DE102012112121A1

DE102012112121A1 - Verfahren und Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung eines rotationssymmetrischen Werkstücks, welches Abschnitte verschiedener Durchmesser aufweist

Info

Publication number: DE102012112121A1
Application number: DE102012112121.4A
Authority: DE
Inventors: Dieter Lingenberg
Original assignee: GE Sensing and Inspection Technologies GmbH
Current assignee: Baker Hughes Digital Solutions GmbH
Priority date: 2012-12-11
Filing date: 2012-12-11
Publication date: 2014-06-12
Anticipated expiration: 2032-12-12
Also published as: DE102012112121B4; EP2932253A1; US20150330948A1; WO2014090434A1; US9921186B2; CA2894850A1; CN105143874A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung eines rotationssymmetrischen Werkstücks (1), welches Abschnitte verschiedener Durchmesser aufweist, mittels einer zerstörungsfreien Prüftechnik wie Ultraschall. Im Rahmen des Verfahrens wird eine die Materialeigenschaften des Werkstücks charakterisierende Prüfdatenmenge mittels der Prüftechnik erzeugt. Aus dieser wird eine azimuthalwinkel-abhängige Anzeigewertmenge Ai erzeugt. Nachfolgend wird eine Darstellung (50) des Werkstücks (1) erzeugt, wobei die Elemente der Anzeigewertmenge Ai räumlich aufgelöst in der Darstellung (50) wiedergegeben werden. Insbesondere kann eine graphische Darstellung der Oberfläche des Werkstücks (1) generiert werden, in der evtl. aufgefundene Fehlersignale angezeigt werden.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung eines rotationssymmetrischen Werkstücks, welches Abschnitte verschiedener Durchmesser aufweist, mittels einer zerstörungsfreien Prüftechnik wie Ultraschall, Wirbelströmen oder Röntgen. Besonders bevorzugt wird als Prüftechnik eine Ultraschallprüfung gemäß der Puls-Echo-Methode verwendet. In einer besonders bevorzugten Weiterbildung sind das Verfahren und die Vorrichtung insbesondere zur Prüfung eines Werkstücks mit anisotroper Schallgeschwindigkeit geeignet. Eine anisotrope Schallgeschwindigkeit beobachtet man beispielsweise häufig bei Schmiedestücken, beispielsweise bei geschmiedeten Vollwellen, die beispielsweise in Schienenfahrzeugen Verwendung finden können.
Die zerstörungsfreie Prüfung von rotationssymmetrischen Werkstücken, die Abschnitte verschiedener Durchmesser aufweisen, mittels zerstörungsfreier Prüftechniken leidet oftmals unter dem Problem, dass die geometrische Struktur des Werkstücks geometriebedingte Signale der eingesetzten Prüftechnik hervorruft. Diese Signale sind mit der an sich bereits bekannten Geometrie des Werkstücks korreliert und enthalten daher oftmals keine weitergehenden Informationen. Darüber hinaus weisen diese sog. „Geometrieechos“ in vielen Fällen eine sehr hohe Amplitude auf. Es besteht daher die Möglichkeit, dass die intensiven Geometrieechos weniger intensive darunterliegende Signale überdecken, die z.B. mit aufzufindenden Fehlern im Werkstück korreliert sein können. Aufgrund der begrenzten Dynamik der im Rahmen der Prüftechnik verwendeten Signalverarbeitung besteht daher die Gefahr, dass Geometrieechos relevante Signale, z.B. Fehlersignale, „maskieren“.
Diese Problematik ist beispielsweise bei der Prüfung von Laufradsätzen von Schienenfahrzeugen mittels Ultraschall von besonderer Bedeutung. Laufradsätze von Schienenfahrzeugen umfassen in der Regel ein Laufradpaar, welches auf einer starren Voll- oder Hohlwelle gelagert ist. Die verwendeten Wellen weisen dabei oftmals abschnittsweise wechselnde Außendurchmesser auf, beispielsweise definierte Bereiche zur Aufnahme funktioneller Komponenten wie der Laufräder, Wälzlagern oder Bremsscheiben. Es ist offensichtlich, dass die Wellen von Laufradsätzen von Schienenfahrzeugen sicherheitsrelevante Bauteile darstellen, die im Rahmen der langen Lebensdauer von Schienenfahrzeugen einem natürlichen Verschleiß unterliegen. Aus diesem Grunde muss nicht nur bei der Herstellung von Laufradsätzen für Schienenfahrzeuge deren Fehlerfreiheit mittels zerstörungsfreier Prüfmethoden sichergestellt werden. Vielmehr bedarf es auch während der gesamten Lebensdauer eines Laufradsatzes der regelmäßigen Inspektion aller Komponenten, hier insbesondere der Laufräder sowie verwendeten Welle, auf Fehlerfreiheit. Bei den Wellen von Laufradsätzen von Schienenfahrzeugen wird in der Praxis als häufigste Verschleißerscheinung das Auftreten von Anrissen beobachtet, d.h. von rissartigen Ermüdungsbrüchen, die von der Oberfläche der jeweiligen Welle ausgehen. Jeder Betreiber von Schienenfahrzeugen muss daher geeignete Prüfverfahren und -vorrichtungen vorhalten, um die Laufradsätze von Schienenfahrzeugen regelmäßig auf ihre Fehlerfreiheit zu überprüfen.
Bis zum heutigen Tage stellt die Prüfung von rotationssymmetrischen Werkstücken mit abschnittsweise wechselndem Durchmesser mittels Ultraschall, insbesondere von Vollwellen von Schienenfahrzeugen, eine besonders herausfordernde Prüfaufgabe dar. Dies liegt insbesondere darin begründet, dass bei der Ultraschallprüfung von rotationssymmetrischen Werkstücken mit abschnittsweise wechselndem Durchmesser mittels der Puls-Echo-Methode intensive Geometrieechos beobachtet werden, die den Signalen nachzuweisender Fehler überlagert sein können.
Weiterhin ist die Überprüfung eines Laufradsatzes eines Schienenfahrzeuges häufig mit dem Stillstand des Schienenfahrzeugs verbunden, was unmittelbar mit hohen Stillstandkosten durch den Ausfall des Schienenfahrzeugs verbunden ist. Um diese zu minimieren wäre es wünschenswert, einen komplett montierten Laufradsatz prüfen zu können, d.h. einen Laufradsatz mit montierten Lagern und/oder Bremsscheiben. Sind diese montiert, so ist mit den aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschall-basierten Prüfverfahren eine Einschallung vom Wellenschaft oder von der Stirnfläche (z.B. mit einem Kegelprüfkopf) nicht möglich.
Schließlich stellt die Erzeugung einer einfach zu interpretierenden Darstellung der Ergebnisse der an einem rotationssymmetrischen Werkstück gewonnenen Ergebnisse z.B. einer Ultraschallprüfung ein nach Kenntnis der Anmelderin bislang nur ungenügend gelöstes Problem dar.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung eines rotationssymmetrischen Werkstücks, welches Abschnitte verschiedener Durchmesser aufweist, anzugeben, welches auf einer zerstörungsfreien Prüftechnik wie Ultraschall, Wirbelströmen oder Röntgen basiert. Dabei soll das Verfahren dazu geeignet sein, die Problematik der maskierenden Geometrieechos aus dem Werkstück mit abschnittsweise wechselndem Durchmesser zu entschärfen. Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Die Unteransprüche zeigen sowohl vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahren als auch der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die Unteransprüche im Rahmen des technisch Sinnvollen frei miteinander kombiniert werden können. Eine solche Kombination ist jedoch nicht zwingend erforderlich.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zur zerstörungsfreien Prüfung eines rotationssymmetrischen Werkstücks, welches Abschnitte verschiedener Durchmesser aufweist. Es basiert auf einer zerstörungsfreien Prüftechnik wie Ultraschall, Wirbelströmen oder Röntgen, wobei die Prüfung mittels Ultraschall gemäß des Puls-Echo-Verfahrens bevorzugt ist. Das Verfahren weist die folgenden Verfahrensschritte auf:

a. Erzeugen einer die Materialeigenschaften des Werkstücks charakterisierenden Prüfdatenmenge mittels der Prüftechnik, wobei die Elemente der Prüfdatenmenge jeweils einem definierten Prüfvolumen Vi im Werkstück zugeordnet sind, dessen Position im Werkstück durch einen Azimuthalwinkel Beta_i, einen Radialabstand Ri von der Symmetrieachse S des Werkstücks sowie eine X-Position Xi bezogen auf die Symmetrieachse S des Werkstücks definiert ist, wobei die Prüfdatenmenge eine Teilmenge T von mehreren Elemente umfasst, die einer Mehrzahl von Prüfvolumina Vi zugeordnet sind, die eine gemeinsame X-Position Xi und einen gemeinsamen Radialabstand Ri, aber verschiedene Azimuthalwinkel Beta_i aufweisen,
b. Bilden einer azimuthalwinkel-abhängigen Anzeigewertmenge Ai, wobei dieser Schritt das Differenzieren der Teilmenge T nach dem Azimuthalwinkel Beta umfasst, und
c. Erzeugen einer Darstellung (50) des Werkstücks (1), wobei die Elemente der Anzeigewertmenge Ai räumlich aufgelöst in der Darstellung (50) wiedergegeben werden.

Die Elemente der Prüfdatenmenge können dabei z.B. Ultraschallechosignale sein, die ihren Ursprung im Prüfvolumen Vi haben. Insbesondere können die Elemente der Prüfdatenmenge die maximale Echoamplitude aus den jeweiligen Prüfvolumina Vi umfassen. Besonders bevorzugt umfassen die Elemente der Prüfdatenmenge jeweils die Koordinaten (Xi, Ri, Beta_i) des jeweiligen Prüfvolumens Vi und die zugehörige maximale Echoamplitude. Anstelle der hier verwendeten Zylinderkoordinaten können selbstverständlich auch andere Koordinatensysteme verwendet werden.
Durch das Differenzieren (oder Ableiten) der Teilmenge T nach dem Azimuthalwinkel Beta werden Signale erzeugt, die mit der Veränderung der Prüfdaten bei einer Änderung des Azimuthalwinkels Beta einhergehen, die z.B. mittels einer Drehung des Werkstücks um dessen Symmetrieachse S um einen Drehwinkel Delta gewonnen werden können. Prüfdaten einer Teilmenge T, die mit rotationssymmetrischen geometrischen Strukturen korreliert und damit Prüfvolumina Vi mit gleichen Koordinaten Ri und Xi zuzuordnen sind, sind im Rahmen der Messgenauigkeit identisch. Derartige Strukturen erzeugen z.B. bei der Ultraschallprüfung mittels einem auf der Werkstückoberfläche aufgesetzten Winkelprüfkopf unabhängig vom Drehwinkel Delta stets dasselbe Echosignal. Im Rahmen der Messgenauigkeit sowie der beim numerischen Differenzieren einer Reihe von diskreten Werten typisch auftretenden Artefakten ergibt sich beim Differenzieren nach dem Azimuthalwinkel daher unabhängig vom Azimuthalwinkel der Wert Null, es sei denn, es liegt eine drehwinkelabhängige lokale Inhomogenität vor. Dort verursacht das damit einhergehende überlagerte zusätzliche Echosignal („Fehlerecho“), welches in der Regel auf wenige diskrete Drehwinkelwerte beschränkt ist, das Auftreten von zumindest zwei Signalen in der durch das Differenzieren gebildeten Ableitung. So erzeugt die ansteigende Signalflanke einen „spike“ (ein scharfes lokales Amplitudenmaximum) mit einem positiven Maximum. Die abfallende Signalflanke hingegen erzeugt einen negativen spike. Zwischen den Flanken des Fehlerechos hat die Ableitung einen Nulldurchgang. Zwischen den spikes liegen die durch Differenzieren gebildeten lokalen Steigungswerte in der Regel nahe Null.
