Anwendungsgebiet und Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Prüfkopf für eine Ultraschall-Prüfanlage zur zerstörungsfreien Materialprüfung unter Relativbewegung eines Prüflings gegenüber dem Prüfkopf entlang einer Prüfrichtung.

Die Ultraschallprüfung ist ein akustisches Verfahren zum Auffinden von Materialfehlern, sogenannten Ungänzen, sowie zur Bestimmung von Bauteilabmessungen mittels Ultraschall. Sie gehört zu den zerstörungsfreien Prüfmethoden. In der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit Ultraschall (US) wird der Schall über ein Ankoppelmedium, z. B. eine Flüssigkeitsschicht, vom Prüfkopf auf den Prüfling übertragen. Auch die Übertragung der die Information über den Zustand des Prüfguts tragenden Ultraschallwellen vom Prüfling zum empfangenden Prüfkopf erfolgt in der Regel über dasselbe Ankoppelmedium. Zum Aussenden und Empfangen der Ultraschallwellen bzw. der Ultraschallimpulse können getrennte Sende- und Empfangsprüfköpfe verwendet werden. Unter Prüfkopf wird hier die Handhabungseinheit verstanden, in der ein oder mehrere Ultraschallwandler eingebaut sind. Der Ultraschallwandler selbst ist das Element, das das elektrische Signal in ein Schallsignal (akustisches Signal) bzw. ein Schallsignal in ein elektrisches Signal umsetzt. Meist werden die schallaussendenden und schallempfangenden Ultraschallwandler in einem Prüfkopf vereinigt. Handelt es sich um separate Sender und Empfänger, spricht man auch von Sende-Empfangs-Prüfköpfen bzw. SE-Prüfköpfen. Diese werden z.B. dann bevorzugt, wenn ein hohes Nahauflösungsvermögen gefordert ist. Wird mit dem gleichen Ultraschallwandler gesendet und auch empfangen, spricht man von Impuls-Echo- Prüfköpfen.

Sende-Empfangs-Prüfköpfe (SE-Prüfköpfe) werden z.B. bei der Ultraschallprüfung von Grobblechen verwendet. Diese haben in der Regel typische Breiten von 1 m bis 5 m, typische Längen von 3 m bis 30 m und typische Dicken von 5 mm bis 150 mm. Der Artikel„Betriebliche Erfahrungen mit einer neuen Ganztafel-Ultraschallprüfanlage" von A. Weber et al., DGZfP- Jahrestagung 2013 - DL2.B.2, Seiten 1 bis 8 beschreibt eine Ganztafel-Ultraschallprüfanlage, die in einem Walzwerk unmittelbar hinter dem Kühlbett im Einlauf in die Scherenstrecke angeordnet ist. In die beschriebene Ultraschallprüfanlage sind insgesamt 76 pneumatisch einzeln angesteuerte Prüfkopfhalterungen verbaut. Eingesetzt sind SE-Prüfköpfe mit einer Nennfrequenz von 5 MHz. Die verwendeten Mehrfachschwinger haben eine Breite von 50 mm und sind 4-fach geteilt, woraus sich 304 einzeln zu verarbeitende Prüfkanäle ergeben. Die Prüfkopfhalterungen sind in zwei in Prüfrichtung hintereinander angeordnete und um eine Prüfkopfbreite in Querrichtung zueinander versetzte Flächenprüfwagen eingebaut. Hierdurch wird nach Angabe des Artikels eine vollständige Flächenprüfung (100%-Prüfung) erreicht.

Ein bekannter vier-fach geteilter Sender-Empfänger-Prüfkopf hat innerhalb eines im Querschnitt rechteckförmigen Prüfkopfgehäuses eine Reihe mit vier unmittelbar nebeneinander angeordneten Empfängerelementen sowie ein einziges Senderelement, welches sich über die gesamte durch die Empfängerelemente abgedeckte Breite erstreckt. Damit sind beispielsweise Referenzfehler der Klasse FBH-3 (Fiat Bottom Hole mit 3 mm Durchmesser) mit hoher Zuverlässigkeit detektierbar. Es besteht jedoch beispielsweise bei der Grobblechprüfung zunehmend der Bedarf, auch kleinere Defekte, z.B. FBH-2 oder FBH-1 ,2, mit hoher Zuverlässigkeit zu detektieren.

Die Offenlegungsschrift DE 195 33 466 A1 offenbart einen Ultraschallprüfkopf für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung, der mehrere Puls-Echo-Ultraschallwandler aufweist, die mit ihren Sende-/Empfangsflächen in einer ersten Ebene in wenigstens zwei parallelen Reihen voneinander jeweils durch eine Lücke derart versetzt zueinander angeordnet sind, dass jede in einer Reihe befindliche Lücke zwischen Ultraschallwandlern durch einen Ultraschallwandler einer anderen Reihe abgedeckt wird. Dadurch wird ein Prüfkopf mit großer Prüfbreite geschaffen, der über die gesamte Prüfbreite eine weitgehend konstante Empfindlichkeit aufweist. Die Offenlegungsschrift DE 34 42 751 A1 offenbart eine mit Ultraschall arbeitende Prüfanlage für Bleche mit mehreren auf das Blech einstellbaren Prüfköpfen, die quer zur Förderrichtung des Blechs reihenweise und in Förderrichtung in mehreren Reihen hintereinander mit Überlappung vorgesehen sind. Jeder Prüfkopf hat einen Sender sowie einen Empfänger.

