DE10143755C1 - Verfahren und Einrichtung zur Ultraschallprüfung von oberflächennahen Fehlern in einem Werkstück - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur Ultraschallprüfung von oberflächennahen Fehlern (18) in einem Werkstück (4), bei denen dessen Oberfläche (2) mit einem aus Longitudinalwellen bestehenden und sich in einem an das Werkstück (4) angrenzenden Koppelmedium (6) ausbreitendes Ultraschallstrahlenbündel (10) unter einem Einfallswinkel (alpha) beschallt wird, bei dem eine Totalreflexion stattfindet, und bei dem ein unter seitlichem Versatz (DELTA) an der Oberfläche (2) reflektierter Ultraschallstrahl (12) gemessen und zur Fehlerdiagnose herangezogen wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Ein­ richtung zur Ultraschallprüfung von oberflächennahen Fehlern in einem Werkstück.

Zur Ultraschallprüfung von oberflächennahen Fehlern in einem Werkstück ist es bekannt, sogenannte Oberflächenwellen-Prüf­ köpfe einzusetzen, bei denen von einem Ultraschallsender emittierte longitudinale Ultraschallwellen beim Übergang vom Koppelmedium in das Werkstück in Rayleigh-Oberflächenwellen umgewandelt werden, die sich im Werkstück parallel zur Ober­ fläche ausbreiten. Solche Oberflächenwellen entstehen, wenn die Ultraschallwellen mit dem Grenzwinkel der Totalreflexion für die Rayleigh-Oberflächenwelle auf das Werkstück auftref­ fen. Hierzu wird in der Regel als Koppelmedium ein an die Wellenlänge der Ultraschallwellen und das Werkstück angepass­ ter Vorlaufkeil aus Kunststoff benutzt. Die Messung erfolgt entweder im sogenannten Puls-Echo-Verfahren, bei dem der Ultraschallsender zugleich als Empfänger dient, oder im sogenannten Sende/Empfangs-Modus, bei dem Ultraschallsender und Ultraschallempfänger räumlich getrennt voneinander ange­ ordnet sind. Dabei werden Reflexionen oder die Ausbreitung der Oberflächenwelle über eine größere Länge ausgewertet (A-Scan).

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ultraschallprüfung von oberflächennahen Fehlern in einem Werkstück anzugeben, das bei hoher Empfindlichkeit einfach durchzuführen und konstruktiv unaufwendig ist. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine nach diesem Verfah­ ren betriebene Einrichtung anzugeben.

Die genannten Aufgaben werden gemäß der Erfindung jeweils gelöst mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 6.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Oberfläche des Werkstücks mit einem aus Longitudinalwellen bestehenden und sich in einem an das Werkstück angrenzenden Koppelmedium aus­ breitenden, wenigstens annähernd parallelen Ultraschallbündel unter einem Einfallswinkel beschallt, bei dem eine Total­ reflexion stattfindet, bei dem sich bei einem fehlerfreien Werkstück zwischen dem Ort des Auftreffens des Ultraschall­ strahlenbündels auf der Oberfläche und dem Ort des Austretens eines reflektierten Ultraschallstrahls aus der Oberfläche ein Versatz in Bezug auf die in die Ebene der Oberfläche proji­ zierte Ausbreitungsrichtung des Ultraschallstrahlenbündels ausbildet, und bei dem der unter dem Versatz reflektierte Ultraschallstrahl gemessen und zur Fehlerdiagnose heran­ gezogen wird, wobei das Vorhandensein des Versatzes als Maß für eine Fehlerfreiheit dient.

Unter einem wenigstens annähernd parallelen Ultraschallbündel ist dabei ein Ultraschallbündel zu verstehen, dessen Diver­ genz im Auftreffpunkt höchstens einige Grad beträgt.

