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Die
vorliegende Erfindung betrifft die zerstörungsfreie physikalische Prüfung und
insbesondere entsprechende Vorrichtungen und Verfahren zur Ultraschallprüfung.
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Das
Widerstandspunktschweißen
(RSW, engl.: resistance spot welding) wird für die Herstellung von Metallplatten-Baueinheiten
verwendet. Der Prozess wird verwendet, um Komponenten aus kohlenstoffarmem
Stahl zu verbinden, indem ein Potential über zwei Elektroden, die mit
entsprechenden Komponenten verbunden sind, angelegt wird. Hochfester,
schwach legierter Stahl, Edelstahl, Nickel, Aluminium, Titan und
Kupferlegierungen werden ebenfalls häufig punktgeschweißt. RSW
wird in einer Vielzahl von Anwendungen, die in der Kraftfahrzeugtechnik
das Schweißen
der Karosserien und der Fahrgestelle von Kraftfahrzeugen, Lastkraftwagen,
Anhängern,
Bussen, Wohnwagen, Wohnmobilen und Freizeitfahrzeugen enthalten
sowie für
das Verbinden von Gestellen, Büromöbeln, Lagerhauseinrichtungen und
für viele
weitere Produkte verwendet.
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Das
Widerstandspunktschweißen
kann bei hohen Geschwindigkeiten ausgeführt werden und ist insbesondere
nützlich
für automatisierte
Produktionsanlagen mit hohen Taktraten. Infolge der Komplexität des zu
Grunde liegenden Prozesses erzeugt das RSW jedoch möglicherweise
eine uneinheitliche Schweißqualität. Frühere Verfahren
der Qua litätskontrollprüfung lagen
traditionell auf dem Gebiet der zerstörenden Prüfung, um die Integrität des Schweißens physikalisch
zu untersuchen. Eine derartige zerstörende Prüfung zerstört das Werkstück vollständig und
verschwendet sowohl Ressourcen als auch Materialien, insbesondere
bei umfangreichen Produktionsoperationen. Aufbruch- oder "Meißel"-prüfungen,
die das Metall deformieren, werden außerdem verwendet. Obwohl die
zerstörungsfreie
Ultraschallprüfung
des RSW bekannt ist, ist sie bisher infolge der Notwendigkeit von
gut ausgebildetem Bedienpersonal, der manuellen Geschicklichkeit,
der Zuverlässigkeit
von Schweißmaterialien
und der Kosten ohne großen
Erfolg verwendet worden.
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Die
Sicherstellung der Schweißqualität war und
bleibt deswegen eine wesentliche Herausforderung und Hauptziel.
Es gibt einen Bedarf an einer Ultraschall-Prüfvorrichtung, die ein schnelles,
zuverlässiges
und hochwertiges Verfahren zum Prüfen von kleinen Zielflächen gewährleistet,
das weder unerschwinglich teuer noch vom Bedienpersonal abhängig ist.
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Die
vorliegende Erfindung sieht eine Ultraschall-Prüfbaueinheit vor, die einen
Ultraschallwandler umfasst, der an einem Gestell montiert ist. Die Baueinheit
umfasst eine Trägerstruktur
mit einem proximalen Ende, das an das Gestell angrenzt, und einem
Anschlussende, das dem Gestell gegenüberliegt, wobei die Trägerstruktur
einen Innenraum definiert, der mit einem Medium gefüllt ist,
das Ultraschallwellen überträgt. Das
Gestell und das proximale Ende der Trägerstruktur sind miteinander
gekoppelt. Der Wandler ist so ausgerichtet, dass er Ultraschallwellen
durch das Medium überträgt. Die
Baueinheit umfasst einen Antriebsmechanismus zum Drehen des Gestells
relativ zu der Trägerstruktur oder
der Trägerstruktur
relativ zu dem Gestell.
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Alternative
bevorzugte Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung umfassen eine Ultraschall-Prüfbaueinheit
zum Prüfen
von Widerstandspunktschweißungen,
die einen Hochfrequenz-Ultraschallwandler in linearer Phased-Array-Anordnung (engl.:
high frequency linear phased array ultrasonic transducer) umfasst,
der an ein Gestell montiert ist. Die Baueinheit umfasst eine Trägerstruktur
mit einem proximalen Ende, das an das Gestell angrenzt, und einem
Anschlussende, das dem Gestell gegenüberliegt und mit einem Zielobjekt
der Widerstandspunktschweißung
in Kontakt ist. Die Trägerstruktur
definiert einen Innenraum, der mit einem Medium, das Ultraschallwellen überträgt, gefüllt ist.
Der Wandler ist so angeordnet, dass er Ultraschallwellen durch das
Medium auf den Zielschweißpunkt
richtet. Das Gestell und das proximale Ende der Trägerstruktur sind
miteinander gekoppelt. Die Baueinheit umfasst außerdem einen Antriebsmechanismus,
um das Gestell relativ zu der Trägerstruktur
drehen.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst ferner ein Verfahren zur zerstörungsfreien
Ultraschallprüfung, das
die Positionierung einer Ultraschall-Erfassungsbaueinheit über einem
Zielobjekt, das Kontaktieren des Anschlussendes der Erfassungsbaueinheit
mit einer Oberfläche
des Zielobjekts, das Aktivieren eines Ultraschallwandlers, um Ultraschallwellen
durch das proximale Ende zu dem Zielobjekt zu übertragen, das Registrieren
von Ultraschallwellen, die von dem Zielobjekt zu dem Wandler reflektiert
werden, und das Bewegen des Wandlers relativ zu dem proximalen Ende,
um den Wandler neu zu positionieren, umfasst.
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Weitere
Bereiche der Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung werden aus
der genauen Beschreibung, die anschließend gegeben wird, deutlich. Es
sollte klar sein, dass die genaue Beschreibung und die speziellen
Beispiele, die die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben,
lediglich für Zwecke
der Erläuterung
dienen sollen und nicht vorgesehen sind, um den Umfang der Erfindung
einzuschränken.
