DE202012104119U1

DE202012104119U1 - Vorrichtung zur Ultraschallprüfung eines Werkstücks

Info

Publication number: DE202012104119U1
Application number: DE201220104119
Authority: DE
Original assignee: Intelligendt Systems and Services GmbH
Current assignee: Areva GmbH
Priority date: 2012-10-26
Filing date: 2012-10-26
Publication date: 2013-04-30
Anticipated expiration: 2022-10-27

Abstract

Vorrichtung (2) zur Ultraschallprüfung eines Werkstücks mit einer Ultraschallwandleranordnung (4), mit mehreren jeweils eine Sende- und Empfangsfläche (12) aufweisenden, in zumindest einer Reihe nebeneinander auf den Zahnflanken (7) eines sägezahnförmigen Trägers (8) angeordneten Wandlerelementen (6), bei der die Sende- und Empfangsflächen (12) der Wandlerelemente (6) zueinander parallel und gegenüber einer Koppelfläche (10) der Ultraschallwandleranordnung (4) unter einem von null verschiedenen Winkel (α) orientiert sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ultraschallprüfung eines Werkstücks mit einer Ultraschallwandleranordnung mit mehreren Wandlerelementen.
Die Ultraschallprüfung stellt eine geeignete Methode zur zerstörungsfreien Prüfung eines Werkstücks auf Fehler oder Ungänzen, wie beispielsweise Risse oder Poren, dar. Bei vielen Anwendungen wird dabei die sogenannte Gruppenstrahlertechnik eingesetzt, bei der anstelle eines einzelnen Ultraschallwandlers eine Ultraschallwandleranordnung mit mehreren Wandlerelementen zum Einsatz kommt. Die einzelnen Wandlerelemente können hierfür z.B. linear oder matrixförmig nebeneinander auf einem Träger angeordnet sein.
Bei sogenannten „linearen Arrays“ sind die Wandlerelemente beispielsweise so in einer Reihe nebeneinander angeordnet, dass die Richtwirkung der Wandlerelemente, d.h. die Mittelachse bzw. akustische Achse des von den Wandlerelementen erzeugten Ultraschallbündels, senkrecht zur Oberfläche des zu prüfenden Werkstücks verläuft und der Einschallwinkel in das Werkstück 0° beträgt. Nacheinander wird jeweils eine Gruppe bestehend aus mehreren einzelnen Wandlerelementen angesteuert, sodass das Werkstück entlang der Länge der Ultraschallwandleranordnung geprüft werden kann, ohne die Ultraschallwandleranordnung oder das Werkstück mechanisch bewegen zu müssen.
Sollen außerdem von null verschiedene Einschallwinkel realisiert werden, müssen die einzelnen Wandlerelemente einer Gruppe zusätzlich zeitverzögert angesteuert werden. Da der dadurch erzielbare Einschallwinkel vor allem durch die Richtwirkung der Wandlerelemente begrenzt wird, muss die Geometrie bzw. die Breite der Wandlerelemente entsprechend gewählt werden. Um eine nur geringe Einschränkung der Richtwirkung zu erreichen, muss die Breite eines Wandlerelementes etwa die Hälfte der Wellenlänge des verwendeten Ultraschalls betragen und ist folglich sehr klein. Dies hat den Nachteil, dass für ein lineares Array, mit dem der Ultraschall sowohl senkrecht als auch schräg zur Werkstückoberfläche in das Werkstück eingekoppelt werden kann, viele einzelne Wandlerelemente benötigt werden, was hohe Fertigungskosten sowohl der Ultraschallwandleranordnung an sich als auch der zum Ansteuern der Wandlerelemente notwendigen Steuereinrichtung zur Folge hat.
Um verschiedene Einschallwinkel einfacher zu realisieren ist es daher z.B. bekannt, die einzelnen Wandlerelemente bereits so auf dem Träger anzuordnen, dass ihre Richtwirkung bereits entsprechend des gewünschten Einschallwinkels orientiert ist. Die einzelnen Wandlerelemente werden hierfür beispielsweise auf einem keilförmigen Träger angeordnet. Zwar werden bei einer solchen keilförmigen Ultraschallwandleranordnung weniger Wandlerelemente benötigt, jedoch weist eine solche Ultraschallwandleranordnung eine relativ hohe Bauhöhe auf. Ein weiterer Nachteil ist, dass die einzelnen Wandlerelemente bzw. Gruppen von Wandlerelementen bedingt durch die Keilform des Trägers unterschiedlich lange Vorlaufstrecken, also verschiedene Laufzeiten des Ultraschalls bis zu einer Koppelfläche der Ultraschallwandleranordnung bzw. zur Oberfläche des Werkstücks haben. Dadurch ergeben sich für die einzelnen jeweils zu einer Gruppe zusammengeschalteten Wandlerelemente abhängig von deren Lage auf dem Träger unterschiedliche Schallfelder im Werkstück und unterschiedliche Prüfempfindlichkeiten der Wandlerelemente.