DE3533913A1 - Anordnung zur zerstoerungsfreien pruefung von schweissnaehten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur zerstörungsfreien Prüfung von Schweißnähten, mit einer Radiographieanlage, die ein einem Grauwert-Durchleuchtungsbild der Schweißnaht ent­ sprechendes Videosignal liefert und mit einem das Videosignal verarbeitenden Bildprozessor.

Zur zerstörungsfreien Prüfung von Schweißnähten an Metallbau­ teilen ist es bekannt, die Schweißnaht mittels eines Röntgen­ geräts zu durchleuchten und das auf einem Szintillations­ schirm dargestellte, in Grauwerte gestufte Durchleuchtungs­ bild mittels einer Videokamera in Zeilenraster-Videosignale umzuwandeln. Die Videosignale werden digitalisiert und in einem digitalen Bildprozessor für eine automatische Defekt­ erkennung aufbereitet. Der Bildprozessor erlaubt Bildtrans­ formationen, die die Genauigkeit der nachfolgenden automati­ schen Defekterkennung verbessern. Beispielsweise erlaubt der Bildprozessor die additive Mittelwertbildung mehrerer Einzel­ bilder, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu erhöhen. Durch Grauwertspreizung kann der Kontrast zwischen den einzelnen Grauwerten erhöht oder durch Konturverstärkung feinmecha­ nische Details besser erkennbar gemacht werden. Durch Sub­ traktion zweier Bilder kann der Untergrundanteil des Video­ signals reduziert werden.

Mit den bisherigen Verfahren zur automatischen Defekterken­ nung lassen sich jedoch bei Schweißnähten lediglich Luftein­ schlüsse, Risse oder dergleichen erfassen. Wesentlich für die Festigkeit der Schweißnaht ist jedoch die Einbrandtiefe, mit der die auf das Schweißgut aufgesetzte Schweißnahtraupe in das Schweißgut eindringt. Die Einbrandtiefe bestimmt die Fe­ stigkeit der Schweißverbindung und konnte bisher nur unter Zerstörung des Schweißguts, beispielsweise durch eine Stich­ probenprüfung, ermittelt werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zur zerstörungs­ freien Prüfung von Schweißnähten zu schaffen, die eine auto­ matische Klassifizierung der Schweißnaht hinsichtlich ihrer Einbrandtiefe erlaubt.

Ausgehend von der eingangs näher erläuterten Anordnung wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Bild­ prozessor die Grauwerte-Verteilung in einer quer zur Schweiß­ naht verlaufenden Querschnittsebene verarbeitet und aus den Grauwerten eines im wesentlichen der Breite der Schweißnaht längs der Querschnittsebene entsprechenden Bereichs einen Mittelwert der Grauwerte-Verteilung dieses Bereichs ermittelt und für die Prüfung mit einem vorbestimmten Schwellwert ver­ gleicht.

Die Erfindung nutzt aus, daß der auf dem Schweißgut aufge­ wölbte Teil der Schweißraupe eine für die erreichte Einbrand­ tiefe charakteristische Querschnittsform hat. Die Grauwerte- Verteilung des Durchleuchtungsbilds in der von dem Bildpro­ zessor momentan verarbeiteten Querschnittsebene enthält damit Informationen nicht nur über die Querschnittsform der außerhalb des Schweißguts verlaufenden Schweißraupe, sondern auch über die Einbrandtiefe. Es hat sich gezeigt, daß der Mittelwert der über die Breite der Schweißnaht gemessenen Grauwerte ein reproduzierbares Maß für die Größe der Ein­ brandtiefe bildet. Für die Prüfung, ob die Einbrandtiefe einen hinreichenden Wert erreicht hat oder nicht, wird der Mittelwert mit einem für die betreffende Schweißnaht anhand experimenteller Versuche ermittelten Schwellenwerts vergli­ chen. Der Mittelwert der Grauwerte-Verteilung wird vorzugs­ weise in Form des bestimmten Integrals der Grauwerte-Vertei­ lung bezogen auf die tatsächliche Breite der Schweißnaht in der betrachteten Querschnittsebene ermittelt. Die tatsäch­ liche Breite der Schweißnaht wird zweckmäßigerweise von dem Bildprozessor bestimmt, beispielsweise mittels eines längs der GrauwerteVerteilung bewegten, virtuellen Fensters, mit welchem die Änderungsgeschwindigkeit der Grauwerte-Vertei­ lung überprüft wird. Während sich die Grauwerte-Verteilung außerhalb der Schweißraupe nicht bzw. nur in einer durch die Form des Schweißguts vorbestimmten Weise ändert, erzeugt der Rand der Schweißraupe eine mehr oder weniger ausgeprägte Knickstelle in der Grauwerte-Verteilung. Der Abstand der auf diese Weise bezogen auf das Videosignal ermittelten Ränder liefert einen Wert für die Breite der Schweißraupe, auf den das MittelwertIntegral normiert werden kann.

