Fall sein kann, wenn sie Teil der Wandung eines zylindrischen Kessels ist. Wenn das Kopplungsmedium zwischen dem Umsetzer 20 und der Stahlplatte 10 aus Wasser besteht, liegt *C' typischerweise zwischen 40° und 50 , wobeioC j zwischen 9° und 11° liegt. Wenn das Kopplungsmedium Kunststoff ist, beispielsweise Lucite, liegt *^_L zwischen 40° und 50° für ·£ . zwischen 18° und 21°.

Die Querschnittsfläche des Strahles 24 an der Schweißnaht 14 wird normalerweise so bemessen sein, daß lediglich ein kleiner Teil der Schweißnaht vom Strahl durchsetzt wird. Dementsprechend werden lediglich die Diskontinuitäten, die durch den Strahl durchsetzt werden, zur Rücksendung von Ultraschallenergie aus dem Strahl zu einem Empfänger führen. Um die gesamte Tiefe oder den gesamten Querschnitt T der Schweißnaht 14 zu prüfen, ist es erforderlich, daß die Schweißnaht in ihrer Gesamtabmessung durch den Strahl 24 abgetastet wird. Dieses Abtasten kann einmal dadurch bewerkstelligt werden, daß der Einfallswinkel ·& ^ und dementsprechend der Winkel^ _L der Longitudinalwelle 24 variiert werden.

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Vorzugsweise wird das Abtasten jedoch dadurch bewerkstelligt, daß *C . und *C _L konstant gehalten und der Einfallspunkt oder die Einfallsstelle des Strahles 22 an der Materialfläche 15 in einer normal zur Schweißnaht 14 liegenden Ebene auf die Schweißnaht zu und von der Schweißnaht weg bewegt werden, wie es durch Teile 28 angedeutet ist. Diese Bewegung des Strahles 22 auf die Schweißnaht zu und von der Schweißnaht weg über die Oberfläche der Platte 10 kann dadurch erfolgen, daß der Umsetzer 20, wie es in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist, bewegt wird. Die Bewegung kann aber auch dadurch bewerkstelligt werden, daß eine Vielzahl von als Sender dienenden Umsetzern in Tandemanordnung, senkrecht zur Länge L der Schweißnaht aufgereiht, verwendet werden, welche dann nacheinander gepulst werden, wie es in Fig. gezeigt ist.

Ein als Empfänger dienender Umsetzer 30 ist so angeordnet, daß er die zurückgeworfene Ultraschallenergie empfängt, welche auftritt, wenn der Longitudinalwellenstrahl 24 eine Diskontinuität 32 trifft. Der als Empfänger dienende Umsetzer 30 befindet sich in der Ebene des als Sender dienenden Umsetzers 20 und des Strahles 22. Der Umsetzer 30 ist so orientiert, daß er diejenigen durch eine Diskontinuität 32 zurückgesandten Ultraschallwellen 34 aufnimmt, welche von der Schweißnaht 14 an der Oberfläche 15 im wesentlichen normal zu dieser ausgehen. Eine Schallabschirmung oder ein Strahlkollimator 36 ist von Vorteil, wenn zwischen dem als Empfänger dieenenden Umsetzer 30 und der Fläche 15 an der Schweißnaht 14 ein merklicher Abstand besteht. Ein derartiger . Kollimator ist typischerweise zylindrisch ausgebildet und besteht aus einem schallabsorbierenden Material, beispielsweise Gummi. Der Kollimator 36 ermöglicht es, daß der als Empfänger dienende Umsetzer 30 lediglich die durch die Diskontinuitäten 32 zurück- ' gesandte Ultraschallenergie 34 aufnimmt, wobei jeder merkliche Beitrag von Ultraschallenergie ausgeschlossen wird, die daher ruht, daß der, Strahl 22 von der Fläche 15 des Materialabschnitts reflektiert wird. Die Reflexion des Strahles 22 ist zwar im

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allgemeinen kein Problem, kann jedoch Schwierigkeiten bereiten, wenn der als Sender dienende Umsetzer 20 sehr nahe am als
'Empfänger dienenden Umsetzer 30 angeordnet ist und zwischen dem Umsetzer 30 und der Schweißnaht 14 ein merklicher Abstand besteht. Der Kollimator 36 erstreckt sich vom als Empfänger dienenen Umsetzer 30 bis dicht an die Oberfläche der Schweißnaht 14 heran, wobei lediglich soviel Zwischenraum frei bleibt, daß die Prüfvorrichtung sich entlang der Länge der Schweißnaht frei bewegen kann. Elektrische Leitungen 38 und 40 sind mit entsprechenden
elektronischen Vorrichtungen zum Pulsen und Empfangen vorgesehen, welche weiter unten noch im einzelnen erläutert werden.