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Ultraschallprüfung eines Werkstücks mit einer Ultraschallwandleranordnung mit mehreren Wandlerelementen anzugeben, mit der die oben genannten Nachteile vermieden werden.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Eine solche Vorrichtung zur Ultraschallprüfung eines Werkstücks umfasst eine Ultraschallwandleranordnung mit mehreren jeweils eine Sendeund Empfangsfläche aufweisenden, in zumindest einer Reihe nebeneinander auf den Zahnflanken eines sägezahnförmigen Trägers angeordneten Wandlerelementen. Die Sende- und Empfangsflächen der Wandlerelemente sind dabei zueinander parallel und gegenüber der Koppelfläche der Ultraschallwandleranordnung unter einem von null verschiedenen Winkel orientiert.
Unter Koppelfläche der Ultraschallwandleranordnung ist dabei die die Vorlaufstrecke abschließende Fläche zu verstehen, an der der Ultraschall in das zu prüfende Werkstück eintritt.
Grundsätzlich ist es möglich, den sägezahnförmigen Träger so auszugestalten, dass der Abstand zwischen den Wandlerelementen und der Koppelfläche nicht für alle Wandlerelemente gleich ist. Besonders vorteilhaft ist jedoch eine Ausgestaltung bei der alle Wandlerelemente in gleichem Abstand zur Koppelfläche der Ultraschallwandleranordnung angeordnet sind.
Unter Abstand zur Koppelfläche kann zum Einen die Strecke verstanden werden, die ausgehend von der Mitte eines Wandlerelementes senkrecht auf der Koppelfläche steht. Zum Anderen kann unter Abstand auch die Länge der auf die jeweilige Sende-Empfangsfläche eines Wandlerelementes von der Mitte ausgehenden Normalen bis zur Koppelfläche verstanden werden.
Im Vergleich zu einem keilförmigen Träger weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine deutlich geringere Bauhöhe auf. Die damit verbundene kleinere Vorlaufstrecke führt dazu, dass der von den Wandlerelementen emittierte Ultraschall bereits nach Durchlaufen kurzer Wegstrecken mehrfach reflektiert und durch die damit verbundenen Reflexionsverluste erheblich schneller gedämpft wird, als dies bei einer linearen Anordnung der Wandlerelemente auf einem gemeinsamen keilförmigen Träger der Fall wäre. Zudem ist die Vorlaufstrecke für jedes Wandlerelement gleich lang. Somit ist die Prüfempfindlichkeit für jedes Wandlerelement identisch.
Die Vorrichtung umfasst in einer weiteren Ausgestaltung eine Steuereinrichtung zum zeitverzögerten Ansteuern der Wandlerelemente umfasst, mit der es möglich ist, die einzelnen Wandlerelemente relativ zueinander zeitverzögert anzusteuern. Damit kann der Einschallwinkel in das Werkstück in einem Winkelbereich um den durch den Winkel der Sende- und Empfangsflächen definierten Vorzugseinschallwinkel variiert werden. Hierfür werden nebeneinander angeordnete Wandlerelemente zeitlich nacheinander angeregt. Zudem kann das Schallfeld durch zeitlich verzögertes Ansteuern der Wandlerelemente mit Hilfe der Steuereinrichtung zusätzlich fokussiert werden. Mit anderen Worten: Die Vorrichtung ermöglicht sowohl ein elektronisches Schwenken der Ultraschallwellen als auch eine zusätzliche Fokussierung.
