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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruches beschriebenen, aus der GB 20 62 862 bekannten Art.
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Die Erfindung kann vorzugsweise zur Gütekontrolle mehrschichtiger Schweißkonstruktionen und Bauteile von bohrtechnischen Ausrüstungen verwendet werden.
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Die gegenwärtig bei der Ultraschall-Werkstoffprüfung allgemein verwendeten Geräte gestatten die Durchführung der Prüfung durch Handabtastung, jedoch ohne objektive Registrierung der Prüfergebnisse. Die Ergebnisse einer solchen Prüfung hängen weitgehend von der Berufsqualifikation, den Berufserfahrungen und Konzentrationsfähigkeiten des Prüfers ab. Der subjektive Charakter des Ultraschall-Prüfverfahrens wirkt sich besonders bei der Serienprüfung gleichartiger Schweißverbindungen auf die Glaubwürdigkeit der Prüfergebnisse besonders nachträglich aus. Dies kann darauf zurückgeführt werden, daß die Aufmerksamkeit des Prüfers bei der Prüfung derartiger Schweißverbindungen mit der Zeit abnimmt und sich ein bedingter Reflex über die Nutzlosigkeit der Prüfung herausbildet, so daß seltene, dafür aber umfangreiche und gefährliche Fehler übersehen werden.
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Eine objektive Ultraschall-Werkstoffprüfung kann nur auf dem Wege der Automatisierung des Prüfvorgangs erzielt werden. Unter einem automatisierten Prüfvorgang ist ein Prozeß zu verstehen, in dessen Verlauf die Information über das Vorhandensein bzw. Fehlen von verdeckten Fehlern nicht nur gewonnen, sondern auch in Form einer Unterlage registriert wird mit gleichzeitiger Beurteilung der Güte der Schweißverbindung in Übereinstimmung mit den vorgegebenen technischen Bedingungen, d. h. ein Prozeß, der sich im Vergleich zur Handabtastung durch eine höhere Leistungsfähigkeit und Glaubwürdigkeit der Prüfergebnisse auszeichnet.
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Einrichtungen zur Ultraschallprüfung von Schweißverbindungen, welche dieser Forderung völlig genügen, haben bis jetzt keine breite Verwendung gefunden.
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Aus der US 40 54 053 ist beispielsweise eine Vorrichtung zur automatischen Prüfung von Schweißnähten bekannt, mit der sich eine hohe Prüfgeschwindigkeit erzielen läßt. Infolge der hohen Prüfgeschwindigkeit und der damit verbundenen groben Abtastung der Schweißnaht läßt sich jedoch keine sehr zuverlässige Aussage über einen eventuellen Schweißnahtriß machen.
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Aus der US-Z.: Ultrasonics, März 1981, S. 63-66 ist es ferner bekannt, eine Ultraschallprüfeinrichtung für Schweißnähte mittels einer Steuereinrichtung zu steuern und zu überwachen.
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Aus dem SU-Urheberschein 9 05 779 ist eine Vorrichtung zur Ultraschallprüfung von Schweißverbindungen bekannt, welche eine Reihenschaltung aus einem Prüfkopf, einem Werkstoff-Prüfgerät, einem Amplitudendiskriminator, einem Registriergerät, einem Vorwärts-Rückwärts-Zähler, dessen erster Eingang mit dem Ausgang des Werkstoff-Prüfgerätes verbunden ist, sowie einer Schwellwertstufe, deren Eingang mit dem zweiten Ausgang des Amplitudendiskriminators gekoppelt ist, aufweist.
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Diese Vorrichtung bietet die Möglichkeit, Fehler in Schweißverbindungen zu orten und die Information über diese Fehler zu registrieren, jedoch ohne Berücksichtigung der Ausmusterungsnormen und Bestimmung der Fehlerart ( ausgedehnter oder punktförmiger Fehler). Das Orten eines bestimmten summarischen Fehlermaßes gilt bei dieser Vorrichtung als Ausschußmerkmal (beispielsweise Anhäufung von Poren bzw. Porenketten), obwohl die Abmessungen des Abschnittes mit der unzulässigen Anzahl der Fehler und ihren Außenmaßen in den Normen für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung festgelegt sind (Siehe, z. B., American Petroleum Institute, Standard for Welding Pipelines and Related Facilities (Transportation Department), API STD 1104, Fourteentn Edition, January 1977).
