DE2952885C2

DE2952885C2 - Vorrichtung zur berührungslosen Ultraschallfehlerprüfung

Info

Publication number: DE2952885C2
Application number: DE2952885A
Authority: DE
Inventors: Kazuo Hyogo Fujisawa; Hisao Yamaguchi
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1978-06-20
Filing date: 1979-06-13
Publication date: 1986-01-30
Also published as: WO1980000099A1; EP0019002B1; DE2952885A1; GB2038481A; EP0019002A1; GB2038481B; US4338822A; EP0019002A4

Description

nungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Diagramm, das die Wellenform eines impulsförmigen Laserstrahls wiedergibt;

Fig.2 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Einfallswinkel des Laserstrahls bezüglich dem zu überprüfenden Werkstück und der Intensität der erzeugten Ultraschallwelle darstellt;

F i g. 3 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur berührungslosen Ultraschallfehlerprüfung in Draufsicht,

F i g. 4 in Seitenansicht und

Fig.5 in Vorderansicht entlang der Linie V-V der Fig. 4,

F i g. 6 ein anderes Ausführungsbeispiel in Draufsicht, ρ ΐ £T_t 7 in Seitenansicht und

Fig.8 in Vorderansicht entlang der Linie VHI-VHI der F i g. 7,

F i g. 9 eine detaillierte Darstellung des Ausführungsbeispiels gemäß F i g. 6 in Vorderansicht und

Fig. 10 in Seitenansicht entlang der Linie X-X der Fig. 9,

F i g. 11 eine Taktsignalerzeugungsscheibe in geschnittener Seitenansicht und

F i g. 12 in Draufsicht,

Fig. 13 eine schema tische Abbildung der Reflexion des Laserstrahls auf der Reflexionsfläche des Drehspiegels,

Fig. 14 ein schematisches Blockdiagramm einer Steuereinheit der Abtastvorrichtung gemäß F i g. 9,

Fig. 15A bis 15F Signaldiagramme zur Verdeutlichung der Arbeitsweise der Steuereinheit gemäß F i g. 1,

F i g. 16 eine elektromagnetische Sonde für Longitudinalwellen bei abgenommenem Bodendeckel in Vorderansicht und

F i g. 17 in geschnittener Seitenansicht entlang der Linie XVII-XVII der F i g. 16,

F i g. 18 eine elektromagnetische Sonde für Transversalwellen bei abgenommenem Bodendeckel in Vorderansicht und

F i g. 19 in geschnittener Seitenansicht entlang der Linie XIX-XiX der F i g. 18,

F i g. 20 eine elektromagnetische Sonde für Oberflächenwellen bei abgenommenem Bodendeckel in Vorderansicht und

F i g. 21 in geschnittener Seitenansicht entlang der Linie XXI-XXI der F i g. 20.

F i g. 1 zeigt eine Wellenform eines Nd-Impulslasers. Ein steiler Anstieg der Welle zur Erzeugung von Ultraschallwellen ist von Vorteil. Die Frequenzen der durch einen derartigen Impulslaser erzeugten Ultraschallwellen reichen von mehreren zehn kHz bis zu mehreren hundert MHz. Sieht man ein geeignetes Bandpaß-Frequenzfilter auf der Empfangsseite vor, so kann die Fehlersuche bei einer optimalen Frequenz, die auf die Eigenschaften des zu untersuchenden Materials (Dicke, Ultraschalldämpfungswert) und der Größe des zu erfassenden Fehlers abgestimmt ist, durchgeführt werden.

Fig.2 zeigt eine experimentell gewonnene Beziehung zwischen dem Einfallswinkel des Laserstrahls auf das Material und der Intensität der erzeugten Ultraschallwellen. Wie aus F i g. 2 ersichtlich, ist die Intensität der Ultraschallwellen im wesentlichen unabhängig vom Einfallswinkel des Laserstrahls. Daraus folgt, daß der Einfallswinkel des Laserstrahls beispielsweise durch Spiegel frei geändert und die Oberfläche des zu überprüfenden Materials in weitem Maße abgetastet werden kann.

Im folgenden wird eine Vorrichtung zur Laserstrahlabtastung einer Oberfläche eines zu überprüfenden Werkstücks unter Verwendung eines Drehspiegels beschrieben. In den F i g. 3,4 und 5 wird das zu überprüfende Werkstück fortwährend in die durch einen Pfeil gekennzeichnete Richtung befördert. Über einer der beiden Oberflächen des Werkstücks 4 (in dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Oberseite) sind ein Laserstrahlgenerator 12, ein Drehspiegel 13 und ein Drehantrieb 14 befestigt.

Unter der anderen Oberfläche des Werkstücks (im gezeigten Ausführungsbeispiel der Unterseite) ist eine Vielzahl von elektromagnetischen Ultraschallsonden 5 in bestimmtem Abstand entlang der Breite senkrecht zur Förderrichtung des Werkstücks 4 angeordnet.

!5 Der Drehspiegel 13 besteht aus einem regelmäßigen polygonalen Prisma (im gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem sechseckigen Prisma), wobei eine entlang der Mittelachse vorgesehene Welle 131 parallel zur Förderrichtung des Werkstücks 4 ausgerichtet ist. Der Drehspiegel 13 wird durch den Drehantrieb 14 in Drehung versetzt. Auf dem Drehspiegel 13 befinden sich η Flächen, die die Umfangsfläche des polygonalen Prismas darstellen (in dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind es sechs Flächen) und als Reflexionsflächen 132 ausgebildet sind. Wie aus F i g. 5 ersichtlich, ist der Drehspiegel 13 in einem angemessenen Abstand von der Oberfläche des zu überprüfenden Werkstücks 4 derart angeordnet, daß der nahe einem vorderseitigen Ende R der Reflexionsfläche 132 — in bezug auf die Drehrichtung des Drehspiegels 13 — einfallende Laserstrahl L zum einen Rand O\ des Werkstücks 4 reflektiert wird und daß der Laserstrahl, der nahe einem rückwärtigen Ende R₂ der Reflexionsfläche 132 — in bezug auf die Drehrichtung des Drehspiegels 13 — einfällt, zum anderen Rand O₂ des Werkstücks 4 reflektiert wird.

Der Laserstrahlgenerator 12 ist nach oben gerichtet und in einem bestimmten Höhenwinkel in einer, die Welle 131 des Drehspiegels 13 einschließenden senkrechten Ebene, auf den unteren Teil der Reflexionsfläehe 132 des Drehspiegels 13 gerichtet Der Lasergenerator 12 besteht beispielsweise aus eine YAG: Nd-Laser (Yttrium-Aluminium-Granat: Nd-Laser), der eine im Infrarotbereich liegende Wellenlänge aufweist und mit dem sehr kurze impulsförmige Laserstrahlen (Fig. 1) in einer bestimmten Periode ausgesendet werden können.

