DE2217962B2 - Anordnung zur Prüfung dickwandiger Werkstücke nach dem Ultraschallverfahren - Google Patents

Description

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den, ist eine rasche Prüfung des gesamten Prüflingsquerschnitts möglich. Weiter ist bekannt, die einzelnen Prüfköpfe mit sogenannten Ankoppel-Kontrollschwingern zu versehen, die senkrecht zur Materialoberfläche schallen und das sogenannte Rückwandecho beobachten. Die Höhe des Rückwandechos ist ein Maß für die Güte der Ankopplung und kann zur Regelung der Prüfempfindlichkeit benutzt werden. Allerdings erfordern die bekannten Anordnungen zur Prüfung dickwandiger Materialien einen recht großen Aufwand. Entweder müssen die Prüfköpfe mechanisch verstellt werden, um verschiedene Prüfbere^che erfassen zu können, was sehr zeitraubend ist. Oder man benutzt eine Vielzahl von Prüfköpfen, die paarweise mit dem Ultraschallgerät verbunden werden. Je mehr Prüfköpfe eingesetzt werden müssen, desto kostspieliger wird die gesamte Prüfeinrichtung. Es ist auch nicht zu übersehen, wie solche unterschiedlichen Schallreflexions- und Schwächungseigenschaften erkannt und ausgeglichen werden können.

Zwar ist noch eine Vielkopf-Prüfmethode, insbesondere zur Prüfung dickwandiger Schweißnähte an Reaktordruckbehältern bekannt, bei der jedoch einmal eine besondere Mechanik für die Prüfkopfbewegungen erforderlich ist. Ferner ist die Anwendung der Digitaltechnik, einschließlich der Digitalspeicherung bei Rohrblechprüfungen mit Ultraschall bekannt, wobei allerdings an relativ dünnwandigen Prüflingen gearbeitet wird, wo die Aufteilung in Fehlerzonen der Tiefe nach zweitrangig ist. Hierbei ist bereits h jkannt, eine Vielzahl von Prüfköpfen ohne Kopfverschiebung elektronisch umzuschalten, um den Prüfling der Tiefe nach zu erfassen. Allerdings wird bei dieser bekannten Vorrichtung der ganze Prüflingsquerschnitt wiederum in untereinander liegende (gedachte) Prüflingsbereiche aufgeteilt. Die bekannte Anordnung ist jedoch noch recht aufwendig, insbesondere hinsichtlich einer Vielzahl von Prüfköpfen je Prüfeinheit. Auch werden unterschiedliche Schallreflexions- und Schwächungseigenschaften hier noch nicht optimal erkannt bzw. ausgeglichen. Hierzu gehören auch die mit einer besonders aufwendigen Halterung versehenen Prüfkopfeinheiten wie Tatzelwurm od. dgl. Bei der bekannten Anordnung fehlt es an einer besonderen Einteilung der Prüflingstiefenabschnitte und sie ist nicht besonders für senkrecht zur Prüflingsoberfläche liegende Fehler adaptiert, vgl. Materialprüfung, Band 12, Nr. 10, Oktober 1970, S. 329 bis 336.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hierbei die Zahl der Prüfköpfe herabzusetzen, eine vereinfachte BestimPiung der Reflexions- und Schwächungseigenschaften zu ermöglichen als auch eine, diese Eigenschaften berücksichtigende Korrektur der Prüfempfindlichkeit.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, daß die Wahl der Abstände der als Sendeschwinger dienenden Prüfköpfe durch die zusätzliche Forderung bestimmt ist, daß die Mitten der Prüfbereiche treppenförmig zueinander versetzt sind und auf einer Geraden liegen, die dann mit den von eventuellen Fehlern aus allen Prüfbereichen zur der Prüfkopfauflagefläche gegenüberliegenden Werkstücksoberfläche reflektierten Ultraschallstrahlen übereinstimmt, die von der aus einem einzigen Kontrollprüfkopf bestehenden Kontrollprüf kopfanordnung erfaßt werden, daß ein weiterer Sende-Prüfkopf vorgesehen ist, der so angeordnet ist, daß er die Ultraschallimpulse längs der genannten Geraden aussendet, und daß an den Kontrollprüfkopf

