AT520121B1

AT520121B1 - Ultraschallprüfungsverfahren des Gießstrangs auf das Vorhandensein der oberflächlichen und unteroberflächlichen Fehler und das Gerät für dieses Ziel

Info

Publication number: AT520121B1
Application number: ATA9502/2016A
Authority: AT
Inventors: Mihaylovich Kashin Aleksey
Original assignee: Mihaylovich Kashin Aleksey
Priority date: 2016-01-15
Filing date: 2016-01-15
Publication date: 2023-07-15
Also published as: AT520121A2; DE112016006237T5; WO2017123112A1; AT520121A5

Abstract

Verfahren zur Ultraschallprüfung eines metallischen Inspektionsobjektes (1) auf das Vorhandensein einer Oberflächen- und Untergrundfehlstelle (13), beinhaltend ein akustisches Scannen des metallischen Inspektionsobjektes (1) und einen Vergleich eines empfangenen Echosignals mit einem Ausschusswert, wobei oberflächliche Rayleigh-Ultraschallwellen (3) durch einen Generator (7) und einen in einem getrennten Schaltkreis angeordneten Empfänger (8) mittels eines Puls- Echo-Verfahrens mit einer für die Ermittlung einer Oberflächen- und Untergrundfehlstelle (13) ausreichenden Ultraschallschwingungsfrequenz ausgestrahlt und empfangen werden, wobei sich die Zentren des Generators (7), des Empfängers (8) und der Oberflächen- und Untergrundfehlstelle (13) auf einer Linie befinden, wobei der Empfänger (8) zwischen dem Generator (7) und der Oberflächen- und Untergrundfehlstelle (13) angeordnet ist oder der Generator (7) zwischen dem Empfänger (8) und der Oberflächen- und Untergrundfehlstelle (13) angeordnet ist, wobei der Abstand (d) zwischen dem Generator (7) und dem Empfänger (8) unter der Bedingung ausgewählt wird, eine maximale Reduzierung eines durch die grobkörnige Struktur des Inspektionsobjektes (1) hervorgerufenen Reverberationsgeräuschniveaus bei minimaler Abschwächung des Echosignals zu erreichen, wobei ein Referenzsignal in Form einer oberflächlichen Rayleigh- Ultraschallwelle (3) periodisch erzeugt wird, das sich direkt vom Generator (7) zum Empfänger (8) auf kürzestem Weg ausbreitet, wobei der Ausschusswert ausgehend von einem aktuellen Amplitudenwert des genannten Referenzsignals eingestellt wird.

Description

Beschreibung

[0001] Die Erfindung ist im Bereich zerstörungsfreier Prüfungen, genauer im Bereich der Instrumente zur Werkstoffprüfung mit Ultraschall, angesiedelt. Das Haupteinsatzgebiet der technischen Lösung ist die industrielle Fertigung von Strangguss-Halbzeugen, darunter Brammen und Vorblöcke (Prüfobjekte), die für eine breite Auswahl von Strangguss-Erzeugnissen vorgesehen sind.

[0002] Bei den in der modernen industriellen Fertigung eingesetzten technischen Prozessen zur Herstellung von Strangguss-Rohlingen kann es in den Produktionsgütern zu Defekten kommen. Dabei treten häufig verschiedene Arten von Defekten auf, darunter solche in einer Tiefe von mindestens 0,5 mm von der Rohling-Oberfläche mit einer Gussfehler-Breite von mindestens 0,05 mm sowie einer Länge von mindestens 3 mm, die als gefährliche Oberflächen- und Innenfehler gelten.

[0003] Gefährliche Oberflächen- und Innenfehler können dazu führen, dass solche Fehler bei der Produktion von Strangguss-Erzeugnissen zu unzulässigen Fehlern werden und sich negativ auf die Qualität und Sicherheit der Enderzeugnisse auswirken. Dies zeigt die Bedeutung einer zuverlässigen Prüfung der Strangguss-Halbzeuge auf vorhandene gefährliche Oberflächen- und Innenfehler unter Produktionsbedingungen. Eine derartige Prüfung ist jedoch aus einer Reihe von Gründen schwierig. Beispielsweise entstehen beim Formen und bei der Kristallisation von Brammen nach dem Gießen regelmäßige Oberflächenunebenheiten, sogenannte Spuren der Kristallisator-Oszillation, in deren Falten sich auch Fehler häufen, darunter Risse, die mit existierenden Prüfmethoden nicht entdeckt werden können, und entlang der Brammenoberflächen entstehen Hohlräume in Form von kanalförmigen Lunkern. Darüber hinaus ist auf der Oberfläche des Prüfobjekts in der Regel eine Schicht lose Schlacke mit einer Stärke von bis zu 3 mm vorhanden, die die Anwendung herkömmlicher Verfahren der Ultraschall-, optischer und Wirbelstromprüfung verhindert. Normalerweise muss eine Prüfung zur Feststellung gefährlicher Oberflächen- und Innenfehler zwingend in früheren Phasen des Herstellungsprozesses erfolgen, nämlich solange das Prüfobjekt eine hohe Temperatur bis zu 800°C aufweist, wodurch die Anwendung herkömmlicher Prüfmethoden unmöglich gemacht oder stark eingeschränkt wird.

FRÜHERER STAND DER TECHNIK

[0004] Die Werkstoffprüfung von Halbzeugen zur Herstellung von Strangguss-Erzeugnissen erfolgt in Metallurgie-Unternehmen üblicherweise auf der Grundlage einer statistischen Analyse des Einflusses technologischer Prozesse und der Konstruktionsparameter von Stranggussanlagen auf die Eigenschaften der Metallerzeugnisse, oder es werden Sicht- und Messprüfungen durchgeführt. Die mathematische Modellierung sowie Sicht- und Messprüfungen bieten jedoch nicht immer eine akzeptable Zuverlässigkeit, weshalb es bei der Fertigung von Lang-, Walz- und Stabstahl zu fehlerhaften Erzeugnissen kommen kann.

[0005] Für die zerstörungsfreie Prüfung von Prüfobjekten auf Oberflächen- und Innenfehler, einschließlich gefährlicher Oberflächen- und Innenfehler, ist die Verwendung von Rayleigh-Oberflächenwellen erfolgversprechend. Zu ihren Nachteilen gehören der starke Einfluss von Störfaktoren auf diese Art der Prüfung, bedingt durch verschiedene Gründe, die bei der Prüfung von Metallerzeugnissen vollkommen fehlen oder nur in sehr geringem Umfang auftreten, da die Metallerzeugnisse eine Reihe von thermischen und thermomechanischen Verarbeitungsprozessen durchlaufen, bei denen die Kristallstruktur verzerrt sowie die Metallkörner in ihrer Form und Größe verändert werden. Aus diesem Grund haben die Metallerzeugnisse eine kleinkörnigere Struktur mit einheitlichen Metalleigenschaften im gesamten Erzeugnis im Vergleich zu den Prüfobjekten, die von einer grobkörnigen Struktur mit einer uneinheitlichen Beschaffenheit gekennzeichnet sind, was durch die chemischen und physikalischen Prozesse beim Formen der Prüfobjekte bedingt ist.

[0006] Die Wirkung der Rayleigh-Wellen auf das Prüfobjekt mit grobkörniger Struktur führt zu einem starken Nachhall des akustischen Signals. Der Nachhall erzeugt zahlreiche Lärmimpulse, die durch die vielfach von den Metallkörnern des Prüfobjekts zurückgeworfenen Ultraschallwellen

entstehen, was die Prüfung auf Fehler, insbesondere auf gefährliche Oberflächen- und Innenfehler, unzuverlässig macht.

[0007] Negative Auswirkungen auf die Ergebnisse von Prüfungen mit Rayleigh-Wellen haben darüber hinaus Faktoren, die durch die Herstellungstechnik des Prüfobjekts verursacht werden. Dazu gehören beispielsweise Oberflächenunebenheiten sowie eine Schlacke auf der Oberfläche des Prüfobjekts. Beispielsweise [P T/RU2016/000005] führt die Streuung der Rayleigh-Welle bei ihrem Auftreffen auf eine unebene Oberfläche zur Schwächung der erzeugten Ultraschallwelle und zu einer Instabilität der Empfindlichkeit, was die Zuverlässigkeit der Prüfung noch weiter verringert.

[0008] Eine vorhandene, normalerweise lose Schlackeschicht ruft Nachhall-Effekte in Form von überlagernden, von der Schlacke ausgehenden Störungen hervor, die bei Ultraschallprüfungen nach dem Abtastimpuls beobachtet werden können und die eine zuverlässige Prüfung unmöglich machen oder zu übermäßig vielen falsch-positiven Ergebnissen führen.