Die Erfindung beruht auf dem bekannten Phänomen, dass unter ganz bestimmten Einfallsbedingungen ein totalreflektiertes Ultraschallstrahlenbündel einen seitlichen Versatz erfährt. Dieses Phänomen ist beispielsweise aus "A. Schoch, Acustica, Vol. 2, 1952, Seiten 18 bis 19", bekannt. Der dort beschrie­ bene seitliche Versatz tritt nur bei einem Einfallswinkel α auf, bei dem die Relation sinα = c/v erfüllt ist, wobei c die Schallgeschwindigkeit im Koppelmedium und v die Geschwindig­ keit der Rayleigh-Oberflächenwelle im fehlerfreien Werkstück ist, die etwas kleiner als die Geschwindigkeit der Scherwelle im Werkstück ist. Dieser Versatz tritt somit bei einem Ein­ fallswinkel auf, der etwas größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion für die Scherwelle ist. Befindet sich nun am Ort, an dem das Ultraschallstrahlenbündel auf das Werkstück trifft, ein Fehler, beispielsweise ein Lunker oder ein Riss, so ist an dieser Stelle die Schallgeschwindigkeit der Ray­ leigh-Oberflächenwelle verändert. Die vorstehend genannte Beziehung ist dann nicht mehr erfüllt und ein örtlicher Versatz tritt nicht mehr auf. Dadurch gelangen die am Werkstück reflektierten Ultraschallstrahlen nicht mehr oder nur noch zum Teil zum Ultraschallempfänger, so dass das von diesem empfangene Messsignal zumindest reduziert ist und auf diese Weise das Vorhandensein eines Fehlers anzeigt.

Aus "G. L. Fitzpatrick, B. P. Hildebrand, A. J. Boland, ACOUSTICAL IMAGING OF NEAR SURFACE PROPERTIES AT THE RAYLEIGH CRITICAL ANGLE, in Acoustical Imaging, Hrsg. E. A. Ash, C. R. Hill, Vol. 12, Plenum Press 1982, S. 157-174", insbesondere Fig. 6, ist es prinzipiell bekannt, zum Detektieren von ober­ flächennahen Fehlern die Amplitude eines versatzfrei reflek­ tierten Ultraschallsignals mit einem punktförmigen Ultra­ schallempfänger zu erfassen. Wird beispielsweise aufgrund eines oberflächennahen Fehlers der kritische Winkel unter- oder überschritten, nimmt das vom punktförmigen Ultraschall­ empfänger empfangene Signal signifikant ab.

Auch in dem Aufsatz "W. Chen, J. Wu, Reflectometry using longitudinal, shear and rayleigh waves, in Ultrasonics 38, 2000, Seiten 909 bis 913" wird ein spezielles derartiges reflektomerisches Verfahren beschrieben, bei dem die elek­ trischen Eigenschaften wiederum nur am Ort des Auftreff­ punktes erfasst werden. Mittels einer Variation des Ein­ fallwinkels können anhand des auch hier versatzfrei reflek­ tierten Ultraschallsignals Aussagen über die longitudinale, die Scher- und die Rayleigh-Wellengeschwindigkeit am Re­ flexionsort getroffen werden.

Die bekannten Messanordnungen erlauben aber nur eine Aussage über die akustischen Eigenschaften des Auftreffpunktes, wäh­ rend die Messanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung Information über akustischen Eigenschaften der gesamten Ver­ satzstrecke beinhaltet.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird zusätzlich ein versatzfrei reflektierter Ultraschallstrahl erfasst. Mit anderen Worten: Es wird zusätzlich nachgeprüft, ob eine versatzfreie Reflexion stattfindet. Durch diese Maß­ nahme wird die Empfindlichkeit des Messverfahrens erhöht, da zwei Messwerte bereitgestellt werden, die sich gegenläufig verhalten. Tritt nämlich der Versatz nicht mehr auf, so nimmt das Messsignal eines zur Messung des versatzfrei reflektier­ ten Ultraschallstrahls verwendeten Ultraschallempfängers zu, während das Messsignal des Ultraschallempfängers, der zur Messung des seitlich versetzt reflektierten Ultraschall­ strahls verwendet wird, abnimmt.