ein Stellglied angeschlossen ist, das bei einer Stellung des elektronischen Umschalters, in der die Verbindung mit dem weiteren Sende-Prihkopf vorhanden ist. mit einem Regelverstärker verknüpft ist, der die Durchlaßfähigkeit des Stellglieds so beeinflußt, daß die Amplitude des vom Kontrollpriil'kopf empfangenen Duruhschaltungsimpulses konstante Höhe besitzt, während das Stellglied in den anderen Stellungen des elektronischen Umschalters an die Auswerteeinrichtung angeschlossen ist.

In vorteilhafter Weise können durch eine solche Anordnung die Reflexions- und Schwächungseigenschaften dieser Reflexionsstelle für alle Prüfbereiche gleich und ein ortsabhängiger Unterschied in den Schallreflexions- und Schwächungseigenschaften nach Messung des Schalldurchgangs durch dem vorbezeichneten Prüfkopf korrespondierenden Kontrollkopf am Ende des zentralen Schallstrahls an der der Reflexionsstelle gegenüberliegenden Materialoberfläche ausgeglichen werden, damit gleich große Trennungen Fehler in den Prüfzonen, die den zentralen Schallstrahl oder einen Randstrahl zu einem korrespondierenden Prüfkopf leiten, oder umgekehrt, immer mit gleich großer Amplitude angezeigt werden, unabhängig von den Reflexions- und Schwächungseigenschaften dieser Reflexionsstelle.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. Hierbei zeigt die Fig. 1 eine bekannte Anordnung, während Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch in den Fig. 2 bis 5 dargestellt sind. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht auf ein Werkstück, mit Darstellung der bekannten Prüfzonen und einer Anzahl auf der Oberfläche angeordneter Prüfköpfe,

Fig. 2 eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung, aber mit der erfindungsgemäßen Anordnung der Prüfbereiche,

Fig. 3 eine ähnliche Ansicht auf ein Werkstück, wobei die Reflexionssteile an der Unterseite des Werkstückes Schwächungsunterschiede hat,

Fi g. 4 ein elektrisches Blockschaltbild für eine Anzahl von auf das Werkstück aufgesetzte Prüf köpfe, zum Ausgleich der Schallreflexions- und Schwächungseigenschaften,

Fig. 5 eine gesamte Blockschaltung der Schallschwächungs- und Ankoppelkompensation als Ausführungsbeispiel.

In Fig. 1 ist ein Ausschnitt 11 aus einem dickwandigen Prüfling gezeigt. Der Wanddickenquerschnitt ist in drei Prüfzonen 1, la und Ib aufgeteilt. Ist ein Riß 9 in der ersten Prüfzone 1, so wird der von Prüfkopf 2 ausgehende Schall an diesem zur Rückwand 13 reflektiert und dort im Bereich 10 erneut, so daß er zu Prüfkopf 7 gelangen kann. Das gleiche geschieht mit einer Kombination der Prüfköpfe 3 und 6 wegen eines Risses 14 im Prüfbereich Ie usw. Sind ir den Prüfbereichen 1, la und Ib keine Risse oder sonstige Unstetigkeiten, wird praktisch kein Schall zu den korrespondierenden Köpfen reflektiert. Keine Anzeige bedeutet, daß kein Riß vorliegt.

Gemäß Fig. 1 gehören zu jedem Prüfbereich zwei Prüfköpfe, wobei die Reflexionsbcreiche an der Rückwand an unterschiedlichen Stellen 8, 9 und 10 liegen.

In Fig. 2 sind die Prüfbereiche gegeneinander verschoben. Sie liegen nicht mehr untereinander, sondern sinu treppenförmig angeordnet. Die Anordnung ist aber nach wie vor streng abhängig von den Prüfkopf-

Stellungen.