In Fig. 2 und 3 sind ein Gesamtquerschnitt bzw. eine Draufsicht auf das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Ultraschallprüfung der Schweißnaht 14 in den
Platten 10 und 12 des Materialabschnittes 8 erfolgt duch eine
Suchanordnung 42, die aus einem Stützarm 44 besteht, an der eine Führungsanordnung 46 für den Umsetzer -befestigt ist. Zwei
parallele Umsetzerführungsarme 47, die quer verlaufen, sind durch die Führungsanordnung 46 abgestützt. Der als Empfänger dienende Umsetzer 30 ist fest in der Mitte der Umsetzerführungsarme 47
angebracht. Zwei Umsetzerlager 48 und 50 sind aß den Führungsarmen 47 gleitbeweglich abgestützt. Dabei befindet sich das Umsetzerlager 48 auf der einen Seite des Umsetzers 30 und das Umsetzerlager 50 auf der anderen Seite des Umsetzers 30. Die
Führungsanordnung 46 kann beispielsweise einen "Delta Technique Search Unit Manipulator" der Firma Automation Industries Inc.
verwenden. Ein Antriebskabel 52 verbindet die Umsetzerlager 48
und 50 mit einer Betätigungseinrichtung 54. Die Betätigungseinrichtung 54 treibt das Kabel 52 so an, daß die Umsetzerlager 48 und 50 zwischen den in Fig. 2 in ausgezogenen und in gestrichelten Linien gezeigten Stellungen eine Schwing- oder Schüttelbewegung ausführen. Die Betätigungseinrichtung 54 wird vorzugsweise, zur Verwendung im eingetauchten Zustand, pneumatisch betätigt. Die

Pfeile 28 von Fig. 2 entsprechen den mit dem gleichen Bezugs- ' zeictfh versehenen Pfeilen von Fig. 1 und zeigen die Richtung der Hin- und Herbewegung der Umsetzerlager 48 und 50 an. Ein als Sender dienender Umsetzer 20 wird durch jedes der Umsetzerlager 48 und 50 getragen. Die Umsetzerlager 48 und 50 weisen Einrichtungen zur kontrollierten Einstellung des Winkels, unter dem die Umsetzer 20 befestigt werden, auf. Eine Skalenscheibe 56 an jedem der Umsetzerlager zeigt den Winkel an, unter dem die Umsetzer 20 angeordnet sind. Zur Prüfer der Schweißnaht 14 in den Platten 10 und 12 - das Wasser 16 gewährleistet dabei die akustische Kopplung - werden die beiden Umsetzer 20 unter einem Winkel von etwa 10° bezüglich einer Normalen zur Oberfläche 15 auf die Schweißnaht 14 gerichtet. Diese Anordnung führt dazu, daß ein gebrochener Longitudinalwellenstrahl 24 die Schweißnaht 14 schräg unter einem Winkel von etwa 45° zur Oberflächennormalen schneidet und durch die Oberfläche hindurchtritt. Die Hin- und Herbewegung der Umsetzer 20 erfolgt über einen Weg, der sich von der unmittelbaren Nachbarschaft des Umsetzers 30 bis an eine äußere Begrenzung erstreckt, welche es erlaubt, daß der gebrochene Longitudinalwellenstrahl vom Umsetzer aus den Boden der Schweißnaht erreicht. Wenn der Longitudinalwellenstrahl 24 die Schweißnaht unter einem Winkel von 45° schneidet, so ist die Amplitude der Hin- und Herbewegung der Umsetzer 20, wie zu beachten ist, im wesentlichen gleich der Dicke T des untersuchten Materialabschnittes, wenn die Tiefe der Schweißnaht 14 T beträgt. Wenn die Schwinjingsamplitude der Umsetzer 20 aus geometrischen Gründen kleiner als T sein muß, ist es natürlich möglich, den Winkel, unter dem die Umsetzer angeordnet sind, zu verkleinern, wodurch entsprechend der Winkel des Longitudinalwellenstrahles 24 verringert wird. Die Schwingungsbewegung der Umsetzer 20, die durch die Pfeile 28 angedeutet ist, resultiert, wie bereits früher bemerkt wurde, in einem die gesamte Dicke der Schweißnaht 14 erfassenden Abtasten, wie es durch Pfeile 58 angezeigt ist. Die Verwendung eines als Sender dienenden

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Umsetzers 20 auf jeder Seite der Schweißnaht 14 ermöglicht die Bestimmung einer Diskontinuität 32 mit größerer Sicherheit, wobei die Diskontinuität sich auch über die Breite der Schweißnaht gesehen besser und zuverlässiger lokalisieren läßt.