[0009] Aus dem Patentantrag RU 2013154948 A, veröffentlicht am 20.06.2015, ist ein Verfahren zum Aufspüren von Oberflächenfehlern ferromagnetischer Werkstoffe bekannt; aus dem Patentantrag RU 2013127042 A, veröffentlicht am 20.12.2014, ist ein Diagnostikverfahren für Oberflächen von Metallerzeugnissen bekannt, die die Verwendung von Rayleigh- Wellen für die Ultraschallprüfung umfasst.

[0010] Aus den angegebenen Gründen benötigen die bekannten technischen Lösungen bei ihrer praktischen Umsetzung jedoch eine zusätzliche Filterung der Nachhallstörungen aus dem nützlichen Messsignal, um eine akzeptable und zuverlässige Prüfung zu erzielen, da es im gegenteiligen Fall zu ständigen Fehlauslösungen kommt, was die Zuverlässigkeit der Prüfung verringert.

[0011] Aus dem Patentdokument RU 2262689 C1 vom 20.10.2005 ist ein Verfahren zur Diagnose von Fehlern in der Oberfläche von Strangguss-Erzeugnissen und die Vorrichtung für die Durchführung des Verfahrens bekannt.

[0012] Ein bekanntes Verfahren besteht darin, Laserstrahl-Impulse auf die Oberfläche des Strangguss-Erzeugnisses zu projizieren, um Rayleigh-Wellen zu erzeugen und den Werkstoff mit diesen Wellen auf Fehler zu untersuchen. Dabei wird ein Magnetfeld an das Prüfobjekt angelegt und die durch die Fehler verursachten Diffusionen im mittels Ultraschallwellen modulierten magnetischen Fluss werden registriert. Die Tiefe, Ausrichtung und Feststellung der Fehler werden mithilfe der Amplitude, der Polarisation des umgewandelten Ultraschalls und der Variable für den zerstreuten magnetischen Fluss beurteilt. Die Diagnostik der oberflächennahen Fehler jeglicher Art erfolgt durch abgestimmte Anderungen der Positionierung der EMAT-Wandler und Lichtleiter, durch die Laserstrahl-Impulse zur Oberfläche des Metallerzeugnisses gesendet werden. Die Vorrichtung umfasst elektroakustische Wandler, einen Laserimpulsgenerator, mindestens einen Lichtleiter sowie eine Parameter-Messmodul.

[0013] Die US 2013/0167644 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Inspektion eines sich bewegenden Metallbandes, umfassend einen Sender von Ultraschallwellen, wobei die vom Sender ausgesandten Wellen so abgestrahlt werden, dass sie auf eine erste Kante einer Oberfläche des Bandes treffen, und wobei der Sender nicht in Kontakt mit dem Band steht. Darüber hinaus ist ein Ultraschallwellen-Empfänger vorgesehen, der ebenfalls nicht in Kontakt mit dem Band steht, wobei die vom Empfänger empfangenen Wellen von einem Bereich der Bandoberfläche in Richtung des Empfängers ausgestrahlt werden. Eine Verarbeitungseinheit ist mit dem Empfänger verbunden, um anhand der Signatur der empfangenen Ultraschallwellen ein Kriterium für die Überprüfung des Metallbandes zu erstellen. Nachteilig an dieser Vorrichtung ist die Notwenigkeit, das Echographie-Verfahren unter Benutzung der Triangulation heranzuziehen.

[0014] Die RU 2550825 C1 betrifft ein Verfahren zur dynamischen Kalibrierung einer UltraschallPrüfvorrichtung, wobei ein Referenzsignal zur Erhöhung der Genauigkeit generiert und verwendet wird. Dabei wird das Referenzsignal und ein Testsignal sich unterschiedlich in der Prüfvorrichtung ausbreiten. Diese Vorrichtung ist aufgrund dessen fehleranfällig und führt zu einem komplizierten Prüfverfahren. Zu den Nachteilen der bekannten technischen Lösung gehört ihre ausschließliche

Eignung für die Ultraschallprüfung von Strangguss-Erzeugnissen, die eine feinkörnige Struktur mit einer homogenen Beschaffenheit aufweisen. Daher führt die Verwendung dieser technischen Lösung für die Ultraschallprüfung von Prüfobjekten zu einer geringen Zuverlässigkeit der Ergebnisse, die nicht den bestehenden Anforderungen von Metallurgie-Unternehmen entsprechen. Weitere Nachteile der bekannten technischen Lösung sind die Fehleranfälligkeit der Prüfung aufgrund der Geschwindigkeitsänderungen der sich ausbreitenden Ultraschallwellen bei abkühlenden Prüfobjekten sowie Einschränkungen bei den Oberflächentemperaturen der Prüfobjekte, was für die industrielle Fertigung eine große Bedeutung hat. Darüber hinaus ist die praktische Umsetzung der bekannten Lösung aus technischer Sicht schwierig, da bei der Verwendung von Lasertechnik die Position der Betriebselemente während des Betriebs der Vorrichtung gemeinsam verändert werden muss und dafür ein aufwändiger Koordinierungsmechanismus für ihre Positionierung erforderlich ist. Dabei muss für die Detektion von Fehlern unter anderem die Positionierung der EMAT-Wandler in unmittelbarer Nähe über dem Fehler gewährleistet werden. Die bekannte Lösung hat Einschränkungen hinsichtlich der Ultraschallprüfung und kann nur für die Prüfung von Objekten mit einer ebenen Oberfläche eingesetzt werden. Darüber hinaus bietet sie nur unzureichende Prüfkapazitäten aufgrund der geringen maximalen Pulswiederholfrequenz des Lasers, die in der Praxis auf 500 Hz begrenzt ist - verglichen mit der hohen Wiederholfrequenz von bis zu 8000 Hz bei den Ultraschall-Impulsen von gewöhnlichen elektroakustischen Wandlern -, sowie der Notwendigkeit der gemeinsamen Positionierung der elektroakustischen Wandler und Lichtleiter während des Abtastens und der regelmäßigen Kalibrierung der optischen Ausstattung. Darüber hinaus kann mit der bekannten technischen Lösung kein akzeptables Zuverlässigkeitsniveau der Prüfungen aufgrund der Störsignale gewährleistet werden. Diese Störsignale entstehen an den empfangenden Wandlern wegen Unebenheiten auf der Oberfläche der Prüfobjekte, verursacht durch den technischen Prozess, was zu unverhältnismäßig vielen falsch-positiven Ergebnissen führt.

[0015] Insgesamt sind die bekannten technischen Lösungen für die Prüfung von StranggussHalbzeugen, darunter Brammen und Vorblöcken, auf gefährliche Oberflächen- und Innenfehler ungeeignet.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

[0016] Die technische Herausforderung ist die Steigerung der Zuverlässigkeit von Ultraschallprüfungen von Strangguss-Halbzeugen, darunter Brammen und Vorblöcken, auf gefährliche Oberflächen- und Innenfehler unter Produktionsbedingungen.

[0017] Der gewährleistete positive Effekt umfasst gegenüber der technischen Lösung gemäß RU 2262689 C1 in der Gewährleistung der praktischen Möglichkeit von Ultraschallprüfungen von Prüfobjekten Folgendes:

1) weniger Nachhallstörungen bei Prüfobjekten mit grobkörnigen Strukturen, was für die Detektion von gefährlichen Oberflächen- und Innenfehlern mit einer geringen Breite, Tiefe und Länge besonders wichtig ist;

2) Eliminierung der Abhängigkeit der Ultraschallprüfung von der Temperatur des Prüfobjekts sowie Eliminierung der Begrenzung der maximal zulässigen Oberflächentemperatur des Prüfobjekts für die Ultraschallprüfung bis 1100°C;

3) Vereinfachung der Prüfmethode und der Vorrichtung, während gleichzeitig die Detektion von gefährlichen Oberflächen- und Innenfehlern ohne die Notwendigkeit gewährleistet wird, den EMAT-Wandler unmittelbar über dem Fehler zu positionieren;

4) höhere Prüfleistung;

5) Ausschluss der Entstehung von Nachhallstörungen von der Schlacke, die sich auf der Oberfläche des Prüfobjekts befindet;

6) Gewährleistung der Möglichkeit, Fehler unter der Schlacke zu detektieren;

7) Gewährleistung der Kalibrierung der Ausstattung in Echtzeit über die gesamte Prüfdauer hinweg.

[0018] Das Beschriebene wird dadurch erreicht, dass die Methode der Ultraschallprüfung von Prüfobjekten auf gefährliche Oberflächen- und Innenfehler ein akustisches Abtasten des metallischen Prüfobjekts sowie den Vergleich des empfangenen Echosignals mit dem AusschussGrenzniveau umfasst. Dabei werden Rayleigh-Oberflächenwellen nach einem getrennten Schaltschema des Generators und Empfängers im Impuls-Echo-Verfahren mit einer Ultraschallfrequenz, mit der die Detektion von gefährlichen Oberflächen- und Innenfehlern möglich ist, emittiert und empfangen.

