DE2945026C2 - Ultraschall-Fehlstellenortungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ultraschall-Fehlstellenortungsvorrichtung mit einer Ultraschallwellen in eine Probe aussendenden und reflektierte Ultraschallwellen empfangende Sonde, die an einem Sondenhalter befestigt ist, mit einer den Sondenhalter parallel zur Probenoberfläche bewegenden Führungsvorrichtung mit einem Abtastantrieb, der mit einer Signalverarbeitungseinheit verbunden ist, die eine Sende- und Empfangseinrichtung und eine Anzeigeeinrichtung aufweist und Steuersignale für die Bewegung der Sonde erzeugt, und mit einer den Positionswert der Sonde beim Empfang von Ultraschallwellen von der Probe sowie die Amplituden der empfangenen Ultraschallwellen aufnehmenden Speichereinrichtung.

Derartige Ultraschall-Fehlstellenortungsvorrichtungen werden füi die zerstörungsfreie Werkstoffuntersuchung von Schweißzonen eines Stahlproduktes benutzt. Im allgemeinen erfolgt die Fehlstellenerkennung an der Schweißzone eines Stahlproduktes, indem eine oder mehrere Sonden auf beiden Seiten der Schweißzone angeordnet und parallel zur Längsrichtung der Schweißzone angeordnet und parallel :tur Längsrichtung der Schweißzone bewegt werden. Dieses Verfahren birgt jedoch Schwierigkeiten, weil Fehlstellen in der Schweißzone oder in Bereichen in der Nähe der Schweißverbindung nicht immer aus der günstigsten Position heraus erkannt werden können, so daß die Fehlstellenerkennung relativ ungenau ist

Eine bekannte Ultraschall-Fehlstellenortungsvorrichtung für Röhren (US-PS 39 21 440) besteht aus einer Befestigungsvorrichtung, einem umfangsmäßig und in Längsrichtung bewegbaren Schlitten, der eine Ultraschall-Sonde mit einem Winkelprüfkopf aufnimmt, einer Meßdatenverarbeitungs- und Speichereinheit und einer Steuereinheit für die Bewegung der Sonde entlang einer Abtastbahn. Die Sonde dieser Fehlerortungsvorrichtung kann beim Wechsel der Vorschubrichtung um 90° gedreht werden, und ermöglicht dadurch eine Anpassung beispielsweise an längsverlaufende und radialverlaufende Schweißnähte von Röhren. Hierbei ist eine Fehlerortung entlang eines vorgegebenen Abtastmusters nur auf zueinander parallelen oder zueinander rechtwinklig verlaufenden Bahnen möglich. Die Messungen erfolgen unter einem konstanten Einschallwinkel, der während der Messung weder in bezug auf die Bewegungsrichtung noch in bezug auf die Werkstückoberfläche, geändert wird. Dies hat den Nachteil, daß sich längserstreckende, schmale Fehlerstellen, wie Risse, die im wesentlichen quer zu den Abtastbahnen verlaufen, nicht erkannt werden oder nur als geringfügige Fehlstellen gewertet werden. Um die Sicherheit der Ortung solcher Fehlstellen mit einer derartigen Sonde zu erhöhen, ist es erforderlich, die Abtastbahnen dicht nebeneinander zu legen und über der gkichen Untersuchungsstclle einen zweiten Abtastvorgang durchzuführen, bei dem die Abtastbahnen rechtwinklig zu denen des erster Abtastvorgangs verlaufen. Eine solche relativ genaue Fehlerortung erfordert einen doppelten Meßaufwand und ist daher zeitaufwendig und kostspielig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ultrasehall-Fehlstelienortungsvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die ein von der Orientierung der Fehlstelle unabhängiges Fchlerortungssignal liefert. Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindiingsgemäß vorgesehen, daß zwischen dem Sondenhalter und der Führungsvorrichtung ein Schwingmechatiismus angeordnet ist, der die Sonde um eine Achse senkrecht zur Probenoberfläche schwingen läßt.

Aufgrund der Schwenkbewegung der Sonde ist es in vorteilhafter Weise möglich, in jeder Sondenposition ein größeres Volumen der Probe vor der Sonde zu untersuchen, so daß die Abtastbahnen einen größeren Abstand voneinander haben können. Darüber hinaus werden durch den sich in der Probenoberflachenebene verändernden Einschallwinkel auch Fehlstellen, die in Relation zur Normalbstrahlrichtung der Sonde im wesentlichen schräg verlaufen, mit gleicher Meßsignalintensität erfaßt wie Fehlstellen in Normalabstrahlrichtung der Sonde.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß der Schwingmechanismus eine mit dem Sondenhalter verbundene Feder aufweist, die den Sondenhalter in eine erste Extremes position ircibt, und daß ein ansteuerbarcs elektromagnetisches Betätigungsglied vorgesehen ist, das den Sundcnhalter entgegen der Wirkung der Feder in eine zweite Extremposition treibt. Der Schwingmechanis-

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mus stellt ein mechanisch einfaches Getriebe dar, das in dem Fall, daß durch eine Fehlstelle usw. Wellen reauf einfache Weise, nämlich mit dem elektromagnet!- flektiert werden, diese in elektrische Signale um und achen Betätigungsglied ansteuerbar ist Die Feder er- gibt sie an den Ultraschalldetektor la. Die (im folgenden möglicht in beiden Schwenkrichtungen eine Schwenk- als Rechner bezeichnete) Informationsverarbeitungsbewegung mit gleichförmiger Winkelgeschwindigkeit, 5 einheit 4 bildet das Herz der in Fig. 1 dargestellten so daß die Signalverarbeitungseinheit die Winkellage Signalverarbeitungseinheit. Sie erzeugt Ansteuersignarier Sonde aus dem Zeitablauf nach dem Anliegen oder Ie für die Impulsmotore 23y und 23y, wodurch die Sonde Nichtanliegen des Steuerstromes für das elektromagne- 16 in Richtung der λ'-Achse und in Richtung der V'-Achtische Betätigungsglied berechnen kann. se bewegt wird. Der Rechner 4 erzeugt ferner ein An-

