DE2401937A1

DE2401937A1 - Verfahren und vorrichtung zur ultraschallpruefung

Info

Publication number: DE2401937A1
Application number: DE2401937A
Authority: DE
Inventors: Robert Saglio
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1973-01-16
Filing date: 1974-01-16
Publication date: 1974-07-18
Also published as: GB1469001A; NL7400509A; FR2214378A5; US3913386A; ES422337A1; IT1004725B; JPS49105593A; BE809419A

Description

Dipi.-ϊη--. π. r .τζ sen. ^ # η 1 Q Q 7

Dr.-lng. R. B - EC Γ Z Jr. βΜΒη·Ιι·η22, Siainedorfstr. 1·

410-22.031Ρ 16. 1. 1974

COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE, Paris (Frankreich)

Verfahren und Vorrichtung zur Ultraschallprüfung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verbesserung der Feststellung von Fehlern von Materialien mittels Ultraschallprüfung, vor allem von Metallschweißungen, insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kompensation des von der Temperatur abhängigen Brechungswinkels eines Ultraschallstrahlenbündels auf einen Prüfling.

Bekanntlich erfordert die Verwendung von schräg einfallenden Transversal- oder Longitudinalwellen bei der Ultraschallprüfung, daß

410-(B4735.3)-MeHd-r (8)

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der genaue Brechungswinkel bekannt sein muß, was eine unerläßliche Bedingung für eine genaue Feststellung von Anomalien ist. Der Einfall- · winkel und der Brechungswinkel sind durch ein Gesetz miteinander verknüpft, daß das Verhältnis der Geschwindigkeiten zwischen den beiden Medien eingehen läßt, in denen die Prüfung statt findet; dieses Geschwindigkeitsverhältnis ändert sich aber mit der Temperatur.

Tatsächlich ist, wie es in der Fig. 1 dargestellt ist, für einen gegebenen, im allgemeinen konstanten Einfallswinkel, der Sinus des Brechungswinkels proportional zum Verhältnis der Geschwindigkeiten in den Medien 1 und 2.

Nachdem die Prüfung zwischen dem Ultraschallstrahlungseinkoppler und dem zu prüfenden Material durch direkten Kontakt oder durch Eintauchen erfolgt, ist das Medium 1 entweder ein viskoe]astisches Material oder z.B. Wasser.

Das Medium 2, das den Prüfling darstellt, ist im allgemeinen metallisch. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwellen in Metall ist praktisch konstant, solange die Temperatur zwischen - 20 C und + 100 °C liegt.

Im zweiten Fall ist die Geschwindigkeitsänderung mit der Temperatur im Medium 1 nicht vernachlässigbar und erzeugt eine Änderung des Winkels der gebrochenen Welle.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die temperatur bedingten

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Streuungen bei Ultraschallprüfung sowohl durch direkten Kontakt als auch durch Eintauchen zu korrigieren.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen dem Ultraschallstrahlungseinkoppler und dem Prüfling zwei Brechungsmedien angeordnet werden, in denen die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallstrahlen sich mit der Temperatur im entgegengesetzten Sinn ändert.

Eine erste Vorrichtung zur Durchführung der vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist gekennzeichnet durch einen zwischen dem Ultraschallstrahlungskoppler und dem Prüflung angeordneten Keil, der aus mindestens zwei Medien besteht, in denen die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallstrahlen sich in entgegengesetztem Sinn ändert.

Eine zweite Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist gekennzeichnet durch eine Kopplung durch Eintauchen zwischen Ultraschallstrahlung seinkoppler und Prüfling und durch einen Keil aus mindestens einem Medium, in dem die Ausbreitungsgeschwin digkeit der Ultraschallstrahlen sich in entgegengesetztem Sinn wie im Eintauchmedium ändert.

Für beide Ausführungsformen ist vorteilhaft eines der Medien Wasser und das andere, für den Keil verwendete, ein viskoelastisches Material und sehr vorteilhaft ein Araldit, Specifix (französischsprachige Bezeichnung), oder Plexiglas.

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Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das optische Schema der Schwankungen in Dickenrichtung der Ortsbestimmung eines Fehlers mittels eines Ultraschallstrahlung seinkopplers,

Fig. 2 das optische Schema einer erfindungsgemäßen Kompensationsvorrichtung ,

Fig. 3 und 4 Ausführungsformen der Kompensationsvorrichtung,

Fig. 5 eine andere Ausführungsform der Kompensationsvorrichtung ,

Fig. 6 und 7 optische Schemata mit Fokussierung bei erfindungsgemäßen Vorrichtungen.