Die Erfindung basiert nun darauf, für die Erzeugung einer graphischen Darstellung des Ergebnisses des Prüfverfahrens eine Signalverarbeitung durchzuführen, die auf den Ergebnissen des Differenzierens basiert.
In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung wird hierzu in Schritt b. weiterhin eine Schwellwertbetrachtung für die lokalen Steigungswerte durchgeführt, die sich beim Differenzieren der Teilmenge T nach dem Azimuthalwinkel Beta ergeben. Es werden diejenigen Prüfvolumina Vi identifiziert, in denen die durch Differenzieren gebildeten lokalen Steigungswerte eine voreingestellte (positive oder negative) Schwelle überschreiten. Es werden also solche Prüfvolumina identifiziert, in denen spikes liegen, die eine positive oder negative Mindesthöhe überschreiten. Bei der Bildung der Anzeigewertmenge A1 werden diesen Prüfvolumina Vi die in diesen Prüfvolumina erfassten maximalen Echosignalamplituden zugeordnet. Im einfachsten Fall bestehen die Elemente der Anzeigewertmenge Ai aus den Koordinaten (Xi, Ri, Beta_i) des jeweiligen Prüfvolumens Vi und der zugeordneten maximalen Echoamplitude. Unterschreitet ein durch das Differenzieren für ein Prüfvolumen Vi gebildeter Wert die voreingestellte Schwelle, so wird diesem Prüfvolumen Vi der Wert Null zugeordnet. Hierdurch wird nur den Prüfvolumina Vi, in denen die Flanken des Fehlerechos liegen, ein von Null verschiedener Wert Anzeigewert zugeordnet. Bei der graphischen Darstellung der Anzeigewerte werden dann nur die Flanken des Fehlerechos markiert, d.h. es tritt eine Kantenschärfung ein.
In einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung bestehen die Elemente der Anzeigewertmenge Ai ebenfalls aus den Koordinaten (Xi, Ri, Beta_i) des jeweiligen Prüfvolumens Vi und der zugeordneten maximalen Echoamplitude. Jedoch werden alle Echoamplituden auf null gesetzt, die nicht einem Prüfvolumen Vi zugeordnet sind,

• in dem der durch das Differenzieren für das Prüfvolumen Vi gebildete Wert die voreingestellte Schwelle überschreitet, oder
• welches zwischen einem Prüfvolumen Vi liegt, in dem die voreingestellte positive Schwelle überschritten wird, und einem Prüfvolumen Vi, in dem die voreingestellte negative Schwelle überschritten wird.

Die letztgenannten Prüfvolumina Vi können dann gerade einem Fehlerecho zugeordnet werden.
In beiden vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Anzeigewertmenge Ai eine Untermenge der Prüfdatenmenge, insbesondere ist sie darüber hinaus eine Untermenge der Teilmenge T.
Es wird darauf hingewiesen, dass das erfindungsgemäße Verfahren immer dann vorteilhaft anwendbar ist, wenn Prüfdaten aus einem Werkstück vorliegen, die von zumindest Raumkoordinaten (hier: Einschallwinkel Theta, Azimuthalwinkel Beta) abhängen. Durch Bilden einer Ableitung in einer Raumrichtung und das vorstehend beschriebene Schwellwertverfahren können auf einfachste Weise Prüfdaten in einer Darstellung des Werkstücks unterdrückt werden, die sich bei einem Scan in dieser Raumrichtung (hier: Azimuthalwinkel Beta) nicht oder nur langsam ändern. Damit ist das erfindungsgemäße Verfahren und dessen Implementierung in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht auf die Prüfung rotationssymmetrischer Werkstücke beschränkt. Vielmehr können Verfahren und Vorrichtung immer dann vorteilhaft eingesetzt werden, wenn das zu prüfende Werkstück ausgedehnte geometrische Strukturen aufweist, die mit dem verwendeten Prüfverfahren zu einer Anzeige führen. Eine solche Struktur kann z.B. eine geradlinig verlaufende Stufe in einer ansonsten ebenen Oberfläche sein.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Prüfdaten gewonnen durch Einschallen von Ultraschallprüfpulsen in das Werkstück an verschiedenen Einkoppelorten Ei unter verschiedenen definierten Einschallwinkeln Theta_i und nachfolgendem Aufnehmen der aus jeweils einem eingeschallten Ultraschallprüfpuls resultierenden Ultraschallechosignale aus dem Werkstück am Einkoppelort Ei unter dem Einschallwinkel Theta. Dabei können die Einkoppelorte Ei insbesondere auf der Mantelfläche des rotationssymmetrischen Werkstücks liegen. Die Erzeugung und Einkopplung der Ultraschallprüfpulse kann dann z.B. mittels eines schrägeinschallenden Ultraschallprüfkopfs erfolgen, der einen Ultraschallwandler zur Erzeugung der Ultraschallprüfpulse aufweist.
In einer weiteren voreilhaften Weiterbildung des auf der Puls-Echo-Methode basierenden erfindungsgemäßen Verfahrens wird für jeden Ultraschallprüfpuls ein Laufzeitintervalls I in Abhängigkeit vom Schallweg W des Ultraschallprüfpulses im Werkstück ausgewählt, wobei das gewählte Laufzeitintervall I mit einem vorausgewählten (z.B. einem oberflächennahen) Bereich ROI des Werkstücks korrespondiert. Nachfolgend wird ein Echowert G erzeugt durch Analysieren des Ultraschallechosignals im ausgewählten Laufzeitintervall I. Wiederholt man diese Verfahrensschritte für eine Mehrzahl von Drehwinkeln Delta des Werkstücks um seine Symmetrieachse S, so bilden die resultierenden Echowerte G die Prüfdatenmenge.
Der Schallweg W des Ultraschallprüfpulses im Werkstück ist dabei i.A. von der Werkstückgeometrie, dem Einkoppelort E, dem Einschallwinkel Theta, der Einschallrichtung sowie von den akustischen Eigenschaften sowohl des Werkstücks als auch des zur Erzeugung des Ultraschallprüfpulses verwendeten Ultraschallprüfkopfs abhängig. Die Einschallrichtung kann z.B. über den Neigungswinkel Phi der Schallausbreitungsrichtung gegen die von der Symmetrieachse S und dem Einkoppelort E definierte Ebene definiert werden. Der Neigungswinkel Phi ist in bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens Null, d.h. der Schallweg W und die Symmetrieachse S des Werkstücks spannen eine gemeinsame Ebene P auf.
Das erfindungsgemäße Verfahren stellt ein Prüfverfahren bereit, welches es erlaubt, das Ergebnis einer zerstörungsfreien Prüfung eines rotationssymmetrischen Werkstücks mit abschnittsweise wechselndem Durchmesser auf eine für einen Prüfer besonders einfach erfassbare Weise darzustellen. Dabei ist die erfindungsgemäß erzeugte Darstellung der Oberfläche des Werkstücks zweidimensional z.B. in Form eines C-Bilds, oder aber räumlich, wobei die räumliche, d.h. dreidimensionale Darstellung bevorzugt wird. Es ist für den Fachmann offensichtlich, dass von der hier beschriebenen Erzeugung einer graphischen Darstellung des Werkstücks sowohl die Erzeugung einer Datenmenge umfasst ist, die eine Darstellung des Werkstücks z.B. im Sinne eines CAD-Modells repräsentiert, als auch die tatsächliche Anzeige einer graphischen Darstellung des Werkstücks auf einer geeigneten Anzeigeeinheit, z.B. auf einem geeigneten Display, welches z.B. mit einer nachfolgend beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung verbunden sein kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird dem Schallweg W eines Ultraschallprüfpulses im Werkstück ein Punkt w auf der Oberfläche der Darstellung des Werkstücks zugeordnet wird. In der graphischen Darstellung des Werkstücks wird der einem solchen Punkt w zugeordnete Anzeigewert des Ultraschallprüfpulses auf geeignete Weise wiedergegeben, z.B. durch eine lokale Farb- oder Helligkeitscodierung. Dies wird beispielhaft im Rahmen des Ausführungsbeispiels nachfolgend noch genauer beschrieben.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Ultraschallechosignal zumindest im ausgewählten Laufzeitintervall I einer laufzeitabhängigen oder/und einschallwinkelabhängigen Verstärkung unterworfen. Hierdurch können schallschwächende Effekte z.B. durch die geometrische Aufweitung des Schallfelds entlang der Ausbreitungsrichtung, dessen Schwächung im Werkstück z.B. durch Streuung an Anisotropieen sowie eine etwaige Winkelabhängigkeit der Reflexion des Ultraschallprüfpulses an einer inneren Grenzfläche des Werkstücks kompensiert werden. In der Folge erzeugen Fehler gleicher Größe und Orientierung etwa gleich große Echosignale unabhängig von ihrer Position im Werkstück, was wiederum die Interpretierbarkeit des Ergebnisses des Prüfverfahrens nochmals verbessert.
Es ist für den Fachmann offensichtlich, dass das aufgenommene Ultraschallechosignal insbesondere nach einer Digitalisierung einer geeigneten Signalaufbereitung z.B. zur Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses unterworfen werden kann. Hierzu sind aus dem Stand der Technik vielfältige Verfahren bekannt.
Das Signal-zu-Rausch-Verhältnis kann ebenfalls deutlich verbessert werden, wenn die Verfahrensschritte a bis d. für einen festen Einkoppelort E und einen festen Einschallwinkel Theta mehrfach durchlaufen werden und ein Mittelwert <G> der erzeugten Echowerte G gebildet wird. Dieser Mittelwert <G> wird dann in Schritt e. räumlich aufgelöst in der Darstellung wiedergegeben.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Vielzahl aufeinander folgender Ultraschallpulse unter verschiedenen Einschallwinkeln Theta in das Werkstück eingeschallt. Es ist möglich, den Einschallwinkel Theta von Puls zu Puls zu variieren, es ist aber auch möglich, erst nach einer endlichen Folge von Pulsen unter gleichem Einschallwinkel den Einschallwinkel für eine sich anschließende Pulsfolge zu variieren. So verbessert eine Mittelwertbildung der auszuwertenden Fehlersignale über eine Mehrzahl von Echosignalen, die aus einer Mehrzahl von unter dem gleichen Einschallwinkel Theta eingekoppelten Ultraschallprüfpulsen resultieren, den Signal-Rausch-Abstand. Dabei wird bevorzugt für jeden Ultraschallprüfpuls, der in das Werkstück eingeschallt wird, das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird hierbei die Position des Einkoppelorts E auf der Oberfläche des Werkstücks bezogen auf dessen Symmetrieachse S im Wesentlichen konstant gehalten. „Im Wesentlichen konstant gehalten“ bedeutet in diesem Kontext insbesondere, dass die Position X eines Ultraschallprüfkopfs, der einen Ultraschallwandler zur Erzeugung der Ultraschallprüfpulse umfasst, in Bezug auf die Symmetrieachse S des Werkstücks konstant gehalten wird. Bei den in der Praxis gebräuchlichen Ultraschallprüfköpfen für die Schrägeinschallung mit variablem Einschallwinkel, bei denen der Ultraschallwandler auf einem z.B. keilförmigen Vorlaufkörper angeordnet ist, verändert sich der tatsächliche Einkoppelort bei einer Veränderung des Einschallwinkels geringfügig. Dieser Effekt soll hier vernachlässigt werden dürfen.
