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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zum automatisierten
Ultraschall-Prüfen räumlich geformter
strahlgeschweißter
Bauteile.
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Die
Anwendung der Erfindung erfolgt insbesondere bei der Ultraschall-Prüfung von
nichtebenen, strahlgeschweißten
Nähten
mit I- Stoß und
bildgebender Darstellung des Prüfergebnisses,
z. B. im Kraftwerks- und Druckbehälterbau, um Stutzenverbindungen
an Rohrleitungen hinsichtlich Fehlerfreiheit zu untersuchen. Die
Stutzen-Rohrverbindungen können
dabei jeden beliebigen und praktisch realisierbaren Winkel bzgl.
einer gedachten Rohr- und Stutzenmittelachse aufweisen, wobei die üblicherweise
herstellbaren Verbindungsformen „aufgesetzt" und „eingesteckt" vorliegen können.
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Die
mit einem Elektronen- oder Laserstrahl gefügten Bauteile werden mit Hilfe
einer erfindungsgemäßen Anordnung
und einem damit realisierbaren Verfahren geprüft, wobei mittels einer vorzugsweise integrierten
Bauform von Sender und Empfänger
der Ultraschall senkrecht auf die Nahtflanke geführt wird.
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Es
ist bekannt, daß im
Behälter-
und Rohrleitungsbau die Verschneidungsarten „eingesteckt" und „aufgesetzt" angewandt werden.
Als Fügeverfahren kommen
in der Regel die konventionellen Lichtbogenschweißverfahren
MAG-, WIG- und das UP-Schweißprozesse
in Betracht. Zur Realisierung hochwertiger Fügeverbindungen, in den o. g.
hochsensiblen Bereichen sind dazu Nahtfugen in V-Form mit Nahtöffnungswinkeln
zwischen 30° und
60° erforderlich,
die mittels thermischer oder spanender Verfahren hergestellt werden
müssen.
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Diese
V-förmige
Fuge wird beim Schweißen mit
Schweißgut
gefüllt,
in aller Regel durch mehrere über-
bzw. nebeneinander angeordnete Schweißraupen. Bei dieser Art des
Schweißens
wird erhebliche Wärmeenergie
in das Bauteil eingebracht. Oxidationen an der Oberfläche (Anlauffarben)
und Verzug sind die Folge. Deshalb muß das Schweißen in der Prozeßkette zur
Herstellung des Bauteils am Anfang stehen und es müssen sich
an das Schweißen
Wärmebehandlungs-,
Richt-, Schleif- und Reinigungsprozesse anschließen. Eine insbesondere mit
dem Elektronenstrahl/Laserstrahl gefügte Rohr-/Stutzenverbindung hat keine V-förmige, sondern
eine I-förmige Nahtvorbereitung,
die durch spanende Bearbeitung hergestellt wird. Verfahrensspezifisch
wird nur wenig Wär me
ins Bauteil eingebracht. Nacharbeitsgänge sind nicht erforderlich,
die oben angeführten
Schleif-, Richt- und Reinigungsprozesse entfallen; das Schweißen kann
in der Prozesskette der finale Arbeitsgang sein.
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Die
Untersuchung einer solchen Naht kann jedoch mit dem herkömmlichen
Durchstrahlungsverfahren (Röntgen)
bei vergleichsweise dickwandigen Bauteilen kein sicheres Prüfergebnis
liefern. Die Wirkungsrichtung eines geeigneten Prüfverfahrens muss
hierbei insbesondere auf die Grenzfläche eines nadel- oder fingerförmigen Nahtprofils
der geschweißten
1- Naht gerichtet sein, um Nahtunregelmäßigkeiten sicher erkennen zu
können.
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Und
gerade diesen Nachweis kann das aus dem Stand der Technik bekannte
Durchstrahlungsverfahren bei elektronen- oder laserstrahlgeschweißten Bauteilen
mit großen
Wanddicken nicht leisten.
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Ergänzend sollen
noch die Erfindung im technischen Umfeld tangierenden Lösungen in
konkreter Form genannt werden.
