DE102008002394A1 - Universal test head for non-destructive ultrasound examination and associated method - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Prüfkopf (1) zur zerstörungsfreien Ultraschalluntersuchung einer Anomalie, insbesondere einer Schweißschmelzzone, eines Werkstücks, umfassend ein in den Prüfkopf (1) integriertes Array (2S, 2D, 2R) aus mehreren auf einer Oberfläche des Werkstücks anzuordnenden Ultraschallwandlern (2S, 2D, 2R), die einzeln oder segmentweise als Ultraschallempfänger (2S) und Ultraschallsender (2R) selektiv ansteuerbar sind. Der Prüfkopf zeichnet sich dadurch aus, dass das Array (2S, 2D, 2R) im Wesentlichen ringförmig ausgebildet ist und die Ultraschallwandler (2S, 2D, 2R) so angeordnet und/oder angesteuert werden, dass der jeweils erzeugte Ultraschall sich parallel zur Werkstückoberfläche ausbreitet. Die Erfindung betrifft ferner zwei zugehörige Verfahren zur zerstörungsfreien Ultraschalluntersuchung einer Anomalie, insbesondere einer Schweißschmelzzone, eines Werkstücks.The invention relates to a test head (1) for the non-destructive ultrasound examination of an anomaly, in particular a weld fusion zone, of a workpiece, comprising an array (2S, 2D, 2R) integrated in the test head (1) comprising a plurality of ultrasonic transducers (2S, 2S) to be arranged on a surface of the workpiece. 2D, 2R), which can be selectively controlled individually or in segments as ultrasonic receivers (2S) and ultrasonic transmitters (2R). The test head is characterized in that the array (2S, 2D, 2R) is substantially annular and the ultrasonic transducers (2S, 2D, 2R) are arranged and / or controlled so that the ultrasound generated in each case propagates parallel to the workpiece surface , The invention further relates to two associated methods for the non-destructive ultrasound examination of an anomaly, in particular a weld melting zone, of a workpiece.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen universell zu verwendenden Prüfkopf zur zerstörungsfreien Ultraschalluntersuchung, der die Möglichkeit zur schnellen Durchführung unterschiedlicher Ultraschalluntersuchungen, beispielsweise u. a. einer tomographischen Untersuchung, bietet, um beispielsweise eine Anomalie oder insbesondere eine Schmelzzone, die von einer Schweißverbindungen herrührt, in einem Werkstück zu erfassen, zu vermessen und/oder darzustellen.The The invention relates to a universal probe to be used for non-destructive ultrasound examination, which the Ability to quickly perform different Ultrasound examinations, for example u. a. a tomographic Investigation offers, for example, an anomaly or in particular a melting zone resulting from a welded joint, in a workpiece to capture, measure and / or represent.
Für die zerstörungsfreie Prüfung eines Werkstücks mittels Ultraschall sind geeignete Prüfgeräte und Verfahren bekannt. Ganz allgemein verwiesen wird auf das Fachbuch von J. und. H. Krautkrämer, Werkstoffprüfung mit Ultraschall, sechste Auflage.For the non-destructive testing of a workpiece by means of ultrasound are suitable test equipment and Known method. In general reference is made to the textbook from J. and. H. Krautkrämer, material testing with Ultrasound, sixth edition.
Mit der so genannten akustischen Mikroskopie (auch Ultraschallmikroskopie genannt) ist eine zerstörungsfreie Untersuchungsmethode bekannt, die es ermöglicht „das Innere” eines Werkstücks abzubilden. Ultraschallwellen dringen in das zu untersuchende Werkstück ein und aus der reflektierten Schallintensität wird ein Bild generiert. Defekte wie z. B. Poren oder Delaminationen etc. erzeugen starke Reflexionssignale, so dass Werkstückanomalien, d. h. Fehler, Inhomogenitäten und auch Schweißverbindungsfehler, schnell und zuverlässig bestimmt werden können. Jedoch ist die dafür benötigte Ausrüstung teuer, häufig nicht portabel und die Bildaufbereitung benötigt vergleichsweise lange, so dass sich dieses Verfahren zur industriellen Produktionsüberwachung i. a nicht eignet.With the so-called acoustic microscopy (also ultrasonic microscopy called) is a non-destructive investigation method known, which allows "the interior" of a To image the workpiece. Ultrasonic waves penetrate into it workpiece to be examined on and off the reflected sound intensity an image is generated. Defects such. As pores or delaminations etc. generate strong reflection signals, so that workpiece anomalies, d. H. Faults, inhomogeneities and also weld defects, can be determined quickly and reliably. However, the equipment needed for this is expensive, often not portable and the image processing needed comparatively long, so that this process becomes industrial Production monitoring i. a is not suitable.