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Fi- 10 Steuersignal für einen Motor 10 zum Drehen der Sonde guren Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläu- 16 um 180°. Ferner erzeugt der Rechner 4 ein Ansteuerten. Es zeigt signal zum Schwenken der Sonde um eine Achse, die

F i g. 1 ein Blockschaltbild des Signalverarbeitungssy- senkrecht zur Probenoberfläche verläuft. Der Rechner

stems sowie eine Draufsicht des Abtasters, 4 ist mit dem Ultraschalldetektor la verbunden, um die

F i g. 2 eine perspektivische Ansicht des Abtasters, 15 von diesem empfangenen Erkennungssignale zu verar-

F i g. 3 einen Schnitt durch den Abtaster zur Verdeut- beiten.

lichung des Zuammenwirkens zwischen dem Führungs- Als nächstes erfolgt nun die Erläuterung der Konrahmen in X-Richtung und dem Führungsrahmen in Y- struktion des Fehlstellenerkennungsmechanismus. Der Richtung des Abtasters, Führungsrahmen 22x ist parallel zur X-Achse an dem

Fig.4 eine Draufsicht der in der Nähe der Sonde 20 Teststück 3 mit Klemmschrauben 223.x befestigt, die

befindlichen Teile der Vorrichtung, durch zwei Beine 221* hindurchgeschraubt sind. Diese

F i g. 5 eine Seitenansicht der in der Nähe der Sonde Beine befinden sich jeweils an einem Ende des Füh-

befindlichen Vorrichtungen, rungsrahmens 22* in Längsrichtung. Auf der Oberseite

F i g. 6 eine schematische Ansicht zur Erläuterung des des Führungsrahmens 22,v ist eine in Längsrichtung ver-

Torsignales, 25 laufende Nut 224a angebracht. Im Innern der langge-

F i g. 7 und 8 Draufsichten der Abtastbahn der Sonde, streckten Nut 224x befindet sich eine Zahnstange 222a·,

Fig.9 eine schematische Frontansicht des Abtasters, die im wesentlichen die gleiche Länge hat wie die Nut

wenn sich die Probe seitlich am Testobjekt befindet, 224a-. Die Zähne der Zahnstange 222x weisen in Rich-

F i g. 10 und 11 Darstellungen der Fehlstellenarten, tung der Vorrichtung nach vorn (in Richtung der Sonde

Fig. 12 eine Teildraufsicht einer weiteren Ausfüh- 30 16,) und bilden einen Zwischenraum zwischen sich und

rungsform des Abtasters, die mit einem Schwingmecha- der Nut 224x. Wie F i g. 3 zeigt, sind an den Vorder- und

nismus ausgestattet ist, Rückflächen des Führungsrahmens 22a Nuten 225.v vor-

F ig. 13 eine Draufsicht des Schwingmechanismus gesehen, die sich über die gesamte Länge des Führungsund rahmens erstrecken und jeweils ein Linearlager 226a- in

Fig. 14 eine schematische Ansicht zur Erläuterung 35 der Oberwand und in der Unterwand einer jeden Nut

der Wirkung des mit dem Schwingmechanismus ausge- enthalten,

statten Abtasters. Der mit der Sonde 16 ausgerüstete Führungsrahmen

Zunächst wird die Vorrichtung als Ganzes beschrie- 22y ist auf dem Führungsrahmen 22a, diesen leehiwin-

ben. Die Vorrichtung weist einen Fehlstellenerken- klig kreuzend und somit in Richtung der V-Achse ver-

nungsmechanismus, beispielsweise in Form des Abta- 40 laufend, angeordnet. Er weist einen Gleitschuh 228y auf,

sters 2, auf, der an der Probe 3 befestigt wird. Bei der der, wie aus F i g. 3 ersichtlich ist, torförmig ausgebildet

Probe 3 kann es sich um die Stahlskelett-Schweißzone ist. Der Gleitschuh 228y ragt mit Vorsprüngen 224y, die

von Stahlblech oder Formstahl handeln. Der Abtaster 2 von seiner Vorderhand und von seiner Rückwand nach

bewegt eine Ultraschallwellensonde 16 in zwei recht- innen abstehen, in die Nuten 22τ ν hinein, so daß der

winklig zueinander verlaufenden Richtungen entlang 45 Führungsrahmen 22y an dem Führungsrahmen 22a- ver-

der Oberfläche der Probe 3. Eine Signalverarbeitungs- schiebbar geführt wird. Der Führungsrahmen 22y kann

einheit, die in der Sonde 16 eine Ultraschallweile er- aufgrund der Linearlager 226x eine glatte geradlinige

zeugt, analysiert das von der Sonde aufgenommene Ul- Bewegung in Richtung der X-Achse relativ zu dem Füh-

traschallsignal und steuert den Abtaster. Wie Fig. 2 rungsrahmen 22x ausführen.

zeigt, ist der Abtaster 2 an der Probe 3, deren Schweiß- 50 An dem frei ausragenden vorderen Ende des Füh-

zonc 3a in Querrichtung verläuft, derart befestigt, daß rungsrahmens 22* sind zu beiden Seiten nach unten

die Bewegungsrichtung der Sonde 16 zum Zwecke der abstehende Rollenfüße 225y angebracht, an denen RoI-

Abtastung zur Fehlstellenerkennung rechtwinklig zur len 221y, 221y mit in Y'-Richtung verlaufenden Achsen

Längsrichtung der Schweißzone 3a (im folgenden als gelagert sind. Die Rollen 22Iy ragen mit der Unterseite

