DE2806550C2 - Vorrichtung zur automatischen Ultraschall-Prüfung von Rundmaterial - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur automatischen Ultraschallprüfung von Rundmaterial auf Längs und/oder Querrisse unter Verwendung von gebündelten Ultraschallstrahlen im ImpulsReflexionsverfahren mit zumindest einer Gruppe von stationären Prüfköpfen, die auf einem zur Durchlaufbahn für den ohne Umdrehung axial vorgeschobenen Prüfling koaxialen Kreis gleichmäßig verteilt angeordnet sind.

Eine Vorrichtung dieser Gattung ist durch die Patentschrift US 32 85 059 bekanntgeworden. Mit den in dieser Druckschrift dargestellten und beschriebenen Anlagen soll die Prüfung mittels stets radial einfallender Ultraschallstrahlung erfolgen. Um dies zu gewährleisten, sind die Schallaustrittsflächen der Prüfkopfschwinger zylindrisch gekrümmt, einem zur Durchlaufbahn für den Prüfling konzentrischen Kreis folgend. Bei radialer Einschallung ist es praktisch ausgeschlossen, eine Prüfung auf Längs und Querrisse mit der notwendigen Empfindlichkeit durchzuführen, weil ein senkrecht auf die Prüflingsoberfläche auftreffender Schallstrahl nur an parallel zur Prüflingsoberfläche verlaufenden RißBegrenzungsflächen reflektiert werden kann. Die Schallstreuung in verschiedene Richtungen, die in der genannten US 32 85 505 unterstellt wird, ist zu geringfügig, um damit feine Längs und Querrisse nachweisen zu können, weil die Anzeigen solcher Risse in den Echofolgen von Außen und InnenOberfläche untergehen würden. Eine Schrägstellung der Prüfköpfe nach der US 32 85 059 könnte keine Abhilfe bringen, da hierbei eine annähernd gleichmäßige Einschallung auf den Prüfling nicht realisierbar wäre, wodurch eine Bewertung der reflektierten Amplitudenwerte praktisch unmöglich wäre. Demzufolge ist die Vorrichtung nach der US 32 85 059 für den Nachweis von Längs und Querrissen auch bei abgewandelter Anordnung der Prüfköpfe unbrauchbar; sie ist nur für die Anzeige von sich in Umfangsrichtung des Prüflings erstreckenden Ungänzen (Dopplungen) brauchbar unter der Voraussetzung, daß die Einschallung, wie in der US 32 85 059 beansprucht, in zur Prüflingsoberfläche senkrechter Ό Richtung erfolgt, wodurch auf Abschnitten des Prüflingsumfanges, die mindestens gleich der axialen Wirkbreite der Prüfköpfe sind, annähernd gleiche Einschallbedingungen erzeugt werden.

Der technische Nutzen einer Anlage, mit welcher die gefährlichsten und häufigsten Materialfehler, nämlich Längs und Querrisse, nicht ermittelt werden können, sondern nur Ungänzen in Umfangsrichtung, die bei einer Prüfung auf Längs und Querrisse mit angezeigt werden können, steht infrage.

Für die Prüfung von Rundmaterial, wie Rohren, Stangen, Ringen, auf Längs und Querrisse im ImpulsReflexionsVerfahren sind bislang Systeme mit einem oder mehreren Prüfköpfen verwendet worden, die mit runden oder eckigen Schwingern ausgerüstet und entweder parallel zur Prüflingsachse oder auf dem Prüflingsumfang verteilt angeordnet sind. Bei der Prüfung wird entweder der Prüfling oder das Prüfkopfsystem gedreht Im Handbuch der zerstörungsfreien Matei ialprüfung von E A. W. Müller ist auf Blatt H 3112 ein solches bekanntes System für die Prüfung von Rundmaterial im ImpulsReflexionsverfahren auf Längs und Querrisse beschrieben.