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So
beschreibt
DE 100
34 010 A1 ein Verfahren zum Ultraschall-Prüfen von
geschweißten
Bolzen-Blechverbindungen mit dem Ziel, die Größe des Schmelzbades zu bestimmen
und daraus Aussagen über
die Qualität
der Bolzenschweißverbindung
abzuleiten. Ultraschallsender und -empfänger sind getrennt angeordnet
und werden von der Blechrückseite
linear über
die Schweißlinse
geführt,
das Echosignal wird klassifiziert und eine Aussage über die
Qualität
der Schweißverbindung
gewonnen. Sender und Empfänger
sind relativ zueinander fest angeordnet, wobei deren Bewegung über dem
Schweißpunkt eine
Bewegung in der Ebene darstellt.
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Die
DE 101 13 238 C1 nennt
ein adaptives Verfahren zur Ultraschall-Prüfung von Punktschweißverbindungen.
Dieses Verfahren erfordert einen fünfachsigen Industrieroboter.
Kern des Verfahrens ist eine Prozedur zur Findung eines Echomaximum
und die Nutzung der in dieser Prozedur gesammelten Daten zur Klassifizierung
der Schweißverbindung.
Vorgegeben wird die räumliche
Lage des Schweißpunktes
und dessen Normalvektor; alle weiteren Vorgänge werden adaptiv und iterativ
in Wechselwirkung zwischen Robotersteuerung und Echosignal ausgeführt.
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In
JP 9325136 wird ein Verfahren
zur Untersuchung gebrauchter Turbinenräder nach Fehlern, Rissen etc.
vorgestellt. Dazu ist das Bauteil in einem Wasserbad angeordnet
und ein Roboter führt,
entsprechend der Geometrie des Turbinenrades den Prüfkopf in
Normalenrichtung über
die Bauteiloberfläche,
vorzugsweise in den Bereichen, wo die höchsten Spannungen auftreten
und damit die Gefahr von Fehlern, Rissen oder dergl. besonders hoch
ist. Gesucht wird nach Fehlern in Bauteildickenrichtung, die dann
in einem Anzeigegerät
dargestellt werden. Mit der Geometrie des Bauteils ist die Bahn
des Prüfkopfes
vorgegeben.
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Nach
EP 0667527 B1 gibt
es eine Einrichtung zur mechanisierten Ultraschall-Prüfung von Rohrabzweigen
mit kreisförmigem
Querschnitt, also ebenen Rundnähten
in Bereichen, die aus dem einen oder anderen Grund manuell nicht
zugänglich
sind. Dazu wird mit Manschetten der entsprechende Abschnitt der
Rohrleitung abgedichtet, mit einem Koppelmedium gefüllt und
der Ultraschallkopf auf einer Zirkularbahn von innen entlang der
Schweißnaht
geführt
und das Echosignal protokolliert.
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In
JP 08110332 A wird
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ultraschall-Prüfung mittels
gesteuertem Roboter angeboten. Hierbei soll eine Vereinfachung in
der Weise erfolgen, daß eine
Robotersteuerung den Roboter in die Position eines zu untersuchenden
und in ein rechtwinkliges Koordinatensystem oder in ein polares
Koordinatensystem eingeordneten Schweißteils führt, wobei das Echo einer rechtwinklig
reflektierten Ultraschallwelle analysiert, gespeichert und in einer
verteilten Ansicht Fehler dargestellt werden. Die prüfbaren Bauteilgeometrien
liegen dabei in einer Ebene mit geraden oder kreisrunden Nahrverläufen. Hier
sind lediglich einfache- auch manuell- durchführbare Prüftätigkeiten automatisiert worden.
Räumlich
gekrümmte
Nahtverläufe,
wie sie bei Stutzen-/Rohrverbindungen
auftreten, können damit
nicht bewertet werden.
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Mit
JP 11014610 A wird
ein Ultraschallfehlerprüfverfahren
mittels Roboter vorgestellt. Mit einer automatischen Ultraschallfehlerprüfung soll
unter Nutzung einer Ultraschall-Prüfsonde eine
Probe untersucht werden. Mit der Richtung des Ultraschall-Strahles
und der Prüfrichtung
spannt die Sonde in ihrem Ursprung ein ebenes, rechtwinkliges Koordinatensystem
auf. Senkrecht dazu definiert sich die Richtung der Abtastbewegung,
die abhängig
von den Echosignalen und ihrer Amplitudenhöhe in ihrer Breite variabel
ist, indem zwischen verschiedenen Abtastmustern online umgeschaltet
wird.