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Die
Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen
beschrieben; in diesen zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung mit einer Konfiguration mit horizontaler Abdichtung und
einer Öffnung
an einer Anschlussfläche zum
ununterbrochenen Benetzen eines Zielobjekts mit einem Koppelmedium;
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2 eine
genaue schematische Teilansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung mit einer Konfiguration mit horizontaler
Abdichtung und einer undurchlässigen Membran
an einer Anschlussfläche;
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3 eine
schematische teilweise Draufsicht der in 2 gezeigten
Ausführungsform
ist; und
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4 eine
genaue schematische Teilansicht einer alternativen bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung mit einer Konfiguration mit vertikaler
Abdichtung ist.
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Die
folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform bzw. der bevorzugten
Ausführungsformen
ist lediglich beispielhaft und soll die Erfindung, ihre Anwendung
oder Verwendungsarten in keiner weise einschränken.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die zerstörungsfreie Ultraschallprüfung zum
Prüfen
von Eigenschaften fester Oberflächen
oder Ziel oberflächen einschließlich eines
Verfahrens zum Prüfen
sowie eine Prüfbaueinheit.
Die Erfindung betrifft insbesondere gut geeignet für das zerstörungsfreie
Prüfen
der Integrität
von Widerstandspunktschweißungen.
Bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sehen eine Baueinheit für die Ultraschalldiagnose
oder Ultraschallprüfung
vor, die ein Gestell umfasst, das über einer Trägerstruktur
positioniert ist. Die Trägerstruktur
besitzt einen Innenraum, der mit einem Medium gefüllt ist,
das Ultraschallwellen übertragen
kann (d. h. ein Koppelmedium), das z. B. Wasser ist. Ein Ultraschallwandler
ist so an dem Gestell angebracht, dass er einem proximalen Ende
der Trägerstruktur
gegenüberliegt,
und ist so ausgerichtet, dass er Ultraschallwellen durch das Medium überträgt. Ein
gegenüberliegendes
Anschlussende der Trägerstruktur
ist nahe an einem Zielobjekt positioniert (und berührt dieses
vorzugsweise), das geprüft werden
soll, indem es den ausgesendeten Ultraschallwellen ausgesetzt wird.
Das Gestell und die Trägerstruktur
sind durch eine Kupplung, wie etwa ein Haltering oder eine oder
mehrere Befestigungseinrichtungen, miteinander verbunden. Ein Antriebsmechanismus
dreht das Gestell oder die Trägerstruktur
relativ zu dem jeweils anderen von Gestell und Trägerstruktur.
In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen
dreht sich das Gestell relativ zu der Trägerstruktur. Bei den Anwendungen,
bei denen das Zielobjekt eine Widerstandspunktschweißung ist,
ist der Ultraschallwandler vorzugsweise ein Hochfrequenz-Ultraschallwandler
mit linearer Phased-Array-Anordnung. Bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden genauer beschrieben.
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Mehrere
Techniken der Abtastung und der Bildanzeige sind im Allgemeinen
für die
Ultraschallprüfung
Standard geworden. Diese enthalten die "A-Abtastung" ("A-scan"), bei der ein fokussierter Strahl
oder ein "stiftförmiger" Strahl auf das interessierende
Objekt gerichtet wird. Die reflektierte Energie, d. h. "Echos" werden erfasst und
durch eine "Spur" angezeigt, die die
Amplitude des empfangenen Energiesignals auf der vertikalen Achse
und die Zeit nach der Aussendung auf der horizontalen Achse darstellt,
so dass der Abstand der Merkmale in der Spur von einem Rand der
Anzeige die relative Tiefe der reflektierenden Schnittstellen angibt.
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Strukturelle
Informationen über
das zu prüfende
Material können
erhalten werden, indem A-Abtastungen bei einer Reihe von nahe beieinander
liegenden Punkten gesammelt werden und diese zum Bilden einer B-Abtastung
kombiniert werden, wobei ein zweidimensionales Bild, d. h. ein Bild
einer in Querrichtung geschnittenen "Scheibe" gebildet wird. Ein lang gestreckter
Mehrelement-Wandler wird gewöhnlich
verwendet, um eine Reihe von parallelen "stiftförmigen" Strahlen zu erzeugen, die durch nacheinander
angewendete Techniken der Adressierung, der stufenweisen Abstimmung
oder der physikalischen Steuerung fokussiert werden. "Linien", die der Energie
entsprechen, die von den Elementen längs des Weges der aufeinander
folgenden stiftförmigen Strahlen
reflektiert wird, werden nebeneinander angezeigt, wobei sich die
Helligkeit der Anzeige in Reaktion auf die Stärke des reflektierten Signals ändert. Die
erzeugten Bilder entsprechen jeweils einer Schnittansicht oder einer
zweidimensionalen "Scheibe", die sich in das
darzustellenden Objekt erstreckt.
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Die
Ultraschall-Bilderzeugung erzeugt meist eine möglichst dünne Querschnitts-"Scheibe" durch das Zielobjekt,
das von Interesse ist. Die Dicke der Scheibe begrenzt die Auflösung des
Bildes. Techniken der Ultraschallbilddarstellung durch "B-Abtastung" können weiter
verbessert werden, indem ein Bereich abgetastet wird, um genug Bilder
zum Erzeugen eines dreidimensionalen Bildes zu sammeln. Vorzugsweise
werden mehrere unterschiedliche Positionen der Querschnitte oder
der Scheiben verwendet, um ein umfassendes dreidimensionales Bild
zu erzeugen.
