DE19637424A1 - Verfahren zum Erzeugen horizontal polarisierter transversaler Ultraschallwellen zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung und Prüfvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen ho­ rizontal polarisierter transversaler Ultraschallwellen zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung und eine Prüfvorrichtung.

Die Ultraschallprüfung ist ein Verfahren der zerstörungsfrei­ en Werkstoffprüfung zum Auffinden von Rissen, Einschlüssen, Inhomogenitäten und anderen Fehlern. Der Ultraschall wird da­ bei beispielsweise piezoelektrisch oder elektrodynamisch er­ zeugt.

Bei der elektrodynamischen Ultraschallerzeugung wird der Ul­ traschall direkt im Prüfling erzeugt, so daß ein Koppelmedium entfällt. Die Entstehung der Ultraschallschwingungen ist auf die Wechselwirkung von hochfrequenten Wirbelströmen mit einem Magnetfeld zurückzuführen. Die Wirbelströme werden beispiels­ weise durch eine Hochfrequenz-Spule erzeugt, die in die Nähe der Oberfläche des Werkstückes gebracht wird. Durch ein zu­ gleich wirkendes Magnetfeld entstehen Lorentzkräfte, die die Schallwellen im Werkstück erzeugen. Je nach Orientierung von Magnetfeld und wirbelstromerzeugender Spule zueinander können Longitudinalwellen und beliebig polarisierte Transversalwel­ len angeregt werden. Bei der Longitudinalwelle sind Ausbrei­ tungs- und Schwingungsrichtung identisch, wo hingegen bei der Transversalwelle die Schwingungsrichtung senkrecht zur Aus­ breitungsrichtung ist. Die Transversalwelle wird auch als Schub- oder Scherwelle bezeichnet und breitet sich nur in fe­ sten Medien aus.

Liegt die Polarisierungsrichtung in der durch die Werkstücks­ oberflächennormale und Ausbreitungsrichtung des Ultraschalls aufgespannten Ebene, spricht man von vertikal polarisierten Transversalwellen. Liegt die Polarisierungsrichtung hingegen senkrecht zu dieser Ebene, spricht man von horizontal polari­ sierten Transversalwellen. Horizontal polarisierte Transver­ salwellen lassen sich für die Anwendung in der Prüfpraxis nur durch elektrodynamische Anregung erzeugen.

Mit der elektrodynamischen Ultraschallerzeugung ist eine Prü­ fung des Werkstückes bei Temperaturen bis etwa 1000 K mög­ lich.

Aus der Patentschrift DE 42 04 643 ist eine Prüfvorrichtung mit senkrecht orientierten Permanentmagneten bekannt, deren Orientierung schachbrettartig wechselt. Als Orientierung wird dabei die Richtung zwischen Nord- und Südpol des Permanentma­ gneten definiert. Bei dieser Vorrichtung ist die Hochfre­ quenz-Spule zwischen einer Oberfläche des Werkstückes und den Permanentmagneten mäanderförmig angeordnet. Diese Prüfvor­ richtung ist sehr aufwendig herzustellen, da die Sende- bzw. Empfangsspule in ebener Form sehr dünn gewickelt werden muß. Bei den bisher üblichen Prüffrequenzen von ca. 0,7 MHz kann dies nur mit großem Aufwand erfolgen. Für eine Prüfung von dünnwandigen Komponenten und Rohrleitungen sind allerdings Frequenzen zwischen 1 und 2 MHz üblich. Um dies zu erreichen, müssen Permanentmagnet- und Hochfrequenz-Spulenanordnungen entsprechend der Frequenz verkleinert werden. Die reprodu­ zierbare Herstellung solcher Prüfvorrichtungen wird damit sehr aufwendig.

Aus der Patentschrift EP 0 579 255 ist eine weitere Prüfvor­ richtung bekannt, bei der die zur Schallanregung erforderli­ chen Wirbelströme über ein die Permanentmagnete einschließen­ des Magnetjoch induziert werden. Der Abstand der beiden Pol­ schuhe des Magnetjochs ist damit unerwünscht groß. Damit ist diese Prüfvorrichtung bezgl. Schallanregung und Schallempfang in ihrer Effizienz stark abhängig vom zu prüfenden Material, z. B. wurden bei nichtmagnetischen Komponenten bisher keine befriedigenden Ergebnisse erzielt. Aber gerade bei nichtma­ gnetischen Schweißnähten und Mischnähten ist aufgrund der zu durchschallenden Stengelkristalle die Anwendung horizontal polarisierter Wellen, die praktisch nur elektrodynamisch er­ zeugbar sind, besonders geeignet.