X-Achse bezeichnet) verläuft, und ebenso rechtwinklig 55 ihrer Umfangsfläche auf die Höhe der Ebene des Füh-

zur Querrichtung (im folgenden als K-Achse bezeich- rungsrahmens 22a-, so daß sie auf dem Teststück 3 auf-

net) verläuft. Der Fehlstellenabtasimechanismus ist stehen. Die Rollenfüße und die Rollen tragen daher das

elektrisch über ein in die Rückwand des Motorgehäuses Gewicht des Führungsrahmens 22y und dasjenige ande-

23 eingeführtes Kabel 7 mit der Signalverarbeitungsein- rer Teile, wie beispielsweise der an dem vorderen Ende

heit, die unabhängig von dem Abtastmechanismus ist, eo des Führungsrahmens 22/angebrachten Sonde 16.

verbunden. Das Motorgehäuse 23 enthält zwei Impuls- Das Motorgehäuse 23 ist auf der Oberseite des Füh-

motore23A'und23y. rungsrahmens 22y in dessen rückwärtigem Teil ange-

Die Sonde 16 des Fehlstellenabtastmechanismus bil- ordnet und enthüll die beiden Impulsmotore 23.v und

det zusammen mit dem Ultraschalldetektor la der Si- 23y. Der Impulsmotor 23χ ist über der Nut 224a- ange-

gnalverarbeitungseinheil 1 die Ultraschall-Fehlstellen- t,-, ordnet und seine Achse lauft durch den Gleitschuh 228v

Ortungsvorrichtung. Die Sonde empfängt inicrmiitic- hindurch und hangt in die Nut 224ν hinein. An dein

rende Hochfrequenzsignale von dem Ullraschalldciek- unteren Ende dieser Achse ist ein Ritzel 222r befestigt,

tor la. der die Ultraschallwellen aussendet, und wandelt das an der Zahnstange 222v ansircift. M it anderen Wor-

ten: das Ritzel 222y wird durch die intermittierende Drehung des Impulsmotors 23x angetrieben und rollt an der Zahnstange 222.v ab, wodurch der Führungsrahmen 22y intermittierend in Richtung der Λ-Achse bewegt wird.

Der Impulsmotor 23y ist weiter hinten angeordnet als der Impulsmotor 23* und seine Achse ragt nach unten. An dieser Achse ist ein Rad 223>· befestigt, das erheblich über der Bodenwand des Führungsrahmens 22_y angeordnet ist, der im wesentlichen die Form eines langgestreckten Kastens hat. Ein weiteres Rad 234/ ist in dem vorderen Ende des Führungsrahmens 22y entgegengesetzt zu dem ersten Rad 223y angeordnet. Um beide Räder 223y und 224y läuft ein endloser Riemen 235y um, der an einer Stelle mit einem im Innern des Riemenumlaufs angeordneten Gleitblock 226y verbunden ist. In die Bodenwand des Führungsrahmens 22y ist ein (nicht dargestelltes) Führungsloch gebohrt, das sich in K-Richtung von der Vorderseite des Gleitschuhs bis in die Nähe des Rades 223y erstreckt. Der Gleitschuh 226y greift in dieses Führungsloch ein und kann in Richtung der V-Achse frei gleiten. Wenn der Impulsmotor 23y intermittierend dreht, läuft der Riemen 225y zwischen den Riemenrädern 223y und 224y um, so daß der Gleilblock 226y von dem Riemen 225y gezogen wird und sich intermittierend in Richtung der V-Achse bewegt.

Wie die F i g. 4 und 5 zeigen, ist an der Unterseite des Gleitblocks 226y eine Blattfeder 8 befestigt, die sich zum Riemenrad 224y hin nach unten erstreckt. An dem äußeren Ende der Blattfeder 8 ist ein plattenförmiger Halter 9 befestigt. Der Halter 9 trägt einen kleinen Motor 10 mit nach unten gerichteter Achse sowie die Achse eines großen Zahnrades 12, das mit einem an der Achse des kleinen Motors 10 befestigten kleinen Zahnrad U kämmt. An der Unterseite des großen Zahnrades 12 ist ein Sondenhalter 21 befestigt.

Bei dem Sondenhalter 21 handelt es sich um ein rechteckiges Gehäuse, in dem die Sonde 16 angeordnet ist. An dem Gehäuse ist ein Loch zur Durchführung von Leitungen ?3 von der Sonde 16 nach außen vorgesehen. Die Richtung des (nicht dargestellten) Winkelprüfkopfes der Sonde 16 wird so eingestellt, daß eine Fehlerechoerkennung unter schrägem Einschallwinkel ausgeführt wird. Die Sonde 16 ist an dem Halter 21 derart befestigt, daß die Ultraschallaussendung in Längsrichtung des Halters 21 erfolgt und der Boden der Sonde 16 steht geringfügig über die Unterseite des Halters 21 vor. Beide Enden der Unterseite des Halters in Längsrichtung sind abgerundet, wie aus F i g. 4 hervorgeht. Die Krümmung dieser abgerundeten Flächen wird durch die Höhe der Verdickung in der Schweißzone 3a bestimmt. Der Motor 10 wird unter Steuerung durch den Rechner 4 angetrieben und seine Zuführleitung 14 und die Leitung 13 der Sonde 16 führen zu dem Motorgehäuse 23, so daß das Aussenden und der Empfang von Signalen sowie die Zufuhr des Antriebsstromes durch das Kabel 7 erfolgen. Wenn der Rechner 4 ein bestimmtes Antriebssignal erzeugt und dem Motor 10 führt, rotiert dieser in Normalrichtung oder in Gegenrichtung, bis das große Zahnrad 12 und damit auch die Sonde 16 um 180° gedreht ist.

AIs nächstes folgt die Erläuterung der Signalvcrarbeitungseinheit.

