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ANWENDUNGSGEBIET UND STAND DER TECHNIK
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Die Erfindung betrifft eine Prüfkopfanordnung für eine Prüfanlage zur zerstörungsfreien Materialprüfung unter Relativbewegung eines Prüflings gegenüber der Prüfkopfanordnung entlang einer Prüfrichtung sowie eine Prüfanlage. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet sind Prüfkopfanordnungen für Ultraschall-Prüfanlagen.
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Die Ultraschallprüfung ist ein akustisches Verfahren zum Auffinden von Materialfehlern, sogenannten Ungänzen, sowie zur Bestimmung von Bauteilabmessungen mittels Ultraschalls. Sie gehört zu den zerstörungsfreien Prüfmethoden. In der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit Ultraschall (US) wird der Schall über ein Ankoppelmedium, z. B. eine Flüssigkeitsschicht, von einem Prüfkopf auf den Prüfling übertragen. Auch die Übertragung der die Information über den Zustand des Prüfguts tragenden Ultraschallwellen vom Prüfling zum empfangenden Prüfkopf erfolgt in der Regel über dasselbe Ankoppelmedium. Unter Prüfkopf wird hier eine Handhabungseinheit verstanden, in der ein oder mehrere Ultraschallwandler eingebaut sind. Der Ultraschallwandler selbst ist das Element, das das elektrische Signal in ein Schallsignal (akustisches Signal) bzw. ein Schallsignal in ein elektrisches Signal umsetzt. Meist werden die schallaussendenden und schallempfangenden Ultraschallwandler in einem Prüfkopf vereinigt. Handelt es sich um separate Sender und Empfänger, spricht man auch von Sende-Empfangs-Prüfköpfen bzw. SE-Prüfköpfen. Diese werden z.B. dann bevorzugt, wenn ein hohes Nahauflösungsvermögen gefordert ist. Wird mit dem gleichen Ultraschallwandler gesendet und auch empfangen, spricht man von Impuls-Echo-Prüfköpfen.
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Für die Prüfung von großflächigen Produkten, z.B. von Grobblechen in Stahlwerken, werden heutzutage häufig Ultraschall-Prüfanlagen verwendet, die Prüfkopfanordnungen mit einer Vielzahl von Prüfköpfen aufweisen und die so arbeiten, dass eine Relativbewegung eines Prüflings gegenüber der Prüfkopfanordnung entlang einer Prüfrichtung genutzt wird. Eine Prüfkopfanordnung hat einen Grundträger, der eine parallel zur Prüfrichtung ausrichtbare Längsrichtung und eine senkrecht zur Prüfrichtung ausrichtbare Querrichtung definiert und eine Vielzahl von Prüfkopfhaltern trägt, die in einer geraden Reihe in der Querrichtung nebeneinander angeordnet sind. In jedem Prüfkopfhalter sind ein oder mehrere Prüfköpfe untergebracht.
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Der Artikel „Betriebliche Erfahrungen mit einer neuen Ganztafel-Ultraschallprüfanlage“ von A. Weber et al., DGZfP-Jahrestagung 2013 - Di.2.B.2, Seiten 1 bis 8 beschreibt eine Ganztafel-Ultraschallprüfanlage, die in einem Walzwerk unmittelbar hinter dem Kühlbett im Einlauf in die Scherenstrecke angeordnet ist. In die beschriebene Ultraschallprüfanlage sind insgesamt 76 pneumatisch einzeln angesteuerte Prüfkopfhalter verbaut. Eingesetzt sind SE-Prüfköpfe mit einer Nennfrequenz von 5 MHz. Die verwendeten Mehrfachschwinger haben eine Breite von 50 mm und sind 4-fach geteilt, woraus sich 304 einzeln zu verarbeitende Prüfkanäle ergeben. Die Prüfkopfhalter sind in zwei in Prüfrichtung hintereinander angeordnete und um eine Prüfkopfbreite in Querrichtung zueinander versetzte Flächenprüfwagen eingebaut. Hierdurch wird nach Angabe des Artikels eine vollständige Flächenprüfung (100%-Prüfung) erreicht.
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Die Offenlegungsschrift
DE 34 42 751 A1 offenbart eine mit Ultraschall arbeitende Prüfanlage für Bleche mit mehreren auf das Blech einstellbaren Prüfköpfen, die quer zur Förderrichtung des Blechs reihenweise und in Förderrichtung in mehreren Reihen hintereinander mit Überlappung vorgesehen sind. Jeder Prüfkopf hat einen Sender sowie einen Empfänger.
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AUFGABE UND LÖSUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Prüfkopfanordnung für eine Prüfanlage zur zerstörungsfreien Materialprüfung unter Relativbewegung eines Prüflings gegenüber der Prüfkopfanordnung bereitzustellen, die bei einfachem und kostengünstigem Aufbau eine lückenlose Flächenprüfung ermöglicht. Weiterhin soll eine damit ausgestattete Prüfanlage bereitgestellt werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung eine Prüfkopfanordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie eine Prüfanlage mit den Merkmalen von Anspruch 15 bereit. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Die Prüfkopfanordnung ist für eine Prüfanlage vorgesehen, die zur zerstörungsfreien Materialprüfung verwendet werden soll, bei der ein Prüfling gegenüber der Prüfkopfanordnung entlang einer Prüfrichtung relativ zur Prüfanordnung bewegt wird. Die Relativbewegung kann dadurch realisiert werden, dass die Prüfkopfanordnung während der Prüfung stationär angeordnet ist und der Prüfling parallel zur Prüfrichtung bewegt wird. Es ist auch möglich, dass der Prüfling während der Prüfung ruht und nur die Prüfkopfanordnung parallel zur Prüfrichtung bewegt wird. Es ist auch möglich, dass sowohl der Prüfling als auch die Prüfkopfanordnung während der Prüfung parallel zur Prüfrichtung bewegt wird.