Nie Fig. 3 zeigt, in der die Schweißnaht 14 mit einer Länge L dargestellt ist, ist es zur Prüfung der gesamten Länge der Schweißnaht erforderlich, daß der Longitudinalwellenstrahl 24 nicht nur die gesamte Dicke T, sondern auch die gesamte Länge L abtastet. Zum Abtasten der Länge der Schweißnaht 14 wird die Suchanordnung 42 in einer parallel zur Oberfläche 15 des Abschnittes 8 liegenden Ebene in Richtung des Pfeiles 60 vorgeschoben. Die Suchanordnung kann entweder kontinuierlich oder in einzelnen Schritten vorgeschoben werden, wobei im Falle kontinuierlichen Vorschubes die Vorschubrate und im Falle diskontinuierlichen Vorschubes die einzelnen Schrittweiten klein genug gewählt werden müssen, um zu gewährleisten, daß die Schweißnaht durch den Strahl 24 vollständig erfaßt wird. Der Stützarm 44 der Suchanordnung 42 kann durch nicht gezeigte Mechanismen abgestützt und angetrieben werden.

Eine vorläufige Prüfung des Basismaterials , nämlich der Platten 10 und 12, kann durch eine Impulsechoprüfung mit Longitudinalwellen normal zur Oberfläche 15 des Basismetalles ausgeführt werden. Diese Prüfung erfolgt durch ein Paar von Ultraschallumsetzern 62. Jeder der Umsetzer 62 ist normal zur Oberfläche des Basismaterials orientiert und sendet und empfängt Longitudinalwellenimpulse in bekannter Art. Die Umsetzer 62 werden durch die Umsetzerlager 48 und 50 getragen und sind einige Zentimeter (einige inches) vor den Umsetzern 20, im Verhältnis zur Vorschubrichtung 60 der Suchanordnung 42, angeordnet. Diese Anordnung der Sender/ Empfänger-Umsetzer 62 vor den Prüfumsetzern 20 und 30 für die Schweißnaht ermöglicht eine Prüfung des Basismetalls, durch welches

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der gebrochene Longitudinalwellenstrahl 24 anschließend bei der Untersuchung der Schweißnaht 14 hindurchgehen muß. Die Wahrscheinlichkeit, daß irgendwelche Defekte oder Diskontinuitäten im Basismaterial normal zur Fläche 15 orientiert sind, ist gering, so daß ein normaler Longitudinalwellenstrahl verwendet werden kann. Die vorläufige Prüfung braucht nur einmal vorgenommen zu werden, wobei irgendwelche im Basismaterial vorliegenden Defekte aufgezeichnet werden können, wenn nicht zu erwarten ist, daß die nachfolgende Beanspruchung des Abschnittes 8 weitere Defekte erzeugt.

Der Kristall des als Empfänger dienenden Umsetzers 30 sollte wenigstens so breit sein wie die Schweißnaht 14, um alle Diskontinuitäten in der Schweißnaht bei einem einzigen Durchgang in ihrer Längsrichtung zu erfassen. Der Kristall jedes der als Senτ der dienenden Umsetzer 20 ist vorzugsweise etwas breiter, und zwar aus verschiedenen Gründen. Ultraschallstrahlen mit großem Durchmesser haben eine geringere Divergenz als Ultraschallstrahlen mit kleinerem Durchmesser und eignen sich deshalb besser für Prüfungen mit großer Eindringtiefe. Wie Fig. 4 darüber hinaus zeigt, kann auf den Platten 10 und 12 des Abschnittes 8 eine dünne Ausschwelßungsschicht 82 liegen, welche die Oberfläche der Platten bildet. Die Aüsschweißungsschicht 82 kann zur Korrosionsverhinderung verwendet werden. Diese Schicht ist im allgemeinen dünn, etwa zwischen 3,1 ram und 1,27 cm (1/8 bis 1/2 inch), verglichen mit der Gesamtdicke des Abschnittes 8. Auch in Fällen, in denen dJLe Schallgeschwindigkeit der Aüsschweißungsschicht 82 von derjenigen der Platten 10 und 12 so verschieden ist, daß deutlich verschiedene Brechungswinkel des Strahles entstehen, wird der Eintrittspunkt des Strahles 24 in die Platten 10 oder 12 wegen der geringen Dicke der Schicht nicht merklich vom Einfallspunkt in die Fläche 15 verschoben. Beim Aufbringen der Schicht 82 auf die Platten 10 und 12 kann jedoch die Schmelzzone oder Trennfläche 84 wellig sein. Die sich ändernde Krümmung der Trennfläche 84 kann dann die Tendenz haben, den Winkel ^ _L des Strahles 24 relativ zur Schweißnaht 14 zu verändern, wenn der Strahl 22 sich über die Fläche 15 bewegt.

