DE102006027182A1

DE102006027182A1 - Verfahren zur ortsaufgelösten, zerstörungsfreien Werkstückuntersuchung

Info

Publication number: DE102006027182A1
Application number: DE102006027182A
Authority: DE
Inventors: Ludwig von Dr.-Phys. Bernus; Michael Prof. Dr. Kröning; Andrei Dr.-Ing. Boulavinov; Krishna Mohan Dipl.-Ing. Reddy; Olga Dipl.-Ing. Yastrebova; Vidyadhar Dr.-Phys. Kudalkar
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2006-05-02
Filing date: 2006-06-12
Publication date: 2007-11-08

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur ortsaufgelösten zerstörungsfreien Werkstückuntersuchung mittels wenigstens eines Messsensors, der über eine technische Oberfläche des zu untersuchenden Werkstückes geführt wird und innerhalb des Werkstückes vorhandene lokale Materialinhomogenitäten, lokale Materialungänzen und/oder lokale Materialgefüge in der Lage ist, zu detektieren. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass, ausgehend von einer Startposition, an der der wenigstens eine Messsensor auf der Oberfläche des Werkstückes positioniert und ein erster vom Messsensor erfassbarer Volumenbereich des Werkstückes detektiert wird, der durch ein erstes Messsignal repräsentiert wird durch Verschieben des Messsensors längs der Werkstückoberfläche in eine zweite Position einer Bewegungstrajektorie auf der Grundlage eines Vergleiches des ersten Messsignals mit einem an der zweiten Position erhaltenen zweiten Messsignal, das einen zweiten Volumenbereich repräsentiert, wobei sich der erste und zweite Volumenbereich zumindest teilweise überlappen, und dass anhand der Bewegungstrajektorie die Relativlage der zweiten Position relativ zur Startposition auf der Oberfläche des Werkstückes ermittelt wird.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur ortsaufgelösten zerstörungsfreien Werkstückuntersuchung mittels wenigstens eines Messsensors, der über eine technische Oberfläche des zu untersuchenden Werkstückes geführt wird und innerhalb des Werkstückes vorhandene lokale Materialinhomogenitäten, lokale Materialungänzen und/oder lokale Materialgefüge in der Lage ist zu detektieren.
Stand der Technik
Zur zerstörungsfreien Werkstückuntersuchung stehen eine Reihe unterschiedlicher Messverfahren zur Verfügung, wie beispielsweise Ultraschall-, Wirbelstrom- sowie Magnetfeldmessverfahren, bei denen ein geeignet konfektionierter Prüf- bzw. Messsensor auf der Oberfläche des zu untersuchenden Werkstückes verschoben wird, um ortsabhängige Informationen aus dem Volumeninneren des Werkstückes zu erhalten. Am Beispiel einer an sich bekannten Ultraschallprüfung soll die bisherige Untersuchungspraxis näher erläutert werden, die sich jedoch gleichfalls auch für andere Mess- bzw. Prüfverfahren übertragen lässt, in denen bspw. entsprechend ausgebildete Wirbelstrom- oder magnetische Sensoren zum Einsatz kommen.
So basiert das an sich bekannte Ultraschallwellenprüfverfahren auf dem Puls-Echo-Prinzip, bei dem Ultraschallwellenlaufzeiten gemessen werden, zwischen dem Ereignis der Ultraschallwelleneinkopplung über die Werkstückoberfläche und dem Ultraschallwellenempfang nach wenigstens einem einmaligen Reflexionsereignis innerhalb des zu untersuchenden Werkstückes. Die auf diese Weise erhaltenen, vom jeweiligen Einkoppelort des Ultraschallwandlers abhängigen Messsignale, man spricht in diesem Zusammenhang auch von Zeitsignalen oder A-Bildern, geben Aufschluß über das Reflexionsverhalten innerhalb des Werkstückes, jeweils in „Blickrichtung" des auf der Werkstückoberfläche aufsitzenden Ultraschallwandlers, den es gilt zur Erfassung möglichst des gesamten Volumens des Werkstückes längs der Werkstückoberfläche in geeigneter Weise zu verschieben. Um hierbei eine örtliche Zuordenbarkeit zwischen den einzelnen mit Hilfe des Ultraschallwandlers aufgenommenen Zeitmesssignalen und den auf der Werkstückoberfläche befindlichen Lagepunkten, an denen der Messsensor zur Messsignalaufnahme jeweils positioniert ist, herstellen zu können, bedarf es der zusätzlichen Lageinformation des Messsensors relativ zur Oberfläche des zu untersuchenden Werkstückes während der Messdurchführung.