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Die Prüfanordnung umfasst einen Grundträger, der eine parallel zur Prüfrichtung ausrichtbare Längsrichtung und eine senkrecht zur Prüfrichtung ausrichtbare Querrichtung definiert. Der Grundträger trägt eine Vielzahl von Prüfkopfhaltern, die in einer geraden Reihe in der Querrichtung nebeneinander angeordnet sind. Mit der Vielzahl der Prüfkopfhalter soll während der Prüfung möglichst die gesamte Breite der Fläche, d.h. mit möglichst geringen ungeprüften Seitenrändern, abgedeckt werden. Daher werden solche Prüfkopfanordnungen auch als Flächenprüfwagen bezeichnet. Zur Verbesserung der Wartungsmöglichkeiten und Minderung der Stillstandzeiten des Rollgangs sind Flächenprüfwagen meist in Querrichtung zwischen einer zur Prüfung geeigneten Prüfposition und einer Serviceposition außerhalb des Bewegungsweges eines Prüflings verfahrbar.
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Jeder Prüfkopfhalter weist eine Haltestruktur auf, die die in der Regel auswechselbaren Prüfköpfe aufnimmt und an den gewünschten Positionen in der benötigten relativen räumlichen Anordnung zueinander hält.
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Jeder der Prüfkopfhalter hat einen mit wenigstens einem ersten Prüfkopf bestückten ersten Prüfkopfbereich und einen mit wenigstens einem zweiten Prüfkopf bestückten zweiten Prüfkopfbereich. Jeder der Prüfkopfbereiche definiert eine effektive Prüfbreite derart, dass bei Relativbewegung des Prüflings gegenüber der Prüfkopfanordnung parallel zur Prüfrichtung durch den Prüfkopfbereich eine Prüfspur mit einer effektiven Prüfbreite lückenlos prüfbar ist. Der erste Prüfkopfbereich und der zweite Prüfkopfbereich ein und desselben Prüfkopfhalters sind sowohl parallel zur Längsrichtung als auch parallel zur Querrichtung gegeneinander versetzt angeordnet. Die versetzte Anordnung ist derart ausgestaltet, dass eine von dem ersten Prüfkopfbereich eines Prüfkopfhalters abgedeckte erste Prüfspur an einer Seite lückenlos in eine von dem zweiten Prüfkopfbereich derselben Prüfkopfhalterung abgedeckte zweiten Prüfspur übergeht und an der gegenüberliegenden Seite lückenlos in eine von einem zweiten Prüfkopfbereich einer unmittelbar benachbarten Prüfkopfhalterung abgedeckten zweiten Prüfspur übergeht. Unter einem lückenlosen Übergang wird hier verstanden, dass im Bereich zwischen den lückenlos ineinander übergehenden Prüfspuren keine Prüflücke existiert, also kein Bereich, in welchem die Prüfempfindlichkeit unter eine anwendungsspezifisch vorgebbare Mindest-Prüfempfindlichkeit absinkt. Auch im Übergangsbereich ist also eine für die Prüfaufgabe ausreichende Prüfempfindlichkeit gegeben, so dass alle gesuchten Ungänzen bzw. Reflektoren auch im Übergangsbereich zwischen benachbarten Prüfspuren prinzipiell auch auffindbar sind.
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Zur Bedeutung der Begriffe Ungänze und Fehler (bzw. Defekt) im Rahmen dieser Anmeldung sei anhand des Beispiels der Ultraschall-Prüfung Folgendes angemerkt. Grundsätzlich wird unterschieden zwischen Ungänzen und Fehlern. Eine Ungänze ist jedes Objekt, welches als Reflektor für Ultraschallwellen während der Ultraschall-Prüfung detektiert worden ist. Ein Fehler ist ein Reflektor, welcher Merkmale aufweist (z.B. Überschreitung einer maximalen Fläche oder Häufigkeit von Reflektoren innerhalb einer Fläche u.v.m.) welche nach offiziellen Prüfstandards oder individueller Vereinbarungen als nicht zulässig definiert worden sind. Nicht jede Ungänze ist somit ein Fehler, aber alle Fehler sind auch Ungänzen.
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Analoges gilt auch bei der Anwendung anderer prinzipiell nutzbarer Prüftechnologien, z.B. der Prüfung mittels Wirbelstroms (Eddy Current Testing, ET) oder der Streufluss-Prüfung (Magnetic Testing, MT).
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Durch die besondere Ausgestaltung und Anordnung der Prüfkopfhalter ist es möglich, mit nur einer einzigen Reihe in Querrichtung nebeneinander angeordneter Prüfkopfhalter eine 100%-Prüfabdeckung einer in Querrichtung sehr breiten Fläche zu erreichen. Im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen, bei denen zwei in Prüfrichtung hintereinander angeordnet und um eine Prüfkopfbreite in Querrichtung zueinander versetzte Prüfkopfanordnungen verwendet wurden, kann eine komplette Prüfkopfanordnung eingespart werden. Durch den Entfall der Notwendigkeit, zusätzlich zu einer Prüfkopfanordnung wenigstens eine zweite in Längsrichtung dagegen versetzte Prüfkopfanordnung bereitzustellen, verbessert sich zudem die Zugänglichkeit aller Komponenten der Prüfkopfanordnung. Der „Footprint“ der Gesamtanordnung wird kleiner, d.h. es wird weniger Bauraum in Längsrichtung benötigt. Dadurch vereinfacht sich die Integration in bestehende Einbauumgebungen, z.B. in Produktionshallen. Eine höhere Integration der Anlage kann zu kürzeren Montage- und Inbetriebnahmezeiten führen. Sofern die Prüfanlage auch über Kantenprüfwagen zur Querkantenprüfung verfügt, kann diesen mehr Bauraum für die Relativbewegung zum Prüfling bereitgestellt werden. Ein weiterer Vorteil der beanspruchten Erfindung besteht darin, dass Einsparungen bei den Materialkosten erzielt werden können. Somit kann eine Prüfkopfanordnung bereitgestellt werden, die bei konstruktiv relativ einfachem und kostengünstigem Aufbau eine lückenlose Flächenprüfung ermöglicht.
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Aufgrund der besonderen Bauweise ist es möglich, bei der Flächenprüfung einreihig (das heißt mit nur einer einzigen Reihe in Querrichtung nebeneinander angeordneter Prüfkopfhalter), aber dennoch mit 100%iger Prüfabdeckung zu prüfen.