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Wenn der Durchmesser des Strahles 22 größer ist als der Abstand zwischen benachbarten Wellenbergen, mitteln diese Effekte sich heraus und stabilisieren oC _τ auf einen bestimmten Winkel. Geeignete Kristalle für die Umsetzer 20 und 30 sind beispielsweise Automation Industries-PZT-Kristalle mit einer Frequenz von 1 i4Hz und einem Durchmesser von etwa 3,8 cm (1 1/2 inch). Für die Umsetzteer 62 können dieselben Kristalle verwendet werden wie für die Umsetzer 20 und 30, jedoch können .auch andere bekannte Umsetzer verwendet werden. Bei dem in den Fig«, 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispiel, bei dem ein flüssiges Kopplungsmedium verwendet wird, kann der Abstand zwischen-den einzelnen Umsetzern und der Oberfläche 15 des Abschnittes 8 von weniger als 2,54 cm (1 inch) bis zu einigen Zentimetern (einigen inches) reichen» Die in Fig. 2 gezeigte Führungsanordnung für die Umsetzer gewährleistet eine lineare Bewegung der Umsetzerlager 48 und 50 während ihrer Schwingungen. Es ist zu bemerken, daß die Führungsanordnung 46 und die Umsetzerführungsarme 47 bei der Prüfung einer axial zu einem zylindrischen Kessel verlaufenden Schweißnaht kreisbogenförmig gekrümmt sein können, um zu ermöglichen, daß die Umsetzer 20 und 62 sich parallel zur Oberfläche des Abschnittes bewegen«

In Fig. 5 ist ein vereinfachtes, schematisches Blockdiagramm der elektrischen Komponenten gezeigt, welche sur Erzeugung der Ultraschallimpulse sowie zum Empfangen und Darstellen der durch die zurückgesandte Energie erhaltenen Information dienen, aus der sich das Vorhandensein und die Lage von Biskontinuitäten in. der untersuchten Schweißzone bestimmen läßt„ Die elektrischen Impulse werden auf die als Sender dienenäen Umsetzen 20 land 62 durch einen Impulsgeber/Empfanger 64 aufgegeben, uf auf diese Weise die ausgesandten Strahlen aus Ultraschallimpulsen su erhalten. Es sind Impulse mit einer Energie von I MH$ öiid min^s öaöou von vier Mikrosekunden vorgesehen, wobei die Wisdesrholiangsrate lOGO Impuls© pro Bekunde beträgt« Diese Wieder holysigssrafee oder Frequeas- ist. · langsam genug, um den Empfang und ir¹© uatesrsachuBg der von ainen Impuls resultierenden Information s« ©möglichen? bevor der ni :"-.·= ste Impuls ausgesandt wird. Di©-:;■* Impulsfolge ensögllekt ®m_s äaß jeder der Umsetzer 62 sowohl gura Senden als auch saia Em verwendfet werden kann. «%« «. a .? ■.= > $% « ^ &,

Zur Hauptprüfung der Schweißnaht 14 können beide als Sender dienenden Umsetzer 20 gleichzeitig gepulst werden, so daß die interessierende Zone von beiden Seiten der Schweißnaht aus mit Ultraschallenergie gesättigt wird, wodurch die Intensität der durch, eine Diskontinuität zurückgesandten Energie vergrößert wird. Alternativ hierzu können die Umsetzer 20 alternierend gepulst werden, wobei dann die von den Umsetzern herrührende, empfangene Energie verglichen wird, um auf diese Weise eine Diskontinuität in der Schweißnaht 14 bezüglich der Breite der Schweißnaht zu lokalisieren. Da jeder der zur vorläufigen Prüfung dienenden Umsetzer 62 sowohl als Sender als auch als Empfänger verwendet wird, können diese entweder gleichzeitig oder alternierend gepulst werden. Werden verschiedene Prüfungswege gleichzeitig verwrjedet, und ist es erforderlich, die einzelnen Signale getrennt zu verarbeiten, so müssen entweder getrennte Signalkanäle oder aber eine Multiplexübertragung verwendet werden. Zur Erfüllung der vorstehend genannten Begrenzungen kann der Impulsgeber/Empfänger 64 ein Multiplexgerät sein.

