SE455538B - Ultraljudssond for provning av ett slitsat eller halforsett materialstycke - Google Patents

Description

455 538 referensföremål. Vanligen går man vid provning till väga på så sätt att man med en ultraljudssond analyserar referensföremål, såväl felfria som med inlagda defekter, och överför den akustiska bilden till ett oscilloskop, från vilket bilden lämpligen fotograferas eller registreras på annat sätt, så att man får en bestående bild av de felfria och de med avsiktiliga defekter urformade referensföremålen, varefter provnings- objekten undersöks med hjälp av samma ultraljudssond, varvid den akustiska bilden upptas på band eller direkt på oscilloskop och jämförs med motsvarande bilder av referensföremålen. Eventuellt förekommande defekter framträder i form av större eller mindre avvikelser, vanligen toppar i oscilloskopet, vilkas lokalisering, Jämförda med referensbilden, anger var defekten återfinns i föremålet.

Kända ultraljudssonder har ofta utformats som kontaktsonder, vilka appliceras i direkt och nära ytkontakt med det föremål som skall provas.

En känd ultraljudssond för provning av t ex styrpinnar till styrstavs- ledrör för bränsleelement i kärnreaktorer består av en metallstav med plan ände, intill vilken en eller två piezoelektriska kristaller eller element är insatta elektriskt insolerade. De piezoelektriska kristallerna är genom ledare anslutna till en källa för att dels avge en strömstöt, vilken i sin tur får kristallerna att avge ultraljud, dels också för att mottaga strömvariationer motsvarande det avgivna ultraljudets väg och returväg genom provningsföremålet. _ Denna kända ultraljudssond, vilken vid provning appliceras i direkt kontakt med provningsföremålet och under provningen hålls i nära kontakt därmed bl a besitter den olägenheten att ljudet, med viss avböjning i sidled leds rakt ned i provningsföremålet, och det kan vara svårt eller omöjligt att få en runtom gående avsökning av provningsföremålet. Det är därför nödvändigt att ta ett större antal prover med olika lägen på sonden för att man skall få en någorlunda säker bedömning av provningsföremålet, och det finns trots de flerfaldiga proven risk att sonden inte observerar defekter i vissa partier av föremålet. Han kan ibland också tvingas ta flera olika prover med flera olika typer av ultraljudssonder ansátta på olika ställen. Den kända metodiken och kända ultraljudssonder är tidsödande och ställer stora krav på utrustningen. Vidare måste ljudet många gånger ledas långa vägar genom provningsföremålet, vilket kan leda 455 538 till att man får en dämpning av ljudet och en motsvarande försvagad signalobservation, varigenom svårigheter kan uppstå att observera och lokalisera förekommande defekter. Problemet är speciellt markant vid slitsade eller hålförsedda provningsföremål, där förekommande defekter oftast uppträder intill roten på slisarna eller vid övergången mellan liv- och flänsdelar i provningsföremålet.

Till grund för uppfinningen har därför legat problemet att åstadkomma en ultraljudssond, med vars hjälp det är möjligt att i ett enda tempo åstadkomma en fullständig materialprovning företrädesvis av ett slitsat eller hålförsett materialstycke, och med vars hjälp man erhåller en markant och samlad bild av eventuella förekommande defekter.

Enligt uppfinningen består ultraljudssonden av en hållare med en därifrån utgående stavformad del, vars storlek och form i tvärled i huvudsak överensstämmer med slitsen eller hålet i provningsföremålet, och vid eller nära vars ände eller spets sonden är utformad med åtminstone eller företrädesvis åtminstone två piezoelektriska kristaller eller element, vilka är monterade i visst läge i förhållande till varandra.

För att man skall få en så heltäckande ultraljudsprovning som möjligt med endast en, två eller flera piezoelektriska kristaller är det nädvändigt att denna eller dessa kristaller apteras på speciellt sätt.

Omfattande försök har visat att den eller de piezoelektriska kristallerna lämpligen monteras dels vinkelställda i förhållande till stavdelens längdaxel, dels även vridna kring sin egen längdaxel. Genom en sådan placering av de piezoelektriska kristallerna eller elementen blir det möjligt att åstadkomma en fullständig och nära likformig utsändning av ultraljudsvågor runt om hela provningsstycket.