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Aus der eingangs erwähnten GB 20 62 862 ist ferner eine Vorrichtung zur Ultraschallprüfung von Schweißnähten bekannt, die einen Ultraschallprüfkopf, der die zu überprüfende Schweißnaht in Längs- und Querrichtung abtastet, und eine Signalverarbeitungseinheit zur Steuerung der Abtastung und zur Verarbeitung der vom Ultraschallprüfkopf empfangenen Signale aufweist. Bei der automatisch erfolgenden Ultraschallprüfung wird dabei die Schweißnaht zuerst in einem groben Raster vollständig abgetastet. Wird während dieser groben Abtastung das Vorliegen eines Risses festgestellt, kehrt der Ultraschallprüfkopf automatisch zur Durchführung einer Feinabtastung dieses Risses zurück, was insgesamt die Prüfgeschwindigkeit beschränkt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß die automatische Ultraschallprüfung mit hoher Geschwindigkeit zuverlässig durchgeführt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches gelöst.
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Aufgrund der Erfindung kann eine höhere Prüfungsgeschwindigkeit mit ausreichender Glaubwürdigkeit der Prüfergebnisse erreicht werden. Die Prüfkopf-Vorschubeinrichtung gewährleistet zusammen mit dem Taktimpulsgeber eine Einteilung der Prüfbahn in einzelne Prüfabschnitte, während der Ultraschallprüfkopf entlang der Schweißverbindung bewegt wird. Somit wird die Möglichkeit geboten, die Güte der Schweißverbindung in den Grenzen des Prüfbahnabschnittes auszuwerten, da es bekannt ist, daß die Fehlernachweisgenauigkeit entlang der Prüfbahn umso höher ist, je kleiner der Prüfabschnitt ist. Durch Verbindung der Schwellwertstufe mit der Steuereinheit wird die Steuerung des Registriergerätes (Schreiber) und der Prüfkopf-Vorschubeinrichtung gesichert. Dank dieser Verbindung wird das Registriergerät beim Nachweis eines Fehlers auf Betriebsart "Registrieren" mit einer Geschwindigkeit, die der Abtastgeschwindigkeit des Prüfkopfes entspricht, geschaltet, was es ermöglicht, genormte Parameter der Fehler mit einer hohen Genauigkeit zu registrieren.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt
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Fig. 1 ein Blockschaltbild der Vorrichtung zur Ultraschallprüfung von,
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Fig. 2 schematisch die Gesamtansicht des Vorrichtungsbeispiels und
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Fig. 3 Zeitdiagramme, welche den Betrieb der Vorrichtung veranschaulichen.
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Wie aus Fig. 1 ersichtlich, weist die Vorrichtung zur Überprüfung von Schweißnähten einen Ultraschallprüfkopf 1, ein Werkstoff-Prüfgerät 2, einen Amplitudendiskriminator 3, ein Registriergerät 4, eine Schwellwertstufe 5, eine Steuereinheit 6, eine Vorschubeinrichtung 7 für den Ultraschallprüfkopf 1, eine Programmsteuerschaltung 8 für Kopplungsmittel, eine Steuerschaltung 9 für Druckluft, ein Druckluftventil 10, eine Abblaseinrichtung 11, ein Druckluftventil 12 für Kopplungsmittel, einen Vorwärts-Rückwärts-Programmzähler 13, eine Drucklufteinrichtung 14 zur Steuerung der Auslaufleisten (nicht gezeigt), einen Taktimpulsgeber 15 sowie einen weiteren Vorwärts-Rückwärts-Programmzähler 16 zur Bestimmung der örtlichen Lage des Fehlerabschnittes im Erzeugnis.