Es
ist ferner bekannt, einen Winkelprüfkopf an einem Prüfbereich
des Werkstücks mechanisch vorbeizuführen. Dabei
werden hochfrequente Schallimpulse (ca. 1–10 MHz) abgegeben,
die in das zu prüfende Werkstück eingeschallt
werden. Diese dringen in das Werkstück ein, wo sie an einer
Rückwand des Werkstücks min destens einmal reflektiert
werden. An inneren Anomalien (auch Inhomogenitäten genannt)
wie zum Beispiel an einem Materialfehler, treten Schallreflexionen
auf, die vom Winkelprüfkopf wieder empfangen und im nachgeschalteten
Ultraschallgerät verarbeitet werden. Es wird im einfachsten
Fall nach dem Impuls-Echoverfahren gearbeitet. Der Winkelprüfkopf
bzw. allgemein ein Sender gibt vorzugsweise periodisch Ultraschallimpulse
ab und ein Empfänger empfängt danach Echosignale
dieser abgegebenen Ultraschallimpulse. Die Echosignale stammen aus
dem Werkstück und insbesondere von der Rückwand
des Werkstücks. Insoweit ist das Prüfungsverfahren
für Werkstücke geeignet, deren Ankoppelfläche
im Wesentlichen parallel zur Rückwand verläuft,
so dass es zur Ausbildung mehrerer Hin- und Hergänge des
Ultraschallimpulses im Werkstück kommt. Bei der Überprüfung
von Schweißnähten wird der Winkelprüfkopf
entlang der Schweißnaht (d. h. i. d. R. senkrecht und parallel
zur Schweißnaht) bewegt, bis ein maximales Fehlerecho entsteht.
Die empfangenen Echosignale werden dabei unmittelbar auf einem Monitor
dargestellt („A-Scan”). Die Position und damit
die Ortung eines Fehlers im Prüfkörper wird auf
Basis der bekannten und gemessenen Daten errechnet. Die Echoamplitude
wird für eine Abschätzung der Fehlergröße
herangezogen. Dies ist jedoch häufig nicht zuverlässig
möglich, da die Echoamplitude wesentlich mehr Einflüssen
unterworfen ist als die Schallaufzeit. So beschreibt die
Ein ähnliches
Verfahren ist aus der
In
der Veröffentlichung mit dem Titel
Zur
Lösung dieses zuvor beschriebenen Problems wird in der
In
der Veröffentlichung mit dem Titel
Hier setzt nun die vorliegende Erfindung an. Sie hat es sich zur Aufgabe gemacht, einen Prüfkopf zur zerstörungsfreien Ultraschalluntersuchung einer Anomalie, insbesondere einer Schweißschmelzzone, eines Werkstücks bereitzustellen, der schnell und für diverse Verfahren einsetzbar ist und der sich insbesondere für die Verwendung in einem industriellen Fertigungsprozess eignet. Diese Aufgabe wird durch einen Prüfkopf gemäß Anspruch 1 gelöst. Ein zugehöriges und entsprechend vorteilhaftes Verfahren ist Gegenstand der Ansprüche 8 und 11. Die abhängigen Ansprüche betreffen jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen.Here Now puts the present invention. It's up to you made a non destructive test head Ultrasound examination of an anomaly, in particular a welding melt zone, one To provide the workpiece quickly and for various Method is used and in particular for suitable for use in an industrial manufacturing process. This object is achieved by a test head according to claim 1 solved. An associated and correspondingly advantageous The method is subject matter of claims 8 and 11. The dependent Claims relate to advantageous embodiments.
Der erfindungsgemäße Prüfkopf eignet sich zur zerstörungsfreien Ultraschalluntersuchung einer Anomalie, insbesondere einer Schweißschmelzzone, eines Werkstücks. Folglich ist der Begriff Anomalie im Kontext der vorliegenden Erfindung weit auszulegen. Im Allgemeinen ist beabsichtigt, eine unerwünschte Strukturabweichung (auch als Anomalie oder Fehler bezeichnet) innerhalb des Werkstücks anhand von deren Auswirkung auf das akustische Übertragungsverhalten zu erfassen. Der Prüfkopf umfasst ein in den Prüfkopf integriertes Array aus mehreren, auf einer Oberfläche des Werkstücks anzuordnenden Ultraschallwandlern. Integration im Sinne der Erfindung meint, dass beim Platzieren des Prüfkopfs auf der Oberfläche des zu untersuchenden Werkstücks gleichzeitig sämtliche Ultraschallwandler darauf angeordnet werden und somit keine abfolgende Anordnung und Ausrichtung von einzelnen Ultraschallwandlern, beispielsweise Piezowandlern, erforderlich ist. Durch die gleichzeitige und gemeinsame Anordnung und Platzierung der Wandler, d. h. des Arrays, wird eine schnelle Anordnung des Prüfkopfs auf dem Werkstück erreicht, was die Untersuchung beschleunigt und somit diesen für die Anwendung im industriellen Maßstab geeignet macht.Of the Test head according to the invention is suitable for non-destructive ultrasound examination of an anomaly, in particular a welding melt zone, a workpiece. Thus, the term anomaly is in the context of the present invention interpreted broadly. In general, an undesirable one is intended Structure deviation (also called anomaly or error) within of the workpiece based on its effect on the acoustic transmission behavior capture. The test head includes an in the test head integrated array of several, on one surface of the Workpiece to be arranged ultrasonic transducers. integration in the sense of the invention means that when placing the probe on the surface of the workpiece to be examined at the same time all ultrasonic transducers arranged on it and thus no sequential arrangement and orientation of individual ultrasonic transducers, such as piezo transducers required is. By the simultaneous and joint arrangement and placement the converter, d. H. of the array, will be a quick arrangement of the Probe on the workpiece reaches what the Investigation accelerates and thus this for the application makes it suitable on an industrial scale.
