DE3309470C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ultraschallprüfung von aus einer Unterschicht sowie einer durch Überlappungsschweißung erzeugten Oberschicht bestehenden, dem Zusammenfassen mehrerer aufeinanderliegender Blechschichten dienenden Schweißnähten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bekannt sind Verfahren zur Ultraschallprüfung, die darin bestehen, daß Überlappungsstöße seitens des Unterblechs (falls die Schweißnahttiefe die Blechdicke nicht überschreitet) mit einem reflektierten Ultraschallstrahl mit Hilfe eines Prüfkopfes nach dem Reflektions-Schatten- Verfahren durchschallt werden (Gurvich A.K. Yermolov N.N.: Ultrazvukovoi kontrol svanykh shvov/Ultraschallprüfung von Schweißnähten/, Kiew, Verlag Tekhnika, S. 347). Durch dieses Verfahren können Risse, Wurzelbindefehler sowie Einzeleinschlüsse und deren Anhäufungen nachgewiesen werden. Horizontal gelegene Schweißfehler werden im Reflektions-Schatten-Verfahren mit getrennt geschalteten Prüfköpfen geortet. Um das Durchschallen des gesamten Querschnitts des Schweißnahtwerkstoffes zu ermöglichen, ist es notwendig, die Prüfköpfe senkrecht zur Schweißnaht ungefähr um die der Größe der horizontalen Kathete entsprechende Länge zu verschieben. Ein solches Verfahren ist jedoch kompliziert und liefert folglich keine zuverlässigen Prüfergebnisse.

Ferner ist ein Impuls-Echo-Prüfverfahren mit zwei oder mehr Wandlern bekannt (DE-Buch: F. u. H. Krautkrämer; Werkstoffprüfung mit Ultraschall; 1980; S. 470 bis 477, S. 493 und 494), bei dem nur Transversalwellen verwendet werden. Dieses Verfahren ist lediglich für eine Prüfung von Stumpfschweißnähten einer einschichtigen Konstruktion geeignet.

Aus der DE-OS 18 17 921 ist eine Ultraschall-Prüfkopfeinheit mit akustischer Strahlfokussierung bekannt. Der Einführungswinkel der Ultraschallschwingungen in das Erzeugnis bei der Prüfung mit dem Wandler beträgt α = 95°. Diese Prüfkopfeinheit kann nur zur Prüfung der Schweißnähte von Blechen mit einer Dicke von über 10 mm verwendet werden. Andererseits können in einem Blech mit einer Dicke von 10 mm keine Plattenwellen erregt werden.

Aus der US 39 58 451 ist eine Vorrichtung bekannt, die eine schichtweise Prüfung einer Schweißverbindung realisiert. Hierfür werden die Ultraschallwandler in verschiedene Neigungswinkel gebracht. Da sich der Neigungswinkel der piezoelektrischen Platte zwischen einem ersten und einem zweiten kritischen Winkel befindet, breitet sich in der Schweißverbindung jedoch nur eine Transversalwelle aus.

Aus der US 33 02 453 ist ferner ein Ultraschallprüfverfahren bekannt, bei dem eine Überprüfung von Stumpfschweißnähten einer einschichtigen Konstruktion nur mit Längs- und Transversalwellen durchgeführt wird.

Ferner ist ein gattungsgemäßes Verfahren zur Ultraschallprüfung von Stumpfschweißnähten mit Transversalwellen bekannt, bei dem Ultraschallschwingungen mit zwei beiderseits der Schweißnaht angeordneten Prüfköpfen mit gleichen Einstrahlwinkeln erzeugt werden (Krautkrämer GmbH, Schweißnaht-Prüfanlage Typ SNUP-Q, VA-80, S. 38-1). Dieses Verfahren ist jedoch zur Prüfung von Schweißnähten nicht geeignet, deren Tiefe eine Metallschicht beispielsweise mehrschichtiger Konstruktionen übersteigt. Beim Überlappungsschweißen mit zwei Schweißlichtbogen (CO₂- und UP-Schweißen) werden Schichten, sogenannte Unter- und Oberschicht, aufgeschweißt. Die Einbrandtiefe der Unterschicht überschreitet die Blechdicke mehr als um das Doppelte, während die Oberschicht, deren Dicke höchstens einer Blechdicke entspricht, die Unterschicht überlappt und breiter als diese ist. Manchmal kommt es in Folge einer undichten Blechaufwicklung zu einem vergrößerten Schichtzwischenraum (δ < 1,5 mm), der an und für sich keinen Schweißfehler darstellt, Ultraschallschwingungen jedoch reflektiert. Beim Auflegen der Oberschicht ist das Eindringen der Schlacke in den Schichtzwischenraum möglich. Das Vorliegen eines vergrößerten Schichtzwischenraums kann zu unnötigem Ausschuß und letzten Endes zur Herabsetzung der Prüfungsgenauigkeit führen, sobald dieser im Prüffeld zu liegen kommt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs genannten Art so weiter zu bilden, daß eine hohe Prüfgenauigkeit bei Durchschallung des gesamten Schweißnahtquerschnittes möglich ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich anhand der kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1.