Vorzugsweise wird als Koppelmedium eine Flüssigkeit verwen­ det, in der sich das Werkstück befindet. Dies ermöglicht eine besonders einfache Einstellung des korrekten Einfallswinkels durch einfaches Schwenken des Ultraschallsenders und entspre­ chendes Positionieren des Ultraschallempfängers oder der Ultraschallempfänger.

Bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung ergeben sich gemäß der Unteransprüche 7 bis 9, deren jeweili­ ge Vorteile sich sinngemäß aus den vorstehenden erläuterten Vorteilen der ihnen jeweils zugeordneten Verfahrensansprüche ergeben.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausfüh­ rungsbeispiele der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 eine Einrichtung gemäß der Erfindung in einer schematischen Prinzipdarstellung,

Fig. 3 eine Messanordnung, bei der eine Relativbewegung zwischen Werkstück und erfindungsgemäßer Einrichtung erfolgt,

Fig. 4a und 4b jeweils Diagramme, in denen das Messsignal des ersten bzw. zweiten Ultraschallempfängers gegen die Zeit aufgetragen ist,

Fig. 5 eine besonders vorteilhafte Einrichtung gemäß der Erfindung, die eine flächenhafte Überprüfung des Werkstückes ermöglicht,

Fig. 6 eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung, bei der anstelle zweier Ultraschallempfänger die Verwendung eines linearen Ultraschallwandlerarrays vorgesehen ist.

Gemäß Fig. 1 befindet sich eine zu untersuchende Oberfläche 2 eines Werkstückes 4 in einem flüssigen Koppelmedium 6, bei­ spielsweise in einem mit Wasser oder Alkohol gefüllten Mess­ raum 7. Ein Ultraschallsender 8 erzeugt ein aus Longitudinal­ wellen zusammengesetztes, nahezu paralleles Ultraschallstrah­ lenbündel 10, das sich im Koppelmedium 6 fortpflanzt und unter einem Einfallswinkel α auf die Oberfläche 2 des Werk­ stücks 4 auftrifft. Der Einfallswinkel α ist derart auf die Werkstoffpaarung Koppelmedium 6 - fehlerfreien Werkstück 4 eingestellt, dass er die Relation sinα = c/v erfüllt, wobei c die Schallgeschwindigkeit im Koppelmedium 6 und v die Ge­ schwindigkeit der Rayleigh-Oberflächenwelle im fehlerfreien Werkstück 4 ist. An der Werkstückoberfläche 2 wird nun ein Ultraschallstrahl 12 reflektiert, dessen Schnittpunkt S seiner Mittenachse mit der Werkstückoberfläche 2 gegenüber dem Auftreffpunkt A der Mittenachse des einfallenden Ultra­ schallstrahlenbündels 10 auf die Werkstückoberfläche 2 um die Wegstrecke Δ seitlich versetzt ist.

Zum Empfangen dieses seitlich versetzt reflektierten Ultra­ schallstrahles 12 ist ein erster Ultraschallempfänger 14 um diese Wegstrecke Δ seitlich versetzt gegenüber einer Normal­ position angeordnet, die er in einer normalen reflexiven Messanordnung einnehmen würde. Der vom ersten Ultraschallemp­ fänger 14 empfangene Ultraschallstrahl 12 beinhaltet dabei eine Information über die (akustischen) Eigenschaften des gesamten oberflächennahen Zwischenbereiches 20 des Werkstü­ ckes 4.

In dieser Normalposition befindet sich ein zweiter Ultra­ schallempfänger 16, der im vorliegenden Fall, d. h. bei kor­ rekter Einstellung des Einfallswinkels auf die akustischen Eigenschaften des Koppelmediums und des Werkstücks 4 und bei fehlerfreiem Werkstück 4 allenfalls den Randbereich des unter Versatz reflektierten Ultraschallstrahls 12 empfängt.