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Eine entsprechende Prüfanlage zur zerstörungsfreien Materialprüfung unter Relativbewegung eines Prüflings gegenüber der Prüfkopfanordnung entlang einer Prüfrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie nur eine einzige Prüfkopfanordnung gemäß der beanspruchten Erfindung aufweist.
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Bei manchen Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die von dem ersten Prüfkopfbereich eines Prüfkopfhalters abgedeckte erste Prüfspur sich an einer Seite mit der von dem zweiten Prüfkopfbereich desselben Prüfkopfhalters abgedeckten zweiten Prüfspur in einem ersten Überlappungsbereich überlappt, während sie sich an der gegenüberliegenden Seite mit der von einem zweiten Prüfkopfbereich eines unmittelbar benachbarten Prüfkopfhalters abgedeckten zweiten Prüfspur in einem zweiten Überlappungsbereich überlappt. Das Ausmaß der Überlappung kann so gewählt werden, dass im Überlappungsbereich die Prüfempfindlichkeit nicht oder nur unwesentlich geringer ist als im Mittelbereich einer Prüfspur. Die Breite der Überlappungsbereiche ergibt sich aus der geforderten minimalen Nachweisempfindlichkeit sowie den physikalischen Eigenschaften der verwendeten Prüfköpfe. Überlappungsbereiche können z.B. eine Breite haben, die zwischen 5% und 25%, insbesondere zwischen 10% und 20% der Breite der sich überlappenden Prüfspuren beträgt. Darüber hinaus werden auch in manchen Prüfstandards konkrete Forderungen bezogen auf Überlappungsbereichen einzelner Prüfspuren formuliert, z.B. derart, dass deren Breite mindestens 10% der Breite der sich überlappenden Prüfspuren betragen sollte.
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Gemäß einer anderen Formulierung kann ein Aspekt der Erfindung auch wie folgt beschreiben werden. Die erste und die zweite Prüfspur der Prüfkopfbereiche desselben Prüfkopfhalters bilden aufgrund des lückenlosen Übergangs oder der Überlappung in dem ersten Überlappungsbereich eine Gesamt-Prüfspur der in diesem Prüfkopfhalter untergebrachten Prüfköpfe. Die Breite dieser Gesamt-Prüfspur, die als Gesamt-Prüfbreite eines Prüfkopfhalters bezeichnet werden kann, ist größer als die in Querrichtung gemessene Breite des Prüfkopfhalters an seiner breitesten Stelle.
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Damit eine zuverlässige Flächenprüfung auch bei Prüflingen mit relativ unebenen Oberflächen möglich wird, ist bei bevorzugten Ausführungsformen vorgesehen, dass die Prüfkopfhalter individuell beweglich an dem Grundkörper angebracht sind. Vorzugsweise ist dabei jeder der Prüfkopfhalter sowohl in Längsrichtung als auch in Querrichtung begrenzt verkippbar gelagert. Dadurch können Prüfsignalschwankungen aufgrund von Fehlorientierungen und/oder zu großen Abstandsänderungen zwischen den Prüfköpfen und dem Prüfling im Vergleich zu einer starren Halterung erheblich reduziert werden. Die Prüfkopfhalter können dazu an geeigneten, in sich beweglichen Aufhängungen angebracht sein, z.B. an kardanischen Aufhängungen oder an Parallelogramm-Aufhängungen mit zusätzlichen Kipp-Freiheitsgraden. Die Prüfkopfhalter und ihre Aufhängung können Prüfkopfhalter-Baugruppen bilden, die jeweils als Ganzes individuell auswechselbar am Grundträger angebracht sein können.
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Um einerseits jedem der Prüfkopfhalter in der Reihe eine individuelle Beweglichkeit möglichst ohne Kollision mit unmittelbar benachbarten Prüfkopfhaltern zu ermöglichen und andererseits dennoch eine in Querrichtung lückenlose Prüfung sicherzustellen, sollte der Abstand in Querrichtung benachbarter Prüfkopfhalter weder zu groß noch zu klein gewählt werden.
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Eine günstige Abstandsgestaltung lässt sich bei manchen Ausführungsformen durch eine besondere Gestalt der Prüfkopfhalter im Gleitsohlenbereich erreichen. Die Gleitsohlen sind diejenigen Komponenten der Prüfkopfhalter, die dafür vorgesehen sind, während der Prüfung den Prüfkopfhalter bzw. die Prüfköpfe in möglichst konstantem Abstand (Koppelspalt) über die Prüflingsoberfläche zu führen und, ggf. unter Zwischenschaltung eines Koppelmediums, entlang dieser mit oder ohne Berührungskontakt abzugleiten. Der Gleitsohlenbereich ist somit derjenige Bereich der Prüfkopfhalter an der dem Prüfling zuzuwendenden Seite.
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Bei manchen Ausführungsformen weisen die Prüfkopfhalter im Gleitsohlenbereich einen (bei der Prüfung vorauseilenden) vorderen Abschnitt und einen (bei der Prüfung nacheilenden) hinteren Abschnitt auf, wobei der vordere und der hintere Abschnitt in Längsrichtung und in Querrichtung gegeneinander versetzt sind. Der vordere und der hintere Abschnitt können für die Unterbringung der entsprechenden ersten und zweiten Prüfkopfbereiche oder Teilen davon genutzt werden.
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Dies ist eine Abweichung von üblichen Konzepten, bei denen die Prüfkopfhalter im Gleitsohlenbereich eine Gestalt aufweisen, die sich im Wesentlichen in Längsrichtung bzw. Prüfrichtung erstreckt.