Eine derartige kombinierte Anwendung von Ultraschallwellen ermöglicht eine gleichzeitige Durchschallung des gesamten Schweißnahtquerschnittes, weil allein durch Erzeugung von Transversalwellen im schweißnahtnahen Bereich for Schweißfehler auf deren gesamte Ausdehnung und auf dem gesamten Schweißnahtquerschnitt bekanntlich nicht geortet werden können, da bei Erzeugung von Transversalwellen auf dem Ausbreitungsweg des Ultraschallstrahls undurchschallbare Abschnitte bestehen bleiben.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist Gegenstand des Unteranspruches 2.

Aufgrund der Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Anspruch 2 läßt sich die gegenseitige Beeinflussung der Prüfparameter durch die Kanäle des Ultraschall-Prüfsystems sowie das Entstehen undurchschallbarer Abschnitte der Schweißverbindungen vermeiden und folglich die Prüfungsgenauigkeit weiter erhöhen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Schweißverbindung einer mehrschichtigen Konstruktion im Schnitt als Prüfgegenstand des Ultraschall-Prüfverfahrens und

Fig. 2 eine grafische Darstellung des Ultraschall-Prüfverfahrens, das bei der Prüfung der Schweißverbindung einer mehrschichtigen Konstruktion, ähnlich der in Fig. 1 dargestellten, durchgeführt wird.

Zur Durchführung der Werkstoffprüfung werden die Ultraschall-Prüfköpfe nach dem Abstimmen und Justieren am Kontrollkörper des Prüflings (Fig. 1) am Schweißnahtanfang angeordnet, wobei das Abstandsverhältnis L ₂ = 2L ₁ (Fig. 2) einzuhalten ist. Danach werden die Prüfköpfe 11, 12 entlang der Schweißnaht mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt. Dabei werden durch den Prüfkopf 11 Ultraschallschwingungen mit einem Einstrahlwinkel von beispielsweise a ₁ = 49° in das Blech, auf dem die Überlappungsschweißung vorgenommen wurde, sowie in die aus der Oberschicht 13 und der Unterschicht 14 be­ stehende Schweißnaht periodisch ausgestrahlt. Fig. 2 zeigt das vom Prüfkopf 11 ausgesandte Prüfsignal 1 im Kanal No. 1. Beim perio­ dischen Auftreten eines vergrößerten Schichtzwischenraums bzw. Spalts 17 erhält man von diesem ein Signal 8. Zur Vermeidung der Be­ einflussung der Prüfergebnisse durch Montagefehler er­ streckt sich das Prüffeld auf zwei Drittel der Schweißnaht­ breite. Dabei werden im Blech durch den Prüfkopf 11 Platten­ wellen erzeugt, so daß der gesamte Schweißnahtquerschnitt durchschallt werden kann.

Zur Prüfung des ungeprüft gebliebenen Schweißnahtab­ schnittes werden Transversalwellen verwendet, die durch den in einem Abstand von beispielsweise L ₂ = 120 mm angeordneten zweiten Prüfkopf 12 ausgestrahlt werden. Fig. 2 zeigt das vom Prüfkopf 12 ausgesandte Prüfsignal 1 im Kanal No. 2. Der Einstrahlwinkel der durch diesen Prüfkopf erzeugten Ultraschallschwingungen in das zu prüfende Metall beträgt α = 74°, was dem zweiten kritischen Winkel nahekommt. Auf diese Weise läßt sich nur die Ober­ schicht der Schweißnaht prüfen.

Dabei überlappen sich die Prüffelder 4 und 6, was eben­ falls zur Erhöhung der Prüfungsgenauigkeit beiträgt.