Die Offenlegungsschrift DE 196 42 072 A1 offenbart zusammengesetzte Sondenvorrichtungen, die eine Mehrzahl von Empfangsoszillatoren aufweisen, die in einer zick-zackförmigen Art an beiden Seiten eines gemeinsamen Sendeoszillators angeordnet sind. Die Sende- und Empfangsoszillatoren sind mit einer gemeinsamen piezoelektrischen Platte aufgebaut, wobei eine ihrer Elektroden einer Teilung unterzogen wird. Die Empfangsoszillatoren unterschiedlicher Reihen überlappen sich in Seitenrichtung teilweise, so dass eine lückenlose Prüfung über die gesamte vom Sendeoszillator abgedeckte Länge möglich ist. Die Offenlegungsschrift DE 10 2008 002 859 A1 offenbart eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung von flächigen Gegenständen mittels Ultraschall, wobei die Vorrichtung Matrix-Phased-Array-Prüfköpfe verwendet.

Aufgabe und Lösung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen z.B. für den Einsatz in einer Ultraschall- Grobblechprüfanlage geeigneten Prüfkopf bereitzustellen, der bei einfacher Handhabung und einfachem Einbau in die Prüfanlage eine lückenlose Prüfung großer Prüfbreiten mit hoher Zuverlässigkeit auch für kleine Defekte im Prüfling ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung einen Prüfkopf mit den Merkmalen von Anspruch 1 bereit. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.

Der Prüfkopf hat ein Prüfkopfgehäuse, welches eine Längsrichtung und eine dazu orthogonale Querrichtung definiert. Die Längsrichtung ist diejenige Richtung, die im Betrieb möglichst parallel zur Prüfrichtung ausgerichtet ist. Die Querrichtung verläuft senkrecht zur Längsrichtung und somit im Prüfbetrieb möglichst senkrecht zur Prüfrichtung. Der Prüfkopf weist mehrere Sende-Empfangseinheiten auf, so dass es sich um einen Ultraschall-Mehrfachprüfkopf handelt. Jede der Sende-Empfangseinheiten hat ein Senderelement und ein zugeordnetes Empfängerelement. Dadurch wird in Querrichtung eine effektive Prüfbreite in der Weise definiert, dass bei Relativbewegung des Prüflings gegenüber dem Prüfkopf entlang der Prüfrichtung durch die Sende-Empfangseinheit eine Prüfspur mit der effektiven Prüfbreite prüfbar ist. Die effektive Prüfbreite ist in der Regel etwas geringer als die physikalische Ausdehnung der Sende-Empfangseinheit in Querrichtung, da die Empfindlichkeit der Sende- Empfangseinheit üblicherweise in der Nähe der seitlichen Enden stark absinkt, so dass effektiv nur eine etwas geringere Prüfbreite nutzbar ist. Die Sende-Empfangseinheiten sind in mindestens zwei in Längsrichtung hintereinander liegenden Reihen angeordnet, welche jeweils in Querrichtung verlaufen. Sende-Empfangseinheiten aus unterschiedlichen Reihen sind in Querrichtung derart gegeneinander versetzt, dass Empfängerelemente gegeneinander versetzter Sende-Empfangseinheiten in einem Überlappungsbereich einander so überlappen, dass die Gesamtheit der Sende-Empfangseinheiten eine effektive Prüfkopf-Prüfbreite lückenlos abdeckt. Alle Sende-Empfangseinheiten sind in dem Prüfkopfgehäuse angeordnet.

Weiterhin ist vorgesehen, dass alle Senderelemente elektrisch an ein gemeinsames Sender- Anschlusselement des Prüfkopfs angeschlossen sind. Die Senderelemente sind damit elektrisch miteinander verbunden und können ohne weiteres durch ein gemeinsames Signal synchron angesteuert werden. Die Synchronität der Sendesignale ist somit durch den Prüfkopfaufbau bereits gegeben und muss nicht über aufwändige Elektronik sichergestellt werden Obwohl mehr als zwei Reihen mit jeweils einer oder mehreren Sende-Empfangseinheiten vorgesehen sein können, sind die Sende-Empfangseinheiten vorzugsweise in genau zwei in Längsrichtung hintereinanderliegenden Reihen angeordnet.

Aufgrund der gemeinsamen Anordnung aller Sende-Empfangseinheiten im Prüfkopfgehäuse ist es möglich, die Sende-Empfangseinheiten bei der Herstellung des Prüfkopfs exakt in die für sie vorgesehene Positionen innerhalb des Prüfgehäuses zu bringen und auch die relative Positionierung der Sende-Empfangseinheiten untereinander genau festzulegen. Die geometrische Anordnung der Sende-Empfangseinheiten innerhalb des Prüfkopfgehäuses wird in der Regel mittels Trägerelementen festgelegt und durch Einbringen einer geeigneten Vergussmasse, wie beispielsweise ein Epoxidharz, dauerhaft räumlich fixiert und gegen Eindringen des Koppelmittels geschützt.

Zwar könnte eine gegenseitige Überlappung von effektiven Prüfbreiten einzelner Sende- Empfangseinheiten auch dadurch erreicht werden, dass die Sende-Empfangseinheiten jeweils in ein eigenes Prüfkopfgehäuse eingebaut und die so erhaltenen Einzelprüfköpfe dann in zwei oder mehr Reihen innerhalb eines Prüfkopfhalters versetzt zueinander angeordnet werden. Entsprechende Versuche haben jedoch gezeigt, dass es bei dieser Kombination mehrerer Einzelprüfköpfe schwierig sein kann, für jeden Prüfkopf separat innerhalb des Prüfkopfhalters den gewünschten Koppelspalt präzise genug einzustellen. Befinden sich dagegen alle Sende- Empfangseinheiten innerhalb des gleichen Prüfkopfgehäuses, so kann bereits bei der Herstellung des Prüfkopfs die relative Anordnung der Sende-Empfangseinheiten untereinander präzise fixiert werden, so dass beim Einbau des Prüfkopfs in den Prüfkopfhalter die Einstellung des Koppelspalts für alle Sende-Empfangseinheiten gemeinsam schnell und präzise erfolgen kann. Dadurch ist eine unmittelbare Vergleichbarkeit der Signalamplituden von Referenzfehlern aller Sende-Empfangseinheiten des Prüfkopfs sichergestellt.