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Auch
mit dieser Lösung
sind komplizierte, räumlich
gekrümmte
Nahtverläufe
an Bauteilen, die zudem unterschiedliche Wanddicken aufweisen können, nicht
prüfbar.
Dieses Ultraschall-Meßverfahren automatisiert
Ultraschalluntersuchungen, die auch manuell durchgeführt werden
könnten.
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Die
stellvertretend zum Stand der Technik genannten Lösungen beschreiben
Verfahren und Vorrichtungen zur Ultraschallprüfung, die nicht über den
auch mit manuellen Prüfmethoden
erzielbaren Erkenntnisgewinn über
den Zustand der Probe hinausgehen.
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Sie
beschreiben Lösungen
zur Ultraschallprüfung,
die manuelle Tätigkeiten
aus Gründen
der Schnelligkeit, der Reproduzierbarkeit, der Zugänglichkeit
ersetzen, jedoch prinzipiell in gleicher Form manuell ausgeführt werden
könnten.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, eine geeignete Anordnung mit der
eine Ultraschall-Prüfung nichtebener
und strahlgeschweißter
Nahtverläufe
mit I-Stoß,
die nach vorbeschriebenem Stand der Technik nicht prüfbar sind,
vorzuschlagen, wodurch beliebige Durchmesser- und Wanddickenkombinationen prüfbar sind,
Schnittwinkel der Bauteilachsen zwischen 30° und 90° vorliegen können sowie ein beliebiger Achsversatz
zwischen Stutzen und Rohr gegeben sein kann, wobei die sich zwischen
Stutzen und Rohr als Schweißnahtquerschnitt
aufspannenden Regelflächen
mit wenigen Parametern beschreiben lassen und über einen damit aufgebauten
Datensatz eine automatisierte, insbesondere robotergestützte Bewegung
des Prüfkopfes
und eine maschinenlesbare, in eine Computergrafik mündende Auswertung aufgenommener
Ultraschall-Signale möglich
ist.
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Das
Verfahren muß ein
nadel- oder fingerförmiges
Nahtprofil erfassen und große
Bauteldicken prüfhar
machen.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe nach den Merkmalen, wie in den Patentansprüchen 1 und 2
dargelegt, gelöst.
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Folgende
ergänzende
Hinweise zur erfindungsgemäßen Lehre
sind erforderlich.
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Ein
Industrieroboter, ausgebildet als Gelenkarm- oder Portalroboter
trägt am
Ende seines Greifarmes/Werkzeugträgers einen Prüfkopf, welcher etwa
in kompakter Bauweise den Sender und Empfänger für den Ultraschall in sich vereinen
kann oder aber auch beide voneinander konstruktiv getrennt – dann sind
unter Umständen
zwei getrennt agierende Roboter erforderlich – führt. Der dergestalt in kompakter
Bauweise vorliegende Ultraschall-Prüfkopf steht über ein
flüssiges
Koppelmedium, in welches er eingetaucht ist, mit dem zu prüfenden Bauteil
in Wirkverbindung, wobei seine Lage/Neigung so gehalten ist, dass
der eingekoppelte Ultraschall, in aller Regel nach mehreren Reflexionen
an der Bauteilwandung, in senkrechter Form die Nahtflanken des nadel-
oder fingerförmigen
Nahtquerschnitts trifft und ein computersimuliertes Raummodell erstellbar
ist, bei dem ggf. Nahtunregelmäßigkeiten
sichtbar werden. Das eingesetzte Koppelmedium ist Wasser mit bestimmten rosthemmenden
Zusätzen,
welches in einem offenen Behälter
definierten Volumens vorgehalten wird. Seitlich an diesem Behältern befindet
sich in seinem Innern eine Drehvorrichtung mit einem Spannfutter, welches
eine zu prüfende
Stutzen-/Rohrverbindung trägt, wobei
deren Schweißnaht
möglichst
nicht mit dem Koppelmedium während
des Prüfvorganges
in Kontakt kommt.