Die Prüfung der Ankopplungsqualität kommt durch Selek­ tion bzw. Abtastung der Ankopplungssignale 7, 9 zustande. Diese Signale wer­ den zur Kontrolle der Genauigkeit der Nahtverfolgung benutzt. Die Verschiebung dieser Signale 7, 9 aus den Abtastzonen 5, 10, d. h. das Auftreten von Änderungen nach dem Vergleich mit dem Bezugssignal deutet auf eine Störung der Genauig­ keit der Schweißnahtverfolgung durch das akustische System samt der Prüfköpfe 11 u. 12 und auf eine Änderung des Abstandsverhältnis­ ses zwischen den Prüfköpfen 11 u. 12 hin.

Nach Beendigung der Ultraschallprüfung der Schweißnaht werden die Prüfköpfe 11 u. 12 in ihre Ausgangsstellung zur Prüfung des nächsten Erzeugnisses gebracht.

Vor der Durchführung der Ultraschallprüfung mehrschich­ tiger Konstruktionen ist es erforderlich, die Prüffelder und die Prüfungsempfindlichkeit abzustimmen. Zu diesem Zweck werden die Prüfköpfe 11 und 12 auf dem Prüfling 16 in den Abständen von L ₁ = 60 mm und L ₂ = 120 mm angeordnet. Zur Ein­ stellung des das Prüffeld 6 des mit "No. 1" bezeichneten Kanals bestimmenden Abtastsignals ist im Kontrollkörper eine Nut ausgeführt, deren Reflexionsfläche mit dem zum Prüfkopf 11 am nächsten liegenden Rand der Schweißnahtüberhöhung übereinstimmt. Das von diesem Reflektor reflektierte Echo bestimmt auch den Beginn des Prüffeldes 6. Das Ende des Abtastsignals wird nach dem Signal 3 des Kontrollreflektors 15 - einer vertikal ausgeführten Öffnung - eingestellt, welche eben­ falls zur Abstimmung der Prüfungsempfindlichkeit dient.

Zur Einstellung des das Prüffeld 4 des mit "No. 2" bezeich­ neten Kanals bestimmenden Abtastsignals wird derselbe Kontrollkörper benutzt.

Das beschriebene Verfahren wurde bei der Prüfung einer längsgerichteten Überlappungsschweißnaht mehrschichtiger Mantel­ schüsse mit einem Durchmesser von 1420 mm und einer Länge von 1620 mm angewendet, welche durch Aufwickeln des Strei­ fenmaterials hergestellt wurden. Die Wanddicke des Erzeug­ nisses beträgt 16,8 mm. Es wurden vier Metallschichten von je 4,1 mm Schichtdicke aufgewickelt. Aus sieben Mantelschüs­ sen wurde ein Gasleitungsrohr mit einer Länge von 11,6 m für einen Arbeitsdruck von 75 at montiert.

Die Ultraschallprüfung wurde mit einer Geschwindigkeit von 20 mm/s mit Hilfe von zwei Prüfköpfen mit folgenden Parametern durchgeführt: α ₁ = 49°, f ₁ = 1,8 MHz; α ₂ = 74°, f ₂ = 2,5 MHz

Die Prüfköpfe wurden parallel zur Schweißnaht bewegt. Die Frequenz der Schallsendeimpulse betrug 1000 Hz. Es wurde die zeitliche Selektion der Fehlerechos und der Ankopplungssignale gemäß Fig. 2 vorgenommen. Zur Erhöhung der Prüfgenauigkeit auf dem gesamten Nahtquerschnitt wurden zur Kontrolle zwei Prüfköpfe verwendet. Diese wurden beidseitig der Schweißnaht in Abständen von L ₁ = 60 mm und L ₂ = 120 mm (im Verhältnis 1 : 2) angeordnet. Die Prüfköpfe erzeugten Plattenwellen und Transversalwellen. Durch den ersten Prüfkopf (α ₁ = 49°) wurden die ihm am nächsten liegenden zwei Drittel der Oberschicht und die ganze Unter­ schicht durchschallt, deren Tiefe eine Blechdicke überschrei­ tet, und durch den zweiten Prüfkopf (α ₂ = 74°) die ganze Oberschicht der Schweißnaht geprüft.

Zwecks Schweißnahtverfolgung wurde das Signal der aku­ stischen Ankopplung zwischen den Prüfköpfen mit dem Bezugs­ signal verglichen, d. h. entsprechend seiner Abweichung von der Abtastzone wurde über die Änderung des Abstandsverhältnis­ ses zwischen dem Prüfkopf und der Schweißnaht während der Prüfung geurteilt. Das Verfahren gestattet es, die Zuverlässigkeit einer Ultraschallprüfung von Überlappungs­ stößen mehrschichtiger Rohre zu erhöhen. Dabei wird weniger Ausschuß infolge eines zu großen Spiels zwischen den einzelnen Schichten produziert und, durch die Einführung einer Prüfung mit zwei Wellentypen, können schichtweise die verschieden orientierten einzelnen, aber auch die ausgedehnten sowie gruppenweise gelegenen Schweißfehler erfaßt werden.