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Der Ultraschallprüfkopf 1 ist an den Eingang (b) des Werkstoff-Prüfgerätes 2 geschaltet, dessen Ausgang (a) mit dem Eingang (a) des Amplitudendiskriminators 3 verbunden ist, während der Ausgang (c) des Werkstoff-Prüfgerätes 2 an den Eingang (b) des ersten Vorwärts-Rückwärts-Programmzählers 13 angeschlossen ist. Der Ausgang (b) des Amplitudendiskriminators 3 ist mit dem Eingang (a) des Registriergerätes 4 gekoppelt und der Ausgang (c) des Amplitudendiskriminators 3 mit dem Eingang (b) der Schwellwertstufe 5 verbunden. Der Eingang (c) des Registriergerätes 4 ist an den ersten Ausgang (c) des Vorwärts-Rückwärts-Programmzählers 13 geschaltet und der Eingang (b) des Registriergerätes 4 mit dem Ausgang (d) der Steuereinheit 6 verbunden. Der zweite Eingang (a) des Vorwärts-Rückwärts-Programmzählers 13 und der Eingang (a) des Vorwärts-Rückwärts-Programmzählers 16 sind mit dem zweiten Ausgang (c) des Taktimpulsgebers 15 gekoppelt. Der Eingang (b) des weiteren Vorwärts-Rückwärts-Programmzählers 16 ist mit dem Ausgang (c) des Vorwärts-Rückwärts-Programmzählers 13 verbunden.
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Der Ausgang (a) der Schwellwertstufe 5 ist an den Eingang (a) der Steuereinheit 6 geschaltet. Der Ausgang (c) der Steuereinheit 6 ist mit dem Eingang (a) der Vorschubeinrichtung 7 für den Ultraschallprüfkopf 1 gekoppelt und der Ausgang (b) an den Eingang (a) der Programmsteuerschaltung 8 für Kopplungsmittel sowie an den Eingang (c) der Programmsteuerschaltung 9 für Druckluft angeschlossen.
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Der Ausgang (b) des Taktimpulsgebers 15 zum Einstellen des Prüfobjektes in genormte Abschnitte ist am Eingang (e) der Steuereinheit 6 geschaltet.
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Der Ausgang (b) der Programmsteuerschaltung 8 für Kopplungsmittel ist am Druckluftventil 12 für Kopplungsmittel angeschlossen. Der Ausgang (a) der Programmsteuerschaltung 9 für Druckluft ist an den Eingang (c) des Druckluftventils 10 angeschlossen, während ihr Ausgang (b) mit dem Eingang der Drucklufteinrichtung 14 zur Steuerung der Auslaufleisten (nicht gezeigt) gekoppelt ist.
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Der Ausgang (b) des Druckluftventils 10 ist mit der Abblaseinrichtung 11 verbunden.
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Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist der Ultraschallprüfkopf 1 auf einem Wagen 17 montiert, der mittels einer Schraubenverbindung auf eine Welle 18 aufgesetzt ist. Die Welle 18 ist im Gestell 19 drehbar montiert. Zum Drehen der Welle 18 ist ein Drehantrieb 20 vorgesehen. Als Drehantrieb kann sowohl ein reversierbarer als auch ein nichtreversierbarer Elektromotor verwendet werden. Wird ein reversierbarer Motor verwendet, so ist es ausreichend, das Gewinde auf der Welle 18 mit einem Schraubenlinien-Steigungswinkel auszuführen. Bei Benutzung eines nicht reversierbaren Motors ist die Welle 18 außerdem mit einem Gewinde mit umgekehrtem Schraubenlinien-Steigungswinkel zu versehen. Dadurch ist der Wagen 17 auf der Welle 18 bei deren Drehung in zwei Richtungen verschiebbar, wozu im letzteren Fall der Wagen 17 auf das Umkehrgewinde zur Verschiebung in Gegenrichtung überführt wird.