Gemäß Fig. 1 ist für eine Trennfläche I zwischen zwei Medien der Brechungswinkel durch folgende Gleichung gegeben:

sin i = sin U · — (l).

Für einen gegebenen (im allgemeinen konstanten) Einfallswinkel ist der Sinus des Brechungswinkels proportional dem Verhältnis der Geschwindigkeiten in den Medien 1 und 2.

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Wenn das Medium 1 ein plastisches Material wie ein Kunststoff oder Wasser ist und das Medium 2 ein metallisches Material, ist bekannt , daß in beiden Fällen die Änderung der Geschwindigkeit mit der Temperatur wegen einer Winkeländerung der gebrochenen Welle nicht vernachlässigbar ist.

In Fig. 1 zeigt eine Vergrößerung dh des Fehlerortes in Dickenrichtung, der einen Abstand h von der Trennschicht I entfernt ist, und .eine Winkeländerung di mit einer Temperaturänderung & θ,

dt

wobei sich durch Einsetzen in die Gleichung (1) ergibt: &i₂ V₂ sin J₁ . 5 V₁

δ θ ""V₁ Ί/Γ2 _Λ7 2 .2. SO

1 1/V₁- V₂ sin I₁

Im Fall einer Prüfung durch direkten Kontakt zwischen Strahlungseinkoppler und Prüfling, wenn also das Medium 1 ein viskoelastisches Material wie ein Araldit, Specif ix oder Plexiglas ist, ergibt sich die Geschwindigkeitsänderung zu

Wenn das Medium 1 aus Araldit ist, kann festgestellt werden, daß V mit der Temperatur abnimmt, und daß i zunimmt, wenn die Temperatur zunimmt. Beispielsweise beträgt für Fig. 1, bei einem Prüf winkel von 45 und einem Medium 1 aus Araldit und bei einem

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200 mm tief liegenden Fehler die Änderung dh von h zwischen 20 °C und 40 °C : dh = 6,3 mm.

Bei einer Prüfung durch Eintauchen, wenn das Medium 1 Wasser ist und das Medium 2 Stahl, kann festgestellt werden, daß V mit der Temperatur zunimmt, und daß i„ abnimmt, wenn die Temperatur steigt. Ebenfalls bei einer Prüfung unter einem Winkel von 45°, bei einem 200 mm tief liegenden Fehler beträgt die Änderung dh von h zwischen 20 °C und 40 °C : dh = 7 mm. Diese beiden Beispiele laufen auf entgegengesetzte Ergebnisse hinaus; d. h. wenn die Temperatur zunimmt, sinkt die Geschwindigkeit in Araldit, nimmt aber in Wasser zu.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht deshalb darin, als Kopplung zwischen dem Strahlungseinkoppler und dem Prüfling zumindest zwei viskoelastische Medien einzubringen, in denen die Ausbreitungsgeschwindigkeiten mit der Temperatur sich im entgegengesetzten Sinn ändern.

Demzufolge besteht eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darin, gemäß Fig. 2 einen Keil S aus Araldit mit spitzem Winkel i vorzusehen, mit einer Einfallsfläche s parallel zur Ausfallsfläche T eines Ultraschallstrahlungseinkopplers und mit einer Ausfallsfläche s , die einen Wasserkeil mit Winkel cCin bezug zur Oberfläche des Prüflings, dem Medium 3, bildet.

Unter der Voraussetzung, daß i konstant ist, muß auch i kon-

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stant sein, weshalb:

SQ SQ '

Beim Erörtern dieser Übereinstimmung ergeben sich die Gleichungen :

5i sin i. 1 SV SV

bQ ⁼ cosi- 'ν δ θ " δ O

&i sin i ₁ 5V SV V .