[0019] In bestimmten Fällen wird der Abstand zwischen Generator und Empfänger gemäß Bedingung (1) gewählt.

30 mm <= d = 500 mm (1) [0020] Wobei „d“ der Abstand zwischen den Wandlern ist.

[0021] In einem bestimmten Fall wird regelmäßig ein Referenzsignal ausgegeben, das eine Rayleigh-Oberflächenwelle darstellt und unmittelbar auf dem kürzesten Weg vom Generator zum Empfänger fließt. Das Ausschuss-Grenzniveau wird anhand des laufenden Amplitudenwerts des genannten Referenzsignals bestimmt.

[0022] In einem anderen bestimmten Fall wird das Ausschuss-Grenzniveau festgelegt als die Differenz des laufenden Amplitudenwerts des Referenzsignals und des Proportionalitätsfaktors zwischen den Amplituden des Referenzsignals und des Echosignals von den gefährlichen Oberflächen- und Innenfehlern.

[0023] Darüber hinaus wird das Referenzsignal in bestimmten Fällen als Prüfsignal verwendet.

[0024] In einem anderen bestimmten Fall wird für das Referenzsignal die emittierte oder zurückgeworfene oder residuale zurückgeworfene Ultraschallemission des Generators im selben Takt empfangen, in dem das Echosignal vom gefährlichen Oberflächen- und Innenfehler empfangen wird.

[0025] In einem bestimmten Fall wird das Referenzsignal durch das Aussenden oder Empfangen von Ultraschallwellen in die entgegengesetzte Richtung in einem Takt erzeugt, der zusätzlich zu jenem Takt gebildet wird, in dem das Echosignal von den gefährlichen Oberflächen- und Innenfehlern empfangen wird.

[0026] In einem anderen bestimmten Fall wird für die Prüfung der Kanten und des Kantenbereichs des Prüfobjekts auf Fehler, primär in Querausrichtung zur Kante des Prüfobjekts, das Generator-Empfänger-Paar gemäß den Bedingungen (2) und (3) abhängig von der technischen Ausführung des Rollenförderers auf einer schmalen oder breiten Seite des Prüfobjekts positioniert.

5° wobei „a“: der Winkel zwischen Achse L, auf der das Generator-Empfänger-Paar liegt, vorzugsweise ihre Mittelpunkte, und der Kante des Prüfobjekts. 25 mm < S < 500 mm (3) wobei „S“ der Abstand zwischen der Kante des Prüfobjekt und dem Mittelpunkt des nächstgelegenen Wandlers auf der Achse Generator-Empfänger ist. [0027] In bestimmten Fällen wird für die Prüfung einer Seite des Prüfobjekts auf längsgerichtete Fehler das Generator-Empfänger-Paar gemäß Bedingung (4) positioniert. a = 90° (4) wobei „a“ der Winkel zwischen Achse L, auf der das Generator-Empfänger-Paar liegt, vorzugsweise ihre Mittelpunkte, und der Kante des Prüfobjekts ist. In einem anderen bestimmten Fall wird für die Prüfung einer Seite des Prüfobjekts auf quergerichtete Fehler das Generator-EmpfängerPaar gemäß Bedingung (5) positioniert. a = 0° (5)

25 mm < S < 500 mm (3)

wobei „S“ der Abstand zwischen der Kante des Prüfobjekt und dem Mittelpunkt des nächstgelegenen Wandlers auf der Achse Generator-Empfänger ist.

[0027] In bestimmten Fällen wird für die Prüfung einer Seite des Prüfobjekts auf längsgerichtete Fehler das Generator-Empfänger-Paar gemäß Bedingung (4) positioniert.

a = 90° (4)

wobei „a“ der Winkel zwischen Achse L, auf der das Generator-Empfänger-Paar liegt, vorzugsweise ihre Mittelpunkte, und der Kante des Prüfobjekts ist. In einem anderen bestimmten Fall wird für die Prüfung einer Seite des Prüfobjekts auf quergerichtete Fehler das Generator-EmpfängerPaar gemäß Bedingung (5) positioniert.

a = 0° (5)

wobei „a“ der Winkel zwischen Achse L, auf der das Generator-Empfänger-Paar liegt, vorzugsweise ihre Mittelpunkte, und der Kante des Prüfobjekts ist.

[0028] Darüber hinaus wird der positive Effekt dadurch erzielt, dass die Vorrichtung zur Ultraschallprüfung von Prüfobjekten auf gefährliche Oberflächen- und Innenfehler mindestens ein EMAT-Wandlerpaar umfasst, eine Funktionsbaugruppe für die Ultraschallprüfung im ImpulsEcho-Verfahren mit einer Ultraschallfrequenz, mit der die Detektion von gefährlichen Oberflächen- und Innenfehlern in Prüfobjekten möglich ist, eine Funktionsbaugruppe für die Erzeugung des Referenzsignals und eine technische Vorrichtung zur Verwaltung und Verarbeitung der Messdaten. Dabei sind die Wandler so ausgeführt, dass sie als Generator und Empfänger von Rayleigh-Oberflächenwellen fungieren können, und sind elektrisch über die angegebenen Funktionsbaugruppen mit der technischen Vorrichtung zur Verwaltung und Verarbeitung der Messdaten verbunden. Die Wandler werden nach einem getrennten Prüfschema geschaltet.

[0029] In einem bestimmten Fall werden die Funktionsbaugruppe für die Erzeugung des Referenzsignals sowie die technische Vorrichtung zur Verwaltung und Verarbeitung der Messdaten so ausgeführt, dass ein Referenzsignal im selben Takt erzeugt werden kann, in dem das Echosignal von den gefährlichen Oberflächen- und Innenfehlern empfangen wird. Dabei ist der Generator mit einem aktiven Bauelement (Abb. 8) oder der Empfänger mit einem aktiven Bauelement (Abb. 6) ausgeführt.

[0030] In einem bestimmten Fall sind außerdem die Funktionsbaugruppe für die Erzeugung des Referenzsignals sowie die technische Vorrichtung zur Verwaltung und Verarbeitung der Messdaten so ausgeführt, dass ein Referenzsignal in einem zusätzlichen Takt zu jenem Takt erzeugt werden kann, in dem das Echosignal von den gefährlichen Oberflächen- und Innenfehlern empfangen wird. Dabei ist der Generator mit zwei aktiven Bauelementen (Abb. 10) oder der Empfänger mit zwei aktiven Bauelementen (Abb. 3) ausgeführt.

[0031] In einem weiteren bestimmten Fall wird die technische Vorrichtung zur Verwaltung und Verarbeitung der Messdaten so ausgeführt, dass das Ausschuss-Grenzniveau festgelegt wird als die Differenz des laufenden Amplitudenwerts des Referenzsignals und des Proportionalitätsfaktors zwischen den Amplituden des Referenzsignals und des Echosignals vom Fehler. In einem anderen bestimmten Fall werden als Wandler EMAT- Wandler eingesetzt.

[0032] In einem weiteren bestimmten Fall wird der Abstand zwischen den Wandlern aus Bedingung (1) gewählt.

BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN [0033] Die Erfindung wird anhand der folgenden Abbildungen erläutert.

[0034] Abb. 1: Prüfvorrichtung für die Ultraschallprüfung mit Abtastung der Oberfläche des Prüfobjekts. [0035] Abb. 2: vereinfachtes strukturell-funktionales Schema der Vorrichtung für die

Ultraschallprüfung.

[0036] Abb. 3: erstes Prüfschema (Multitakt), Referenzsignal erzeugt im zusätzlichen Takt durch Empfang der Emission in entgegengesetzter Richtung, dabei ist der Empfänger mit zwei aktiven Bauelementen ausgeführt, Grund-

riss. [0037] Abb. 4: A-Scan des nützlichen Signals für das erste Prüfschema. [0038] Abb. 5: A-Scan des Referenzsignals für das erste Prüfschema. [0039] Abb. 6: zweites Prüfschema (Eintakt), für das Referenzsignal wird die residuale

direkte Emission von einem Empfänger mit einem aktiven Bauelement empfangen, Grundriss.

[0040] Abb. 7: A-Scan des Referenzsignals und des nützlichen Signals für das zweite Prüfschema.

[0041] Abb. 8: drittes Prüfschema (Eintakt), für das Referenzsignal wird die residuale zurückgeworfene Emission von einem Empfänger mit einem aktiven Bauelement empfangen, Grundriss.

[0042] Abb. 9: A-Scan des Referenzsignals und des nützlichen Signals für das dritte Prüfschema. [0043] Abb. 10: viertes Prüfschema (Multitakt), Generator mit zwei aktiven Bauelemen-

ten, Referenzsignal wird in entgegengesetzter Richtung im zusätzlichen Takt erzeugt, Grundriss.

