DE3614002C2 - Verfahren zur Ultraschallprüfung von Werkstücken - Google Patents

Description

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Verfahren zur Ultraschallprüfung von Werkstücken nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik Bezug, wie er aus der US-A-4,441,369 bekannt ist. Dort wird zur Detektion von Fehlern mit einer Mindestgröße von 1 mm-2 mm z. B. in einem Rotor für eine Turbine eine Ultraschallquelle in einem axialen Bohrloch des Rotors um die Bohrlochachse gedreht und gleichzeitig in Achsrichtung verschoben, so daß der Rotor spiralförmig abgetastet wird. Die Frequenz des verwendeten Ultraschalls liegt im Bereich von 0,4 MHz-10 MHz. Reflexionssignale werden nur dann mittels eines Rechners ausgewertet, wenn mindestens 2 Signalmaxima innerhalb einer Zeitperiode von 10 µs oder 5 µs einen Grenzwert überschreiten. In diesem Fall werden die entsprechenden Bereiche, Amplituden und Senderpositionen gespeichert und die Signalmaxima mit denen eines früheren Tests verglichen.

Mikroporen lassen sich mit diesem Verfahren nicht detektieren.

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 Überzahl 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, insbe­ sondere Fehlerzonen mit größeren Ansammlungen von Fehlern, bereits am Rohling in einer der späteren Oberflächen­ schicht 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 Weißmetallbeschich­ tung Bindefehler auftreten, welche auch am fertig bearbei­ teten 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 im Patentanspruch 1 definiert 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 An­ sammlungen von Mikroporen und -lunkern sowie auf Binde­ fehler, ist. Es ist vollautomatisierbar und kann daher auch von Werkstattpersonal ohne besondere Kenntnisse in Ultraschalltechnik ausgeführt werden. Das erfindungs­ gemäße Verfahren liefert die gewünschten Resultate schnell und mit großer Sicherheit. Es erlaubt die gleich­ zeitige Prüfung auf sämtliche der genannten nicht tolerier­ baren 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 Ultra­ schalltauchtechnikanlage mit einem Zentralmast­ manipulator.

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 Ober­ flächenbeschichtung 2 aufweist. Aufgrund der Schwalben­ schwanzverbindung 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 unter­ halb der Oberfläche 6 des Rohlings, welche der Oberflächen­ schicht des fertig bearbeiteten Werkstücks entsprechen soll, eine Mikroporen- und -lunkerzone 7 mit einer Viel­ zahl einzelner Mikroporen und -lunker dargestellt. Außer­ halb dieser Zone sind in Fig. 1 noch zwei vereinzelte Mikroporen 8 und 9 eingezeichnet. An der Grenzfläche zwischen dem Stahlstützkörper 1 und der Oberflächenbe­ schichtung 2, vor allem im Bereich der Schwalbenschwanz­ verbindung 3 und deren Flanken, sind typische Bindefehler 10, 11, 12 und 13 dargestellt. Die Mikroporen- und -lunker­ zone 7 sowie die Bindefehler 10 bis 13 würden den Rohling für eine spätere Verwendung als Turbinengleitlager un­ brauchbar 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 Geschwindig­ keit in einer beispielsweise durch den Pfeil gekennzeichne­ ten 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 Meßwegstrecke jedoch 5-10 Ultraschall­ impulse eingeschallt. Der Durchmesser der kleinsten bei Turbinenlagerrohlingen gesuchten Mikroporen oder -lunker beträgt etwa 0,2 mm. Die Relativgeschwindigkeit kann beispielsweise zwischen 50 mm/s und 150 mm/s, vor­ zugsweise jedoch 100 mm/s betragen.

Durch den Durchmesser der kleinsten der gesuch­ ten Mikroporen oder -lunker wird auch der Ultraschall­ bündeldurchmesser nach oben begrenzt. Dieser sollte kleiner als der 10fache Wert des genannten Fehlerdurchmessers, vorzugsweise jedoch etwa gleich dem 5fachen Wert dieses Fehlerdurchmessers 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 Tiefen­ schicht unterhalb der Oberfläche 6 des Rohlings. Für die vom Ultraschallkopf 14 abgeschallte Ultraschall­ frequenz kann ein Wert zwischen 5 MHz und 15 MHz, insbe­ sondere ein Wert von 10 MHz gewählt werden.

Die wie vorstehend beschrieben in den Rohling eingeschall­ ten Ultraschallimpulse werden in diesem an allen Inhomo­ genitäten, 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. Über ein elektronisches Zeitfenster werden die Echos aus einer bestimmten Tiefen­ schicht 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. Selbstverständ­ lich 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 Tiefen­ schicht stammenden Echos noch drei verschiedene weitere Zeitfenster für die Echos von den dargestellten Bindefeh­ lern 10 bis 13 verwenden.

Von sämtlichen innerhalb der Zeitfenster registrierten Echos wird die Amplitude bestimmt und vorzugsweise bei­ spielsweise mittels eines Analog-Digital-Wandlers digi­ talisiert. Die digitalisierten Amplitudenwerte werden, getrennt für jedes Zeitfenster, in einem digitalen Speicher abgespeichert. Vorzugsweise noch während die Ultraschall­ prüfung 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 projizier­ ten Abstand zweier Fehler im Rohling, insbesondere zweier Mikroporen, und der Anzahl der Ultraschallimpulse pro Meßweg-Streckeneinheit sein.