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Zwischen dem vorderen und dem hinteren Abschnitt, die jeweils im Wesentlichen rechteckförmig ggf. mit abgerundeten Ecken gestaltet sein können, kann ein mehr oder weniger ausgeprägter stufenförmiger Übergang liegen, der sich durch den Versatz in Längs- und Querrichtung ergibt. Bei manchen Ausführungsformen liegt zwischen dem vorderen Abschnitt und dem hinteren Abschnitt ein Mittelabschnitt, wobei der vordere und der hintere Abschnitt in Längsrichtung und in Querrichtung gegeneinander versetzt sind und der Mittelabschnitt schräg zur Längsrichtung und zur Querrichtung verläuft. Der vordere und der hintere Abschnitt können wenigstens zum Teil für die Unterbringung der entsprechenden ersten und zweiten Prüfkopfbereiche genutzt werden, während über den schräg verlaufenden Mittelabschnitt, der die beiden Abschnitte verbindet, der erforderliche Versatz in Querrichtung bei gleichzeitiger Wahrung eines ausreichenden Seitenabstands zu unmittelbar benachbarten Prüfkopfhalterungen ermöglicht wird.
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Gemäß einer anderen Formulierung lässt sich eine günstige Abstandsgestaltung bei manchen Ausführungsformen dadurch erreichen, dass jeder der Prüfkopfhalter im Gleitsohlenbereich eine Gestalt aufweist, welche abschnittsweise oder über die gesamte Länge schräg zur Längsrichtung und zur Querrichtung verläuft.
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Gemäß einer anderen Formulierung kann die Prüfkopfanordnung auch so beschrieben werden, dass jeder der Prüfkopfhalter im Gleitsohlenbereich eine Gestalt aufweist, die in Bezug auf ein mittig zwischen einer Vorderkante und einer Hinterkante liegendes Symmetriezentrum im Wesentlichen punktsymmetrisch ist und weder in Bezug auf die Längsrichtung noch in Bezug auf die Querrichtung eine Spiegelsymmetrie aufweist. Die Gestalt kann z.B. im Wesentlichen S-förmig oder Z-förmig sein.
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Es ist möglich, dass in jedem der Prüfkopfbereiche eines Prüfkopfhalters, also sowohl in einem ersten Prüfkopfbereich als auch in einem zweiten Prüfkopfbereich, jeweils nur ein Prüfkopf untergebracht ist. In diesem Fall würde die effektive Prüfbreite des Prüfkopfbereichs durch die effektive Prüfbreite des einen Prüfkopfs bestimmt. Bei manchen Ausführungsformen ist in jedem der Prüfkopfbereiche eine Prüfkopfgruppe mit mehreren Prüfköpfen angeordnet, die in Längsrichtung und in Querrichtung derart gegeneinander versetzt angeordnet sind, dass eine effektive Prüfbreite des Prüfkopfbereichs größer ist als eine individuelle Prüfbreite jedes der Prüfköpfe. Die Prüfköpfe können innerhalb des jeweiligen Prüfkopfbereichs „auf Lücke“ in zwei oder mehr Ebenen hintereinander angeordnet sein. Beispielsweise können in einer Ebene zwei Prüfköpfe in Querrichtung nebeneinander angeordnet sein, während in einer dazu in Längsrichtung versetzten Ebene ein Prüfkopf vorgesehen ist, der die zwischen den beiden genannten Prüfköpfen existierende Prüflücke mit seitlicher Überlappung abdeckt.
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Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet sind Prüfkopfanordnungen für Ultraschall-Prüfanlagen sowie damit ausgestattete Ultraschall-Prüfanlagen. Dabei kann als Prüftechnologie z.B. konventioneller Ultraschall mit Wasserspaltankopplung eingesetzt werden. Als Ultraschall-Prüfköpfe kommen z.B. die eingangs erwähnten Sende-Empfangs-Prüfköpfe bzw. SE-Prüfköpfen oder die Impuls-Echo-Prüfköpfe in Betracht. Eine Ultraschallprüfung kann auch mit Prüfköpfen durchgeführt werden, die Electromagnetic Acoustic Transducers (EMAT) aufweisen. Mögliche Ausführungsformen sind z.B. in der
DE 10 2008 054 250 A1 der Anmelderin und dem darin genannten Stand der Technik beschrieben. Die Prüfköpfe können auch nach anderen Prüfprinzipien arbeiten. Bei den Prüfköpfen kann es sich z.B. um Wirbelstrom-Prüfköpfe für die Prüfung mittels Wirbelstroms (Eddy Current Testing, ET) handeln oder um Streufluss-Prüfköpfe für die magnetische Streufluss-Prüfung (Magnetic Testing, MT).
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Somit ist es möglich, Bleche, bzw. allgemein Materialien oder Prüflinge, unter Verwendung einer Prüfkopfanordnung der hier beschriebenen Art mit unterschiedlichen Sensoren, und somit unterschiedlichen Prüftechnologien, zu prüfen. Entsprechend der gewählten Technologie lassen sich z.B. Applikationen für unterschiedliche Prüfaufgaben bezogen auf das Materialvolumen (bevorzugt US oder EMAT) oder die Materialoberflächen (bevorzugt ET oder MT) realisieren.
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Figurenliste
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Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung, die nachfolgend anhand der Figuren erläutert sind.
- 1 zeigt eine schematische Ansicht von Teilen einer Ultraschall-Prüfanlage mit einer Prüfkopfanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 2A und 2B zeigen eine Draufsicht bzw. eine schrägperspektivische Ansicht auf Komponenten von vier in Reihe nebeneinander liegenden Prüfkopfhaltern einer Prüfkopfanordnung;
- 3A bis 3E zeigen unterschiedliche Ansichten von drei nebeneinander liegenden Prüfkopfhaltern einer Prüfkopfanordnung gemäß einer anderen Ausführungsform; und
- 4 zeigt schematisch eine Ausführungsform mit parallelogramm-förmigen Prüfkopfhaltern und lückenlos ineinander übergehenden, aber nicht überlappenden Prüfspuren.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Nachfolgend werden Aspekte bevorzugter Ausführungsformen am Beispiel der Ultraschallprüfung beschrieben. Anwendungen mit nach anderen Prinzipien arbeitenden Prüfköpfen (z.B. Wirbelstrom oder Streufluss-Prüfköpfe) lassen sich analog realisieren.
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In 1 ist eine schematische Ansicht von Teilen einer Ultraschall-Prüfanlage 100 zur zerstörungsfreien Materialprüfung von Prüflingen mittels Ultraschalls gezeigt. Der zu prüfende Prüfling 110 ist im Beispielsfall ein Grobblech, welches in einer Walzstraße eines Stahlwerks in einer Förderrichtung 112 mit horizontaler Orientierung auf einem Rollgang o.dgl. durch die Ultraschall-Prüfanlage hindurchtransportiert wird.