Typischerweise wird hierzu der über die Oberfläche des zu untersuchenden Werkstückes zu verfahrende Messsensor mit Hilfe mechanischer Systeme bewegt, in denen Weggeber integriert sind, die die jeweilige Sensorposition zu messen in der Lage sind, wodurch letztlich eine ortsbezogene Messsignaldatenerfassung ermöglich wird. Diese erlaubt wiederum bildet die Grundlage für eine ortsaufgelöste Messdatenauswertung und bildhafte Darstellung der Prüf- bzw. Messergebnisse für den abgetasteten Bereich innerhalb des Werkstückes.
Bei handgeführten Prüfungen werden zur Positionsbestimmung des jeweils im Einsatz befindlichen Messsensors gleichfalls Weggebersysteme eingesetzt, mit denen eine ortsaufgelöste und letztlich bildhafte Darstellung der Messsignale erhalten werden kann, da im Beispiel der vorstehend zitierten Ultraschallprüfung selbst die übliche Bildrekonstruktion in Form von B-, C- und D-Bildern ausschließlich unter Kenntnis der jeweiligen Messsensorposition möglich ist.
Derartige Weggebersysteme bedürfen zumeist eines mit der Oberfläche des zu untersuchenden Werkstückes körperlichen Kontaktes, beispielsweise mittels eines Rollkörpers, der zu vergleichbarem Zweck auch in an sich bekannten Computermäusen mit integrierter Kugel eingesetzt wird. Derartige oder ähnliche Wegmesssysteme haben jedoch einen zusätzlichen Aufwand zur Folge, sowohl in konstruktiver als auch in finanzieller Hinsicht. Auch sind kontaktfreie Wegmesssysteme zur Erfassung der Lage eines manuell geführten Messsensors längs zur Oberfläche eines zu untersuchenden Werkstückes bekannt, bei denen der handgeführte Messsensor optisch mittels einer bildverarbeitenden Kameraeinheit oder mittels eines auf Radar- oder Infrarottechnik beruhenden Loggersystems räumlich erfaßt wird. Es liegt jedoch auf der Hand, dass die auch mit diesen Systemen verbundenen Kostenfaktoren einen beachtlich Anteil an den Gesamtaufwendungen derartiger Mess- bzw. Prüfsystems ausmachen. So entfallen typischerweise 70% der gesamten Systemkosten lediglich auf die Handhabungstechnik, die in vielen Fällen aufgrund des Platzbedarfes nicht oder nur problematisch einsetzbar ist. Dies mag auch der Grund dafür sein, dass sich bei der Durchführung manueller Prüftechniken, die typischerweise 70% aller Ultraschallprüfungen ausmachen, Weggebersysteme bzw. Systeme, die die Position des Messsensors zu orten vermögen, aufgrund praktischer Probleme nicht weiter durchsetzen können.