In Fig. 1 weisen die vereinzelten Mikroporen 8 und 9 beispielsweise einen noch tolerierbaren Abstand von­ einander und von der Mikroporen- und -lunkerzone 7 auf. Bei Turbinengleitlagern kann in der Regel davon ausge­ gangen werden, daß der noch tolerierbare Abstand zweier Fehler voneinander etwa dem 4fachen Durchmesser der kleinsten der gesuchten Fehler entspricht.

Fig. 2 zeigt in zwei Diagrammen a) und b) sogenannte Echodynamikkurven bei welchen die gemittelten Amplituden der Echos aus zwei verschiedenen Zeitfenstern logarith­ misch in dB über dem gleichen Meßweg aufgetragen sind. Die mit a) gekennzeichnete Echodynamikkurve könnte bei­ spielsweise über ein Zeitfenster ermittelt worden sein, welches auf Echos aus einer Tiefenschicht gesetzt wurde, in der Bindefehler zu erwarten sind. Die mit b) gekenn­ zeichnete Echodynamikkurve könnte dagegen über ein Zeit­ fenster 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 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 Meßweg­ stellen angenommen, an denen die gemittelte Amplitude einen vorgebbaren Schwellwert S überschreitet, welcher in den Diagrammen von Fig. 2 jeweils um 20 dB höher als der Mittelwert der mittleren Amplituden 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 Schwell­ wert 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 . Dem Anwender des erfindungs­ gemäßen Verfahrens können Schwellwertüberschreitungen beispielsweise als Fehlerpunkte entlang einer dem vorgege­ benen 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 Korrela­ tion der Anzahl n mit einem noch als tolerierbar vorgeb­ baren, 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 projizierte 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 geringe­ ren als den noch tolerierbaren Abstand voneinander aufwei­ sen 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 solche 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 Turbinengleit­ lager, in eine mit Wasser gefüllte Tauchwanne 16 gelegt werden, in welche von oben ein Mast 17 eines mittel­ punktfreien 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 ange­ triebene 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 Übereinstimmung mit der Zylinder­ achse des Turbinengleitlagers 15 gebracht und anschließend durch Drehung des Zentralmastes 17 mit dem Ultra­ schallkopf 14 eine kreisförmige horizontale Meßwegstrecke abgefahren. Durch Aneinanderreihung mehrerer solcher Meßwegstrecken in verschiedener Höhe, läßt sich das ganze Turbinengleitlager 15 durchprüfen.

Claims (8)

1. Verfahren zur Ultraschallprüfung von Werkstücken (1, 15) auf Fehler in einer vorgebbaren Tiefenschicht (4, 5) entlang eines vorgebbaren Oberflächen-Meßweges,

• a) wobei ein Ultraschallkopf (14) in gleichmäßigem Abstand zur Oberfläche (6) des Werkstückes (1, 15) relativ zu diesem entlang dem vorgegebenen Meßweg mit konstanter Geschwindigkeit bewegt wird und
• b) während dieser Bewegung fortlaufend vom Ultraschallkopf (14) Ultraschallimpulse mit definiertem Schallbündeldurchmesser in das Werkstück (1, 15) eingeschallt werden,
• c) wobei die Folgefrequenz der Ultraschallimpulse mit der Relativgeschwindigkeit zwischen Ultraschallkopf (14) und Werkstück (1, 15) korreliert ist, so daß auf einer Meßwegstrecke Ultraschallimpulse eingeschallt werden,
• d) wobei Amplituden von reflektierten Ultraschallimpulsen bestimmt werden, welche aus einem bestimmten Zeiterwartungsbereich und damit Tiefenbereich stammen,
• e) wobei in Abhängigkeit von diesen reflektierten Ultra­ schallimpulsen ein Vergleichswert gebildet und dieser mit einem vorgebbaren Schwellwert (S) verglichen wird und
• f) wobei ein Fehler angenommen wird, wenn dieser Schwellwert (S) überschritten ist,
  dadurch gekennzeichnet,
• g) daß der Vergleichswert ein Mittelwert () ist, der aus einer Anzahl von n aufeinanderfolgenden Amplituden gebildet wird, wobei die Anzahl n jeweils größer als das Produkt aus einem noch als tolerierbar vorgebbaren, auf den Meßweg projizierten Abstand zweier Fehler und der Anzahl der Ultraschallimpulse je Meßwegstreckeneinheit ist,
• h) daß der Schwellwert (S) in Abhängigkeit von diesem Mittelwert () gebildet wird,
• j) daß die Folgefrequenz der Ultraschallimpulse so bemessen wird, daß auf einer Meßwegstrecke, welche etwa dem Durchmesser des kleinsten gesuchten Fehlers (7-13) entspricht, mindestens ein Ultraschallimpuls eingeschallt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Ultraschallkopf (14) abgeschallte Ultra­ schallbündel 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 5fachen 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 jedoch 100 mm/s beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Meßwegstrecke, welche etwa dem Durch­ messer 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 4fachen 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,

• a) daß der Schwellwert (S) zwischen 10 dB-90 dB,
• b) insbesondere um 20 dB höher als die mittlere Amplitude () der aus der vorgegebenen Tiefenschicht (4, 5) reflektierten Ultraschallimpulse gewählt wird.