Sogenannte „Phased Array“-Ultraschallprüfköpfe, die im Stand der Technik bekannt sind und auf deren Verwendung im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung im Folgenden noch genauer eingegangen werden wird, erlauben ein elektronisches Durchstimmen des Einschallwinkels Theta über einen weiten Winkelbereich. Insbesondere im Zusammenhang mit den bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei denen der Einschallwinkel Theta zwischen verschiedenen Ultraschallprüfpulsen einer Prüfpulsfolge variiert wird, hat sich die Verwendung derartiger „Phased Array“-Prüfköpfe mit elektronisch durchstimmbarem Einschallwinkel Theta als besonders vorteilhaft herausgestellt. Besondere Vorteile ergeben sich, wenn weiterhin Prüfköpfe gemäß der Lehre der Familie der PCT/EP2010/0566154 verwendet werden, wobei diese Lehre durch diese Bezugnahme zur Offenbarung der vorliegenden Anmeldung hinzugefügt wird. Die Verwendung derartiger Prüfköpfe erlaubt eine Berücksichtigung der Krümmung der Ankoppelfläche in axialer und radialer Richtung, was insbesondere bei Wellen von Laufradsätzen vorteilhaft ist, deren Wellengeometrieen teilweise in Längsrichtung auch vollständig gekrümmt sein können, so dass – zumindest mit auf der Welle montierten Komponenten wie Laufrädern, Lagern oder Bremsscheiben, kein rein zylindrischer Bereich mit konstantem Durchmesser für die Ultraschallankopplung vorhanden ist.
Bevorzugt erfolgt die Einschallung des einen oder der mehreren Ultraschallprüfpulse in das Werkstück dergestalt, dass der Schallweg W des Ultraschallprüfpulses/der Ultraschallprüfpulse im Werkstück und die Symmetrieachse S des rotationssymmetrischen Werkstücks eine gemeinsame Ebene aufspannen, d.h. dass der Schallweg W des Ultraschallprüfpulses/der Ultraschallprüfpulse die Symmetrieachse S des rotationssymmetrischen Werkstücks schneidet. Diese gemeinsame Ebene wird im Folgenden auch als Einschallebene P bezeichnet. Diese Einschallgeometrie ist durch die Einschallrichtung Phi = 0° gekennzeichnet.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die relative Position von Prüfkopfposition X und Werkstück während der Durchführung eines ersten Verfahrensabschnitts des Prüfverfahrens, in dem der Einschallwinkel Theta kontinuierlich verändert wird, nicht verändert. Dies bedeutet, dass die vorstehend genannte Bedingung für alle in das Werkstück eingekoppelten Ultraschallprüfpulse in diesem ersten Verfahrensabschnitt erfüllt ist.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird unter Beibehaltung der Position des Ultraschallprüfkopfs bezogen auf die Symmetrieachse S des Werkstücks eine Folge von Ultraschallprüfpulsen in das Werkstück eingeschallt unter gleichzeitiger Variation des Einschallwinkels Theta und des Drehwinkels Delta. Hierbei wird beispielsweise nach dem Durchfahren eines vorgegebenen Intervalls für den Einschallwinkel Theta eine schrittweise relative Drehbewegung von Ultraschallprüfkopf und Werkstück um die Symmetrieachse S des Werkstücks durchgeführt. So ist beispielsweise ein elektronisches Durchstimmen des Einschallwinkels Theta über einen Winkelbereich von zumindest 30° bis 60°, bevorzugt von zumindest 20° bis 75° möglich. Nachfolgend wird eine relative Drehbewegung von Prüfkopf und Werkstück um die Symmetrieachse S des Werkstücks um beispielsweise maximal 5°, bevorzugt maximal 1° und besonders bevorzugt maximal 0,5° durchgeführt. Für diese neue Relativposition von Prüfkopf und Werkstück wird dann wiederum eine Folge von Ultraschallprüfpulsen unter variierendem Einschallwinkel Theta in das Werkstück eingeschallt. Hierauf erfolgt erneut eine Relativdrehung von Prüfkopf und Werkstück, usw. Insgesamt soll der relative Drehwinkel Delta von Prüfkopf und Werkstück um die Symmetrieachse S des Werkstücks über einen vollständigen Prüfzyklus zumindest 360° betragen, bevorzugt beträgt er 360° oder ein ganzzahliges Vielfaches von 360°.
In einer alternativen bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden der Einschallwinkel Theta und der relative Drehwinkel Delta von Werkstück und Ultraschallprüfkopf um die Symmetrieachse S des Werkstücks zugleich variiert, wobei bevorzugt die Drehgeschwindigkeit z.B. des Werkstücks um die eigene Symmetrieachse S so niedrig gewählt wird, dass sich noch eine ausreichende geometrische Überdeckung der Ultraschallprüfpulse in der ROI im Werkstück ergibt.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zwei Gruppen von Ultraschallprüfpulsen in das Werkstück eingeschallt. Dabei weist die erste Gruppe von Ultraschallprüfpulsen eine Laufrichtung auf, die eine Komponente in positiver Richtung der Symmetrieachse S des Werkstücks aufweist. Die zweite Gruppe der Ultraschallprüfpulse hingegen weist eine Laufrichtung auf, die eine Komponente in negativer Richtung der Symmetrieachse S des Werkstücks aufweist. Bevorzugt werden dabei die erste und die zweite Gruppe von Ultraschallprüfpulsen im Wesentlichen am gleichen Ort in das Werkstück eingekoppelt. Hierzu ist es insbesondere möglich, zwei Ultraschallwandler in einen Prüfkopf zu integrieren, die die ersten und zweiten Gruppen von Ultraschallprüfpulsen aussenden. Mittels dieser vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, den durchstimmbaren Winkelbereich und damit den von einer Prüfkopfposition X (bezogen auf die Symmetrieachse S des Werkstücks) zu erfassenden Raumbereich des Werkstücks praktisch zu verdoppeln, was eine nochmals erhöhte Effizienz bei der Ausführung des Verfahrens ermöglicht.
Vorteilhaft wird das erfindungsgemäße Prüfverfahren für verschiedene Prüfkopfpositionen X auf der Oberfläche des Werkstücks wiederholt durchgeführt. Dieser dritte Verfahrensabschnitt dient dazu, ein möglichst großes (oberflächennahes) Volumen des Werkstücks zu erfassen. In der Regel ist die Durchführung des Verfahrens an einigen wenigen diskreten Prüfkopfpositionen X ausreichend, um auch bei zerklüfteten Werkstückgeometrieen das gesamte zu analysierende (z.B. oberflächennahe) Volumen des Werkstücks zu erfassen.
Werden für ein Werkstück die Verfahrensabschnitte „Drehung des Werkstücks um die Symmetrieachse S, Variation des Einschallwinkels Theta und Variation der Prüfkopfposition X“ durchlaufen, so kann für die meisten Werkstückgeometrieen das gesamte zu analysierende Volumen des Werkstücks mit den Ultraschallprüfpulsen durchschallt und damit geprüft werden. Die hieraus erfindungsgemäß generierte Darstellung der Oberfläche des Werkstücks enthält damit eine vollständige Information über das Ergebnis der Ultraschallprüfung des gesamten oberflächennahen Volumens des Werkstücks. Besonders aussagekräftig ist die hier beschriebene grafische Darstellung des Ergebnisses des erfindungsgemäßen Ultraschallprüfverfahrens, da bei der Prüfung des Werkstücks eine vollständige Relativdrehung von Prüfkopf und Werkstück um 360° oder einem ganzzahligen Vielfachen davon um die Symmetrieachse des Werkstücks erfolgt ist. Da das Verfahren weiterhin von verschiedenen Prüfkopfpositionen X ausgehend durchgeführt wird, wird – eine geeignete Geometrie des rotationssymmetrischen Werkstücks vorausgesetzt – das gesamte Volumen des zu analysierenden (z.B. oberflächennahen) Bereichs des Werkstücks durchschallt und nachfolgend grafisch dargestellt.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erlaubt es, die Verfahrensdauer zu reduzieren, indem die zu analysierende Datenmenge effektiv reduziert wird. Dies gelingt, indem die Auswertung der aufgenommenen Ultraschallechosignale, die mit teilweise sehr langen Laufwegen des Prüfpulses im Werkstück korrespondieren, welche vor allem unter großen Einschallwinkeln Theta auftreten, auf diejenigen Echosignale begrenzt wird, die aus einem vorausgewählten (z.B. oberflächennahen) Bereich des zu untersuchenden Werkstücks resultieren. Dieser vorausgewählte Bereich wird im Kontext der vorliegenden Erfindung auch als „region of interest“ (ROI) bezeichnet. In der Regel wird die bei der Ausführung des Verfahrens anzuwendende ROI in Kenntnis der Materialeigenschaften sowie der Geometrie des Werkstücks vom Prüfer festgelegt. Bei Vollwellen von Laufradsätzen von Schienenfahrzeugen wird die ROI in bevorzugt angrenzend an diejenige innere Oberfläche des Werkstücks ausgewählt, an der eine erste Reflexion des Ultraschallprüfpulses im Werkstück auftritt.
Eine solche ROI kann z.B. auf den Raumbereich des Werkstücks beschränkt sein, der sich ausgehend von der Oberfläche des Werkstücks um einige bis einige zig Millimeter radial nach innen erstreckt, beispielsweise um 30 bis 60 Millimeter, bevorzugt um 40 Millimeter.
Die ROI kann auch entlang der Symmetrieachse des Werkstücks abschnittsweise unterschiedlich definiert sein, z.B. in Bereichen mit wechselndem Wellendurchmesser eine größere Ausdehnung aufweisen als in Bereichen mit konstantem Durchmesser.
So kann ROI auch bewusst abschnittsweise größer gewählt werden, z.B. um Anzeigen aus einem an der Vollwelle evtl. ausgebildeten Rad-, Lager- oder Bremssitz darzustellen.
Wegen der bestehenden Unsicherheit bezüglich der Schallgeschwindigkeit in einem geschmiedeten Werkstück ist es vorteilhaft, die ROI nicht nur bis zum Auftreffen des Ultraschallprüfpulses auf der inneren Oberfläche des Werkstücks zu beschränken, sondern noch eine gewisse Laufzeit darüber hinaus, d.h. in der ROI erfolgt möglichweise eine innere Totalreflexion an der Oberfläche des Werkstücks. Zumindest jedoch erreicht der Ultraschallprüfpuls mit sehr guter Sicherheit die innere Oberfläche des Werkstücks.
