DE3316478A1

DE3316478A1 - Vorrichtung zum pruefen und ueberwachen von bauteilen mittels ultraschalls

Info

Publication number: DE3316478A1
Application number: DE19833316478
Authority: DE
Inventors: Horst-Artur Prof. Dr.-Ing. 5860 Iserlohn Crostack
Original assignee: RAES KARL HEINZ DR ING
Current assignee: RAES KARL HEINZ DR ING
Priority date: 1983-05-05
Filing date: 1983-05-05
Publication date: 1984-12-13

Description

Dr.-Ing. Karl-Heinz Raes

Raes 2

2. Mai 1983

Vorrichtung zum Prüfen und Überwachen von Bauteilen mittels Ultraschalls

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung und zur Überwachung von fertigen Bauteilen und Werkstücken unter Verwendung eines Ultraschallschwingers. Die zerstörungsfreie Prüfung wird hauptsächlich zum Auffinden von inneren Fehlerstellen von fertigen Bauteilen angewendet. Bei dei Überwachung werden Schallemissionsmessungen (Rißgeschrei, Lecksuche) und Körperschallmessungen (loose particles) eingesetzt. Für diese Anwendungsfälle soll die Vorrichtung nach der Erfindung dienen. Der Einfachheit halber wird in der folgenden Beschreibung, stellvertretend auch für die anderen Anwendungsfall* nur die Ultraschallprüfung erläutert.

Dem Ultraschall kommt auf dem Gebiet der zerstörungsfreien j Prüfung von Bauteilen und Werkstücken für den Nachweis tiefer ' liegender Fehlerstellen die wohl größte Bedeutung zu. Probleme existieren jedoch, sofern bei höheren Temperaturen geprüft werden soll, wobei insbesondere die Schrägeinschallung, wie sie

ζ. B. zur Schweißnahtprüfung erforderlich ist, große Schwierigkeiten bereitet. Normale Prüfköpfe haben zur Schrägeinschallung eine keilförmige Vorlaufstrecke aus Kunststoff, beispielsweise aus Acrylglas. Bereits bei geringer Temperaturerhöhung (einige zehn Grad Celsius) ändert sich die Schallgeschwindigkeit in der Vorlaufstrecke stark und damit der Einschallwinkel. Bei höheren Temperaturen (oberhalb 100 C) müssen dann entweder andere Materialien für die Vorlaufstrecke verwendet werden oder das Werkstück muß gekühlt werden. Es können auch berührungslos arbeitende Verfahren eingesetzt werden. Darüber hinaus treten auch Probleme mit dem Koppelmedium auf, da z. B. Wasser zu verdampfen beginnt.

Berührungslos arbeitende Verfahren, wie die optische oder die elektrodynamische Ultraschallerzeugung, befinden sich z. T. noch im LaborStadium (Optik). Darüberhinaus treten einige gravierende Nachteile auf, die einen Einsatz erst bei extrem hohen Temperaturen ( > 750 C) rechtfertigen:

- So sind diese Verfahren relativ schlecht im Wirkungsgrad, wodurch ein elektrodynamischer Wandler (EDW) mehr als 40 dB unempfindlicher ist als ein piezoelektrischer.

- Die Ausbildung des Schallfeldes und seine Steuerung sind ein noch weitgehend ungelöstes Problem und die einseitige Schrägeinschallung erfordert einen hohen Aufwand mit entsprechend hohen Kosten.

- Die Erzeugung von Longitudinalwellen, wie sie z. B. zur Prüfung 5 grobkörniger Werkstoffe erforderlich sind, ist mit EDW zum heutigen Zeitpunkt nicht möglich.

- Die Bedingungen für die Erzeugung auf elektrodynamischem Wege (Magnet) verlangen relativ große Abmessungen des Prüfkopfes. Hierdurch wird die Zugh'ncjlichkeit bei i komplexen Geometrien der zu prüfenden Bauteile stark reduz.i ort.

Aus diesem Grunde wird auch bei höheren Temperaturen bevorzugt mit der Kontakttechnik gearbeitet. Hierzu wird der Prüfkopf des Ultraschallschwingers über eine Was::orankoppluncj (Fließwasser-

ankopplung) an das Bauteil angekoppelt. Dabei wird zwar der Prüfkopf geschützt, für die Prüfdurchführung und das zu prüfende Teil entstehen jedoch Nachteile. Das Werkstück wird durch das Wasser einer Thermoschock-Belastung ausgesetzt, die zu Schaden führen kann. Da die Schallgeschwindigkeit im Werkstück sich mit der Temperatur ändert, ist bei Schrägeinschallung ein gekrümmtes Schallfeld die Folge. Weil hohe Strömungsgeschwindigkeiten für das Wasser vorliegen müssen, um Verdampfen und damit Kontaktunterbrechungen zu vermeiden, ist ein hoher Wasserverbrauch die Folge. Das ablaufende Wasser kann zu Korrosion am zu prüfenden Werkstück führen.