Die Ultraschallempfänger 16, 18 sind an eine Auswerteeinrich­ tung 17 angeschlossen, in der die von diesen bereitgestellten Messsignale M1, M2 zur Fehlerdiagnose ausgewertet werden.

In Fig. 2 ist nun eine Situation veranschaulicht, in der sich im Werkstück 4 ein oberflächennaher Fehler 18 an der Stelle befindet, an der das emittierte Ultraschallstrahlenbündel 10 auf die Werkstückoberfläche 2 trifft. Durch die vom Fehler 18 verursachten veränderten akustischen Eigenschaften des Werkstückes 4 ist an dieser Stelle die für das Auftreten eines Versatzes erforderliche Relation nicht mehr erfüllt, so dass das Ultraschallstrahlenbündel 10 ohne Versatz reflektiert und als versatzfrei reflektierter Ultraschallstrahl 19 im wesent­ lichen nur noch vom zweiten Ultraschallempfänger 16 empfangen wird.

Gemäß Fig. 3 wird ein linearer Scan des Werkstückes 4 durch Relativbewegung zwischen der Sender/Empfängeranordnung 8, 14, 16 und dem Werkstück 4 durchgeführt. Der Fehler 18 bewegt sich in diesem Fall mit der Geschwindigkeit v am Auftreff­ punkt A vorbei und befindet sich zu den Zeitpunkten t₀, t₁, t₂ vor, am bzw. hinter dem Auftreffpunkt.

In den Diagrammen der Fig. 4a und 4b ist zu erkennen, dass das vom ersten Ultraschallempfänger empfangene Messsignal M1 zum Zeitpunkt t₁ signifikant niedriger ist als zu den Zeit­ punkten t₀, t₂, in denen sich fehlerfreie Bereiche des Werk­ stücks am Auftreffort befinden. Entsprechend ist das vom zweiten Ultraschallempfänger empfangene Messsignal M2 zu diesem Zeitpunkt t₁ signifikant erhöht. Durch Bildung der Differenz oder des Quotienten aus beiden Messsignalen M1, M2 kann somit die Messempfindlichkeit der Anordnung verbessert werden.

Gemäß Fig. 5 ist als Ultraschallsender ein lineares Sendear­ ray 81 mit einer Mehrzahl von Wandlerelementen 810 vorgese­ hen, das ein Ultraschallbündel 100 mit einem Linienfokus LF erzeugt, so dass bei einer Relativbewegung zwischen Werkstück 4 und Sendearray 81 ein flächenhaftes Scannen der Werkstück­ oberfläche 2 möglich ist. Der Linienfokus LF darf nicht zu scharf sein, um sicherzustellen, dass die Schallstrahlen am Auftreffort nahezu parallel sind, d. h. eine Divergenz im Bereich weniger Grade, vorzugsweise von höchstens 5° aufwei­ sen. Als erster beziehungsweise zweiter Ultraschallempfänger sind lineare Empfangsarrays 141, 161 vorgesehen, die in Längsrichtung des Linienfokus LF in Reihe angeordnete Ultraschallwandler 142 bzw. 162 enthalten und eine Ortsauflösung in dieser Längsrichtung ermöglichen.

In der Fig. 5 ist zu erkennen, dass in den vom Linienfokus LF erfassten Bereichen, in denen sich kein oberflächennaher Fehler 18 befindet, ein Versatz Δ auftritt, währen im Fehler­ bereich eine versatzfreie Reflexion des Ultraschallstrahlen­ bündels 100 auftritt. Im dargestellten Fall empfangen somit die schraffiert eingezeichneten Ultraschallwandler 162 des Empfangsarrays 161 ein Signal, so dass einerseits eine räum­ liche Ortung des Fehlers 18 und andererseits dessen Ausdeh­ nung in Richtung des Linienfokus LF erfasst werden kann. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass auch großflächi­ ge Werkstücke 4 schnell vermessen werden können.