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Oberhalb des durchlaufenden Prüflings 110 ist eine Prüfkopfanordnung 200 der Ultraschall-Prüfanlage 100 angeordnet. Diese Prüfkopfanordnung ist dafür vorgesehen, den Prüfling 110 im Wesentlichen über seine gesamte Breite hinweg lückenlos mithilfe von Ultraschall-Prüfköpfen abzuscannen und dabei eine in Querrichtung lückenlose Ultraschallprüfung (100%-Flächenprüfung) zu erzielen. Die Prüfkopfanordnung bildet einen sogenannten Flächenprüfwagen, der in Querrichtung zwischen der dargestellten Prüfposition oberhalb des Rollgangs und einer neben dem Rollgang liegenden Serviceposition horizontal verfahrbar ist.
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Die Prüfkopfanordnung 200 prüft den Prüfling 110 von seiner Oberseite 111 her entlang einer Prüfrichtung, die parallel zur Förderrichtung 112 verläuft. Die Flächenprüfung kann praktisch die gesamte Breite des Prüflings abdecken. Die maximale Prüfbreite der Prüfkopfanordnung entspricht der Blechbreite in Querrichtung abzüglich schmaler ungeprüfter Randbereiche, die z.B. meist schmaler als 100 mm sind. Zur Prüfung der nicht durch den Flächenprüfwagen erreichbaren seitlichen Kanten des Prüflings weist die Ultraschall-Prüfanlage separate Kantenprüfwagen auf, die hier nicht dargestellt sind. Nicht dargestellt sind auch eventuell vorhandene Prüfeinrichtungen für den Kopf oder den Fuß eines durchlaufenden Blechs, also für die Enden des in Förderrichtung langgestreckten Prüflings.
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Die Prüfkopfanordnung 200 hat einen Grundträger 210, der in der parallel zur Prüfrichtung verlaufenden Längsrichtung L relativ schmal ist und sich in der dazu senkrechten Querrichtung Q über die gesamte Breite des Prüflings 110 erstreckt. Die seitlichen Verkleidungsbleche verleihen dem Grundträger eine kastenförmige Gestalt.
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An der dem Prüfling zugewandten Unterseite des Grundträgers 210 sind zahlreiche, untereinander identisch aufgebauten Prüfkopfhalter 220 montiert, die vom Grundträger getragen werden. Sie können parallel zur Vertikalrichtung V in Richtung auf den Prüfling oder in Gegenrichtung zugestellt werden. Im Beispielsfall sind über 40 identische Prüfkopfhalter 220 vorgesehen.
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Die Prüfkopfhalter 220 sind in einer einzigen geraden Reihe angeordnet, die sich in Querrichtung Q im Wesentlichen über die gesamte Breite des Prüflings erstreckt. Jeder Prüfkopfhalter ist an einer in sich beweglichen Aufhängung aufgehängt, die gemeinsam mit dem davon getragenen Prüfkopfhalter eine als Ganzes auswechselbare Prüfkopfhalter-Baugruppe bildet. Die Aufhängung umfasst im Beispielsfall einen Parallelogramm-Halter, der eine begrenzte Auf- und Ab-Bewegung des Prüfkopfhalters zwischen einer abgesenkten Prüfposition und einer angehobenen Ruheposition erlaubt. Die Aufhängungen der Prüfkopfhalter an den Parallelogramm-Haltern sind jeweils so konstruiert, dass Prüfkopfhalter nicht starr montiert sind, sondern sowohl in Längsrichtung L als auch in Querrichtung begrenzt kippbar sind, so dass jeder der Prüfkopfhalter unabhängig von benachbarten Prüfkopfhaltern eventuellen Unebenheiten der Prüflingsoberfläche 111 bis zu einem gewissen Umfang folgen kann.
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Die Ultraschall-Prüfanlage 100 weist eine Medienzuführeinrichtung 150 zum Zuführen von Medien (z.B. eines Ankoppelmediums (meist Wasser), Druckluft, elektrischen Strom für Automatisierung, Steuersignale) und einen Prüfkopf-Anschlusskasten 160 zur Unterbringung der elektrischen Anschlüsse für die Prüfköpfe der Prüfkopfanordnung auf.
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Zur weiteren Erläuterung des Aufbaus der Prüfkopfanordnung 200 zeigen die 2A und 2B eine Draufsicht bzw. eine schrägperspektivische Ansicht auf Komponenten von vier in Reihe nebeneinander liegenden Prüfkopfhaltern 220 einer Prüfkopfanordnung. Jeder Prüfkopfhalter 220 weist an seiner dem Prüfling zugewandten Unterseite eine sogenannte Gleitsohle 230 in Form einer massiven Platte aus einem verschleißfesten Werkstoff, beispielsweise aus Edelstahl mit Hartmetall-Einsätzen und/oder aus einem gehärteten Stahlwerkstoff auf. Für die Prüfung werden die Prüfkopfhalter so in Richtung des Prüflings nach unten zugestellt, dass die Gleitsohlen mit ihren dem Prüfling zugewandten Kontaktflächen 226 auf der Prüflingsoberfläche liegen, wobei sich im Koppelspalt zwischen den Prüfköpfen und der Prüflingsoberfläche ein flüssiges Koppelmedium (z.B. Wasser) befindet. Die Gleitsohlen gleiten auf der dünnen Schicht aus Koppelmedium ab, wenn sich der Prüfling relativ zum Prüfkopfhalter parallel zur Prüfrichtung bewegt. Die Gleitsohle ist in der Regel an der Unterseite eines metallischen Halterahmens auswechselbar befestigt. Der in 2A, 2B nicht dargestellte Halterahmen bildet eine Haltestruktur, in der die einzelnen Prüfköpfe an ihren vorgesehenen Positionen montiert sind. Der dem Prüfling nahekommende Bereich mit der Gleitsohle 230 wird auch als Gleitsohlenbereich 237 bezeichnet.