Bei der Durchführung der Ultraschallprüfung eines Werkstücks mit einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung können sowohl einzelne als auch alle Wandlerelemente oder eine Gruppe aus Wandlerelementen zur Prüfung eines Bereichs im Werkstück angesteuert werden. Bei einer Gruppe, einem sogenannten „virtuellen Prüfkopf“, werden mehrere Wandlerelemente zusammen, aber zeitverzögert angesteuert. Die Gruppen selbst können nacheinander und die jeweiligen Wandlerelemente der Gruppen zeitlich verzögert angesteuert werden, sodass ein elektronisches Schwenken und Fokussieren in möglichst vielen Bereichen im Werkstück erfolgt. Das Werkstück kann so in unterschiedliche Tiefen und mit verschiedenen Einschallwinkeln geprüft werden.
Die Wandlerelemente sind vorzugsweise auf einem, beispielsweise aus einem Kunststoff bestehenden, sägezahnförmigen Träger angeordnet, der entsprechend des Winkels, den die Wandlerelemente gegenüber der Koppelfläche der Ultraschallwandleranordnung aufweisen sollen, um den gewünschten Einschallwinkel zu erreichen, ausgestaltet ist. Bei einem derart ausgebildeten Träger können die Wandlerelemente mit geringem Aufwand auf die einzelnen Sägezahnstufen aufgebracht werden.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele verwiesen. Es zeigen jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:
1 eine Vorrichtung zur Ultraschallprüfung eines Werkstücks mit einer Ultraschallwandleranordnung mit mehreren Ultraschallwandlern gemäß der Erfindung,
2, 3, 4 jeweils ein Diagramm, in dem die Schalldruckamplitude, die mit einer Vorrichtung gemäß der Erfindung für einen Einschallwinkel von 45°, 38° bzw. 50° gemessen wurde, gegen den Winkel aufgetragen ist,
1 zeigt eine Vorrichtung 2 zur Ultraschallprüfung eines – hier nicht dargestellten – Werkstücks mit einer Ultraschallwandleranordnung 4. Die Ultraschallwandleranordnung 4 umfasst mehrere Wandlerelemente 6, die in zumindest einer Reihe nebeneinander auf den Zahnflanken 7 eines sägezahnförmigen Trägers 8 angeordnet sind. Jedes Wandlerelement 6 weist eine Sendeund Empfangsfläche 12 auf, die sich auf der einer ebenen Koppelfläche 10 zugewandten Seite des Wandlerelementes 6 befindet. Die Sende- und Empfangsflächen 12 der einzelnen Wandlerelemente 6 sind zueinander parallel und gegenüber der Koppelfläche 10 um einen von null verschiedenen Winkel α geneigt.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Wandlerelemente 6 in gleichem Abstand d, d‘ zur Koppelfläche 10 der Ultraschallwandleranordnung 4 auf dem Träger 8 angeordnet. Dabei entspricht der Abstand d der Strecke von einem Wandlerelement 6 senkrecht zur Koppelfläche 10, der Abstand d‘ entspricht der Strecke von einem Wandlerelement 6 zur Koppelfläche 10 entlang einer Mittelachse 14 eines vom Wandlerelement 6 erzeugten Ultraschallbündels in dem Träger 8. Grundsätzlich ist jedoch auch eine Anordnung möglich, bei der die Wandlerelemente 6 unterschiedlichen Abstand zur Koppelfläche aufweisen.
Des Weiteren umfasst die Vorrichtung 2 eine Steuereinrichtung 18 zum zeitverzögerten Ansteuern der Wandlerelemente 6. Die einzelnen Wandlerelemente 6 sind jeweils über eine Leitung 20 – in 1 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit beispielhaft nur drei Leitungen 20 eingezeichnet – an die Steuereinrichtung 18 angeschlossen. Die nebeneinander angeordneten Wandlerelemente 6 werden zeitlich nacheinander angeregt, um den Einschallwinkel β elektronisch zu schwenken oder die Ultraschallwelle zusätzlich zu fokussieren.
Dabei können sowohl einzelne als auch alle Wandlerelemente 6 oder eine Gruppe aus Wandlerelementen 6 gemeinsam betrieben werden. Gemäß 1 bilden beispielsweise jeweils vier nebeneinander angeordnete Wandlerelemente 6 eine Gruppe 22, einen sogenannten virtuellen Prüfkopf. Die vier Wandlerelemente 6 werden gemeinsam, aber zeitlich verzögert angesteuert. Mehrere vorhandene Gruppen 22 von Wandlerelementen 6 können nacheinander angesteuert werden.