Durch die gegenseitige Überlappung in Querrichtung gegeneinander versetzter Sende- Empfangseinheiten in den Überlappungsbereichen kann sichergestellt werden, dass von jeder Sende-Empfangseinheit nur derjenige Bereich der theoretisch verfügbaren Prüfbreite genutzt wird, in welchem eine ausreichend hohe Empfindlichkeit vorliegt. Die Breite der gegenseitigen Überlappung wird dabei zweckmäßig so gewählt, dass die Bereiche mit Empfindlichkeitsabfall in der unmittelbaren Nähe der seitlichen Ränder der Sende-Empfangseinheiten einander so überlappen, dass ein maßgeblicher Empfindlichkeitsabfall zwischen in Querrichtung benachbarten Sende-Empfangseinheiten vermieden oder gegenüber herkömmlichen, nur in einer Reihe angeordneten Mehrfachschwingern erheblich reduziert sind. Bei manchen Ausführungsbeispielen weisen die Überlappungsbereiche eine Breite von mindestens 10% der effektiven Prüfbreite der einzelnen Sende-Empfangseinheiten auf, wobei die Breite der Überlappungsbereiche vorzugsweise im Bereich von 20% bis 30% der effektiven Prüfbreite liegt. Bei Einhaltung dieser Grenzen kann einerseits sichergestellt werden, dass die Überlappung ausreichend groß ist, um signifikante Empfindlichkeitseinbrüche in Überlappungsbereichen zu verhindern. Andererseits kann dadurch, dass die Überlappungsbereiche nicht zu breit gewählt werden, erreicht werden, dass mit relativ wenigen einzelnen Sende-Empfangseinheiten die erforderliche Gesamt-Prüfbreite des Prüfkopfs (effektive Prüfkopf-Prüfbreite) erzielbar ist.

Bei manchen Ausführungsformen ist die Anordnung so gewählt, dass zwischen in einer Reihe benachbarten Sende-Empfangseinheiten ein Abstand besteht, der mehr als 30% oder mehr als 50% der effektiven Prüfbreite einer Sende-Empfangseinheit beträgt. Somit kann sichergestellt werden, dass keine oder nur wenig prinzipiell nutzbare Prüfbreite„verschenkt" wird.

Die Senderelemente und die Empfängerelemente weisen vorzugsweise jeweils ein z.B. rechteckiges Plättchen aus piezoelektrischem Material auf, das beim Senderelement als schallaussendender Ultraschallwandler und beim Empfängerelement als schallempfangender Ultraschallwandler fungiert. Diese Plättchen sind voneinander gesonderte Elemente, die jeweils mit elektrischen Kontaktierungen versehen sind. Bei bevorzugten Ausführungsformen sind diese Plättchen bzw. Platten relativ zueinander schräg gestellt, so dass sich eine spiegelsymmetrisch zu einer Trennebene ausgebildete Dachform ergibt. Die Trennebene erstreckt sich in Querrichtung. Ein Dachwinkel kann z.B. 6° betragen, ggf. aber auch mehr oder weniger.

Vorzugsweise befindet sich in der Trennebene (Symmetrieebene der Dachanordnung) zwischen den Ultraschallwandlern eine Trennwand aus einem ultraschalldämpfenden Material. Diese dient u.a. der akustischen Entkopplung von Senderelement und Empfängerelement einer Sende-Empfangseinheit, so dass die Schallübertragung nur indirekt über das im Prüfbetrieb angekoppelte Prüflingsmaterial erfolgen kann. Die Trennwand kann auch der elektrischen Entkopplung der Ultraschallwandler auf Sendeseite und Empfangsseite dienen. Vorteile des neuen Konzepts können bereits genutzt werden, wenn innerhalb des Prüfkopfgehäuses nur zwei Sende-Empfangseinheiten in Querrichtung gegeneinander versetzt und in Längsrichtung in zwei unterschiedlichen Reihen angeordnet werden bzw. sind. Es können auch wesentlich mehr Sende-Empfangseinheiten integriert sein, beispielsweise fünf bis zehn Sende-Empfangseinheiten. Bei bevorzugten Ausführungsformen ist dagegen vorgesehen, dass in dem Prüfkopfgehäuse genau drei oder genau vier oder genau fünf Sende- Empfangseinheiten angeordnet sind, wobei eine erste und eine dritte Sende-Empfangseinheit nebeneinander in einer ersten Reihe und eine zweite Sende-Empfangseinheit symmetrisch versetzt auf Lücke zur ersten und zur dritten Sende-Empfangseinheit in einer zweiten Reihe angeordnet ist. Sofern vier Sende-Empfangseinheiten vorgesehen sind, ist die vierte Sende- Empfangseinheit vorzugsweise in der zweiten Reihe mit Querabstand zur zweiten Sende- Empfangseinheit angeordnet. Eine ggf. vorhandene fünfte Sende-Empfangseinheit kann in der ersten Reihe angeordnet sein.