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Die
Elemente oder die einzelnen Wandler in einer Anordnung sind so angeordnet,
dass Ultraschallenergie in einem im Allgemeinen divergierenden,
keilförmigen
Muster ausgesendet wird, so dass jeder vorgegebene Bereich des zu
prüfenden
Objekts mit Energie von Elementen in jeder der Anordnungen "beleuchtet" wird. Die Wandlerelemente
sind typischerweise aus einem piezoelektrischen Material gebildet
und sind so konfiguriert und werden so betrieben, dass sie einen
Strahl Ultraschallenergie mit gewünschter Strahlform aussenden,
wenn sie durch geeignete elektrische Hochfrequenzsignale angeregt werden.
Die gleichen Elemente (oder benachbarte Elemente aus einem im Allgemeinen ähnlichen
Material und mit ähnlicher
Konfiguration) liefern elektrische Signale in Reaktion auf die Erfassung
von Echos in Reaktion auf die Erfassung der Ultraschallenergie nach
der Reflexion an Grenzflächen
zwischen Materialien mit unterschiedlicher Schallimpedanz in einem
Objekt, dessen Struktur dargestellt werden soll.
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Ein
beliebiger Ultraschallwandler kann bei der vorliegenden Erfindung
verwendet werden. In bevorzugten Ausführungsformen ist ein Wandler
mit linearer Phased-Array-Anordnung als Ultraschallwandler ausgewählt. Derartige
Ultraschallwandler mit geradliniger gestaffelter Anordnung erzeugen
lediglich eine Abtastung einer einzelnen Scheibe des Zielobjekts.
Für eine
erfolgreiche Prüfung
muss die Baueinheit des Ultraschallwandlers mit linearer Anordnung
mechanisch verschoben werden, um einen Zielbereich ausreichend abzutasten
und abzudecken. Ferner wird dann, wenn die in einem Zielbereich
zu erfassenden Merkmale verhältnismäßig klein
sind, eine bessere Bilddarstellung durch Ultraschallwandler mit
höherer
Frequenz erreicht. Bei der Optimierung des Entwurfs von Baueinheiten,
die derartige lineare Phased-Array-Anordnungen enthalten, sollen
diese möglichst
klein, leicht, robust und abdichtbar herge stellt werden. In besonders
bevorzugten Ausführungsformen,
bei denen die Prüfung
für Widerstandspunktschweißungen ausgeführt wird, nimmt
das bevorzugte Verfahren der Abtastung eine Reihe von linearen Abtastungen
oder Scheiben an mehreren Positionen unter unterschiedlichen Drehwinkeln
mit einem Hochfrequenz-Ultraschallwandler mit linearer Phased-Array-Anordnung
auf. Früher
erfolgte eine derartige Abtastung lediglich translatorisch längs einer
Achse, die senkrecht zu der Anordnungsachse und parallel zu der
zu prüfenden
Oberfläche
verläuft.
Ein bevorzugter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Möglichkeit,
die Wandleranordnung zu drehen, während die restlichen Teile
der Baueinheit (d. h. die Trägerstruktur)
feststehend bleiben, ohne die Notwendigkeit einer physikalischen Verschiebung
in mehreren Richtungen, wie später
erläutert
wird.
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Eine
Ultraschall-Prüfbaueinheit 20 gemäß der vorliegenden
Erfindung ist in 1 gezeigt. Die Baueinheit 20 umfasst
eine Trägerstruktur 22,
die durch einen Innenraum 24 definiert ist. Ein Gestell 26 ist über der
Trägerstruktur 22 positioniert.
Ein Ultraschallwandler 30 mit linearer Phased-Array-Anordnung
ist an dem Gestell 26 angebracht. Die Trägerstruktur 22 besitzt
ein proximales Ende 32 und ein Anschlussende 34.
Das proximale Ende 32 befindet sich angrenzend an das Gestell 26 und
das Anschlussende 34 befindet sich angrenzend an eine Oberfläche eines
Zielobjekts 38, das durch die Ultraschallbaueinheit 20 geprüft und/oder
untersucht werden soll. Die Trägerstruktur 22 definiert
einen offenen Innenraum 24. Der Hohlraum des Innenraums 24 wird
von einer (nicht gezeigten) Quelle des Koppelmediums vollständig gefüllt, das
die Ausbreitung von Ultraschallwellen unterstützt, ohne den Betrieb des Ultraschallwandlers 30,
der an dem Gestell 26 angebracht ist, unzulässig zu
stören.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
ist eine Konfiguration mit horizontaler Abdichtung gezeigt. Das
proximale Ende 32 der Trägerstruktur 22 endet in
einer Umfangslippe oder einem Umfangskranz 40 mit einer
oberen horizontalen Oberfläche 42,
die das Gestell 26 berührt.
Das Gestell 26 umfasst eine Dichtflanschplatte 44,
die den Kranz 40 berührt
und vorzugsweise einen flüssigkeitsdichten
Kontakt mit dem Kranz 40 schafft, um zwischen ihnen eine
Flüssigkeitsverbindung
zu verhindern.
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Die
Trägerstruktur 22 und
das Gestell 26 sind durch eine Kupplung miteinander verbunden,
die für die
vorliegende Erfindung geeignet ist, wie einem Fachmann bekannt ist.
Wie gezeigt ist, umfasst die Kupplung einen Haltering 50,
der längs
des Umfangs des Flansches 44 des Gestells 26 und
des Kranzes 40 der Trägerstruktur 22 anliegt.
Befestigungseinrichtungen, wie etwa (gezeigte) Schrauben 52 oder
Niete, können
den Haltering 50 zusätzlich
an dem Kranz 40 befestigen. Das Gestell 26 umfasst
ferner den Ultraschallwandler 30, der durch ein Vergussmaterial 54 an
dem Flansch 44 befestigt ist. Ein innerer Umfang 58 des
Halterings 50 umfasst einen Zahnkranz 60. Ein
Antriebsmechanismus, wie etwa ein Antriebsmotor 62, ist
an einem Ritzel 64 befestigt, das sich in dem Zahnkranz 60 dreht,
um eine rotatorische Verschiebung des Gestells 26 relativ
zu einer feststehenden Trägerstruktur 22 zu
schaffen.