Den aus dem Stand der Technik bekannten Prüfvorrichtungen un­ ter Verwendung horizontal polarisierter transversaler Ultra­ schallwellen ist gemeinsam, daß eine oder mehrere Hochfre­ quenz-Spulen zum Anregen der Ultraschallwellen in alternie­ renden Magnetfeldern angeordnet sind, die von einer Vielzahl von Permanentmagneten erzeugt werden. Als Problem erweist sich dabei, daß zum Verändern des Einschallwinkels α neben einer zeitlichen Ansteuerung der einzelnen Hochfrequenz-Spu­ len auch die Erregerfrequenz der Ultraschallwellen verändert werden muß. Dabei müssen zur Erzeugung unterschiedlicher Ein­ schallwinkeln α unterschiedliche Erregerfrequenzen verwendet werden. Ein Einschallwinkel von 0° läßt sich dabei nicht er­ reichen. Als Einschallwinkel α wird der Winkel zwischen der Ausbreitungsrichtung der Ultraschallwellen im Werkstück und der Oberflächennormalen des Werkstückes definiert. Der Ein­ schallwinkel α hat somit die funktionelle Abhängigkeit

wobei λ die Wellenlänge der Ultraschallwelle und λ_s die Spur­ wellenlänge ist, die durch die Priodizität des statischen Ma­ gnetfeldes bestimmt wird. Da die Wellenlänge λ von der Fre­ quenz ν abhängt, ist somit auch der Einschallwinkel α von der Frequenz ν abhängig.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erzeugen horizontal polarisierter transversaler Ultra­ schallwellen zur zerstörungsfreien Werkstoffsprüfung anzuge­ ben, das ein einfaches Erzeugen der Ultraschallwellen gewähr­ leistet. Außerdem soll eine Prüfvorrichtung zum Durchführen des Verfahrens angegeben werden, die ein effizientes Erzeugen und Empfangen von Ultraschallwellen gewährleistet und dabei kostengünstig herzustellen ist.

Die erstgenannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Verfahren zum Erzeugen horizontal polarisierter transversaler Ultraschallwellen zur zerstörungsfreien Werk­ stoffprüfung mit wenigstens einer in einem im wesentlichen homogenen Magnetfeld angeordneten Hochfrequenz-Spule, wobei aufgrund der Wechselwirkung des Magnetfeldes mit den von der Hochfrequenz-Spule in einem Werkstück erzeugten Wirbelströmen Ultraschallwellen in diesem erzeugt werden.

Die zweitgenannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Prüfvorrichtung zur zerstörungsfreien Werkstoff­ prüfung mit horizontal polarisierten transversalen Ultra­ schallwellen, die wenigstens eine Hochfrequenz-Spule und we­ nigstens drei Magnete umfaßt, wobei die Hochfrequenz-Spule zwischen den Magneten angeordnet ist.

Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Prüf­ vorrichtungen werden die Hochfrequenz-Spulen in einem im we­ sentlichen homogenen Magnetfeld angeordnet und nicht mehr in alternierenden Magnetfeldern. Für den Einschallwinkel α er­ gibt sich nunmehr der funktionelle Zusammenhang

wobei
v_t die Geschwindigkeit der Ultraschallwellen im Werkstück,
Δt die Verzögerungszeit der Ansteuerung zwischen zwei benach­ barten Hochfrequenz-Spulen und
d der Abstand zwischen den Hochfrequenz-Spulen ist.

Da die Geschwindigkeit v_t der Ultraschallwellen und der Ab­ stand d der Hochfrequenz-Spulen voneinander konstante Größen in dem funktionellen Zusammenhang sind, ist der Einschallwin­ kel α nur noch von der Verzögerungszeit Δt abhängig. Das heißt mit anderen Worten, um den Einschallwinkel α zu verän­ dern muß nicht mehr die Frequenz ν der zu erzeugenden Ultra­ schallwellen verändert werden. Mit diesem Verfahren ist somit ein einfaches und effizientes Erzeugen von Ultraschallwellen im Werkstück unter einem vorgegebenen Einschallwinkeln α mög­ lich. Die Prüfvorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens umfaßt drei Magnete. Dabei sind die Hochfrequenz-Spulen zwi­ schen diesen angeordnet. Da nur noch ein homogenes Magnetfeld mit diesen drei Magneten erzeugt wird, werden keine weiteren Magnete zum Erzeugen weiterer alternierender Magnetfelder benötigt, was zu einer Kosteneinsparung führen kann.