Bei der Optimierung der Anzahl, der Dimensionen und der Verteilung von Sende- Empfangseinheiten sollte einerseits berücksichtigt werden, dass die individuelle Signalamplitude eines Empfängers bei einem Fehler gegebener Größe umso höher ist, je kleiner die effektive Prüfbreite bzw. je größer das Verhältnis zwischen der Defektgröße und der effektiven Prüfbreite ist. Insoweit könnte eine höhere Anzahl von Sende-Empfangseinheiten, z.B. sechs bis zehn oder mehr, im Hinblick auf große Signalamplituden günstig sein. Andererseits steigt mit der Anzahl der Sende-Empfangseinheiten auch der technologische Aufwand für die lagerichtige Unterbringung und die entsprechende Prüfelektronik und die Auswertung. Werden dagegen nur zwei Sende-Empfangseinheiten in zwei Reihen versetzt hintereinander angeordnet, so kann es sein, dass die einzelnen effektiven Prüfbreiten relativ groß werden müssen, wodurch die Signalamplitude insbesondere bei kleinen Defekten eventuell nicht ausreichend hoch ist. Daher wird eine Anzahl von genau drei oder genau vier oder genau fünf Sende-Empfangseinheiten im Prüfkopf derzeit als günstig angesehen.

Die in unterschiedlichen Reihen angeordneten Sende-Empfangseinheiten können alle die gleiche Orientierung ihrer Senderelemente und Empfängerelemente in Bezug auf die Längsrichtung bzw. Prüfrichtung aufweisen. So können z.B. alle Sendereinheiten in die gleiche Richtung schräg nach vorn oder schräg nach hinten (jeweils in Prüfrichtung gesehen) abstrahlen. Bei manchen Ausführungsformen ist dagegen vorgesehen, dass die Sende- Empfangseinheiten des Prüfkopfs verteilt in einer ersten Reihe und in einer zweiten Reihe angeordnet sind, wobei die Senderelemente von in unterschiedlichen Reihen angeordneten Sende-Empfangseinheiten einander zugewandt im Mittelbereich des Prüfkopfs (in Längsrichtung betrachtet) angeordnet sind und die Platten der Senderelemente aufgrund der Dachform derart relativ zueinander schräg gestellt sind, dass die Senderelemente bedingt durch den Dachwinkel in entgegengesetzte Schrägrichtungen jeweils von innen nach außen abstrahlen. Hierdurch kann allein aufgrund der voneinander weg weisenden Haupt- Abstrahlrichtungen eine bessere akustische Entkopplung der in unterschiedlichen Reihen liegenden Sende-Empfangseinheiten erreicht werden. Es ist möglich, das Prüfkopfgehäuse so zu gestalten, dass die gegeneinander versetzten Sende-Empfangseinheiten jeweils angepasste Teilabschnitte des Prüfkopfgehäuses haben, in die sie eingepasst werden können. Das könnte zu einer komplexen Außenkontur des Prüfkopfgehäuses mit Ecken und Innenwinkeln führen. Vorzugsweise weist das Prüfkopfgehäuse eine rechteckige Querschnittsform auf. Insbesondere kann das Prüfkopfgehäuse so dimensioniert und gestaltet sein, dass es hinsichtlich Querschnittsform und Dimension den Prüfkopfgehäusen herkömmlicher mehrfach geteilter Mehrfachschwinger entspricht, so dass Prüfköpfe gemäß der beanspruchten Erfindung ohne weiteres im Austausch gegen herkömmliche mehrfach geteilte Mehrfachschwinger im Wege der Umrüstung ausgetauscht werden können. Es wäre auch möglich, einige Empfängerelemente oder alle Empfängerelemente elektrisch zu verbinden und an ein gemeinsames Empfänger-Anschlusselement anzuschließen. Vorzugsweise ist jedoch vorgesehen, dass jedes der Empfängerelemente elektrisch an ein separates Empfänger-Anschlusselement des Prüfkopfs angeschlossen ist. Somit ist eine genaue Zuordnung einzelner Fehlersignale zu einem Ort bzw. einer schmalen Prüfspur in Querrichtung möglich, wodurch die Lokalisierbarkeit von Fehlern in Querrichtung verfeinert werden kann.

Das Sender-Anschlusselement und die Empfänger-Anschlusselemente können in einem gemeinsamen Steckergehäuse untergebracht sein, so dass der elektrische Anschluss des Prüfkopfs nach Montage im Prüfkopfhalter sehr einfach möglich ist und ggf. zudem der Einsatz in bestehenden Prüfanlagen keine Anpassung der Verkabelung erfordert.

Vorzugsweise befindet sich zwischen dem Senderelement und dem Empfängerelement zur akustischen Entkopplung eine Trennwand (Schalldamm) aus einem ultraschalldämpfenden Material, beispielsweise Kork, Schaumstoff oder dergleichen. Bei manchen Ausführungsformen ist alternativ oder zusätzlich dazu vorgesehen, dass mindestens eine Trennwand aus einem ultraschalldämpfenden Material, beispielsweise Kork, zwischen in einer Reihe benachbarten Sende-Empfangseinheiten angeordnet ist. Dadurch kann ein Übersprechen in Querrichtung vermindert oder vermieden werden. Wenn in einer Reihe zwei oder mehr Sende- Empfangseinheiten nebeneinander angeordnet sind, können diese eine gemeinsame Trennwand haben, welche die Senderelemente und die Empfängerelemente der Sende- Empfangseinheiten akustisch voneinander entkoppelt. Hierdurch kann der Fertigungsaufwand für die akustische Entkopplung reduziert werden.