Darstellung der Erfindung
In vielen Fällen der Werkstoff- und Werkstückprüfung sind zur gesamtheitlichen Volumenerfassung des zu untersuchenden Werkstückes sowie für eine bildhafte Darstellung der Prüf- bzw. Messergebnisse für den jeweils abgetasteten bzw. abgerasterten Werkstückbereich Ortsinformationen erforderlich, mit denen die jeweiligen Messsignale aufzunehmen sind. Es besteht daher die Aufgabe, die Lageerfassung des jeweils eingesetzten Messsensors relativ zur Oberfläche des zu untersuchenden Werkstückes auf möglichst einfache und kostengünstige Weise zu realisieren. So gilt es bis anhin bekannte Weggebersysteme, die die Position von Messsensoren erfassen, durch kostengünstigere Lösungen zu ersetzen, die jedoch gleichfalls eine exakte Lageerfassung des jeweiligen Messsensors ermöglichen.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie den Erläuterungen unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Lösungsgemäß wird ein Verfahren zur ortsaufgelösten zerstörungsfreien Werkstückuntersuchung mittels wenigstens eines Messsensors, der über eine technische Oberfläche des zu untersuchenden Werkstückes geführt wird und innerhalb des Werkstückes vorhandene, lokale Materialinhomogenitäten, lokale Materialungänzen und/oder lokale Materialgefüge in der Lage zu detektieren ist, derart ausgebildet, dass ausgehend von einer Startposition, an der der wenigstens eine Messsensor auf der Oberfläche des Werkstückes positioniert und ein erster vom Messsensor erfaßbarer Volumenbereich des Werkstückes detektiert wird, der durch ein erstes Messsignal repräsentiert wird, durch Verschieben des Messsensors längs der Werkstückoberfläche in eine zweite Position, eine Bewegungstrajektorie auf der Grundlage eines Vergleiches des ersten Messsignals mit einem an der zweiten Position erhaltenen zweiten Messsignal, dass einen zweiten Volumenbereich repräsentiert, wobei sich der erste und zweite Volumenbereich zumindest teilweise überlappen, ermittelt wird. Durch die Ermittlung der Bewegungstrajektorie wird die räumliche Relativlage der zweiten Position auf der Werkstückoberfläche relativ zur Startposition ermittelt und somit eine relative Ortsinformation der einzelnen Messorte, an denen das Werkstück mit Hilfe des Messsensors untersucht werden, gewonnen.
Das lösungsgemäße Verfahren bedarf somit keinerlei Zusatzsysteme bzw. Zusatzsensoren, deren Aufgabe die Ortsbestimmung des im Einsatz befindlichen Messsensors ist, wie es beim Stand der Technik der Fall ist. Demgegenüber bedient sich das lösungsgemäße Verfahren den ohnehin zum Zwecke der Werkstückuntersuchung gewonnenen Messsignalen, die zusätzlich mittels geeigneter Algorithmen für Geometrieberechnungen ausgewertet werden. So ist es möglich, aufgrund einfacher trigonometrischer Beziehungen an der Oberfläche des Werkstückes vorgenommene Lageveränderungen des Messsensors auf der Grundlage unterschiedlicher Blickwinkelbetrachtungen wenigstens einer innerhalb des Werkstückes befindlichen Fehlstelle, beispielsweise in Form einer Materialinhomogenität oder Materialungänze, zu ermitteln.
Beispielsweise im Falle der Werkstückuntersuchung mittels Ultraschallmesstechnik werden die seitens eines Ultraschallwandlers ausgesandten Ultraschallwellen an einer beispielsweise durch Materialriss gebildeten Materialungänze zurück an den an der Oberfläche des Werkstückes aufsitzenden Ultraschallwandlers reflektiert. Anhand der veränderlichen Messsignale, die von ein und derselben Fehlstelle innerhalb des Werkstückes stammen und aus unterschiedlichen Positionen an der Werkstückoberfläche gewonnen werden, kann der Lageversatz zwischen den beiden Messpositionen an der Oberfläche des zu untersuchenden Werkstückes ermittelt werden. Durch Verwendung effizienter Rechnerstrukturen, beispielsweise in Form hochintegrierter Bauelemente sowie der Nutzung optimierter Berechnungsalgorithmen können die zur Werkstückuntersuchung gewonnenen Messsignale in nahezu Echtzeit, d.h. auch bei schneller Sensorbewegung hinsichtlich ihres Informationsinhaltes über Position und Positionsänderung ausgewertet werden. Die Ortsinformationen können gemeinsam mit den erfaßten Messsignalen abgespeichert und für eine nachträgliche Auswertung zur Verfügung gestellt werden.
So können bei der Werkstückuntersuchung mittels Ultraschallmesstechnik sogenannte Zeitsignale bzw. A-Bilder oder rekonstruierte Bilder, sogenannte C- bzw. Sektorbilder über schnelle Signalprozessoren zum Erhalt der erforderlichen Ortsinformationen ausgewertet werden. Hierfür dienen in erster Linie Reflexionsereignisse an diskreten Streuern innerhalb des Werkstückes, beispielsweise in Form von Fehlstellen, darüber hinaus ist jedoch auch das im Empfangssignal enthaltene akustische Rauschen zur Ortsbestimmung aufgrund der im Rauschen enthaltenen Ortsinformation möglich.