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Zwischen unmittelbar benachbart liegenden Prüfkopfhaltern gibt es jeweils Zwischenräume 222, so dass eine individuelle Bewegung der Prüfkopfhalterungen relativ zueinander ohne gegenseitige Kollision möglich ist.
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Jede der Gleitsohlen 230 hat eine im Wesentlichen S-förmige Gestalt und erstreckt sich in Längsrichtung L zwischen einer bei der Prüfung vorauseilenden Vorderkante 231 und einer nacheilenden Hinterkante 232, die im Beispielsfall parallel oder im Wesentlichen parallel zur Querrichtung Q verlaufen.
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Die einstückige Gleitsohle kann gedanklich in unterschiedliche Abschnitte unterteilt werden. An die Vorderkante 231 schließt sich ein vorderer Abschnitt 233 der Gleitsohle mit parallel zur Längsrichtung verlaufenden Seitenkanten an. An die Hinterkante schließt sich ein hinterer Abschnitt 234 der Gleitsohle mit parallel zur Längsrichtung verlaufenden Seitenkanten an. Der vordere und der hintere Abschnitt werden über einen Mittelabschnitt 235 der Gleitsohle verbunden, dessen Seitenkanten überwiegend schräg zur Längsrichtung und zur Querrichtung verlaufen. Ein Winkel zwischen der Längsrichtung und den Seitenkanten im Mittelabschnitt kann beispielsweise zwischen 30° und 50° liegen.
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Die Gestalt der Gleitsohlen 230 bzw. die Gestalt des Prüfkopfhalters im Gleitsohlenbereich 237 hat somit weder in Bezug auf die Längsrichtung L noch in Bezug auf die Querrichtung Q eine Spiegelsymmetrie. Vielmehr kann die Gestalt so beschrieben werden, dass sie in Bezug auf ein mittig zwischen Vorderkante und Hinterkante liegendes Symmetriezentrum Z im Wesentlichen punktsymmetrisch ist. Die jeweils S-förmigen Gleitsohlen sind ineinander verschränkt in der Weise, dass in Längsrichtung L gesehen ein vorderer Abschnitt einer Gleitsohle teilweise vor oder hinter dem hinteren Abschnitt einer unmittelbar daneben angeordneten Gleitsohle liegt.
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Jede Gleitsohle weist sowohl am Übergang zwischen dem vorderen Abschnitt und dem Mittelabschnitt als auch am Übergang zwischen dem Mittelabschnitt und dem hinteren Abschnitt jeweils eine Aussparung 236 auf, die von der zum Signalübertagungskontakt mit dem Prüfling vorgesehenen Kontaktfläche zur Innenseite bzw. Oberseite durchgeht und so dimensioniert ist, dass ein oder mehrere Prüfköpfe (im Beispielsfall jeweils drei Prüfköpfe) in die Aussparung mit geringem Seitenspiel hineinpassen.
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In jeder der Aussparungen befinden sich bei dem Ausführungsbeispiel drei separate Prüfköpfe 240 mit jeweils im Wesentlichen rechteckiger Grundform. Jeder einzelne Prüfkopf hat eine in Querrichtung Q gemessene effektive Prüfbreite, die etwas geringer ist als die in den Abbildungen sichtbare Breite des Prüfkopfs zwischen den Seitenflächen. Die drei Prüfköpfe einer Prüfkopfgruppe sind in zwei in Längsrichtung L gegeneinander versetzten Ebenen angebracht. In der ersten Prüfkopfgruppe 242-1, die am Übergang zwischen dem vorderen Abschnitt 233 und dem Mittelabschnitt 235 liegt, gibt es näher an der Vorderkante zwei nebeneinander liegende Prüfköpfe. Die dazwischen gebildete Prüflücke wird durch den dritten Prüfkopf abgedeckt, der in Längsrichtung L versetzt zu den beiden vorauseilenden Prüfköpfen mittig hinter der Lücke sitzt. Bei der zweiten Prüfkopfgruppe 242-2, die am Übergang zwischen dem Mittelabschnitt 235 und dem hinteren Abschnitt 234 angeordnet ist, gibt es eine dazu punktsymmetrische Anordnung.
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Die erste Prüfkopfgruppe 242-1 definiert einen ersten Prüfkopfbereich 245-1, während die zweite Prüfkopfgruppe 242-2 einen zweiten Prüfkopfbereich 245-2 definiert, der sowohl in Längsrichtung L als auch in Querrichtung Q gegenüber dem ersten Prüfkopfbereich 245-1 versetzt angeordnet ist.
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Wird der Prüfling 110 gegenüber der Prüfkopfanordnung 200 in Prüfrichtung 113 entsprechend der Längsrichtung L bewegt, so tasten die Prüfköpfe des ersten Prüfkopfbereiches 245-1 eine erste Prüfspur PS1 in Querrichtung Q lückenlos ab, während die Prüfköpfe des zweiten Prüfkopfbereichs 245-2 eine zweite Prüfspur PS2 in Querrichtung lückenlos abtasten.
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Eine Besonderheit des Ausführungsbeispiels besteht nun darin, wie die Prüfkopfbereiche der einzelnen Prüfkopfhalter relativ zueinander angeordnet sind. Die von dem ersten Prüfkopfbereich 245-1 einer Prüfkopfhalterung 220 abgedeckte erste Prüfspur PS1 überlappt sich an einer Seite mit der zweiten Prüfspur PS2, die vom zweiten Prüfkopfbereich 245-2 derselben Prüfkopfhalterung bei der Prüfung abgedeckt wird. Die Überlappung ergibt sich innerhalb eines ersten Überlappungsbereichs U1 in der Weise, dass zwischen der ersten und der zweiten Prüfspur keine Prüflücke und auch kein Bereich stark unterschiedlicher Prüfempfindlichkeit existiert. An der der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite der ersten Prüfspur PS1 überlappt sich diese mit einer zweiten Prüfspur PS2, die von dem zweiten Prüfkopfbereich der unmittelbar benachbarten Prüfkopfhalterung abgedeckt wird. Diese Überlappung existiert in einem zweiten Überlappungsbereich U2. Die Breite der Überlappungsbereiche U1, U2 in Querrichtung ist so gewählt, dass eine ausreichende Überlappung bei allen möglichen Relativstellungen zwischen unmittelbar benachbarten Prüfkopfhaltern gegeben ist. So ergibt sich insgesamt eine in Querrichtung Q lückenlose Prüfung des Prüflings über die gesamte mit Prüfkopfhaltern abgedeckte Breite.