Zur akustischen Optimierung des Prüfkopfs kann jeder Sende-Empfangseinheit ein Dämpfungskörper zugeordnet sein, der sich gegenüber derjenigen Seite des Prüfkopfs befindet, die in schallleitendem Kontakt mit der Prüflingsoberfläche gebracht werden soll. Obwohl für jede Sende-Empfangseinheit ein eigener Dämpfungskörper vorgesehen sein kann, hat das Prüfkopfgehäuse vorzugsweise einen einzigen Dämpfungskörper, der als Dämpfungskörper aller Sende-Empfangseinheiten fungiert. Hierdurch wird unter anderem die Herstellung vereinfacht. Die Erfindung betrifft auch eine Ultraschall-Prüfanlage zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings unter Relativbewegung des Prüflings gegenüber dem Prüfkopf entlang einer Prüfrichtung, wobei die Ultraschall-Prüfanlage einen oder mehrere der erfindungsgemäßen Prüfköpfe aufweist. Bei der Ultraschall-Prüfanlage kann es sich insbesondere um eine Ultraschall-Grobblechprüfanlage handeln. Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung, die nachfolgend anhand der Figuren erläutert sind.

Fig. 1 zeigt einen Ultraschall-Prüfkopf gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Draufsicht von der aktiven Seite des Prüfkopfs;

Fig. 2 zeigt eine Schnittdarstellung den Prüfkopfs aus Fig. 1 in einem eingebauten Zustand innerhalb eines Prüfkopfhalters;

Fig. 3 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform mit einer anderen Anordnung schalldämmender Trennwände; Fig. 4 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform mit einer anderen Anordnung schalldämmender Trennwände; und

Fig. 5 zeigt eine Schnittdarstellung einer Variante der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform mit einer anderen Abfolge von Senderelementen und Empfängerelementen. Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die schematische Fig. 1 zeigt einen Prüfkopf 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Draufsicht von der aktiven Seite des Prüfkopfs, also derjenigen Seite, mit der der Prüfkopf in die Nähe der Oberfläche eines zu prüfenden Prüflings gebracht wird. Fig. 2 zeigt eine Schnittdarstellung. Der Prüfkopf ist für die Verwendung in einer vollautomatischen Ultraschall-Grobblechprüfanlage vorgesehen, in welcher eine Vielzahl nominell identischer Prüfköpfe verwendet wird. Der Prüfkopf arbeitet vorzugsweise mit einer Nennfrequenz von ca. 4 oder 5 MHz und kombiniert im Beispielsfall drei schallaussendende und drei schallempfangende Ultraschallwandler, so dass es sich um einen Sende-Empfangs-Prüfkopf (SE-Prüfkopf) handelt.

Der Prüfkopf hat ein vorzugsweise gefrästes metallisches Prüfkopfgehäuse 1 10, welches in der Zeichenebene von Fig. 1 eine im Wesentlichen rechteckige Querschnittsform aufweist, wobei die Breite in Querrichtung Q mehr als doppelt so groß ist wie die Länge in Längsrichtung L. I m Beispielsfall beträgt die Breite in Querrichtung ca. 65 mm, während die senkrecht dazu gemessene Länge ca. 24 mm bis 25 mm beträgt. An der Seite der aktiven Fläche 120 ist das Prüfkopfgehäuse offen (vgl. Fig. 2). An der der aktiven Fläche gegenüber liegenden Rückseite ist das Prüfkopfgehäuse bis auf Durchlässe für elektrische Leitungen geschlossen.

Wie die schematische Fig. 2 zeigt, wird der Prüfkopf 100 beim Einrichten der Prüfanlage in einen Prüfkopfhalter 200 eingesetzt, der gemeinsam mit einer Vielzahl nominell identischer Prüfkopfhalter an einem Flächenprüfwagen der Prüfanlage befestigt ist. Der Prüfkopfhalter 200 trägt an seiner dem Prüfling 290 zugewandten Unterseite eine sogenannte Schleißsohle 210 in Form einer massiven Platte aus einem verschleißfesten Werkstoff, beispielsweise aus Edelstahl mit Hartmetall-Einsätzen und/oder aus einem gehärteten Stahl Werkstoff. Für die Prüfung werden die Prüfkopfhalter so in Richtung des Prüflings 290 zugestellt, dass die Schleißsohlen in Kontakt mit der Prüflingsoberfläche 292 treten und auf dieser abgleiten, wenn sich der Prüfling relativ zum Prüfkopfhalter in Prüfrichtung 295 bewegt. Der Prüfkopf ist dabei so in dem Prüfkopfhalter eingebaut, dass die Längsrichtung L des Prüfkopfs möglichst parallel zur Prüfrichtung 295 verläuft. Die orthogonal zur Längsrichtung und Querrichtung verlaufende Hochrichtung H steht dann möglichst senkrecht auf der Prüflingsoberfläche. Typische Prüfgeschwindigkeiten im Prüfbetrieb nach dem Anstellen aller Prüfkopfhalterungen liegen in der Regel z.B. bei zwischen 0.5 m/s und 1 m/s liegen.

Die Schleißsohle 210 weist einen rechteckförmigen Ausschnitt bzw. eine rechteckförmige Ausnehmung bzw. Aussparung 215 auf, die von der Kontaktfläche 212 zur Innenseite durchgeht und in Längsrichtung L und Querrichtung Q so dimensioniert ist, dass der Prüfkopf 100 mit geringem Seitenspiel vom Inneren des Prüfkopfhalters in die Ausnehmung eingeführt werden kann. Am hinteren Ende des Prüfkopfs, d.h. an der der aktiven Fläche 120 abgewandten Seite, befindet sich eine Trägerplatte 220, die der Befestigung und vertikalen Ausrichtung des Prüfkopfs im Prüfkopfhalter 200 dient. Beim Einbau des Prüfkopfs in den Prüfkopfhalter wird der Prüfkopf so positioniert, dass zwischen der ebenen aktiven Fläche 210 des Prüfkopfs und derjenigen Ebene, die durch die Kontaktfläche 212 der Schleißsohle 210 gebildet wird, ein sogenannter Koppelspalt SP möglichst konstanter Dicke über die Breite des Prüfkopfs verbleibt. Die Dicke D liegt häufig in der Größenordnung von ca. 0,25 mm bis 0,35 mm. Im Prüfbetrieb füllt sich dieser Spalt mit der Koppelflüssigkeit, in der Regel Wasser. Die exakte, nicht keilförmige Einstellung des Koppelspalts insbesondere in Längsrichtung ist eine wesentliche Voraussetzung für eine zuverlässige Ultraschallprüfung.