In den 2, 3 und 4 ist jeweils die Schalldruckamplitude A in Abhängigkeit vom Winkel β, eine sogenannte Richtcharakteristik, für unterschiedliche Einschallwinkel β_e dargestellt, die mit einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zur Ultraschallprüfung eines Werkstücks, beispielsweise aus Stahl, gemessen wurde. Der Winkel α, also die Anstellung der Wandlerelemente 6 gegenüber der Koppelfläche 10, wurde so gewählt, dass sich ein Vorzugseinschallwinkel β_e,0 (für die Transversalwelle) von 45° (2) ergibt. Um bei dem Vorzugseinschallwinkel β_e,0 eine gute Überlagerung der von den Wandlerelementen ausgehenden Schallwellen zu erzielen, ist es notwendig die Wandlerelemente untereinander zeitverzögert anzusteuern. Durch entsprechende Variation der zeitverzögerten Ansteuerung der Wandlerelemente können dann beispielsweise Einschallwinkel β_e = 38° (3) und β_e = 50° (4) erzeugt werden. Bei der Messung der Richtcharakteristiken wurden vier Wandlerelemente 6 der Ultraschallwandleranordnung 4, die z.B. in einem Abstand von 2mm zueinander nebeneinander auf einem Träger 8 angeordnet sind, als eine Gruppe 22 (1) betrieben. Die Wandlerelemente 6 werden in diesem Fall von der Steuereinrichtung 18 mit einer Frequenz von 5MHz angesteuert, denkbar sind jedoch alle zum Erzeugen von Ultraschall geeigneten Frequenzen.
2 zeigt die Richtcharakteristik einer Transversalwelle, die unter dem Vorzugseinschallwinkel β_e,0 von 45° in das Werkstück eingekoppelt wird. Der 2 ist zu entnehmen, dass mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein schmales Schallfeld erzeugt wird, dessen Form, Pulsdauer und Signal-Rausch-Verhältnis ein Erkennen, von Fehlern oder Ungänzen, wie beispielsweise Risse oder Poren, die in einem schmalen Bereich 24 – gestrichelt dargestellt – um den Vorzugseinschallwinkel β_e,0 orientiert sind, erlaubt. Der Bereich 24 wird anhand der Breite der Schalldruckamplitude A bei –3dB ermittelt und beträgt gemäß 2 etwa 5°. Bei der Messung wurden die vier Wandlerelemente 6 gemeinsam und zeitverzögert angesteuert. Bei dem Vorzugseinschallwinkel β_e,0 handelt es sich um einen aus der Anstellung der Wandlerelemente 6 ergebenden optimalen mittleren Winkel, um den ein zusätzlicher elektronischer Schwenk zu beiden Seiten möglich ist.
Gemäß der Erfindung ist es mit einer Vorrichtung 2 möglich, die Ultraschallwelle elektronisch zu schwenken, also den Einfallswinkel β_e durch zeitverzögerte Ansteuerung der Wandlerelemente 6 zu verändern. Die Anstellung der Wandlerelemente 6 bzw. der Winkel α müssen hierfür nicht verändert werden. 3 zeigt eine Richtcharakteristik bei der die Steuereinrichtung 18 die Wandlerelemente 6 zeitlich mit einer geänderten Verzögerungszeit angesteuert worden sind. In diesem Fall wird die Ultraschallwelle dadurch so geschwenkt, dass sie unter einem Winkel β_e von 38° in das Werkstück einkoppelt. Auch für einen Einschallwinkel β_e von 38° ergibt sich ein sehr schmales Schallfeld das keine signifikanten Nebenkeulen oder ähnliches aufweist. Der Bereich 24 beträgt hier in etwa 4°.
In 4 wird die Ultraschallwelle mit der Steuereinrichtung 18 elektronisch so geschwenkt, dass der Einschallwinkel β_e 50° beträgt. Auch hier zeigen sich keine signifikanten Störungen im Schallfeld, dessen Bereich 24 etwa 6° beträgt. Es treten – wie auch in 2 und 3 – keine Abschattungseffekte der einzelnen Wandlerelemente 6 aufgrund des sägezahnförmigen Trägers 8 auf, die das Schallsignal beeinträchtigen.

Claims

Vorrichtung (2) zur Ultraschallprüfung eines Werkstücks mit einer Ultraschallwandleranordnung (4), mit mehreren jeweils eine Sende- und Empfangsfläche (12) aufweisenden, in zumindest einer Reihe nebeneinander auf den Zahnflanken (7) eines sägezahnförmigen Trägers (8) angeordneten Wandlerelementen (6), bei der die Sende- und Empfangsflächen (12) der Wandlerelemente (6) zueinander parallel und gegenüber einer Koppelfläche (10) der Ultraschallwandleranordnung (4) unter einem von null verschiedenen Winkel (α) orientiert sind.
Vorrichtung (2) nach Anspruch 1 mit einer Steuereinrichtung (18) zum zeitverzögerten Ansteuern der Wandlerelemente (6).