[0044] Abb. 11: A-Scan des nützlichen Signals für das vierte Prüfschema.

[0045] Abb. 12: A-Scan des Referenzsignals für das vierte Prüfschema.

[0046] Abb. 13: schematische Darstellung der aktiven Bauelemente von EMAT-Wandlern.

[0047] Abb. 14 und 15: unidirektionale gerade Emission des EMAT-Wandlers. [0048] Abb. 16 und 17: unidirektionale zurückgeworfene Emission des EMAT-Wandlers.

[0049] Abb. 18: bidirektionale Emission des EMAT-Wandlers.

[0050] Abb. 19: Positionierung der Abtastbaugruppe auf der Oberfläche des Prüfobjekts bei der Prüfung der Kante und des Kantenbereichs, Grundriss.

[0051] Abb. 20: Positionierung der Abtastbaugruppe bei der Prüfung der Kante und des Kantenbereichs, Grundriss.

[0052] Abb. 21: Positionierung der Abtastbaugruppe bei der Prüfung auf längsgerichtete Fehler, Grundriss.

[0053] Abb. 22: Positionierung der Abtastbaugruppe bei der Ultraschallprüfung auf quergerichtete Fehler, Grundriss.

[0054] Abb. 23: bevorzugter Algorithmus der Ultraschallprüfung bei der Kalibrierung der Empfindlichkeit mit dem Amplitudenverfahren.

[0055] Abb. 24: Aufbau der Baugruppe für die Abtastung von horizontalen Oberflächen.

[0056] Abb. 25: Aufbau der Baugruppe für die Abtastung von horizontalen Oberflächen, Aufriss, Schnittdarstellung.

[0057] Abb. 26: Positionierung der Abtastbaugruppe an der Oberseite des Prüfobjekts, Aufriss.

[0058] Abb. 27: Baugruppe für das Abtasten von vertikalen Fehlern positioniert an der schmalen Seite des Prüfobjekts.

[0059] Abb. 28: Abtastbaugruppe seitlich am Prüfobjekt, Aufriss.

BESTE VARIANTE FÜR DIE REALISIERUNG DER ERFINDUNG

[0060] Die Realisierung der Erfindung wird am Beispiel der Ultraschallprüfung einer Bramme als Prüfobjekt gezeigt.

[0061] Das Prüfobjekt (1) wird in horizontaler Ausrichtung auf einem Rollenförderer (2) in den Prüfbereich übergeben (Abb. 1). Die Automatik positioniert die Prüfvorrichtung für die Ultraschallprüfung in der Ausgangsposition und beginnt mit dem Abtasten des Prüfobjekts (1) mittels Ultraschallwellen (3) zur Ultraschallprüfung und Diagnostik. Anhand der Ergebnisse wird entschieden, ob das Prüfobjekt (1) den erforderlichen Qualitätsanforderungen entspricht.

[0062] Die Vorrichtung für die Ultraschallprüfung umfasst eine Abtastbaugruppe (4), eine technische Koordinationsvorrichtung (5) für die Positionierung und Bewegung der Abtastbaugruppe (4) im Verhältnis zum Prüfobjekt (1), ein Elektronikmodul (6) für Berechnungen sowie die Erzeugung,

Verstärkung und sonstige Verarbeitung der elektrischen Signale. Die Baugruppe (4) umfasst mindestens ein EMAT-Paar (7 und 8; Abb. 2), die als Generator beziehungsweise als Empfänger der Rayleigh- Oberflächenwellen fungieren. Der EMAT-Wandler (7) besitzt abhängig von der vorgegebenen Betriebsart der Vorrichtung ein oder zwei aktive Bauelemente. Ein aktives Bauelement sorgt für die bidirektionale Emission/Empfang, zwei aktive Bauelemente sorgen für die unidirektionale Emission/Empfang, entsprechend ist der EMAT-Wandler bidirektional oder unidirektional. Dabei können einfache hochwertige Spulen verwendet werden (Hirao M.: EMATS for science and industry: nincontacting ultrasonic measurements. Kluwer Academic Publishers, 2003, S. 69-71). Die technische Vorrichtung (5) ist als Tragkonstruktion mit zwei elektromechanischen Führungsantrieben für die Bewegung der Abtastbaugruppe (4) in unmittelbarer Nähe der Oberseite des Prüfobjekts (1) ausgeführt (Abb. 1). Das Elektronikmodul (6) enthält die Funktionsbaugruppe (9) für die Ultraschallprüfung des Prüfobjekts (1) mit dem Impuls-Echo-Verfahren, die Funktionsbaugruppe (10) für die Erzeugung des Referenzsignals, die technische Vorrichtung (11) für die Steuerung und Verarbeitung der Messdaten sowie das Display (12) für die Darstellung von Informationen (Abb. 2) oder ein anderes Darstellungsmittel.

[0063] Die Abtastbaugruppe (4) ist fest mit den Tragelementen der technischen Vorrichtung (5) verbunden. Das Elektronikmodul (6) ist elektrisch mit der Abtastbaugruppe (4) und den elektromechanischen Antrieben der technischen Vorrichtung (5) verbunden. Die EMAT-Wandler (7 und 8) sind über das Prüfobjekt (1) akustisch miteinander verbunden. Der Eingang des EMAT-Wandlers (7) ist elektrisch mit dem Ausgang der Funktionsbaugruppe (9) verbunden, der Ausgang des EMAT- Wandlers (8) elektrisch mit den Eingängen der Funktionsbaugruppen (9 und 10) verbunden. Die Baugruppen (9 und 10) sind wiederum unabhängig voneinander mittels Parallelschaltung mit der technischen Vorrichtung (11) für die Steuerung und Verarbeitung der Messdaten verbunden.

[0064] Die EMAT-Wandler (7 und 8) sind für die Erregung nach dem getrennten Prüfschema aus Bedingung (1) räumlich getrennt; dabei sind ihre Arbeitsoberflächen parallel zur Oberseite des Prüfobjekts ausgerichtet. Die EMAT-Wandler (7 und 8) sind von der Oberfläche des Prüfobjekts durch einen Luftspalt getrennt, um die EMAT-Wandler (7 und 8) vor mechanischen und thermischen Schäden zu schützen. Die technische Vorrichtung (5) kann die Abtastbaugruppe (4) am Prüfobjekt (1) gemäß den Bedingungen (2) bis (5) positionieren und bewegen, um den vollen Umfang des Arbeitsbereichs der Abtastbaugruppe (4) über der gesamten Vorderseite des Prüfobjekts zu gewährleisten. Die Funktionsbaugruppe (9) für die Ultraschallprüfung ist so ausgeführt, dass sie das Prüfobjekt (1) mit einer Ultraschallfrequenz beschallen kann, die ausreicht, um gefährliche Oberflächen- und Innenfehler in Prüfobjekten zu detektieren. Die technische Vorrichtung (11) für die Steuerung und Verarbeitung der Messdaten ist so ausgeführt, dass sie den Betrieb der Vorrichtung takten, den Betrieb der Baugruppen (9 und 10) steuern, den Proportionalitätsfaktor zwischen den Amplituden des Referenzsignals und des Echosignals vom Fehler berechnen, das Ausschuss-Grenzniveau - festgelegt als die Differenz des laufenden Amplitudenwerts des Referenzsignals und des beschriebenen Proportionalitätsfaktors - bestimmen sowie das empfangene nützliche Echosignal mit dem vorgegebenen Ausschuss-Grenzniveau vergleichen kann.

[0065] Vor Beginn der Ultraschallprüfung werden Funktionsprüfungen des akustischen Pfads der Vorrichtung und eine Kalibrierung ihrer Empfindlichkeit durchgeführt. Die Funktion des akustischen Pfads und das Vorhandensein eines akustischen Kontakts wird anhand der Anzeige des Referenzsignals auf dem Display (12) geprüft. Die Kalibrierung der Empfindlichkeit kann mit dem Amplitudenverfahren, mit dem Referenzsignal bei Berücksichtigung des Proportionalitätsfaktors oder mit einem künstlichen Reflektor durchgeführt werden, dessen Reflexionsgrad jenem des Fehlers entsprechen muss, den es zu detektieren gilt. Beim Amplitudenverfahren wird die Abtastbaugruppe (4) auf der Oberseite des Prüfobjekts (1) positioniert, die Stabilität des Referenzsignals auf dem Display (12) erreicht und das Ausschuss-Grenzniveau vorgegeben. Bei der Verwendung eines künstlichen Reflektors wird die Abtastbaugruppe (4) auf eine Weise positioniert, um die maximale Amplitude des Echosignals vom künstlichen Reflektor zu erhalten; anschlieBend wird das entsprechende Ausschuss-Grenzniveau vorgegeben.