Die Wandler sind einzeln oder segmentweise, d. h. in Gruppen aus wenigen Wandlern, als Ultraschallempfänger und Ultraschallsender selektiv ansteuerbar. Durch die selektive Aktivierungs- oder Ansteuermöglichkeit ist eine Verschiebung des jeweiligen Senders entbehrlich, sondern für die Realisierung unterschiedlicher Hauptabstrahlrichtungen des Ultraschalls ist lediglich die Aktivierung oder Ansteuerung eines anderen Wandlers bzw. Segments erforderlich. Die Durchführung des jeweiligen Verfahrens wird beschleunigt und die Messgenauigkeit gesteigert.The Transducers are singular or segmental, d. H. in groups of a few Transducers, as ultrasonic receiver and ultrasonic transmitter selectively controllable. Through the selective activation or control option is a shift of the respective transmitter dispensable, but for the realization of different main emission directions the ultrasound is just the activation or activation another transducer or segment required. The implementation of the respective method is accelerated and the measurement accuracy increased.
Das Array ist erfindungsgemäß im Wesentlichen ringförmig ausgebildet. Der Begriff ringförmig ist dabei weit auszulegen. So ist keine spaltfreie oder angrenzend benachbarte Anordnung zwischen den einzelnen Wandlern zwingend vorausgesetzt. Die Wandler sind beispielsweise auf einem Kreisumfang verteilt oder sind auf einem ringförmigen durch einen äußeren oder inneren Kreisdurchmesser definierten, Kreissegment verteilt.The Array according to the invention is substantially annular educated. The term annular is to be interpreted broadly. So is not a gap-free or adjacent adjacent arrangement between mandatory for the individual transducers. The transducers are for example, distributed on a circumference or are on one annular by an outer or inner circle diameter defined, circular segment distributed.
Die Wandler werden erfindungsgemäß so angeordnet und/oder angesteuert, dass der jeweils erzeugte Ultraschall sich im Wesentlichen parallel zur Werkstückoberfläche und somit parallel zu der durch den Ring definierten „Kreis”fäche ausbreitet. Dadurch wird vorteilhaft eine zu dem zu untersuchenden Bereich des Werkstücks versetzte Anordnung des Prüfkopfs erreicht. Hierdurch eignet sich der Prüfkopf für die Untersuchung von Anomalien, bei denen die zur Anomalie unmittelbar benachbarte Oberfläche (die senkrechte Projektion der durch die Anomalie umfassten Fläche auf die zu untersuchende Oberfläche) des Werkstücks nicht zugänglich ist oder die Ankoppelung der jeweiligen Wandler in diesem Bereich beispielsweise wegen Unebenheiten nur schwer möglich oder sogar unmöglich ist. Dies ist beispielsweise bei Verschweißungen der Fall, bei denen sich die Schmelzzone auf der Oberfläche des Werkstücks befindet. Bei Punktverschweißungen kann durch die Einwirkung der Schweißelektroden eine Deformierung der Oberfläche vorliegen, die eine Ankopplung in diesem Bereich und damit eine Ultraschalluntersuchung erschwert.According to the invention, the transducers are arranged and / or driven in such a way that the ultrasound generated in each case propagates substantially parallel to the workpiece surface and thus parallel to the "circle" surface defined by the ring. This advantageously achieves an arrangement of the test head offset from the area of the workpiece to be examined. As a result, the test head is suitable for the investigation of anomalies in which the surface immediately adjacent to the anomaly (the vertical projection of the surface encompassed by the anomaly onto the surface to be examined) of the workpiece is not accessible or the coupling of the respective transducers in this region, for example because of bumps difficult or even impossible. This is the case, for example, in welds where the melt zone is on the surface of the workpiece. In the case of spot welds, the surface of the surface may be deformed due to the action of the welding electrodes, which may cause a coupling in this area and thus an ultrasound examination difficult.
Die erfindungsgemäße Ausbreitungsrichtung wird beispielsweise durch eine schräge Ausrichtung der Schallabstrahlfläche des jeweiligen Wandlers erreicht, d. h. dessen Hauptabstrahlrichtung ist zur Werkstückoberfläche geneigt. Beispielsweise können durch diese Einstrahlung in einem flachen Werkstück Oberflächenwellen und – je nach dessen Abmessung – in dessen zur Oberfläche senkrechten Dickenrichtung Plattenwellen (engl.: Lamb-Wellen) erzeugt werden. Ist die Wellenlänge des Ultraschalls in einer Dimension vergleichbar oder groß zu den Abmessungen des Werkstücks, stehen Teile der Grenzfläche ständig in Wechselwirkung mit der Welle und verursachen so eine Führung der Welle ent lang dieser Grenzfläche. Dadurch wirkt das Werkstück als Wellenleiter. Diese Wellen breiten sich aufgrund ihrer geringen Dämpfung vergleichsweise weit aus und eignen sich somit besonders für die Ultraschalluntersuchung, insbesondere bei der Durchschallungsmessung der Anomalie (beziehungsweise der Schweißschmelzzone).The The propagation direction according to the invention becomes, for example by an oblique orientation of the Schallabstrahlfläche reaches the respective converter, d. H. its main emission direction is inclined to the workpiece surface. For example can through this irradiation in a flat workpiece Surface waves and - depending on its size - in its thickness direction perpendicular to the surface plate shafts (Engl .: Lamb waves) are generated. Is the wavelength of ultrasound in one dimension comparable or large the dimensions of the workpiece, are parts of the interface constantly interact with the shaft and cause such a guide of the shaft ent long this interface. As a result, the workpiece acts as a waveguide. These waves spread comparatively due to their low attenuation far out and are therefore particularly suitable for ultrasound examination, in particular in the transmission measurement of the anomaly (or the welding melt zone).