In Fig. 5 sind zwei gleiche Signalverarbeitungskanäle mit dem Empfängerteil des Impulsgeberempfängers 64 verbunden. Der Kanal, der mit dem Index "a" versehene Elemente aufweist, verarbeitet diejenigen Signale, welche die Hauptprüfung der Schweißnaht 14 bilden. Der Kanal, der Elemente mit dem Index "b" aufweist, verarbeitet die Signale, welche zur vorläufigen Prüfung dienen.

Die als Empfänger dienenden Umsetzer wandeln die empfangene Ultraschallenergie in elektrische Signale um, die dann zur nachfolgenden Verwendung in den Ausgang kontrollierende Anzeigevorrichtungen auf den Empfänger aufgegeben werden. Die Amplitude oder die Stärke eines Impulsechos wird wegen Nah- und Fernfeldeffekten durch den Laufweg nicht linear und manchmal in zwei Richtungen beeinflußt. Ein übliches Distanz-Amplituden-Korrek turglied (DAC) 66 dient dazu, dai Signal hinsichtlich derartiger Effekte zu kondensieren. Nach der Korrektur durch das Distanζ-

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Amplituden-Korrekturglied 66 kann das Signal zur Steuerung der Anzeige eines Oszillographen 7O verwendet werden. Weiterhin kann das Signal dauerhaft mittels eines Recorders 72 aufgenommen werden. Ein Tormonitor 68, beispielsweise am Eingang der Recorder¹ 72a und 72b, dient dazu, nur solche Signale elektrisch passieren zu lassen, die größer sind als eine bestimmte Amplitude und/oder in eine bestimmte Zeitspanne nach jedem ausgesandten Impuls fallen, um auf diese Weise nicht erforderliche Signale und Störsignale auszuschließen. Die Startzeit und die Torbreite des Tormonitors 68 können variiert werden.

Für jeden erzeugten Ultraschallimpuls ist ein Positionsreferenzsignal vorgesehen. Dieses Signal kann der für den Antrieb des als Sender dienenden Umsetzers verwendete elektrische Impuls sein. Allgemein ist das Positionsreferenzsignal ein elektrisches Signal, welches von der von der Umgrenzung einer bestimmten Stelle reflektierten Ultraschallenergie herrührt, beispielsweise die Vorder- oder Mckflächenreflexion. Das Positionsreferenzsignal wird in dem Sinne als Bezugssignal verwendet, als dasjenige Signal, welches die durch eine Diskontinuität zurückgesandte Ultraschallenergie repräsentiert, mit ihm verglichen wird, wobei die Impulslaufzeit gemessen wird, um so die Diskontinuität xu lokalisieren. Das zum Antrieb der als Sender dienenden Umsetzer verwendete elektrische Signal wird auch zur Kontrolle des Startens der Horizontalablenkung des Oszillographen verwendet· Die Information, die in den vom Empfänger des Impulsgeber/Empfängers 64 herrührenden Signalen enthalten ist, kann in einer Vielzahl bekannter Techniken dargestellt werden, beispielsweise als A - Abtastung, B - Abtastung oder C - Abtastung. Ist die angewandte Darstellungstechnik von der üblicherweise als A - Abtastung (A scan) bekannten Art, so werden die Zeitbasis der Horizontalabtastung und die Stärke der Vertikalablenkung der Oszillographen 70a und 70b so eingestellt und kalibriert, daß sie die Distanz durch die Materialdicke hindurch bzw. die

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Referenzamplitude anzeigen, gegenüber der Diskontinuitäten ausgewertet werden. Diese Eichung kann dadurch erfolgen, daß Referenzproben verwendet werden, bei denen Diskontinuitäten an bestimmten Stellen vorhanden sind. Die Eichung kann aber auch mathematisch auf der Basis des von einer Grenzfläche des untersuchten Materials herrührenden Signals, beispielsweise auf der Basis der Rückfuhrflexion, berechnet werden. Die an die vorstehend genannten elektrischen Komponenten zu stellenden Anforderungen werden beispielsweise durch eine kommerziell erhältliche Anordnung erfüllt, wie sie das UM-721 Sperry Reflectorscope bildet, welches mit einem Impulsgeber/Empfänger, Distanzamplitudenkorrekturgliedern und Tormonitoren ausgestattet ist.