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Der
Prüfkopf
wird synchron bzgl. des sich um die Stutzenachse drehbaren geschweißten Bauteils mittels
der Robotersteuerung nachgeführt.
Letztere steht in Wirkbeziehung zu einer Auswerteeinheit, die die
Koordinaten des räumlichen
Nahtverlaufes als Modell gespeichert hat. Entsprechend jeder neu
zu prüfenden
Stutzen-/Rohrverbindung erfolgt hier die Programmierung der gegebenen
Bauteilgeometrie.
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Eine
Ultraschall-Verarbeitungseinheit nimmt die reflektierten Ultraschallsignale
auf und liefert bei Nahtunregelmäßigkeiten
in Abhängigkeit
aktueller Roboterkoordinaten transformatorisch erzeugte Bauteilkoordinaten
an die mit ihr in Verbindung stehende Auswerteeinheit. Gegebenenfalls
erkannte Nahtunregelmäßigkeiten
werden betragsmäßig erfasst,
lokalisiert und mittels der nachgeordneten Visualisierungseinheit
in einer Computergrafik reproduzierbar sichtbar gemacht. Die in
einer Grafikdatenbank gespeicherten grafischen Elemente, z. B. in
Kugelform, dienen dabei, nach Anforderung durch die Visualisierungseinheit,
zur grafischen Information im Sinne der vorgenannten Computergrafik.
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Über der
erfindungsgemäßen Anordnung nachgeordnete
periphere Elemente bekannter Hardware sind die üblichen Formen der Weiterverarbeitung
(Speichern, Drucken, Bildverarbeitung) möglich.
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Wie
bereits erwähnt,
können
der Sender und Empfänger
konstruktiv getrennt sein, so daß der Weg für die Ultraschall-Einkopplung
und die Ultraschall-Auskopplung getrennt sind. Dies kann die Einsatzmöglichkeit
der Anordnung erhöhen,
wobei hier vorteilhafterweise die Ultraschall-Einkopplung nicht senkrecht
die Nahtflanken erreichen muss.
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Das
mit der beschriebenen Anordnung realisierbare Verfahren ist wie
folgt darstellbar. Bevor die Ultraschallmessung durch Einkopplung
des Ultraschalls in das Koppelmedium mittels Eintauchen des Prüfkopfes
beginnen kann, muß der
Weg der Schallwellen im Bauteil und im Koppelmedium vorab, also offline,
berechnet werden. Hierauf Einfluß haben die physikalischen
Eigenschaften des Bauteilwerkstoffes, des Koppelmediums und die
Geometrie von Bauteil und Schweißnaht.
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Dann
beginnt die eigentliche Messung, indem der Ultraschall in definierter
Weise auf die Nahtflanken triftt (senkrecht oder in einem zulässigen Reflexionswinkel)
von dort unter ggfs. des Erkennens von Nahtunregelmäßigkeiten
in der Schweißnaht
reflektiert wird und in analog defnierter Weise zum Empfänger, z.
B. integriert in einem Prüfkopf,
zurückläuft. dort
empfangen und zur Weiterverarbeitung in die Messsignalwandlung (A-D-Wandlung) der Ultraschall-Verarbeitungseinheit
geleitet wird.
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Die
Abfolge des Empfangens und Weiterverarbeitens geschieht hier im
Sinne einer Rückwärtstransformation,
indem punktweise, entsprechend einer vorgegebenen Schrittweite entlang
des Nahtverlaufes und unter Berücksichtigung
der Schweißnahtdicke
die zugehörige
Stellung von Sender und Empfänger
im Prüfkopf
oder aber bei deren separater Anordnung getrennt ermittelt wird.
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In
letztgenanntem Fall entstehen dabei regelmäßig 2 unterschiedliche Bahnen
für Sender
und Empfänger.
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Entlang
einer mit einer speziellen Software berechneten Bahnbewegung wird
der Prüfkopf
im berechneten Bauteilkoordinatensystem geführt, wobei das Bauteilkoordinatensystem
und das Koordinatensystem der Bahnbewegung zur Überdeckung gebracht werden.