Genom att utforma sonden roterbar kring sin längdaxel är det i vissa fall möjligt att uppnå ett gott resultat med en sond med endast en piezo- elektrisk kristall. I många fall, t ex vid mejselformade eller likartade sonder är det inte möjligt att vrida dessa, och i sådant fall måste sonden utformas med åtminstone två piezoelektriska kristaller, vilka var-för sig täcker in en vinkel om minst 180°, varvid kristaller placeras på speciellt sätt, så att de tillsammans ger en fullständig bild runt om av prov- ningsföremålet.

Vid en föredragen utföringsform av uppfinningen för provning av 455 -538 slitsade materialstycken är ultraljudssonden mejselformad och vid eller nära spetsen eller änden till den mejselformade stavdelen utformad med två separata piezoelektriska kristaller, vilka är monterade i en vinkel om cirka 35-70° eller företrädesvis 45-50° åt var sitt håll i förhållande till stavdelens längdaxel och dessutom vridna kring sin egen axel i en vinkel om cirka 45-50° i förhållande till stavdelens längdaxel.

De piezoelektriska kristallerna eller elementen kan vara av varierande frekvens. En kristall som vid relativt finkorniga provningsföremål visat sig ha god upplösning och ett gott signalbrusförhållande har en frekvens av cirka 4 MHz. Denna kristall är dock mindre lämplig för grovkorniga föremål, och försök har visat att en kristall med en frekvens om cirka 2 MHz visserligen ger förhållandevis sämre upplösning och signalbrusförhål- landen än 4 MHz-kristallen, men däremot får man en bättre tydbar ultra- ljudsbild vid grovkorniga material. Så långt möjligt bör man alltså använda piezoelektriska kristaller med en frekvens av cirka 4 MHz, men då ljudbilden antyder att provningsföremålet är grovkornigt bör man i stället använda kristaller med cirka 2MHz frekvens.

Kristallerna bör vara så stora som möjligt, och helst skall kristallerna i samma sond överlappa provningsföremålets axiallinje i längdled.

Den vid cirkulärcylindriska sonder enda kristallen eller de vid andra typer av sonder förekommande två eller flera kristallerna är genom var sin ledare anslutna till en strömavgivnings- och registreringsutrustning, varigenom varje kristall kan observera defekter runt halva föremålet. Vid en ytterligare föredragen utföringsform av uppfinningen är ultraljuds- sonden utöver de två eller flera kristallerna vid stavdelens spets även försedda med två separata s k raksökande kristaller vid övergången mellan hållaren och stavdelen, vilka likaledes genom var sin ledare är anslutna till strömavgivnings- och registreringsutrustningen för separat observering av ultraljudsbilden från vardera kristallen eller elementet.

Vid provningens utförande ansluts kristallerna en och en i tur-och ordning till oscilloskopet eller registreringsutrustningen, så att man får en separat ljudbild från varje enskild kristall. Provningen kan utföras i ett enda tempo endast genom omkoppling i en kopplingsbox mellan de flerfaldiga kristallerna. 455 538 Närmare kännetecken på uppfinningen och fördelar med densamma kommer att framgå av den följande detaljerade beskrivningen i vilken kommer att hänvisas till bifogade ritningar. På ritningarna visar figur 1 ett exempel på en ultraljudssond för provning av en slitsad styrpinne till styrstavsledrör för bränslestavar i en kärnkraftanläggning. Figur 2 visar schematiskt den ungefärliga ljudgången från de piezoelektriska elementen i spetsen på en ultraljudssonden i figur 1. Figur 3 visar en förstorad detalj av ultraljudssonden i figur 1 sedd från en sida och figurerna 4 och 5 visar samma detalj sedd från en annan sida resp. uppifrån. Figur 6 visar en modiferad utföringsform av en ultraljudssond av den i figur 1 visade typen, och figur 7 visar en ultraljudssond enligt uppfinningen avsedd för materialprovning av provningsstycken utformade med cylindriska hål.

