DE2653923B2 - Vorrichtung zur Werkstoffprüfung mit einem elektrodynamischen Wandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Werkstoffprüfung mit einem elektrodynamischen Wandler, der aus einem starken Magneten und mindestens einer im Raum zwischen dem Kern des Magneten und dem Werkstück sitzenden Hochfrequenzspule besteht Der Zweck der Erfindung liegt darin, den bekannten elektrodynamischen Wandler so zu verändern, daß mit ihm polarisierte Ultraschallwellen erzeugt werden können. Bisher war es nicht möglich, freie, das heißt nicht aurch Grenzflächen beeinflußte linear polarisierte Ultraschallwellen mit elektrodynamischen Wandlern zu erzeugen, so daß ihre, besonders durch die fehlende Ankopplungsflüssigkeit bedingten Vorteile gegenüber den piezoelektrischen Ultraschallerzeugern bisher nicht auf allen Anwendungsgebieten zum Einsatz kommen konnten.

Bekannte elektrodynamische Wandler verwenden eine spiralig gewickelte Flachspule zur Erzeugung des hochfrequenten Wechselfeldes. Solche spiralig gewikketten Flachspulen haben den Nachteil, daß Anregungsverteilungen für das Ultraschallfeld entstehen, deren Maxima und Minima praktisch auf konzentrischen Kreisen liegen, deren gemeinsamer Mittelpunkt auf der verlängerten Spulenachse liegt. Die Schwingungsrichtungen der einzelnen Elemente der Anregungsverteilung des Ultraschallfeldes sind sämtlich unterschiedlich und lediglich auf einen gemeinsamen Mittelpunkt gerichtet
Solche in unterschiedlicher Richtung schwingende Ultraschallfelder sind für eine große Anzahl besonderer Anwendungsfälle, z. B. zur Untersuchung von mechanischen Spannungen im Werkstück, unbrauchbar und zur Untersuchung der Lage bzw. Orientierung von Materialfehlern ungeeignet.

Diese Anwendungsfälle erfordern linear polarisierte Ultraschallwellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrodynamischen Wandler zu bauen, mit dem ein Ultraschallfeld erzeugt werden kann, das überall eine zumindest annähernd gleiche Richtung der Wellenfront der Anregungsverteilung hat, wobei die Richtung auch veränderbar ist

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Hochfrequenzspule derart aus einem in bezug auf die Ultraschallerzeugung wirksamen Abschnitt und aus einem nicht wirksamen Abschnitt besteht, daß im wirksamen Abschnitt die Einzelströme in den Windungen eine annähernd gleiche Richtung haben, und der nicht wirksame Abschnitt außerhalb des Magnetfeldes des starken Magneten oder gegenüber dem Werkstück hinter einer Abschirmung liegt.

Es wird somit nur durch einen Abschnitt der Hochfrequenzspule im zu untersuchenden Werkstück Ultraschall verursacht. In diesem nur begrenzten

b~> Abschnitt der Hochfrequenzspule verlaufen die Windungen angenähert in einer Richtung, so daß der durch diese gehende Strom im Werkstück einen entsprechenden Wirbelstrom erzeugt, der ein linear polarisiertes

Ultraschallfeld erzeugt, weil er im Bereich des starken Magneten liegt. Die übrigen Teile der Windungen der Hochfrequenzspule, deren Windungen zum Teil sogar in entgegengesetzter Richtung zu den Windungen des wirksamen Abschnittes verlaufen, würden ein störendes Ultraschailfeld erzeugen.

Deshalb wird ihr Einfluß in der Weise verhindert, daß sie außerhalb des starken Magnetfeldes verlaufen. Auf diese Weise können auf die von ihnen im Werkstück verursachten Wirbelströme niemals starke Lorenzkräfte wirken, die die Ultraschallwellen im Werkstück erzeugen.