Das mit der ROI korrespondierende auszuwählende Laufzeitintervall bezieht sich auf die Antwortzeit zwischen dem Einkoppeln des Ultraschallprüfpulses in das Werkstück und dem Eintreffen von Ultraschallechosignalen. Die Werkstückgeometrie wird als bekannt angenommen, ebenso die akustischen Eigenschaften des Werkstücks. Weiterhin sind der Einkoppelort E des Ultraschallpulses, der Einschallwinkel Theta sowie die Einschallrichtung bekannt. Wie bereits erwähnt kann die Einschallrichtung z.B. über den Neigungswinkel Phi der Schallausbreitungsrichtung gegen die von der Symmetrieachse S und dem Einkoppelort E definierte Ebene definiert werden. Der Neigungswinkel Phi ist in bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens Null, d.h. der Schallweg W und die Symmetrieachse S der Werkstücks spannen eine gemeinsame Ebene P auf. Der Einkoppelort E ist unmittelbar mit der Prüfkopfposition X auf der Oberfläche des Werkstücks sowie dem Einschallwinkel Theta verknüpft. Hieraus lässt sich der Schallweg W des Ultraschallprüfpulses im Werkstück bestimmen, der also bei gegebener Werkstückgeometrie sowie gegebenen Werkstückeigenschaften im Allgemeinen eine Funktion der Prüfkopfposition X, des Einschallwinkels Theta sowie des Neigungswinkels Phi ist. Insbesondere lässt sich die Laufzeit tROI_EIN bestimmen, nach der der Ultraschallprüfpuls in die vom Prüfer vorab festgelegte ROI eintritt. Weiterhin lässt sich eine Laufzeit tROI_AUS festlegen, nach der die erste Reflexion des Ultraschallprüfpulses an einer inneren Oberfläche des Werkstücks erfolgt ist. Für einen gegeben Einschallwinkel Theta kann die ROI über dieses Laufzeitintervall I definiert werden, d.h. jedes Echosignal, was nach einer Antwortzeit tAntwort mit 2tROI_EIN ≤ tAntwort ≤ 2tROI_AUS aufgenommen wird, resultiert von einem Ultraschallreflektor (z.B. einer lokalen Anisotropie im Materialgefüge des Werkstücks, der lokalen Werkstückgeometrie, einer Fehlstelle) in der ROI. Es ist offensichtlich, dass das Laufzeitintervall I in der Regel vom gegebenen Einschallwinkel Theta abhängig ist.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung wird die ROI über das für einen gegebenen Einschallwinkel Theta ausgewählte (und damit zu analysierende) Laufzeitintervall I definiert. Grundlage ist die Schallgeschwindigkeit für den Ultraschallprüfpuls im Werkstück, die nur bis auf eine gewisse Unsicherheit genau angegeben werden kann. Der Beginn des Laufzeitintervalls I wird durch den Zeitpunkt 2tROI_EIN definiert, zu dem der Ultraschallprüfpuls frühestens erstmalig auf die innere Oberfläche auftrifft, d.h. man geht von der höchsten möglichen Schallgeschwindigkeit aus. Das Ende des Laufzeitintervalls I wird durch den Zeitpunkt 2tROI_AUS definiert, zu dem der Ultraschallprüfpuls spätestens erstmalig auf die innere Oberfläche auftrifft, d.h. man geht von der niedrigsten möglichen Schallgeschwindigkeit aus. Hierdurch wird sichergestellt, dass der Ultraschallprüfpuls im ausgewählten Laufzeitintervall sicher auf die innere Oberfläche des Werkstücks auftrifft, d.h. die innere Oberfläche liegt in jedem Fall innerhalb der ROI.
Ggf. kann hier das zu analysierende Laufzeitintervall I und damit auch die ROI zusätzlich durch einen definierten „Zuschlag“ (z.B. ±5%, ±10%, ±15%) auf die maximale bzw. minimale anzunehmende Schallgeschwindigkeit vergrößert werden. Dies stellt eine vorteilhafte Weiterbildung der o.g. bevorzugten Ausgestaltung dar. Hierdurch kann erreicht werden, dass stets ein oberflächennaher Bereich mit einer definierten, insbesondere gleichbleibenden Dicke von beispielsweise 30 bis 60 mm, bevorzugt von 40mm und darüber, untersucht wird.
Gemäß der besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Analyse des aus dem Werkstück unter dem Winkel Theta aufgenommenen Ultraschallechosignals auf Fehlersignale Fi auf das ausgewählte Laufzeitintervall I beschränkt, das mit dem zu prüfenden (z.B. oberflächennahen) Bereich des Werkstücks korrespondiert.
In ihrer vorteilhaften Weiterentwicklung stellt die Erfindung ein praxisgerechtes Verfahren für eine effektive Datenreduktion auf eine vom Benutzer für die jeweilige Prüfaufgabe individuell zu definierende ROI zur Verfügung. Diese effektive Datenreduzierung erlaubt die Verwendung sehr hoher Pulsrepetitionsraten im Bereich von bis zu einigen kHz und eine höchste zeitliche Auflösung bei der Analyse der Ultraschallechosignale. Mittels des Verfahrens und der Vorrichtung sind weiterhin oberflächennahe Fehler im Werkstück auch bei zerklüfteter Werkstückgeometrie und ggf. auf der Werkstückoberfläche montierten weiteren Komponenten zuverlässig nachzuweisen, wobei Verfahren und Vorrichtung so effektiv einsetzbar sind, dass übermäßig lange Prüfzeiten vermieden werden.
In einem alternativen Ansatz, der gleichfalls von der Erfindung umfasst sein soll, wird das zeitaufgelöst aufgenommene Echosignal im Wesentlichen über ein Laufzeitintervall I vom Eintritt in Werkstück bis zur doppelten Laufzeit bis zum ersten Auftreffen auf die innere Oberfläche das Werkstücks auf der dem Prüfkopf gegenüberliegenden Seite digitalisiert, wodurch eine umfangreiche Rohdatenmenge erzeugt wird. Diese wird auf eine zu analysierende Untermenge von Datenpunkten reduziert, indem nur diejenigen Datenpunkte ausgewählt werden, deren Ursprung in der vorher definierten ROI liegt. Beide Ansätze führen im Ergebnis zur Auswahl derselben Untermenge an zu analysierenden Datenpunkten / Echosignalen. Sie sind daher als im Ergebnis äquivalent anzusehen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur zerstörungsfreien Prüfung eines rotationssymmetrischen Werkstücks mit abschnittsweise wechselndem Durchmesser mittels eines zerstörungsfreien Prüfverfahrens, z.B. mittels Ultraschall gemäß der Puls-Echo-Methode, vorgesehen. Insbesondere ist sie geeignet zur Prüfung von geschmiedeten Vollwellen von Laufradsätzen von Schienenfahrzeugen. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung weist zumindest eine Ansteuereinheit auf, die dazu eingerichtet ist:

a) eine die Materialeigenschaften des Werkstücks charakterisierenden Prüfdatenmenge mittels der Prüftechnik zu erzeugen, wobei die Prüfdaten jeweils einem definierten Prüfvolumen Vi im Werkstück zugeordnet sind, dessen Position im Werkstück durch einen Azimuthalwinkel Beta_i einen Radialabstand Ri von der Symmetrieachse S des Werkstücks sowie eine X-Position Xi bezogen auf die Symmetrieachse S des Werkstücks definiert ist, wobei die Prüfdatenmenge eine Teilmenge T von Prüfdaten von einer Mehrzahl von Prüfvolumina Vi umfasst, die eine gemeinsame X-Position und einen gemeinsamen Radialabstand R aber verschiedene Azimuthalwinkel Beta_i aufweisen,
b) eine azimuthalwinkel-abhängige Anzeigewertmenge Ai aus der Teilmenge T zu erzeugen, wobei diese Erzeugung das Differenzieren der Teilmenge T nach dem Azimuthalwinkel Beta umfasst, und
c) eine Darstellung des Werkstücks zu erzeugen, wobei die Elemente der Anzeigewertmenge Ai räumlich aufgelöst in der Darstellung wiedergegeben werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Ansteuereinheit der Prüfvorrichtung weiterhin dazu eingerichtet, eine Schwellwertbetrachtung für die Amplitude der lokalen Steigungswerte durchzuführen, die sich beim Differenzieren der Teilmenge T nach dem Azimuthalwinkel Beta ergeben. Insbesondere ist die Ansteuereinheit in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Prüfvorrichtung weiterhin dazu eingerichtet, in Abhängigkeit von der Schwellwertbetrachtung Elemente der Anzeigewertmenge auf null zu setzen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere dazu geeignet, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. In vorteilhaften Weiterbildungen der Vorrichtung sind die vorstehend beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Ansteuereinheit implementiert. Diese verschiedenen Ausgestaltungen erlauben daher insbesondere die Realisierung derjenigen Vorteile, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bereits diskutiert wurden, worauf an dieser Stelle verwiesen wird.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung umfasst die Prüfvorrichtung eine Führungsvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, den Prüfkopf relativ zur Symmetrieachse S des Werkstücks dergestalt auszurichten, dass der Schallweg W des Ultraschallprüfpulses im Werkstück und die Symmetrieachse S eine gemeinsame Ebene, die Einschallebene P, aufspannen. Dies bedeutet, dass die Laufrichtung der vom Prüfkopf in das Werkstück eingeschallten Ultraschallprüfpulse eine Komponente in Richtung der Symmetrieachse des Werkstücks aufweist. Indem die vorstehend beschriebene Laufrichtung der in das Werkstück eingeschallten Ultraschallprüfpulse mittels der Führungsvorrichtung sichergestellt wird, ergibt sich ein besonders einfaches Schallfeld im Werkstück. Dies vereinfacht die nachfolgende Signalverarbeitung und -auswertung.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung weist der Prüfkopf einen Ultraschallwandler auf, der in eine Mehrzahl von individuell ansteuerbaren Wandlersegmenten aufgeteilt ist. Derartige Prüfköpfe sind aus dem Stand der Technik bekannt, sie werden als „Phased Array“ Prüfköpfe bezeichnet und erlauben es beispielsweise, bei geeigneter elektronischer Ansteuerung der individuellen Wandlersegmente den Einschallwinkel der vom Ultraschallprüfkopf erzeugten Ultraschallpulse in das Werkstück elektronisch zu steuern. Besonders bevorzugt werden Ultraschallprüfköpfe gemäß der Lehre der Familie der PCT/EP2010/056614 verwendet. Weiterhin ist in einer bevorzugten Ausgestaltung die Ansteuereinheit dazu eingerichtet, einen Prüfkopf des Phased-Array-Typs auf die vorgenannte Art und Weise anzusteuern, so dass der Einschallwinkel Theta in das Werkstück elektronisch einstellbar ist. Weiterhin ist die Ansteuereinheit dazu eingerichtet, mittels des Prüfkopfs eine Folge von Ultraschallprüfpulsen unter verschiedenen Einschallwinkeln Theta in das Werkstück einzuschallen.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung umfasst diese weiterhin eine Drehvorrichtung. Die Drehvorrichtung ist dazu eingerichtet, eine Relativbewegung von Prüfkopf und Werkstück zu erzeugen, dergestalt, dass das Werkstück um seine Symmetrieachse S unter dem Prüfkopf gedreht wird. Bevorzugt umfasst die Drehvorrichtung ein Mittel zur Erfassung des Drehwinkels Delta der Relativbewegung, z.B. einem Encoder. Weiterhin ist sie bevorzugt mit der Ansteuereinheit der Prüfvorrichtung dergestalt verbunden, dass der erfasste Drehwinkel Delta der Drehbewegung an die Ansteuereinheit übermittelt werden kann. In einer vereinfachten Ausgestaltung dieser Vorrichtung wird nicht der von der Drehvorrichtung tatsächlich angewendete Winkel der Relativbewegung von Prüfkopf und Werkstück erfasst und von der Drehvorrichtung an die Ansteuereinheit übermittelt. Vielmehr ist die Ansteuereinheit dazu eingerichtet, die Drehvorrichtung dergestalt anzusteuern, dass diese eine Relativbewegung von Prüfkopf und Werkstück um einen von der Ansteuereinheit vorgegebenen Drehwinkel Delta zu erzeugen. Eine Erfassung des Winkels der tatsächlich ausgeführten Drehbewegung muss hier nicht erfolgen, d.h. z.B. ein Encoder kann entfallen.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung weist der Prüfkopf der Prüfvorrichtung zwei Ultraschallwandler auf. Diese sind dadurch gekennzeichnet, dass die Laufrichtung eines ersten Teils der Pulse eine Komponente in Richtung der Symmetrieachse S des Werkstücks aufweist und die Laufrichtung eines zweiten Teils der Pulse eine Komponente aufweist, die entgegen der Richtung der Symmetrieachse S orientiert ist. Eine besonders kompakte Bauweise ergibt sich, wenn die beiden Ultraschallwandler auf einem gemeinschaftlichen Vorlaufkörper angebracht sind, der beispielsweise aus Polystyrol, Polykarbonat oder Plexiglas bestehen und in einem gemeinsamen Prüfkopfgehäuse angeordnet sein kann.