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Ein
Speisekabel 68 ist gezeigt, das an dem Gestell 26 befestigt
ist. Das Speisekabel 68 enthält eine elektrische Leitung 70,
die eine Leistungsversorgung 72 mit dem Wandler 30 und
mit dem Antriebsmotor 62 verbindet. Das Speisekabel 68 kann
außerdem
eine Koppelmedium-Zufuhrleitung 74 enthalten, die mit einer
Koppelmedium-Versorgungsquelle 76 verbunden ist, wenn das
Koppelmedium in dem Innenraum 24 der Trägerstruktur 22 nachgefüllt werden muss,
wie später
genauer erläutert
wird.
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Am
Anschlussende 34 der Trägerstruktur 22 sind
an einer Anschlussfläche 82 der
Trägerstruktur 22 Trägerschenkel 80 angeordnet.
Die Trägerschenkel 80 positionieren
die Baueinheit 20 und hängen diese über der
Zieloberfläche 38 auf
und schützen die
Oberfläche 38 und
die Baueinheit 20 von möglichen
Beschädigungen.
Die Anschlussfläche 82 der Trägerstruktur 22 am
Anschlussende 34 umfasst vorzugsweise wenigstens teilweise
ein flexibles oder elastisches Material, das vorstehen kann, wenn
es dem Druck ausgesetzt ist, der von dem Koppelmedium in dem Innenraum 24 der
Trägerstruktur 22 ausgeübt wird.
Somit steht in bevorzugten Ausführungsformen
die Anschlussfläche 82 in
dem Umfang vor, dass sie die Zieloberfläche 38 berührt und
eine verbesserte Grenzfläche
zum Prüfen
des Zielobjekts mit Ultraschallwellen schafft.
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Eine
genauere Ansicht einer alternativen bevorzugten Ausführungsform
ist in 2 gezeigt. Das Gestell 26 ist an dem
proximalen Ende 32 über
der Trägerstruktur 22 positioniert
und umfasst den Flansch 44, an dem der Ultraschallwandler 30 mit
linearer Phased-Array-Anordnung angebracht ist. Der Wandler 30 umfasst
mehrere Elemente 90 und ist an dem Flansch 44 durch
das Vergussmaterial 54 befestigt, das eine feste Flüssigkeitsdichtung
schafft, die dazu dient, den Wandler 30 an der gewünschten
Stelle zu positionieren und zu befestigen. In bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ist der Wandler 30 mit dem in
dem Innenraum 24 befindlichen Koppelmedium in direktem
Kontakt. Der Flansch 44 berührt die obere horizontale Oberfläche 42 des
Kranzes 40 der Trägerstruktur 22.
In bevorzugten Ausführungsformen
ist zwischen dem Gestell 26 und der Trägerstruktur 22 eine
flüssigkeitsdichte Dichtung
ausgebildet. In der gezeigten Ausführungsform besitzt der Kranzabschnitt 40 der
Trägerstruktur 22 einen
kreisförmigen
hohlen Kanal, der in dem gesamten Kranz 40 umläuft und
in dem ein unterer O-Ring 92 ange ordnet ist, der eine Flüssigkeitsverbindung
zwischen dem Innenraum 24 der Trägerstruktur 22 durch
den Flansch 44 zu der Umgebung der Baueinheit 20 verhindert.
Bei der vorliegenden Erfindung ist jedoch jede Konfiguration von
Dichtungen vorstellbar, die eine Flüssigkeitsverbindung zwischen
dem Innenraum 24 und der Umgebung der Baueinheit 20 verhindert.
Die Anzahl und die Konfiguration von Dichtungen hängt von
dem Typ des bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Koppelmediums
ab und kann variieren, wie durch einen Fachmann erkannt wird.
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Der
Innenraum 24 der Trägerstruktur 22 besitzt
vorzugsweise eine kegelstumpfartige zylindrische Form, um den Wandler 30 mit
gestaffelter Anordnung an dem proximalen Ende 32 aufzunehmen, während der
Abstand und die Form von Ultraschallstrahlen, die von dem Wandler 30 ausgesendet
werden, optimiert werden. Der größere Umfang
an dem proximalen Ende 32 stimmt mit der Größe des Wandlers 30 mit
gestaffelter Anordnung überein,
der im Allgemeinen die größte Komponente
in der Baueinheit 20 darstellt. Der kleinere Umfang der
Trägerstruktur 22 befindet
sich am Anschlussende 34 und ist optimal so klein wie möglich, damit
die Baueinheit 20 und die Anschlussfläche 82 für eine Prüfung in
enge, kleine und/oder schmale Bereiche navigiert werden können, während trotzdem
ein ausreichender Bereich der Anschlussfläche 82 für eine Verbindung
mit den Zielobjekten verbleibt. Der Abstand der Trägerstruktur 22,
gemessen von dem proximalen Ende 32 zu dem Anschlussende 24 stimmt
im Allgemeinen mit dem optimalen Abstand zwischen dem Wandler 30 und
dem Zielobjekt überein,
um diesen Abstand und die Größe der Vorrichtung
minimal zu machen, wobei der Strahl auf die Zielfläche 38 ausreichend
fokussiert wird.