Um die erforderliche gleichmäßige Prüfempfindlichkeit über den gesamten Prüflingsumfang zu erzielen, wird bei bisherigen Anlagen ein Impulsabstand von ca. 1 mm eingehalten. Die Drehzahl des Prüflings bzw. des PrüfkopfSystems ist begrenzt durch die nicht beliebig schnell zu bewegenden Massen. Außerdem kann die Impulsfolgefrequenz jedes Prüfkopfes nicht größer sein als der Reziprokwert der zu bewertenden SchallLaufzeit im Prüfling. Geht man z. B. davon aus, daß die praktisch zu realisierende Anregefrequenz eines Prüfkopfes 2 MHz ist, so lassen sich bei einer zu bewertenden SchallLaufzeit von 50 us IO Prüfköpfe seriell betreiben. Die Relativgeschwindigkeit zwischen Prüfkopf und Prüfling ist damit auf 2 m/s begrenzt, wenn der Impulsabstand 1 mm nicht überschreiten soll. Bei einer effektiven axialen Wirkbreite der Prüfköpfe von 6 mm läßt sich demnach ein Vorschub von 60 mm/U so realisieren. Das bedeutet, daß bei einem Prüfling mit einem Durchmesser von z. B. 50 mm die maximal erreichbare lineare Durchlaufgeschwindigkeit 38 m/min beträgt. Das entspricht nur einem Bruchteil der Produktionsgeschwindigkeit von Massenprodukten. Um z. B. Produktionsgeschwindigkeiten von 5 m/s prüftechnisch bewältigen zu können, wären bei Durchführung der Prüfung mit den bekannten Anlagen acht parallele Prüfanlagen erforderlich.

Ein wesentlicher Nachteil der bekannten Anlage besteht auch noch darin, daß aufgrund der nicht vorhandenen idealen Geometrie der Prüflinge bezüglich Geradheit und Rundheit sowie durch die Einflüsse des Oberflächenzunders bei gewalztem Material sowohl die exakte Führung zwischen Prüfsystem und Prüfling als auch die Ankopplung immer problematischer wird, so daß aus diesen Gründen eine Erhöhung der Durchlaufgeschwindigkeit kaum möglich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

Anlage zu schaffen, mit welcher die Prüfung auf Längs und Querrisse im UltraschalllmpulsReflexionsverfahren bei erhöhter linearer Durchlaufgeschwindigkeit möglich ist

Die Erfindung besteht darin, daß bei einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 die Ultraschalischwinger der Prüfköpfe mit ihren Abstrahlflächen in Umfangsrichtung und/oder in axialer Richtung des Prüflings gegenüber dem Prüflingsradius unter einem einen vorgegebenen Brechungswinkel der Ultraschallstrahlung im Prüfling bewirkenden Anstellwinkel geneigt angeordnet sind und daß die UltraschallSchwinger in Umfangsrichtung so verteilt und ihre Abstrahlflächen so ausgedehnt sind, daß jeder Ultraschallschwinger einen Abschnitt annähernd gleicher Einschallbedingungen mit einer Längsausdehnung L = U/n im Prüflingsumfang und einer mindestens der axialen Wirkbreite der Prüfköpfe gleichen Breite aufweist

Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung ist nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert

F i g. 1 zeigt eine Anordnung zur Prüfung auf Längsrisse,

F i g. 2 eine Anordnung zur Prüfung auf Querrisse,

Fig.3 veranschaulicht die Empfindlichkeitsverteilung über den Umfang des Prüflings und

F i g. 4 ist ein Schnitt durch die PrüfkopfFührungsEinheit.

Zur Erzeugung des Ultraschallfeldes 1 sind Wandler

2, 3 in zum Prüfling koaxialer Kreisringanordnung gleichmäßig um den Prüflingsumfang herum verteilt angeordnet, und zwar in zwei, parallele Kreisringanordnungen bildenden Gruppen. Die Länge L der Wandler 2,

3, das ist deren Ausdehnung in Umfangsrichtung des Prüflings 4, ist größer als in axialer Richtung. Die Wandler 2, 3 werden im Zeitmultiplexverfahren seriell nacheinander oder seriell in parallelen Gruppen angeregt, wobei die Reihenfolge der einzelnen Wandler so festgelegt wird, daß keine akustische Beeinflussung benachbarter Wandler eintritt. Der Schall wird durch Fokussierung in Umfangsrichtung so gebündelt, daß der Einfallwinkel über der Wandlerlänge L annähernd konstant bleibt. Bei einer Wandlerlänge von z. B. 15 mm ergibt sich an relevanten Fehlern im Prüfling eine effektive Schallstrahlausdehnung von ca. 10 mm bei einem noch zu tolerierenden Empfindlichkeitsabfall. Um eine gleichmäßige Empfindlichkeitscharakteristik 5 über den gesamten Prüflingsumfang zu erzielen, sind die Wandler 2, 3 in zwei parallelen Gruppen 6, 7 so angeordnet, daß die Wandler 2 der einen Gruppe 6 um eine halbe Schwingerteilung '/2 gegenüber den Wandlern 3 der anderen Gruppe 7 versetzt angeordnet sind. Die Empfindlichkeitsminima der einen Gruppe fallen demzufolge mit den Empfindljchkeitsmaxima der anderen Wandlergruppe zusammen.