Die im vorstehend beschriebenen Verfahren verwendete Anordnung der Prüfköpfe 11 u. 12 in den Abständen, welche sich im wesentlichen wie 1 : 2 verhalten, gestattet es, die Beeinflus­ sung der Prüfparameter durch die beiden Kanäle No. 1 u. No. 2 der Ultra­ schalleinrichtung auszuschalten. Somit wird die Prüfungs­ genauigkeit erhöht. Eine derartige Beeinflussung besteht darin, daß bei der Veränderung des Abstandes die mit dem Ausschußpegel 2 vergleichbaren Ankopplungssignale 7, 9 in das Prüffeld 4 oder 6 gelangen können. Ferner ist es auch möglich, daß einzelne Abschnitte der Schweißverbindung bei der Be­ nutzung von Transversalwellen (Prüfkopf 12) nicht durchschallt und folglich Fehler nicht bemerkt werden. Bei dem genannten Abstandsverhältnis erhält man den maximalen Signal-Rausch- Abstand im jeweiligen Kanal, wobei das Vorliegen von durch die Schichtzwischenräume verursachten Rauschsignalen be­ rücksichtigt wird.

Dies bezieht sich auf die Prüfung des Schweißnahtab­ schnittes, der ²/₃ ihrer Breite ausmacht, da die Schweiß­ verbindung derart ausgeführt ist, daß die Mitte der Unter­ schicht in bezug auf die Mitte der Oberschicht verschoben ist (Fig. 1). Um die Wahrscheinlichkeit eines unnötigen Ausschusses infolge eines vorliegenden Schichtzwischenraums 17 durch Benutzung der zeitlichen Abtastung des Prüffeldes und der Plattenwellen herabzusetzen, durchschallt der Prüf­ kopf 11 die ihm am nächsten gelegenen zwei Drittel des Schweißnahtquerschnittes in einem Durchlauf und ohne Quer­ abtastung. Es ist aber unmöglich, Fehler über den ganzen Nahtquerschnitt auf der gesamten Länge allein durch Erzeugung von Transversalwellen nachzuweisen, da auf dem Ausbreitungs­ weg des Ultraschalls für Transversalwellen undurchschall­ bare Abschnitte vorhanden sind. Daher ist es zweckmäßig, zur Prüfung von ²/₃ der Breite der Oberschicht und der ganzen Unterschicht Plattenwellen, und zur Prüfung von ¹/₃ der Breite, Transversalwellen zu verwenden.

Je nach chemischer Zusammensetzung des zu prüfenden Metalls und seiner Dicke sowie von den technischen Daten der Geräte sind Abweichungen vom Verhältnis 1 : 2 zulässig, ohne daß der Signal-Rausch-Abstand vermindert, oder die Zuverlässigkeit der Prüfung herabgesetzt wird.

Claims (2)

1. Verfahren zur Ultraschallprüfung von aus einer Unterschicht sowie einer durch Überlappungsschweißung erzeugten Oberschicht bestehenden Schweißnähten, die dem Zusammenfassen mehrerer, aufeinanderliegender Blechschichten dienen, bei dem beidseits der Schweißnaht gerichtete Ultraschallschwingungen in das Material eingekoppelt werden, die von Schweißfehlern reflektierten Echosignale innerhalb vorgegebener Zeitintervalle empfangen werden und anhand dieser Signale eine Beurteilung der Schweißfehler vorgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf der einen Seite der Schweißnaht Transversalwellen und auf der anderen Seite Plattenwellen gleichzeitig erzeugt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transversalwellen im Vergleich zu den Plattenwellen an einer Stelle erzeugt werden, die den doppelten Abstand von der Achse der Schweißnaht aufweist wie die Stelle, an der jeweils die Plattenwellen erzeugt werden, und daß die von der Schweißnaht reflektierten Echos im vorgegebenen Zeitintervall aufgenommen, mit dem Bezugssignal verglichen werden und entsprechend dem Vergleichsergebnis der Abstand zwischen jedem der Prüfköpfe und der Schweißnaht korrigiert wird.