Vorzugsweise ist das Magnetfeld senkrecht zu einer Oberfläche des Werkstückes ausgerichtet.

Insbesondere sind die ersten beiden Magnete in der Ebene der Hochfrequenz-Spule angeordnet und ihre Orientierungen paral­ lel zu einer Oberfläche des Werkstückes ausgerichtet.

In einer weiteren Ausgestaltung ist der dritte Magnet ober­ halb der Hochfrequenz-Spule angeordnet, wobei seine Orientie­ rung senkrecht zur Oberfläche ist. Mit dieser Anordnung der Magnete wird ein im wesentlichen homogenes Magnetfeld er­ zeugt, in welchem die Hochfrequenz-Spule angeordnet ist. Vorzugsweise ist die Längsachse der Hochfrequenz-Spule paral­ lel zu der Oberfläche des Werkstückes angeordnet.

Insbesondere sind mehrere Hochfrequenz-Spulen in einer Ebene nebeneinander angeordnet sind, wobei ihre Längsachsen paral­ lel zueinander ausgerichtet sind. Dabei sind die Hochfre­ quenz-Spulen in ein und demselben Magnetfeld angeordnet. Nur bei Überlagerung mehrerer Schallwellen aus mehreren benach­ barten Hochfrequenz-Spulen unter demselben Einschallwinkel α erhält man ein ausreichend starkes Signal für die Werkstoff­ prüfung.

In einer weiteren Ausgestaltung ist der Abstand zwischen den Hochfrequenz-Spulen möglichst klein.

Vorzugsweise beträgt der Durchmesser der Hochfrequenz-Spulen jeweils ungefähr die Hälfte der Wellenlänge λ der zu erzeu­ genden Ultraschallwellen. Durch diese Maßnahme wird mit jeder Hochfrequenz-Spule ein bzgl. des Einschallwinkels α breites Schallwellenbündel erzeugt, wodurch wiederum ein großer Schwenkwinkelbereich der Prüfvorrichtung ermöglicht wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprü­ chen beschrieben.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf das Ausfüh­ rungsbeispiel der Zeichnung verwiesen, in deren einziger Figur eine Prüfungsvorrichtung zur zerstörungsfreien Werkstoff­ prüfung mit horizontal polarisierten transversalen Ultra­ schallwellen schematisch dargestellt ist.

Gemäß der Figur umfaßt eine Prüfvorrichtung 2 zur Werkstoff­ prüfung mit mit horizontal polarisierten transversalen Ultra­ schallwellen 4 drei Magnete 6, 8, 10 und die Hochfrequenz- Spulen 12 bis 18, wobei diese zwischen den Magneten 6, 8, 10 angeordnet sind.

Die Längsachsen 20 der Hochfrequenz-Spulen 12 bis 18 sind da­ bei parallel zu einer Oberfläche 22 eines zu prüfenden Werk­ stückes 24 und zueinander angeordnet. Der Abstand zwischen den Hochfrequenz-Spulen 12 bis 18 ist dabei möglichst klein. Die Hochfrequenz-Spulen 12 bis 18 sind über eine nicht weiter dargestellte Schutzschicht an die Oberfläche 22 des Werkstüc­ kes 24 gekoppelt.

Der erste und der zweite Magnet 6 bzw. 8 sind in der Ebene der Hochfrequenz-Spulen 12 bis 18 angeordnet, wobei ihre Ori­ entierungen parallel zu der Oberfläche 22 sind. Der dritte Magnet 10 ist oberhalb der Hochfrequenz-Spulen 12 bis 18 an­ geordnet, wobei seine Orientierung senkrecht zur Oberfläche 22 ist. Die Magnete 6, 8, 10 erzeugen ein im wesentlichen ho­ mogenes Magnetfeld 26, das senkrecht zur Oberfläche 22 des Werkstückes 24 ausgerichtet ist und sich zwischen den Magne­ ten 6, 8, 10 befindet. Die Spulen 12 bis 18 sind somit in diesem Magnetfeld 26 angeordnet. Es werden keine alternieren­ den Magnetfeldern mehr verwendet, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind.