[0066] Danach wird der Betrieb der Vorrichtung in einem der vier möglichen Prüfschemata vor-

gegeben (Abb. 3-12), die durch die Positionierung der EMAT-Wandler (7 und 8) zum gefährlichen Oberflächen- und Innenfehler (13) sowie der Taktung ihres Synchronbetriebs gekennzeichnet sind. Bei der Umsetzung der Vorrichtung mit mehr als einem EMAT-Paar (7 und 8) wird eine erforderliche Kombination der beschriebenen Prüfschemata gewählt.

[0067] Bei jedem in Reihe zum gefährlichen Oberflächen- und Innenfehler (13) positionierten EMAT-Paar (7 und 8) liegen im Grundriss die Mittelpbunkte der EMAT-Wandler (7 und 8) sowie der gefährliche Oberflächen- und Innenfehler (13) auf einer Linie. Dabei wird die Möglichkeit der Erzeugung eines Referenzsignals aus dem empfangenen Signal der Rayleigh-Welle sichergestellt, die sich unmittelbar auf dem kürzesten Weg vom Generator (7) zum Empfänger (8) ausbreitet, was den Empfang eines Referenzsignals sowohl beim Vorhandensein als auch beim Fehlen von gefährlichen Oberflächen- und Innenfehlern (13) ermöglicht. Beim ersten Prüfschema (Abb. 3) befindet sich der Empfänger (8) zwischen dem Generator (7) und dem gefährlichen Oberflächenund Innenfehler (13). Der Empfänger (8) besitzt zwei aktive Bauelemente, die den unidirektionalen Empfang der Emission sicherstellen. Dabei erfolgt die Erzeugung des Referenzsignals in einem zusätzlichen Takt in jenem Takt, in dem das Echosignal vom gefährlichen Oberflächen- und Innenfehler (13) empfangen wird. Das zweite Prüfschema (Abb. 6) unterscheidet sich vom ersten Prüfschema darin, dass der Empfänger (8) ein aktives Bauelement besitzt, das den bidirektionalen Empfang der Emission sicherstellt. Dabei erfolgt die Erzeugung des Referenzsignals im selben Takt wie der Empfang der vom gefährlichen Oberflächen- und Innenfehler (13) reflektierten Emission. Gemäß drittem Prüfschema (Abb. 8) befindet sich der Generator (7) zwischen dem Empfänger (8) und dem gefährlichen Oberflächen- und Innenfehler (13) und besitzt ein aktives Bauelement, das für die bidirektionale Emission der Ultraschallwelle sorgt; dabei emittiert der Generator (7) in einem Takt die Ultraschallwelle zur Detektion von gefährlichen Oberflächen- und Innenfehlern (13) sowie zur Erzeugung des Referenzsignals. Der Unterschied zwischen dem dritten und dem vierten Prüfschema (Abb. 10) liegt in der Betriebsweise des Generators. Der Generator (7) besitzt zwei aktive Bauelemente, die für die unidirektionale Emission der Ultraschallwelle sorgen; der Generator (7) emittiert dabei in einem Takt die Ultraschallwelle zur Detektion von gefährlichen Oberflächen- und Innenfehlern (13) und in einem zusätzlichen Takt eine zur Erzeugung des Referenzsignals.

[0068] Für den Fall, dass der Generator (7) über zwei aktive Bauelemente verfügt, wird ein Multitakt-Prüfschema verwendet (Abb. 10). Dabei werden die aktiven Bauelemente (14 und 15) um die Größe „d/2“ zueinander im Raum verschoben (Abb. 13); wobei „d“ der Abstand zwischen den Leitern des aktiven Bauelements ist; d=\/2, wobei „A“ die Länge der Rayleigh-Welle ist, wobei A=C/f, wobei „C“ die Geschwindigkeit der Rayleigh-Welle im Metall des Prüfobjekts und „f“ die Frequenz der Rayleigh-Wellen ist.

[0069] Beim getakteten Abtastprozess des Prüfobjekts zur Detektion von gefährlichen Oberflächen- und Innenfehlern (13) wird eine gerade Emission ausgesendet (Abb. 14 und 15), dabei wird das elektrische Signal zur Erzeugung des Referenzimpulses zunächst an das erste aktive Bauelement (14) und anschließend an das zweite aktive Bauelement (15) mit der zeitlichen Verschiebung At der Abtastimpulse (16 und 17) geleitet. Normalerweise ist At = T/4 mit einer Abweichung von +10% vom Nominalwert At, wobei T = 1/f.

[0070] Die von den zwei aktiven Bauelementen (14 und 15) in gerader Richtung emittierten Impulse werden phasenrichtig zusammengeführt und die Signalamplitude (18) aufgrund der Interferenzen verstärkt. Dabei weist der Beginn der Impulsemission (17) eine zeitliche Verschiebung At des entsprechenden Abtastimpulses (16) auf.

[0071] In entgegengesetzter Richtung ist die Emission residual, wobei die Impulse der zwei aktiven Bauelemente (14 und 15) aufgrund der Interferenzen schwächer (Signal 19) werden. Dabei weist die Impulsemission eine zeitliche Verschiebung At des entsprechenden Abtastimpulses auf.

[0072] Für die Emission und anschließende Erzeugung des Referenzsignals im zusätzlichen Takt mittels der Elektronik wird die Emission in entgegengesetzter Richtung ausgesendet (Abb. 16 und 17), wobei das elektrische Signal zur Erzeugung des Abtastimpulses zunächst an das zweite aktive Bauelement (15) und anschließend an das erste aktive Bauelement (14) mit der gleichen

zeitlichen Verschiebung At der Abtastimpulse geleitet wird wie auch bei der geraden Emission. Aufgrund der Interferenzen werden die von den aktiven Bauelementen emittierten Impulse und in entgegengesetzter Richtung die phasenrichtig zusammengeführt und die Signalamplitude (20) wird verstärkt, die Emissionsamplitude (21) in gerade Richtung wird schwächer. Dabei weist der Beginn der Impulsemission (16) eine zeitliche Verschiebung At des entsprechenden Abtastimpulses (17) auf.

[0073] Falls der Empfänger (8) zwei aktive Bauelemente hat (Abb. 3), wird für den Empfang der Emissionen ein Multitakt-Schema verwendet. Dabei werden die aktiven Bauelemente (14 und 15) des Empfängers (8) auch um die Größe „d/2“ zueinander im Raum verschoben (Abb. 13), und in einem solchen Fall empfängt der Empfänger (8) in gerader Richtung die vom gefährlichen Oberflächen- und Innenfehler (13) reflektierte Emission zuerst auf dem ersten aktiven Bauelement (14) und dann auf dem zweiten aktiven Bauelement (15), wobei der Empfänger (8) eine Verzögerungsleitung und einen Summierer für die empfangenen Signale umfasst. Im zusätzlichen Takt für den Empfang und anschließende Erzeugung des Referenzsignals wird zunächst das Signal vom zweiten Element (15) und dann vom ersten Element (14) empfangen, die Empfangsrichtung wird umgekehrt, und es werden die Verzögerung und Summierung durchgeführt. Bei einem Eintakt-Emissionsschema (Abb. 8), bei dem der Generator (7) ein aktives Bauelement (14) besitzt, erfolgt eine bidirektionale Emission sowohl zur Detektion von gefährlichen Oberflächen- und Innenfehlern (13) als auch zur Erzeugung des Referenzsignals im ein und demselben Takt. Dabei breiten sich die emittierten Impulse (22 und 23) in beide Richtungen aus, also in Richtung des gefährlichen Oberflächen- und Innenfehlers (13) als auch in Richtung Empfänger (8), und weisen dabei eine identische Intensität auf (Abb. 18).

[0074] Falls der Empfänger (8) ein aktives Bauelement umfasst (Abb. 6), wird für den Empfang der Emissionen ein Eintakt-Empfangsschema verwendet, und es erfolgt der bidirektionale Empfang der Emission vom gefährlichen Oberflächen- und Innenfehler (13) sowie der Emission vom Generator (7) zur Erzeugung des Referenzsignals in ein und demselben Takt.

[0075] Die beschriebenen Schemata gewährleisten beispielhaft eine identische Prüfleistung, ungeachtet dessen, dass bei einem Eintakt-Schema die Signalamplitude der Emission und des Empfangs halb so stark ist wie die Signalamplitude beim Multitakt-Schema, die aufgrund der Interferenzen verstärkt wird.