Der Prüfkopf 100 ist so konstruiert, dass er über seine gesamte effektive Prüfkopf-Prüfbreite PKPB eine relativ gleichmäßige hohe Empfindlichkeit ohne größere lokale Abfälle in der Empfindlichkeit aufweist. Hierzu sind in dem vom Prüfkopfgehäuse umschlossenen Gehäuseinnenraum im Beispielsfall drei nominell identische Sende-Empfangseinheiten angeordnet, nämlich eine erste Sende-Empfangseinheit 150-1 , eine zweite Sende- Empfangseinheit 150-2 und eine dritte Sende-Empfangseinheit 150-3. Jede der Sende- Empfangseinheiten umfasst ein einziges Senderelement T1 , T2 bzw. T3 und ein einziges, dem Senderelement zugeordnetes Empfängerelement R1 , R2, R3. Die Senderelemente und die Empfängerelemente weisen jeweils ein dünnes rechteckiges Plättchen aus piezoelektrischem Material auf, das beim Senderelement als schallaussendender Ultraschallwandler und beim Empfängerelement als schallempfangender Ultraschallwandler fungiert. Kontaktierungen an den Vorder- und Rückseiten sind vorhanden, aber nicht dargestellt. Die rechteckigen Platten erstrecken sich parallel zueinander in Querrichtung Q und sind relativ zueinander schräg gestellt, so dass sich eine spiegelsymmetrisch zu einer Trennebene ausgebildete Dachform ergibt, z.B. mit einem Dachwinkel von beispielsweise 6°. (Fig. 2). In der Trennebene (Symmetrieebene der Dachanordnung) verläuft zwischen den Ultraschallwandlern eine Trennwand 152-1 aus einem ultraschalldämpfenden Material. Die vorzugsweise aus einem Korkwerkstoff hergestellte Trennwand dient der akustischen Entkopplung von Senderelement und Empfängerelement einer Sende-Empfangseinheit, so dass die Schallübertragung nur indirekt über das im Prüfbetrieb angekoppelte Prüflingsmaterial erfolgen kann. Die Trennwand dient auch der elektrischen Entkopplung der Ultraschallwandler auf Sendeseite und Empfangsseite. Die Abfolge von Senderelement und Empfängerelement einer Sende-Empfangseinheit in Prüfrichtung kann auch umgekehrt zur dargestellten Abfolge sein. Beispiele werden im Zusammenhang mit Fig. 5 erläutert

Oberhalb der Sende-Empfangselemente ist im Inneren des rückseitig geschlossenen Prüfkopfgehäuses 1 10 ein einziger Dämpfungskörper 260 eingebracht, der als rückseitige Schalldämpfung für alle Sende-Empfangseinheiten dient. Die freien Volumina des Gehäuseinnenraums zwischen den Senderelementen, den Empfängerelementen und Trennwänden ist bis zur Ebene der aktiven Fläche 120 mit einer Vergussmasse aus Kunststoff gefüllt, so dass die elektrisch betriebenen Elemente des Prüfkopfs wasserdicht versiegelt sind. Jede der Sende-Empfangseinheiten hat eine in Querrichtung gemessene effektive Prüfbreite PB1 etc., die etwas (ca. 10% bis 20%) geringer ist als die physikalische Ausdehnung des Senderelements T1 und des Empfängerelements R1 in der Querrichtung. Zur Erläuterung der effektiven Prüfbreite der ersten Sende-Empfangseinheit 150-1 zeigt Fig. 1 eine Kurve E1 , die einen typischen Signalamplitudenverlauf über die in Querrichtung Q gemessene Elementlänge in Bezug auf einen Referenzfehler FBH-2 repräsentiert. Die Signalamplitude ist ein Maß für die Empfindlichkeit. Charakteristisch für diesen Empfindlichkeitsverlauf ist ein relativ breites, zur Mitte der Sende-Empfangseinheit symmetrisches Plateau relativ hoher erzielbarer Signalamplitude mit einem flachen lokalen Empfindlichkeitsabfall in der Mitte des Elements, zwei lokalen Maxima M1 , M2 näher an den äußeren Rändern des Elements sowie einem steilen Empfindlichkeitsabfall in unmittelbarer Nähe der Enden in Querrichtung. Die effektive Prüfbreite PB1 kann beispielsweise so definiert werden, dass sie denjenigen Bereich bezeichnet, in welchem die Signalamplitude um z.B. maximal 4 dB niedriger liegt als in den lokalen Maxima. Die anderen Sende-Empfangseinheiten haben entsprechende effektive Prüfbreiten PB2, PB3. Die effektiven Prüfbreiten können z.B. bei 20 mm oder mehr liegen. Bei Relativbewegung des Prüflings 290 gegenüber dem Prüfkopf entlang der Prüfrichtung 295 wird von jeder der Sende- Empfangseinheiten eine Prüfspur abgetastet, deren Breite (in Querrichtung) der effektiven Prüfbreite der jeweiligen Sende-Empfangseinheit entspricht.