Fig. 6 zeigt ein anderes AusfUhrungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Abtastung der gesamten Dicke durch die Strahlen 22 und 24 nicht, wie in den Fig. 2 und 3, mechanisch, sondern elektronisch durchgeführt wird. Die in Fig. 2 und 3 gezeigten Umsetzer zur Signalaussendung, die an einander gegenüberliegenden Seiten des als Empfänger dienenden Umsetzers 30 in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, sind hier durch Anordnungen 74 und 76 von Umsetzern 20 ersetzt. Jede Anordnung besteht aus einer Vielzahl von parallel und dicht beieinander angeordneten, als Sender dienenden Umsetzern 20. Die Umsetzer in jeder Anordnung sind in einer Ebene miteinander ausgerichtet, welche beiden Anordnungen.und dem als Empfänger dienenden Umsetzer 30 gemeinsam ist. Die verschiedenen Umsetzer in einer Anordnung sind so dicht aneinander angeordnet, daß von einem Ende der Anordnung bis zum anderen Ende ein im wesentlichen kontinuierliches Strahlmuster erzeugt wird. Alle als Sender dienenden Umsetzer 20 in einer Anordnung sind unter demselben Winkel und in derselben Richtung relativ zur Oberfläche 15 des Abschnittes 8 orientiert. Wie bei dem vorher beschriebenen Wasser-Stahl-Beispiel beträgt !.^esjer Winkel etwa 9 bis 11° zur Normalen und in Richtung auf den als Empfänger dienenden Umsetzer 30, der

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beim PrüfVorgang oberhalb der Schweißnaht 14 angeordnet wird. , Wie bei dem in Fig. 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispiel mit mechanischer Schwingung werden die Umsetzer 20 und 30 bei dem in Fig. 6 gezeigten Ausführungsbeispiel sämtlich von einem Stützteil 78 getragen, das am Ende eines Stützarmes 80 angebracht ist. Eine Schallabschirmung oder ein Strahlkollimator 36 kann verwendet werden, um zu verhindern, daß unerwünschte Reflektionen von Ultraschallenergie in den als Empfänger dienenden Umsetzer eintreten.

Beim Prüfvorgang wird der Umsetzer 30 über der Schweißnaht 14 so angeordnet, daß die Anordnungen 74 und 76 sich, parallel zur Oberfläche 15 des Abschnittes 8 in einer normal zur Länge L der Schweißnaht liegenden Ebene erstrecken. Die als Sender dienenden Umsetzer 20 einer Anordnung werden nacheinander mit Hilfe von Impulsschaltern 86 von einem Ende der Anordnung zum anderen Ende gepulst. Das Pulsen des jeweils nachfolgenden Umsetzers erfolgt dabei in einem solchen zeitlichen Abstand/ zum vorangehenden Umsetzer, daß der als Empfänger dienende Umsetzer 30 die aufgrund des vorhergehenden Impulses gegebenenfalls zurückgesandte Energie empfangen kann. Die Länge L der Schweißnaht 14 wird dadurch erfaßt, daß der Stützarm 80 wie bei den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen in Richtung parallel zur Schweißnaht verschoben wird.

Innerhalb des Erfindungsgedankens sind verschiedene Ausgestaltungen und Abänderungen des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispieles möglich. Die Erfindung ist nicht auf die Einzelheiten der beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.