Der Ultraschalldetektor la der Ultraschall-Fehlstellenortungsvorrichtung erzeugt intermittierend ein Hochfrequenzsignai und liefert dieses an die Sonde 16, die daraufhin eine Ultraschallwelle erzeugt und als Einfallswcllc auf die Probe 3 leitet. Wenn in dieser eine Fehlstelle vorhanden ist. empfängt die Sonde 16 die von dieser Fehlstelle reflektierte Welle, wandelt sie in ein elektrisches Signal um und gibt dieses an den Ultraschalldetektor la zurück. Im Ultraschalldetektor la wird das Signal der reflektierten Welle verstärkt und zusammen mit einem als Echoimpuls für Ultraschallschwingung erzeugten Signal, d. h. dem Einfallsimpuls, auf einer Kathodenstrahlröhre zur Anzeige gebracht. Andererseits empfängt der Ultraschalldetektor la ein

ίο Torfolgesignal (CFS) vom Rechner 4 und gibt seinerseits ein Fehlstellencrkennungssignal (FDD)m Form eines binär kodierten Dezimalwcrtes an den Rechner 4. Das Fehlstellenerkennungssignal FDD wird dadurch ausgedrückt, daß zunächst die Schweißzone 3a in eine geeignete Anzahl von Segmenten (z. B. zehn Segmente) in Richtung der V-Achse autgeteiit wird. Dann wird die Stärke des Echoimpulses aus jedem Segment in Prozenten der maximal möglichen Echostärke (100%) ausgedrückt. Wenn beispielsweise die Stärke des Echoimpulscs durch eine einzige Dezimalstelle angegeben wird, beträgt die Auflösung 10%. Das Torfolgesignal GFS ist ein Steuersignal, das die Erzeugung eines Torsignals in einer Schaltung im Innern des Hauptteils la veranlaßt, um durch entsprechende Umschaltung zu bestimmen, aus welchem der zehn Segmente der Echoimpuls erhalten worden ist.

F i g. 6 zeigt schematisch die Beziehung zwischen den Segmenten der Schweißzone 3a und dem auf der Kathodenstrahlröhre des Hauptteils la des Ultraschall-Fehl-Stellendetektors wiedergegebenen Fehlstellenerkennungssignals. Dabei ist angenommen, daß der der Sonde zugewandte Rand der Schweißzone 3a die Position ίο auf der Zeitachse des Fehlstellenerkennungssignals hat und daß der andere Rand der Schweißzone 3a der Posi-

j5 tion fm der Zeitachse entspricht. Mit anderen Worten: der Ultraschalldetektor 1 a ist so konstruiert, daß er zehn Torsignale erzeugt, die die Zeitachse in zehn gleiche Teile innerhalb des Bereichs von ;₀— Ίο unterteilen und er bestimmt die Position der Echoimpulse ECP, d. h. die Position der Fehlstelle Fin den Segmenten der Scweißzone 3a auf der Zeitachse. Da der Zwischenraum zwischen der Sonde 16 und der Schweißzone 3a sich bei der Bewegung der Sonde 16 in V-Richtung verändert, müssen auch die Torsignale entsprechend dem sich verändernden Zwischenraum varriert werden. Zu diesem Zweck gibt der Abtaster 2 die Positionsdaten der Sonde 16 in X- und V-Koordinaten, bezogen auf einen Referenzpunkt, an den Eingang des Rechners 4. Auf der Basis dieser Daten, die den Abstand zwischen der vorgegebenen Position der Schweißzone 3a und der eingestellten Position der Sonde 16 zu Beginn der Fehlstellenerkennung angeben, wird unter Berücksichtigung der Dimensionsdaten der Schweißzone 3a in A^--RiChtung vom Rechner 4 das Torfolgesignal CFS errechnet und ausgesandt, so daß diese Signale der jeweiligen Situation angepaßt sind.

Der Rechner 4 erzeugt das Steuersignal DVx für den Impulsmotor 23χ urd das Steuersignal DVy für den Impulsmotor 23y und steuert auf diese Weise deren Drehung. Jeder Motor führt einen Schritt pro Impuls des Steuersignals aus und betätigt den Abtaster 2 mit der oben beschriebenen Konstruktion, wodurch die Sonde \b entweder in X-Richtung oder in Y-Richtung schrittweise bewegt wird. Die Impulsmotor 23* und 23.y erzeugen Signale, durch die dem Rechner 4 mitgeteilt wird, daß die Drehung gemäß einem Schritt beendet worden ist. Dies geschieht in der Form von Signalen, die die Stellung der Sonde 16 in X- und V-Koordinatcn

angeben. Mittels dieser Signale ist der Rechner 4 imstande, die Position der Sonde \b\r\ X- und Y- Koordinaten exakt zu bestimmen. Dies kann leicht realisiert werden, indem die Istposition der Sonde \b bei Beginn der Fehlstellenerkennung auf einen bestimmten Abstand von der Schweißzone 3a und auf einen bestimmten Abstand von der Seitenkante des Teststücks 3 in Querrichtung (in Richtung der /-Achse) eingestellt wird, so daß das Zentrum von X- und /-Koordinaten eingestellt wird. Wenn die Genauigkeit der Drehbewegungen der Impulsmotor 23* und 23y des Abtasters 2 hoch ist, können die Steuersignale DVx und DVy selbst als Signale für die Positionsbestimmung der Sonde Io ausgewertet werden, ohne daß die Positionssignale der Sonde von den Impulsmotoren 23* und 23y zum Rechner 4 zurückgeführt werden müßten.

Das Muster der Bewegung der Sonde 1 b durch Betätigung der Impulsmotore 23v und 23y, d. h. die Abtastbewegung der Sonde 1 b ist so, daß während der anfänglichen Roh-Fehlstellenerkennung die Sonde \b in X-Richtung bewegt wird und wenn die Sonde 16 die Seite des Teststücks 3 erreicht hat, wird es geringfügig in /-Richtung verschoben und danach wieder in X-Richtung bewegt, wie in F i g. 7 dargestellt ist. Während der auf die Groberkennung anschließenden Feinerkennung wird die Sonde \b in /-Richtung auf die Schweißzone 3a zu bewegt und wenn sie eine Position in der Nähe der Schweißzone 3a erreicht hat, wird sie in X-Richtung bewegt, um anschließend in Y-Richtung wieder von der Schweißzone 3a fortbewegt zu werden bis zu einer bestimmten Position der /-Koordinate. Anschließend erfolgt eine Rückbewegung in X-Richtung, wie in Fig. 8 dargestellt ist.