Die Sende-Empfangseinheiten sind relativ zueinander so angeordnet, dass sich ihre effektiven Prüfbreiten und die drei durch die Sende-Empfangseinheiten abgetasteten Prüfspuren in Querrichtung teilweise überlappen, so dass über die gesamte Prüfkopf-Prüfbreite mit hoher Empfindlichkeit abgetastet werden kann. Hierzu sind die Sende-Empfangseinheiten in zwei in Längsrichtung L hintereinanderliegenden geraden Reihen 155-1 , 155-2 angeordnet, die jeweils in Querrichtung Q verlaufen. Die erste Sende-Empfangseinheit 152-1 und die dritte Sende- Empfangseinheit 152-3 sind dabei in der ersten Reihe 155-1 mit einem gegenseitigen Abstand DQ in Querrichtung Q so angebracht, dass die Trennebenen zwischen den jeweiligen Senderelementen T1 , T3 und den Empfängerelementen R1 , R3 zusammenfallen bzw. miteinander fluchten. Der in Querrichtung Q gemessene Abstand DQ zwischen den beiden Sende-Empfangseinheiten der gleichen Reihe beträgt zwischen 40% und 60% der jeweiligen Breite der Sende-Empfangseinheiten in dieser Richtung.

Die zweite Sende-Empfangseinheit 150-2 ist in der zweiten Reihe 155-2 angeordnet, also in Längsrichtung versetzt gegenüber der ersten und dritten Sende-Empfangseinheit. Die zweite Sende-Empfangseinheit sitzt symmetrisch zu den anderen Sende-Empfangseinheiten so, dass die Lücke zwischen den Sende-Empfangseinheiten der ersten Reihe vollständig abgedeckt ist. Die zweite Sende-Empfangseinheit 152-2 erstreckt sich zu beiden Seiten in Querrichtung so weit, dass ein äußerer Abschnitt in Längsrichtung gesehen hinter einem äußeren Abschnitt der in der ersten Reihe liegenden Sende-Empfangseinheiten liegt. Dadurch wird erreicht, dass die Sende-Empfangseinheiten aus unterschiedlichen Reihen (erste Reihe, zweite Reihe) in Querrichtung Q derart gegeneinander versetzt sind, dass die Empfängerelemente gegeneinander versetzter Sende-Empfangseinheiten und auch die durch diese Sende- Empfangseinheiten abgetasteten Prüfspuren in einem Überlappungsbereich U 1 -2 bzw. U2-3 so überlappen, dass die Gesamtheit der Sende-Empfangseinheiten die effektive Prüfkopf- Prüfbreite PKPB lückenlos und ohne wesentlichen Empfindlichkeitsabfall abdeckt. Die in Querrichtung Q gemessene Breite der Überlappungsbereiche U 1 -2 und U2-3 liegt etwa bei 15% bis 20% der effektiven Prüfbreite PB1 , PB2, PB3 der einzelnen Sende-Empfangseinheiten. Dadurch wird einerseits sichergestellt, dass auch im Überlappungsbereich der Prüfling mit hoher Empfindlichkeit geprüft werden kann, und andererseits kann mit einer relativ geringen Anzahl von nur drei Sende-Empfangseinheiten die gesamte effektive Prüfkopf-Prüfbreite abgedeckt werden. In Fig. 1 ist gut zu erkennen, dass alle Senderelemente T1 , T2 und T3 des Prüfkopfs 100 an ein gemeinsames Sender-Anschlusselement AT des Prüfkopfs angeschlossen sind. Von jedem Empfängerelement R1 , R2 und R3 führt eine separate elektrische Leitung zu einem separaten Empfänger-Anschlusselement AR1 , AR2, AR3. Das Sender-Anschlusselement AT und die Empfänger-Anschlusselemente AR1 , AR2 und AR3 sind in einem gemeinsamen Steckergehäuse (Mehrfachstecker) untergebracht, so dass der Prüfkopf durch Verbinden mit der entsprechenden Buchse bequem an die Ultraschall-Elektronik der Ultraschall-Prüfanlage angeschlossen werden kann.

Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten für die akustische und elektrische Entkopplung von Senderelementen und Empfängerelementen. Bei dem Ausführungsbeispiel der Figuren 1 und 2 hat jede Sende-Empfangseinheit eine eigene Trennwand 152-1 zwischen Senderelement und Empfängerelement. Die Trennwände sind untereinander nicht verbunden. Bei dem Ausführungsbeispiel des Prüfkopfs 300 in Fig. 3 gibt es eine gemeinsame Trennwand 352 für die beiden in der gleichen Reihe (erste Reihe) angeordneten Sende-Empfangseinheiten. Die Herstellung kann dadurch vereinfacht werden. Beim Ausführungsbeispiel eines Prüfkopfs 400 in Fig. 4 gibt es eine in Querrichtung verlaufende Trennwand 452 zwischen den Sende- Empfangseinheiten der ersten Reihe und der Sende-Empfangseinheit der zweiten Reihe. Weiterhin gibt es an den Schmalseiten der Sende-Empfangseinheit weitere, in Längsrichtung verlaufende Trennwände. Insbesondere sind Trennwände an den einander zugewandten Seiten der Sende-Empfangseinheiten der ersten Reihe angeordnet, so dass ein eventuelles Übersprechen innerhalb des Prüfkopfs noch besser unterdrückt ist als bei Ausführungsbeispielen ohne solche Trennwände.