In der Ausgestaltung gemäß Fig. 6 sind erster und zweiter Ultraschallempfänger in einem linearen Empfangsarray 40 integriert, so dass die Ultraschallstrahlen 19 (versatzfrei) und 12 (mit Versatz) von Teilarrays empfangen werden, deren Schwerpunkte räumlich voneinander den Abstand s = Δcosα aufweisen. In dieser Anordnung können auch im Zwischenbereich 20 reflektierte Ultraschallstrahlen erfasst werden.

Claims (9)

1. Verfahren zur Ultraschallprüfung von oberflächennahen Feh­ lern (18) in einem Werkstück (4), bei dem dessen Oberfläche (2) mit einem aus Longitudinalwellen bestehenden und sich in einem an das Werkstück (4) angrenzenden Koppelmedium (6) aus­ breitenden Ultraschallstrahlenbündel (10) unter einem Ein­ fallswinkel (α) beschallt wird, bei dem eine Totalreflexion stattfindet, bei dem sich bei einem fehlerfreien Werkstück zwischen dem Ort (A) des Auftreffens des Ultraschallstrahlen­ bündels (10) auf der Oberfläche (2) und dem Ort (5) des Aus­ tretens eines reflektierten Ultraschallstrahls (12) aus der Oberfläche (2) ein Versatz (Δ) in Bezug auf die in die Ebene der Oberfläche (2) projizierte Ausbreitungsrichtung des Ul­ traschallstrahlenbündels (10) ausbildet, und bei dem der un­ ter dem Versatz (Δ) reflektierte Ultraschallstrahl (12) ge­ messen und zur Fehlerdiagnose herangezogen wird, wobei das Vorhandensein des Versatzes (Δ) als Maß für eine Fehlerfrei­ heit dient.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Einfallswinkel (α) annähernd die Relation sinα = c/v erfüllt, wobei c die Schallgeschwindigkeit im Koppelmedium und v die Geschwindig­ keit der Rayleigh-Oberflächenwelle im Werkstück (4) ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zusätzlich ein versatzfrei reflektierter Ultraschallstrahl (19) erfasst wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Werkstück (4) mit einem nahezu parallelen Ultraschall­ strahlenbündel (10) beschallt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als Koppelmedium (6) eine Flüssigkeit verwendet wird, in der sich das Werkstück (4) befindet.

6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, mit einem Ultraschallsender (8) zum Senden eines aus Longitudinalwellen bestehenden Ultraschallstrahlenbün­ dels (10) zu einem zu untersuchenden Werkstück (4) unter ei­ nem Einfallswinkel (α), bei dem eine Totalreflexion am Werk­ stück (4) stattfindet und bei dem sich bei einem fehlerfreien Werkstück zwischen dem Ort (A) des Auftreffens des Ultra­ schallstrahlenbündels (10) auf der Oberfläche (2) und dem Ort (S) des Austretens eines reflektierten Ultraschallstrahls (12) aus der Oberfläche (2) ein Versatz (Δ) in Bezug auf die in die Ebene der Oberfläche (2) projizierte Ausbreitungsrich­ tung des Ultraschallstrahlenbündels (10) ausbildet, und mit einem ersten Ultraschallempfänger (14) zum Empfangen des un­ ter dem Versatz (Δ) reflektierten Ultraschallstrahls (12), sowie einer Auswerteeinrichtung (17) zur Auswertung des vom ersten Ultraschallempfänger (14) bereitgestellten Messsig­ nals (M1), wobei das Vorhandensein des Versatzes (Δ) als Maß für eine Fehlerfreiheit dient.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, mit einem zweiten Ultra­ schallempfänger (16) zum Empfangen eines versatzfrei reflek­ tierten Ultraschallstrahls (19).

8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, deren Ultraschallsen­ der (10) ein am Auftreffort (A) wenigstens annähernd paralle­ les Ultraschallstrahlenbündel (10) erzeugt.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, mit einem Messraum (7) zur Aufnahme eines zwischen Werkstückoberflä­ che (2) und Ultraschallsender (8) befindlichen Koppelmedi­ ums (6).