[0076] Nach der Wahl des Prüfschemas werden die Steuersignale von der technischen Vorrichtung (11) an die elektromechanischen Antriebe der technischen Vorrichtung (5) für die Positionierung der Baugruppe (4) abgegeben. Wird eine Prüfung der Kante (24) und des Kantenbereichs des Prüfobjekts (1) auf gefährliche Oberflächen- und Innenfehler beliebiger Ausrichtung angenommen, wird das Generator-Empfänger-Paar aus den Bedingungen (2) und (3) gemäß dem in Abb. 19 oder 20 gezeigten Schema positioniert. Beide Schemata sind bei der Prüfung ohne Verringerung der Zuverlässigkeit anwendbar. Für die Prüfung der Oberseite des Prüfobjekts (1) auf längsgerichtete gefährliche Oberflächen- und Innenfehler (Abb. 21) wird das Generator-Empfänger-Paar aus Bedingung (4) positioniert; bei der Prüfung der Oberseite des Prüfobjekts (1) auf quergerichtete gefährliche Oberflächen- und Innenfehler (Abb. 22) wird das Generator-Empfänger-Paar aus Bedingung (5) positioniert. Dabei sind Schemata mit umgekehrter Positionierung sowohl des Generators (7) als auch des Empfängers (8) zur Oberseite des Prüfobjekts (1) möglich.

[0077] Anschließend wird mit dem Generator (7) ein Abtast-Impulssignal ausgesendet, das die Rayleigh-Oberflächenwelle erzeugt, die sich in Richtung Prüfobjekt (1) sowie in Richtung Empfänger (8) ausbreitet. Für das Referenzsignal empfängt der Empfänger (8) die emittierte oder zurückgeworfene oder residuale zurückgeworfene Ultraschallemission des Generators (7) im selben Takt, in dem das vom gefährlichen Oberflächen- und Innenfehler (13) zurückgeworfene Signal empfangen wird, oder es wird in einem zusätzlichen Takt ein Referenzsignal durch das Aussenden oder Empfangen in die entgegengesetzte Richtung erzeugt. Das akustische Abtasten des Prüfobjekts (1) erfolgt mit dem Impuls-Echo-Verfahren, das auf dem Beschallen des Prüfobjekts mit Ultraschall-Impulsen und dem Empfang ihrer Reklexionen von gefährlichen Oberflächen- und

Innenfehlern beruht; dabei werden Rayleigh-Oberflächenwellen von gefährlichen Oberflächenund Innenfehlern (13) im Prüfobjekt (1) reflektiert, und die Ultraschallfrequenz wird anhand der Detektion von gefährlichen Oberflächen- und Innenfehlern der vorgegebenen Größe gewählt. Das Referenzsignal wird als Prüfsignal für die Funktionsprüfung der Vorrichtung, zur Prüfung auf das Vorhandensein eines akustischen Kontakts sowie für die Vorgabe des Ausschuss-Grenzniveaus verwendet.

[0078] Falls das Referenzsignal nicht empfangen wird, weist dies auf die Funktionsunfähigkeit des akustischen Pfads oder den Verlust des akustischen Kontakts hin. Die Prüfung ist dabei wegen ihrer mangelnden Zuverlässigkeit nicht zulässig. Da das Referenzsignal denselben negativen Einflussfaktoren wie das nützliche Echosignal unterlag, stehen die Amplituden des Referenzsignals und des nützlichen Echosignals des gefährlichen Oberflächen- und Innenfehlers (13) direkt proportional zueinander. Aus diesem Grund wird in jedem Messtakt beim Empfang eines Referenzsignals und eines nützlichen Echosignals, das vom gefährlichen Oberflächen- und Innenfehler (13) reflektiert wurde, dynamisch ein Ausschuss-Grenzniveau vorgegeben, das der Differenz des laufenden Amplitudenwerts des Referenzsignals und des Proportionalitätsfaktors K zwischen den Ampliduten des Referenzsignals und des Echosignals vom gefährlichen Oberflächen- und Innenfehler (13) entspricht. Der Faktor K wird empirisch bei der Kalibrierung der Vorrichtung ermittelt.

[0079] Anschließend wird die Baugruppe (4) zur Erfassung des gesamten Prüfbereichs vom Ausgangspunkt der Abtastung über die Oberfläche des Prüfobjekts (1) auf einem vorgegebenen Pfad bewegt.

[0080] Falls ein reflektiertes Echosignal empfangen wird, wird sein Niveau mit dem zuvor vorgegebenen Ausschuss-Grenzniveau verglichen. Falls die Signalamplitude das Ausschuss-Grenzniveau nicht überschreitet, kommt die technische Vorrichtung (11) für die Steuerung und Verarbeitung der Messdaten zu dem Schluss, dass der entdeckte Fehler zulässig ist, und setzt die Abtastung fort. Im gegenteiligen Fall informiert sie über das Vorhandensein eines nicht zulässigen gefährlichen Oberflächen- und Innenfehlers (13) im Prüfobjekt (1). Die nominale Größe des gefährlichen Oberflächen- und Innenfehlers (13) wird anhand der Amplitude des Echosignals bestimmt; anhand der Laufzeit des Referenzsignals und der reflektierten Welle werden die räumlichen Koordinaten des vorhandenen Fehlers errechnet (Abb. 23).

[0081] Die Wahl fiel bei der Ultraschallprüfung zur Detektion von gefährlichen Oberflächen- und Innenfehlern deshalb auf das Impuls-Echo-Verfahren, weil es einen hohen Informationsgehalt liefert und das Verfahren einfach zu realisieren ist. Darüber hinaus ist für das Impuls-Echo-Verfahren nur der freie Zugang zu einer Seite des Prüfobjekts erforderlich, was unter Produktionsbedingungen einfacher zu bewerkstelligen ist als der Zugang zu zwei oder mehr Seiten. Das Impuls-Echo-Verfahren erlaubt es außerdem, Nachhallstörungen bei Prüfobjekten mit grobkörnigen Strukturen sowie Störungen aufgrund des Nachhalls von der auf der Oberfläche des Prüfobjekts vorhandenen Schlacke, die beim Betrieb der Vorrichtung zur Ultraschallprüfung entstehen und den Empfang der Signale von gefährlichen Oberflächen- und Innenfehlern stören, verhältnismäßig leicht zu beseitigen.

[0082] Durch die Emission und den Empfang der Rayleigh- Oberflächenwellen nach einem getrennten Schaltschema des Generators und Empfängers im Impuls-Echo-Verfahren werden die bei Prüfobjekten mit grobkörnigen Strukturen, von der vorhandenen Schlacke sowie von Unebenheiten der Oberfläche verursachten Nachhallstörungen verringert. Die Verringerung der Störungen durch übermäßig reflektierte Signale wird mit einer Dämpfung der Signale bei ihrem Weg durch das Prüfobjekt erreicht. Weil das übermäßig reflektierte Störsignal stets weniger intensiv ist als das nützliche Echosignal, verschwindet das übermäßig reflektierte Störsignal nach dem Durchlaufen des identischen Pfads zum Empfänger vollständig, und es bleibt nur das nützliche Echosignal übrig, das zwar abgeschwächt, aber dennoch ausreichend intensiv ist, um registriert zu werden. Dabei muss der Abstand zwischen den Wandlern gemäß Bedingung (1) zweckdienlich gewählt werden, um eine maximale Verringerung der Nachhallstörungen von der grobkörnigen Struktur des Prüfobjekts bei minimaler Schwächung des nützlichen Echosignals von den ge-

fährlichen Oberflächen- und Innenfehlern zu erzielen. In Forschungsexperimenten wurde nachgewiesen, dass bei einer Emission und einem Empfang von Rayleigh-Oberflächenwellen nach einem gemeinsamen Schaltschema des Generators und Empfängers im Impuls-Echo-Verfahren auf dem Display der Vorrichtung für die Ultraschallprüfung Störungen von der Schlacke und der grobkörnigen Struktur beobachtet wurden, die die nützlichen Signale überlagern, und dadurch das Vorhandensein von gefährlichen Oberflächen- und Innenfehlern im Prüfobjekt nicht beurteilt werden konnte. Wurde jedoch statt dem gemeinsamen Schaltschema ein getrenntes Schaltschema verwendet, wurde ein störungsfreies Echosignal von den gefährlichen Oberflächen- und Innenfehlern beobachtet, wodurch die Ultraschallprüfung von Strangguss-Halbzeugen in der Praxis möglich wurde.

[0083] Die geringen Nachhallstörungen von der grobkörnigen Struktur werden außerdem durch die Abtastung des Prüfobjekts mit Rayleigh-Oberflächenwellen gewährleistet, mit denen also nur die obere Schicht des Prüfobjekts beschallt wird, in der die gesuchten gefährlichen Oberflächenund Innenfehler auftreten können; hierbei wird weder das Innere noch die untere Seite des Prüfobjekts beschallt, und es entstehen keine zusätzlichen akustischen Störungen. Zudem erlaubten es Rayleigh-Wellen dank ihrer Ausbreitung entlang der Oberfläche, von der durchgehenden Abtastung der gesamten Oberfläche des Prüfobjekts Punkt für Punkt wegzugehen, die bei der klassischen Variante des Impuls-Echo-Verfahrens angewendet wird. Durch das Auftreffen der Ultraschallschwingungen auf die Oberfläche des Prüfobjekts im Winkel oder rechten Winkel wurde die Leistung der Prüfmethode gesteigert. Dank der Rayleigh- Oberflächenwellen wird auch die für das Impuls-Echo-Verfahren charakteristische tote Zone unter der Oberfläche des Prüfobjekts beseitigt, wegen der Fehler beim Auftreffen der Ultraschallschwingungen auf die Oberfläche des Prüfobjekts im Winkel oder rechten Winkel nicht detektiert werden können; damit wird die Prüfung mit dem Impuls-Echo-Verfahren auf gefährliche Oberflächen- und Innenfehler möglich gemacht.

