DE3203862A1

DE3203862A1 - Ultraschall-pruefkopfanordnung

Info

Publication number: DE3203862A1
Application number: DE19823203862
Authority: DE
Inventors: Helmar Dipl.-Phys. 8000 München Langer; Werner Dipl.-Phys. Zimmermann
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1982-02-05
Filing date: 1982-02-05
Publication date: 1983-08-18
Also published as: GB2114300A; ES8400825A1; FR2521298A1; US4489611A; GB2114300B; GB8302235D0; ES519561A0; DE3203862C2; FR2521298B3

Description

9159

UItraschall - Prüf kopf anordnung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Prüfkopfanordnung zur zerstörungsfreien Prüfung von Bauteilen ungleichförmigen Querschnitts mit Hilfe von Ultraschallwellen, mit mindestens zwei, gemeinsam in Richtung der Querschnittsänderungen des 3auteils relativ zur Bauteiloberflache verschieblichen Prüfköpfen.

Bekannte Prüfkopfanordnungen, die entweder aus einem einzigen Sender und Empfänger oder aus Gründen einer größeren Abtastbreite aus mehreren, unabhängig voneinander arbeitenden Sende- and Empfangseinheiten bestehen, die in entsprechend vielen, zir-einander parallelen Abtastbahnen gleichzeitig über die Bauteiloberfläche geführt werden, sind auf die Überprüfung von Bauteilen konstanter Wandstärke beschränkt. Pur eine vollvolumentrische Prüfung von Bauteilen ungleichförmiger Querschnittsgeometrie hingegen sind derartige Prüfkopfanordnungen nicht geeignet, weil sich nicht unterscheiden läßt, ob eine Änderung der Empfangsamplitude durch eine Fehlerstelle oder aber eine Änderung der Bauteilgeometrie verursacht wurde,es sei denn, es wird in äußarst umständlicher und zeitraubender Weise, etwa mit Hilfe einer vorherigen oder nachträglichen

. Vermessung des Bauteils, unter Berücksichtigung der jeweiligen Bauteildicke und-geometrie.längs der gesamten Abtaststrecke eine Pehlergrenzwertkursre aufgestellt, mit der dann bei der Interpretation des Prüfergebnisses der Momentanwert der Durchschallungsamplitude verglichen wird.

Demgegenüber ist es Aufgabe -der Erfindung, eine Prüfkopfanordnung der beanspruchten Art so auszubilden, daß sie selbsttätig und unbeeinflußt von Änderungen der Bauteildicke undgeometrie eine Fehleranzeige liefert und eine vorherige oder

nachträgliche Ermittlung einer die Querschnittsänderungen des Bauteils "berücksichtigenden Fehlergrenzwertkurve überflüssig macht·.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Prüfkopfanordnung der beanspruchten Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet,daß die Prüfköpfe als synchron arbeitende, quer zur Verschieberichtung auf Abstand gehaltene Empfangsprüfköpfe ausgebildet und an eine Vergleichsstufe angeschlossen sind, die bei einer Änderung des Verhältnisses der Empfangsamplitude des ersten zur Empfangsamplitude des zweiten Prüfkopfes ein Fehlersignal erzeugt.

Erfindungsgemäß wird der Einfluß der Bauteildicke und-geometrie in der Prüfkopfanordnung selbst dadurch eliminiert, daß nicht der Absolutwert der Empfangsamplitude eines Einzelprüfkopfes, sondern der Relativwert der Empfangsamplituden der bellen dicht nebeneinanderliegenden Empfangsprüfköpfe zur Fehlererkennung benutzt wird. Aufgrund der besonderen Signalverknüpfung bleibt das Ausgangssignal der Prüfkopfanordnung nicht nur unbeeinflußt von unregelmäßigen Querschnittsänderungen des Bauteils, die in Verschieberichtung der Prüfkopf anordnung verlaufen, sondern bis zum Auftreten einer.Fehlerstelle auch dann konstant, wenn sich zusätzlich die Bauteildicke oder-geometrie senkrecht zur Verschieberichtung linear ändert. Sobald jedoch eine Fehlerstelle in den Strahlengang eines der beiden Empfangsprüfköpfe wandert, ändert sich das Verhältnis der Durchschallungsamplituden, so daß die Vergleichsstufe ein Fehlersignal erzeugt. Mit der erfindungsgemäßen Prüfkopfanordnung lassen sich somit auf äußerst einfache Weise Fehlerstellen auch in Bauteilen verwickelter Geometrie mit hoher Zuverlässigkeit erkennen, ohne daß es eines zeitraubenden Meßwertvergleichs mit einer gesondert für ein fehlerfreies Bauteil gleicher Geometrie ermittelten Fehlergrenz-oder Sollwertkurve bedarf.