Bevorzugt sind die Wandler so ausgestaltet und/oder werden so angesteuert, dass der jeweils abgestrahlte Ultraschall in Richtung des jeweils gegenüberliegenden Randes des ringförmigen Randes abgestrahlt wird. Anders ausgedrückt erfolgt eine Abstrahlung in einer im Wesentlichen radial nach innen gerichteten Richtung des Ringes. Dabei wird nicht vorausgesetzt, dass der Ultraschall zwingend den gegenüberliegenden Rand tatsächlich erreicht. So soll nicht ausgeschlossen sein, dass der so ausgestrahlte Ultraschall von der Anomalie reflektiert wird, und auch der erfindungsgemäße Prüfkopf so verwendet wird, dass der an der Anomalie reflektierte Ultraschall in einer Reflexionsmessung von empfangenden Wandlern, die zu dem sendenden Wandler benachbart oder mit diesem identisch sind, erfasst wird und die so erhaltenen Reflexionssignale ausgewertet werden. Auch eine solche Messkonstellation kann leicht durch den erfindungsgemäßen Prüfkopf realisiert werden.Prefers are the transducers designed and / or so controlled, that each emitted ultrasound in the direction of each radiated opposite edge of the annular edge becomes. In other words, radiation takes place in one in a substantially radially inward direction of the ring. It is not assumed that the ultrasound necessarily the opposite Edge actually reached. So should not be excluded be that the thus emitted ultrasound reflects off the anomaly is, and also the test head according to the invention is used so that the ultrasound reflected on the anomaly in a reflectance measurement of receiving transducers that contribute to the transmitting transducers adjacent or identical to it is and the reflection signals thus obtained are evaluated. Such a measurement constellation can also be easily achieved by the invention Test head can be realized.
Der Prüfkopf weist in einer bevorzugten Ausgestaltung einen im Wesentlich zentrisch angeordneten Durchbruch für die Zugänglichkeit des Werkstücks auf. Bevorzugt ist der Durchbruch konzentrisch mit dem ringförmigen Array angeordnet. Dies ermöglicht, dass sich der Prüfkopf während einer maschinellen Bearbeitung, beispielsweise einer Schweißbearbeitung, des Werkstücks bereits an der Messposition befindet, und deren Qualität unmittelbar nach oder während der Bearbeitung überprüft werden kann. Gegebenenfalls kann dann gleich nachbearbeitet bzw. nachgeschweißt werden. Dadurch werden die Abläufe beim Herstellungsvorgang und die erforderlichen Qualitätssicherungsmaßnahmen erheblich beschleunigt.Of the Test head has a preferred embodiment essentially centrally arranged breakthrough for the Accessibility of the workpiece. Is preferred the breakthrough concentric with the annular array arranged. This allows the test head during a machining, for example a welding, the workpiece already located at the measuring position, and their quality immediately be checked after or during processing can. If necessary, can then be immediately reworked or welded become. As a result, the processes in the manufacturing process and the required quality assurance measures considerably accelerated.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Ultraschallwandler des Prüfkopfs beziehungsweise des Arrays in EMAT-(electromagnetic acoustic transducer)-Technologie aufgebaut. Durch die Verwendung von elektromagnetisch arbeitenden Ultraschallwandlern, die vergleichsweise temperaturunempfindlich sind, kann der Prüfkopf beziehungsweise das Verfahren auch bei hohen Temperaturen des Werkstücks also auch in unmittelbarer Nähe einer möglicherweise noch nicht abgekühlten Schweißverbindung, Anwendung finden.According to one preferred embodiment are the ultrasonic transducers of the test head or the array in EMAT (electromagnetic acoustic transducer) technology. By the use of electromagnetic working ultrasonic transducers, the relatively temperature insensitive are, the test head or the method can also at high temperatures of the workpiece so in the immediate Proximity of a possibly not yet cooled weld joint, Find application.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Array um ein phasengesteuertes Array. Durch Phasenverschiebung der elektrischen Ansteuersignale der am Erzeugen des Ultraschalls beteiligten Wandler wird eine selektiv einstellbare Fokussierung und/oder Ausrichtung des Ultraschalls ermöglicht. Beispielsweise wird bei mehreren in Umfangsrichtung gruppierten, als Sender fungierenden Wandlern ein in Umfangsrichtung phasenverschobenes Ansteuersignal verwendet. Durch die Phasensteuerung kann das Array beziehungsweise der Prüfkopf schnell an unterschiedliche Bemaßungen des zu untersuchenden Werkstücks eingestellt werden, ohne dass es einer konstruktiven Veränderung am Prüfkopf, beispielweise dessen Einkoppelgeometrie, bedarf.Prefers the array is a phased array. By Phase shift of the electrical drive signals of the generating The transducer involved in the ultrasound is a selectively adjustable Focusing and / or orientation of the ultrasound allows. For example, if several are grouped in the circumferential direction, as transducers acting transducers a phase-shifted in the circumferential direction Drive signal used. Due to the phase control, the array or the test head quickly to different Set dimensions of the workpiece to be examined be without a constructive change in the Probe, for example, its Einkoppelgeometrie requires.