Der Laserstrahl trifft auf die Reflexionsfläche 132, die

sich zur Unterseite des Drehspiegels 13 hin bewegt hat, wird reflektiert und trifft dann auf die Oberfläche des zu überprüfenden Werkstücks 4. Der Drehspiegel 13 wird

so durch den Drehantrieb 14 gedreht Wie in F i g. 5 gezeigt, wird der Projektionspunkt des Laserstrahls auf der Oberfläche des zu überprüfenden Werkstücks 4 in der Breite des Werkstücks 4 in Erwiderung auf die Winkeländerung der Reflexionsfläche 132 bewegt, so daß demzufolge die Oberfläche des Werkstücks 4 entlang des Weges S — wie in F i g. 3 gezeigt — abgetastet wird. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel wird als regelmäßiges polygonales Prisma ein sechsseitiges Prisma mit einer Geschwindigkeit von 1/6 Hz gedreht Der impulsförmige Laserstrahl trifft mit einer Frequenz von 100 Hz auf. Während einer Drehung des Drehspiegels 13 um 360° In (im Ausführungsbeispiel 60°) wird der auf den Drehspiegel 13 einfallende Laserstrahl etwa um 720°Ίπ (in dem Ausführungsbeispiel 120°) abgelenkt,

durch die Reflexionsflächen 132 reflektiert und auf 100 Punkte projiziert, die sich in gleichmäßigem Abstand über die Breite des Werkstücks 4 verteilen. Demgemäß kann durch eine einzige Abtastung in Richtung der Brei-

te des zu überprüfenden Werkstücks 4 das Werkstückmaterial an 100 Stellen bzw. Punkten überprüft werden. Ebenso kann man durch Verdoppelung der Rotationsgeschwindigkeit des Drehspiegels auf 1/3 Hz durch eine einzige Abtastung in Richtung der Breite des Werkstücks 4 das Material an 50 Punkten überprüfen.

Der Abtastbereich des Laserstrahls kann beliebig eingestellt werden, indem man den Drehspiegel 13 in Form eines geeigneten regelmäßigen polygonalen Prismas ausführt und den Drehspiegel 13 in einem entsprechenden Abstand zum Werkstück 4 anordnet. Die Abtastgeschwindigkeit kann beliebig variiert werden, indem man die Rotationsgeschwindigkeit des Drehspiegels 13 durch den Drehantrieb 14 entsprechend einstellt. Der Abstand zweier benachbarter Strahlorte des Laserstrahls auf der Oberfläche des zu überprüfenden Werkstücks 4 kann durch Änderung der Emissionsperiode des Laserstrahls beliebig gewählt werden.

Durch den Aufprall des Laserstrahls wird eine Ultraschallwelle in dem zu überprüfenden Werkstück 4 erzeugt. Diese Ultraschallwelle wird durch die Ultraschallsonde 5 empfangen und zum Fehlerdetektor 7 übertragen. Ein Rotationssynchronisiersignal für den Drehspiegel 13 wird vom Fehlerdetektor 7 vorgesehen und die empfangenen Echos, die den Abtastpunkten des Laserstrahls entsprechen, werden im Bildschirm des Fehlerdetektors 7 angezeigt.

Eine Projektion des Laserstrahls auf das zu überprüfende Werkstück 4 wird — unter den oben beschriebenen Bedingungen — an 100 Punkten (Strahlorten) durchgeführt Die Ultraschallsonden 5 können unterhalb des Werkstücks 4 angeordnet sein, und zwar für jeden Strahlort eine Sonde oder in einer verringerten Anzahl, so daß dann eine Sonde mehrere Projektionspunkte erfaßt. Der Ultraschallwellenempfang mit Hilfe der Ultraschallsonden 5 wird elektrisch oder mechanisch synchron mit der Abtastung des Laserstrahls durchgeführt

Das gezeigte Ausführungsbeispiel, bei dem die Ultraschallsonden 5 auf der dem Drehspiegel 13 abgewandten Seite des Werkstücks 4 angeordnet sind, stellt ein Durchstrahlungsverfahren dar. Jedoch können die Ultraschallsonden 5 auch auf der gleichen Seite, auf der sich der Drehspiegel 13 befindet, vorgesehen werden, um ein Reflexionsverfahren durchführen zu können. Weiterhin kann eine Oberflächenwellensonde zum Erfassen von Oberflächenfehlern benutzt werden.

Wie aus F i g. 5 ersichtlich, ändert sich der Einfallswinkel des Laserstrahls vom Drehspiegel 13 zur Oberfläche des zu überprüfenden Werkstücks 4 mit der Lage des Strahlorts. Die experimentellen Ergebnisse gemäß F i g. 2 bestätigen, daß die Variation des Einfallswinkels des Laserstrahls nur geringe Auswirkungen auf den Ultraschallerzeugungspegel hat In der Tat ist die Abnahme des Ultraschallerzeugungspegels mit der Zunahme des Einfallswinkels, wie aus F i g. 2 ersichtlich, so gering, daß die Fehlerprüfung dadurch nur wenig beeinträchtigt wird.

Mit Bezug auf die Fig.6 bis 15 wird im folgenden eine Vorrichtung zur Überprüfung eines Werkstücks mit relativ großer Breite beschrieben. Die F i g. 6,7 und 8, die den Fig.3, 4 bzw. 5 entsprechen, zeigen das Grundprinzip der Vorrichtung zum Abtasten der Oberfläche des Werkstücks. In diesen Figuren sind hinsichtlich der verschiedenen Ansichten gleiche Teile mit einer gleichen Bezugsnummer bzw. Bezeichnet versehen, so daß sich eine detaillierte Erläuterung hierzu erübrigt

Die in den F i g. 6,7 und 8 gezeigte Vorrichtung unterscheidet sich von der in den F i g. 3, 4 und 5 gezeigten Vorrichtung in den folgenden vier Punkten. Erstens ist eine Vielzahl von Drehspiegeln 13a, 136,13c... (drei im Ausführungsbeispiel) längs der Breite des zu überprüfenden Werkstücks 4 in vorbestimmtem Abstand angeordnet. Zweitens ist zwischen dem Drehantrieb 14 und den Drehspiegeln 13a, 136, 13c... ein Getriebesystem 16 zur gemeinsamen Drehung der Vielzahl von Drehspiegeln zwischengeschaltet. Drittens sind mehrere teilweise durchlässige Spiegel 15a, 156, 15c ... entsprechend den Drehspiegeln 13a, 136 bzw. 13c... vorgesehen, um den Laserstrahl L vom Laserstrahlgenerator 12 auf die Drehspiegel umlenken zu können. Der am Ende des Aufbaus angeordnete Spiegel ist ein total reflektierender Spiegel. Viertens sind die Sonden entsprechend dem Prinzip des Reflexionsverfahrens angeordnet Die Ultraschallsonden 5 können jedoch auch nach dem Prinzip des Durchstrahlungsverfahrens, wie in Fig.5 gezeigt, angeordnet werden.

Wie aus F i g. 6 ersichtlich, trifft der von dem Laserstrahlgenerator 12 emittierte Laserstrahl L auf eine Reflektorgruppe, die aus einer Vielzahl (im Ausführungsbeispiel sind es zwei) parallel angeordneter, teilweise durchlässiger Spiegel 15a, 156 und einem total reflektierenden Spiegel 15c besteht. Diese Spiegel sind entlang der Ablenkung des Laserstrahls angeordnet, wobei diese zum Laserstrahl in einem bestimmten Winkel (im Ausführungsbeispiel 45°) liegen. Die teilweise durchlässigen Spiegel 15a, 156 und der hinter diesen angeordnete total reflektierende Spiegel 15c sind jeweils über der Mitte von drei gleich breiten, sich senkrecht zur Förderrichtung des Werkstücks 4 erstreckenden Bereiche angeordnet Die teilweise durchlässigen Spiegel 15a und 15b weisen einen Durchlässigkeitsfaktor von 2/3 bzw. 1/2 auf. Demzufolge wird ein Drittel der gesamten Menge des von dem Lasergenerator 12 emittierten Laserstrahls L durch den teilweise durchlässigen Spiegel 15a abgelenkt Zwei Drittel der gesamten Menge des Laserstrahls L wird durch den teilweise durchlässigen Spiegel 15a durchgelassen und erreicht den teilweise durchlässigen Spiegel 156 und wird dadurch zur Hälfte der einfallenden Menge oder zu einem Drittel der gesamten Menge des Laserstrahls reflektiert, während die andere Hälfte der auf den teilweise durchlässigen Spiegel 156 einfallenden Menge oder ein Drittel der gesamten Menge des Laserstrahls L durch den teilweise durchlässigen Spiegel 156 hindurchgelassen und an dem Spiegel 15c total reflektiert wird. Insgesamt gesehen beträgt die Menge des durch jeden der teilweise durchlässigen Spiegel 15a,