— 3 —

- τ-

-S-

Um die Änderung des Amplituden-Verhältnisses auf baulich "besonders einfache Art und mit hoher Genauigkeit festzustellen, enthält die Vergleichsstufe zweckmäßigerweise ' einen Verstärker, der die zweite Empfangsamplitude um einen variablen, der Abweichung der ersten Empfangsamplitude von einem konstanten Referenzwert proportionalen Verstärkungsfaktor verstärkt, einen nachgeschalteten Komparator, der die Differenz der verstärkten zweiten Empfangsamplitude von dem Referenzwert ermittelt, sowie einen bei einer Änderung dieser Differenz ein Fehlersignal erzeugenden Detektor. Infolge der speziellen Vorverstärkung der Empfangsamplituden wird in diesem Fall in der Vergleichsstufe als Fehlerkriterium eine Amplituden-Differenz benutzt, die solange auf einem von der Bauteil-Geometrie ' senkrecht zur Verschieberichtung der Prüfkopfanordnung abhängigen Eonstantwert verbleibt und bei Bauteilen, die ausschließlich in Verschieberichtung eine sich ändernde Querschnitts -Konfiguration haben, zu Null wird, bis einer der beiden Empfangsprüfköpfe über eine Fehlerstelle wandert, woraufhin sich die Differenz zwischen den beiden verstärkten Empfangsamplituden signifikant vergrößert oder verkleinert,

Grundsätzlich läßt sich die erfindungsgemäße Prüfkopfanordnung sowohl nach der Einfach-Durchschallungsmethode mit auf verschiedenen Seiten des Bauteils angeordneten Empfangs- und Sendeprüfköpfen als auch nach der Doppel-Durchschallungsmethode betreiben, wobei den beiden Empfangsprüfköpfen auch nur ein einziger Sendeprüfkopf zugeordnet oder aber im Falle der Doppel-Durchschallung der eine oder andere Empfangsprüfkopf zugleich als Sender ausgebildet sein kann. Im Hinblick auf eine erhöhte Zuverlässigkeit empfiehlt es sich jedoch,

beiden Empfangsprüfköpfen zwei zu diesen in Verschieberichtung jeweils in festem Abstand angeordnete, synchron ■ arbeitende Sendeprüfkopfe zuzuordnen und in diesem Fall jedes Sende-und Empfangsprüfkopfpaar unter dem für eine Doppel-Durchschallung des Bauteils erforderlichen Winkel gegensinnig schräg geneigt anzuordnen, um vor allem bei schwer zugäng-

lichen Bauteilen oder solchen verwickelter Geometrie die Prüfung nur von der Bauteiloberseite aus durchführen zu können.

Die Erfindung wird nunmehr an Hand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Teildarstellung eines mit der Prüfkopfanordnung zu untersuchenden·,· massiven Bauteils ungleichförmigen Querschnitts;

Pig. 2 das Blockschaltbild der Prüfkopfanordnung;

Pig. 3 die Seitenansicht eines Sende-und Empfangsprüfkopfpaares bei der Doppel-Durchschallung eines Bauteils mit einer offenen, durch quer zur Verschieberichtung der Prüfkopfanordnung verlaufende Stege versteiften Querschnitts-Konfiguration.