Das lösungsgemäße Verfahren läßt sich aufgrund der Messsystemunabhängigkeit sowohl auf zerstörungsfreie Werkstückuntersuchungen mittels Ultraschalltechnik als auch mittels Wirbelstrom- oder Magnetfeldmesstechnik anwenden. Für bestimmte Werkstoffgruppen kann das Verfahren auch auf Mikrowellenmesstechnik übertragen werden.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
1a, b schematisierte sowie experimentell ermittelte Querschnittsdarstellung durch ein Werkstück in einer ersten Position,
2a, b schematisierte sowie experimentell ermittelte Querschnittsdarstellung durch ein Werkstück in einer zweiten Position, sowie
3a, b experimentell ermittelte Zeitsignale an zwei unterschiedlichen Positionen eines Werkstückes.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
In 1a ist ein schematisierter Querschnitt durch ein Werkstück 1 dargestellt, in dem an verschiedenen Stellen lokale Materialinhomogenitäten 2 vorhanden sind. An der Oberfläche 3 des Werkstückes 1 ist ein Messsensor 4 in einer ersten Position X1 dargestellt. In dem in 1b gezeigten Sektorbild (C-Bild), sind die in 1a schematisiert dargestellten Fehlstellen in Form experimentell ermittelter Reflexereignisse ZB1 bis ZB4 gezeigt. Ferner zeichnen sich im Sektorbild gem. 1b die Rückwand R sowie eine Seitenkante K des durchschallten Werkstückes als bildlich darstellbare Messsignale ab.
Wird nun der Messsensor 4 längs der Oberfläche 3 des Werkstückes 1 verschoben in eine Position 2 gemäß Bilddarstellung in 2a, so verändert sich die Relativlage der einzelnen Fehlstellen 2 zum neupositionierten Messsensor 4. Das vom Messsensor 4 aufgenommene Sektorbild ist in 2b dargestellt. Aus dem Sektorbild gemäß 2b ist zu entnehmen, dass sämtliche Reflexbilder eine veränderte räumliche Lage zu dem in Position 2 befindlichen Messsensor einnehmen. So erfaßt beispielsweise der Messsensor 4 in Position 2 die Störstelle 1 (siehe ZB1) nicht mehr, wohingegen eine neue Störstelle ZB5 im Sektorbild gemäß Position 2 detektiert wird. Die bereits in Position 1 erfaßten Reflexereignisse ZB2 bis ZB4, die sich ebenfalls jedoch in veränderter Position im Sektorbild in Position 2 wiederfinden, dienen als Grundlage für die Berechnung der Lageposition des Messsensors 4 in Position 2.
Das in 1 und 2 dargestellte Messsignalbeispiel soll verdeutlichen, dass zur Positionsbestimmung des Messsensors ortsfeste, lokale innerhalb des Werkstückes vorhandene Reflektoren dienen. Gleichwohl ist es möglich, Ortsinformationen auch aus dem übrigen Rauschsignal mit optimierten Methoden der Bild- und Signalverarbeitung zu gewinnen. Hierzu sei auf die 3a und b hingewiesen, die ein akustisches Hintergrundsignal an zwei unterschiedlichen Positionen an einem Werkstück darstellen. Die Abszisse entspricht einem Abstandmaß gemessen von der Oberfläche des Werkstückes in die Tiefe des Werkstückes, längs der Ordinate sind entsprechend Empfangsamplituden dargestellt. Anhand des zwischen den beiden Positionen unterschiedlich detektierbaren Rauschsignals können gleichwohl Ortsinformationen zur Lagebestimmung des Messsensors extrahiert werden.
Durch den Einsatz des lösungsgemäßen Verfahrens ergeben sich grundsätzlich zwei Vorteile. Zum einen ermöglicht das lösungsgemäße Verfahren auch bei der manuellen Durchführung der Werkstückprüfung eine bildgebende Qualität ähnlich jener, die bei bisher automatisiert durchgeführten Prüfungen erreichbar ist. Insbesondere unter erschwerten Bedingungen, durch die die Montage von Manipulatoren nicht gestattet oder durch Zugangszeiten begrenzt sind, beispielsweise in kerntechnischen Anlagen aufgrund herrschender Strahlenschutzvorschriften oder bei Unterwasserprüfungen oder vieles mehr, kann eine schnelle, einfach durchführbare manuelle Prüfung mit quantifizierbaren, d.h. bildhaften Ergebnissen als praktikable Alternative eingesetzt werden.