I figur 1 visas en mejselformad ultraljudssond 1 för provning av en slitsad bult 2, t ex en styrbult. Sonden består av en hållare 3 och en mejseldel 4, intill vars spets två stycken "rundsökande" piezoelektriska kristaller 5 är monterade. Sonden kan även i änden av skaftdelen 3 vara utformade med två stycken "raksökande" kristaller 6.

Den slitsade bulten 2 är utformad med gängor 7, ett liv 8, en fläns 9 och själva den slitsade styrdelen 10 med slitsen 11. Vid denna typ av bult kan man förvänta sig att defekter såsom sprickor eller brottanvisningar uppkommer dels i övergången mellan livet 8 och flänsen 9, dels även vid roten till slitsen 11. Vissa defekter kan givetvis även förekomma inneslutna i materialet. För att i första hand observera de förstnämnda defekterna använder man sig i detta fall av två stycken piezoelektriska kristaller intill änden på mejseldelen 4, vilka kristaller är placerad så att de ger en rundsökning eller vinkelsökning ungefär så som visas med pilarna 12 i figur 2. Vardera kristallen avsöker minst halva omkretsen på bulten 2.

Sondstaven med de piezoelektriska kristallerna bör ha sådana dimensioner att den med endast någon tiondels millimeters spel än_anpassad till den slits eller det hål, i vilken den skall föras in i samband med materialprovningen.

Som ett komplement till de rundsökande kristallerna 5 kan man även utforma sonden med ett par raksökande kristaller 6, vilka söker i huvudsak 455 538 i bultens axialriktning ungefär så som visas med pilarna 13 i figur 2.

Placeringen och positioneringen av de piezoelektriska rundsökande kristallerna 5 är kritisk och visas schematiskt i den förstorade bilden i figurerna 3 och 4. Kristallerna är isolerat monterade i dämpkuts, och de är lokaliserade i en vinkel a om mellan 40 och 70° eller företrädesvis mellan 40 och 50° i förhållande till mejseldelens axel 14, och de är vidare vridna i en vinkel b kring sin egen axel om mellan 45 och 50°.

Praktiska prov har visat att de optimala vinklarna varierar för olika kristaller. Sålunda ger en kristall om 4 MHz bästa värden vid en vinkel a om cirka 50° och en vinkel b om cirka 46°, medan en kristall om 2 MHz frekvens ger bästa resultat vid en vinkel a om cirka 46° och en vinkel b om cirka 46,5°. Kristallerna Sa och 5b är isolerade från varandra, och de är genom var sin (icke visad) ledare ansluten till en mix box 15, som i sin tur är ansluten till en ultraljudsapparat 16 med ett oscilloskop~ liknande avläsningsinstrument 17. Till ultraljudsapparaten 16 kan även en dator eller en bandregistreringsenhet 18 vara ansluten. Genom mixboxen kan var och en av de piezoelektriska kristallerna i tur och ordning sättas i funktion och avläsas, varigenom man får en av i det visade fallet fyra enheter sammansatt total ljudbild, som vid jämförelse med motsvarande referensbilder över felfria respektive med kända defekter försedda referensföremål ger en klar uppfattning av provningsföremålets tillstånd.

Förekommande sprickor, kaviteter och liknande defekter ger ett eko, som observeras på oscilloskopet 17 som en spets.

Som nämnts tidigare kan ultraljudssonden utformas med en cirkulärcylindrisk sond-del 19 såsom visas i figur 7, och i spetsen av denna cylinderdel 19 kan sonden vara utformad med en eller flera piezoelektriska kristaller. Oavsett antalet kristaller bör dessa, såsom angivits ovan, placeras i en vinkel a mot längdaxeln om 40-70° eller företrädesvis 45-50° och vridna i en vinkel b kring sin egen längdaxel om cirka 45-50°. I fallet med en enda kristall anordnas denna centralt i cylinderdelen och nära spetsen på denna, och vid provning med en sådan sand vrids denna i fiera pravsteg, t ex 1eo°, 9o° eiier i viiken saa heis: annan vinkel, varvid ett prov tages vid varje vinkelläge. I det fall att sonden utformas med två eller flera kristaller placeras dessa symmetriskt och enligt de ovan angivna riktlinjerna.