Aufgrund der Tatsache, dass der erfindungsgemäße Prüfkopf eine beschleunigte Durchführung von diversen Messverfahren gestattet, wird er bevorzugt in einem industriellen Fertigungsprozess, beispielsweise der Automobil-, Luft- oder Raumfahrtindustrie, verwendet. Er eignet sich insbesondere für solche Verfahren, bei denen die Position der zu untersuchenden Anomalie in etwa bekannt ist und es darum geht, eine schnelle und umfassende Untersuchung dieser Anomalie zu gewährleisten. Dies ist insbesondere bei einer Schweißverbindung und insbesondere einer Punktschweißverbindung wichtig, wo eine genaue und allseitige Erfassung der Schweißschmelzzone erwünscht ist. Dadurch werden die Abläufe beim zugehörigen Herstellungsvorgang und die erforderlichen Qualitätssicherungsmaßnahmen erheblich beschleunigt.by virtue of the fact that the test head according to the invention an accelerated implementation of various measuring methods permitted, it is preferred in an industrial manufacturing process, For example, the automotive, aerospace industry used. It is particularly suitable for such processes in which the position of the anomaly to be examined is approximately known and it comes to a quick and comprehensive investigation of this To ensure anomaly. This is especially true for one Welded connection and in particular a spot welding connection important, where an accurate and all-around detection of the welding melt zone is desired. As a result, the processes in the associated manufacturing process and the required Accelerated quality assurance measures significantly.
Schließlich betrifft die Erfindung auch eine Anordnung aus einem Werkstück mit einer Schweißschmelzzone und einem an die Oberfläche des Werkstücks angrenzend angeordneten Prüfkopf gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen, wobei die Schweißschmelzzone im Bereich des Mittelpunkts des ringförmigen Arrays angeordnet ist. Das Werkstück kann aus beliebigem, für Ultraschall durchlässigem und thermisch verschweißbarem Material bestehen. Beispielsweise handelt es sich um verschweißtes Stahlblech und insbesondere punktverschweißtes Stahlblech, wie es beispielsweise bei der Fahrzeugherstellung verwendet wird.Finally, the invention also relates to an arrangement comprising a workpiece having a weld melt zone and a probe arranged adjacent to the surface of the workpiece according to one of the embodiments described above, wherein the weld melt zone is arranged in the region of the center of the annular array. The workpiece may be made of any material which is permeable to ultrasound and thermally weldable. For example, it is welded steel sheet and in particular spot-welded steel sheet, as for example in used in vehicle manufacturing.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur zerstörungsfreien Ultraschalluntersuchung einer Anomalie, insbesondere einer Schweißschmelzzone, eines Werkstücks, bei dem die qualitative Auswertung und bildliche Darstellung im Vordergrund steht, im Folgenden daher auch kurz tomographisches Verfahren genannt. Es zeichnet sich dadurch aus, dass es unter Verwendung des zuvor beschriebenen Prüfkopfs durchgeführt wird. Dabei wird in mehreren Abtastschritten der von jeweils einem Wandler oder einem mehrere Wandler umfassenden Segment des Arrays erzeugte und danach durch das Werkstück und wenigstens teilweise durch die Anomalie oder Schweißschmelzzone transmittierte und/oder davon reflektierte Ultraschall mit jeweils unterschiedlicher Hauptausbreitungsrichtung mittels mehrerer, bevorzugt benachbarter, als Empfänger fungierenden Wandler erfasst. Eine daraus jeweils erhaltene Projektion wird durch einen tomographischen Bildgebungsalgorithmus zur Rekonstruktion eines Bildes der Anomalie oder der Schmelzzone verarbeitet. Das so rekonstruierte Bild wird ausgewertet und/oder zur Anzeige gebracht.The The invention further relates to a method for nondestructive Ultrasound examination of an anomaly, in particular a welding melt zone, one Workpiece, in which the qualitative evaluation and pictorial Representation is in the foreground, in the following therefore also short tomographic Called procedure. It is characterized by having it using performed the test head described above becomes. It is in several sampling steps of each one Transducer or a multi-transducer segment of the array generated and then through the workpiece and at least partially transmitted through the anomaly or weld melt zone and / or ultrasound reflected therefrom, each having a different main propagation direction by means of several, preferably adjacent, as a receiver acting transducer detected. A projection obtained from each is reconstructed by a tomographic imaging algorithm processed an image of the anomaly or the melting zone. That so reconstructed image is evaluated and / or displayed.