Man erkennt hier einen wesentlichen Vorteil der Prüfkopfanordnung gemäß der Erfindung, der darin liegt, daß die Prüfkopfzahl statt 6 Prüfköpfen auf 4 reduziert werden kann. Für höhere Prüfkopfzahlen würde der Unterschied noch größer werden. Man erkennt ferner in Fig. 2, daß für alle Prüfbereiche nur eine Reflexionsstelle 8 an der Rückwand vorhanden ist und Fehler zum Kontrollprüfkopf 5 reflektiert werden.

Hat nun diese Rückwand 13, wie in Fig. 3 angedeutet, Welligkeiten, so würde die Schallenergie nicht hauptsächlich in Richtung 17 zum Kopf 5 gelangen, sondern es ergäbe sich eher der Strahlenverlauf 17 a. Zur Prüfkopf 5 käme daher nur die geringe Energie aus dem Schallbündelrand.

Ist ferner die Rückwand mit einer z. B. austenitischen Auftragsschweißung versehen, wie das im Reaktorbau üblich ist, so schwächt diese bekanntlich den Schall ganz erheblich. In Fig. 3 ist eine solche Auftragschweißung durch 16 angedeutet. Die Schallschwächung ist um so größer, je dicker die Austenitschicht ist. Damit kann die beispielsweise von Prüf kopf 5a ausgehende Schallenergie nach Reflexion an der Rückwand 13 des zu prüfenden Materials 11 ganz erhebliche Schwankungsunterschiede haben. Während des Schweißvorganges treten unvermeidbar unterschiedliche Dicken der Austenitschicht auf, d. h., Prüfkopf 5 empfängt keine konstante Energiemenge, wie es zur von der Anzeigenamplitude abhängigen Fehlergrößenbestimmung unbedingt erforderlich ist.

Fig. 4 zeigt schematisch, wie durch einen Regelverstärker 23, der gleichzeitig einen Soll-Ist-Wert-Vergleicher enthält, die Durchlaßfähigkeit des Blockteils 20 so beeinflußt wird, daß die von Prüfkopf 5 empfangene Rückwandecho-Amplitude konstante Höhe hat. Umschalter 27 und YIb sind vorzugsweise nicht mechanische, sondern elektronische Schalter.

In Stellung I bzw. Γ der Schalterebenen 27 und 27a wird der Sender 21 mit Prüfkopf 5a verbunden. Prüfkopf 5 leitet die nach Reflexion an der Rückwand 13 empfangene Schallenergie über das an sich bekannte (vgl. DE-OS 2030582) Regelglied zum Regelverstärker 23, der einen Soll-Ist-Wert-Vergleich durchführt und den Blockteil 20 in Abhängigkeit von der Wertdifferenz beeinflußt. Da der Regelzustand des Blockteils 20 bewußt träge gehalten ist, wird sich der eingestellte Zustand nicht ändern, solange der Umschalter 27 bzw. 27a einmal umläuft. Erst nach einem Umlauf wird der Regelwert von 20 korrigiert. Während eines Umlaufs des Schalters wird der ve η 21 abgegebene Sendeimpuls über Kontakt II' auf Pr ikopf 2 gegeben. Der Schallimpuls läuft gegen den Riß 13, wird zur Rückwand abgelenkt, dort reflektiert und gelangt zum Prüf kopf 5. Dort wird er in einen vom Schallimpulsdruck abhängigen elektrischen Impuls umgewandelt, der in Blockteil 20 korrigiert wird. Der elektrische Impuls gelangt dann fiber den Kontakt II und den Vorverstärker 24 zum Anzeige- bzw. Auswertegerät 22.

Das gleiche geschieht bei weiterem Umlauf des Schalters 27 bzw. 27a mit der Prüfkopfkombination aus Prüfköpfen 3 und 5 und schließlich mit der Kombination 4 und 5.

Da die Umschaltung elektronisch vorgenommen wird, geschieht dieser Ablauf so schnell, daß selbst bei mechanischer Verschiebung des Prüf kopfsystems über den Prüfling 11 hinweg praktisch keine Veränderung der Lage der Reflexionsstelle 8 eintritt.