Es gibt noch eine zweite Möglichkeit, die unerwünschte Wirkung der übrigen Teile der Hochfrequenzspule auf die Ultraschailentstehung zu verhindern. Diese zweite Möglichkeit besteht darin, daß zwischen diesen Teilen der Hochfrequenzspule und dem Werkstück eine Abschirmung z. B. eine Metallfolie gelegt wird. Es entstehen dann schon in dieser Metallfolie die hochfrequenten Wirbelströme. Das hinter dieser Abschirmung liegende Werkstück bleibt von Wirbelströmen weitgehend frei, so daß in diesem Bereich auch kein Ultraschall erzeugt werden kann. Es können selbstverständlich auch beide Maßnahmen, wie Abschirmung und nur teilweise Durchflutung der Hochfrequenzspule durch den starken Magneten, gleichzeitig angewandt werden.

Erweiterte Einsatzmöglichkeiten ergeben sich für die Vorrichtung, wenn während des Prüfvorganges die Richtung der ausgesandten linear polarisierten Ultraschallwellen verändert werden kann. Das wird dadurch erreicht, daß eine Zusatzeinrichtung vorhanden ist, die so ausgebildet ist, daß zur wahlweisen Aussendung linear polarisierter Ultraschallwellen, die unterschiedliche Winkel zu den Achsen des Werkstückes besitzen, unterschiedliche Abschnitte der Hochfrequenzspule wirksam werden, in deren Windungen die Einzelströme für jeden wirksamen Abschnitt eine von den anderen wirksamen Abschnitten unterschiedliche Richtung haben.

Die einfachste Möglichkeit, den Winkel der ausgesandten linear polarisierten Ultraschallwellen in bezug auf das Werkstück zu verändern, besteht darin, daß die Zusatzeinrichtung aus einer Drehvorrichtung zum relativen Verdrehen von Prüfvorrichtung und Werkstück um eine zur Werkstücksoberfläche senkrechte Achse besteht

Das Verdrehen der ganzen Prüfeinrichtung hat verschiedene Nachteile wegen der Anschlußkabel. Außerdem läßt sich das Verdrehen nur langsam durchführen, so daß diese Möglichkeit für schnelle Prüfungen ungeeignet ist.

Bei einer verbesserten Ausführungsform ist deshalb die Zusatzeinrichtung so gebaut, daß durch diese verschiedene Abschnitte der Hochfrequenzspule mit voneinander unterschiedlichen Stromrichtungen der Wicklungen für die Ultraschallerzeugung im Werkstück nacheinander benutzt werden.

Das läßt sich auf einfache Weise dadurch erreichen, daß als Zusatzeinrichtung der Kern des starken Magneten über mehrere Abschnitte der Hochfrequenzspule in verschiedene Prüfstellungen verschiebbar ist.

Bei einer kreisförmigen Hochfrequenzspule geschieht das Verschieben am einfachsten dadurch, daß der Kern des starken Magneten um die Achse der Hochfrequenzspule gedreht wird. Umgekehrt kann auch bei feststehendem Kern des starken Magneten die Hochfrequenzspule verschoben werden.

Die beschriebene Ausführungsform hat noch den Nachteil, daß sie wegen ihrer mechanisch zu verschiebenden Teile relativ langsam zu handhaben ist und es wegen der beweglichen Teile leicht zu Störungen kommen kann. Diesen Nachteil behebt die folgende Verbesserung dadurch, daß über der Hochfrequenzspule verteilt mehrere Kerne von starken Magneten liegen, die nacheinander magnetisierbar sind, so daß die in ihrem Bereich liegenden Abschnitte der Hochfrequen;-

lü spule nacheinander für die Uliraschal'erzeugung im Werkstück benutzt werden. Die üblichen Hochfrequenzspulen sind in der Regel so klein, daß sich nur 2 oder 3 Kerne von starken Magneten über ihrer Fläche verteilen lassen. Entsprechend der Anzahl der Kerne werden auch nur 2 oder 3 mögliche Richtungen von linear polarisierten Ultraschallwellen erhalten.