so 156 und des total reflektierenden Spiegels 15c abgelenkten Lichts ein Drittel der von dem Laserstrahlgenerator 12 emittierten Menge des Laserstrahiiichts. Somit treffen die drei parallelen Laserstrahlen jeweils mit gleicher Lichtmenge auf die unterseitigen Flächen der entsprechend angeordneten Drehspiegel 13a, 136 bzw. 13c auf.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel besteht die Reflektorgruppe aus drei Elementen, nämlich aus zwei teilweise durchlässigen Spiegeln und einem total reflektierenden Spiegel. Im allgemeinen kann die Reflektorgruppe insgesamt aus π Elementen bestehen, nämlich aus n— 1 teilweise durchlässigen Spiegeln und einem total reflektierenden Spiegel. Bei diesem allgemeinen Aufbau werden die Durchlässigkeitsfaktoren der nacheinander entlang des Weges des Laserstrahls L angeordneten Spiegeln zu(n— \)ln,(n—2)/(n— \\... 1/2, bestimmt, so daß der Laserstrahl L in π gleiche Teile, die auf die entsprechenden Drehspiegel auftreffen, aufgespalten wird.

Das gezeigte Ausführungsbeispiel wird unter Verwendung eines total reflektierenden Spiegels 15c beschrieben, der den Laserstrahl auf den letzten Drehspiegel 13c ablenkt. Jedoch kann der total reflektierende Spiegel auch durch einen teilweise durchlässigen Spiegel ersetzt werden, so daß die Reflektorgruppe nur noch aus teilweise durchlässigen Spiegeln besteht. Bei dieser Anordnung besitzen die teilweise durchlässigen Spiegel, die näher am Laserstrahlgenerator 12 liegen, einen größeren Durchlässigkeitsfaktor als bei vorstehend beschriebenem Ausführungsbeispiel, so daß die Mengen des abgelenkten Lichts, die auf die Drehspiegel auftreffen, jeweils gleich groß sind.

Bei der Anordnung, bei der die Reflektorgruppe nur aus teilweise durchlässigen Spiegeln besteht, wird ein Tei! des Laserstrahls durch den den total reflektierenden Spiegel 15c ersetzenden, teilweise durchlässigen Spiegel aus der Reflektorgruppe heraus übertragen. Jedoch kann, wie im folgenden beschrieben, der abgeleitete Teil des Laserstrahls zur Synchronisierung der Drehung der Drehspiegel mit dem Abtastvorgang der Ultraschallsonden 5 herangezogen werden.

Die Drehspiegel 13a, 136 und 13c sind oberhalb der Bereiche des zu überprüfenden Materials 4 angeordnet, und zwar in gleichem Abstand von den teilweise durchlässigen Spiegeln 15a und 15b bzw. dem total reflektierenden Spiegel 15c in Förderrichtung des Werkstücks 4. Die Drehspiegel 13a, 136 und 13c sind mit dem Drehantrieb 14 über das Getriebesystem 16 in Form eines Steuer- bzw. Synchronisierriemens oder eines Getriebes derart verbunden, daß die Drehspiegel in gleiche Richtung und mit gleicher Geschwindigkeit angetrieben werden können.

Wie aus F i g. 8 ersichtlich, sind die Drehspiegel 13a, 136 und 13c in Form von sechskantigen Prismen ausgeführt, die auf der Außenfläche sechs Reflexionsflächen 132a, 1326 bzw. 132c und parallel zur Förderrichtung des Werkstücks 4 ausgerichtete Wellen 131a, 1316 bzw. 131c aufweisen. Die Laserstrahlen L, die durch die teilweise durchlässigen Spiegel 15a und 156 sowie den total reflektierenden Spiegel 15c abgelenkt werden, treffen auf die unterseitigen Reflexionsflächen (d. h. auf die der Oberseite des zu überprüfenden Werkstücks 4 gegenüberliegenden Reflexionsflächen) 132a, 1326 bzw. 132c der Drehspiegel 13a, 136 bzw. 13c auf, werden dort reflektiert und treffen dann auf die entsprechenden Bereiche des Werkstücks 4 auf. Während sich die Drehspiegel 13a, 136 bzw. 13c um 60' um die Wellen 131a, 1316 bzw. 131c drehen, verschieben sich die Strahlorte der reflektierten Laserstrahlen L nach und nach über einen Winkel von etwa 120°, und zwar von dem einen

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Obwohl die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel dargestellten Drehspiegel als regelmäßige sechskantige Prismen ausgeführt sind, können diese ebenso in anderen Formen, wie z. B. in Form von regelmäßigen acht- oder zwölfseitigen Prismen usw. ausgestaltet werden.

Werden Drehspiegel in Form von polygonalen Prismen verwendet, so ergibt sich, da die Reflexionsrichtung des Laserstrahls um etwa 720° In variiert, folgender Zusammenhang:

Je kleiner die Werte von η sind, desto breiter wird der Projektionsbereich, nämlich der Fehlerprüfbereich am Werkstück 4 durch den Laserstrahl. Andererseits, je größer die Werte von π sind, desto enger wird der Fehlerprüfbereich. Durch Änderung des Wertes von π kann die Breite des Fehlerprüfbereichs des Laserstrahls beliebig eingestellt werden. Die Breite des Fehlerprüfbereichs kann ebenso dadurch eingestellt werden, daß man die Höhe der Drehspiegel bezüglich der Oberfläche des zu überprüfenden Werkstücks 4 ändert.
Mit Bezug auf die F i g. 9 bis 15 wirrl ein detaillierter Aufbau und die Wirkungsweise einer Abtastvorrichtung beschrieben. Die F i g. 9 und 10 stellen Ansichten dar, die im wesentlichen den der F i g. 8 und 7 entsprechen. Die F i g. 9 und 10 zeigen in spezieller Weise eine Wellenleitung 100, die zur Führung des Laserstrahls L entlang eines bestimmten Weges dient, den Drehspiegel 13a, Sektorwellenleitungen 101 zur Führung der von den Drehspiegeln reflektierten Laserstrahlen, wärmebeständige Gläser 110, der !>ehantrieb 14, das Getriebesystem 16, einen Taktsignalgenerator 200, eine Sondenhaltevorrichtung 300 und eine Abdeckung 103 zum Schutz des Drehantriebs, des Getriebesystems und der Drehspiegel.

Diese Teile und Mechanismen sind, obwohl in den Zeichnungen nicht gezeigt, individuell oder untereinander mit geeigneten hitzebeständigen bzw. wasserkühlenden Konstruktionen versehen. Beispielsweise bestehen die Wellenleitung 100 und die Abdeckung 103 aus einer doppelwandigen Konstruktion, und die Sektorwellenleitungen 101 werden durch Kühlrohre gekühlt.