In Fig. 5 wird nun zusätzlich zur Konstanthaltung des Schalldurchgangs durch die Reflexionsstelle 8 eine an sich bekannte Ankoppelunteschieds-Kompensation gemacht. In den vorher beschriebenen Zyklus ist die Ankoppelkontrolle eingeschoben. So wird in Stellung der Schalterebene 27, 27a und 276 der

ίο Sender 21 über Kontakt V" sowohl mit dem Sendeschwinger 5a' verbunden, zur Durchschaltung des Materials von Prüfkopf 5a aus gegen Kopf 5, als auch ein Ankoppelkontrollschwinger des Kopfes 5a angeregt. Aber da in Ebene 27a und über Schaltebene 27 der Regelverstärker (Soll-Ist-Wert-Vergleicher) 25 ausschließlich über die Kontakte V und" V mit dem Ankoppelkontroll-Empfangsschwinger verbunden ist, wird die gegen Prüfkopf 5 geschickte Schallenergie nicht berücksichtigt. Der Regelverstärker 25 bringt das Stellglied 2Od auf einen von der Ankoppelqualität abhängigen Wert/ Die Beeinflussung des Stellglieds erfolgt genauso, wie für Stellglied 20 gemäß Fig. 4 bereits angegeben. Neu ist hier auch, daß sowohl der Sendeschwinger für die Ankoppelkontrolle, als auch der Durchschallungssendeschwinger durch Stellglied 2Od beeinflußt werden.

Die Amplitude des Rückwandechos (z. B. von Kopf 5a aus an der Reflexionsstelle 8a) wird, da es sich hier um Longitudinalwellen handelt, durch Dickenunterschiede der evtl. vorhandenen Austenitschicht 16 kaum beeinflußt. Welligkeit der rückwärtigen Oberfläche 13 hat keinen nennenswerten Einfluß auf die Rückwandechoamplitude, da Schwinger mit großem Schallbündelöffnungswinkel verwendet werden, so daß die Welligkeit nur integralen Einfluß hat. Also wird eine mehr oder weniger gute Ankopplung den Amplitudenunterschied bewirken.

Genauso arbeitet die Regelung zur Ankoppelqualitätskompensation für die Prüfköpfe 2, 3 und 4.

Die zur Anschaltung der Priifbereiche benutzten Sendeschwinger erhalten bei schlechter Ankopplung eine höhere Impulsenergie als bei guter Ankopplung.

Im Prüfkopf 5 sind der Ankoppelkontrollempfän-

ger und der Empfänger zur Überwachung der Priifbereiche und zum Empfang des Durchschallungsimpulses, der vom Kopf 5 a ausgeht, miteinander verbunden. Das Stellglied 20 wird sowohl vom Regelverstärker 25 d in vorstehender Weise beeinflußt, als auch vom Regelverstärker 23 entsprechend der Erklärung

so zu Fig. 4.

Als Ausführungsbeispiel kann das Stellglied 20 je einen oder mehrere Fotowiderstände sowohl im Sende- als auch im Empfangskreis haben. Die Fotowiderstände werden belichtet. Die Helligkeit der Lampe wird sowohl vom Regelverstärker 23 als auch von 25 d integral eingestellt. Die Helligkeit wird vergrößert und damit der Leitwert der Fotowiderstände verkleinert, wenn entweder die Ankopplung von Kopf 5 schlecht ist oder wenn die Durchschallungsamplitude des von Kopf 5 a ausgesandten Schallimpulses niedrig ist. Die in den Prüfling 11 von 5a aus gelangende Schallimpulsenergie sollte konstant sein, da der Ankoppeleinfluß von 5 a wie für alle anderen Köpfe korrigiert wird.

Es ist ohne weiteres möglich, die Sende- und Empfangsschwinger in den Prüfköpfen zu vertauschen oder die in dieser Beschreibung als gemeinsam geschalteten Sendeschwinger zu trennen oder, wenn Sender und

Empfänger vertauscht wurden, die Empfangsschwinger miteinander zu verbinden.