Der Rechner 4 erzeugt ferner ein Steuersignal DVr für den kleinen Motor 10, um die Sonde \b um 180° zu drehen. Nach einer Reihe von Grobabtastungen oder Feinabtastungen nach den oben beschriebenen Mustern gibt der Rechner 4 das Steuersignal DVy an den Impulsmotor 34/ab und bewegt die Sonde Xb in /-Richtung, so daß sie die Schweißzone 3a passiert. F i g. 7 zeigt die Bewegungsbahn der Sonde 1 b für den FaI!, in dem während der Groberkennung keine Fehlstelle erkannt wird und daher auf der Seite der Schweißzone 3a keine Fehlstellenerkennung erfolgt. Wenn der Rechner 4 anhand der Sondenpositionssignale vom Impulsmotor 23y erkennt, daß die Sonde \b die Schweißzone 3a passiert und eine bestimmte Position auf der anderen Seite der Schweißzone 3a erreicht hat, erzeugt er das Steuersignal DVr, um die Sonde \b horizontal um 180° zu drehen. Dadurch wird eine Fehlstellenerkennung von der anderen Seite der Schweißzone 3a her bewirkt. Danach liefert der Rechner 4 Steuersignale DVx und DVy an die Impulsmotore 23x bzw. 23y und die Sonde \b tastet die andere Seite der Schweißzone 3a in derselben Weise wie oben beschrieben ab.

Zwischen die Motoren 23* und 23y und den Motor 10 und zwischen den Motor 10 und den Hauptteil la des Uhraschall-Fehlstellendetektors sind geeignete Anpaßglieder und Umsetzer geschaltet, die nicht dargestellt sind.

Ein Drucker 5, ein Schreiber 6, eine Kathodenstrahlröhre 50 und ein Magnetband-Aufzeichnungsgerät 60 sind als Ausgabeeinrichtungen an den Rechner 4 angeschlossen. Das Magnetband-Aufzeichnungsgerät 60 wird dazu benutzt, die zunächst in einem Pufferspeicher im Innern des Rechners 4 gespeicherten Fehlstellenerkennungsdaten nach einer Reihe von Abtastvorgängen aufzuzeichnen und diese aufgezeichneten Daten werden immer dann, wenn dies erforderlich ist. reproduziert und an den Pufferspeicher des Rechners 4 zurückgegeben. Nach einer bestimmten Verarbeitung durch den Rechner 4 werden die Ergebnisse der Fehlstellenerkennung auf der Kathodenstrahlröhre 50 abgebildet und von dem Drucker5 und dem Schreiber 6 ausdruckt.

Die Felileroilungsvorrichtung wird zuerst auf der Probe plaziert und so angeordnet, daß die Schweiß/one 3.7 parallel zu dem Rihrungsrahmen 22.v verlauft, wobei

to zwischen beiden ein bestimmter Zwischenraum besteht, und ferner rechtwinklig zu dem Führungsrahmen 22v. Als nächstes wird der Fehlstellenerkennungsmechanismus an der Probe 3 durch Festziehen der Klemmschrauben 223* festgelegt. Wenn die Signalverarbeitungseinheit anschließend betätigt wird, wird der Rechner 4 in einen Anfangszustand versetzt, in dem er das Steuersignal DVx zur Betätigung des Impulsmotors 23v und das Steuersignal DVy zur Betätigung des Impulsmotors 23 ν in der Weise erzeugt, daß die Sonde Xb in eine bestimmte Position gefahren wird, z. B. in diejenige Position, die als Mittelpunkt der X- und y-Koordinaten betrachtet wird.

Wenn anschließend eine bestimmte Taste des Rechners 4 gedrückt wird, beginnt der Rechner 4 mit dem Routineablauf der Roherkennung und erzeugt Steuersignale DVx und D By in bestimmter Folge zur Betätigung der jeweiligen Impulsmotore 23x und 23y, die den Führungsrahmen 22_y in X-Richtung entlang des Führungsrahmens 22a· und den Gleitblock 226y in Y-Richtung entlang des Führungsrahmens 22y bewegen. Als Folge hiervon bewegt sich die Sonde Xb entlang der in F i g. 7 dargestellten Bahn. Andererseits erzeugt der Hauptteil ta des Ultraschall-Fehlstellendetektors intermittierend Hochfrequenzweilen, so daß die Sonde 1 b entsprechende Ultraschallwellen abstrahlt und dabei in der Schweißzone 3a eine Fehlstellenerkennung durchführt. Mittels der Torfolgesignale GFS. die von dem Rechner 4 erzeugt und dem Hauptteil la des Ultraschall-Fehlsiellendetektors zugeführt werden, erzeugt dieser Ausgangsdaten auf dem Niveau des Fehlstellenerkennungssignales für jedes Segment und gibt diese Fehlstellenerkennungssignale an den Rechner 4. Der Rechner 4 speichert die Fehlstellenerkennungsdaten gemeinsam mit einem Signal vom Abtaster 2, das die Position der Sonde Ib in X- und /-Koordinaten angibt, in den Pufferspeichern.