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In der Nähe der Enden der Welle 18 sind am Gestell 19 kontaktlose Endschalter 21 und 22 befestigt, welche in die Steuerschaltung eingeschaltet sind. Am Wagen 17 ist eine Fahne 23 angebracht, welche in abwechselnder Reihenfolge auf den Endschalter 21 bzw. 22 bei Annäherung des Wagens einwirkt. Der Ultraschallprüfkopf 1 ist am Wagen 17 derart angebracht, daß er zwischen zwei Stellungen - der Arbeitsstellung, wenn er mit der Prüffläche in Kontakt gebracht wird, und der Ausgang- bzw. Ruhestellung - verschiebbar ist. Zu diesem Zweck können beliebige dazu geeignete Mittel, beispielsweise ein Druckluftzylinder, verwendet werden.
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Als Taktimpulsgeber 15 wird beim bevorzugten Ausführungsbeispiel ein kontaktloser Schalter 24 verwendet, der mit dem Ausgang (b) an die Steuereinheit 6 (s. Fig. 1) geschaltet ist und unter Wirkung der auf der Welle 18 angebrachten und zusammen mit dieser rotierenden mehrschleifigen Fahne 25 Taktimpulse abgibt, welche den genormten Prüfbahnabschnitten entsprechen. Als Taktimpulsgeber 15 kann ein beliebiger dazu geeigneter Generator verwendet werden, in welchem die Rotation der Welle 18 in ein dem genormten Prüfbahnabschnitt entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt wird.
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Bei der Beschreibung der Wirkungsweise der vorstehend beschriebenen Vorrichtung ist das Bezugszeichen der jeweiligen Spannungskurve mit einem Strich versehen (Fig. 3).
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Durch Betätigen des Druckknopfes "Start" wird mit einem Signal 1&min; der Steuereinheit 6 die Prüfkopf-Vorschubeinrichtung 7 ausgelöst. Dabei werden mit Hilfe des mit der Welle 18 funktionell gekoppelten Taktimpulsgebers 15 auf den Eingang der Steuereinheit 6 sowie auf die Eingänge der Vorwärts-Rückwärts-Programmzähler 13, 16 in durch Teilung der Umdrehung der Welle 18 mit den Schleifen der Fahne 24 gewonnenen genormten Zeitabständen Taktsignale 4&min; gegeben. Genormte Prüfbahnabschnitte kennzeichnen den Abstand in Millimetern, welcher dem in den Ausschußnormen festgelegten Abstand entspricht, in dessen Grenzen das Auftreten von Fehlern mit einer bestimmten summarischen Ausdehnung unzulässig ist. Die höchstzulässige Fehlerausdehnung N d wird zunächst mit Hilfe des Vorwärts-Rückwärts-Programmzählers 13 nach folgender Formel eingestellt:
N d = N i.s. - N min
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Hierin bedeuten:
- N min Mindestwert-Vorwahl (eine Zahl, die beispielsweise gleich 20 ist);
N i.s. Anfangseinstellung (Signal 5&min;).
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Beim Fehlernachweis wird die vorgegebene Impulszahl, die N d entspricht, mit der Anzahl der vom Fehler reflektierten Impulse verglichen.
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Überschreitet diese Anzahl die vorgegebene Impulszahl N d , so wird vom Ausgang des Vorwärts-Rückwärts-Programmzählers 13 auf den Eingang des Registriergerätes 4 ein Signal 7&min; (Fehler) gegeben.