Bei der Prüfung auf Längsrisse (Fig. 1) werden die Wandler 2, 3 gegenüber dem Prüflingsradius in Umfangsrichtung so angestellt, daß der gewünschte Brechungswinkel im Prüfling erzeugt wird. Für die Prüfung auf Querrisse (F i g. 2) erfolgt die Anstellung der Wandler 2, 3 gegenüber dem Prüflingsradius in axialer Richtung so, daß der gewünschte Brechungswinkel im Prüfling erreicht wird. Bei zusätzlicher Anstellung in Umfangsrichtung ist ein Nachweis von schrägverlaufenden Fehlern realisierbar.

Verteilt man in der vorstehend beschriebenen Weise z. B. 24 Wandler auf den Prüflingsumfang und legt eine zu bewertende Schall Laufzeit von 50 μ5 zugrunde, so benötigt man für die 100%ige Abtastung des Umfangs eine Zeit von 1,2 ms. Bei einer effektiven axialen Breite der Prüfköpfe von 6 mm läßt sich damit eine lineare Durchlaufgeschwindigkeit von 5 m/s, also von 300 m/min realisieren. Selbst wenn man diese Geschwindigkeit aus Gründen der Ankopplung auf 2 m/s begrenzen würde, betrüge die Durchlaufgeschwindigkeit immer noch ein Vielfaches derjenigen der bekannten Anlagen.

Eine Verbesserung der Empfindlichkeitsverteilung über den Umfang läßt sich gemäß Fig.4 dadurch erreichen, daß die Wandler 2 der einen Gruppe 6 als Sender und jeweils zwei benachbarte Wandler der anderen Gruppe 7 als Empfänger geschaltet werden.

Der Übersichtlichkeit halber sind die Wandler in F i g. 3 in der Abwicklung dargestellt Die Empfindlichkeitscharakteristik 5 nach F i g. 3 zeigt, daß sich für jeden Schwinger zwei Empfindlichkeitsmaxima ergeben und daß die Minima an der Trennstelle zwischen zwei Wandlern liegen. Eine weitere Erhöhung der Prüfsicherheit wird dadurch erreicht, daß jeder Wandler beider Gruppen 6, 7 einmal als Sender und zweimal als Empfänger geschaltet wird.
Die in F i g. 4 gezeigte Prüfkopf Führungseinrichtung weist einen Prüfkopfträger 8 auf, der als zur Ankopplung dienende Wasserkammer ausgebildet ist, die durch auswechselbare Dichtungsringe 9 an beiden Seiten abgedichtet ist Die zwecks Einstellung drehbar gelagerten Prüfköpfe 10 sind mit je einem Wandler 2,3 ausgerüstet, dem eine akustische Linse 11 zur Fokussierung des Schallfeldes vorgesetzt ist Bei Verwendung gekrümmter Wandler erübrigt sich eine solche Linse. Die Prüfköpfe sind entweder einzeln oder über Stellglieder 12, 13, 14,15, die auf dem Prüfkopf 8 gelagert sind, in Umfangsrichtung verstellbar.

Durch Auswechseln der dargestellten Prüfköpfe zur Prüfung auf Längsrisse gegen Prüfköpfe mit zur Achse angestellten Winkeln läßt sich ohne weiteres ein Prüfkopfsystem für Querrisse oder schrägorientierte Risse realisieren.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur automatischen Ultraschallprüfung von Rundmaterial auf Längs und/oder Querrisse unter Verwendung von gebündelten Ultraschallstrahlen im ImpulsReflexionsverfahren mit zumindest einer Gruppe von stationären Prüfköpfen, die auf einem zur Durchlaufbahn für den ohne Umdrehung axial vorgeschobenen Prüfling koaxialen Kreis gleichmäßig verteilt angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die UltraschallSchwinger (2, 3) der Prüfköpfe mit ihren Abstrahlflächen in Umfangsrichtung und/oder in axialer Richtung des Prüflings gegenüber dem Prüflingsradius unter einem einen vorgegebenen Brechungswinkel der Ultraschallstrahlung im Prüfling bewirkenden Anstellwinkel geneigt angeordnet sind und daß die UltraschallScnwinger in Umfangsrichtung so verteilt und ihre Abstrahlflächen so ausgedehnt sind, daß jeder Ultraschallschwinger einen Abschnitt annähernd gleicher Einschallbedingungen mit einer Längsausdehnung L = U/n im Prüflingsumfang und einer mindestens der axialen Wirkbreite der Prüfköpfe gleichen Breite aufweist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch fokussierende Vorsätze 11 vor den Wandlern (2,3).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfköpfe (10) in Umfangsrichtung verstellbar angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfkopfträger (8) als Wasserkammern ausgebildet sind.