Hinsichtlich der speziellen Bewegung des Führungsrahmens 22y zur Bewegung der Sonde Xb während der Fehlerstellcnerkennung in X-Richtung bewegt sich der mit dem Führungsrahmen 22y verbundene Gleitschuh 228y stabil in X-Richtung, weil seine Vorsprünge 224 y in die Nuten 225a· des Führungsrahmens 22x hineinragen. Ferner kann der Führungsrahmen 22ysich bewegen, bis eines der Räder 221/ die Seitenkante des Teststücks 3 überschreitet und frei in der Luft schwebt, wie in F i g. 9 dargestellt ist. Infolge des Zusammengreifens der Vorsprünge 224y und der entsprechenden Nuten 225a- werden der Führungsrahmen 22y und die auf ihm montierten Impulsmotore 23* und 23/ horizontal unterstützt, so

bo daß sie in bezug auf den Führungsrahmen 22a· weder rollen noch sich schräg stellen und eine Zurückbewegung in X-Richtung ohne Schwierigkeiten erfolgen kann. Die Sonde \b wird daher in eine Position gebracht, die im wesentlichen mit der Mittellinie des Füh-

s5 rungsrahmens 22y übereinstimmt und er kann über die gesamte Breite des Teststücks 3 bewegt werden, so daß die Fchlstellcnerkennung über die gesamte Breite der Schweißzone 3a hinweg durchgeführt wird.

ίο

Während der weiteren Fehlstellenabtastung speichert der Rechner 4 die Fehlstellenerkennungsdaten in seinem Pufferspeicher. Wenn der Rechner 4 erkennt, daß die Sonde Xb eine geeignete Position in der Nähe der Schweißzone 3a erreicht hat, bestimmt er, daß die ^r> Groberkennung auf einer Seite der Schweißzone 3a durch die Sonde \b beendet wird und schaltet die Datenübertragung zu dem Hauptteil la und zu den Impulsmotoren 23* und 23/ ab. Der Rechner 4 liest dann die Daten aus dem Pufferspeicher aus und prüft, ob eine Fehlstelle vorhanden ist. Wenn keine Fehlstelle vorhanden ist, beginnt der Rechner 4 eine Umlaufroutine, um eine Groberkennung von Fehlstellen auf der anderen Seite der Schweißzone 3a durchzuführen. Mit anderen Worten: er sendet das Steuersignal DVy an den Impulsmotor 23y, um die Sonde \b in V-Richtung zu bewegen und über die Schweißzone 3a zu fahren, bis sie die andere Seite der Schweiözone erreicht, wie in F i g. 7 dargestellt ist. Als nächstes erzeugt der Rechner 4 geeignete

Fehlstcllenerkennung ermittelt worden sind, nimmt der Rechner 4 an. daß die Fehlstellenerkennung auf einer Seite der Schweißzone 3a beendet ist und /.eichnet dann die in dem Pufferspeicher für die Fehlstellenerkennung gespeicherten Daten auf ein Magnetband auf, das in dem Magnetband-Aufzeichnungsgerät GO enthalten ist. Danach beginnt der Rechner 4 die Routine für die Grob-Fehlstellenerkennung auf der anderen Seite der Schweißzone 3 im Anschluß an eine Umclrehungsroutine, wie sie oben schon beschrieben wurde. Diese Grob-Fehlstellenerkennungsroutine läuft in gleicher Weise ab wie die oben beschriebene Grob-Fehlstellenerkennungsroutine und die Fein-Fehlstellenerkennungsroutine, die sich anschließt, ist ebenfalls dieselbe wie die oben 15 schonerläuterte.

Nach einer Reihe von Fehlstellenerkennungsroutinen wird der Magnetbandspeicher 60 auf Wiedergabe geschaltet, so daß die auf dem Magnetband aufgezeichneten Fchlstcllenerkennungsdaten in den Pufferspeicher

Steuersignale DVx und DVy und löscht sie, wenn die 20 des Rechners 4 eingelesen werden. Die !Ergebnisse der

Sonde Xb eine bestimmte Stelle erreicht hat. In diesem Fall kann wahlweise so verfahren werden, daß der Rechner 4 die vorbestimmte Position der Sonde Xb auf der anderen Seite der Schweißzone 3a ais Mittelpunkt Fehlstellenerkennung werden mittels der Elektronenstrahlröhre 50, des Druckers 5 und des Schreibers 6 angezeigt. Die Datenverarbeitung für diese Anzeige kann ebenfalls von dem Rechner 4 durchgeführt wer-

für die A'- und V-Koordinaten weiterbenutzt oder daß 25 den. Wenn sich auch in der Ausgabeeinrichtung selbst, der Mittelpunkt der X- und V-Koordinaten auf der neu- beispielsweise in dem Drucker 5. ein Rechner befindet.

en Seite der Schweißzone neu festgesetzt wird. Als nächstes erzeugt der Rechner 4 das Steuersignal DVr, so daß der Motor 10 um 180° gedreht wird. Dies ermög-

30

licht die Fehlstellenerkennungsabtastung von einer Seite auf die andere Seite der Schweißzone. Danach beginnt der Rechner die Grob-Fehlstellenerkennungsroutine in ähnlicher Weise wie oben schon beschrieben. Beide in Längsrichtung verlaufende Seitenkanten der Unterseite des Halters 21, an dem die Sonde 1 b befestigt ist, sind abgerundet und der Halter 21 wird in der beschriebenen Weise durch die Blattfeder 8 vertikal federnd gehalten. Selbst wenn die Schweißzonc 3a eine erhebliche Höhe hat, kann die Sonde 1Z> daher ohne kann die Datenverarbeitung selbstverständlich durch diesen Rechner erfolgen.

Die einfachste Art der Anzeige erfolgt mit dem Drukker 5 oder dem Bildschirm 50 in der V/eise, daß die Fehlstellenerkennungsdaten von dem Hauptteil la des Ultraschall-Fehlstellendetektors beispielsweise auf folgende Art angezeigt werden.:

418 G 25,0 D 000262000

Die ersten drei Stellen geben die XKoordinate der Sonde 16 an und die Gruppe der zweiten drei Stellen gibt die K-Koordinate der Sonde Io an. |ede Stelle der

Schwierigkeiten über die Schweißzone hinwegbewegt *o Gruppe aus den letzten 10 Ziffern gibt die Stärke des

werden.