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Das Ganze kann auch so beschrieben werden. Die erste und die zweite Prüfspur PS1, PS2 der Prüfkopfbereiche 245-1, 245-2 eines Prüfkopfhalters 220 überlappen sich in einem ersten Überlappungsbereich U1 und bilden dadurch eine Gesamt-Prüfspur PSG der in diesem Prüfkopfhalter untergebrachten Prüfköpfe. Die Breite dieser Gesamt-Prüfspur, also die Gesamt-Prüfbreite eines Prüfkopfhalters, ist größer als die in Querrichtung gemessene Breite B des Prüfkopfhalters an seiner breitesten Stelle.
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Beim bisherigen Beispiel sind pro Prüfkopfbereich drei zueinander identische Prüfköpfe vorgesehen. Dies ist nicht zwingend. Es können auch mehr oder weniger Prüfköpfe pro Prüfkopfbereich vorgesehen sein, zum Beispiel nur ein einziger Prüfkopf pro Prüfkopfbereich.
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Anhand der 3A bis 3E wird nun ein anderes Ausführungsbeispiel erläutert. Die Figuren zeigen jeweils drei unmittelbar nebeneinanderliegende Prüfkopfhalter einer Prüfkopfanordnung, die in einer geraden Reihe nebeneinander viele derartiger Prüfkopfhalter aufweist, beispielsweise 30 oder mehr oder 40 oder mehr. Einzelne Elemente oder Baugruppen werden aus Gründen der Übersichtlichkeit mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 und 2 bezeichnet.
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3A zeigt eine Draufsicht auf die dem Prüfling zuzuwendenden Unterseiten bzw. Kontaktflächen 226 von drei nebeneinander liegenden Prüfkopfhaltern 220 einer Prüfkopfanordnung, 3B zeigt eine schrägperspektivische Ansicht der Prüfkopfhalter von oben, 3C zeigt eine schrägperspektivische Ansicht der Prüfkopfhalter von unten, 3D zeigt eine Seitenansicht der Gruppe von Prüfkopfhaltern mit Blickrichtung parallel zur Querrichtung und 3E zeigt eine Vorderansicht der drei Prüfkopfhalter mit Blickrichtung parallel zur Längsrichtung der Prüfkopfhalter.
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In 3A ist die bereits vorher ausführlich beschriebene Gestalt der Prüfkopfhalter im Gleitzonenbereich mit den gegeneinander versetzten vorderen Abschnitten 233 und hinteren Abschnitten 234 und den schräggestellten Mittelbereichen 235 gut zu erkennen. Die Figuren veranschaulichen auch die individuellen Bewegungsfreiheitsgrade der Prüfkopfhalter. So ist beispielsweise der mittlere Prüfkopfhalter 220 gegenüber den äußeren Prüfkopfhaltern der gezeigten Gruppe in Längsrichtung L ein wenig nach vorne oder hinten versetzt. Diese Bewegungsfreiheit in Längsrichtung ergibt sich unter anderem dadurch, dass jeder Prüfkopfhalter vorne und hinten an Y-förmigen Lagerelementen 224 angelenkt ist, deren Schwenkachsen im Wesentlichen parallel zur Querrichtung Q der Prüfkopfanordnung verlaufen. Hierdurch ist in gewissen Grenzen ein Schaukeln der Prüfkopfhalter in Längsrichtung und eine damit verbundene Kippung bzw. Schrägstellung des Prüfkopfhalters möglich. Kippmöglichkeiten in Querrichtung Q sind ebenfalls konstruktiv vorgesehen. Der gegenseitige Versatz der gezeigten Prüfkopfhalter gegeneinander führt nicht nur zu dem in 3A gezeigten Längsversatz, sondern auch zu den in 3E gut zu erkennenden geringfügigen Höhenunterschieden der Kontaktflächen 226 in Bezug auf den Grundträger. Dadurch ist eine Anpassungsfähigkeit der Prüfkopfanordnung an Oberflächenunebenheiten des Prüflings gegeben. In 3A ist auch gut zu erkennen, dass die Relativbewegung der Prüfkopfhalter in Längsrichtung L trotz des gegenseitigen Versatzes des vorderen und des hinteren Abschnitts der Prüfkopfhalter möglich ist, da sich durch den schräg verlaufenden Mittelabschnitt entsprechende Spielräume ergeben, so dass Relativverschiebungen ohne gegenseitige Kollision der Prüfkopfhalter möglich sind.
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Der Aufbau eines Prüfkopfhalters ist in 3B besonders gut zu erkennen. Der Prüfkopfhalter 220 hat an der dem Prüfling zugewandten Seite die Gleitsohle 230. Diese ist an der Unterseite eines mechanisch stabilen Halterahmens 238 befestigt, der die äußere Gestalt der Gleitsohle im Gleitzonenbereich aufnimmt. Der Halterahmen dient zur positionsrichtigen Befestigung der Prüfköpfe 240 im Prüfkopfhalter. Die Prüfköpfe selbst sind jeweils in Dreiergruppen an einem dreieckförmigen Montagerahmen 239 montiert, so dass sie als Prüfkopfgruppe gemeinsam in den Prüfkopfhalter eingebaut oder ausgebaut werden können.
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Für die Verhältnisse der einzelnen Prüfspuren PS1, PS2 der Prüfkopfhalter sowie deren gegenseitigen Überlappung in den Überlappungsbereichen U1, U2 wird auf die Beschreibung im Zusammenhang mit der 2A verwiesen.