Schließlich umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung eine mit der Ansteuereinheit verbundene Anzeigeeinheit, z.B. ein LCD. Die Ansteuereinheit ist dann dazu eingerichtet, eine graphische Darstellung des Werkstücks auf der Anzeigeeinheit zu erzeugen.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie den nachfolgenden Ausführungsbeispielen. Die Ausführungsbeispiele sind nicht einschränkend zu verstehen, sie dienen dem Fachmann zum Verständnis der vorstehend allgemein beschriebenen Erfindung. Die Ausführungsbeispiele werden näher erläutert anhand der Zeichnung. In dieser zeigen:
1: eine Seitenansicht einer typischen Vollwelle eines Laufradsatzes eines Schienenfahrzeugs,
2: eine schematische Darstellung eines Prüfkopfs und einer Ansteuereinheit gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung,
3: eine Teilschnittdarstellung durch die Vollwelle aus 1 zur Veranschaulichung der Schallwege der Ultraschallprüfpulse im Werkstück und der ROI,
4: ein Diagramm, aus dem die Datenreduktion durch die Einführung der ROI deutlich wird,
5: ein Diagramm, aus dem die sich bei einem Scan des Winkels Theta bei konstantem Drehwinkel Delta und festgehaltenem Einschallort E im zugehörigen Prüfvolumen V ergebenden maximalen Echoamplituden Amax ersichtlich sind,
6: ein C-Bild aufgenommen an dem Vollwellenabschnitt gemäß 3, und
7: eine dreidimensionale Darstellung des Vollwellenabschnitts aus 3 mit eingezeichneten detektierten Fehlersignalen Fi.
1 zeigt in Seitenansicht eine typische Vollwelle 100 eines Laufradsatzes eines Schienenfahrzeugs. Es handelt sich um ein rotationssymmetrisches Schmiedestück mit abschnittsweise wechselndem Durchmesser, wie aus 1 deutlich wird. Die Welle 100 weist insbesondere verschiedene Abschnitte mit konstantem Durchmesser auf, die vorgesehen sind zur Aufnahme der Laufradnaben, der Wälzlager, mit denen die Vollwelle drehbar am Schienenfahrzeug gelagert ist, und einer mittig angeordneten Bremsscheibe. Als Schmiedeteil weist eine Vollwelle gemäß 1 typisch eine gewisse Anisotropie der Schallgeschwindigkeit für Ultraschall auf, die durch lokale Gefügeveränderungen verursacht durch den Schmiedeprozess hervorgerufen wird. Die Vollwelle 100 ist dabei rotationssymmetrisch zu der eingezeichneten Rotationsachse S.
2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung 10, die eine Ansteuereinheit 20 und einen mit dieser verbundenen Prüfkopf 40 umfasst. Der Prüfkopf 40 umfasst einen segmentierten Ultraschallwandler 42 vom Phased-Array-Typ. Er umfasst daher eine Mehrzahl von individuell ansteuerbaren Wandlerelementen (nicht dargestellt). Der segmentierte Ultraschallwandler 42 ist dabei auf einem Vorlaufkörper 44 angeordnet, der seinerseits aus einem Material besteht, welches für die Schrägeinschallung in ein geschmiedetes Werkstück aus Stahl geeignet ist. Der Vorlaufkörper 44 besteht oftmals aus Polystyrol, Polykarbonat oder Plexiglas^®. In der Regel sind sowohl der Vorlaufkörper 44 als auch der segmentierte Wandler 42 zur Abschirmung vor Umwelteinflüssen angeordnet in einem gemeinsamen Prüfkopfgehäuse (nicht dargestellt). In 2 ist der Prüfkopf 40 aufgesetzt auf die zylindrische Oberfläche eines rotationssymmetrischen Werkstücks 1 dargestellt, bei welchem es sich beispielsweise um die aus 1 ersichtliche Vollwelle 100 handeln kann. Die vom Vorlaufkörper 44 ausgebildete Kontaktfläche, mit der der Prüfkopf auf die Oberfläche des Werkstücks 1 aufgesetzt wird, weist daher auch eine hohlzylindrische Formgebung auf, deren Innendurchmesser an den Außendurchmesser des Werkstücks 1 angepasst ist. Wie einleitend bereits ausgeführt wurde gibt es sehr viele verschiedene Wellengeometrieen, die in Längsrichtung auch vollständig gekrümmt sein können, d.h. es ist möglich, dass das zu untersuchende Werkstück keinen rein zylindrischen Bereich mit konstantem Durchmesser aufweist. Unter Verwendung der aus der PCT/EP2010/056614 bekannten technischen Lehre ist auch die Verwendung von Prüfköpfen möglich, deren Vorlaufkörper sowohl in Längsrichtung als auch in Querrichtung an den Querschnitt des Werkstücks angepasst sind. Diese Anpassung erfolgt dabei in der Regel lokal, d.h. für eine vorgegebene X-Position bezogen auf die Symmetrieachse S des Werkstücks.
Die Ansteuereinheit 20 ist dazu eingerichtet, den Prüfkopf 40 so anzusteuern, dass er einen Ultraschallprüfpuls erzeugt, der unter einem definierten Einschallwinkel Theta in das Werkstück 1 eingekoppelt wird. Die Ansteuereinheit 20 ist weiterhin dazu eingerichtet, den Einschallwinkel Theta kontrolliert zu verstellen. In 2 sind exemplarisch drei Schallwege von drei Ultraschallprüfpulsen dargestellt, die unter verschiedenen Einschallwinkeln Theta 1, Theta 2 und Theta 3 in das Werkstück 1 eingekoppelt werden. Während die Einschallwinkel Theta 1, Theta 2 und Theta 3 mit sehr guter Genauigkeit durch die Ansteuereinheit 20 kontrolliert werden können, sind die sich im Werkstück 1 ergebend Eintrittswinkel Gamma 1, Gamma 2 und Gamma 3 mit einer gewissen Unsicherheit behaftet, die unmittelbar mit der vorstehend erwähnten Anisotropie der Schallgeschwindigkeit für Ultraschall in der geschmiedeten Vollwelle 100 verknüpft ist. Ebenso ist aus 2 sofort ersichtlich, dass sich bei konstanter Prüfkopfposition X bei einer Variation des Einschallwinkels Theta aufgrund der Brechung beim Übertritt in das Werkstück der Einkoppelort E geringfügig verändert, d.h. bei konstanter Position X ergibt sich für jeden Einschallwinkel Theta 1, 2, 3 ein anderer Einkoppelort E1, 2, 3. Sind die Anforderungen an die Genauigkeit der Prüfung nicht zu hoch kann dieser Effekt vernachlässigt werden, z.B. bei der Bestimmung der Position w, an der der Schallweg W für einen gegebenen Einschallwinkel Theta und eine gegebene Prüfkopfposition X auf der inneren Oberfläche des Werkstücks auftrifft. Bei höheren Anforderungen an die Genauigkeit kann er rechnerisch berücksichtigt werden, z.B. bei der Bestimmung der Position w.
Die Ansteuereinheit 20 ist weiterhin dazu eingerichtet, mittels des Prüfkopfs 40 ein Ultraschallechosignal bevorzugt unter dem Winkel Theta aus dem Werkstück 1 zeitaufgelöst aufzunehmen und nachfolgend in einem ausgewählten Laufzeitintervall I zu digitalisieren. Die Ansteuereinheit 20 ist in diesem Zusammenhang dazu eingerichtet, ein Laufzeitintervall I in Abhängigkeit vom Schallweg W des Ultraschallprüfpulses im Werkstück 1 auszuwählen, wobei dieses gewählte Laufzeitintervall mit einem oberflächennahen Bereich des Werkstücks 1 korrespondiert. Wie bereits einleitend erwähnt ist der Schallweg des Ultraschallprüfpulses im Werkstück dabei i.A. von der Werkstückgeometrie, der Position X des Prüfkopfs sowie vom Einschallwinkel Theta und Neigungswinkel Phi und von den akustischen Eigenschaften des Werkstücks abhängig. Insbesondere kann die Ansteuereinheit 20 dazu eingerichtet sein, es dem Bediener zu erlauben, den genannten oberflächennahen Bereich in Abhängigkeit von der Werkstückgeometrie selbständig zu definieren. Hierbei kann auch die konkret gewählte Prüfkopfposition berücksichtig werden.