Wenn andererseits an einer Seile der Schweißzone 3a bei der Grob-Fehlstellenerkennung eine Fehlstelle gefunden wird, beginnt der Rechner 4 mit der Fein-Fehl-Echoimpulses an jedem der 10 Segmente in Schritten von 10% der maximal möglichen Stärke des Echoimpulses an. Die obige Anzeige gibt an. daß die Stärke der Echoimpulse des vierten, fünften und sechsten Seg-

stellenerkennungsroutine. Hierbei fährt der Rechner 4 45 ments der Schweißzone 3a von der Achse der Sonde Xb

die Sonde lftauf die .V-V'-Koordinatcn zurück, an denen die Fehlstelle zuerst entdeckt worden ist, indem aus dem Pufferspeicher die entsprechenden Daten ausgelesen und Steuersignale DKa- und DVv in bestimmter Folge ausgegeben werden, so daß die Sonde 1 ft entsprechend so der in Fig.8 dargestellten Bahn mit den erwähnten .V- und Y-Koordinaten als Staripunkt bewegt wird. Bei dieser Bewegung ist d·? Schrittweite der Sondenbewegung feiner als bei der Grob-Fehlstellenerkennungsrouline. Sie beträgt ca. 1 bis 2 mm. Während die Sonde lft auf diese Weise bewegt wird, liest der Rechner die Fehlstellenerkennungsdaten aus dem Ultraschalldetektor la der Ultraschall-Fehlstellenortungsvorrichtung und ebenso aus jeweils 20%. 60% und 20% betragen und genau gesagt zwischen 20 und 29%, zwischen 60 und 69% und zwischen 20 und 29% liegen. Unter Durchführung der erforderlichen Rechnungen und Verarbeitungen ist es auch möglich, die Fehlstellenzahl, die Position der Sonde Xb. die Amplitude des maximalen Echoimpulses, die Länge und Tiefe der Fehlstelle, das Klassifizierungsergebnis der Fehlstelle usw. anzuzeigen oder anzuzeigen, ob die Fehlstelle noch akzeptabel ist oder nicht.

Da die Amplitudenanzeige des maximalen Echoimpulses, die Länge der Fehlstelle usw. im wesentlichen direkt aus der Stärke des Echoimpulses an jedem Segment ermittelt werden kann, erfolgt hier keine weitere Erläuterung. Die Tiefe der Fehlstelle kann unter Durch-

die Sondenpositionsdaten des Abtasters 2 ein und speichert sie in seinem Pufferspeicher in derselben Weise bo führung der nachfolgenden Rechnung erfolgen. Der howie bei der Grob-Fehlstellenerkennungsroutine. rizontale Abstand von der Sonde Xb zur Fehlstelle F

Wenn die Grob- und die Fein-Fehlstellenerkennungsroutine für eine Fehlstelle beendet worden sind, beginnt
der Rechner 4 die Fein-Fehlstelienerkennungsroutine
für die nächste während der Grob-Fehlstcllcncrken- t>5
nungsroutine erkannte Fehlstelle in der oben beschriebenen Weise. Nach Beendigung der Fein-Fehlstellenerkennung für alle Fehlstellen, die während der Grob- Yi, die Entfernung von der Sonde 11b zur Mitte der

kann ausgedrückt werden durch die Beziehung

y_h- W/2 + N ■ W/10.
Hierin sind

Schweißzone 3a in V-Richtung,

W die Breite der Schweißzone 3a (in V-Richtung) und N die Nummer des Segmentes, in dem die Fehlstelle F vorhanden ist (im vorliegenden Fall von der Sonde 1 b aus gezählt (siehe F i g. 6)).

Die Tiefe d der
werden als

Fehlstelle kann daher ausgedrückt

= ,_[,_(>'„_ w/2 + /V . lV/10)/lan Θ].

Hierin sind

die Dicke der Probe 3 und

der Einschallwinkel der Ultraschallwelle von der Sonde Ib.

Ferner können neben der Berechnung, Anzeige und Aufzeichnung der obigen Daten mittels des Druckers und des Bildschirmes 5 auch grafische Aufzeichnungen des Zustands der Fehlstellen erfolgen. Fig. 10 zeigt einen Teil der Schweißzone 3a in X-Richtung gesehen und veranschaulicht die Tiefe der Fehlstelle F in fünf Graden. F i g. 11 ist eine Draufsicht der Schweißzone 3a und wenn die Spule aberregt ist, zieht die Feder 43 die Steuerstange wieder nach rechts. Als Folge hiervon oszilliert bzw. schwing die Sonde lönach links und rechts.

Der Rechner 4 steuert das elektromagnetische Betätigungsglied 44 an. In diesem Fall macht die Sonde Xb jedesmal dann eine Schwingbewegung, wenn sich die Position der Sonde \b durch intermittierende Drehung der Impulsmotore23.v und 2iy verändert.

In der Vorrichtung mit Schwingmechanismus wandern die von der Sonde tb ausgesandten Ultraschallwellen nicht nur in V-Richtung, sondern auch in Richtungen, die von der V-Achse innerhalb eines Winkelbereichs von α abweichen. Die Vorrichtung kann daher wie Fig. 14 zeigt, zuverlässig schmale Fehlstellen Fl und F2 bzw. Risse entdecken, die sich im wesentlichen parallel zur K-Achse erstrecken.

Zur Identifizierung der Fehlstellenpositionen aus den Ergebnissen der Fehlstellenerkennung muß dem Rechner 4 der Winkel zwischen der V-Achse und der Ausbreitungsrichtung der Ultraschallwellen mitgeteilt werden, weil bei diesem Ausführungsbeispiel die Sonde \b schwingt. Dies kann leicht durch Rechnung mit Hilfe des Zeittaktes des dem elektromagnetischen Betätigungsglied 44 zugeführten Steuerstromes erfolgen, und noch

und zeigt die Positionen der Fehlstellen F zusammen 25 genauer durch Anbringung eines Drehkodierers an dem

mit den Fehlstellennummern, die man erhält, wenn die X-Achse der Koordinatendaten der Sonde Ii) als X-Koordinate der Fehlstelle genommen wird und die V-Koordinatendaten der Fehlstelle von der V-Koordinate der Sonde. Dabei werden die Nummern der Segmente, in denen Echoimpulse erzeugt werden, fortlaufend gezählt.