Erfindungsgemäß wird also die Zahl der Prüfköpfe herabgesetzt, da der für die Prüfkopfpaare korrespondierende Prüf kopf (Kontrollprüfkopf) für jeden Prüf-

bereich immer der gleiche ist. Die Zahl der Prüfköpfe ζ wird, verglichen mit der bekannten Anordnung, auf f + 1 herabgesetzt. Ferner ist vorteilhaft, daß für alle Prüfbereiche an der Prüflingsrückwand dieselbe bzw. ortsgleiche Reflexionsstelle 8 gilt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Prüfung dickwandiger Werkstücke nach dem Ultraschallverfahren auf im wesentlichen senkrecht zur Werkstückoberfläche verlaufende Fehler unter Einsatz von zwei oder mehr als Sende-Schwinger dienenden, unter einem bestimmten Winkel abstrahlenden Prüf köpfen auf der Werkstücksoberfläche, deren Abstand voneinander so gewählt ist, daß die von jedem dieser Prüfköpfe ausgehenden Ultraschallimpulse auf unterschiedliche, in aufeinanderfolgenden Tiefenbereichen des Werkstücks liegende Prüfbereiche treffen und dort von eventuellen Fehlern zur der Prüfkopfauflagefläche gegenüberliegenden Werkstückoberfläche reflektiert werden, mit einer Kontrollprüfkopfanordnung, die die von der letztgenannten Werkstücksoberflächc reflektierten Ultraschallechoimpulse erfaßt, und mit einem elektronischen Umschalter, durch den die in einem Ultraschallimpulsgeber erzeugten Impulse nacheinander zu den einzelnen Sende-Schwingern gelangen und die in der Kontrollprüfkopfariordnung erfaßten Ultraschallechoimpulse entsprechend ihrem jeweiligen zugehörigen Prüfbereich ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Wahl der Abstände der als Sende-Schwinger dienenden Prüfköpfe (2, 3, 4) durch die zusätzliche Forderung bestimmt ist, daß die Mittender Prüfbereiche (1, la, Ib) treppenförmig zueinander versetzt sind und auf einer Geraden (10a) liegen, die dann mit den von eventuellen Fehlern (9,14,15) aus allen Prüfbereichen (1, la, \b) zur der Prüfkopfauflagefläche gegenüberliegenden Werkstücksoberfläthe (13) reflektierten Ultraschallstrahlen übereinstimmt, die von der aus einem einzigen Kontrollprüfkopf (5) bestehenden Kontrollprüfkopfanordnung erfaßt werden, daß ein weiterer Sende-Prüfkopf (5 a) vorgesehen ist, der so angeordnet ist, daß er die Ultraschallimpulse längs der genannten Geraden (10a) aussendet, und aß an den Kontrollprüfkopf (5) ein Stellglied (20) angeschlossen ist, das bei einer Stellung des elektronischen Umschalters (27, 276), in der die Verbindung mit dem weiteren Sende-Prüfkopf (5a) vorhanden ist, mit einem Regelverstärker (23) verknüpft ist, der die Durchlaßfähigkeit des Stellglieds (20) so beeinflußt, daß die Amplitude des vom Kontrollprüfkopf (5) empfangenen Durchschallungsimpulses (1?) konstante Höhe besitzt, während das Stellglied (20) in den anderen Stellungen des elektronischen Umschalters (27, 27Zj) an die Auswerteinrichtung angeschlossen ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise jeder Prüfkopf (5a, 2,3,4,5) zur Ankopplungskontrolle mit einem Schwinger zur Normaleinschaltung ausgestattet ist und in einer eingeschobenen Phase des elektronischen Umschalters (27, 27a, 27i>) in an sich bekannter Weise über einen elektronischen Ankopplungsausgleicher (20, 20a bis 20a", 25, 25a bis 25d, 27, 27a) die Prüfempfindlichkeit in Abhängigkeit von der Ankoppelanzeige zusätzlich geregelt wird.