Noch mehr Richtungen von linear polarisierten Ultraschallwellen bei kleinen Hochfrequenzspulen sind dann möglich, wenn als Zusatzeinrichtung eine Abschirmung mit einer für den wirksamen Abschnitt der Hochfrequenzspule freigelassenen Öffnung über die Fläche der Hochfrequenzspule bewegbar angeordnet ist. Eine solche Abschirmung kann aus einer dünnen Metallfolie bestehen. Die Abschirmung hat den Vorteil,

daß nur dort, wo sie eine Öffnung enthält, die von der Hochfrequenzspule induzierten Wirbelströme im Werkstück entstehen können. Um eine andere Richtung der linear polarisierten Ultraschallwelle zu erzeugen, braucht die Abschirmung mit ihrer Öffnung nur durch

z. B. Drehen um die Achse der Hochfrequenzspule verschoben zu werden. Da die Abschirmung ein sehr kleines Teil ist, läßt sich die Drehung relativ schnell ausführen. Nachteilig ist bei dieser Ausführungsform, daß eine drehbare Abschirmung empfindlicher gegen mechanische Beschädigungen ist, als eine nicht bewegliche aufgeklebte Folie.

Besonders für die hohen Prüfgeschwindigkeiten an Fließbändern und den dort meist rauhen Betriebsverhältnissen ist eine Zusatzeinrichtung geeignet, die aus

ίο einer Abschirmung besteht, in der mehrer Öffnungen freigelassen sind, von denen jede mit einer Spule überdeckt ist, wobei eine Schalteinrichtung vorhanden ist, durch die der Anfang mit dem Ende der Wicklung einer Spule in der Weise geschaltet ist, daß jeweils Anfang und Ende der Wicklung einer Spule getrennt sind und Anfang und Ende bei den übrigen Spulen kurzgeschlossen sind.

Die kurzgeschlossenen Spulen über den Öffnungen der Abschirmung wirken für die von der Hochfrequenzspule induzierten magnetischen Wechselfelder so, als gäbe es die Öffnungen nicht und als sei die Abschirmung auch in den Öffnungen wirksam. Fast die gesamte Energie, die sonst durch die Öffnung geht und im Werkstück Wirbelströme verursacht, wird jetzt für die Bildung eines Kurzschlußstromes in der Spule verbraucht, was eine ähnliche Wirkung wie die Wirbelströme in der Abschirmfolie hat. Wenn dagegen die Spulen nicht kurzgeschlossen, sondern Anfang und Ende der Wicklung geöffnet sind, so kann die Energie durch die Spule dringen und im Werkstück den zur Ultraschallerzeugung notwendigen Wirbelstrom induzieren.

Das öffnen und Verbinden von Spulenanfang und Spulenende geschieht fast zeitlos durch bekannte Transistorschaltungen, die hier nicht näher erläutert

hi werden sollen.

Es ist von Vorteil, wenn der wirksame Abschnitt der Hochfrequenzspule, der vor einer Öffnung der Abschirmung liegt, geradlinige Windungen hat. Dann ist das

entstehende Ultraschallfeld noch ausgeprägter linear polarisiert, als wenn der Abschnitt aus den leicht gebogenen Windungen einer spiralförmigen Hochfrequenzspule besteht. Solche geradlinigen Abschnitte der Hochfrequenzspule werden bekanntlich erhalten, wenn diese drei, vier-, sechseckig oder mehreckig gewickelt ist.

Für einige Prüfzwecke ergibt sich noch eine Verbesserung, wenn beim Prüfen mit zwei polarisierten Ultraschallwellen, diese genau an der gleichen Stelle des Werkstückes erzeugt werden. Eine Erzeugung an genau der gleichen Stelle wird dadurch erreicht, daß zwei getrennt einschaltbare Hochfrequenzspulen mit ihren wirksamen Abschnitten, in Prüfrichtung gesehen, übereinanderliegen, wobei jede der Hochfrequenzspulen eine andere Richtung der Windungen hat.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

F i g. 1 u. 2 eine Hochfrequenzspule mit festem Kern des starken Magneten,

Fig.3 einen über der Hochfrequenzspule beweglichen Kern des starken Magneten,

F i g. 4 u. 5 zwei um 90° über der Hochfrequenzspule versetzt und fest angebrachte Kerne von zwei starken Magneten,

Fig.6 eine zwischen der Hochfrequenzspule und dem Werkstück liegende Abschirmung mit öffnung,

F i g. 7 u. 8 eine Abschirmung mit um 90° versetzten öffnungen mit Spulen über den öffnungen,

Fig.9 eine Hochfrequenzspule mit geraden Wicklungsabschnitten,

Fig. 10 zwei Hochfrequenzspulen mit übereinanderliegenden geraden Wicklungsabschnitten.