In den Fig. 12 und 13 ist ein Schwingmechanismus 41—44 dargestellt, mit dem die Sonde Xb in bezug auf die V-Achse nach rechts und links um einen Winkel schwingen kann. Das Riemenrad 223y rotiert in derselben Weise wie bei dem vorherigen Ausführungsbeispiel in Verriegelungseingriff mit dem an dem Führungsrahmen 22y befestigten Impulsmotor 23y. Der Führungsrahmen 22y wird von dem Führungsrahmen 22* abge- stützt und von dem Impulsmotor 23x entlang der X-Achse bewegt, während das Riemenrad 234y in der frei vorstehenden Spitze des Führungsrahmens 22y sitzt, so daß der Gleitblock 226y' von dem Führungsrahmen 22y geführt und von dem zwischen den Riemenrädern 233y und 234y umlaufenden Riemen 235y in X-Richtung bewegt wird. Ein Drehorgan 41 von Zylinderähnlicher Form ist in die Unterseite des Gleitblocks 226y' um seine vertikale Längsachse drehbar eingebettet. Die Sonde Xb ist an der Unterseite dieses Drehorgans 41 befestigt und wird in Kontakt mit der Probe 3 gebracht.

Von der UmfangbRäche ucS Dreiiui gäiiS 4i erstreckt sich eine Steuerstange 42 zur Seite des Motorgehäuses 23 hin. An dem dem Motorgehäuse 23 zugewandten Ende der Steuerstange 42 greift eine Feder 43 an, so daß die Steuerstange gemäß Fig. 15 nach rechts gezogen wird. In dem Mittelteil der Steuerstange 42 ist ein Langloch 42a angebracht, das in Längsrichtung der Steuerstange verläuft Links neben dem Langloch 42a ist gemäß F i g. 13 ein elektromagnetisches Betätigungsglied w> 44 angeordnet, das bei Erregung eine Stange 44a einzieht Das Ende der Stange 44a ist in dem Langloch 42a verankert Die Spule des Betätigungsgliedes 44 wird von dem Rechner 4 (siehe F i g. 1) intermittierend mit Strom gespeist und erregt. Die Steuerstange 42 wird daher um bs das Drehorgan 41 als Achse herum verschwenkt Wenn die Spule des Betätigungsgliedes 44 erregt ist wird die Steuerstange 42 von der Stange 44a nach links gezogen Drehteil 41 zur Erzeugung der betreffenden Winkelinformation.

Wenn die Vorrichtung mit dem oben beschriebenen Schwingmechanismus ausgestattet ist. können mit ihr solche Fehlstellen entdeckt werden, die im wesentlichen parallel zur V-Achse verlaufen und sehr schmal sind. Solche Fehlstellen würden anderenfalls nicht erfaßt werden, wenn die Fortbewegungsrichtung der Ultraschallwellen nur auf die V-Achse beschrankt wäre.

Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich ist, ist die Vorrichtung leicht zu bedienen und sie ermöglicht eine Fehlstellenerkennung mit hoher Genauigkeit in kürzester Zeit. Die Vorrichtung ist kompakt in ihren Abmessungen, so daß sie leicht zu transportieren und zu bedienen ist. Der Ultraschall-Fehlstellendetektor arbeitet vollautomatisch und eignet sich für die Fehlstellenerkennung sogar bei hochliegenden Einsatzorten.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Ultraschall-Fehlstellenortungsvorrichtung mit einer Ultraschallwelle in eine Probe aussendenden und reflektierte Ultraschallwellen empfangenden Sonde, die an einem Sondenhalter befestigt ist. mit einer den Sondenhalter parallel zur Probenoberfläche bewegenden Führungsvorrichtung mit einem Abtastantrieb, der mit einer Signalverarbeitungseinheit verbunden ist, die eine Sende- und Empfangseinrichtung und eine Anzeigeeinrichtung aufweist und Steuersignale für die Bewegung der Sonde erzeugt, und mit einer den Positionswert der Sonde beim Empfang von Ultraschallwellen von der Probe sowie die Amplituden der empfangenen Ultraschallwellen aufnehmenden Speichereinrichtung, d a du'ch gekennzeichnet, daß zwischen dem Sondenhalter (21) und der Führungsvorrichtung ein Schwingungsmechanismus (41—44) angeordnet ist, der die Sonde (\b) um eine Achse senkrecht zur Probenoberfläche schwingen läßt

2. Ultraschall-Fehlstellenortungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingmechanismus (41—44) eine mit dem Sondenhalter (21) verbundene Feder (43) aufweist, die den Sondenhalter (21) in eine erste Extremposition treibt, und daß ein ansteuerbares elektromagnetisches Betätigungsglied (44) vorgesehen ist, das den Sondenhalter (21) entgegen der Wirkung der Feder

(43) in eine zweite Extremposition treibt.

3. Ultraschall-Fehlstellenortungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinheit (1) mit dem Schwingmechanismus (41—44) zur intermittierenden Ansteuerung des elektromagnetischen Betätigungsgliedes

(44) verbunden ist.

4. Ultraschall-Fehlstellenortungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinheit (1) jedesmal dann ein Steuersignal für das Betätigungsglied (44) erzeugt, wenn der Abtastantrieb ein Steuersignal erhält.

5. Ultraschall-Fehlstellenortungsvorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Drehorgan (41) des Schwingmechanismus (41—44) mit einem Drehkodiercr gekoppelt ist.