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Gleichzeitig wird das Signal 7&min; auf den zweiten Eingang (b) des Vorwärts-Rückwärts-Programmzählers 16 gegeben. Die Auszählung der genormten Abschnitte wird eingestellt und auf der Ziffernanzeigetafel leuchtet die Nummer des genormten fehlerbehafteten Abschnittes auf. Dies bewirkt die Möglichkeit, die reparaturbedürftige Stelle am Erzeugnis mit einer hohen Genauigkeit zu bestimmen. Falls die Amplitude des durch einen Fehler verursachten Signals den vorgegebenen Pegel U d überschreitet, wird vom Ausgang des Amplitudendiskriminators 3 auf den Eingang des Registriergerätes 4 ein Signal 6&min; gegeben. Beim Fehlernachweis wird vom zweiten Ausgang des Amplitudendiskriminators 3 über die Schwellwertstufe 5 mit dem Pegel U n an den Eingang der Steuereinheit 6 ein Signal 3&min; angelegt. Vom Ausgang (d) der Steuereinheit 6 wird auf den Eingang des Registriergerätes 4 ein Signal 8&min; gegeben. Dabei wird das Registriergerät (beispielsweise ein Schreiber) auf die Betriebsart "Registrieren" mit einer Geschwindigkeit geschaltet, welche der Vorschubgeschwindigkeit des Ultraschallprüfkopfes 1 zwecks Entschlüsselung von Anzahl und Typ der Fehler entspricht (bis zu diesem Zeitpunkt wurde das Registriergerät bekanntlich mit einer geringen Geschwindigkeit betrieben). Nach Ablauf einer Verzögerungszeit τ 2 ( Trägheit des Registriergerätes) wird das Registriergerät 4 nach dem Ende des durch den Fehler bedingten Signals auf die vorherige Aufzeichnungsgeschwindigkeit des Prüfungsvorgangs geschaltet. Gleichzeitig mit dem Betätigen des Druckknopfes "Start" am Anfang des Betriebszyklus und der Erzeugung des Signals 1&min; in der Steuereinheit 6 wird in der Programmsteuerschaltung 8 für das Kopplungsmittel ein Signal 9&min; erzeugt und an das Druckluftventil 12 angelegt. Die programmierbare Betriebsweise der Programmsteuerschaltung 8 gestattet es, die Kopplungsmittelmenge in Übereinstimmung mit dem Lokalbadvolumen zeitlich zu normen.
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Beim Betätigen des Druckknopfes "Start" wird auch die Programmsteuerschaltung 9 für die Druckluft in Abhängigkeit von der Schweißnahtlänge ausgelöst. In dieser Schaltung wird ein Signal 10&min; erzeugt.
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Nach der Betätigung des Druckknopfes "Start" wird in der Drucklufteinrichtung 14 zur Steuerung der Auslaufleisten (nicht gezeigt) ein Signal "Andrücken" und nach Ablauf der Prüfzeit ein Signal "Abdrücken" (Signal 11&min;) erzeugt.
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Sobald der Ultraschallprüfkopf 1 an das Ende der Prüfbahn gelangt, was der Länge der zu prüfenden Schweißnaht entspricht, schaltet die Fahne 23 den Endschalter 21 bzw. 22 ein. Dabei wird die gesamte Vorrichtung gestoppt und in ihren ursprünglichen Zustand für die Ausführung des nachfolgenden Prüfzylkus gebracht (der Ultraschallprüfkopf kommt mit der Prüffläche außer Eingriff und wird in die Aufnahmestellung für die Prüfung des nächsten Erzeugnisses gebracht).
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Die Verwendung der Vorwärts-Rückwärts-Programmzähler, des Amplitudendiskriminators und der Schwellwertstufe zeichnet die Erfindung in bezug auf die bisher bekannten Lösungen vorteilhaft aus, da diese eine Prüfung der Schweißnaht unter Berücksichtigung solcher Fehlerparameter, wie Echo-Amplitude, summarische Ausdehnung in Gruppen angeordneter Punktfehler ( Porenanhäufungen und -ketten) gestattet. Dabei werden genormte Parameter zuvor durch programmierbare Vorwahl an der Steuereinheit und dem Programmzähler voreingestellt, was eine automatische Auswertung der Schweißnaht- bzw. Erzeugnisgüte ermöglicht. Daneben wird durch Verwendung von automatischen Programmen in den Programmsteuerschaltungen für Kopplungsmittel und Druckluft die Möglichkeit geboten, den Prüfungsverlauf des gesamten Erzeugnisses zu automatisieren, der durch die Kopplungsmittelreste verursachten Korrosion des Metalls und somit der Entstehung von Fehlern bei der Ausbesserungsschweißung vorzubeugen. Die Einrichtung gewährleistet eine stabile Signalreflexionsdichte je Fehlerflächeneinheit.
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All das schafft Möglichkeiten zur Erhöhung der Zuverlässigkeit der Prüfergebnisse und zur Herabsetzung des Zeitaufwandes für die Durchführung der Prüfung, wobei die Steuerung der Vorrichtung keiner hochqualifizierten Fachkräfte bedarf.