(Patentansprüche)

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Claims

Patentansprüche

I)J Verfahren zur Ultraschallprüfung einer von der Oberfläche aus In die Tiefe eines Materials reichenden interessierenden Zone, insbesondere einer Schweißstelle, gekennzeichnet durch die Schritte:

a) Erzeugen eines vorzugsweise gepulsten Ultraschallenergiestrahles ,

b) Ausrichten des Strahles auf einen Oberflächenbereich des Materials unter einem schrägen Einfallswinkel, so daß sich in dem Material ein gebrochener Ultraschallenergiestrahl im Longitudinalwellenmode fortpflanzt, der einen Teil der interessierenden Zone unter einem zur Normalen auf die Oberfläche schrägen Winkel schneidet und den geschnittenen Teil der interessierenden Zone durchsetzt, wobei diese Ultraschallenergie zurückgesandt wird, wenn sie eine Diskontinuität im geschnittenen Teil der interessierenden Zone trifft, und

c) Nachweis der von der interessierenden Zone zurückgesandten, von dem Material im wesentlichen normal zur Oberfläche und innerhalb eines den durch den Longitudinalwellenstrahl geschnittenen Teil der interessierenden Zone Überdeckenden Flächenbereichs ausgehenden Ultraschallenergie, welche das Vorliegen einer Diskontinuität in dem durch den Longitudinalwellenstrahl geschnittenen Teil der interessierenden Zone anzeigt.

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2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nachweis der zurückgesandten Ultraschallenergie die folgenden Schritte umfaßt:

a) Auffangen der Ultraschallenergie,

b) Umwandeln der aufgefangenen Ultraschallenergie in sie repräsentierende elektrische Signale,

c) Anzeige der elektrischen Signale.
3) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel, unter dem der gebrochene Strahl die Schweißstelle schneidet, zwischen 40° und 50° liegt.
4) Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der durch den gebrochenen Strahl zu einem beliebigen Zeitpunkt geschnittene Teil der Schweißstelle kleiner ist als die gesamte Tiefe der Schweißstelle, und daß der gebrochene Strahl zur Abtastung über die gesamte Tiefe der Schweißstelle geführt wird.
5) Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abtasten der Schweißstelle in der Tiefe eine Vielzahl von Ultraschallimpulsstrahlen erzeugt wird, die zueinander parallel sind und auf die Oberfläche an verschiedenen Stellen entlang einer von der Schweißstelle zu einer äußeren Grenze laufenden Linie auftreffen.
6) Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abtasten der Schweißstelle in der Tiefe der auf die Oberfläche fallende Strahl relativ zur Schweißstelle so bewegt wird, daß der Einfallspunkt sich entlang einer Linie bewegt, die,zwischen der Schweißstelle und einer äußeren Grenze liegt, wobei die Richtung und der Einfallswinkel des Strahles bezüglich der Oberfläche konstant gehalten werden.

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7) Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die zu prüfende Schweißstelle eine langgestreckte Schweißnaht ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallenergiestrahl sich relativ zum Material parallel zur Schweißnaht bewegt.
8) Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

a}_ Erzeugen eines elektrischen Positionsreferenzsignales für jeden erzeugten Ultraschallimpuls, welches das Vorliegen des Impulses an einem bestimmten Ort anzeigt, und

b) Vergleich der für die aufgefangene Ultraschallenergie repräsentativen elektrischen Signale mit dem Positionsreferenzsignal, wobei der Zeitunterschied zwischen den Signalen den Ort einer Diskontinuität in der Schweißstelle anzeigt.
9) Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das für die aufgefangene Ultraschallenergie repräsentative elektrische Signal so gegattert wird, daß nur innerhalb einer bestimmten Zeitspanne nach der Erzeugung jedes Ultraschallimpulses auftretende Signale durchgelassen werden.
10) Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch:

a) Eine Umsetzeinricht.ung (20) zum Aussenden eines Ultraschallenergiestrahles (22), welcher so angeordnet und · orientiert ist, daß der Strahl auf einen Oberflächenbereich des Materials unter einem schrägen Einfallswinkel auftrifft, so daß sich in dem Material ein gebrochener Ultraschallenergiestrahl im Longitudinalwellenmode fortpflanzt, der einen Teil der interessierenden Zone unter einem zur Normalen auf die Oberfläche schrägen Winkel schneidet und den geschnittenen Teil der interessierenden Zone durchsetzt, wobei diese Ultraschallenergie zurückgesandt wird, wenn sie eine Diskontinuität im geschnittenen Teil dar interessierenden Zone trifft,

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b) Eine mit der Umsetzeinriehtung (20) gekoppelte Einrichtung (64), welche die als Sender dienende Umsetzeinrichtung (20) zum Aussenden des Ultraschallstrahles stimuliert,

c) Eine über der interessierenden, durch den gebrochenen Strahl (24) geschnittenen Zone angeordnete Umsetzeinrichtung (30) zum Empfangen der von der Zone im wesentlichen normal zur Materialoberfläche (15) ausgehenden Ultraschallenergie (34), wobei die als Empfänger dienende Umsetzeinrichtung (30) ein von der empfangenen Ultraschallenergie abhängiges Äusgangssignal liefert, und

d) Eine mit der als Empfänger dienenden Umsetζeinrichtung (30) gekoppelte Äbleseeinrichtung (70), welche auf das