[0084] Zusätzlich werden die Nachhallstörungen von der grobkörnigen Struktur des Prüfobjekts im Verhältnis zum nützlichen Echosignal dank dynamischer Kalibrierung mithilfe des Referenzsignals verringert. Die Kalibrierung hilft dabei, das nützliche Signal vom Störhintergrund mit einer automatischen Verstärkung mit dem Referenzsignal hervorzuheben. Mit der dynamischen Kalibrierung werden außerdem die Abhängigkeit der Empfindlichkeit der Prüfmethode von der Temperatur des Prüfobjekts sowie die Begrenzung der für die Prüfung zulässigen Höchsttemperatur des Prüfobjekts beseitigt, was für die Erweiterung des dynamischen Bereichs für zuverlässige Messungen teilweise notwendig ist. Durch die Verwendung eines Referenzsignals wird die Zuverlässigkeit der Prüfungen erhöht. Eine Begrenzung der zulässigen Höchsttemperatur des Prüfobjekts während der Prüfung wegen einer möglichen Beschädigung der Abtastbaugruppe ist dank eines Luftspalts zwischen der Oberfläche des Prüfobjekts und der Arbeitsoberfläche des EMAT-Wandlers während der Abtastung nicht erforderlich. Zu den Vorteilen der Verwendung von EMAT- Wandlern muss außerdem ihre Anwendungsflexibilität gezählt werden, was die Oberflächengüte von Prüfobjekten betrifft.

[0085] Neben der höheren Leistung der Prüfmethode durch die Verwendung von Rayleigh-Wellen ist bei der Prüfung von Kanten und Kantenbereichen von Prüfobjekten auf gefährliche Oberflächen- und Innenfehler jeglicher Ausrichtung sowie bei der Prüfung der Oberseite des Prüfobjekts auf längsgerichtete oder quergerichtete gefährliche Oberflächen- und Innenfehler die Leistung dann am höchsten, wenn das Generator-Empfänger-Paar aus den Bedingungen (2) bis (5) so positioniert wird, dass die optimale Geometrie für die beschriebenen Aufgaben gewährleistet wird. Durch die Verwendung des Referenzsignals als Prüfsignal kann eine Funktionsunfähigkeit des akustischen Pfads oder ein Verlust des akustischen Kontakts schnell festgestellt und eine Verringerung der Prüfleistung wegen einer notwendigen zweiten Prüfung der Prüfobjekte vermieden werden. Da die Positionierung des Generators und des Empfängers, beispielsweise zur Kante des Prüfobjekts, keine Rolle spielt, kann die Abtastrichtung geändert werden, ohne die Wandler neu zu positionieren, was für effiziente Prüfungen und eine höhere Prüfleistung sorgt.

[0086] Die vorliegende Lösung ermöglicht die Detektion von gefährlichen Oberflächen- und Innenfehlern und besticht dabei durch technische Einfachheit. Die Kombination der Ultraschallprü-

fung eines Prüfobjekts mit Rayleigh- Oberflächenwellen nach einem getrennten Schaltschema des Generators und Empfängers im Impuls-Echo-Verfahren hat es neben ihrer Einfachheit ermöglicht, auf die Registrierung des Grundsignals beim vertikalen Eintrag der Ultraschallwellen beim klassischen Echo-Verfahren zu verzichten. Damit konnten die Einschränkungen hinsichtlich Prüfobjekt-Dicke beseitigt und die Notwendigkeit einer Positionierung der EMAT-Wandler unmittelbar über dem Fehler überflüssig gemacht werden. Gleichzeitig ist keine Verkomplizierung der Messausstattung für die Beseitigung akustischer Störungen erforderlich, die gemeinsam mit dem Grundsignal auftreten, und Verzerrungen des Grundsignals wegen der Bandbreite an Eigenschaften und Strukturen von Prüfobjekten müssen nicht berücksichtigt werden. Der Verzicht auf die Prüfung dicker Objekte erlaubte es, niedrige Abtastfrequenzen auszuschließen, die die Detektion von gefährlichen Oberflächen- und Innenfehlern erschweren. Es reicht aus, gewöhnliche elektronische Ausstattung, die auf den Betrieb mit dem Impuls-Echo-Verfahren ausgelegt ist, mit einer Ultraschallfrequenz zu betreiben, mit der die Detektion von gefährlichen Oberflächen- und Innenfehlern möglich ist. Auch das Prüfschema zeichnet sich durch seine Einfachheit aus, bei dem ein Abtastimpuls emittiert wird, der eine Ultraschallwelle erzeugt. Diese breitet sich im Prüfobjekt aus, gleichzeitig registriert der Empfänger als Referenzsignal die vom Generator ausgesendete Emission sowie als nützliches Echosignal die Emission vom Fehler in Form des reflektierten Signals. Die Taktung ist ebenfalls einfach, was die praktische Umsetzung des Verfahrens und der Vorrichtung erleichtert.

[0087] Die Abtastbaugruppe verfügt in der besseren Umsetzungsvariante der vorliegenden Erfindung über eine Konstruktion (Abb. 24 und 25) mit einem Messmodul mit zwei EMAT-Wandlern (7 und 8) aus zwei identischen elektromagnetischen Spulen (25) und einem gemeinsamen Magnetkern (26), die sich im Gehäuse (27) auf dem Träger (28) befinden. Darüber hinaus besitzt die Abtastbaugruppe Laufrollen (29) aus einem harten und temperaturbeständigen Material, um den notwendigen Spalt zwischen dem Prüfobjekt und den EMAT-Wandlern sicherzustellen. Statt der Laufrollen (29) können Hartmetallschienen oder die Zufuhr von Druckluft für die Erzeugung eines Luftpolsters verwendet werden. Während des Prüfprozesses wird die Abtastbaugruppe auf der oberen Seite des Prüfobjekts (1) positioniert (Abb. 26) und über seine Oberfläche bewegt.

[0088] Für das Abtasten von vertikalen Oberflächen wird die Abtastbaugruppe mit Führungsrollen (30) ausgestattet (Abb. 27 und 28), die unerwünschte vertikale Bewegungen des Messmoduls beim seitlichen Abtasten der Prüfobjekt-Oberfläche (1) verhindern. Die Einfachheit der Vorrichtung für die Ultraschallprüfung wird dadurch erreicht, dass nur zwei EMAT- Wandler mit einem oder zwei aktiven Bauelementen erforderlich sind, die aus identischen elektromagnetischen Spulen (25) auf einem gemeinsamen Magnetkern (26) bestehen. Am einfachsten ist die Konstruktion des bidirektionalen EMAT-Wandlers mit einem aktiven Bauelement, das Signal des unidirektionalen EMAT- Wandlers mit zwei aktiven Bauelementen übertrifft jedoch das Signal vom bidirektionalen EMAT-Wandler mindestens um das Zweifache dank der Interferenz der Signale von zwei aktiven Bauelementen, wodurch die Amplitude des entstehenden Signals vergrößert wird. Dies ist für eine hohe Zuverlässigkeit bei der Ultraschallprüfung von Prüfobjekten mit einer grobkörnigen Metallstruktur von besonderer Bedeutung. Mit dem unidirektionalen EMAT-Wandler ist es im Unterschied zum bidirektionalen EMAT-Wandler - außerdem verhältnismäßig einfach festzustellen, in welcher der zwei möglichen Richtungen der Fehler registriert wurde, wodurch die einfache und genaue Lokalisierung des Fehlers sichergestellt wird.

[0089] Durch die Verwendung von Laufrollen (29) und Führungsrollen (30) konnte die Vorrichtung (5) für die Positionierung und Bewegung der Wandler ohne komplizierten Mechanismus für die Aufrechterhaltung eines ständigen Luftspalts umgesetzt werden.

[0090] Indem die Betriebselemente der EMAT-Wandler (7 und 8) bei der Bewegung des Profils den Oberflächenunebenheiten des Prüfobjekts (1) folgen, kann ein ständiger Luftspalt während der Prüfung der Prüfobjekte (1) aufrechterhalten werden, deren Oberfläche uneben und unter anderem mit Schlacke bedeckt ist. Auf diese Weise werden unter der Schlacke befindliche Fehler detektiert. Die gleichzeitige Umsetzung der Magnetsystem-Elemente der EMAT-Wandler (7 und 8) mit vertikal unbeweglichen Rollen (29) vereinfacht die Konstruktion der Vorrichtung.