Für den Einschallwinkel α ergibt sich nunmehr der funktio­ nelle Zusammenhang

wobei
v_t die Geschwindigkeit der Ultraschallwellen 4 im Werkstück 24,
Δt die Verzögerungszeit der Ansteuerung zwischen zwei benach­ barten Hochfrequenz-Spulen 12, 14 bzw. 14, 16, bzw. 16, 18 und
d der Abstand zwischen den Hochfrequenz-Spulen 12 bis 18 ist.

Da die Geschwindigkeit v_t der horizontal polarisierten trans­ versalen Ultraschallwellen 4 und der Abstand d der Hochfre­ quenz-Spulen 12 bis 18 voneinander konstante Größen in dem funktionellen Zusammenhang sind, ist der Einschallwinkel α nur noch von der Verzögerungszeit Δt abhängig. Das heißt mit anderen Worten, um den Einschallwinkel α zu verändern, muß nicht mehr die Frequenz v der zu erzeugenden Ultraschallwel­ len 4 verändert werden. Es muß lediglich die Verzögerungszeit Δt der Ansteuerung zwischen zwei benachbarten Hochfrequenz- Spulen 12, 14 bzw. 14, 16, bzw. 16, 18 verändert werden. Mit diesem Verfahren ist somit ein einfaches und effizientes Er­ zeugen von Ultraschallwellen 4 im Werkstück 22 unter einem vorgegebenen Einschallwinkeln α möglich.

Der Durchmesser der Hochfrequenz-Spulen 12 bis 18 beträgt je­ weils ungefähr die Hälfte der Wellenlänge λ der zu erzeugen­ den Ultraschallwellen 4.

Die Magnete 6, 8, 10 sind Permanentmagnete aus einem weichma­ gnetischen Material. In einer nicht weiter dargestellten Aus­ führungsform können sie jedoch auch als Elektromagnete ausge­ führt sein.

Claims (12)

1. Verfahren zum Erzeugen horizontal polarisierter transver­ saler Ultraschallwellen (4) zur zerstörungsfreien Werkstoff­ prüfung mit wenigstens einer in einem im wesentlichen homoge­ nen Magnetfeld (26) angeordneten Hochfrequenz-Spule (12-18), wobei aufgrund der Wechselwirkung des Magnetfeldes (26) mit den von der Hochfrequenz-Spule (12-18) in einem Werkstück (24) erzeugten Wirbelströmen Ultraschallwellen (4) in diesem erzeugt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Magnetfeld (26) senkrecht zu einer Oberfläche (22) des Werkstückes (24) aus­ gerichtet wird.

3. Prüfvorrichtung (2) zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit horizontal polarisierten transversalen Ultraschallwellen (4), die wenigstens eine Hochfrequenz-Spule (12-18) und we­ nigstens drei Magnete (6-10) umfaßt, wobei die Hochfrequenz- Spule (12-18) zwischen den Magneten (6-10) angeordnet ist.

4. Prüfvorrichtung (2) nach Anspruch 3, bei der die ersten beiden Magnete (6, 8) in der Ebene der Hochfrequenz-Spule (12-18) angeordnet sind und ihre Orientierungen parallel zu einer Oberfläche (22) eines Werkstückes (24) ausgerichtet sind.

5. Prüfvorrichtung (2) nach Anspruch 3 oder 4, bei der der dritte Magnet (10) oberhalb der Hochfrequenz-Spule (12-18) angeordnet ist, wobei seine Orientierung senkrecht zur Ober­ fläche (22) ist.

6. Prüfvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei der die Längsachse (20) der Hochfrequenz-Spule (12-18) paral­ lel zu der Oberfläche (14) des Werkstückes (4) angeordnet ist.

7. Prüfvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei der mehrere Hochfrequenz-Spulen (12-18) in einer Ebene neben­ einander angeordnet sind, wobei ihre Längsachsen (20) paral­ lel zueinander ausgerichtet sind.

8. Prüfvorrichtung (2) nach Anspruch 7, bei der der Abstand d zwischen den Hochfrequenz-Spulen (12-18) möglichst klein ist.

9. Prüfvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 3 bis 8, bei der der Durchmesser der Hochfrequenz-Spulen (12-18) jeweils ungefähr die Hälfte der Wellenlänge λ beträgt.

10. Prüfvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 3 bis 9, bei der die Magnete (6-10) Permanentmagnete sind.

11. Prüfvorrichtung (2) nach Anspruch 10, bei der die Magnete (6-10) aus einem weichmagnetischen Material bestehen.

12. Prüfvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 3 bis 9, bei der die Magnete (6-10) Elektromagnete sind.