Mit Bezug auf die Fig. 11 bis 14 wird im folgenden der Taktsignalgenerator 200 beschrieben. Bei oü:l.t. Ausführungsbeispiel ist der Drehspiegel 13 in Form eines regelmäßigen, achtseitigen Prismas ausgebildet und führt fünf Schritte einer intermittierenden zusätzlichen Drehung bezüglich einer Reflexionsfläche 132 durch. Der Taktsignalgenerator 200 ist somit derart ausgestaltet, daß, während der Drehspiegel in Ruhe ist, ein impulsförmiger Laserstrahl ausgesendet wird. Demgemäß stellt der Taktsignalgenerator 200 die Synchronisation zwischen der intermittierenden zusätzlichen Drehung des Drehspiegels 13, der von dem impulsförmigen Laserstrahl abgetasteten Ultraschall-Schwingungsstelle und der elektromagnetischen Ultraschallsonde 5, die die Empfangsstelle darstellt, sicher.

Der Taktsignalgenerator 200 hat einen üblichen Aufbau und weist eine Drehscheibe 210, eine Lichtquelle 220 und einen Lichtdetektor 230 auf. Die Drehscheibe 210 ist mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern 211 versehen, die in einer bestimmten Lagebeziehung — wie aus Fig. 12 ersichtlich — verteilt sind. Die Lagebeziehung der Durchgangslöcher 211 in der Drehscheibe 210 wiederholt sich für jeden Reflexionsoberflächenwinkel #(im gezeigten Ausführungsbeispiel ist ©gleich 20°). Bei einem Reflexionsoberflächenwinkel ösind die Durchgangslöcher 211 an Stellen vorgesehen, die für jeden stufenweisen zusätzlichen Drehwinkel Φ (im gezeigten Aüsführungsbeispiel beträgt Φ = 4°) vorbestimmt sind. Der Lichtstrahl, der durch eines der Durchgangslöcher 211 hindurchgelassen wird, wird durch den vorbestimmten Lichtdetektor 230 erfaßt und durch eine in F i g. 14 dargestellte Steuereinheit weiterverarbeitet Beträgt der Reflexionsoberflächenwinkel θ = 20°,

der Radius des Laserstrahls etwa 8 mm und der Radius des Drehspiegels etwa 300 mm, so ergibt sich in F i g. 13 der schrittweise zusätzliche Drehwinkel Φ vorzugsweise zu 2°, 6°, 10°, 14° oder 18° im Hinblick auf das Vorhandensein der Totzonen an den Kanten des Drehspiegels.
F i g. 14 zeigt eine schematische Anordnung einer Abtaststeuereinheit für einzelne oder eine Gruppe von elektromagnetischen Ultraschallsonden 5. Die F i g. 15A bis 15F stellen Signaldiagramme dar, die die Arbeitsweise der Steuereinrichtung der F i g. 14 verdeutlichen. Ein

Impuls- bzw. Schrittmotor 141 des Drehantriebs 14 führt eine schrittweise zusätzliche Drehung in Erwiderung auf ein von einem Oszillator 142 empfangenes Impulssignal durch (während »EIN« in F i g. 15A).

Ein in F i g. 15B dargestelltes Signal, das in einer vorbestimmten Periode von einem ersten Lichtdetektor 231 übertragen wird und ein in Fig. 15C dargestelltes Signal, das um eine bestimmte Zeitdauer verzögert ist und von einem voreinstellbaren Zähler 143 herrührt, werden an den Oszillator 142 angelegt, der wiederum in einem bestimmten Zeitablauf »EIN-AUS« gemäß Fig. 15A wiederholt.

Während der Schrittmotor 141 anhält, empfängt die elektromagnetische Ultraschallsonde 5a ein Signal von einem zweiten Lichtdetektor 232 und ein Signal (Fig. 15C) von dem voreinstellbaren Zähler 143 und wird in Empfangsstellung (F i g. 15D) für eine bestimmte Zeitdauer betrieben. Zu diesem Zeitpunkt empfängt die elektromagnetische Ultraschallsonde 5 einen Ultraschallimpuls, der von einem impulsförmigen Laserstrahl L von bestimmter, sich wiederholender Frequenz (Fig. 15E) herrührt und überträgt die Ergebnisse der Fehlersuche an den Fehlerdetektor 7. Der Laserstrahl L wi. ·.! dabei von dem Laserstrahlgenerator 12 erzeugt

Der voreinstellbare Zähler 143 wird durch ein Rücksetzsignal vom ersten Lichtdetektor 231 zurückgesetzt (Fig. 15F) und beginnt die Laserschwingungsimpulse von dem Laserstrahlgenerator 12 zu zählen. Ist ein bestimmter Wert gezählt, so überträgt der Zähler 143 das Signal gemäß F i g. 15C und beendet den Zählvorgang.

Anschließend dient ein Signal von einem dritten Lichtdetektor 233 als Startsignal für die elektromagnetische Ultraschallsonde 5b. Der gleiche Vorgang wiederholt sich dann bezüglich der Sonden 5c; 5c/und Se nacheinander für jede schrittweise zusätzliche Drehung des Schrittmotors.

Mit Bezug auf die Fig. 16 bis 21 werden Ausführungsbeispiele der elektromagnetischen Ultraschallsonde 5 beschrieben. Die in den Fig. 16 und 17 gezeigte Ultraschallsonde 5a ist für Longitudinalwellen, die in den Fig. 18 und 19 gezeigte Ultraschallsonde Sb für Transversalwellen und die in den F i g. 20 und 21 gezeigte Ultraschallsonde 5c für Oberflächenwellen geeignet.

In den Fig. 16 und 17 kennzeichnet das Bezugszeichen 51 ein wasserdichtes Gehäuse, das folgende Teile aufweist: eine zylindrische Seitenwand 511, eine scheibenförmige obere Deckplatte 512, die mit dem oberen Ende der Seitenwand 511 integrierend verbunden ist eine scheibenförmige Bodenplatte 514, die am unteren Ende der Seitenwand 511 mit dieser über eine Dichtung 513 verschraubt ist und deren Mittelbereich in Art einer runden öffnung ausgeschnitten ist sowie eine Keramikplatte 515 aus hochwiderstandsfähigem und hitzebeständigem Material wie z. B. einem hochlegierten Aluminiummaterial; diese Keramikplatte ist in die zentrale öffnung der Bodenplatte 514 eingepaßt und mit dieser mit einem hitzebeständigen Klebstoff verklebt Die obere Deckplatte 512, die Seitenwand 511 und die Bodenplatte 514 sind aus nichtmagnetischem Material, wie z. B. aus austenitischem, rostfreiem Stahl od. dgl, gefertigt

Das Bezugszeichen 52 bezeichnet einen zentralen Pol aus magnetischem Material, wobei die obere Hälfte ein quadratisches Prisma darstellt, dessen horizontale Seite etwas langer als ein Drittel des Innendurchmessers des Gehäuses ist Die untere Hälfte läuft nach unten trichterförmig in Art eines umgekehrten konischen Kegelstumpfes zu. Die Höhe des zentralen Pols 52 ist etwas geringer als die Innentiefe des Gehäuses 51. Der zentrale Pol 52 ist in der Mitte des Gehäuses 51 derart angeordnet, daß sich die Oberfläche gegenüber dem Mittelteil der oberen Deckplatte 512 und die untere Fläche

s gegenüber dem Mittelteil der Keramikplatte 515 befindet.