In F i g. 1 ist 11 das zu prüfende Werkstück, über dem die Hochfrequenzspule 12 und der Kern 13 des starken Magneten 17 liegen. Das dem Werkstück 11 zugewandte wirksame Ende des Kerns 13 des Magneten 17 überdeckt nur einen kleinen Abschnitt der gesamten Fläche der Hochfrequenzspule 12. In diesem Abschnitt haben die Windungen 14 eine angenähert gleiche Richtung, wie in F i g. 2 zu sehen ist. Die Windungen dieses Abschnittes induzieren im Werkstück Wirbelströme, auf die wegen des Magnetfeldes des starken Magneten 17 Lorenzkräfte wirken, welche Ultraschallwellen hervorrufen, die eine Schwingung entsprechend den Richtungen 15 und 16 haben. Der starke Magnet 17 kann mit seinem Kern 13 auch um die Achse 18 der Hochfrequenzspule 12 rotieren, siehe Fig.3. Es kann dann z. B. eine Prüfung des Werkstückes erfolgen, wenn der Kern 13 gerade die Stellung 19 erreicht hat. Die nächste Prüfung kann dann bei Erreichen des Kernes 13 in der Stellung 20 erfolgen. Die linear polarisierten Ultraschallwellen, die in der Stellung 20 erzeugt werden, haben eine um 90° verschiedene Schwingungsrichtung gegenüber den Ultraschallwellen, die in der Stellung 19 erzeugt werden. Es können so polarisierte Ultraschallwellen beliebiger Richtung erzeugt werden.

In Fig.4 und 5 sind in den Stellungen 19 und 20 die fest sitzenden Magnete 21 und 22 eingebaut, die wechselseitig eingeschaltet werden, wodurch jedesmal die Schwingungsrichtung der linear polarisierten Ultraschallwellen um 90° gedreht wird.

In F i g. 6 wird der wirksame Abschnitt der Hochfrequenzspule 12 noch zusätzlich durch die Abschirmung 23 begrenzt, die für den wirksamen Abschnitt eine öffnung 24 hat.
Um eine andere Schwingungsrichtung der linear

to polarisierten Ultraschallwelle zu erzeugen, können die Abschirmung 23 und der Kern 13 des starken Magneten gemeinsam um die Achse 18 rotieren, ähnlich denn Prinzip, wie es in Fig.3 beschrieben wurde. Es kann aber auch bei dieser Ausführung der Kern 13 fest sitzen und so groß ausgeführt werden, daß er die gesamte Fläche der Hochfrequenzspule 12 überdeckt, so daO diese überall von den magnetischen Feldlinien des starken Magneten durchdrungen werden. Bei einer solchen Konstruktion rotiert dann nur die Abschirmung 23.

In den Fig.7 und 8 sind 25 und 26 zwei um 90° versetzte öffnungen der feststehenden Abschirmung 27, Über beiden öffnungen befindet sich je ein Teil des Kernes 28 des starken Magneten 17. Statt der Aufteilung des Kernes 28 in 2 Teile könnten auch zwei selbständige Magnete über den öffnungen 25 und 26 liegen.

Zwischen der Hochfrequenzspule 12 und den öffnungen 25 und 26 der Abschirmung 27 liegen die flachen Spulen 30 und 31. Anfang und Ende der Spule 31 sind miteinander durch eine nicht gezeichnete Steuereinrichtung verbunden, wenn für die Spule 30 Anfang und Ende elektrisch getrennt sind. Umgekehrt schließl die Steuereinrichtung die Spule 30 kurz, wenn Anfang und Ende der Spule 31 getrennt sind.

Nach dem gleichen Prinzip können auch noch mehr als zwei öffnungen in der Abschirmung liegen, die vor Spulen entsprechend den Spulen 30 und 31 überdeckt werden.

