DE102016225303A1 - Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Objektes - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Objektes (1) durch ein Abtasten wenigstens eines Teilbereiches des Objektes (1) mittels eines Ultraschallprüfkopfes (2) vorgeschlagen, welches wenigstens die folgenden Schritte umfasst:- Ermitteln wenigstens eines B-Bildes des Teilbereiches, welches B-Bild wenigstens eine Mehrzahl von streifenartigen Anzeigen (42) aufgrund wenigstens eines Ultraschallechos aufweist;- Ermitteln einer Steigung der streifenartigen Anzeigen (42); und- Bestimmen eines Einschallwinkels in Abhängigkeit der ermittelten Steigung der streifenartigen Anzeigen (42).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Objektes, insbesondere eines Bauteils, durch ein Abtasten wenigstens eines Teilbereiches des Objektes mittels eines Ultraschallprüfkopfes (Ultraschallprüfung).
  • Eine Ultraschallprüfung eines Objektes kann mittels eines Winkelprüfkopfes erfolgen, der einen von Null verschiedenen Einschallwinkel aufweist. Dadurch können insbesondere schräg orientierte Defekte innerhalb des Objektes, welches eine ebene Oberfläche aufweist, erkannt werden. Weiterhin ist ein schräger Einschallwinkel, das heißt ein von Null verschiedener Einschallwinkel, für zylinderförmige Objekte oder Bauteile von Vorteil, beispielsweise zum Erkennen von exzentrisch liegenden Defekten.
  • Typischerweise erfolgt bei einer Ultraschallprüfung eine Auswertung von erfassten Messdaten mittels eines Ultraschall-Rekonstruktions-Verfahrens, insbesondere mittels einer SAFT-Auswertung (Synthetische-Apertur-Fokus-Technik; abgekürzt SAFT). Hierbei ist der Einschallwinkel von grundsätzlicher Bedeutung. Beispielsweise kann bei einer SAFT-Auswertung (englisch: Synthetic-Aperture-Focusing-Technique; abgekürzt SAFT) ein falsch festgelegter Einschallwinkel zu einer Verschmierung von Defekten führen. Dadurch wird die Erkennbarkeit von Defekten erschwert oder es erfolgt eine Unterbewertung der Defekte.
  • Ein Metadatensatz, der typischerweise Prüfdaten, beispielsweise den Einschallwinkel umfasst, wird typischerweise mittels einer Datei festgehalten und gespeichert. Hierbei beruht dieser Metadatensatz typischerweise auf einer manuellen Eingabe eines Benutzers. Aufgrund der manuellen Eingabe des Benutzers kann der Metadatensatz unvollständig oder fehlerhaft sein. Beispielsweise kann bei einer manuellen Eingabe des Vorzeichens des Einschallwinkels leicht ein Fehler auftreten.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde die Verlässlichkeit einer Ultraschallprüfung zu verbessern.
  • Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1 gelöst. In den abhängigen Patentansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Objektes, insbesondere eines Bauteils, durch ein Abtasten wenigstens eines Teilbereiches des Objektes mittels eines Ultraschallprüfkopfes umfasst wenigstens die folgenden Schritte:
    • - Ermitteln wenigstens eines B-Bildes des Teilbereiches, welches B-Bild wenigstens eine Mehrzahl von streifenartigen Anzeigen aufgrund wenigstens eines Ultraschallechos aufweist;
    • - Ermitteln einer Steigung der streifenartigen Anzeigen; und
    • - Bestimmen eines Einschallwinkels in Abhängigkeit der ermittelten Steigung der streifenartigen Anzeigen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Einschallwinkel des vom Ultraschallprüfkopf eingeschallten Ultraschalls in Abhängigkeit der streifenartigen Anzeigen bestimmt. Beispielsweise kann der Einschallwinkel direkt proportional zur Steigung der streifenartigen Anzeigen sein (für kleine Steigungen). Hierbei bilden sich die streifenartigen Anzeigen aufgrund eines Ultraschallechos und einer Bewegung des Ultraschallprüfkopfes durch das Abtasten des Teilbereiches aus. Dem Ultraschallecho zugehörig ist ein Reflexionsbereich, insbesondere ein Reflexionspunkt oder eine Reflexionsstelle, die beispielsweise durch kleine (natürliche) Unebenheiten auf einer Oberfläche des Objektes ausgebildet wird. Durch die Bewegung des Ultraschallprüfkopfes beim Abtasten des Objektes wandert der genannte Reflexionsbereich auf den Ultraschallprüfkopf zu und wieder von diesem weg. Das ist deshalb der Fall, da der Reflexionsbereich zuerst mit einer der Seiten des eingeschallten Ultraschallbündels, dann mit dem Hauptstrahl des eingeschallten Ultraschallbündels und dann mit einer weiteren der Seiten des eingeschallten Ultraschallbündels erfasst wird. Mit anderen Worten streicht das eingeschallte Ultraschallbündel über den wenigstens einen Reflexionsbereich hinweg. Hierdurch bilden sich die streifenartigen Anzeigen aus, die auch als Streifenmuster bezeichnet werden können.