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Die
Merkmale, die zum Festlegen des optimalen Abstands relevant sind,
sind einem Fachmann bekannt. Wenn der Gesamtabstand zu klein ist,
ist der Strahl sehr eng fokussiert und divergiert rasch. Der Bündelungsabstand
am Brennpunkt wird als "Arbeitsabstand" bezeichnet. Wenn
der Wassersäulen-Abstand
zu groß ist,
wird der Prüfkopf
sehr groß und
unhandlich und die Größe des Brennpunkts nimmt
zu. Ein Abstand zwischen etwa 15 mm und etwa 30 mm ist ein bevorzugter
Abstand für
die Wandler 30 in der Baueinheit 20 der vorliegenden
Erfindung. Im Idealfall muss der Arbeitsabstand bei allen Wandlern
wenigstens das Zweifache der maximalen Dicke des zu untersuchenden
Objekts betragen. Wenn die Ultraschalldämpfung verwendet wird, um die
Schweißung
zu bewerten, sollte der Arbeitsabstand wenigstens das Dreifache
der Schweißdicke betragen,
um wenigstens zwei Rückwandreflexionen zu
ermöglichen,
während
im Wesentlichen das gleiche Volumen durchlaufen wird.
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Die
Länge der
Anordnung und somit der Durchmesser der Vorrichtung sollten ausreichend groß sein,
damit Untersuchungsmaterial außerhalb der
Schweißlinse
eingeschlossen ist. Das schafft Referenzbereiche außerhalb
des geschweißten
Materials, um eine geeignete Sondenausrichtung sicherzustellen.
Ein zusätzlicher
Bereich ist außerdem
für eine
Strahlerzeugung der aus mehreren Elementen bestehenden gestaffelten
Anordnung erforderlich. Um eine Länge von wenigstens 20 mm abzudecken, liegt
die Gesamtgröße des Wandlers
im Allgemeinen bei etwa 25 mm am proximalen Ende 32 der
Trägerstruktur 22.
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Die
Konstruktionswerkstoffe der Trägerstruktur 22 können entweder
lichtundurchlässige
oder lichtdurchlässige
Materialien enthalten. Lichtdurchlässige Werkstoffe können bei
Bedarf Vorteile bei der Positionierung der Baueinheit 20 über der
Zielfläche 38 schaffen.
Jeder haltbare Konstruktionswerkstoff, der mit dem in dem Innenraum 24 enthaltenen
Koppelmedium chemisch kompatibel ist, kann verwendet werden. Bevorzugte
Werkstoffe enthalten Edelstahl, Messing oder leichte Kunststoffe, wie
etwa Acryle, Polyester, Epoxide, Polycarbonate, Polystyrene, Polypropylene,
Nylon und dergleichen. Konstruktionswerkstoffe für den Flansch 44 des
Gestells 26 können
außerdem
alle Werkstoffe sein, die mit dem ausgewählten Koppelmedium kompatibel
sind und sind vorzugsweise leichte Werkstoffe, wie etwa die für die Trägerstruktur 22 verwendeten
Kunststoffe.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist es vorzuziehen, die Größe und das Gewicht der Ultraschallprüf-Baueinheit 20 minimal
zu machen, während
die Qualität
der erzeugten dreidimensionalen Bilder optimiert wird. Verschiedene
Faktoren werden verwendet, um den Aufbau der Baueinheit 20,
der sich um die Auswahl des Wandlers 30 dreht, zu optimieren.
Diese Faktoren, die bei der Auswahl des Ultraschallwandlers 30 berücksichtigt
werden, enthalten: die Kosten, die Ultraschallfrequenz des Wandlers 30,
der Abstand des Wandlers 30 zur Oberfläche 38, die Gesamtanzahl
der Wandlerelemente 90, der Abstand zwischen den Elementen 90,
die Anzahl von Elementen 90, die gleichzeitig aktiviert
werden, die seitliche Abmessung der Elemente 90 und die
Verwendung einer zylindrischen Linse.
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Wie
einem Fachmann bekannt ist, bestimmen die Breite der Anordnung und
zusätzliche
Fokussierungseinrichtungen die Dicke jeder Bildscheibe. Zur Einfachheit
und Kosteneinsparung enthält eine
bevorzugte Ausführungsform
eine eindimensionale (lineare) Anordnung von Elementen mit einer seitlichen
Abmessung von etwa 4 mm, wobei eine zylindrische Linse über der
Anordnung angeordnet ist, wobei die Achse der Linse längs der
Abtastachse der linearen Anordnung verläuft. In alternativen bevorzugten
Ausführungsformen
könnte
eine derartige Fokussierung des Strahls des Ultraschallwandlers
außerdem
durch die Verwendung einer zweidimensionalen Anordnung mit lediglich
drei Reihen aus Elementen realisiert werden, wobei die äußeren Reihen stufenweise
eingestellt sind, um den Strahl zu fokussieren. Andere Anordnungen
(mit oder ohne Linsen) sind außerdem
für die
Verwendung bei der vorliegenden Erfindung geeignet. Es ist vorzuziehen,
einen verhältnismäßig engen
Brennpunktbereich zu erzeugen, der durch mehrere Reflexionen in
dem Zielobjekt gebündelt
ist, was einen verhältnismäßig gleichförmigen Abtastbereich
für jeden
Brennpunktbereich erzeugt. Typische Widerstandspunktschweißlinsen liegen
im Bereich von etwa 3,5 mm bis 6,5 mm, wobei die Bleche eine Dicke
zwischen etwa 0,6 mm und 4,0 mm aufweisen. Für diese Durchmessermessung
ist lediglich eine mittlere Auflösung
erforderlich, etwa 15 % der minimalen erwarteten Größe. In diesem
Fall sollte die Anordnung in der Lage sein, einen Bereich von etwa
20 mm abzutasten und eine Tiefenauflösung von etwa 15 % der minimalen
Blechdicke (z. B. 0,1 mm) besitzen. Für Stahl sollte deswegen der Wandler 30 eine
Frequenz zwischen 15 und 30 MHz besitzen (d. h. Hochfrequenz-Ultraschallwellen),
um die benötigte
räumliche
Tiefenauflösung
zu erreichen.