Diese Gründe lassen das Verfahren nur zur Prüfung von Halbzeug, nicht zur Prüfung von fertigen Bauteilen und ihren Schweißnähten geeignet erscheinen. Es wurden daher Versuche mit Vorlaufstrecken aus temperaturbeständigen Materialien gemacht. Als geeignet erwies sich hierbei Silber. Neben dem hohen Preis und dem Verschleißproblem sind jedoch auch hierbei Nachteile vorhanden. So ist das Verfahren nur für Temperaturen bis 250° C einsetzbar. Die Erwärmung des Schwingers senkt auch die Empfindlichkeit der Messung. Die Echos, die an der Grenzfläche Silber / Prüfobjekt entstehen, überlagern das Echobild und begrenzen den Prüfbereich: so daß dünnwandigere Komponenten und oberflächennahe Fehler nicht geprüft werden können. |

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Prüfen und Überwachen von Bauteilen und Werkstücken mittels Ultraschalls anzugeben, deren Aufbau unabhängig von der Temperatur des Bauteils ist und die insbesondere bei Temperaturen von mehr als 250° C eingesetzt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs geschilderten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst,

- daß der Ultraschallschwinger in einem geschlossenen Behälter angebracht ist, bei dem mindestens die als Koppelfläche dienende Wandung aus Metall und/oder aus einer Schicht aus wärme isolierendem Material besteht.

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- daß die Koppelfläche des Ultraschallschwingers mit Abstand zu dieser Wandung des Behälters unter Freilassung eines Spaltes in dem Behälter angeordnet ist und

- daß in dem Spalt ein flüssiges, während des Betriebes der

Vorrichtung bewegbares Kühlmittel angeordnet ist, das sowohl mit dem Ultraschallschwinger als auch mit der Wandung des Behälters in Berührung steht.

Mit einer solchen Vorrichtung ergibt sich für den Ultraschallschwinger und eine eventuell an demselben angebrachte Vorlaufstrecke durch den Behälter ein ausreichender Wärmeschutz, der auch bei sehr hohen Temperaturen von beispielsweise 750 C und mehr noch wirksam ist. Der Schwinger selbst kann dementsprechend einfach aufgebaut werden und für die Vorlaufstrecke können übliche Materialien verwendet werden. Wenn das zwischen dem Schwinger und dem Boden des Behälters hindurchgeführte Kühlmedium, bei welchem es sich beispielsweise um Wasser handelt, schnell genug bewegt wird, ist sichergestellt, daß die jeweilige Koppelfläche ständig gleichbleibende Temperatur hat. Die Vorrichtung arbeitet dementsprechend immer mit gleichbleibenden 0 Bedingungen.

Mit dieser Vorrichtung werden die verschiedenen Aufgaben, die der Ultraschallschwinger mit oder ohne Vorlaufstrecke zu erfüllen hat, wie Kopplung, Kühlung, Schalleitung und Schallführung, nicht in der herkömmlichen, bekannten Art erfüllt, mit 5 Kopplung und Kühlung über den gleichen Spalt, sondern diese Aufgaben sind bei der neuen Vorrichtung geteilt. Durch die Unterbringung des Ultraschallschwingers in dem Behälter sind Ankopplung und Kühlung getrennt, so daß .sio unabhängig voneinander optimiert werden können. Die temperaturunabhängige, stets gleichbleibende Arbeitsweise der Vorrichtung ist damit gewährleistet.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgogenstandes ist in der Zeichnung dargestellt.

Die einzige Figur zeigt einen Ultrnsc-.ha 11-Prüfkopf zur Schrägeinschal lung, bei welchem an dom Schwinqer 1 eine keilförmige

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Vor]aufstrecke angebracht ist. Die Vorrichtung kann aber auch mit oder ohne Vor laufstrecke für Geradeeinschallung verwendet werden.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Schwinger 1 auf einem als Vorlaufstrecke dienenden Keil 2 befestigt. Der Keil 2 kann aus einer Flüssigkeit mit zusätzlichen schallstreuenden Partikeln oder einem schallschwächenden Festkörper bestehen, dessen Schallgeschwindigkeit kleiner als die des zu prüfenden Bauteils ist. Die Auswahl des Materials richtet sich dabei nach dem Prüfbereich und wird anhand des Schwächungskoeffizienten und der Schallimpedanz bestimmt.

Der Keil 2 lagert auf Abstandshaltern 4, die die Breite eines für ein Kühlmittel vorgesehenen Spaltes 3 vorgeben. Die Abstands halter 4 sind durchbrochen und ermöglichen einem Kühlmittel dahe:

Zu- und Austritt in den Spalt 3. Das Kühlmittel, das zugeleitet wird, wird dadurch von einem der beiden ansonsten hermetisch abgeriegelten Teile des Prüfkopfes mit Schwinger 1 und Keil 2 in den anderen übergeleitet. Infolge der extern vorgegebenen Temperatur des Bauteils und infolge der Druckbeaufschlagung kann die Durchflußgeschwindigkeit des Kühlmittels eingestellt werden. Die Auswahl des Kühlmittels wird dabei von seiner Dichte und Schallgeschwindigkeit, die Breite des Spaltes 3 vom Prüfbereich bestimmt. Zum Bauteil hin wird der Kühlmittelspalt von einem .