Der erfindungsgemäße Prüfkopf eignet sich besonders für dieses Verfahren, dessen Ziel in erster Linie die qualitative, gegebenenfalls aber auch die quantitative Untersuchung der Anomalie oder des Schmelzzonenbereichs in dem Werkstück ist.Of the Test head according to the invention is particularly suitable for this procedure, whose objective is primarily the qualitative, but possibly also the quantitative examination of the anomaly or the melt zone area in the workpiece.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst mehrere in Abfolge durchgeführte Abtastschritte, bei denen sich die Hauptausbreitungsrichtung des Ultraschalls in der zur Werkstückoberfläche parallelen Ebene verändert, so dass eine Schallbestrahlung der Anomalie in jeweils anderer Richtung erfolgt. Der so erzeugte und teilweise durch die Schweißverbindung hindurch transmittierende oder auch davon reflektierte Ultraschall wird an mehreren anderen, ebenfalls um die Schweißverbindung angeordneten Positionen mittels mehrerer benachbarter, als Empfänger fungierenden Wandler oder auch Segmente des Prüfkopfs erfasst, um eine Ortsinformation der durch die Wandler gemessenen oder der daraus abgeleiteten Größen zu erhalten.The inventive method comprises several in Sequence performed scanning steps, in which the Main propagation direction of the ultrasound in the workpiece surface changed parallel plane, so that a sound irradiation the anomaly takes place in different directions. The so produced and partially transmitting through the weld joint or even reflected ultrasound will be on several other, also arranged around the weld positions by means several adjacent transducers acting as receivers or also segments of the probe detected to a location information the measured by the transducer or derived therefrom sizes to obtain.
Durch die selektive Ansteuerbarkeit des erfindungsgemäßen Prüfkopfs kann das Verfahren schnell und einfach durchgeführt werden. Aufgrund der vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Prüfkopfs sind der/die Sender bzw. Empfänger außerhalb des sich durch die senkrechte Projektion der Schmelzzone auf die jeweilige Oberfläche des Werkstücks sich ergebenden Bereichs angeordnet. Dadurch wird erreicht, dass die Ankopplung der Wandler an die Oberfläche des Werkstücks nicht durch eine beispielsweise schweißverbindungsbedingte Verformung der Oberfläche beeinträchtigt wird. In jedem Abtastschritt kann die Ausbreitungsgeschwindigkeit/Laufzeit oder die Amplitude des Ultraschalls bestimmt werden, um jeweils die zugehörige Projektion zu erhalten. Es kann in Durchschallungsanordnung oder Reflexionsanordnung gemessen werden. Es kann ein Ultraschallimpuls, eine kontinuierliche Ultraschallabstrahlung oder ein Ultraschall-Sweep verwendet werden.By the selective controllability of the invention Test head, the process can be performed quickly and easily become. Due to the advantageous embodiment of the invention Probe are the transmitter (s) outside which is due to the vertical projection of the melting zone on the respective surface of the workpiece resulting Arranged area. This ensures that the coupling the transducer does not penetrate to the surface of the workpiece an example due to welding connection deformation the surface is affected. In every sampling step can be the propagation speed / runtime or the amplitude of the ultrasound are determined, respectively, to the associated projection to obtain. It can be in transmission arrangement or reflection arrangement be measured. It can be an ultrasonic pulse, a continuous Ultrasonic radiation or an ultrasonic sweep can be used.
Die
in den Abtastschritten erfassten Signale, d. h. die unterschiedlichen
Projektionen werden durch einen tomographischen Bildgebungsalgorithmus
verarbeitet, d. h. zur Bildrekonstruktion verwendet, und das erzeugte
Bild zur Anzeige gebracht. Geeignete tomographische Bildgebungsalgorithmen sind
dem Fachmann bekannt, und es obliegt ihm, beispielsweise, die für
den jeweiligen Anwendungsfall geeignete Anzahl von Abtastschritten
bzw. Projektionen, beispielsweise je nach gewünschtem Auflösungsvermögen,
zu wählen. Vorteilhaft wird das „RAPID”-Verfahren
angewandt. Dieses ist in der bereits erwähnten Veröffentlichung
Bevorzugt werden die Abtastschritte, d. h. die verschiedenen Hauptausbreitungsrichtungen des Ultraschalls in den jeweiligen Abtastschritten, so gewählt, dass eine vollständige umlaufende Erfassung, d. h. eine 360°-Erfassung, der Anomalie oder Schweißschmelzzone, beispielsweise in 31 unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen, durchgeführt wird. Durch die aufgrund des tomographischen Bildgebungsverfahrens mögliche Visualisierung können Anomalien und Fehler der Schweißverbindungen, d. h. Abweichungen von den Sollanforderungen, schnell und umfassend erkannt werden. Beispielsweise lassen sich eine nicht ausreichend ausgebildete Schmelzzone (zu geringer Durchmesser) oder darin eingeschlossene Gaseinschlüsse (Poren) leicht erkennen und lokalisieren.Prefers the sampling steps, i. H. the different main propagation directions of the ultrasound in the respective scanning steps, so selected that a complete circulating detection, i. H. a 360 ° detection, the anomaly or welding melt zone, For example, in 31 different directions of propagation is performed. Due to the possible due to the tomographic imaging method Visualization can be anomalies and errors of welded joints, d. H. Deviations from the target requirements, fast and comprehensive be recognized. For example, one can not be sufficient formed melting zone (too small diameter) or enclosed therein Easily detect and locate gas pockets (pores).