Bevorzugt wird die ROI über das für einen gegebenen Einschallwinkel Theta ausgewählte (und damit zu analysierende) Laufzeitintervall definiert. Grundlage ist die Schallgeschwindigkeit für den Ultraschallprüfpuls im Werkstück, die nur bis auf eine gewisse Unsicherheit genau angegeben werden kann. Der Beginn des Laufzeitintervalls I wird durch den Zeitpunkt 2tROI_EIN definiert, zu dem der Ultraschallprüfpuls frühestens erstmalig auf die innere Oberfläche auftrifft, d.h. man geht hier i.A. von der höchsten möglichen Schallgeschwindigkeit aus. Das Ende des Laufzeitintervalls I wird durch den Zeitpunkt 2tROI_AUS definiert, zu dem der Ultraschallprüfpuls spätestens erstmalig auf die innere Oberfläche auftrifft, d.h. man geht hier i.A. von der niedrigsten möglichen Schallgeschwindigkeit aus. Im Einzelfall können sich Abweichungen aufgrund von Werkstückgeometrie und der Veränderung von Laufwegen W durch die Veränderung des Eintrittswinkels Gamma (vgl. 2) bei einer Variation der Schallgeschwindigkeit ergeben. Hierdurch wird sichergestellt, dass der Ultraschallprüfpuls im ausgewählten Laufzeitintervall I sicher auf die innere Oberfläche des Werkstücks auftrifft, d.h. die innere Oberfläche liegt in jedem Fall innerhalb der ROI.
Ggf. kann hier das zu analysierende Laufzeitintervall I und damit auch die ROI zusätzlich durch einen definierten „Zuschlag“ (z.B. ±5%, ±10%, ±15%) auf die maximale bzw. minimale anzunehmende Schallgeschwindigkeit vergrößert werden. Dies stellt eine vorteilhafte Weiterbildung der o.g. bevorzugten Ausgestaltung dar. Hierdurch kann erreicht werden, dass stets ein oberflächennaher Bereich mit einer definierten, insbesondere gleichbleibenden Dicke von beispielsweise 30 bis 60 mm, untersucht wird, bevorzugt von 40 mm und darüber.
Wie erwähnt ist die Ansteuereinheit 20 dazu eingerichtet, ein „oberflächennahes“ Laufzeitintervall I auszuwählen. Nachfolgend digitalisiert und analysiert die Ansteuereinheit 20 die aufgenommenen Ultraschallechosignale im ausgewählten „oberflächennahen“ Laufzeitintervall I auf Fehlersignale Fi, das heißt auf Ultraschallechosignale, die auf oberflächennahe Fehler im Werkstück 1 wie z.B. Anrisse bzw. oberflächennahe Defekte hinweisen. Im einfachsten Fall wird hier nur eine maximale Echoamplitude im Laufzeitintervall I bestimmt und keine Bewertung der Echoamplitude als „Fehlersignal Fi“ bzw. „kein Fehlersignal“ vorgenommen. Vielmehr wird die Echoamplitude (oder ein ähnlicher, aber differenzierter gewonnener Wert) selbst als Fehlersignal Fi angesehen, d.h. für jede Prüfkopfposition X, jeden Einschallwinkel Theta und jeden Drehwinkel Delta (siehe nachfolgend) liegt zumindest ein Fehlerwert Fi vor.
Mittels 3, die eine Teilschnittdarstellung der Vollwelle 100 aus 1 wiedergibt, wird das erfindungsgemäße Konzept der Auswahl eines oberflächennahen Bereichs, der Region of Interest, verdeutlicht. 3 zeigt die Schallwege W einer Vielzahl von Ultraschallprüfpulsen, die mittels des ortsfesten, an der Position X auf der Oberfläche des Werkstücks 1 angeordneten Prüfkopfs 40 an einem im Wesentlichen konstanten Einkoppelort E in das Werkstück 1 eingekoppelt werden. Dabei wird von einem Ultraschallprüfpuls zum nächsten sukzessive der Einschallwinkel Theta zwischen voreingestellten Grenzen, die typisch zwischen 20 und 75° liegen, variiert. Auf diese Weise wird ein ausgedehnter Abschnitt der der Prüfkopfposition X bzw. dem Einkoppelort E gegenüberliegenden inneren Oberfläche der Vollwelle 100 mittels der Ultraschallprüfpulse abgetastet. Der Prüfkopf 40 erfasst zu jedem unter einem bestimmten Einschallwinkel Theta in die Vollwelle 100 eingeschallten Ultraschallprüfpuls das unter dem Winkel Theta aus der Vollwelle 100 zurückkehrende Echosignal zeitaufgelöst.
In 3 ist weiterhin schematisch angedeutet, dass die ROI in eine Vielzahl von Prüfvolumina Vi zerlegt ist, deren Stärke in Radialrichtung gerade der lokalen Stärke der ROI entspricht. Die Länge der Volumina Vi in X-Richtung ist durch die Schrittweite ΔTheta des Durchstimmens des Einschallwinkels Theta bestimmt. Die Position der jeweiligen Prüfvolumina Vi ist durch einem Punkt wi auf der Oberfläche des Werkstücks 1 bestimmt, der im vorliegenden Beispiel durch den Ort des ersten Auftreffens des Ultraschallprüfpulses auf der inneren Oberfläche des Werkstücks 1 gegeben ist. Hierbei wird bevorzugt die aus der Unsicherheit bezüglich der lokalen Schallgeschwindigkeit resultierende Unsicherheit im Eintrittswinkel Gamma und die sich hieraus ergebende Unsicherheit bezüglich des Orts des ersten Auftretens auf der inneren Oberfläche des Werkstücks 1 vernachlässigt. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels ist dem Schallweg W, der sich vom Einkoppelort E unter dem Einschallwinkel Theta ergibt, genau ein Prüfvolumen Vi zugeordnet, nämlich das Prüfvolumen, was am Ort des ersten Auftreffens des entlang des Schallwegs W propagierenden Ultraschallprüfpulses auf der inneren Oberfläche des Werkstücks 1 angeordnet ist. In Umfangsrichtung ist die Stärke der Prüfvolumina Vi bestimmt durch die Schrittweite ΔDelta, mit der das Werkstück um die eigene Symmetrieachse S gedreht wird. Die Schrittweite ΔDelta beträgt im gezeigten Ausführungsbeispiel 0,72°, so dass 500 Schritte einer vollen Umdrehung um 360° entsprechen. In 3 ist beispielhaft eine Vielzahl von Prüfvolumina Vi (i = 1, ..., 250) gezeigt, die alle dieselben X- und R-Koordinaten (Xi, Ri) aufweisen und sich nur im Azimuthalwinkel Beta voneinander unterscheiden.
In 7 ist allgemein ein Prüfvolumen Vi dargestellt, dessen Position im Werkstück 1 (hier: im Vollwellenabschnitt 100) durch die Koordinaten X, R und Beta definiert ist.
Hat man zuvor die ROI definiert in Abhängigkeit von der Geometrie des zu prüfenden Werkstücks 1, wie dies in 3 durch die Linien 11 und 12 angedeutet ist, so ist es für jeden von der Ansteuereinheit 20 eingestellten Einschallwinkel Theta bei bekanntem Einkoppelort möglich, die Laufzeit tROI_EIN zu bestimmen, bis der unter dem Winkel Theta in das Werkstück 1 eingeschallte Ultraschallprüfpuls die ROI erreicht. Diese Laufzeit tROI_EIN korrespondiert aufgrund der an sich bekannten Schallgeschwindigkeit im Material des Werkstücks 1 mit einer Lauflänge L_{ROI_EIN} im Werkstück, wie aus 4 deutlich wird.
4 zeigt nun für die in 3 durch die Linien 11 sowie 12 definierte ROI denjenigen Wertebereich I der Antwortzeit bzw. der Lauflänge L in der Vollwelle 100, die bei einem gegebenen Einschallwinkel Theta auf relevante Fehlersignale analysiert werden muss, um solche Fehler aufzufinden, die in der ROI liegen. Beispielhaft sind die für einen Einschallwinkel Theta = 35° Lauflängen L_{ROI_EIN} (= Eintritt ROI) sowie L_{ROI_AUS} (= Austritt ROI) eingezeichnet.
Hier ist es möglich, an einer gegebenen Prüfkopfposition X für jeden beliebigen Einschallwinkel Theta nach dem Einkoppeln eines Ultraschallprüfpulses für eine vorgegebene Zeitdauer I das Echosignal zeitaufgelöst aufzunehmen. Dabei ist die Zeitdauer I so gewählt, dass für den gewählten Bereich des Einschallwinkels Theta, die gewählte Prüfkopfposition X sowie die Geometrie und die Materialeigenschaften des Werkstücks sichergestellt ist, dass Echosignale aus der ROI stets zeitlich noch erfasst werden. Dies bedeutet, dass für jeden Punkt innerhalb der im Diagramm gemäß 4 dargestellten ROI, die zwischen den Linien 13 und 14 liegt, ein digitalisiertes Echosignal vorliegt. Erfindungsgemäß werden nur diese Echosignale aus der ROI auf Fehlersignale Fi hin untersucht. Die auszuwertenden Echosignale werden also beschränkt durch Auswahl von Echosignalen welche mit Echosignalen, die ihren Ursprung in der ROI haben. Hier erfolgt daher eine Übersetzung der Linien 11 und 12 aus 3 auf Basis der physikalischen Gesetzmäßigkeiten in die Linien 13 und 14 in 4. Die Menge derjenigen Messpunkte, die innerhalb dieser beiden Begrenzungslinien in 4 liegen, bildet dann eine erfindungsgemäß ausgewählte Untermenge zu analysierender Datenpunkte. Diese wird gemäß dem Ansatz der vorliegenden Erfindung gewonnen, indem das für ein langes Laufzeitintervall vorliegende Echosignal nur in einem kleinen Zeitfenster I digitalisiert und analysiert wird.
Man macht sich also die Erkenntnis, welche sich aus 4 ergibt, bereits bei der Durchführung der Ultraschallprüfung zunutze. Für ein Werkstück mit bekannten Materialeigenschaften und bekannter Geometrie wird eine ROI definiert analog zu der Darstellung in 3. Für eine gegebene Prüfkopfposition wird dann die aus 4 ersichtliche Beziehung zwischen Einschallwinkel Theta und Antwortzeit bzw. Laufstrecke im Werkstück ausgenutzt, um für jeden Einschallwinkel Theta dasjenige Antwortzeitintervall I zu bestimmen, in welchem Signale zu erwarten sind, die auf Fehler in der ROI zurückzuführen sind. Für eine gegebene Prüfkopfposition X wird die Ultraschallprüfung dann für jeden einzelnen elektronisch eingestellten Einschallwinkel Theta auf das vorstehend genannte Antwortzeitintervall I beschränkt.
Nachfolgend werden im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens dann von der entsprechend eingerichteten Auswerteeinheit 20 diejenigen Echosignale auf Fehleranzeichen hin analysiert, die auf die ROI zurückgehen. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels werden hierzu die Echosignale für jeden Einschallwinkel Theta und jeden Drehwinkel Delta analysiert, wobei die Analyse auf das dem jeweiligen Schallweg zugeordnete Prüfvolumen Vi beschränkt wird, indem ein geeignetes Antwortzeitintervall I ausgewählt wird. Eine solche Fehleranalyse kann beispielsweise auf der Amplitude von Echosignalen basieren, wobei hier, wie im allgemeinen Teil bereits erwähnt, auf sämtliche aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Signalauswertung und ggf. Signalverbesserung z.B. zur Erhöhung des Signal-Rausch-Abstands zurückgegriffen werden kann.