Auf der Umfangsfläche des zentralen Pols 52 sind von oben nach unten folgende Teile vorgesehen:
Ein oberes Joch 53, ein ein statisches Magnetfeld bildender Permanentmagnet 54 und ein unteres Joch 55. Das obere Joch 53 besteht aus magnetischem Material, das in Form eines dicken Ringe'! mit einer zentralen Öffnung ausgebildet ist, dessen Durchmesser im wesentlichen der horizontalen Seitenlänge der oberen Hälfte des zentralen Pols 52 entspricht. Am oberen Ende der Innenwand des oberen Jochs 53 ist eine vergrößerte, kreisförmige Abstufung vorgesehen, in die ein an dem vorderen Ende des Pols 52 befindlicher Flansch 521 derart eingepaßt ist, daß der Pol 52 und das obere Joch 53 mit Hilfe mehrerer Gewindestifte 522 miteinander verbunden werden können. Das obere Joch 53 ist selbst mittels mehrerer Gewindestifte 531 an der oberen Deckplatte gehalten.
Der Permanentmagnet 54 ist ringförmig und weist eine Anzahl kleiner Würfel aus einem Edelerde-Magneten (wie z. B. Yttrium-Eisen-Granat) auf, die fest miteinander zur Ringform verbunden sind, wobei die Nordpole nach oben und die Südpole nach unten gerichtet sind. Der Permanentmagnet 54 weist einen Innendurch-

messer auf, der der zentralen öffnung des oberen Jochs

53 entspricht und eine Höhe, die etwa der Hälfte des zentralen Pols 52 entspricht Der Permanentmagnet 54 wird auf die Außenseite des zentralen Pols 52 derart aufgepaßt, daß er sich von der quadratischen, prismatisehen oberen Hälfte zu der in Form eines umgekehrten konischen Kegelstumpfes ausgebildeten unteren Hälfte des Pols 52 erstreckt Der Permanentmagnet 54 ist mit der oberen Fläche an der unteren Fläche des oberen Jochs 53 angeklebt

Das untere Joch 55 besteht aus einem magnetischen Material und ist von einer quadratischen, dünnen, schalenförmigen Form, wobei der mittlere Bereich kreisförmig herausgeschnitten ist. Das untere Joch 55 ist an der unteren Fläche des Permanentmagneten 54 mittels mehrerer Gewindestifte 551 befestigt Der Innendurchmesser der zentralen öffnung des unteren Jochs 55 am oberen Ende entspricht dem des Permanentmagneten

54 oder des oberen Jochs 53. Jedoch ist der Innendurchmesser der zentralen öffnung des unteren Jochs 55 kleiner als der Durchmesser am oberen Ende, so daß die unterseitige Innenkante 552 mit einem verhältnismäßig kleinen Zwischenraum der Umfangsfläche des unteren Endes des Pols 52 gegenüberliegt In diesem Zwischenraum bzw. Spalt ist eine Spule 56 mit mehreren Windungen angeordnet die das untere Ende des zentralen Po!s 52 umgibt Die gegenüberliegenden Enden der Spule 56 sind mit einem Kabel 561 verbunden, das sich von der Unterseite des unteren Jochs 55 an dessen Seite nach oben zu einem Anschluß 562 für externe Geräte erstreckt

Der A'ißendurchmesser des oberen und unteren Jochs 53 und 55 sowie des Permanentmagneten 54 sind so bestimmt daß sich ein äußerer ringförmiger Raum 516 zwischen diesen und der Seitenwand 511 des Gehäuses ergibt Die obere Deckplatte 512 ist mit jeweils zwei langen Wasserrohren 57a und z-wei kurzen Wasserrohren 576 versehen, die wechselweise entlang der Umfangsfläche der Deckplatte 512 in gleichem Winkel-

abstand angeordnet sind, damit der äußere ringförmige Raum 516 mit der Außenseite in Verbindung steht. Die kurzen Wasserrohre 57 6 erstrecken sich mit ihren unteren Enden ein wenig unter die Deckplatte 512 und die langen Wasserrohre 57a erstrecken sich mit ihren unteren Enden bis nahe an die Bodenplatte 514. Die langen Wasserrohre 57a stehen mit einer externen Wasserquelle (nicht gezeigt) in Verbindung, um Wasser als Kühlmedium, wie durch die Pfeile angedeutet, in das Gehäuse 51 einführen zu können. Die kurzen Wasserrohre 576 hingegen dienen, wie durch die Pfeile angedeutet, zum Ausschleusen des Wassers aus dem Gehäuse 51.

Da die untere Hälfte des zentralen Pols Ki in Form eines umgekehrten konischen Kegelstanipfes ausgebildet ist, entsteht zwischen der unteren Hälfte des Pols 52 und der inneren Umfangsfläche des Permanentmagneten 54 ein Innenraum 541. Auf der äußeren Umfangsfläche der prismatischen oberen Hälfte des zentralen PoU 52 sind eine angemessene Zahl von senkrechten Kanälen 542 vorgesehen, damit der Innenraum 541 mit einem kleinen Zwischenraum 53Γ in Verbindung steht Dieser Zwischenraum 531' wird zwischen der Oberfläche des zentralen Pols 52 und der Unterseite der oberen Deckplatte 512 ausgebildet Die obere Deckplatte 512 ist mit zwei Wasserrohren 58 versehen, die symmetrisch bezüglich der Mitte der oberen Deckplatte 512 angeordnet sind, damit der kleine Zwischenraum 531' mit der Außenseite in Verbindung steht Eines der Wasserrohre 58 steht mit einer Wasserquelle in Verbindung, damit Wasser, wie durch einen Pfeil angedeutet, in das Gehäuse eingeführt werden kann. Das andere Wasserrohr 58 dient hingegen zum Ausschleusen des Wassers aus dem Gehäuse, wie dies durch einen Pfeil angedeutet ist Anstelle der senkrechten Kanäle 542 können ebenso im zentralen Pol 52 Wasserlöcher vorgesehen werden, damit der kleine Zwischenraum 531' mit dem Innenraum 541' in Verbindung steht

Wie oben beschrieben, wird das Innere des Gehäuses 51 mit Wasser gekühlt, das von einer externen Quelle geliefert wird. Aus diesem Grund sind der Permanentmagnet 54, das obere und untere Joch 53 und 55 und der zentrale Pol 52 mit einem Rostschutz oder an den Umfangsflächen mit einem Metall zur Verhinderung von Korrosion überzogen.

