DE3309470C2 - - Google Patents
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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.
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ID=52672526
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