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Deswegen
ist ein bevorzugter Ultraschallwandler, der für eine Verwendung bei der Ultraschall-Bilderzeugung
von Widerstandspunktschweißnähten geeignet
ist, eine geradlinige gestaffelte Hochfrequenz-Anordnung mit einer Frequenz zwischen
etwa 15 und 30 MHz oder größer. Eine
Frequenz, die größer als
etwa 17 MHz ist, ist besonders bevorzugt. Eine bevorzugte Wandleranordnung 30 zur
Verwendung bei der vorliegenden Erfindung besitzt wenigstens 64
Elemente bei einer Schrittweite von 0,3 mm, wobei jedes Element
eine Länge
von 3 mm und eine zylindrische Linse (die im Allgemeinen bevorzugt
ist) aufweist, wie etwa die geradlinigen gestaffelten Hochfrequenz-Anordnungen,
die mit Steuereinheiten kommerziell verfügbar sind, wie etwa die Steuereinheit
Omnisan mit PA-Sonden
oder die Steuereinheit TomoScan mit PA-Sonden, die beide von R/D
Tech, Quebec, Kanada zur Verfügung
stehen. Der Strahl besitzt bei einem Arbeitsabstand von 25 mm gute
Eigenschaften und deswegen besitzt die Trägerstruktur eine Länge von
25 mm, die diesem Arbeitsabstand entspricht. Obwohl die oben genannten Hochfrequenz-Ultraschallwandler
mit linearer Phased-Array-Anordnung nicht auf die Anwendbarkeit
bei der vorliegenden Erfindung beschränkt sind, ist ermittelt worden,
dass die oben genannten Beispiele die Größe, das Gewicht und die Kosten
optimieren, wenn die Baueinheit kleine Zielobjekte prüft, wie
etwa Widerstandspunktschweißstellen.
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Wie
oben erläutert
wurde, ist der Innenraum 24 der Trägerstruktur 22 vorzugsweise
mit einem Koppelmittel gefüllt,
das geeignet ist, Ultraschallwellen ohne Beeinträchtigungen oder Störungen zu übertragen.
Ultraschallwellen werden durch Luft stark gedämpft, es ist deswegen bevorzugt,
dass ein flüssiges
oder festes Koppelmedium zwischen dem Wandler 30 und dem
Zielbereich 38 angeordnet ist. Da die meisten festen Elastomere
ebenfalls hochfrequenten Ultraschall dämpfen, werden sie lediglich
als dünne
Membrane oder Diaphragmas verwendet. Feste Elastomer-Polymere, die
als Koppelmittel geeignet sind, sind weiche hydrophile Polymere
und Latexe. Wasserbasierte Gele, wie etwa Sol-Gele oder Polyacrylamid-Gele,
sind außerdem
geeignete Koppelmittel. Ein bevorzugtes Koppelmedium für die vorliegende
Erfindung ist flüssiges
Wasser. Die Auswahl der Koppelmedien hängt von der Auswahl der Dichtungskonfiguration
an der Anschlussfläche 82 und den
Abriebeigenschaften der zu untersuchenden Schweißstellen ab.
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Eine
Grenzfläche 100 zwischen
der Anschlussfläche 82 und
der Oberfläche 38 des
Zielobjekts kann in zwei alternativen bevorzugten Ausführungsformen
vorgesehen sein. In der ersten Konfiguration, die in 2 gezeigt
ist, ist eine Anschlussöffnung 102 an
dem Anschlussende 34 durch eine Membran 106 abgedichtet,
die aus einem flexiblen oder elasti schen Material aufgebaut ist.
Das Material der Membran 106 ist flexibel oder nachgiebig
und für Ultraschallwellen
durchlässig.
Ein bevorzugtes Membranenmaterial ist eine Latexmembran. Die Membran 106 verhindert
eine Flüssigkeitsverbindung
zwischen dem Innenraum und der Umgebung der Trägerstruktur 22. Es
sollte angemerkt werden, dass bei der vorliegenden Konfiguration
keine Notwendigkeit der ununterbrochenen Zufuhr von Koppelmedium
an die Baueinheit 20 während
des Betriebs besteht, wodurch die Notwendigkeit beseitigt ist, die
Baueinheit 20 über
eine Versorgungsleitung, die mit einer Versorgungsquelle verbunden
ist, anzuschließen
(74 verbunden mit 76 in 1). Das Koppelmedium kann statt
dessen bei Bedarf während
einer betriebsbedingten Ausfallzeit aufgefüllt werden.
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Die
Membran 106 steht infolge des Drucks, der durch das in
dem Innenraum 24 der Trägerstruktur 22 befindliche
Koppelmedium ausgeübt
wird, an der Anschlussfläche
vor. In bevorzugten Ausführungsformen,
bei denen eine Membran 106 an dem Anschlussende 34 angeordnet
ist, um die Anschlussöffnung 102 abzudichten,
steht die Anschlussfläche 82 in
dem Umfang vor, wie sie die Zieloberfläche 38 berührt und
schafft eine bessere Grenzfläche 100,
indem sie ein im Wesentlichen ununterbrochenes Koppelmedium zum
Prüfen
des Zielobjekts 38 mit Ultraschallwellen schafft. Es ist
außerdem
möglich,
ein zusätzliches
Koppelmedium außerhalb
der Membran 106 anzuwenden, um die Grenzfläche 100 während des
Betriebs bei Bedarf zu verbessern.
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In
einer zweiten bevorzugten Ausführungsform,
die in 1 gezeigt ist, ist eine Anschlussöffnung 102a in
einer offenen Konfiguration oder sie ist eine offene "Träufeleinrichtung", die in der Technik bekannt
ist. Das Koppelmittel wird langsam und ununterbrochen durch die
offene Anschlussöffnung 102,
die einen verhältnismäßig kleinen
Durchmesser besitzt, um die Koppelmittelströmung zu steuern und minimal
zu machen, auf die Zieloberfläche
geträufelt. Sei
einer derartigen Ausführungsform
sind Wasser oder andere flüssige
Koppelmittel wegen einer verhältnismäßig geringen
Viskosität,
die eine ununterbrochene Strömung
ermöglicht,
als Koppelmedium bevorzugt. Die Strömung von Wasser erzeugt eine Koppelmediumschicht 110 auf
der Zieloberfläche 38, die
die erforderliche Koppelmittel-Grenzfläche 100 mit der Anschlussfläche 38 erzeugt.