Der Magnetkreis der Ultraschallsonde 5a für Longitudinalwellen weist den das statische Magnetfeld bildenden Permanentmagneten 54, das obere und untere Joch 53 und 55 und den zentralen Pol 52 auf. Da der magnetische Fluß zwischen dem zentralen Pol 52 u-.;d dem unteren Joch 55 nach außen tritt, wird das; zu überprüfende Material, das gegenüber der Bodenplatte 514 bzw. der Keramikplatte 515 angeordnet wurde, mit einem statischen Magnetfeld parallel zur Oberfläche des Werkstücks 4 beaufschlagt

Mit Bezug auf die F i g. 18 und 19 wird die Sonde 56 für Transversalwellen beschrieben. In den Fig. 18 und 19 sind die gleichen, der Fig. 16 und der Fig. 17 entsprechenden Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Das Gehäuse 51 ist wasserdicht und weist die Seitenwand 511, die obere Deckplatte 512, die Bodenplatte 514 und die Keramikplatte 515, entsprechend dem Gehäuse 51 der F i g. 26 und 27 auf. Die Seitenwand 511, die obere Deckplatte 512 und der Verbindungsteil der Bodenplatte 514 mit der Seitenwand bestehen aus einem magnetischen Material, wie z. B. einem ferritischen, rostfreien Stahl, wohingegen der Mittelteil der Bodenplatte 514 mit Ausnahme des Verbindungsteils aus ei nem nichtmagnetischen Material, wie z. B. einem austenitischen rostfreien Stahl SUS 304 besteht Der Permanentmagnet 54 ist prismatisch geformt und besteht aus einer Anzahl kleiner Würfel eines Edelerde-Magneten, die fest miteinander zu der prismatischen Form verbunden sind, wobei die Nordpole nach oben und die Südpole nach unten gerichtet sind. Die Höhe des Permanentmagneten 54 ist etwas geringer als die innenseitige Tiefe des Gehäuses Sl und die horizontale Länge etwa ein

ίο Drittel des Innendurchmessers der Seitenwand 511. Der Permanentmagnet 54 ist innerhalb einer Halterung 59 aus Kupferblech fest eingepaßt Die Halterung 59 stellt einen quadratsehen Tubus mit Boden dar. Die Halterung 59 ist h der Mitte des Gehäuses 51 angeordnet wobei die urtat: Fläche der Halterung 59 der oberen Fläche der Keramikplatte 515 mit einem kleinen Spalt dazwischen gegenüberliegt Die Halterung 59 ist mit ihrem oberen Flansch mit Schrauben an der Unterseite der oberen Deckplatte 512 und somit am Gehäuse 51 befestigt

Die Spule 56 ist in dem kleinen Spalt zwischen der Halterung 59 und der Keramikplatte 515 angeordnet und ist konzentrisch zur Halterung 59 bzw. dem Permanentmagneten 54 an der Unterseite der Halterung 59 mit einem hit.ebeständigen Kleber aufgeklebt Die gegenüberliegenden Enden der Spule 56 sind über das Kabel 561, das sich innerhalb des ringförmigen, durch die Seitenwand 511 und der Halterung 59 gebildeten Raums 516 erstreckt, mit einem Anschluß 562 verbun den, der auf der oberen Deckplatte 512 zur Verbindung mit externen Geräten befestigt ist

Die obere Deckplatte 512 ist mit zwei langen Wasserrohren 57a, deren untere Enden bis in die Nähe der Bodenplatte 514 reichen, und zwei kurzen Wasserroh ren 57b versehen, die ein wenig unter die Deckplatte 512 reichen. Diese Rohre sind wechselweise entlang der Umfangskante in gleichem Winkelabstand zueinander angeordnet Die langen Wasserrohre 57a stehen mit der externen Wasserquelle (nicht gezeigt) in Verbindung, damit Wasser, wie durch den Pfeil verdeutlicht in das

Gehäuse 51 eingeführt werden kann. Durch die kurzen Wasserrohre 576 wird das Wasser, wie durch die Pfeile

dargestellt, wieder ausgeschleust

Der Magnetkreis der Ultraschallsonde 56 für Trans-

versalwellen besteht aus dem ein statisches Magnetfeld bildenden Permanentmagneten 54 und dem Gehäuse 51. Da der Magnetfluß zwischen dem Permanentmagneten 54 und der Umfangskante der Bodenplatte 514 des Gehäuses 51 nach außen austritt, wird das z.u überprüfende

so Werkstück 4, das gegenüber der Umfangskante der Bodenplatte 514 bzw. der Keramikplatte 515 in Stellung gebracht wurde, mit einem statischen Magnetfeld senkrecht zur Oberfläche beaufschlagt. Mit Bezug auf die F i g. 20 und 21 wird die Ultraschall sonde 5c für Oberflächenwellen beschrieben. In der Fig. 20 und 21 werden für die den Fig. 16 und 17 entsprechenden Teile gleiche Bezugszeichen verwendet.

Das Gehäuse 51 ist wasserdicht ausgeführt und weisi die Seitenwand 511, die obere Deckplatte 512, die Bo denplatte 514 und die Keramikplatte 515 auf, wie im FaI der F i g. 16 und 17 sowie der F i g. 18 und 19. Die Seitenwand 511, die obere Deckplatte 512 und die Bodenplatt« 514 bestehen aus nichtmagnetischem Stahl, wie ζ. Β SUS 304. Der Permanentmagnet 54 ist prismatisch ge formt und besteht aus einer Anzahl kleiner Würfel au; Edelerde-Magneten. Diese Würfel sind in Form de: Prismas fest miteinander verbunden, wobei die Nord und Südpole in horizontaler Richtung liegen. Der Per

manentmagnet 54 weist die unteren Joche 552 auf, die an den gegenüberliegenden Seitenflächen des Permanentmagneten 54 angeklebt und an der oberen Deckplatte 512 mit Hilfe von Schrauben 531 befestigt sind.

Die Spule 56 ist mit einem h'tzebeständigen Klebstoff an der Keramikplatte 535 befestigt. Die Spule 56 stellt, wie in Fig.20 gezeigt, eine Zickzack-Spule dar, wobei der Abstand gleich der halben zu erfassenden Wellenlänge ist Die gegenüberliegenden Enden der Spule 56 erstrecken sich entlang der Außenfläche des unteren Jochs 552 zu einem Anschluß 562, der zur Verbindung mit externen Geräten dient

Die obere Deckplatte 512 ist mit zwei langen Wasserrohren 57a, dessen untere Enden nahe an die Bodenplatte heranreichen sowie mit zwei kurzen Wasserrohren 576, deren untere Enden etwas unter die obere Deckplatte 512 reichen, versehen. Diese Rohre sind wechselweise entlang der Umfangskante in gleichem Winkelabstand angeordnet Die langen Wasserrohre 57a führen Wasser von einer externen Wasserquelle, wie durch den Pfeil verdeutlicht, in das Gehäuse 51 ein. Über die kurzen Wasserrohre 576 wird das Wasser aus dem Gehäuse 51, wie durch den Pfeil angedeutet, wieder nach außen ausgeschleust

Der Magnetkreis der Ultraschallsonde 5c für Oberflächenwellen besteht aus dem ein statisches Magnetfeld bildenden Permanentmagneten 54 und den unteren Jochen 55. Da der Magnetfluß zwischen den beiden unteren Jochen 55 austritt, wird das zu überprüfende Werkstück, das gegenüber der Keramikplatte 515 (Spule 56) in Stellung gebracht wurde, mit einem statischen Magnetfeld parallel zur Materialoberfläche beaufschlagt. Da die Spule 56 in einer Zickzack-Anordnung ausgeführt ist und der Strom in zwei benachbarten Windungen in entgegengesetzten Richtungen fließt, fließen auf der Materialoberfläche Wirbelströme in entgegengesetzten Richtungen in einem Abstand von λΙ2 und die senkrechte Schwingung kehrt sich in der Phase im Abstand von Ml um, wodurch Oberflächenwellen hervorgerufen werden.

Die Ultraschallsonden 5a und 5b arbeiten im wesentlichen in der gleichen Weise, nur daß hier Ultraschallwellen in Art von Longitudinalwellen bzw. Transversalwellen vorliegen, und zwar infolge der unterschiedlichen Richtungen der statischen Magnetfelder, die in den zu überprüfenden Werkstücken ausgebildet werden.