Die Grundhelligkeit des Durchleuchtungsbilds liefert einen additiven, jedoch konstanten Beitrag zu dem Mittelwert und müßte bei dem für die Prüfung verwendeten Schwellenwert be­ rücksichtigt werden. Um dies zu vermeiden, wird bevorzugt auf einen Extremwert der Grauwerte-Verteilung innerhalb des Schweißnahtbereichs normiert. Die konvexe Schweißraupe und der konkav in das Schweißgut eindringende Einbrand erzeugen zwischen den Längsrändern der Schweißraupe eine Grauwerte- Verteilung, die zur Mitte der Schweißraupe hin dunkler wird, also einen Extremwert hat. Mittels des Bildprozessors kann der Grauwertpegel dieses Extremwerts beispielsweise mittels eines längs der Grauwerte-Verteilung bewegten, virtuellen Fensters ermittelt und zur Bestimmung der Grundhelligkeit ausgenutzt werden. Der Grauwertpegel des Extremwerts bildet zweckmäßigerweise den Grauwert-Nullpunkt, von dem ausgehend das Mittelwertintegral ermittelt wird.

Im folgenden soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur zerstörungsfreien Prüfung von Schweißnähten;

Fig. 2a einen Querschnitt durch eine Schweißverbindung senkrecht zur Längsrichtung der Schweißnaht und

Fig. 2b ein Diagramm der Grauwerte-Verteilung eines mit der Anlage nach Fig. 1 erzeugten Grauwert-Durchleuch­ tungsbilds der Schweißverbindung der Fig. 2a.

Fig. 1 zeigt eine Radiographieanlage mit einer Röntgenstrah­ lenquelle 1, die ein Durchleuchtungsbild einer zwei Material­ stücke 3, 5 verbindenden Schweißnaht 7 auf einen Szintilla­ tionsschirm 9 projiziert. Das visuelle Durchleuchtungsbild des Szintillationsschirms 9 wird über einen Umlenkspiegel 11 von einer Videokamera 13 in einem Zeilenrasterformat abge­ tastet. Die Röntgenstrahlenquelle 1 durchstrahlt die Schweiß­ naht 7 zumindest in ihrem Zentrum im wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung der Schweißnaht 7. Die Videokamera 13 ist so montiert, daß ihre durch einen Pfeil 15 angedeutete Zei­ lenabtastrichtung im wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung der Schweißnahtabbildung des Szintillationsschirms 9 ver­ läuft. Die Videokamera 13 liefert damit Videosignale, die die Grauwertinformation in senkrecht zur Längsrichtung der Schweißnaht 7 verlaufenden Querschnittsebenen beinhalten.

An die Videokamera 13 ist über einen Analog-Digital-Wandler 16 ein Bildprozessor 17 angeschlossen, der die Videosignale für eine automatische Defekterkennung aufbereitet. Der Bild­ prozessor kann beispielsweise aus mehreren aufeinanderfolgend abgetasteten Bildern der Videokamera 13 ein Mittelwertbild erzeugen, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu erhöhen. Er kann ferner eine Grauwertspreizung zur Kontrastverbesserung durchführen oder aber aufeinanderfolgend von der Videokamera 13 aufgenommene Bilder voneinander subtrahieren, um den Hintergrundanteil der Bilder zu mindern. Die in dieser Weise transformierten Bilder können auf einem Fernsehmonitor 19 dargestellt oder auf einem Bilddrucker 21 gedruckt werden. Eine Bedienungseinheit für den Bildprozessor 17 ist bei 23 dargestellt. Bei der Bedienungseinheit 23 kann es sich um einen berührungsempfindlichen Farbbildmonitor handeln. Wei­ tere Eingabe- und Ausgabe- sowie Speichergeräte können vorge­ sehen sein. Der Bildprozessor 17 steuert über eine Manipula­ torsteuerung 25 einen Manipulator 27, der die Radiographiean­ lage selbsttätig mit dem zu untersuchenden Schweißgut be­ schickt und den Einsatz der Prüfanordnung, beispielsweise in vollautomatischen Fertigungsanlagen ermöglicht.

Der Bildprozessor 17 erlaubt eine selbsttätige Überprüfung der Einbrandtiefe der Schweißnaht Fig. 2a zeigt als Bei­ spiel einer zu prüfenden Schweißverbindung ein Blech 31, auf welchem flach liegend ein lediglich teilweise überlappendes Blech 35 mit einer dem überlappten Rand 37 des Blechs 35 fol­ genden Schweißnaht 39 angeschweißt ist. Die Schweißnaht 39 besteht aus einer die Bleche 31, 35 gemeinsam überwölbenden, senkrecht zur Zeichnungsebene sich längs erstreckenden Schweißraupe 41, die sich in die Bleche 31, 35 hinein in einem Einbrandbereich 43 fortsetzt. Die Längsränder der Schweißraupe 41 sind mit 45 bzw. 47 bezeichnet.

Fig. 2b zeigt mit einer Kurve 49 die Verteilung der Grauwerte D, aufgetragen über einer Orts-Abszisse s. Die Grauwerte D können einen Grauwertpegel zwischen schwarz und weiß einneh­ men. Mit einer Erhöhung der Materialstärke in Durchleuch­ tungsrichtung 51 (Fig. 2a) nimmt die Schwärzung zu. Die Schwärzung durchläuft im Bereich der dicksten Stelle der Schweißraupe 41 zwischen deren Längsrändern 45, 47 ein Maxi­ mum, dem der Extremwert 53 der Grauwerte-Kurve 49 (Fig. 2b) entspricht. Dem Extremwert 53 ist der Grauwertpegel D ₀ zuge­ ordnet. Den Längsrändern 45, 47 sind die Orts-Abszissenwerte s ₀ bzw. s ₁ zugeordnet.

Der Bildprozessor 17 ermittelt aus der Grauwerte-Verteilung 49, die dem digitalisierten Videosignal einer vorbestimmten Videozeile entspricht, den Mittelwert der Graudichte-Vertei­ lung zwischen den Orten s ₀ und s ₁. Hierzu wird zur Eliminie­ rung des Grund-Grauwerts D ₀ das Koordinatensystem D (s) in das Grauwert-Koordinatensytem D′(s) transformiert, dessen Grau­ wert-Nullpunkt in den Extremwert 53 gelegt ist. Der Bildpro­ zessor 17 ermittelt dann das bestimmte Integral des Grauwert­ verlaufs in dem Koordinatensystem D′ (s), welches der schraf­ fierten Fläche zwischen der Kurve 49 und der Abszissenachse 55 des Koordinatensystems D" (s) zwischen den Grenzen s ₀ und s ₁ entspricht. Zur Bildung des Mittelwerts wird das Integral durch die der Breite b der Schweißraupe 41 entsprechende Dif­ ferenz s ₁-s ₀ dividiert. Für die Prüfung auf hinreichend tiefen Einbrand wird der Mittelwert mit einem in dem Koordi­ natensystem D" (s) vorgegebenen Schwellwert D′ _m verglichen. Ist der wie vorstehend erläutert ermittelte Mittelwert klei­ ner als der Schwellwert D′ _m, so entspricht dies einer erhöh­ ten Schwärzung und damit einer verringerten Einbrandtiefe. Ist der Mittelwert größer als der Schwellwert, so entspricht dies einer erhöhten Einbrandtiefe. Ein geeigneter Wert für den Schwellwert D′ _m wird experimentell anhand von Schweißpro­ ben ermittelt und in den Bildprozessor 17 eingegeben. Anhand des Schwellwerts D′ _m wird die Schweißverbindung klassifi­ ziert nach ausreichender bzw. unzureichender Einbrandtiefe.

Anstelle des auf die Breite b bezogenen Mittelwerts kann auch die in Fig. 2b schraffiert dargestellte Fläche unter der Kur­ ve 49 direkt zur Prüfung herangezogen werden, wenn der Schwellwert D′ _m mit der Breite b multipliziert wird.

Der Bildprozessor 17 ermittelt anhand der Grauwertverteilung 49 die Integrationsgrenzen s ₀ und s ₁ mittels eines virtuellen Fensters 55, welches er schrittweise längs der Orts-Abszisse s verschiebt. Es wird die Änderungsrate der Grauwertvertei­ lung in dem Fenster überwacht, die sich außerhalb der Schweißraupe 41 entsprechend dem Schweißgut ändert, in Fig. 2a, b zum Beispiel im wesentlichen konstant ist. Im Bereich der Längsränder 45, 47 der Schweißraupe 41 entsteht ein mehr oder weniger ausgeprägter Knick der Grauwertverteilung, den der Bildprozessor 17 als Längsrand der Schweißraupe 41 inter­ pretiert. Der Extremwert 53 kann in gleicher Weise als Stel­ le mit minimaler Änderungsrate ermittelt werden. Es soll je­ doch darauf hingewiesen werden, daß die Ermittlung der Längs­ ränder 45, 47 und des Minimalwerts auch in anderer Weise möglich ist. Insbesondere die Ermittlung des Minimalwerts kann so erfolgen, daß die Änderungsrichtung des Grauwert­ pegels überwacht wird, die sich in dem Extremwert 53 umkehrt.

Die Grauwertverteilung 49 ist in Fig. 2b als kontinuierliche Kurve dargestellt. Aufgrund der Digitalisierung des Video­ signals handelt es sich jedoch um eine Treppenkurve, womit der Integrationsvorgang zur Ermittlung des Mittelwerts auf eine Addition der Treppenwerte hinausläuft.

Claims (5)

1. Anordnung zur zerstörungsfreien Prüfung von Schweißnäh­ ten, mit einer Radiographieanlage (1, 9, 11, 13), die ein einem Grauwert-Durchleuchtungsbild der Schweißnaht (39) entsprechendes Videosignal liefert und mit einem das Videosignal verarbeitenden Bildprozessor (17), dadurch gekennzeichnet, daß der Bildprozessor (17) die Grauwerte-Verteilung in einer quer zur Schweißnaht (39) verlaufenden Querschnittsebene verarbeitet und aus den Grauwerten eines im wesentlichen der Breite der Schweißnaht (39) längs der Querschnitts­ ebene entsprechenden Bereichs (b) einen Mittelwert der Grauwerte-Verteilung dieses Bereichs (b) ermittelt und für die Prüfung mit einem vorbestimmten Schwellenwert (D′ _m ) vergleicht.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildprozessor (17) einen innerhalb des Schweißnaht­ bereichs (b) auftretenden Extremwert (53) der Grauwerte- Verteilung ermittelt und den Mittelwert auf den Extrem­ wert als Bezugswert normiert.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, der Bildprozessor (17) abhängig von der Grauwerte- Verteilung einen der Breite der Schweißnaht (39) ent­ sprechenden Breite-Wert (b) sowie das Integral der Grau­ werte-Verteilung über die Breite der Schweißnaht (39) ermittelt und für die Prüfung entweder den Mittelwert durch den Breite-Wert (b) dividiert oder den Schwellen­ wert (D′ _m ) mit dem Breite-Wert (b) multipliziert.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildprozessor (17) zur Ermittlung der Schweißnaht­ ränder (45, 47) ein längs der Querschnittsebene wandern­ des Fenster (55) erzeugt und die Änderungsrate der Grau­ werte-Verteilung in dem Fenster (55) überwacht.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Radiographieanlage eine Röntgen­ strahlenquelle (1), einen Fluoreszenzschirm (9) und eine Videokamera (13) aufweist, die so angeordnet ist, daß sie den Fluoreszenzschirm (9) mit quer zur Längsrichtung der Schweißnahtabbildung verlaufender Abtastzeilenrichtung (15) abtastet.