Die Anschlussöffnung 102 der
Träufeleinrichtung
kann in einer Membran aus ähnlichem
nachgiebigen und flexiblen Material hergestellt sein wie das oben
für die
Konfiguration mit der undurchlässigen
Membran beschriebene Material, wobei es eine Strömung des Koppelmediums aus
der Baueinheit 20 auf die Oberfläche 38 des Zielobjekts
ermöglicht.
Das Speisekabel 68, das an der Baueinheit 20 befestigt
ist, wie oben beschrieben wurde, füllt das Koppelmedium in dem
Innenraum 24 der Trägerstruktur 22 nach,
wenn die Träufeleinrichtung
in Betrieb ist, und wird in Verbindung mit einer (nicht gezeigten)
kleinen Versorgungspumpe betrieben. Die Öffnung 102a kann,
obwohl das nicht gezeigt ist, abgedichtet sein, wenn die Baueinheit 20 nicht
verwendet wird, indem das Anschlussende 34 und die Anschlussfläche 82 mit
einer vorübergehenden
undurchlässigen
Schicht, wie etwa eine Kunststoffkappe, bedeckt oder abgedichtet
wird, wie von einem Fachmann erkannt wird.
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Wie
in den 2 und 3 allgemein gezeigt ist, koppelt
der Haltering 50 das Gestell 26 mit der Trägerstruktur 22,
indem sie zusammengeklemmt werden. Der Haltering 50 umfasst
ferner den festen Zahnkranz 120 längs eines inneren Umfangs 122 des
Halterings 50, der mit dem Ritzel 64 in Eingriff
gelangt, das mit dem Antriebsmotor 62 verbunden ist, um
das Gestell 26 relativ zu der darunter liegenden Trägerstruktur 22 zu
drehen, wodurch eine Ultraschallabtastung an mehreren Drehpositionen
ermöglicht
wird. Das Ritzel 64 des Antriebsmotors 62 durchläuft den
fes ten Zahnkranz 120 an Umfangsseiten 124 des
Gestells 26 und ermöglicht
somit eine Rotationsbewegung. Obwohl nicht dargestellt, sollte angemerkt
werden, dass die vorliegende Erfindung gleichfalls bei einer Ausführungsform
anwendbar ist, bei der sich die Trägerstruktur 22 dreht,
während
das Gestell 26 feststehend ist. Bei einer derartigen Ausführungsform
würde der
Zahnkranz die darunter befindliche Trägerstruktur drehen, während sich
das Gestell mit dem Antriebsmotor drehfest wäre. Eine weitere Ausführungsform,
die nicht gezeigt ist, besteht darin, dass der Haltering ferner
eine Schutzkappe oder eine Abdeckung umfasst, die das gesamte Gestell 26 sowie
deren mehrere Komponenten umgibt. Eine kleine Öffnung würde den Eintritt des Speisekabels
ermöglichen.
Alternativ könnte
die Abdeckung an der Speiseleitung befestigt sein und einen kleinen
Spalt freilassen, damit sich das Gestell drehen kann.
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Die
Prüfanforderungen
für das
Zielobjekt 38 legen die Anzahl der erforderlichen schichtförmigen Abtastungen
fest. Bei der vorliegenden Erfindung kann der Wandler 30 z.
B. gedreht werden und beginnend bei 0°; 45°; 90° und schließlich bei 135° abtasten,
wobei er effektiv den gesamten kreisförmigen Bereich über dem
Zielobjekt abtastet. Gemäß der vorliegenden
Erfindung muss sich das Gestell 26 ferner lediglich um ±90° drehen,
um eine kreisförmige Spannweite
von insgesamt 180° zu
erreichen, während
sich der Wandler 30 über
den Durchmesser des Gestells 26 erstreckt und einen vollständigen 360°-Bereich
abdeckt. Das Gestell kann in einem beliebigen erforderlichen Umfang
gedreht werden, indem der Wandler 30 und das Gestell 26 dementsprechend
konfiguriert werden, es ist jedoch vorzuziehen, dass die Drehung
lediglich 180° beträgt, um einen kompakteren
Aufbau zu ermöglichen,
wenn sich der Wandler zum Umfang des Flansches 44 erstrecken kann.
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Der
Kranz 40 kann optional mehrere Laufbahnen 130 oder
Kanäle
für die
Aufnahme von Lagern, wie etwa Nadellager oder Lagerringe, aufweisen,
die eine verringerte Reibung erzeugen, wenn sich der Flansch 44 gegenüber dem
feststehenden Haltering 50 und dem Kranz 40 dreht.
Zusätzliche Laufbahnen
können
sich optional in dem Haltering 50 befinden, wie mit den
Bezugszeichen 94 und 96 angegeben ist, um zusätzliche
Lager aufzunehmen, wie etwa Kugel-, Nadel- oder Ringlager, um den
Verschleiß durch
Reibung weiter zu verringern. Die Lager dienen ferner dazu, die
Position des Motorkopfes 62 und des Ritzels 64 zu
zentrieren. Der Haltering 50 kann außerdem verschiedene Befestigungseinrichtungen
(52, siehe 1) aufweisen, die sich durch oder über den
Kranz 40 erstrecken, um den Haltering 50 an dem
Kranz 40 zu befestigen (siehe 1).
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Bei
einer alternativen bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden
Erfindung, die in 4 gezeigt ist, sind der Haltering 50a und
die Dichtungskonfiguration in einer vertikalen Ausrichtung im Vergleich
zu der horizontalen Konfiguration der vorherigen Ausführungsform.