Zum anderen verhilft das lösungsgemäße Verfahren zu einer deutlichen Kostensenkung aufgrund nicht erforderlicher Weggeber oder Ortungssysteme.

1: Werkstück
2: Fehlstelle
3: Oberfläche
4: Messsenor
R: Rückseite
K: Kante
ZB1 bis ZB5: detektierte Reflexionsereignisse

Claims

Verfahren zur ortsaufgelösten zerstörungsfreien Werkstückuntersuchung mittels wenigstens eines Messsensors, der über eine technische Oberfläche des zu untersuchenden Werkstückes geführt wird und innerhalb des Werkstückes vorhandene lokale Materialinhomogenitäten, lokale Materialungänzen und/oder lokale Materialgefüge in der Lage ist zu detektieren, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einer Startposition, an der der wenigstens eine Messsensor auf der Oberfläche des Werkstückes positioniert und ein erster vom Messsensor erfassbarer Volumenbereich des Werkstückes detektiert wird, der durch ein erstes Messsignal repräsentiert wird, durch Verschieben des Messsensors längs der Werkstückoberfläche in einer zweite Position eine Bewegungstrajektorie, auf der Grundlage eines Vergleiches des ersten Messsignals mit einem an der zweiten Position erhaltenen zweiten Messsignal, das einen zweiten Volumenbereich repräsentiert, wobei sich der erste und zweite Volumenbereich zumindest teilweise überlappen, ermittelt wird, und dass anhand der Bewegungstrajektorie die Relativlage der zweiten Position relativ zur Startposition auf der Oberfläche des Werkstückes ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch wiederholtes Ausführen des Verschiebens des wenigstens einen Messsensors auf der Oberfläche des Werkstückes und der jeweiligen Ermittlung der Bewegungstrajektorie zwischen zwei Positionen, an denen jeweils sich wenigstens teilweise überlappende Volumenbereiche repräsentierende Messsignale gewonnen werden, eine Vielzahl von Bewegungstrajektorien gewonnen werden, auf deren Grundlage die örtliche Lage des Messsensors auf der Oberfläche des Werkstückes relativ zur Startposition ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Messsensor ein Ultraschallwandler, vorzugsweise ein piezoelektrischer oder ein elektromagnetischer Ultraschallwandler (EMUS), ein Wirbelstromsensor, ein Magnetfeldsensor und/oder ein Mikrowellenmesstechnischer Sensor verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ortsbestimmung des wenigstens einen Messsensors auf der Oberfläche des Werkstückes Messsignale aus wenigstens zwei unterschiedlichen Positionen verwendet werden, dass bei Vorhandensein wenigstens einer durch den Messsensor detektierbaren ortsfesten Materialinhomogenität und/oder lokalen Materialungänze und/oder lokalen Materialgefüge die wenigstens zwei Messsignale Lage-abhängige Ortsinformationen über die Materialinhomogenität und/oder lokale Materialungänze und/oder lokales Materialgefüge enthalten, die einer Geometrieberechnung unterzogen werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrieberechnung als Teil einer Bildverarbeitung eingesetzt wird, bei der die einzelnen Messsignale als Bildsignale, die Schnitt- oder Volumenbilder repräsentieren, ausgewertet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Messsignalanteile, die nicht von ortsfesten Materialinhomogenitäten und/oder lokalen Materialungänzen herrühren zur Ortsbestimmung des wenigstens einen Messsensors verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Messsensor manuell oder roboterunterstützt längs der Oberfläche des zu untersuchenden Werkstückes bewegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass unter Verwendung der Ultraschallmesstechnik mittels wenigstens eines Ultraschallwandlers gewonnene Zeitsignale, so genannte A-Bilder, und/oder Sektorbilder, so genannte B-Bilder, zur Ortsbestimmung verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswertung der B-Bilder zur Ortsbestimmung des Messsensors auf der Oberfläche des Werkstückes in Echtzeit oder nahezu in Echtzeit erfolgt.