6Θ ~ cosi V δ θ δ θ V ^κ '

was zu einem Zusammenhang zwischen sin i und sin i führt, und

SV 14

im allgemeinen Fall, wenn 3_ = 0 ergibt sich die Gleichung:

2 ^SQ 2

sin i„ „ sin i

^{1 1}

Λ 0 0 A 9 9 9

V₁ -V₂ sin X₁ V₃-V₂SUXi₄

(5)

= I₃ - I₂ (6)

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Zum Beispiel wird bei einer Prüfung mit Transversalwellen unter einem Winkel von 45° in Stahl i = 15°10' und oC = 8°25' erhalten. Die Fig. 2 zeigt gestrichelt das Ausmaß der Korrektur bei dem erfindungsgemäßen Verfahren. Der Winkel i ist konstant gehalten, aber es bleibt eine geringe Abweichung des Punktes B gegenüber B'. Wenn AB klein gegenüber BC ist, ist BB' vernachlässigbar und ebenso CC '.

Die Fig. 3 und 4 zeigen zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung im Falle von Kompensationsvorrichtungen, die bei einer Ultraschallprüfung mittels Kontakt verwendet werden. Bei diesen Vorrichtungen ist die Einfallsfläche s eines Keils s aus Araldit parallel zur Ausfallsfläche T des Strahlungseinkopplers T, während die Ausfallsfläche s parallel zu der des Prüflings ist. Der Keil S aus Araldit erzeugt eine Anpassung des Scheinwiderstandes zwischen dem piezoelektrischen Strahlungseinkoppler und der Wasserlinse E, die in dem Keil S aus Araldit eingeschlossen ist.

Das Medium a ist ein Absorptionskörper, der notwendig ist, um die Auswirkung der Streureflexion zu verkleinern.

Die Fig. 5 gibt ein anderes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kompensationseinrichtung nach Fig. 2 wieder, die einen üblichen Strahlungseinkoppler T und einen Keil S aus Araldit verwendet. Die Einfallsfläche s des Keils S ist parallel zur Ausfallsfläche 1 des Strahlungseinkopplers T und die Ausfallsfläche s„ bildet einen Wasser-

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keil mit dem Winkel oc in bezug auf den Prüfling P, der in das Wasser E eingetaucht ist.

Wenn ein Strahlenbündel, das am Ausfall aus dem Keil fokussiert ist, erhalten werden soll, muß entweder der Einfalls- oder der Ausfallsfläche eine Krümmung in Form einer konvexen oder konkaven Linse gegeben werden.

Die Fig. 6 stellt einen Keil S gemäß der Erfindung dar, der durch eine Einfallsfläche s in Form einer konvexen Linse fokussierend ist, die zum Strahlungseinkoppler T gerichtet ist. Die Fig. 7 stellt eine andere Art der Fokussierung durch den Keil S dar, durch eine Ausfallsfläche s in Form einer konkaven Linse, die zum Prüfling P ge- ^a

richtet ist.

Die in den Fig. 6 und 7 dargestellte Fokussierung läßt sich auch auf die Ausführungsbeispiele der Fig. 3 bis 5 anwenden.

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Claims

Patentansprüche

ζ 1Λ Verfahren zur Kompensation des von der Temperatur abhängigen Brechungswinkels eines Ultraschallstrahlenbündels auf einen Prüfling, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ultraschallstrahlungseinkoppler und dem Prüfling zwei Brechungsmedien angeordnet werden, in denen die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallstrahlen sich mit der Temperatur im entgegengesetzten Sinn ändert.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch . einen zwischen dem Ultraschallstr ahlungseinkoppler (T) und dem Prüfling (P) angeordneten Keil S, der aus mindestens zwei Medien besteht, in denen die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallstrahlen sich in entgegengesetztem Sinn ändert.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Keil (S) ebene Flächen (s , s ) besitzt.

1 £*
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

der Keil (S) eine Einfallsfläche (s. ) in Form einer konvexen linse

la

besitzt, die zum Ultraschallstrahlungseinkoppler (T) gerichtet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

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-U-

der Keil (S) eine Ausfallsfläche (s_) in Form einer konkaven linse besitzt, die zum Prüfling (P) gerichtet ist.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Kopplung durch Eintauchen zwischen Ultraschallstrahlungseinkoppler (T) und Prüfling (P) und durch einen Keil (S) aus mindestens einem Medium, in dem die Ausbreitungsgeschwin digkeit der Ultraschallstrahlen sich in entgegengesetztem Sinn wie im Eintauchmedium (E) ändert.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Medien Wasser und das andere, für den
Keil (S) verwendete, ein viskoelastisches Material wie Araldit, Specifix und Plexiglas ist.

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