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Anhand der schematischen 4 wird eine Prüfkopfanordnung 200 beschrieben, bei der die Prüfkopfbereiche 245-1 und 245-2 der Prüfkopfhalter 220 jeweils so in Querrichtung versetzt zueinander angeordnet sind, dass die von einem ersten Prüfkopfbereich 245-1 eines Prüfkopfhalters 220 abgedeckte erste Prüfspur PS1 ohne gegenseitige Überlappung, aber dennoch lückenlos an die zweite Prüfspur PS2 angrenzt, die vom zweiten Prüfkopfbereich 245-2 desselben Prüfkopfhalters 200 abgedeckt wird. Die Gestalt der Prüfkopfhalter 220 im dargestellten Gleitzonenbereich ist abweichend von dem vorherigen Ausführungsbeispiel nicht S-förmig, sondern parallelogrammförmig und durchgehend schräg zur Längsrichtung L und zur Querrichtung Q ausgerichtet.
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Im unteren Teil der 4 ist für jeden der Prüfkopfbereiche der Verlauf der Prüfempfindlichkeit PE in Querrichtung Q schematisch dargestellt. Es ist erkennbar, dass die Prüfempfindlichkeit jeweils im mittleren Bereich einer Prüfspur relativ hoch ist, während sie zu den seitlichen Rändern der Prüfspur abfällt. Die Verhältnisse sind hier stark schematisiert dargestellt. Obwohl im Übergangsbereich zur Nachbar-Prüfspur ein leichter Abfall der Prüfempfindlichkeit vorliegt, entstehen im Bereich zwischen den lückenlos ineinander übergehenden Prüfspuren keine Prüflücken, da auch in dem Bereich lokal minimaler Prüfempfindlichkeit direkt am Übergang zwischen der Prüfspur die lokale Prüfempfindlichkeit oberhalb des Grenzwertes GW liegt, der für die hier beabsichtigte Prüfaufgabe vorgegeben ist. Somit können mit der Prüfanordnung 200 alle bei dieser Prüfung gesuchten Ungänzen bzw. Reflektoren zuverlässig detektiert werden, und zwar auch in den Bereichen unmittelbar im Übergang zwischen benachbarten Prüfspuren. Dies gilt für alle Relativstellungen zwischen den gegeneinander beweglichen Prüfkopfhaltern.
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Die erste Prüfspur PS1 und die zweite Prüfspur PS2 der Prüfkopfbereiche 245-1, 245-2 eines Prüfkopfhalters 220 gehen lückenlos bzw. ohne Prüflücke ineinander über und bilden dadurch eine Gesamt-Prüfspur PSG der in diesem Prüfkopfhalter untergebrachten Prüfköpfe. Die Breite dieser Gesamt-Prüfspur, also die Gesamt-Prüfbreite eines Prüfkopfhalters, ist größer als die in Querrichtung gemessene Breite B des Prüfkopfhalters an seiner breitesten Stelle.
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Das in dieser Anmeldung vorgestellte Konzept einer neuartigen Auslegung von Prüfkopfhaltern einer Prüfkopfanordnung kann mit unterschiedlichen Typen von Prüfköpfen realisiert werden. Bei vielen Ausführungsbeispielen handelt es sich bei den Prüfköpfen um sogenannte Sende-Empfangs-Prüfköpfe bzw. SE-Prüfköpfe, bei denen die schallaussendenden Ultraschallwandler und die schallempfangenen Ultraschallwandler voneinander getrennte Komponenten sind, die in einem Prüfkopf vereinigt sind. Derartige SE-Prüfköpfe können in unterschiedlichen Ausführungen genutzt werden, das heißt u.a. mit unterschiedlicher Anzahl von Sendeelementen und Empfangselementen. Für die Konfiguration der Prüfköpfe kann beispielsweise die Notation TxRy verwendet werden, wobei x die Anzahl der Senderelemente (Transmitter) und y die Anzahl der Empfängerelemente (Receiver) angibt. Es sind beispielsweise folgende Kombinationen möglich: T1 R1, T1R3 oder T1 R4. Hierbei bedeutet T1R1 entsprechend, dass im Prüfkopf einem einzelnen Sendeelement genau ein Empfangselement zugeordnet ist. Bei der Kombination T1R4 gibt es ein einziges Sendeelement pro Prüfkopf, dem 4 separate Empfängerelemente zugeordnet sind. Das Sendeelement erstreckt sich über die gesamte Breite, die vier Empfängerelemente sind unmittelbar nebeneinander angeordnet und decken dann i.W. die Breite des Sendeelements ab. Die Prüfköpfe können unterschiedliche Prüfspurbreiten haben. In der Regel sind die Prüfspurbreiten beim Typ T1R3 oder T1R4 größer als beim Typ T1 R1, sie können beispielsweise bei 50 mm liegen, während bei T1R1 eine Prüfspurbreite von 25 mm vorgesehen sein kann.
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Die Sende- und Empfangselemente eines Prüfkopfs befinden sich jeweils in einem gemeinsamen Prüfkopfgehäuse. Die Ultraschallwandler umfassen in der Regel Piezo-Elemente. An den Rändern eines Piezo--Elements ergibt sich aufgrund physikalischer Effekte der oben erwähnte Abfall der Prüfempfindlichkeit zwischen den einzelnen Prüfspuren. Dieser Empfindlichkeitseinbruch kann bewirken, dass in diesem Bereich zwischen den Prüfspuren kleinere Reflektoren (z.B. Defekte) in der Nähe des Prüfkopfs oder in größeren Tiefen nicht ausreichend zuverlässig detektiert werden können. Ist eine Detektion derartiger Defekte bei der Prüfaufgabe nicht erforderlich, hat der leichte Abfall der Prüfempfindlichkeit im Übergangsbereich keine praktischen Auswirkungen. Es kann eine Anordnung gemäß 4 gewählt werden. Möchte man den Abfall der Prüfempfindlichkeit geringer halten oder weitgehend vermeiden, so kann die Variante mit gegenseitiger Überlappung der Prüfspuren gemäß dem vorher genannten Ausführungsbeispiel gewählt werden. In jedem der Fälle ist jedoch eine lückenlose Prüfung, d.h. eine Prüfung ohne Prüflücke sichergestellt, weil auch in den Übergangsbereichen die Prüfempfindlichkeit oberhalb der für die Prüfaufgabe vorgegebenen Mindest-Prüfempfindlichkeit liegt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3442751 A1 [0005]
- DE 102008054250 A1 [0028]