  • Es ist eine Erkenntnis der vorliegenden Erfindung, dass der Einschallwinkel von der Steigung der streifenartigen Anzeigen abhängig ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Steigung der streifenartigen oder streifenförmigen Anzeigen zum Ermitteln des Einschallwinkels herangezogen. Vorteilhafterweise wird hierdurch eine unabhängige Ermittlung des Einschallwinkels bereitgestellt, die besonders vorteilhaft von einer manuellen Eingabe eines Benutzers unabhängig ist. Weiterhin kann der Einschallwinkel nachträglich aus dem Ergebnis der Ultraschallprüfung, das heißt aus dem B-Bild der Ultraschallprüfung, ermittelt werden.
  • Hierbei ist es von besonderem Vorteil die Mehrzahl von streifenartigen Anzeigen eines Rückwandechos, eines Grenzflächenechos und/oder eines Oberflächenechos zu verwenden.
  • Dadurch wird vorteilhafterweise das Bestimmen des Einschallwinkels basierend auf der ermittelten Steigung der streifenartigen Anzeigen verbessert.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein mittels eines Metadatensatzes gespeicherter Einschallwinkel mittels des bestimmten Einschallwinkels auf Plausibilität geprüft.
  • Mit anderen Worten wird der gemäß der vorliegenden Erfindung bestimmte Einschallwinkel mit einem innerhalb eines Metadatensatzes gespeicherten Einschallwinkel verglichen. Insbesondere wurde der gespeicherte Einschallwinkel manuell von einem Benutzer eingetragen.
  • Durch die Prüfung der Plausibilität des gespeicherten Einschallwinkels mittels des bestimmten Einschallwinkels werden Fehler bei der Eingabe des gespeicherten Einschallwinkels erkannt. Mit anderen Worten wird dadurch vorteilhafterweise eine Plausibilitätsprüfung oder eine Plausibilitätskontrolle des Einschallwinkels ermöglicht. Im Falle einer nicht plausiblen Eingabe des gespeicherten Einschallwinkels beziehungsweise eines nicht plausiblen gespeicherten Einschallwinkels wird eine Auswertung der Ultraschallprüfung nicht oder erst nach einem Hinweis und gegebenenfalls einer Rückbestätigung durch den Benutzer durchgeführt. Hierbei ist der eingegebene, das heißt gespeicherte Einschallwinkel nicht plausibel, wenn er gemäß einer festgelegten Relation nicht mit dem bestimmten Einschallwinkel übereinstimmt. Dadurch wird vorteilhafterweise eine Prüfung des Einschallwinkels nach der zerstörungsfreien Prüfung des Objektes ermöglicht.
  • Die vorliegende Erfindung ermöglicht es daher Fehler bezüglich des Einschallwinkels zu vermeiden, sodass die Zuverlässigkeit der zerstörungsfreien Prüfung des Objektes erhöht wird.