Ausgangssignal anspricht und das Vorliegen einer Diskontinuität (32) in der interessierenden Zone anzeigt„
11) Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet^ daß die Einrichtung (64) zum elektrischen Stimulieren der als Sender dienenden Umsetzeinrichtung (20) eine Einrichtung zum Erzeugen elektrischer Impulse ist.
12) Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet _s daß die als Sender für die Ultraschallwellen dienende Umsetzeinrichtung (20) eine Vielzahl von mit geringem Abstand angeordneten _B parallelen Ultraschallumsetzern (74, 76j aufweist, die sich in Reihe von dem als Empfänger dienenden Umsetzer (30) zu einer äußeren Grenze erstrecken und von der Fläche (15) gleichen Abstand haben, und daß die einzelnen Umsetzer (74 _a 76) jeweils einzeln nacheinander durch die Einrichtung (64) sum elektrischem! Pulsen der Umsetzeinrichtung (20) gepulst werdea_o

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13) Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn- · zeichnet, daß die ümsetzeinrichtungen (20, 30) zum Senden und Empfangen mit Abstand von der Materialoberfläche (15) angeordnet sind, daß zwischen den Umsetzern (20, 30) und der Materialoberfläche (15) ein akustisch koppelndes Medium (16) angeordnet ist, und daß sich von dem als Empfänger dienenden Umsetzer (30) im wesentlichen bis zur Materialoberfläche (15) eine Xollimatoreinrichtung (36) erstreckt, welche zur Begrenzung der dem als Empfänger dienenden Umsetzer (30) zugeführten Ultraschallenergie auf die Energie dient, welche von der Oberfläche (15) im wesentlichen normal zu dieser innerhalb der Querschnittsflache des Kollimators (36) ausgeht.
14) Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium (16) zur akustischen Kopplung Wasser ist, daß das Material (8) Stahl ist, und daß die als Sender dienende Umsetzeinrichtunq (20) unter einem Kinkel von weniger als 14° rre^enüber der Normalen auf die Oberfläche (15) des Materials (8) orientiert ist.
15) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Senden dienende Umsetzeinrichtung (20) eine gerade Anzahl von Umsetzern umfaßt, die jeweils zur Hälfte auf zwei gegenüberliegenden Seiten der als Empfänger dienenden Umsetzeinrichtung (30) angeordnet sind, wobei die als Sender und als Empfänger dienenden Umsetzeinrichtungen (20, 30) sämtlich in einer gemeinsamen Ebene liegen.
16) Vorrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (54, 52, 48, 50) zur Bewegung der als Sender dienenden Umsetzer (20) relativ zu dem als Empfänger dienenden Umsetzer (30) entlang eines parallel zur Oberfläche (15) liegenden, von einer Stelle nahe dem-als Empfänger dienenden Umsetzer (30) zu einer äußeren Grenze verlaufenden Bahn, wodurch der gebrochene Strahl (24) von Longitudinalwellen in einer Abtastbewegung in Richtung senkrecht zur Oberfläche (15) über die Schweißstelle geführt wird.

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17) Vorrichtung nach Anspruch 16 zur Prüfung einer langgestreckten Schweißnaht, dadurch gekennzeichnet/ daß die als Sender dienenden Umsetzer (2O) bezüglich des als Empfänger dienenden Umsetzers (30) in zur langgestreckten Schweißnaht (14) senkrechter Richtung bewegbar sind.
18) Vorrichtung nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (42) zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Material (8) und den Umsetzern (20, 30) zum Senden und Empfangen in zur Längsrichtung der Schweißnaht (14) paralleler Richtung, so daß die gesamte Schweißnaht abtastbar ist.
19) Vorrichtung nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch Impuls· echoeinrichtungen (62) mit normal auffallendem Strahl _g welche in der Bewegungsrichtung parallel zur Schweißnaht (14) vor den als Sender dienenden Umsetzern (20) angeordnet und mit diesen bewegbar sind und zur vorläufigen Prüfung des der Schweißstelle benachbarten Teiles des Materials dienen, ehe der gebrochene Longitudinalwellenstrahl (24) hindurchgeschickt wird.

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