Das entstehende Ultraschallfeld wird besonders genau polarisiert, wenn die öffnungen 25 und 26 voi genau geradlinig verlaufenden Wicklungen der Hochfrequenzspule 12 liegen. Das läßt sich leicht erreichen wenn die Hochfrequenzspule entsprechend Fig.S viereckig gewickelt ist.

In F i g. 10 sind die Hochfrequenzspulen 12 und 32 mil ihren geradlinigen Windungen um 90° versetzt über dei öffnung 24 der Abschirmung 23 gebaut. Sie können selbstverständlich auch in einem beliebig anderen Winkel zueinander versetzt gebaut werden. Die Hochfrequenzspule 12 ist eingeschaltet, wenn die Spule 32 ausgeschaltet ist und umgekehrt. Das Ultraschallfeld wird nur von der jeweils eingeschalteten Hochfrequenzspule erzeugt.

Falls ein Gemisch von zwei linear polarisierter Ultraschallwellen verschiedener Richtung erzeugt werden soll, können auch beide Hochfrequenzspulen gleichzeitig eingeschaltet sein.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Werkstoffprüfung mit einem elektrodynamischen Wandler, der aus einem starken Magneten und mindestens einer im Raum zwischen dem Kern des Magneten und dem Werkstück sitzenden Hochfrequenzspule besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzspule (12) derart aus einem in bezug auf die Ultraschallerzeugung wirksamen Abschnitt und aus einem nicht wirksamen Abschnitt besteht, daß im wirksamen Abschnitt die Einzelströme in den Windungen eine annähernd gleiche Richtung haben, und der nicht wirksame Abschnitt außerhalb des Magnetfeldes des starken Magneten (17, 21, 22) oder gegenüber dem Werkstück (11) hinter einer Abschirmung (23, 27) Hegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zusatzeinrichtung vorhanden ist, die so ausgebildet ist, daß zur wahlweisen Aussendung linear polarisierter Ultraschallwellen, die unterschiedliche Winkel zu den Achsen des Werkstückes (11) besitzen, unterschiedliche Abschnitte der Hochfrequenzspule (12) wirksam v/erden, in deren Windungen die Einzelströme für jeden wirksamen Abschnitt eine von den anderen wirksamen Abschnitten unterschiedliche Richtung haben.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzeinrichtung aus einer Drehvorrichtung zum relativen Verdrehen von Prüfvorrichtung und Werkstück (11) um eine zur Werkstücksoberfläche senkrechte Achse besteht

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzeinrichtung der Kern (13) des starken Magneten über mehrere Abschnitte der Hochfrequenzspule (12) in verschiedene Prüf Stellungen (19,20) verschiebbar ist

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzeinrichtung die Hochfrequenzspule (12) unter dem Kern (13) des starken Magneten verschiebbar angebracht ist

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß über der Hochfrequenzspule (12) verteilt mehrere Kerne von starken Magneten (21, 22) liegen, die nacheinander magnetisierbar sind, so daß die in ihrem Bereich liegenden Abschnitte der Hochfrequenzspule (12) nacheinander für die Ultraschallerzeugung im Werkstück (11) benutzt werden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzeinrichtung eine Abschirmung (23) mit der für den wirksamen Abschnitt der Hochfrequenzspule (12) freigelassenen öffnung (24) über die Fläche der Hochfrequenzspule (12) bewegbar angeordnet ist

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzeinrichtung aus einer Abschirmung (27) besteht, in der mehrere öffnungen (25, 26) freigelassen sind, von denen jede mit einer Spule (30, 31) überdeckt ist, wobei eine Schalteinrichtung vorhanden ist, durch die der Anfang mit dem Ende der Wicklung einer Spule in der Weise geschaltet ist, daß jeweils Anfang und Ende der Wicklung einer Spule getrennt sind und Anfang und Ende bei den übrigen Spulen kurzgeschlossen sind.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der für die Ultraschallerzeugung wirksame Abschnitt der Hochfrequenzspule (12) aus geradlinigen Windungsteilen besteht.

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei getrennt einschaltbare Hochfrequenzspulen mit ihren wirksamen Abschnitten, in Prüfrichtung gesehen, übereinanderliegen, wobei jede der Hochfrequenzspulen eine andere Richtung der Windungen hat