Im Rahmen des Ausführungsbeispiels wird bei der Fehleranalyse ein Echowert Gi bestimmt, der einem Prüfvolumen Vi zugeordnet wird. Dieser Echowert Gi wird bestimmt, indem das Echosignal mit der höchsten Amplitude im mit dem Prüfvolumen Vi korrespondierenden Laufzeitintervall Ii bestimmt wird, der erfasste maximale Amplitudenwert Amax stellt den lokalen Echowert G dar.
Die maximalen Amplitudenwerte Amx, die in den aus 3 ersichtlichen Prüfvolumina Vi (i = 1, ..., 250) registriert werden, stellen eine erfindungsgemäße Teilmenge T von Prüfdaten dar, die auf Prüfvolumina Vi zurückgehen, deren X- und R-Koordinaten identisch sind, so dass die Prüfdaten nur noch vom Drehwinkel Delta (bzw. äquivalent dem Azimuthalwinkel Beta) abhängen. Durch das Differenzieren (oder Ableiten) dieser Teilmenge T nach dem Azimuthalwinkel Beta werden erfindungsgemäß Signale erzeugt, die mit der Veränderung der Prüfdaten bei einer Änderung des Azimuthalwinkels Beta einhergehen, die z.B. mittels einer Drehung des Werkstücks um dessen Symmetrieachse S um einen Drehwinkel Delta gewonnen werden können.
Prüfdaten gemäß einer Teilmenge T, die mit rotationssymmetrischen geometrischen Strukturen korreliert und damit Prüfvolumina Vi mit gleichen Koordinaten Ri und Xi zuzuordnen sind, sind im Rahmen der Messgenauigkeit identisch. Derartige Strukturen erzeugen z.B. bei der Ultraschallprüfung mittels einem auf der Werkstückoberfläche aufgesetzten Winkelprüfkopf unabhängig vom Drehwinkel Delta stets dasselbe Echosignal. Dies wird in 5 verdeutlicht, aus der die bei einem Scan des Winkels Theta bei konstantem Drehwinkel Delta und festgehaltenem Einschallort E ergebenden maximalen Echoamplituden Amax ersichtlich sind. Beispielhaft ist für den Einschallwinkel Theta = 27° dargestellt, dass sich für jeden Drehwinkel Delta derselbe Wert Amax für die maximale Echoamplitude im zugehörigen Prüfvolumen ergibt. Dies korreliert mit einem Wechsel in Durchmesser des Werkstücks 1, der von einem Einschallort mit der in 3 dargestellten X-Position unter dem Einschallwinkel Theta = 27° direkt angeschallt wird und somit ein starkes (drehwinkel-unabhängiges) Geometrieecho erzeugt.
Im Rahmen der Messgenauigkeit sowie der beim numerischen Differenzieren einer Reihe von diskreten Werten typisch auftretenden Artefakten ergibt sich beim Differenzieren dieser Teilmenge T (die durch den Einschallwinkel Theta = 27° und der X-Position des Einkoppelorts E bestimmt ist und der feste Koordinaten in X- und R-Richtung zugeordnet werden können) nach dem Azimuthalwinkel daher unabhängig vom Azimuthalwinkel der Wert Null.
Ein anderes Bild ergibt sich, wenn eine drehwinkelabhängige (oder äquivalent: vom Azimuthalwinkel Beta abhängige) lokale Inhomogenität vorliegt. In diesem Fall tritt ein in der Regel auf wenige diskrete Drehwinkelwerte Delta beschränktes deutlich sichtbares Echosignal auf, welches wiederum durch den zugehörigen Prüfvolumina Vi zugeordnete erhöhte maximale Amplitudenwerte Amax in 5 sichtbar wird. Beispielhaft sind in 5 zwei lokale Inhomogenitäten dargestellt, die unter den Einschallwinkeln Theta = 37° sowie Theta = 72° unter einigen Drehwinkeln Delta deutlich erhöhte maximale Amplitudenwerte Amax hervorrufen.
Dieses Echosignal („Fehlerecho“), welches auf wenige diskrete Drehwinkelwerte Delta beschränkt ist, bedingt das Auftreten von zumindest zwei Signalen in der durch das Differenzieren gebildeten Ableitung. So erzeugt die sich beim schrittweisen Erhöhen des Drehwinkels ergebende ansteigende Signalflanke einen „spike“ (ein scharfes lokales Maximum in der Ableitung) mit einem positiven Maximum. Die sich beim weiteren Erhöhen ergebende abfallende Signalflanke hingegen erzeugt einen negativen spike. Zwischen diesen Flanken des Fehlerechos hat die Ableitung einen Nulldurchgang. Zwischen den spikes liegen die durch Differenzieren gebildeten lokalen Steigungswerte in diesem Beispiel nahe Null. Die mit den unter den Einschallwinkeln Theta = 32° sowie Theta = 72° korrelierten spikes sind im randseitigen Diagramm von 5 ebenfalls dargestellt, welches für diese beiden Einschallwinkel Theta exemplarisch den Verlauf der Ableitung der maximalen Amplitude Amax als Funktion des Drehwinkels Delta darstellt.
Die Erfindung basiert nun darauf, für die Erzeugung einer graphischen Darstellung des Ergebnisses des Prüfverfahrens eine Signalverarbeitung durchzuführen, die auf den Ergebnissen des Differenzierens basiert.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel bestehen die Elemente der Anzeigewertmenge Ai ebenfalls aus den Koordinaten (Xi, Ri, Beta_i) des jeweiligen Prüfvolumens Vi und der zugeordneten maximalen Echoamplitude Amax. Jedoch werden für die Erzeugung der Darstellung 50 alle diejenigen Echoamplituden auf null gesetzt, die nicht einem Prüfvolumen Vi zugeordnet sind,

Für das unter dem Einschallwinkel Theta = 32° aufgefundene Fehlerecho wären dies die aus 5 ersichtlichen drei maximalen Echoamplituden Amax (Theta = 32°) für die Drehwinkel Delta 1, 2, 3 = 144°, 168° und 192°, für den Einschallwinkel Theta = 72° wären dies die die aus 5 ersichtlichen vier maximalen Echoamplituden Amax (Theta = 72°) für die Drehwinkel Delta 1, 2, 3 = 264°, 288°, 312° sowie 336°. Alle anderen Elemente der Anzeigewertmenge werden auf null gesetzt.
7 verdeutlicht die tatsächlichen Verhältnisse bei einer Prüfaufgabe an einem rotationssymmetrischen Werkstück 1. Dabei handelt es sich bei 6 um einer erfindungsgemäß erzeugte dreidimensionale Darstellung 50 des aus 3 ersichtlichen Wellenabschnitts der Vollwelle 100 aus 1. Es ist eine Führungsvorrichtung (nicht gezeigt) vorgesehen, mit der der Prüfkopf 40 auf der Oberfläche der Vollwelle 100 unter Beibehaltung der Position X (X-Position in 7) bezogen auf die Symmetrieachse S und der Orientierung des Prüfkopfs 40 (charakterisiert durch den Neigungswinkel Phi bezogen auf die Einschallebene P) gehalten wird. Im gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt der Neigungswinkel Phi 0°.
Während der Durchführung des Prüfverfahrens wird die Vollwelle 100 mittels einer nicht dargestellten Drehvorrichtung um 360° oder ein ganzzahliges Vielfaches davon um ihre Symmetrieachse S gedreht, die in 7 mit der X-Achse zusammenfällt. Der Drehwinkel der Vollwelle um ihre Symmetrieachse wird dabei mit Delta bezeichnet, er wird mittels eines geeigneten Winkelencoders (nicht dargestellt) erfasst. Für jeden Drehwinkel Delta wird bei festgehaltener X-Position des Prüfkopfs 40 der gesamte mit dem Prüfkopf 40 zugängliche Bereich des Einschallwinkels Theta elektronisch mittels der Ansteuereinheit 20 durchgestimmt. Für jeden einzelnen Einschallwinkel Theta wird das Echosignal zeitaufgelöst aufgenommen und im ausgewählten Laufzeitintervall I (Theta) digitalisiert. Die so gewonnenen Datenpunkte lassen sich in einem Diagramm gemäß 4 eintragen. D.h. aus der Gesamtheit der aufgenommenen Echosignale werden in zeitlicher Hinsicht diejenigen ausgewählt, die mit der gewählten ROI korrespondieren. Diese Echosignale werden dann digitalisiert, d.h. es wird zu einem gegebenen Einschallwinkel Theta eine Menge zu analysierender Datenpunkte erzeugt.
Jedem einzelnen Punkt w auf der Oberfläche der Vollwelle 100 wird ein Echowert G(w) zugeordnet, der mit der maximalen Echoamplitude Amax aus dem diesem Punkt zugeordneten Prüfvolumen korrespondiert. Führt man dieses Verfahren für eine Vielzahl von Drehwinkeln Delta, die beispielsweise schrittweise im Abstand von 0,5 oder 1° durchfahren werden können, bis zu einem Gesamtdrehwinkel Delta von zumindest 360° durch, so ist es möglich, die erhaltenen Echowerte in ein sogenanntes C-Bild einzutragen. In einem solchen C-Bild werden die den Prüfvolumina Vi zugeordneten Echowerte G eingetragen in ein Diagramm gemäß 6, in welchem beispielsweise der Einschallwinkel Theta als Abszisse und der Drehwinkel Delta der Vollwelle 100 als Ordinate verwendet wird. Dabei kann der lokale Echowert G(w) beispielsweise mittels Helligkeitswerten oder farbig codiert werden. In 6 wurde auf eine Dreistufenskala zurückgegriffen. Bleibt ein Echowert G unter einer registrierungspflichtigen Grenze, so wird im C-Bild gemäß 6 dieser Punkt hell markiert. Überschreitet er eine Registriergrenze, ist aber noch nicht einer als kritisch angesehenen Fehlergröße zuzuordnen, so wird er mit einem zweiten (z.B. dunkleren, z.B. orange) Farbwert codiert. Überschreitet der Echowert G schließlich einen einer kritischen Fehlergröße zuzuordnenden Wert, so wird er mit einem dritten Farbwert z.B. in der Signalfarbe rot, codiert. Die bereits erwähnte zusätzlich angewendete Schwellwertbetrachtung führt hierbei zu einer deutlichen Signalverbesserung, da Drehwinkel-unabhängige Signale, die mit hoher Wahrscheinlichkeit von geometrischen Strukturen des Werkstücks 1 herrühren, auf diese Weise unterdrückt werden.
Das sich auf diese Weise ergebende Diagramm gemäß 6 hat bereits einen hohen Aussagewert für einen fachkundigen Benutzer einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Nochmals verbessert wird die Interpretierbarkeit des Ergebnisses gemäß 7, wenn als Abszisse nicht der Einschallwinkel Theta verwendet wird, sondern die X-Position (Position bezogen auf die Symmetrieachse S des Werkstücks) des Punkts w auf der Oberfläche des Werkstücks, der dem zugehörigen Prüfvolumen Vi zugeordnet ist. Die sich auf diese Weise ergebende Darstellung korrespondiert im Wesentlichen mit der Darstellung gemäß 6, ist aber für eine unmittelbare Übertragung auf die erfindungsgemäß generierte dreidimensionale Darstellung der untersuchten Vollwelle 100 gemäß 7 geeignet. Die farbcodierten Signalwerte werden dann auf der Oberfläche des dreidimensional dargestellten Werkstücks in Abhängigkeit vom Drehwinkel Delta der Welle 100 und von der Position auf der Symmetrieachse der Welle 100 (Position auf der X-Achse) eingetragen. Es ergibt sich die aus 7 ersichtliche Fehlerdarstellung, welche eine enorm verbesserte Interpretierbarkeit gegenüber den aus dem Stand der Technik bislang vorbekannten Visualisierungsmethoden aufweist.