  • Hierbei ist es besonders bevorzugt, wenn die Prüfung der Plausibilität mittels einer betragsmäßigen Differenz zwischen dem gespeicherten und dem bestimmten Einschallwinkel erfolgt, wobei der gespeicherte Einschallwinkel als plausibel bewertet wird, falls die betragsmäßige Differenz kleiner oder gleich einem Schwellenwert ist.
  • Mit anderen Worten wird hierdurch die oben genannte Relation ausgebildet, die festlegt oder definiert, wann der gespeicherte Einschallwinkel mit dem bestimmten Einschallwinkel übereinstimmt. Im Sinne der genannten Relation stimmt der gespeicherte Einschallwinkel mit dem bestimmten Einschallwinkel überein falls ihre betragsmäßige Differenz kleiner oder gleich dem Schwellenwert ist. Eine exakte numerische Gleichheit von gespeicherten Einschallwinkel und bestimmten Einschallwinkel ist daher vorteilhafterweise nicht erforderlich.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Prüfung der Plausibilität mittels eines Vergleiches der Vorzeichen des gespeicherten Einschallwinkels mit dem Vorzeichen des bestimmten Einschallwinkels.
  • Dadurch wird vorteilhafterweise eine besonders zeitgünstige Plausibilitätsprüfung des Einschallwinkels ermöglicht. Vorteilhafterweise wird dadurch die Prüfdauer der zerstörungsfreien Prüfung des Objektes reduziert.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der Einschallwinkel β über sin β = cΔt/(2r) bestimmt, wobei c die Schallgeschwindigkeit, Δt einen Laufzeitunterschied des Ultraschallechos zwischen zwei räumlichen Positionen des Ultraschallprüfkopfes und r den Abstand der zwei räumlichen Positionen bezeichnet.
  • Hierbei ist das Verhältnis Δt/r proportional zur Steigung der streifenartigen Anzeigen im B-Bild.
  • Insbesondere für Objekte mit wenigstens einer ebenen Oberfläche ist die genannte Bestimmung des Einschallwinkels von Vorteil. Beispielsweise kann das Objekt quaderartig oder quaderförmig ausgebildet sein.
  • Der Parameter r wird auch als Schussabstand bezeichnet.
  • Der Laufzeitunterschied Δt kann alternativ oder ergänzend mittels einer Abtastrate fs (englisch: Sampling Rate) beziehungsweise mittels einer zugehörigen Verschiebung um n Aufnahmen im A-Bild der zerstörungsfreien Prüfung dargestellt oder berechnet werden. Hierbei gilt Δt = n/fs.
  • Wird mit Δs die zu Δt zugehörige Änderung des Schallweges bezeichnet, so gilt Δ s = c Δ t/2 = ( s 0 cos β ) 2 + ( s 0 sin β+ r ) 2 − s 0 ,
    Figure DE102016225303A1_0001
    wobei s0 der Schallweg bis zum Reflexionsbereich, insbesondere bis zu einer Grenzfläche des Objektes, bezeichnet. Somit ergibt sich die oben genannte Näherung sin β ≈ cΔt/(2r), solange der Schussabstand r klein ist, das heißt r « s0 ist.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beginnt eine Aufzeichnung des B-Bildes bereits vor einem Eintreffen des Ultraschalls auf die Oberfläche des Teilbereiches.
  • Vorteilhafterweise wird dadurch die Vorlaufzeit des Ultraschallprüfkopfes verkürzt, sodass die streifenartigen Anzeigen, insbesondere eines Oberflächenechos, erfasst werden können.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das B-Bild mittels eines SAFT-Verfahrens ausgewertet.
  • Vorteilhafterweise wird dadurch die Nachweisbarkeitsgrenze von Defekten innerhalb des Bauteiles mittels der zerstörungsfreien Prüfung verbessert.
  • Weitere bildgebende Ultraschall-Rekonstruktions-Verfahren zur Auswertung des B-Bildes können vorgesehen sein. Beispielsweise ein SAFT-Verfahren (englisch: Synthetic-Aperture-Focusing-Technique; abgekürzt SAFT), ein FMC-Verfahren (englisch: Full Matrix Capture, abgekürzt FMC), ein TFM-Verfahren (englisch: Total Focussing Method, abgekürzt TFM), ein SPA-Verfahren (englisch: Sampling Phased Array, abgekürzt SPA) und/oder ein SynFo-SPA-Verfahren (englisch: Synthetic Focusing-Sampling Phased-Array, abgekürzt SynFo-SPA).