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Prüfung dickwandiger Werkstücke nach dem Ultraschallverfahren auf im wesentlichen senkrecht zur Werkstücksoberfläche verlaufende Fehler unter Einsatz von zwei oder mehr als Sende-Schwinger dienenden, unter einem bestimmten Winkel abstrahlenden Prüfköpfen auf der Werkstücksoberfläche, deren Abstand voneinander so gewählt ist, daß die von jedem dieser Prüfköpfe ausgehenden Ultraschallimpulse auf unterschiedliche, in aufeinanderfolgenden Tiefenbereichen des Werkstücks liegende Prüfbereiche treffen und dort von eventuellen Fehlern zur der Prüfkopfauflagefläche gegenüberliegenden Werkstücksoberfläche reflektiert werden, mit einer Kontrollprüfkopfanordnung, die die von der letztgenannten Werkstücksoberfläche reflektierten Ultraschallechoimpulse erfaßt, und mit einem elektronischen Umschalter, durch den die in einem Ultraschallimpulsgeber erzeugten Impulse nacheinander zu den einzelnen Sende-Schwingern gelangen und die in der Kontrollprüfkopfanordnung erfaßten Ultraschallechoimpulse entsprechend ihrem jeweiligen zugehörigen Prüfbereich ausgewertet werden.

Dickwandige Bauteile, z. B. Druckgefäße aus normalem Stahl, die innen als Korrosionsschutz eine aus Austenit bestehende Auftragsschweißung enthalten, müssen auf Risse, insbesondere Rißwachstum geprüft werden. Dies geschieht nach:

(1) A. de Sterke: Some aspects of radiography

and ultrasonic testing of welds in steel with thicknesses from 100-300 mm
Brit. J. NDT (Dec. 1967), S. 94-107 und

(2) B. J. Lack: Ultrasonic examination of

welds in thick plates...
Brit. Weld. J. (Feb. 1962), S. 54-60
mit zwei Ultraschall-Prüfköpfen in der Weise, daß ζ. B. ein Prüfkopf einen Schallimpuls auf den Riß zu aussendet. Der Schall wird hier reflektiert, gelangt dann zur Rückwand des zu prüfenden Materials (Werkstücks) und von dort wieder zurück zu der Materialoberfäche, auf der der Prüfkopf aufsitzt, allerdings an eine andere Stelle. Hier muß dann der korrespondierende Prüfkopf aufgesetzt werden.

Eine PJßgröße läßt sich, solange sie unter einem von den Prüfkopfeigenschaften abhängigen Wert bleibt, aus der Ultraschallamplitude bestimmen. Diese Bestimmung ist nicht möglich, wenn sich die Reflexions- und Schallschwächungseigenschaften an der als Reflexionsstelle wirkenden Materialoberfläche ständig von Ort zu Ort ändern. Diese Reflexionsstelle kann einen stärkeren Einfluß auf die Ultraschall-Anzeigenamplitude haben als der Riß selbst.

Es ist bereits bekannt, dickwandige Behälterteile nach der sogenannten Tandemmethode, also mit zwei Prüfköpfen, zu prüfen, die hintereinander angeordnet sind (siehe anzogene Literatur [I]) oder nebeneinander, wobei sie einen Winkel miteinander bilden (siehe [2]). Ein Prüfkopf wirkt als Empfänger, der andere als Sender. Der Abstand der Prüfköpfe voneinander hängt davon ab, wie tief von der Materialoberfläche aus gesehen der Prüfbereich liegt. Bekannt ist ferner, mehrere solcher Zweikopfanordnungen ineinander zu schachteln, so daß der ganze Prüflingsquerschnitt in untereinanderliegende (gedachte) Prüfbereiche aufgeteilt ist. Zu jedem Prüfbereich gehört ein Prüfkopfpaar. Werden diese Prüfkopfpaare elektronisch umschaltbar mit dem Ultraschall-Anzeigegerät verbun-