[0091] Infolgedessen gewährleistet die vorliegende technische Lösung die Zuverlässigkeit der Ultraschallprüfungen von Strangguss-Halbzeugen, einschließlich Brammen und Vorblöcken, auf gefährliche Oberflächen- und Innenfehler in der Produktionslinie in Echtzeit und ist imstande, zu verhindern, dass fehlerhafte Halbzeuge in die Metallherstellung gelangen.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Ultraschallprüfung eines metallischen Inspektionsobjektes (1) auf das Vorhandensein einer Oberflächen- und Untergrundfehlstelle (13), beinhaltend ein akustisches Scannen des metallischen Inspektionsobjektes (1) und einen Vergleich eines empfangenen Echosignals mit einem Ausschusswert, dadurch gekennzeichnet, dass oberflächliche RayleighUltraschallwellen (3) durch einen Generator (7) und einen in einem getrennten Schaltkreis angeordneten Empfänger (8) mittels eines Puls-Echo-Verfahrens mit einer für die Ermittlung einer Oberflächen- und Untergrundfehlstelle (13) ausreichenden Ultraschallschwingungsfrequenz ausgestrahlt und empfangen werden, wobei sich die Zentren des Generators (7), des Empfängers (8) und der Oberflächen- und Untergrundfehlstelle (13) auf einer Linie befinden, wobei der Empfänger (8) zwischen dem Generator (7) und der Oberflächen- und Untergrundfehlstelle (13) angeordnet ist oder der Generator (7) zwischen dem Empfänger (8) und der Oberflächen- und Untergrundfehlstelle (13) angeordnet ist, wobei der Abstand (d) zwischen dem Generator (7) und dem Empfänger (8) unter der Bedingung ausgewählt wird, eine maximale Reduzierung eines durch die grobkörnige Struktur des Inspektionsobjektes (1) hervorgerufenen Reverberationsgeräuschniveaus bei minimaler Abschwächung des Echosignals zu erreichen, wobei ein Referenzsignal in Form einer oberflächlichen Rayleigh-Ultraschallwelle (3) periodisch erzeugt wird, das sich direkt vom Generator (7) zum Empfänger (8) auf kürzestem Weg ausbreitet, wobei der Ausschusswert ausgehend von einem aktuellen Amplitudenwert des genannten Referenzsignals eingestellt wird.

2, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (d) zwischen dem Generator (7) und dem Empfänger (8) aus der Bedingung 30 mm <= d = 500 mm ausgewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausschusswert gleich der Differenz zwischen dem aktuellen Amplitudenwert des Referenzsignals und dem Proportionalitätsfaktor zwischen den Amplituden des Referenzsignals und des von der Oberflächenund Untergrundfehlstelle (13) kommenden Echosignals eingestellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzsignal als Testsignal verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Direkt- oder Rück- oder Rest-Ultraschallstrahlung des Generators (7) in demselben Takt wie das von der Oberflächen- und Untergrundfehlstelle (13) kommende Echosignal als Referenzsignal erfasst wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzsignal durch die Ausstrahlung oder den Empfang des Ultraschalls in der Rückrichtung in einem Takt gebildet wird, der zusätzlich zu jenem Takt ist, in dem das von der Oberflächen- und Untergrundfehlstelle (13) kommende Echosignal erfasst wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Überprüfung einer Kante (24) und einer Kantenzone des Inspektionsobjektes (1) auf Fehlstellen, vorzugsweise quer zur Kante (24) des Inspektionsobjektes (1), das Generator-Empfänger-Paar (7, 8) auf einer schmalen oder breiten Seite des Inspektionsobjektes (1) je nach Konstruktion eines Rollentischs (2) nach den folgenden Bedingungen positioniert wird:

- 5° - 25mm 8.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Überprüfung einer Kante des Inspektionsobjektes (1) auf das Vorhandensein von längsgerichteten Oberflächen- und Untergrundfehlstellen (13) ein Generator-Empfänger-Paar (7, 8) positioniert wird nach der Bedingung a = 90°, wobei a der Winkel zwischen der Achse, auf der das GeneratorEmpfänger-Paar (7, 8) liegt, und der Kante (24) des Inspektionsobjektes (1) ist.

10.

11.

12.

13.

14.

Österreichisches AT 520 121 B1 2023-07-15

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Überprüfung einer Kante des Inspektionsobjektes (1) auf das Vorhandensein von quergerichteten Oberflächenund Untergrundfehlstellen (13) ein Generator-Empfänger-Paar (7, 8) positioniert wird nach der Bedingung a = 0°, wobei a der Winkel zwischen der Achse, auf der das Generator-Empfänger-Paar (7, 8) liegt, und der Kante (24) des Inspektionsobjektes (1) ist.

Vorrichtung für die Ultraschallprüfung von Inspektionsobjekten (1) auf das Vorhandensein

einer Oberflächen- und Untergrundfehlstelle (13), umfassend

- wenigstens ein Paar von elektromagnetisch-akustischen Wandlern,

- eine Funktionseinheit (9) für die Ultraschallprüfung mittels eines Puls-Echo-Verfahrens mit einer für eine Ermittlung einer Oberflächen- und Untergrundfehlstelle (13) in den Inspektionsobjekten (1) ausreichenden Frequenz der Ultraschallschwingungen,

- eine Funktionseinheit (10) für die Bildung eines Referenzsignals,

- ein technisches Gerät (11) zur Steuerung und Bearbeitung von Messdaten,

dadurch gekennzeichnet, dass die Wandler dazu konfiguriert sind, um als Generator (7)

und als Empfänger (8) für oberflächliche Rayleigh- Ultraschallwellen (3) zu fungieren, und

mit dem technischen Gerät (11) zur Steuerung und Bearbeitung der Messdaten durch die genannten Funktionseinheiten (9, 10) elektrisch verbunden sind, wobei die Wandler in einem getrennten Schaltkreis angeordnet sind, wobei

- der Generator (7) zwei aktive Elemente (14, 15) für eine einseitige Ausstrahlung von Suchimpulsen in der Vorwärtsrichtung oder des Referenzsignals in der Rückwärtsrichtung aufweist oder

- der Empfänger (8) zwei aktive Elemente (14, 15) für einen einseitigen Empfang eines von der Oberflächen- und Untergrundfehlstelle (13) kommenden oder vom Generator (7) kommenden Echosignals aufweist, wobei der Empfänger (8) eine Verzögerungsstrecke und einen Addierer für die empfangenen Signale aufweist und so ausgeführt ist, dass die Empfangsrichtung umgekehrt ist,

wobei die aktiven Elemente (14, 15) räumlich relativ zueinander um den Wert d/2 verschoben

sind, wobei d der Abstand zwischen den Leitern des aktiven Elements ist, und wobei für

diesen Abstand d = M2 gilt, wobei A die Rayleigh-Wellenlänge der Rayleigh-Ultraschallwellen

(3) ist.

Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionseinheit (10) zur Bildung des Referenzsignal und das technische Gerät (11) zur Steuerung und Bearbeitung der Messdaten dazu konfiguriert ist, das Referenzsignal in demselben Takt zu erzeugen, in dem das von der Oberflächen- und Untergrundfehlstelle (13) kommende Echosignal erfasst wird, wobei der Generator (7) oder der Empfänger (8) mit einem aktiven Element (14 bzw.15) ausgeführt ist.

Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionseinheit (10) zur Bildung des Referenzsignal und das technische Gerät (11) zur Steuerung und Bearbeitung der Messdaten dazu konfiguriert ist, das Referenzsignal in einem Takt auszuführen, der zusätzlich zu jenem Takt ist, in dem das von der Oberflächen- und Untergrundfehlstelle (13) kommende Echosignal erfasst wird, wobei der Generator (7) oder der Empfänger (8) mit zwei aktiven Elementen ausgeführt ist.

Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das technische Gerät (11) zur Steuerung und Bearbeitung der Messdaten dazu konfiguriert ist, den Ausschusswert als Differenz zwischen dem aktuellen Wert der Amplitude des Referenzsignals und dem Proportionalitätsfaktor zwischen den Amplituden des Referenzsignals und des von der Oberflächen- und Untergrundfehlstelle (13) kommenden Echosignals einzustellen.

Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Wandler (7, 8) ein elektromagnetisch-akustischer Wandler ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den Wandlern (7, 8) aus der Bedingung 30 = d <= 500 mm ausgewählt ist, wobei a der Abstand zwischen den Wandlern (7, 8) ist.

Hierzu 22 Blatt Zeichnungen