Das in Pig. 1 gezeigte, plattenförmige Bauteil 2, welches in Richtung seiner einen Hauptachse (y-Richtung) einen sich unregelmäßig ändernden Querschnitts-Verlauf und senkrecht dazu, also in x-Richtung, eine sich linear verringernde Wandstärke aufweist, wird mit der in Pig. 2 gezeigten Prüfkopfanordnung in der Weise auf Fehlerstellen überprüft, daß die Prüfkopfanordnung 4 in y-Richtung über die Bauteil-Oberfläche β hin- und herbewegt und nach jedem y-Durchgang um einen x-Schritt weitergerückt wird, so daß die Prüfkopfanordnung 4 die in Fig.1 in gestrichelten linien gezeigte, schlangenförmige Abtastbahn durchläuft.

Die Prüfkopfanordnung 4 enthält gemäß Pig. 2 zwei gleichzeitig durch einen gemeinsamen Generator 8 angeregte Ultraschall-Sendeprüfköpfe 10, 12 sowie zwei von diesen in y-Richtung gleich weit auf Abstand gehaltene, ebenfalls synchron arbeitende Empfangsprüfköpfe 14, 16, welche an einem gemeinsamen, zweidimensional über die Bauteil-Oberfläche 6 frei beweglichen HaI-

-o-

ter 18 starr befestigt sind. In x-Richtung^also quer zur Verschieberichtung j_t sind die beiden Sende-und Empfangsprüfkopfpaare 10, 14 bzw. 12, 16 dicht nebeneinanderliegend angeordnet. Die jeweiligen y-und x-Koordinaten des Halters 18 werden über ein zugeordnetes Registriergerät 20, etwa einen Koordinaten-Schreiber, angezeigt.

Die Ultraschall-Prüfung des Bauteils 2 erfolgt nach der Doppel-Durehschallungs-Methode, d.h. die von den Prüfköpfen 10, 12 jeweils ausgesandten Ultraschall-Wellen laufen von der Bauteilober-zur-unterseite, werden dort reflektiert und nach einem erneuten Durchgang durch das Bauteil 2 am zugeordneten Empfangsprüfkopf 14 bzw. 16 in ein Meßsignal entsprechender Amplitude umgesetzt. Den Empfangsprüfköpfen 14, 16 nachgeschaltet ist eine Verstärkerstufe 22, die das Meßsignal des einen Empfangsprüfkopfes 14 soweit verstärkt,daß dessen Empfangsamplitude auf einen vorgegebenen Konstantwert angehoben wird. Um den so ermittelten Verstärkungsfaktor wird zugleich auch die Empfangsamplitude des zweiten Smpfangsprüfkopfes 16 verstärkt. Nach Durchlaufen eines G-leichrichterteils 22 A der Verstärkerstufe 22 werden die beiden verstärkten Meßsignale den beiden Eingängen eines Komparators zugeführt, der die Differenz zwischen den " verstärkten DLiurchschallungsamplituden bildet. Da sich wegen der gewählten Verschieberichtung und aufgrund der beschriebenengegenseitigen Anordnung der Prüfköpfe jede Querschnittsänderung des Bauteils 2 verhältnisgleich auf beide Empfangsamplituden auswirkt, bleibt die vom Komparator 24 ermittelte Differenz solange konstant, bis eine Fehlerstelle des Bauteils in den Ultraschall-Laufweg des einen oder anderen Prüfkopfpaares 10, 14 oder 12, 16 wandert. Von einem dem Komparator 24 nachgeschalteten Detektor 26 wird daher die Differenz der beiden verstärkten Empfangsamplituden überwacht und, sobald sich diese Differenz ändert, ein Pehlersignal ? erzeugt, das gemein-

Λ-

sam mit den zugeordneten x-und y-Koordinaten im Registriergerät 20 angezeigt wird.

g
gerät 20 angezeigt wird.