  • Besonders bevorzugt wird als Ultraschallprüfkopf ein Winkelprüfkopf oder ein Phased-Array verwendet.
  • Dadurch werden vorteilhafterweise die streifenartigen Anzeigen des B-Bildes deutlicher, sodass eine verbesserte Bestimmung des Einschallwinkels erfolgen kann.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen schematisiert:
    • 1 eine seitliche Darstellung einer Ultraschallprüfung eines Objektes;
    • 2 ein B-Bild der Ultraschallprüfung aus 1; und
    • 3 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Gleichartige, gleichwertige oder gleichwirkende Elemente können in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sein.
  • In 1 ist die seitliche Darstellung der Ultraschallprüfung des Objektes 1 deutlich vereinfacht dargestellt.
  • Bei der Ultraschallprüfung des Objektes 1 wird ein Ultraschallprüfkopf 2 entlang einer Abtastrichtung 100, die sich entlang einer Oberfläche des Objektes 1 erstreckt, abgetastet. Mit anderen Worten erfolgt ein Scan wenigstens eines Teilbereiches des Objektes 1.
  • Mittels des Ultraschallprüfkopfes 2, der insbesondere als Winkelprüfkopf oder als ein Phased-Array ausgebildet ist, wird Ultraschall in das Objekt 1 eigeschallt. Der eingeschallte Ultraschall wird beispielsweise an einem Reflexionsbereich, insbesondere an einer Reflexionsstelle 4, reflektiert. Hier ist die Reflexionsstelle 4 an einer Rückwand (bezüglich der abgetasteten Oberfläche) angeordnet. Mit anderen Worten erfolgt ein Rückwandecho des eingeschallten Ultraschalls. Aufgrund des Überstreiches des eingeschallten Ultraschalls über den Reflexionspunkt 4 treten zwei unterschiedliche Schallwege 421, 422 auf. Die Schallwege 421, 422 führen zu einer Mehrzahl von streifenartigen Anzeigen im B-Bild der zerstörungsfreien Ultraschallprüfung (siehe 2).
  • In 2 ist ein schematisches B-Bild der unter 1 exemplarisch dargestellten Ultraschallprüfung gezeigt.
  • Das gezeigte B-Bild weist aufgrund der verschiedenen Schallwege 421, 422 eine Mehrzahl von streifenartigen Anzeigen 42 auf, die ein Streifemuster ausbilden. Hierbei ist an der Abszisse 101 des B-Bildes die räumliche Position des Ultraschallprüfkopfes (Abtastposition), und an der Ordinate des B-Bildes 102 die Laufzeit des Ultraschalls aufgetragen.
  • Die streifenartigen oder streifenförmigen Anzeigen 42 des B-Bildes sind bezüglich der Abszisse und/oder Ordinate des B-Bildes gedreht, sodass diese eine von Null verschiedene Steigung aufweisen. Die Steigung der streifenartigen Anzeigen 42 ist hierbei für eine feste Reflexionsstelle 4 annähernd konstant und entspricht im Wesentlichen dem Einschallwinkel des Ultraschalls, welcher ausgehend von dem Ultraschallprüfkopf 2 eingeschallt wurde. Durch ein Ermitteln der Steigung der streifenartigen Anzeigen 42 kann folglich der Einschallwinkel des Ultraschalls bestimmt werden. Im einfachsten Fall entspricht die Steigung der streifenartigen Anzeigen 42 dem bestimmten Einschallwinkel.