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verschleißfesten Gehäuse*begrenzt, das mit einer Wärmeisolierschicht 7, ζ. Β. einer durch Spritzen aufgebrachten Keramik, versehen ist. Die Schicht 7 kann auch durch Klemmen (magnetisch) oder durch Schweißen aufgebracht werden. . :

Am vorderen und hinteren Ende kann die Geometrie der Festkörperschichten verändert werden. Weiterhin können die den Spalt 3 begrenzenden Flächen auch aus zwei oder mehr Schichten bestehen, die einen stuf enwe.i. sen Tempera tür abbau ermöglichen. Bei mehrere Schichten ist auch eine gezielte Schallbeeinflussung möglich. So können beispielsweise der reflektierte Schall weggeführt, die Dämpfung beeinflußt und die Fokussierung verbessert werden.

ib Die Schichten können auch durch keilförmigen oder anders ange-

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paßten Aufbau "verstimmt" und unter Vermeidung eines resonanten Verhaltens für den sogenannten "weißen Schall" durchgängig werden.

Die Ankopplung bei der Prüfung geschieht anhand eines auf die Prüfbereiche aufgebrachten hochtemperaturbeständigen Koppelmittels, dessen Auswahl sich nach der Temperatur des zu prüfenden Bauteils richtet.

Die wesentlichen, durch eine Vorrichtung nach dem Ausführungsbeispiel erreichbaren Vorteile sind folgende:

- Mit dem vorgeschlagenen Konzept kann eine Schrageinschallung auch an Bauteilen erfolgen, die Temperaturen von deutlich mehr als 250 C aufweisen.

- Durch den Einsatz piezoelektrischer Schwinger sowie die an den Prüfbereich anpaßbare Abstimmung der akustischen Daten der einzelnen Komponenten (Impedanz, Schichtdicke) kann eine hohe Empfindlichkeit erreicht werden.

- Dadurch, daß Schwinger und Vorlaufstrecke im kalten Bereich liegen, bleibt der Schwinger hochempfindlich und die Schallgeschwindigkeit in der Vorlaufstrecke bleibt - auch bei variierender Bauteiltemperatur - konstant, so daß konstante Einschallwinkel, Wellenarten und Intensitäten vom Prüfkopf her garantiert werden können.

- Durch die gleichbleibende Kühlschicht werden eine gleichmäßige Kühlung eingestellt und teilweises Sieden vermieden.

- Die Wärmeschutzschicht reduziert die Einwirkung des Kühl-

5 prozesses auf das Bauteil, so daß schädliche Nebenwirkungen infolge von Thermoschock vermieden werden.

- Das schallschwächende Material des Keils, der durchbrochenen Abstandshalter und die Veränderung der Schichtdicke der Schutzschichten reduzieren die Prüfkopfochos, so daß auch nahe der Oberfläche mit hoher Empfindlichkeit geprüft werden kann.

Claims

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Dr.-Ing. Karl-Heinz Raes

Raes 2
2. Mai 1983

Patentansprüche I

ι 1.1 Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung und zur Überwachung von fertigem Bauteilen und Werkstücken unter Verwendung eines Ultraschallschwingers, dadurch gekennzeichnet, - daß der Ultraschallschwinger (1) in einem geschlossenen Behälter (6) angebracht ist, bei dem mindestens die als Koppelfläche dienende Wandung aus Metall und/oder aus einei Schicht (7) aus wärmeisolierendem Material besteht,

- daß die Koppelfläche des Ultraschallschwingers (1) mit Abstand zu dieser Wandung des Behälters (6) unter Freilassunc eines Spaltes (i) in dem Behälter angeordnet ist und

- daß in dem Spalt ein flüssiges, während des Betriebes der Vorrichtung bewegbares Kühlmittel angeordnet ist, das sowol mit dem Ultraschallschwinger (1) als auch mit der Wandung des Behälters (6) in Berührung steht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem U L t ru.schal l.snhwi ngers (1) und der als Koppelfläche dienenden Wandung des Behälters (6) eine Vorlaufstreet angebracht ist.

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i - 2 -
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorlaufstrecke als Keil (2) ausgeführt ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis'3, dadurch gekennzeichnet, daß die den Spalt (3) begrenzenden Flächen mit thermischen Schutzschichten überzogen sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschichten mehrschichtig ausgeführt sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn^ zeichnet, daß der Ultraschallschwinger (1) auf räumlich begrenzten, im Spalt (3) angeordneten und am Ultraschallschwinger (1) bzw. an der Vorlaufstrecke einerseits sowie an der als Koppelfläche dienenden Wandung des Behälters (6) ■ andererseits anliegenden Abstandshaltern (4) in dem Behälter (6) angebracht ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (3) ungleichmäßig, insbesondere keilförmig, ausgeführt ist.
8. Verfahren zur Prüfung und Überwachung von Bauteilen mittels Ultraschalls unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel mit großer Geschwindigkeit durch den Spalt (3) bewegt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Behälter (6) und Bauteil ein Koppelmedium angebracht wird.