Das Gestell 26a besitzt eine umfängliche vertikale Dichtkante 132 mit einem
darin befindlichen Kanal oder Nut, der bzw. die eine Dichtung 134 des
Typs O-Ring hält.
Die darunter befindliche Trägerstruktur 22a besitzt
eine übereinstimmende
vertikale kreisförmige
Innenfläche 136, die
den Dichtrand 132 des Gestells berührt, wenn das Gestell 26a und
die Trägerstruktur 22a gekoppelt sind.
Die O-Ring-Dichtung 134 bildet eine flüssigkeitsdichte Abdichtung
zwischen dem Gestell 26a und der Trägerstruktur 22a. Der äußere Umfang
des proximalen Endes 32 der Trägerstruktur 22 weist mehrere
darin ausgebildete Gewinde 138 auf. Der Haltering 50a besitzt
selbst eine innere Umfangsfläche 140,
die den feststehenden Zahnkranz umfasst. Ein unterer Umfangsbereich 142 des
Halterings 50a weist mehrere Gewinde 144 auf,
die an den mehreren Gewinden 138, die im inneren Umfang
der Trägerstruktur 22a ausgebildet
sind, in Eingriff gelan gen. Der Haltering 50a kann somit
mit der Trägerstruktur 22a durch
Gewinde verbunden oder auf diese geschraubt werden und klemmt das
Gestell 26a an der Trägerstruktur 22a fest,
wodurch diese aneinander befestigt werden. Die vorliegende Ausführungsform funktioniert
ansonsten in der gleichen Weise wie die zuvor beschriebenen Ausführungsformen.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zur zerstörungsfreien
Ultraschallprüfung eines
Zielobjekts. Das Verfahren umfasst das Positionieren einer Ultraschallerfassungsbaueinheit über die
Zieloberfläche.
Ein proximales Ende der Erfassungsbaueinheit ist mit der Zieloberfläche in Kontakt. Ein
Ultraschallwandler sendet Ultraschallwellen durch das proximale
Ende zu dem Zielobjekt. Die Ultraschallwellen, die von dem Zielobjekt
reflektiert werden, werden in dem Wandler registriert. Der Wandler
wird schließlich
verschoben, um den Wandler neu zu positionieren. An der neuen Position
wird eine weitere Abtastung in der gleichen Weise, die oben beschrieben
wurde, wiederholt. Dieses Verfahren kann mehrfach wiederholt werden,
um eine Vielzahl von Querschnitten durch B-Abtastung zu erzeugen,
die zusammengesetzt werden können,
um ein dreidimensionales Bild des Zielobjekts zu erzeugen.
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In
bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung umfasst das Verschieben das Drehen des
Wandlers relativ zu dem proximalen Ende, wobei das Drehen durch
einen Antriebsmechanismus ausgeführt
wird, um den Wandler in Drehrichtung neu zu positionieren. Außerdem umfasst
das Positionieren vorzugsweise das Positionieren des Wandlers relativ
zu einer ersten Fläche
des Zielobjekts. Der Wandler wird verschoben, um ihn zu einer zweiten
Fläche
des Zielobjekts, wobei die zweite Fläche von der ersten Fläche verschieden
ist, vorzugsweise in einer anderen Drehposition neu zu positionieren,
um die Vielzahl von Querschnittabtastungen zu erzeugen.
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In
bestimmten bevorzugten Ausführungsformen
des Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung wird das Verschieben des Wandlers ausgeführt, während der
Kontakt zwischen der Anschlussfläche der
Trägerstruktur
und dem Zielobjekt aufrechterhalten wird. In alternativen bevorzugten
Ausführungsformen
kann der Wandler, während
er verschoben wird, von der Zieloberfläche abgehoben werden. Nachdem der
Wandler an eine neue Position verschoben wurde, wird der Kontakt
zwischen dem Anschlussende und dem Zielobjekt wiederhergestellt.
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Die
Drehbewegung der vorliegenden Erfindung schafft mehrere Vorteile
gegenüber
der herkömmlichen
translatorischen Abtastung, die bei geradlinigen gestaffelten Anordnungen
verwendet wird. Die Baueinheit kann (um einen Faktor von etwa
) kompakter
sein, da sie die Notwendigkeit eliminiert, die Ecken eines rechteckigen
Bildes abzudecken, die im Allgemeinen keine nützlichen Informationen enthalten.
Zweitens verwenden die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung die direkte Drehbewegung eines Motors ohne die Notwendigkeit der
Umsetzung der Drehbewegung in eine geradlinige Bewegung (d. h. es
werden Mechanismen aus Kugel und Spindel bzw. Zahnstange und Ritzel
sowie Halteführungen
eliminiert). Ferner ist eine kreisförmige Baueinheit einfacher
abzudichten als rechteckig geformte Vorrichtungen. Ein weiterer
bevorzugter Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in der verbesserten
Ultraschallprüfung,
die die Abtastfläche bei
einer kompakten und robusten Baueinheit optimiert, um die Verwendung
der genauen zerstörungsfreien
Prüfung
für die
Qualitätskontrolle
zu ermöglichen.
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Zusammenfassend
betrifft die Erfindung eine Ultrascha11-Prüfbaueinheit mit einem Ultraschallwandler,
der an einem Gestell angebracht ist, unter dem sich eine Trägerstruktur
befindet. Die Trägerstruktur
ist mit dem Gestell gekoppelt und die Trägerstruktur weist einen Innenraum
auf, der mit einem Koppelmedium gefüllt ist. Der Wandler ist so
ausgerichtet, dass er Ultraschallwellen durch das Medium überträgt. Ein
Antriebsmechanismus dreht das Gestell oder die Trägerstruktur
relativ zu dem anderen von Gestell und Trägerstruktur.