Der tomographischen Bildgebungsalgorithmus umfasst in einer Ausgestaltung eine Radon-Transformation oder eine Rückprojektion. Bevorzugt kommt eine ge filterte Rückprojektion oder eine gewichtete Rückprojektion mit Shepp Logan-Kern zur Anwendung.Of the Tomographic imaging algorithm includes in one embodiment a radon transformation or a back projection. Prefers comes a filtered back projection or a weighted Rear projection with Shepp Logan core for use.
Bevorzugt werden in dem jeweiligen Abtastschritt die Amplitude des transmittierten und/oder reflektierten Ultraschalls und/oder die zugehörigen Laufzeiten erfasst. Beispielsweise wird die Projektion der Transmissionsamplitude, die Projektion des Verhältnisses der Transmissionsamplitude bei unterschiedlichen Frequenzen des Ultraschalls, die Projektion der Ausbreitungsgeschwindigkeit sowie die Projektion der Pulsechoamplitude erfasst und tomographisch ausgewertet. Ferner können ein oder mehrere zusätzliche Kalibrierschritte vorgesehen sein, die eine oder mehrere Messungen an einem unverschweißten Werkstück beinhalten.In the respective scanning step, the amplitude of the transmitted and / or reflected ultrasound and / or the associated transit times are preferably detected. For example, the projection of the transmission amplitude, the projection of the ratio of the transmission amplitude at different frequencies of the ultrasound, the projection of the propagation speed and the projection of the pulse echo amplitude are detected and tomo evaluated graphically. Further, one or more additional calibration steps may be provided including one or more measurements on an unwelded workpiece.
Der Prüfkopf eignet sich zudem für ein Verfahren zur zerstörungsfreien Ultraschalluntersuchung, bei dem nicht die qualitative Untersuchung der Anomalie oder der Schweißschmelzzone im Vordergrund steht, sondern die Bestimmung von deren Längenausdehnung zumindest in der zur Werkstückoberfläche parallelen Richtung. Insbesondere bei der Punktverschweißung zweier Werkstücke ist das Maß der Ausdehnung dieser Schmelzzone von besonderer Bedeutung, um die Qualität und damit die Festigkeit der Schweißung beurteilen zu können. Bei diesem Verfahren wird in mehreren Abtastschritten der von jeweils einem Wandler oder einem Segment des Arrays erzeugte und danach durch das Werkstück und wenigstens teilweise durch die Anomalie oder Schweißschmelzzone transmittierte Ultraschall, der in jedem Abtastschritt eine andere Hauptausbreitungsrichtung aufweist, mittels eines dem Ultraschall-erzeugenden Wandler oder Segment im Wesentlichen diametral gegenüberliegenden Wandlers oder Segments erfasst. Ein daraus jeweils erhaltener Messwert wird zur Bestimmung der betreffenden Abmessung der Anomalie oder der Schweißschmelzzone ausgewertet. Beispielsweise wird die durch die Anomalie oder Schweißschmelzzone verursachte Laufzeitänderung oder Amplitudenänderung herangezogen, um daraus die Abmessung in der der Hauptausbreitungsrichtung entsprechenden Richtung zu ermitteln. Es obliegt dem Fachmann, die Anzahl der Abtastschritte und die Richtung des Ultraschalls je nach gewünschter Auflösung zu wählen. Der erfindungsgemäße Prüfkopf eignet sich auch besonders für dieses Verfahren, da durch die selektive Ansteuerbarkeit der einzelnen Wandler das Verfahren schnell und einfach durchgeführt werden kann. In der der vorteilhaften Ausgestaltung des erfin dungsgemäßen Prüfkopfs sind der/die Sender bzw. Empfänger außerhalb des durch die senkrechte Projektion der Schmelzzone auf die jeweilige Oberfläche des Werkstücks sich ergebenden Bereichs angeordnet. Dadurch wird erreicht, dass die Ankopplung der Wandler an die Oberfläche des Werkstücks nicht durch eine beispielsweise schweißverbindungsbedingte Verformung der Oberfläche beeinträchtigt wird. Das vorstehend beschriebene Verfahren wird in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung mit dem zuvor beschriebenen, tomographischen Verfahren in Kombination durchgeführt.Of the Probe is also suitable for a procedure for non-destructive ultrasound examination in which not Qualitative examination of anomaly or welding fusion zone is in the foreground, but the determination of their extension at least in the direction parallel to the workpiece surface Direction. Especially in the spot welding of two Workpieces is the measure of the extent of this melting zone of particular importance to the quality and thus the Assess the strength of the weld. In this method, in several steps of each of generated a transducer or a segment of the array and thereafter through the workpiece and at least partially through the Anomaly or weld melt zone transmitted ultrasound, in each sampling step, another main propagation direction by means of the ultrasonic generating transducer or Segment substantially diametrically opposed transducer or Segments captured. A measured value obtained from this becomes the Determination of the relevant dimension of the anomaly or welding melt zone evaluated. For example, the one caused by the anomaly or weld melt zone caused runtime change or amplitude change used to measure the dimension in the main propagation direction appropriate direction to determine. It is up to the expert who Number of sampling steps and the direction of ultrasound depending on to choose the desired resolution. Of the Test head according to the invention is suitable especially for this method, because of the selective controllability the single transducer performed the procedure quickly and easily can be. In the advantageous embodiment of the inventions to the invention Probe are the transmitter (s) outside by the vertical projection of the melting zone to the respective Surface of the workpiece resulting area arranged. This ensures that the coupling of the converter to the surface of the workpiece not by a For example, weld-related deformation of the Surface is affected. The above described method is in a particularly preferred embodiment with the above-described tomographic method in combination carried out.