Für den Edelerde-Magneten, der Bestandteil des ein statisches Magnetfeld bildenden Permanentmagneten 54 ist, gelten folgende charakteristische Werte:

remanente magnetische Flußdichte 8,5 KG bei 0,1 T,

Koerzitivkraft 8,25 Oe bei 0,1 T,

maximales Energieprodukt 18,0 MGO und

maximale Arbeitstemperatur 250° C.

von 140 bis 150 mm und eine Höhe von 60 bis 100 mm aufweisen. Um die Temperatur des Permanentmagneten 54 niedriger als 25O⁰C (höchste Betriebstemperatur des Edelerde-Magneten) zu halten und um ungünstige Einflüsse infolge der Hitze des eine Temperatur von 800° C bis 1200⁰C aufweisenden und zu überprüfenden Werkstücks zu verhindern, muß die Sonde mit Wasser

— wobei nur zwei bis drei Liter pro Minute ausreichen

— gekühlt werden.

50

55

Die Ultraschallsonde wird — wie aus F i g. 4 oder 5 ersichtlich — in einem Abstand von 0,5—50 mm gegenüber der Oberfläche des zu überprüfenden Werkstücks 4 angeordnet. Hierzu kann die Sonde in einer geeigneten Abstützvorrichtung befestigt oder an der äußeren Umfangskante der Bodenplatte 514 mit einem hitze- und verschleißfestem Schuh von geeigneter Dicke versehen werden, um die Abstützvorrichtung leicht zum Werkstück 4 bewegen zu können, indem diese auf der ober- oder unterseitigen Fläche des Werkstücks 4 gleitet.

Die Ultraschallsonde kann einen Außendurchmesser Hierzu 13 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur berührungslosen Ultraschallfehlerprüfung von Werkstücken mit einem Laser-Strahlgenerator zur Erzeugung eines die Oberfläche des zu überprüfenden Werkstücks linear abtastenden impulsförmigen Laserstrahls, einer in der Nähe der Oberfläche des zu untersuchenden Werkstücks angeordneten Ultraschallsondeneinrichtung zum Erfassen von infolge des Laserstrahleinfalls erzeugten Ultraschallwellen, die sich im Material und entlang der Oberfläche mit unterschiedlichen Wellenmoden fortpflanzen, und einer an die Ultraschallsondeneinrichtung angeschlossenen Anzeigeeinrichtung zur Anzeige der Ergebnisse der Fehlerprüfung, dadurch gekennzeichnet, daß

40

2. Vorrichtung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß

— im Strahlengang des Laserstrahls mehrere teilweise durchlässige Spiegel (15a, \5b) und ein total reflektierender Spiegel (15c) zueinander parallel angeordnet sind und

— in von diesen Spiegeln (15a, 156,15c) reflektierten Strahlengängen jeweils ein Drehspiegel (13a, 136, 13c) angeordnet ist zur Bildung aufeinanderfolgender, zu einer jeweiligen ganzen Ablenkspur zusammengefügter Teilablenkspuren.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der wenigstens eine der Ultraschallsonden als elektromagnetische Ultraschallsonde für Transversalwellen ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß

— für die Ultraschallsonde (5b) für Transversalwellen ein geschlossenes Gehäuse (51) mit einer Deckplatte (512) und einer Seitenwand (511) aus magnetischem Material und einer Bodenplatte (514) aus nichtmagnetischem Material vorgesehen ist,

— ein Permanentmagnet (54), der das Werkstück mit einem senkrecht zur Werkstücksoberfläche verlaufenden statischen Magnetfeld beaufschlagt, mit seiner Oberseite mit der Deckplatte (512) verbunden ist und mit seiner Unterseite der Bodenplatte (514) gegenüberliegt,

— im Zwischenraum zwischen der Bodenplatte (514) und der Unterseite des Permanentmagneten (54) eine Spule (56) vorgesehen ist und

— ein Ringraum (516) im Gehäuse (51) den Permanentmagneten für ein zirkulierendes Kühlmittel umgibt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der wenigstens eine der Ultraschallsonden als elektromagnetische Ultraschallsonde für Oberflächenwellen ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß

ein als polygonales Prisma ausgebildeter Drehspiegel (13) mit seinen Reflexionsflächen den Laserstrahl auf die Oberfläche des zu überprü- —

fenden Werkstücks (4) reflektiert und der Drehspiegel (13) bei Drehung den Laserstrahl entlang einer Geraden ablenkt,
die Ultraschallsondeneinrichtung mehrere Ultraschallsonden (5) für unterschiedliche Aus- —

breitungsarten der Ultraschallwellen aufweist, die entlang bzw. parallel zu der vom Laserstrahl auf der Oberfläche des Werkstücks gebildeten Ablenkspur angeordnet sind, und 30 —

eine Abtaststeuereinrichtung (F i g. 14) an die Ultraschallsonden angeschlossen ist zur Steuerung der Ein- und Ausschaltung der Ultraschallsonden (5) in Abhängigkeit von Taktimpulsen — eines Taktsignalgenerators (200), der in Übereinstimmung mit der Drehspiegelbewegung die Taktimpulse für das Ein- und Ausschalten des Laserstrahls sowie der dem jeweiligen Strahlort zugeordneten Ultraschallsonden liefert.

für die Ultraschallsonde (5c) für Oberflächenwellen ein geschlossenes Gehäuse (51 b) mit einer Deckplatte (5\2b), einer Seitenwand [5Ub) und einer Bodenplatte (5146,) aus nichtmagnetischem Material vorgesehen ist,
ein Permanentmagnet {54b), der das Werkstück mit einem statischen, zur Werkstückoberfläche parallelen Magnetfeld beaufschlagt, mit dem mittleren Teil der Deckplatte (5\2b) verbunden ist,

ein Jochpaar (552) mit seinen obsren Enden mit der Seitenfläche des Permanentmagneten (54) verbunden sind und mit seinen unteren Enden der Bodenplatte (5\4b) gegenüberliegt,
zwischen den unteren Enden des Jochpaars (552) und der Bodenplatte (5146,1 gegenüberliegend eine Spule (56) in Zickzackform angeordnet ist und

für die Zirkulation eines Kühlmittels im Gehäuse (51 b) ein Ringraum vorgesehen ist

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der wenigstens eine der Ultraschallsonden als elektromagnetische Ultraschallsonde für Longitudinalwellen ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß

— für die Ultraschallsonde (5a) für Longitudinalwellen ein geschlossenes Gehäuse (51a) mit einer Deckplatte (512a), einer Seitenwand (511a) und einer Bodenplatte (514a) aus nichtmagnetischem Material vorgesehen ist,

— ein zentraler Pol (52) mit seinen oberen Enden mit dem mittleren Teil der Deckplatte (512a) verbunden ist und mit seinen unteren konischen Enden der Bodenplatte (514a) gegenüberliegt,

— ein oberes ringförmiges Joch (53) aus magnetischem Material ein oberes Ende des zentralen Pols (52) umgibt und mit der Deckplatte (512a) verbunden ist,

— ein ringförmiger Permanentmagnet (54a) an der Unterseite des oberen ringförmigen Joches (53) vorgesehen ist und den mittleren Teil des zentralen Pols (52) umgibt,

— zur Abgabe eines zur Oberfläche des Werkstücks parallelen, statischen Magnetfelds ein unteres ringförmiges Joch (55) aus magnetischem Material an der Unterseite des Permanentmagneten (54a) vorgesehen ist und das untere Ende des zentralen Pols (52) umfassend der Bodenplatte (514a) gegenüberliegt,

— eine Spule (56a) zwischen dem unteren Ende des zentralen Pols (52) und dem unteren ringförmigen Joch (55) angeordnet ist und