Pig. 3 zeigt die Prüfkopfanordnung 4 mit dem Halter 18, an dem die in y-Richtung zueinander versetzten Prüfköpfe 10,14 (und das auf gleicher Höhe dahinterliegende, "benachbarte Prüfkopfpaar 12, 16) unter dem für eine Doppel-Durchschallung erforderlichen Winkel gegensinnig schräg geneigt befestigt sind. Das Bauteil 2 A ist in diesem Pail eine Faserverbunds±ruktur offenen Querschnitts, wie sie etwa im Flugzeugbau Verwendung findet, und besteht aus einer Beplankungsschicht 28 konstanter Wandstärke und mit dieser sowie miteinander zur örtlichen Verstärkung verklebten ü-förmigen Versteifungsstegen 30. Zur vollvolumetrischen Prüfung des Bauteils 2 A auf Fehlerstellen, etwa Lunkern in der Beplankung 28 oder den Teilen 30 oder Delaminatiönsstellen an den Klebeflächen, wird das Bauteil 2 A in einem gut schalleitenden Tauchbad 32 auf einen Schallreflektor, s.B. die Glasplatte 34, gelegt und mit der Prüfkopfanordnung 4 auf die obeiibeschriebene Weise durchstrahlt, d.h. Änderungen der Bauteildicke und »geometrie im (gestrichelt dargestellten) Strahlengang der Prüfkopfanordnung 4 werden wiederum eliminiert und die vom Komparator 24 ermittelte Differenz der um den variablen Verstärkungsfaktor erhöhten Empfangsamplituden bleibt solange konstant, bis eine Fehlerstelle im Bauteil, etwa die Delaminationssteile 36 zwischen den Stegen 30, in den Strahlengang eines der beiden Prüfkopfpaare 10, 14 bzw. 12, 16 wandert, woraufhin sich diese Differenz signifikant ändert und der Detektor 26 ein Fehlersignal erzeugt.

Abschließend sei noch daraufgingewiesen, daß jede Fehlerstelle im Bauteil am Registriergerät 20 zweimal angezeigt wird, nämlich einmal, wenn sie -wie gezeigt- in der Reflektionsstrecke des Ultraschall-Strahls liegt, und zum zweiten Mal, wenn sie nach einer bestimmten Verschiebung des Halters 18 in y_rRichtung

in die Laufstrecke des Ultraschall-Strahls zwischen Sender 1θ/ΐ2 und G-lasplatte 34 wandert. Im Registriergerät 20 werden nicht nur die lage, sondern auch der projizierte Umriß der Fehlersteile angezeigt. Zwei identische Fehlerabbildungen in der gleichen x-Lage sind daher "bei der Doppel-Durchschallung als. ein· und derselbe Fehler im Bauteil zu bewerten. Das geometrische Mittel der y-Koordinaten dieser beiden identischen Fehlerabbildungen ergibt dann die tatsächliche y-Position der Fehlerstelle. .

Claims

PATEN T ANSP RÜG H E

( 1. yPrüfkopfanordnung zur zerstörungsfreien Prüfung von Bauteilen ungleichförmigen Querschnitts mit Hilfe von Ultraschallwellen, mit mindestens zwei, gemeinsam in Richtung der Querschnittsänderungen des Bauteils relativ zur Bauteiloberfläche verschieblichen Prüfköpfen, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfköpfe als synchron arbeitende, quer zur Verschieberichtung (y) auf Abstand gehaltene Empfangsprüfköpfe (14, 16) ausgebildet und an eine Vergleiehsstufe (22, 24, 26) angeschlossen sind, die bei einer Änderung des Verhältnisses der Empfangsamplitude des ersten (14) zur Empfangsamplitude des zweiten Prüfkopfes (16) ein Fehlersignal (F) erzeugt.
2. Prüfkopfanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Yergleichsstufe einen Verstärker (22), der die zweite Empfangsamplitude um einen variablen, der Abweichung der ersten Empfangsamplitude von einem konstanten Referenzwert proportionalen Verstärkungsfaktor erhöht, einen nachgeschalteten Komparator (24), der die Differenz der verstärkten zweiten Empfangsamplitude ■ zu. dem Referenzwert ermittelt, sowie einen bei einer Änderung dieser Differenz ein Fehlersignal (F) erzeugenden Detektor (26) enthält.
3. Prüfkopfanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e η nz e i c h η e t , daß den beiden Empfangsprüfköpfen (14,16) zwei zu diesen in Verschieberiehtung (y) jeweils in festem Ab-

stand angeordnete, synchron arbeitende Sendeprüf köpfe (10, 12) zugeordnet sind.
4.Prüfkopfanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Sende-und Empfangsprüfkopfpaar (10, 14j 12, 16) unter dem für eine Doppel-Durchschallung des Bauteils (2, 2 A) erforderlichen Winkel gegensinnig schräg geneigt ist.