Bei den Ausführungsformen der Fig. 1 bis 4 sind die Senderelemente T1 , T2 etc. der verschiedenen Sende-Empfangseinheiten jeweils so angeordnet, dass alle Sendeelemente in ein zueinander parallelen, schräg gegenüber der L-Q-Ebene verlaufenden Ebenen liegen, so dass alle Senderelemente der in Längsrichtung L hintereinander liegenden Reihen aufgrund der Schrägstellung in die gleiche Richtung abstrahlen. Die Abstrahlrichtung der drei Senderelemente T1 , T2 und T3 der Ausführungsform von Fig. 1 würden also bei Bewegung des Prüfkopfs in Längsrichtung L (in Fig. 1 nach oben) schräg nach vorne in diese Richtung abstrahlen.

In Fig. 5 ist eine Variante der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsform in einer Schnittdarstellung analog zu Fig. 2 gezeigt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit werden die gleichen Bezugszeichen verwendet. Der einzige Unterschied zur Variante von Fig. 2 besteht darin, dass die Senderelemente T1 und T2 der in zueinander parallelen Reihen hintereinander liegenden Sende-Empfangseinheiten nicht in zueinander parallelen Ebenen liegen, sondern schräg gegeneinander gestellt sind. Entsprechendes gilt auch für die Empfängerelemente R1 , R2. Dadurch wird u. a. erreicht, dass die Senderelemente T1 , T2 der in Längsrichtung unmittelbar aufeinander folgenden Sende-Empfangseinheiten mit den schallabstrahlenden Flächen voneinander abgewandt sind und jeweils in den Überlappungsbereichen aneinander angrenzen. Durch die gegenläufige Schrägstellung sind die Haupt-Abstrahlrichtungen (Doppelpfeile) so orientiert, dass die Senderelemente den Ultraschall jeweils von innen nach außen senden. Die Haupt-Abstrahlrichtungen haben also in Längsrichtung gesehen gegenläufige Komponenten. Dadurch kann im Vergleich zu der z. B. in Fig. 1 gezeigten Orientierung eine nochmals verbesserte akustische Entkopplung der in unterschiedlichen Reihen liegenden Senderelemente erreicht werden. Die Senderelemente können also bei den zweireihigen Anordnungen jeweils, in Längsrichtung gesehen, im Mittelbereich des Prüfkopfs angeordnet sein und aufgrund ihrer Schrägstellung bedingt durch den Dachwinkel zu beiden Seiten nach außen (in Längsrichtung) schallen.

Entsprechende Modifikationen sind auch bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 3 und 4 möglich. So kann beispielsweise, bei der aus Fig. 3 abgeleiteten Variante die Anordnung von Senderelementen T2 und Empfängerelemente R2 umgetauscht sein, so dass das Senderelement T2 direkt an die Senderelemente T1 und T3 der beiden Sende- Empfangseinheiten der anderen Reihe angrenzt. Auch bei der Anordnung aus Fig. 4 kann eine entsprechende Modifikation vorgesehen sein, so dass das Senderelement T2 direkt an die Trennwand 442 angrenzt, während das Empfängerelement R2 außen, d. h. in der Nähe des Prüfkopfgehäuses liegt.

Die Ultraschallprüfung beruht bekanntlich darauf, dass sich Schallwellen in unterschiedlichen Medien verschieden schnell ausbreiten. Sie werden an Grenzflächen unterschiedlicher Wellenimpedanz teilweise reflektiert. Mit steigender Differenz der Wellenimpedanz vergrößert sich auch der reflektierte Anteil. Änderungen der akustischen Eigenschaften an Grenzflächen im Bereich eines Fehlers bzw. einer Ungänze im Inneren des zu prüfenden Prüflings reflektieren den von Senderelement emittierten Schallimpuls und senden diesen an das Empfängerelement im Prüfkopf. Als Fehler (bzw. Ungänzen) kommen z.B. Lunker (Hohlräume), Einschlüsse, Risse oder andere Trennungen im Gefüge in Betracht. Beim Impuls-Echo- Verfahren wird die vergangene Zeit zwischen Senden und Empfangen gemessen. Anhand der gemessenen Zeitdifferenz kann ein Signal erzeugt werden. Anhand dieses Signals kann die Lage einer Ungänze sowie die Größe des Fehlers bzw. der Ungänze durch Vergleichen mit einem Ersatzreflektor (z.B. einer Flachbodenbohrung (Fiat Bottom Hole (FBH), einer Nut oder einer Querbohrung) bestimmt werden. Bei automatischen Prüfanlagen werden die Informationen gespeichert, zum Prüfling in Beziehung gesetzt und auf verschiedene Weisen sofort oder später dokumentiert.

Versuche mit konventionellen vier-fachgeteilten Sende-Empfänger-Prüfköpfen haben gezeigt, dass diese für Ersatzreflektoren bis hinunter zur Klasse FBH-3 (Flachbodenbohrung mit 3 mm Durchmesser) eine ausreichende Empfindlichkeit über die gesamte effektive Prüfkopf-Prüfbreite haben können. Allerdings wurde festgestellt, dass die Detektion von Referenzfehlern mit FBH-2 oder kleiner häufig nicht ausreichend reproduzierbar möglich ist. Diese Begrenzung der Empfindlichkeit wird u.a. auf die Bereiche niedrigerer Empfindlichkeit an den Stoßstellen zwischen in einer Reihe benachbarten Empfängerelementen zurückgeführt. Durch die neuartige Anordnung von Sende-Empfangseinheiten innerhalb des Prüfkopfs mit überlappenden Prüfspuren bzw. effektiven Prüfbreiten gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können nun auch Referenzfehler der Klasse FBH-2 oder kleiner (z.B. bis hinunter zu FBH-1 ,2 oder FBH-1 oder darunter) mit guter Reproduzierbarkeit detektiert werden.