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Das
im A-D-Wandler der Ultraschall-Verarbeitungseinheit empfangene analoge
Signal wird digital gewandelt und in eine nachfolgenden Klassifizierungseinheit übertragen,
wobei zulässige
von unzulässigen
Echoanzeigen unterschieden werden. Die Werte der Echoanzeige werden
dann in einem Verknüpfungsmodul
eines Auswertegerätes
(Computer) in Überdeckung
mit den gespeicherten Daten der Bauteilgeometrie gebracht. Zeitparallel
dazu erfolgt im Sinne des fortschreitenden Prüfablaufes eine Vorwärtstransformation,
wenn eine Nahtunregelmäßigkeit
erkannt wurde. Im Ergebnis derselben erfolgt eine Transformation
der Raumkoordinate des betreffenden Punktes in der Schweißnaht. Der
Koordinatenpunkt wird nach der Lokalisierung mittels von in einer
Grafikdatenbank des Auswertegerätes
gespeicherter Grafikelemente optisch hervorgehoben und das fortschreitend
entstehende Prüfbild
als Computergrafik in einer Visualisierungseinheit sichtbar gemacht.
Damit ist gemäß der beschriebenen
Rückwärts- und
Vorwärtstransformation
gesichert, dass sich das Prüfergebnis
parallel zum Prüfablauf
aufbaut. Es ist dadurch möglich
den Prüfablauf
in Abhängigkeit
von den schon zur Verfügung
stehenden Informationen sofort beeinflussen zu können, indem die Schrittweite
der Abtastung oder die Art der Klassifizierung geändert werden.
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Die
Erfindung soll nachfolgend an Ausführungsbeispielen zur prinzipiellen
Darstellung der Anordnung und des Verfahrens näher erläutert werden.
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Dabei
wird auf nachstehende Figuren zurückgegriffen:
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1 Prinzipdarstellung
eines an einem Gelenkarmroboter geführten Ultraschall-Prüfkopfes,
des drehbar in einem Wasserbecken gehaltenen Bauteils und peripherer
Messgeräte
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2 Schematischer
Verfahrensablauf in Blockbilddarstellung
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3 Kompakter
Prüfkopf
mit darin enthaltenem Sender und Empfänger und Einkopplungs- und
Reflexionsverlauf des Ultraschalls
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4 Getrennter
Sender und Empfänger
sowie Einkopplungs- und Reflexionsverlauf des Ultraschalls
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5 Darstellung
einer Schweißnahtunregelmäßigkeit
im Raumkoordinatensystem
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- 1
- Roboteranlage
- 2
- Auswertegerät
- 2.1
- Koordinatentransformation
- 2.2
- Verknüpfungsmodul
- 3
- Ultraschall-Verarbeitungseinheit
- 3.1
- A/D-Wandler
- 3.2
- Klassifizierung
- 4
- Roboterachskoordinaten
(digital)
- 5
- Koppelmedium
- 6
- Stutzen
- 7
- Schweißnaht
- 8
- Rohr
- 9
- Schallweg
- 10
- Ultraschall-Prüfkopf
- 11
- Visualisierungseinheit
- 12
- Prüfkopfträger
- 13
- Gelenkarmroboter
- 14
- Robotersteuerung
- 15
- Drehachsantrieb
- 16
- Drehdurchführung
- 17
- Spannfutter
- 18
- Wasserbecken
- 19
- Computergrafik
- 20
- Verkabelung
- 21
- Ultraschall-Sendekopf
- 22
- Ultraschall-Empfängskopf
- 23
- Grafikdatenbank
- 24
- Nahtunregelmäßigkeit
- 25
- Daten
der Bauteilgeometrie
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Ein
Gelenkarmroboter 13, gesteuert mit einer Robotersteuerung 14,
ist mit einem Prüfkopfträger 12 für einen
in kompletter Bauform vorliegenden Ultraschall-Prüfkopf 10,
gemäß 1 ausgestattet. Der
Ultraschall-Prüfkopf 10 steht über ein
Koppelmedium 5, vorzugsweise Wasser mit rosthemmenden Zusätzen, welches
sich in einem Wasserbecken 18 befindet, mit einer zu prüfenden Stutzen-/Rohrverbindung 6, 8 in
Verbindung, die in einem Spannfutter 17 gehalten ist und
mittels eines Drehachsantriebes 15 um die Achse des Stutzens 6 gedreht
werden kann.