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden mehrere Abtastschritte zeitgleich durchgeführt, um die Durchführung des Verfahrens zu beschleunigen.In In a further advantageous embodiment, a plurality of scanning steps carried out at the same time to complete the implementation of the Speed up procedure.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verschweißverfahren, wobei nach dem Verschweißen, insbesondere dem Punktverschweißen, wenigstens zweier Werkstücke ein Verfahren zur zerstörungsfreien Ultraschalluntersuchung gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen durchgeführt wird.The The invention further relates to a welding method, wherein after welding, in particular spot welding, at least two workpieces a process for non-destructive Ultrasound examination according to one of the above described embodiments is performed.
Die Erfindung betrifft schließlich eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einer seiner zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Die Vorrichtung umfasst den Prüfkopf in einer seiner zuvor beschriebenen Ausführungsformen, um in Abfolge in mehreren Abtastschritten sich in Richtung der Schweißverbindung ausbreitenden Ultraschall mit jeweils anderer Hauptausbreitungsrichtung zu erzeugen und um den zugehörigen reflektierten und/oder transmittierten Ultraschall zu erfassen. Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine Auswerteinheit, um die in den mehreren Abtastschritten erfassten Signale auszuwerten. Optional ist die Auswerteeinheit dazu eingerichtet, die erfassten Signale einem tomographischen Bildgebungsalgorithmus zu unterziehen, wobei das berechnete Bild auf einer integrierten oder separat ausgebildeten Anzeigevorrichtung zur Anzeige gebracht wird.The The invention finally relates to a device for implementation the method according to one of its previously described Embodiments. The device comprises the test head in one of his previously described embodiments, in succession in several scanning steps in the direction of the welded joint propagating ultrasound with each other main propagation direction to generate and the associated reflected and / or transmitted To record ultrasound. Furthermore, the device comprises a Evaluation unit to those detected in the several sampling steps Evaluate signals. Optionally, the evaluation unit is set up to the detected signals are a tomographic imaging algorithm undergo the calculated image on an integrated or separately formed display device displayed becomes.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einiger schematischer Darstellungen erläutert, ohne diese auf die gezeigte Ausführungsform zu beschränken.in the The invention will be described below with reference to a few schematic illustrations explained, without this to the embodiment shown to restrict.
Die
Bei
der gezeigten Messanordnung bilden in Radialrichtung benachbarte
Wandler eines gedachten Ringsegments jeweils ein Subarray
Das
Array des Prüfkopfs
Das
im Allgemeinen plattenförmige Werkstück ist über
einen durch das erfindungsgemäße tomographische
Verfahren zu untersuchenden, schematisch angedeuteten Schweißpunkt
In
der
Das
mittels der Subarrays
In
nachfolgenden Abtastschritten wird dann eines der anderen Subarrays
als Sender aktiviert und wieder entsprechend wenigstens das diametral
gegenüberliegende Subarray als Empfänger aktiviert. Das
Verfahren wird durchgeführt, bis wenigstens alle Segmente
wenigstens einmal als Sender aktiviert wurden und damit eine 360°-Abtastung
der Schweißverbindung zu erhalten. Es ergeben sich die
zugehörigen Projektionen, wie in
Obwohl eine Messanordnung in Durchstrahlungstechnik gezeigt ist, ist es auch denkbar, das Verfahren in Reflexionsanordnung durchzuführen, indem beispielsweise zum sendenden Subarray benachbarte Subarrays als Empfänger aktiviert werden.Even though it is shown a measuring arrangement in transmission technology also conceivable to carry out the method in reflection arrangement, for example, by subarrays adjacent to the sending subarray be activated as a receiver.
In
einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird zur Kompensation der räumlich inhomogenen
Schalldruckverteilung im vom sendenden Wandler bzw. Subarray einschallten Ultraschallstrahls
eine Eichmessung zum Ausgleich dieser Inhomogenität durchgeführt.
Hierzu wird der Prüfkopf
Bevorzugt
ist die dem Prüfkopf
Die
Schmelzzone
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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| SCHLOTE-HOLUBEK,K.,et.al.:Development of Ultrasound Sensor Arrays for 3D Ultrasound Computer Tomography, COMS-Commerciaization of Micro and Nano Systems,2005 Fig.1,2 |
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