  • Weiterhin kann zur Bestimmung der Steigung der streifenartigen Anzeigen 42 eine Korrelation von Zeitausschnitten nahe benachbarter, jedoch nicht notwendigerweise direkt benachbarter Ultraschallechos herangezogen werden. Ferner können streifenartige Anzeigen in einem Bereich des Objektes, in welchem der eingeschallte Ultraschall wieder die Oberfläche des Objektes trifft, verwendet werden. Dies ist insbesondere bei einem zylinderartigen oder zylinderförmigen Objekt, beispielsweise einem Zylinderbauteil, von Vorteil.
  • In 3 ist das Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.
  • In einem ersten Schritt S1 wird wenigstens ein B-Bild eines Teilbereiches eines zu prüfenden Objektes, insbesondere eines Bauteils, ermittelt, welches B-Bild wenigstens eine Mehrzahl von streifenartigen oder streifenförmigen Anzeigen aufgrund wenigstens eines Ultraschallechos aufweist. Die streifenartigen oder streifenförmigen Anzeigen können ein Streifenmuster mit einer Mehrzahl von Streifen ausbilden.
  • In einem zweiten Schritt S2 wird eine Steigung der streifenartigen Anzeigen, insbesondere eine Steigung der Streifen des Streifenmusters, ermittelt.
  • In einem dritten Schritt S3 des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Einschallwinkel eines mittels eines Ultraschallprüfkopfes eingeschallten Ultraschalls, der der zerstörungsfreien Prüfung des Objektes zugrunde liegt, in Abhängigkeit der ermittelten Steigung der streifenartigen Anzeigen bestimmt.
  • Vorteilhafterweise kann hierdurch eine Plausibilitätskontrolle eines gespeicherten Einschallwinkels, beispielsweise eines durch einen Benutzer oder einen Ausführenden der Ultraschallprüfung gespeicherten Einschallwinkels, erfolgen. Dadurch kann vorteilhafterweise die Verlässlichkeit der zerstörungsfreien Prüfung des Objektes verbessert und/oder sichergestellt werden.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt oder andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims (9)

  1. Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Objektes (1) durch ein Abtasten wenigstens eines Teilbereiches des Objektes (1) mittels eines Ultraschallprüfkopfes (2), umfassend die Schritte: - Ermitteln wenigstens eines B-Bildes des Teilbereiches, welches B-Bild wenigstens eine Mehrzahl von streifenartigen Anzeigen (42) aufgrund wenigstens eines Ultraschallechos aufweist; - Ermitteln einer Steigung der streifenartigen Anzeigen (42); und - Bestimmen eines Einschallwinkels in Abhängigkeit der ermittelten Steigung der streifenartigen Anzeigen (42).
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die Mehrzahl von streifenartigen Anzeigen (42) eines Rückwandechos, eines Grenzflächenechos und/oder eines Oberflächenechos verwendet wird.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem ein mittels eines Metadatensatzes gespeicherter Einschallwinkel mittels des bestimmten Einschallwinkels auf Plausibilität geprüft wird.
  4. Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem die Prüfung der Plausibilität mittels einer betragsmäßigen Differenz zwischen dem gespeicherten und dem bestimmten Einschallwinkel erfolgt, wobei der gespeicherte Einschallwinkel als plausibel bewertet wird, falls die betragsmäßige Differenz kleiner oder gleich einem Schwellenwert ist.
  5. Verfahren gemäß Anspruch 3 oder 4, bei dem die Prüfung der Plausibilität mittels eines Vergleiches des Vorzeichens des gespeicherten Einschallwinkels mit dem Vorzeichen des bestimmten Einschallwinkels erfolgt.
  6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Einschallwinkel β über sin β = cΔt/(2r) bestimmt wird, wobei c die Schallgeschwindigkeit, Δt einen Laufzeitunterschied des Ultraschallechos zwischen zwei räumlichen Positionen des Ultraschallprüfkopfes (2) und r den Abstand der zwei räumlichen Positionen bezeichnet.
  7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Aufzeichnung des B-Bildes bereits vor einem Eintreffen des Ultraschalls auf die Oberfläche des Teilbereiches beginnt.
  8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das B-Bild mittels eines SAFT-Verfahrens ausgewertet wird.
  9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als Ultraschallprüfkopf ein Winkelprüfkopf oder ein Phased-Array verwendet wird.
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