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Die
Robotersteuerung 14 ist direkt mit einem Auswertegerät 2 verbunden,
wobei in letzterem die dort gespeicherten Daten der Bauteilgeometrie 25 hier
mit denen der in definierter Schrittwerte ermittelten Daten der
Ultraschall-Messung- aus einer Ultraschall-Verarbeitungseinheit 3 geliefert-
zusammenfließen.
Die über
einen Schallweg 9 und dem Ultraschall-Prüfkopf 10 aufgenommenen
analogen Ultraschall-Signale gelangen in einen A-D-Wandler 3.1 zur
Digitalisierung und können
in einer nachgeordneten Klassifizierung 3.2 so aufbereitet
werden, dass in einem Verknüpfungsmodul 2.2 des
Auswertegerätes 2 über die
Koordinatentransformation 2.1 eine über das mit der Anordnung realisierbare
Verfahren eine zeitparallele Aussage zum Standort der Prüfung am Bauteil
bzw. an der Schweißnaht 7 dokumentierbar ist.
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Der
Aufbau des Prüfbildes
ist in seiner schrittweisen Entwicklung in einer Visualisierungseinheit 11 als
Computergrafik 19 optisch darstellbar, wobei grafische
Elemente aus einer Grafikdatenbank 23, z. B. in Kugelform,
eine oder mehrere Nahtunregelmäßigkeit(en) 24 verkörpert(-en).
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Im
Fall der Ein- und Auskopplung des Ultraschalls mit einem Ultraschall-Prüfkopf 10,
in welchem der Ultraschall-Sender und der Ultraschall-Empfänger in
kompakter Bauform vereinigt ist, sollten die Ultraschall-Signale
im Winkel von 90° zur
Schweißnaht auftreffen.
Bei einer Trennung zwischen dem Ultraschall-Sendekopf 22 und
dem Ultraschall-Empfängskopf 23 gemäß 4 ist
diese Bedingung nicht zwingend erforderlich.
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Der
gemäß der Blockbilddarstellung
nach 2 dargestellte Verfahrensablauf zeigt die Ein- und
Auskopplung des Ultraschalls in einer kompakten Anordnung des Ultraschall-Prüfkopfes 10,
sodaß die
Abtastung der nadel- oder fingerförmigen Schweißnaht 7 im
Winkel von 90° erfolgt
und der Schallweg 9 zwischen Ein- und Auskopplung nicht verschieden
ist. Die empfangenen Ultraschall-Signale werden der Ultraschall-Verarbeitungseinheit 3 zugeführt und
dort in 2 Stufen mittels des A-D-Wandlers 3.1 und der Klassifizierung 3.2 digitalisiert
und entsprechend eines festgelegten Prüfmodus klassifiziert, wobei
auch während
des Prüfens
ggf. andere Teilklassifizierungen gewählt werden können, und anschließend in
das Auswertgerät 2 gespeist.
Im Auswertegerät 2 fließen auch
die offline ermittelten Werte der aktuellen Bauteilgeometrie 25 als
Ausgangswerte ein, sodaß über diese,
den Daten der Robotersteuerung 14 und den ermittelten Daten
der Klassifizierung 3.2 im Verknüpfungsmodul 2.2 des Auswertegerätes 2 in
Rück- und
Vorwärtstransformation
zeitparallel und damit online die Computergrafik 19 über die
Visualisierungseinheit 11 abgebildet wird. Es entsteht
ein räumliches
Modell der Schweißnahtprüfung, indem
anhand der Bauteilgeometrie 25 und den ermittelten Raumkoordinaten
gemäß 5 die Nahtunregelmäßigkeiten 24 mit
Hilfe grafischer Elemente, z. B. in Kugelform, dargestellt werden.