Besondere Vorteile ergeben sich insbesondere auch dann, wenn die Darstellung gemäß 7 so ausgestaltet ist, dass eine Drehung der Welle 100 um ihre Symmetrieachse S dargestellt werden kann. Dies ist beispielsweise in einem CAD-Modell der Vollwelle 100 mit den auf ihrer Oberfläche ortsaufgelöst eingetragenen Echowerten G (w) möglich. Auch eine bewegte Darstellung der Drehung der Vollwelle 100 um den Drehwinkel Delta als Abfolge von Einzelbildern, die sich zu einem Film zusammenfügen, ist denkbar und wird beansprucht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2010/0566154 [0026]
EP 2010/056614 [0049, 0062]

Claims

Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines rotationssymmetrischen Werkstücks (1), welches Abschnitte verschiedener Durchmesser aufweist, mittels einer zerstörungsfreien Prüftechnik wie Ultraschall, die folgenden Verfahrensschritte aufweisend: a) Erzeugen einer die Materialeigenschaften des Werkstücks charakterisierenden Prüfdatenmenge mittels der Prüftechnik, wobei die Elemente der Prüfdatenmenge jeweils einem definierten Prüfvolumen Vi im Werkstück zugeordnet sind, dessen Position im Werkstück (1) durch einen Azimuthalwinkel Beta_i einen Radialabstand Ri von der Symmetrieachse S des Werkstücks (1) sowie eine X-Position Xi bezogen auf die Symmetrieachse S des Werkstücks (1) definiert ist, wobei die Prüfdatenmenge eine Teilmenge T von mehreren Elemente umfasst, die einer Mehrzahl von Prüfvolumina Vi zugeordnet sind, die eine gemeinsame X-Position Xi und einen gemeinsamen Radialabstand Ri, aber verschiedene Azimuthalwinkel Beta_i aufweisen, b) Bilden einer azimuthalwinkel-abhängigen Anzeigewertmenge Ai, wobei dieser Schritt das Differenzieren der Teilmenge T nach dem Azimuthalwinkel Beta umfasst, und c) Erzeugen einer Darstellung (50) des Werkstücks (1), wobei die Elemente der Anzeigewertmenge Ai räumlich aufgelöst in der Darstellung (50) wiedergegeben werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b. weiterhin eine Schwellwertbetrachtung für die Amplitude der lokalen Steigungswerte durchgeführt wird, die sich beim Differenzieren der Teilmenge T nach dem Azimuthalwinkel Beta ergeben.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeigewertmenge Ai eine Untermenge der Prüfdatenmenge ist, bevorzugt der Teilmenge T.
Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der Schwellwertbetrachtung Elemente der Anzeigewertmenge auf null gesetzt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfdaten gewonnen werden durch Einschallen von Ultraschallprüfpulsen in das Werkstück (1) an verschiedenen Einkoppelorten Ei unter verschiedenen definierten Einschallwinkeln Theta_i und nachfolgendem Aufnehmen der aus jeweils einem eingeschallten Ultraschallprüfpuls resultierenden Ultraschallechosignale aus dem Werkstück (1) am Einkoppelort Ei unter dem Einschallwinkel Theta.
Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einkoppelort Ei charakterisiert wird durch einen Azimuthalwinkel Beta_Ei, einen Radialabstand R_Ei von der Symmetrieachse S des Werkstücks (1) sowie eine X-Position X_Ei bezogen auf die Symmetrieachse S des Werkstücks (1), und dass eine Mehrzahl von Prüfdaten gewonnen wird durch Einschallen unter einem festen Einschallwinkel Theta ausgehend von Einkoppelorten Ei, deren Radialabstände R_Ei sowie X-Positionen X_Ei identisch sind, die sich aber im Azimuthalwinkel Beta_Ei unterscheiden.
Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Azimuthalwinkel Beta_Ei der Einkoppelorte Ei das Intervall [0°, 360°] abdecken, bevorzugt gleichverteilt mit einem Abstand von nicht mehr als 5°, besonders bevorzugt nicht mehr als 1° und insbesondere nicht mehr als 0,5°.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Darstellung (50) die Oberfläche des Werkstücks (1) zweidimensional oder räumlich wiedergibt.
Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Schallweg Wi eines am Einkoppelort Ei (i = 1, ..., N) unter dem definierten Einschallwinkel Theta in das Werkstück eingeschallten Ultraschallprüfpulses im Werkstück (1) ein Punkt wi auf der Oberfläche der Darstellung (50) des Werkstücks (1) zugeordnet wird, an dem das zugehörige Element der Anzeigewertmenge Ai wiedergegeben wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente der Prüfdatenmenge jeweils gewonnen werden durch Analyse der aufgenommenen Ultraschallechosignale in einem Laufzeitintervall Ii, wobei das Laufzeitintervall Ii (i = 1, ..., N) in Abhängigkeit vom zugehörigen Schallweg Wi (i = 1, ..., N) im Werkstück (1) ausgewählt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente der Prüfdatenmenge gebildet werden von den im jeweils ausgewählten Laufzeitintervall Ii auftretenden größten Amplituden des Ultraschallechosignals.
Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das gewählte Laufzeitintervall Ii mit einem oberflächennahen Bereich ROI des Werkstücks (1) korrespondiert,
Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufzeitintervall Ii so ausgewählt wird, dass der jeweilige Ultraschallprüfpuls innerhalb des Laufzeitintervalls Ii die Oberfläche des Werkstücks (1) erreicht.
Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Einschallen für jeden Ultraschallprüfpuls so erfolgt, dass dessen Schallweg Wi im Werkstück (1) und die Symmetrieachse S des rotationssymmetrischen Werkstücks (1) eine gemeinsame Ebene P aufspannen.
Prüfvorrichtung (10) zur zerstörungsfreien Prüfung eines rotationssymmetrischen Werkstücks (1), welches Abschnitte verschiedener Durchmesser aufweist, mittels einer zerstörungsfreien Prüftechnik wie Ultraschall, wobei die Prüfvorrichtung (10) eine Ansteuereinheit (20) umfasst, die dazu eingerichtet ist: a) eine die Materialeigenschaften des Werkstücks (1) charakterisierenden Prüfdatenmenge mittels der Prüftechnik zu erzeugen, wobei die Prüfdaten jeweils einem definierten Prüfvolumen Vi im Werkstück zugeordnet sind, dessen Position im Werkstück (1) durch einen Azimuthalwinkel Beta_i einen Radialabstand Ri von der Symmetrieachse S des Werkstücks (1) sowie eine X-Position Xi bezogen auf die Symmetrieachse S des Werkstücks (1) definiert ist, wobei die Prüfdatenmenge eine Teilmenge T von Prüfdaten von einer Mehrzahl von Prüfvolumina Vi umfasst, die eine gemeinsame X-Position und einen gemeinsamen Radialabstand R aber verschiedene Azimuthalwinkel Beta_i aufweisen, b) eine azimuthalwinkel-abhängige Anzeigewertmenge Ai aus der Teilmenge T zu erzeugen, wobei diese Erzeugung das Differenzieren der Teilmenge T nach dem Azimuthalwinkel Beta umfasst, und c) eine Darstellung (50) des Werkstücks (1) zu erzeugen, wobei die Elemente der Anzeigewertmenge Ai räumlich aufgelöst in der Darstellung (50) wiedergegeben werden.
Prüfvorrichtung (10) gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinheit (20) weiterhin dazu eingerichtet ist, eine Schwellwertbetrachtung für die Amplitude der lokalen Steigungswerte durchzuführen, die sich beim Differenzieren der Teilmenge T nach dem Azimuthalwinkel Beta ergeben.
Prüfvorrichtung (10) gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinheit (20) weiterhin dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von der Schwellwertbetrachtung Elemente der Anzeigewertmenge auf null zu setzen.
Prüfvorrichtung gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass: a) sie weiterhin einen Prüfkopf (40) zum Einschallen eines Ultraschallprüfpulses in das Werkstück (1) unter einem definierten Einschallwinkel Theta und zum Aufnehmen eines Ultraschallechosignals aus dem Werkstück (1) umfasst, b) die Ansteuereinheit (20) dazu eingerichtet ist, i) den Prüfkopf (40) zum Einschallen eines Ultraschallprüfpulses in das Werkstück (1) unter dem definierten Einschallwinkel Theta anzusteuern, ii) mittels des Prüfkopfs (40) ein Ultraschallechosignal unter dem Winkel Theta aus dem Werkstück (1) aufzunehmen, iii) ein Laufzeitintervall I in Abhängigkeit vom Schallweg W des Ultraschallprüfpulses im Werkstück (1), auszuwählen, und iv) mittels Analyse des aufgenommenen Ultraschallechosignals im ausgewählten Laufzeitintervall I einen Echowert G zu erzeugen, der ein Element der Prüfdatenmenge bildet.
Prüfvorrichtung (10) gemäß Anspruch 18, wobei das gewählte Laufzeitintervall I mit einem oberflächennahen Bereich ROI des Werkstücks (1) korrespondiert
Prüfvorrichtung (10) gemäß Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallprüfpuls innerhalb des ausgewählten Laufzeitintervalls I die Oberfläche des Werkstücks (1) erreicht.
Prüfvorrichtung (10) gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Führungsvorrichtung vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist, den Prüfkopf (40) relativ zur Symmetrieachse S des Werkstücks (1) dergestalt auszurichten, dass der Schallweg W des Ultraschallprüfpulses im Werkstück (1) und die Symmetrieachse S des rotationssymmetrischen Werkstücks (1) eine gemeinsame Ebene, die Einschallebene P, aufspannen.
Prüfvorrichtung (10) gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfkopf (40) einen Ultraschallwandler (42) aufweist, der in eine Mehrzahl von individuell ansteuerbaren Wandlersegmenten aufgeteilt ist, und die Ansteuereinheit (20) dazu eingerichtet ist, mittels des Prüfkopfs (40) eine Folge von Ultraschallprüfpulsen unter verschiedenen Einschallwinkeln Theta in das Werkstück (1) einzuschallen.
Prüfvorrichtung (10) gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin eine Drehvorrichtung vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist, eine Relativbewegung von Prüfkopf (40) und Werkstück (1), zu erzeugen, dergestalt dass das Werkstück (1) um seine Symmetrieachse S unter dem Prüfkopf (40) gedreht wird.
Prüfvorrichtung (10) gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfkopf (40) zwei Ultraschallwandler (42) aufweist, und die Laufrichtung der mittels des ersten Ultraschallwandlers (42) in das Werkstück (1), eingeschallten Ultraschallprüfpulse bezogen auf die Symmetrieachse des Werkstücks (1) entgegen der Laufrichtung der mittels des zweiten Ultraschallwandlers (40) in das Werkstück (1) eingeschallten Ultraschallprüfpulse orientiert ist.