Lista över hänvisningssiffror --- 0- Ouooowaam-àwmø-fl P4 FJ NJ F* hi OJ n-l 42 pi UI hl Oï 0-0»- æw 19 ---_--_---_-_-___--_______ sond buït hålïare mejseïdel (sonddel) krista11, rundsökande krístalï, raksökande gängor 1ív fläns styrdeï slits (pilar för 5) (piïar för 6) axeï (4) mix box uïtraïjudsapparat oscíïïoskop dator, bandenhet cyïínderdeï ----~------- 455 538

Claims (7)

455 538 P a t e n t k r a v

1. Ultraljudssond för att genom en enda dockning åstadkomma en komplett ultraljudsprovning av ett slitsat eller hålförsett provnings- objekt, där ultraljudssonden är utformad med en hållare (3) och en därtill ansluten stavformad sonddel (4; 19) som är anpassad efter den slits (11) eller det hål. från vilket provningen skall ske, och vid eller nära vars spets det finns en eller flera elektriskt isolerade piezoelektriska kristaller (5), k ä n n e t e c k n d av att kristallen eller kristallerna (5) är monterade i en vinkel (a) i förhål- lande till sonddelens (4; 19) längdaxel om mellan 40 och 70° eller företrädesvis mellan 45 och 50° samt vridna kring sin egen axel en vinkel (b) om mellan cirka 45-50° för att åstadkomma en rundsökning över en viss vinkel, företrädesvis 180° för varje kristall. _-

2. Ultraljudssond enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av att den eller de piezoelektriska kristallerna vid en typ av kristaller med en frekvens om cirka 4 MHz är vinkelställda (a) i förhållande till sonddelens (4) längdaxel om cirka 50° samt vridna kring sin egen axel en vinkel (blom cirka 45°.

3. Ultraljudssond enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att den eller de piezoelektriska kristallerna vid en typ av kristaller med en frekvens om cirka Z MHz är vinkelställda (a) i förhållande till sonddefens (4) längdaxel om cirka 46° och är vridna kring sin egen azel en vinkel (b) om cirka 46,5°_

4. Ultraljudssond enligt krav 1, 2 eller 3, k ä n n e t e c k - n a d av att den i tillägg till den eller de vid eller nära spetsen på 455 538 sonddelen (4; 19) anordnade rundsökande piezoelektriska kristallerna (5) har en eller flera raksökande kristaller (6) vid eller nära hållaren (3) för sonddelen (4; 19), vilken eller vilka åstadkommer en ultraljudsprovning i en huvudriktning väsentligen motsvarande sonddelens (4: 19) och/eller provningsobjektets axialriktning.

5. Ultraljudssond enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att den är cirkulärcylindrisk och vid eller nära spetsen utformad med en enda piezoelektrisk kristall och anordnad att efter vridning en eller flera gånger en viss given vinkel medge ett flertal provtagningar med samma kristall i olika lägen till åstadkommande av en samlad ultraljudsbild runt hela provningsföremålet.

6. Ultraljudssond enligt något av kraven 1-4, k ä n n e t e c k - n a d av att den är mejselformad eller cirkulärcylindrisk och vid eller nära spetsen till sonddelen (4) är utformad med två separata piezo- elektriska kristaller (Sa, 5b), vilka är placerade symmetriskt i förhållande till varandra och förträdesvis något överlappande centrumaxeln för sonddelen, och vilka var för sig är anslutna till en observations- utrustninq (15-18) för att utan ändring av sondens läge i förhållande till provningsföremålet och genom anslutning av kristallerna (Sa, Sh) i tur och ordning efter varandra åstadkomma en samlad ultraljudsbild runt hela provningsföremålet.

7. Ultraljudssond enligt något av kraven 1-4, k ä n n e t e c k - n a d av att den vid eller nära spetsen till sonddelen är utformad med tre eller flera symmetriskt anordnade piezoelektriska kristaller, vilka var för sig är anslutna till en observationsutrustning.