— im Gehäuse (51a) ein Ringraum für ein Kühlmittel vorgesehen ist

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus Applied Physics Letters, Vol. 32, Nr. 9. l.Mai 1978, Seiten 538,539, ist eine derartige Vorrichtung zur berührungsiosen Ultraschallfehlerprüfung bekannt, bei dem das zu untersuchende Werkstück in einer speziell ausgebildeten Zelle, welche ein geeignetes Gas und ein empfindliches Mikrophon enthält, angeordnet ist Das Werkstück wird mit einem impulsförmigen Laserstrahl, der senkrecht auf die Werkstücksoberfläche gerichtet ist abgetastet, und mit Hilfe des Mikrophons werden innerhalb des Werkstücks durch den Laserstrahleinfall erzeugte Ultraschallwellen empfangen und aufgezeichnet Die bekannte Vorrichtung läßt sich zur Erfassung der MikroStruktur von Festkörpern, beispielsweise von Siliciumnitritkeramikproben, verwenden, sie ist jedoch ungeeignet bei der Fehlerprüfung von relativ breiten Werkstücken, wie sie beispielsweise in der Stahlherstellung in Form von gewalzten Bändern oder Ausgangsprofilen für das Walzen vorkommen. Mit Hilfe der einzigen, in der gashaltigen Zelle angeordneten Ultraschallsondeneinrichtung in Form eines Mikrophons läßt sich nur ein relativ schmaler abgetasteter Bereich eines Werkstücks von einigen Millimetern Breite erfassen.

Aus Materials Evaluation, Oktober 1977, Seiten 97—99, ist ebenfalls eine Vorrichtung zur berührungslosen Ultraschallprüfung bekannt, bei der ein mit einer Linse fokussierter Laserstrahl mit senkrechtem Einfallswinkel auf die Oberfläche des zu überprüfenden Werkstücks gerichtet wird. Durch Wärmestoß infolge des Einfalls des Laserstrahls werden Ultraschallwellen erzeugt, die sich im Material oder an dessen Oberfläche fortpflanzen und bei denen die Ultraschallwelle mit Hilfe einer an der Rückseite des Werkstücks anliegenden piezoelektrischen Ultraschallsonde erfaßt werden. Auch mit dieser bekannten Vorrichtung können nur Werkstücke mit Abmessungen im Zentimeterbereich im Hinblick auf Fehler überprüft werden, wobei nicht ersichtlich ist, wie im einzelnen die Abtastung des Werkstücks durchgeführt wird.

Ferner ist aus Applied Physics Letters, I. Januar 1968, Seiten 12 bis 14, bekannt, auf der mit dem gepulsten Laserstrahl zu untersuchenden Probe einen Aluminiumfilm aufzubringen, der vom Laserstrahl bestrahlt wird. Die Strahlorte liegen dabei in einer Reihe, wobei durch die an den Strahlorten erzeugte Wärme Ultraschallwellen an der Probenoberfläche erzeugt werden, die mit Hilfe eines Oberflächenwellen erfassenden Wandlers, der auf die Oberfläche aufgesetzt ist, erfaßt werden. Auch bei dieser Vorrichtung lassen sich Werkstücke mit nur geringen Abmessungen überprüfen.

Aufgabe der Erfindung ist as daher, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der bei der Ultraschallfehlerprüfung eine genaue Fehlerortung an Werkstücken mit relativ großer Breite, wie sie bei zu walzenden Ausgangsprofilen oder gewalzten Bändern in der Stahlherstellung vorkommen, erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Die Unteransprüche kennzeichnen Weiterbildungen der Erfindung.

In vorteilhafter Weise wird mit einfachen Hilfsmitteln, nämlich mit Hilfe eines oder mehrerer Drehspiegel, eine Abtastung des Werkstücks der Breite nach und auch solcher Werkstücke, die in Richtung ihrer Längsausdehnung bewegt werden, erreicht
In bevorzugter Weise kommen Ultraschallsonden zum einsatz, welche nach dem elektromagnetisch-akustischen Prinzip arbeiten.

Aus Non-Destructive Testing, Juni 1972, Seiten 154 bis 159, sind Ultraschallsonden für die berührungslose Federprüfung, welche nach dem elektromagnetischakustischen Prinzip arbeiten, bekannt

Da die verwendeten Ultraschallsonden jeweils einen Permanentmagneten zur Erzeugung eines statischen Magnetfelds aufweisen, wird im Vergleich zu einer Sonde mit einem Elektromagneten ein konstantes statisches Magnetfeld und eine hohe Prüfgenauigkeit erreicht. Da keine Spule für den Elektromagneten und somit auch keine Stromquelle vorgesehen werden muß, kann die Ultraschallsonde hinsichtlich der Abmessungen klein ausgeführt werden. Dadurch ist es möglich, eine Vielzahl von Sonden gemeinsam zu verwenden, wodurch die Fehlerprüfdichte und Prüfgenauigkeit erhöht wird. Die Empfangsempfindlichkeit liegt falls das zu überprüfende Werkstück eine Temperatur von 800⁰C oder höher aufweist, 40 dB in der Empfindlichkeit niedriger als bei einer Sonde, die ein piezoelektrisches Bauelement als ultraschalielektrischen Signalwandler bei Raumtemperatur benutzt Durch Verwendung eines Verstärkers mit großem Rauschabstand (S/N) kann eine ausreichende Prüfgenauigkeit erzielt werden.

Da nur ein impulsförmiger Hochfrequenzstrom an die Spule angelegt werden muß, um HF-Ströme zu induzieren, wird im Inneren des Gehäuses nur wenig Wärme erzeugt. Dadurch kann die erforderliche Menge an Kühlwasser verringert die Isolation der Kühlstruktur überflüssig und ein einfacher Aufbau der Ultraschallsonde erreicht werden. Probleme hinsichtlich der Verschlechterung der Isolation treten nicht auf, wodurch eine lange Betriebszeit erzielt wird.

Da die vertikale Lage der unteren Enden der wasserzuführenden Rohre 57a von denen der wasserabführenden Rohre 57b sich unterscheidet, wird innerhalb des Gehäuses eine ausreichende Wirbelströmung hervorgerufen, wodurch die Kühlwirkung verstärkt wird. Die Ultraschallsonde kann somit bei einer Temperatur bis zu 1200⁰C verwendet werden.

Dadurch, daß die Keramikplatte in der Mitte der Bodenplatte angeordnet sein kann, wird eine starke elektromagnetische Kopplung zwischen Ultraschallsonde und zu überprüfendem Werkstück erreicht, wodurch ein wirksamer Wirbelstrom auf der Oberfläche erzeugt und dieser von der reflektierten oder übertragenen Ultraschallwelle erzeugte Wirbelstrom wirksam srfaßt werden kann.

Da der Permanentmagnet aus einer Anzahl kleiner Würfel eines Edelerde-Magneten besteht, wird in ihm die Erzeugung von Wirbelströmen wirksam unterdrückt Wird der Permanentmagnet, wie bei der Ultraschallsonde für Transversalwellen, durch eine Halterung aus Kupfer abgedeckt, so wird die Erzeugung von Ultraschallwellen darin wirksam unterdrückt.

Thermische Einflüsse von dem zu überprüfenden Werkstück sind ausgeschaltet. Somit kann eine Fehlersuche bei einem Stahlmaterial, wie z. B. einer Bramme oder einem Knüppel, bei hoher Temperatur sowie beim Stranggießen bei der Stahlherstellung verwendet werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeich-