DE3614002A1

DE3614002A1 - Verfahren zur ultraschallpruefung von werkstuecken

Info

Publication number: DE3614002A1
Application number: DE19863614002
Authority: DE
Inventors: Heiner Dipl.-Phys. Dr. Unterehrendingen Dölle; Robert Dipl.-Ing. 7890 Waldshut-Tiengen Schmidt
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1985-05-10
Filing date: 1986-04-25
Publication date: 1986-11-13
Anticipated expiration: 2006-04-26
Also published as: CH668484A5; DE3614002C2

Description

Verfahren zur Ultraschallprüfung von Werkstücken
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ultraschallprüfung von Werkstücken gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Beim Giessen von Rohlingen für Werkstücke sind durch Erstarrung verursachte Fehler, sogenannte Mikroporen oder -lunker, praktisch unvermeidlich. Müssen die Rohlinge auf ein bestimmtes Mass abgefräst oder abgedreht werden und gebietet es die Verwendung der fertigen Werkstücke, dass auf ihrer Oberfläche keine Mikroporen oder -lunker, zumindest jedoch keine grösseren lokalen Ansammlungen davon vorhanden sein dürfen, so gibt es grundsätzlich zwei fertigungstechnische Möglichkeiten. Entweder man stellt eine Ueberzahl der gewünschten Werkstücke her und sortiert unter diesen diejenigen mit nicht mehr tolerierbaren Fehlern auf der Oberfläche aus, oder man versucht, die nicht mehr tolerierbaren Fehler, insbesondere Fehlerzonen mit grösseren Ansammlungen von Fehlern, bereits am Rohling in einer der späteren Oberflächenschicht des fertig bearbeiteten Werkstücks entsprechenden Tiefenschicht festzustellen. Die erstgenannte Möglichkeit scheidet bei fertigungstechnisch und vom Materialeinsatz her aufwendigen Werkstücken, wie beispielsweise bei Gleitlagern für Turbinen, aus Kosten- und Zeitgründen aus.
Bei Turbinenlagern, bei denen im Schleudergussverfahren eine Weissmetallbeschichtung für die Lauffläche der Turbinenrotoren aufgebracht ist, können darüber hinaus zwischen dem Lagerstahl und der Weissmetallbeschichtung Bindefehler auftreten, welche auch am fertig bearbeiteten Lager äusserlich nicht feststellbar sind. Solche Bindefehler können Lagerhavarien verursachen und müssen daher erkannt werden, am besten ebenfalls bereits am Rohling vor dessen weiteren Bearbeitung.
Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, welches zur Erkennung der genannten nicht tolerierbaren Fehler bereits am Rohling geeignet und welches besonders einfach, schnell und sicher sowie voll automatisierbar ist.
Die Vorteile des erfindungsgemässen Verfahrens sind im wesentlichen darin zu sehen, dass es selektiv auf die nicht tolerierbaren Fehler, d.h. auf grössere Ansammlungen von Mikroporen und -lunkern sowie auf Bindefehler, ist. Es ist vollautomatisierbar und kann daher auch von Werkstattpersonal ohne besondere Kenntnisse in Ultraschalltechnik ausgeführt werden. Das erfindungsgemässe Verfahren liefert die gewünschten Resultate schnell und mit grosser Sicherheit. Es erlaubt die gleichzeitige Prüfung auf sämtliche der genannten nicht tolerierbaren Fehlerarten. Die bisher regelmässig durchgeführten Farbeindringprüfungen zur Erkennung von Mikroporen und -lunkern auf der Oberfläche der fertig bearbeiteten Werkstücke werden überflüssig.
Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt: Fig. 1 in geschnittener Darstellung einen Ausschnitt aus einem, aus zwei unterschiedlichen Materialien bestehenden Werkstück mit einer Mikroporen und -lunkerzone sowie mit Bindefehlern zwischen den beiden Materialien, Fig. 2 in zwei Diagrammen sogenannte Echodynamikkurven und Fig. 3 wiederum in geschnittener Darstellung eine Ultraschalltauchtechnikanlage mit einem Zentralmastmanipulator.
Bei dem in Fig. 1 nur ausschnittsweise dargestellten Werkstück kann es sich beispielsweise um einen Rohling für ein Turbinengleitlager handeln, welches auf einem Stahlstützkörper 1 eine aus Weissmetall bestehende Oberflächenbeschichtung 2 aufweist. Aufgrund der Schwalbenschwanzverbindung 3 zwischen dem Stahlstützkörper 1 und seiner Oberflächenbeschichtung 2, würde man von einem Schwalbenschwanzlager sprechen. Im Inneren der Oberflächenbeschichtung 2 ist in Fig. 1 in der zwischen den Linien 4 und 5 gekennzeichneten Tiefenschicht unterhalb der Oberfläche 6 des Rohlings, welche der Oberflächenschicht des fertig bearbeiteten Werkstücks entsprechen soll, eine Mikroporen und -lunkerzone 7 mit einer Vielzahl einzelner Mikroporen und -lunker dargestellt. Ausserhalb dieser Zone sind in Fig. 1 noch zwei vereinzelte Mikroporen 8 und 9 eingezeichnet. An der Grenzfläche zwischen dem Stahlstützkörper 1 und der Oberflächenbeschichtung 2, vor allem im Bereich der Schwalbenschwanzverbindung 3 und deren Flanken, sind typische Bindefehler 10, 11, 12 und 13 dargestellt. Die Mikroporen und -lunkerzone 7 sowie die Bindefehler 10 bis 13 würden den Rohling für eine spätere Verwendung als Turbinengleitlager unbrauchbar machen, wogegen die vereinzelten Mikroporen 8 und 9 noch tolerierbar wären.
Um die nicht tolerierbare Mikroporen und -lunkerzone 7 sowie die gleichfalls nicht tolerierbaren Bindefehler 10 bis 13 zu finden, werden mittels eines in Fig. 1 lediglich schematisch dargestellten Ultraschallkopfes 14 Ultraschallimpulse in den Rohling eingeschallt, wobei der Ultraschallkopf 14 mit konstanter Geschwindigkeit in einer beispielsweise durch den Pfeil gekennzeichneten Richtung entlang eines vorgebbaren, vorzugsweise linearen Messwegs parallel zur Oberfläche 6 des Rohlings, d.h. mit einem konstanten Abstand zu dieser, bewegt wird. Die Folgefrequenz der Ultraschallimpulse (diese ist nicht zu verwechseln mit der Ultraschallfrequenz, d.h. der Frequenz des Ultraschalls innerhalb der einzelnen Ultraschallimpulse) ist dabei so auf die Geschwindigkeit, mit der der Ultraschallkopf 14 relativ zum Rohling bewegt wird, abgestimmt, dass mindestens ein Ultraschallimpuls auf einer Messwegstrecke eingeschallt wird, die in ihrer Länge etwa dem Durchmesser der kleinsten der gesuchten Mikroporen oder -lunker entspricht. Vorzugsweise werden auf einer solchen Messwegstecke jedoch 5-10 Ultraschallimpulse eingeschallt. Der Durchmesser der kleinsten bei Turbinenlagerrohlingen gesuchten Mikroporen oder -lunkern beträgt etwa 0,2 mm. Die Relativgeschwindigkeit kann beispielsweise zwischen 50 mm/s und 150 mm/s, vorzugsweise jedoch 100 mm/s betragen. Durch den Durchmesser betragen. Durch den Durchmesser der kleinsten der gesuchten Mikroporen oder -lunker wird auch der Ultraschallbündeldurchmesser nach oben begrenzt. Diese sollte kleiner als der 10-fache Wert des genannten Fehlerdurchmessers, vorzugsweise jedoch etwa gleich dem 5-fachen Wert dieses Durchmesser sein. Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn das Ultraschallbündel zusätzlich fokussiert ist, wobei der Fokus vorzugsweise im Bereich der gesuchten Fehler liegen sollte, in Fig. 1 beispielsweise im Bereich der durch die Linien 4 und 5 gekennzeichneten Tiefenschicht unterhalb der Oberfläche 6 des Rohlings. Für die vom Ultraschallkopf 14 abgeschallte Ultraschallfrequenz kann ein Wert zwischen 5 MHz und 15 MHz, insbesondere ein Wert von 10 MHz gewählt werden.
Die wie vorstehend beschrieben in den Rohling eingeschallten Ultraschallimpulse werden in diesem an allen Inhomogenitäten, insbesondere auch an den gesuchten Fehlern, wie den in Fig. 1 dargestellten Mikroporen und -lunkern 7, 8 und 9 sowie den Bindefehlern 10 bis 13 reflektiert und können nach einer ihrer Laufstrecke entsprechenden Zeitverzögerung als sogenannte Echos vom Ultraschallkopf 14 wieder registriert werden. Ueber ein elektronisches Zeitfenster werden die Echos aus einer bestimmten Tiefenschicht im Rohling, innerhalb der Fehler gesucht werden, beispielsweise aus der in Fig. 1 durch die Linien 4 und 5 gekennzeichneten Tiefenschicht, von aus anderen Tiefenschichten herrührenden Echos getrennt. Selbstverständlich können über eine Mehrzahl von Zeitfenstern mehrere Tiefenschichten des Rohlings gleichzeitig auf Fehler untersucht werden. So würde man beim Rohling nach Fig.
1 vorteilhafterweise neben einem Zeitfenster für die aus der durch die Linien 4 und 5 gekennzeichneten Tiefenschicht stammenden Echos noch drei verschiedene weitere Zeitfenster für die Echos von den dargestellten Bindefehlern 10 bis 13 verwenden.
Von sämtlichen innerhalb der Zeitfenster registrierten Echos wird die Amplitude bestimmt und vorzugsweise beispielsweise mittels eines Analog-Digital-Wandlers digitalisiert. Die digitalisierten Amplitudenwerte werden, getrennt für jedes Zeitfenster, in einem digitalen Speicher abgespeichert. Vorzugsweise noch während die Ultraschallprüfung im Gang ist, wird von einem Digitalrechner jeweils eine Anzahl n von aufeinanderfolgenden Amplitudenwerten gemittelt und zwar sobald diese Anzahl n jeweils im Speicher zur Verfügung steht.
Die Anzahl n sollte grösser als das Produkt aus einem als noch tolerierbar vorgebbaren, auf den Messweg projizierten Abstand zweier Fehler im Rohling, insbesondere zweier Mikroporen, und der Anzahl der Ultraschall impulse pro Messweg-Streckeneinheit sein.
In Fig. 1 weisen die vereinzelten Mikroporen 8 und 9 beispielsweise einen noch tolerierbaren Abstand voneinander und von der Mikroporen und -lunkerzone 7 auf.
Bei Turbinengleitlagern kann in der Regel davon ausgegangen werden, dass der noch tolerierbare Abstand zweier Fehler voneinander etwa dem 4-fachen Durchmesser der kleinsten der gesuchten Fehler entspricht.
Fig. 2 zeigt in zwei Diagrammen a) und b) sogenannte Echodynamikkurven bei welchen die gemittelten Amplituden Ä der Echos aus zwei verschiedenen Zeitfenstern logarithmisch in dB über dem gleichen Messweg aufgetragen sind.
Die mit a) gekennzeichnete Echodynamikkurve könnte beispielsweise über ein Zeitfenster ermittelt worden sein, welches auf Echos aus einer Tiefenschicht gesetzt wurde, in der Binde fehler zu erwarten sind. Die mit b) gekennzeichnete Echodynamikkurve könnte dagegen über ein Zeitfenster ermittelt worden sein, welches auf Echos aus einer Tiefenzone gesetzt wurde, die der späteren Ober- fläche des fertig bearbeiteten Werkstückes entspricht.
Man erkennt deutlich, dass die gemittelten Amplituden A entlang des Messweges starken Schwankungen unterliegen und dass beide, aus verschiedenen Tiefenschichten des gleichen Werkstücks gewonnenen Echodynamikkurven völlig unterschiedlich sind. Ein Fehler wird an den Messwegstellen angenommen, an denen die gemittelte Amplitude A einen vorgebbaren Schwellwert S überschreitet, welcher in den Diagrammen von Fig. 2 jeweils um 20 dB höher als der Mittelwert der mittleren Amplituden A über der gesamten Messwegstrecke gewählt wurde. Es hat sich gezeigt, dass mit einem solchen Schwellwert S die besten Resultate erzielt werden, doch kann zu Vergleichszwecken der Schwellwert S zwischen 10 dB und 90 dB variiert werden. Die einzelnen Schwellwertüberschreitungen würden in Fig. 2 im Diagramm a) als Bindefehler und im Diagramm b) als Mikroporen und -lunkerzonen interpretiert. Ausgeführt wird der Schwellwertvergleich am besten rechnerisch von dem bereits genannten Digitalrechner, vorzugsweise unmittelbar jeweils nach der rechnerischen Ermittlung der gemittelten Amplituden A. Dem Anwender des erfindungsgemässen Verfahrens können Schwellwertüberschreitungen beispielsweise als Fehlerpunkte entlang einer dem vorgegebenen Messwert entsprechenden Linie auf einer graphischen Anzeigevorrichtung, insbesondere einem Grafikbildschirm vom Digitalrechner automatisch dargestellt werden.
Durch die gemäss der Erfindung über jeweils eine Anzahl von n Amplituden vorgenommene Mittelung und der Korrelation der Anzahl n mit einem noch als tolerierbar vorgebbaren, auf den Messweg projizierten Abstand der kleinsten der gesuchten Fehler voneinander, werden vereinzelte kleine Fehler wie die Mikroporen 8 und 9 in Fig. 1, deren gegenseitiger, auf den Messweg projizierten Abstand grösser als dieser noch tolerierbare Abstand ist, in der Regel keine Schwellenüberschreitung verursachen und deshalb auch nicht registriert werden. Es werden daher nur solche Fehler registriert, welche einen geringeren als den noch tolerierbaren Abstand voneinander aufweisen und welche ganze Fehlerzonen, wie die Mikroporen und -lunkerzone 6 von Fig. 1, bilden. Das erfindungsgemässe Verfahren ist daher in vorteilhafter Weise selektiv in bezug auf solcher Fehlerzonen, die allein einen Rohling für seine spätere Verwendung unbrauchbar machen können.
Verhältnismässig grossflächige Fehler, wie sämtliche in Fig. 1 dargestellen Bindefehler 10 bis 13 werden dagegen mit dem erfindungsgemässen Verfahren immer registriert.
Zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens sollten sich Ultraschallkopf 14 und Werkstück gemeinsam in einer Flüssigkeit, z.B. im Wasser, befinden. Dazu kann, wie in Fig. 3 dargestellt, das Werkstück, beispielsweise wieder ein Rohling 15 für ein zylindrisches Turbinengleitlager, in eine mit Wasser gefüllte Tauchwanne 16 gelegt werden, in welche von oben ein Mast 17 eines mittelpunktfreien Zentralmastmanipulators 18 hineingreift, an dessen unterem Ende der Ultraschallkopf 14 befestigt ist. Der Zentralmastmanipulator 18 ist, wie in Fig. 3 zu erkennen ist, derart ausgebildet, dass der Zentralmast 17 in drei zueinander senkrechten Richtungen, nämlich in der Zeichnungsebene horizontal und vertikal sowie senkrecht zur Zeichnungsebene z.B. über motorisch angetriebene Spindeln beweglich und darüber hinaus um seine eigene Achse drehbar ist. Zur Prüfung des in Fig. 3 dargestellten Turbinengleitlagers 15 wird die Achse des Zentralmastes 17 in Uebereinstimmung mit der Zylinderachse des Turbinengleitlagers 15 gebracht und anschliessend durch Drehung des Zentralmastes 17 mit dem Ultraschallkopf 14 eine kreisförmige horizontale Messwegstrecke abgefahren. Durch Aneinanderreihung mehrerer solcher Messwegstrecken in verschiedener Höhe, lässt sich das ganze Turbinengleitlager 15 durchprüfen.

Claims

PATENTANSPRUCHE 1. Verfahren zur Ultraschallprüfung von Werkstücken auf Fehler in einer vorgebbaren Tiefenschicht entlang eines vorgebbaren Oberflächen-Messwegs, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - ein Ultraschallkopf (14) wird in gleichmässigem Abstand zur Oberfläche (6) des Werkstücks relativ zu diesem entlang dem vorgegebenen Messweg mit konstanter Geschwindigkeit bewegt; - während dieser Bewegung werden fortlaufend vom Ultraschallkopf (14) Ultraschallimpulse mit einem Schallbündeldurchmesser kleiner als dem 10-fachen Durchmesser der kleinsten der gesuchten Fehler (7 - 13) in das Werkstück eingeschallt; - die Folgefrequenz der Ultraschallimpulse wird unter Berücksichtigung der Relativgeschwindigkeit von Ultraschallkopf (14) und Werkstück so bemessen, dass auf einer Messwegstrecke, welche etwa dem Durchmesser der kleinsten der gesuchten Fehler (7 - 13) entspricht, mindestens ein Ultraschallimpuls eingeschallt wird; - Ultraschallimpulse, welche in der vorgegebenen Tiefenschicht (4, 5) reflektiert wurden, werden von in anderen Tiefenschichten reflektierten Ultraschallimpulsen getrennt und es wird jeweils ihre Amplitude bestimmt; - aus jeweils einer Anzahl n aufeinanderfolgender Amplituden wird ein Mittelwert (A) gebildet, wobei die Anzahl n jeweils grösser als das Produkt aus einem als noch tolerierbar vorgebbaren, auf den Messweg projizierten Abstand zweier Fehler und der Anzahl der Ultraschallimpulse pro Messwegstreckeneinheit ist; - die Mittelwerte (A) werden mit einem vorgebbaren Schwellwert (S) verglichen und es wird immer dann ein Fehler auf dem von der Mittelwertbildung umfassten Messwegstreckenabschnitt angenommen, wenn der Schwellwert (S) überschritten ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Ultraschallkopf (14) abgeschallte Ultraschallbündel fokussiert ist und der Fokus vorzugsweise etwa im Bereich (4, 5) der gesuchten Fehler (7 - 13) liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlbündeldurchmesser im Bereich der gesuchten Fehler vorzugsweise gleich dem 5-fachen Durchmesser der kleinsten der gesuchten Fehler (7 - 13) ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativgeschwindigkeit zwischen 50 mm/s und 150 mm/s, vorzugsweise jedeoch 100 mm/s beträgt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Messwegstrecke, welche etwa dem Durchmesser der kleinsten der gesuchten Fehler (7 - 13) entspricht, vorzugsweise 10 bis 20 Ultraschallimpulse eingeschallt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der noch tolerierbare Abstand zweier Fehler dem 4-fachen Durchmesser der kleinsten der gesuchten Fehler (7 - 13) entspricht.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der kleinsten der gesuchten Fehler (7 - 13) etwa 0,2 mm beträgt.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallfrequenz im Bereich zwischen 5 MHz und 15 MHz, vorzugsweise zu 10 MHz gewählt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert (S) zwischen 10 dB und 90 dB, vorzugsweise jedoch um 20 dB höher als die mittlere Amplitude (A) der aus der vorgegebenen Tiefenschicht (4, 5) reflektierten Ultraschallimpulse gewählt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in der vorgegebenen Tiefenschicht (4, 5) reflektierten Ultraschallimpulse von den in anderen Tiefenschichten reflektierten Ultraschallimpulsen über ein Zeitfenster getrennt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplituden der reflektierten Ultraschall impulse digitalisiert und anschliessend in einem digitalen Speicher abgespeichert werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelwerte (A) mittels eines Digitalrechners aus den abgespeicherten digitalisierten Amplitudenwerten gebildet werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelwertbildung sowie der Schwellwertvergleich durch den Digitalrechner ausgeführt werden, sobald die dazu erforderliche Anzahl von n Amplitudenwerten jeweils zur Verfügung steht und dass jede Schwellwertüberschreitung als Fehlerpunkt entlang einer dem vorgebenen Messweg entsprechenden Linie auf einer graphischen Anzeigevorrichtung, insbesondere auf einem Graphikbildschirm, dargestellt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich während der Ultraschallprüfung Werkstück und Ultraschallkopf (14) in einer Flüssigkeit, insbesondere in Wasser, befinden.
15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallkopf (14) an einem mittelpunktsfreien Zentralmastmanipulator (18) befestigt und deshalb in drei zueinander jeweils senkrechten Richtungen beweglich, sowie um eine dieser Richtungen, vorzugsweise der senkrechten, drehbar ist.