DE4118757A1 - Verfahren und winkelpruefkopf zum zerstoerungsfreien pruefen von plattierten werkstuecken mittels ultraschallwellen im impuls-echo-verfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum zerstörungsfrei­ en Prüfen von plattierten Werkstücken mittels Ultraschall­ wellen im Impuls-Echo-Verfahren und einen Winkelprüfkopf zur Durchführung des Verfahrens.

Bei der Ultraschallprüfung im Impuls-Echo-Verfahren ist es bereits bekannt, Ultraschallwellen von einem Winkelprüf­ kopf, der gleichzeitig Sender und Empfänger ist, unter ei­ nem bestimmten Winkel schräg in das zu prüfende Werkstück einzuschallen. Wenn die Schallstrahlen in der Prüfzone, d. h. in dem räumlichen Bereich des Werkstückes, der bei der Ultraschallprüfung erfaßt wird, auf eine reflektieren­ de Fläche, z. B. eine Fehlstelle auftreffen, werden sie re­ flektiert und kehren als Echo zum Prüfkopf zurück. Die Intensität und Laufzeit der reflektierten Echos werden in der Regel in Form eines Oszillogramms auf einem Katoden­ strahloszillographen bildlich dargestellt. Der Abstand zwischen Sendeimpuls und dem Echo im Oszillogramm ent­ spricht der Laufzeit der Schallwellen, wobei man diesen Ab­ stand so einstellen kann, daß er mit dem Abstand zwischen Prüfkopf und der reflektierenden Fehlstelle übereinstimmt.

Es ist auch bekannt, bei der Ultraschallprüfung die Prüf­ zone, z. B. eine Schweißnaht mit dem Prüfkopf mäanderför­ mig abzutasten. Aus der Art, der Höhe und Lage der Echoan­ zeige auf dem Bildschirm des Prüfgerätes, aus der Form der Amplitude und dem Verhalten der Echoanzeige bei einer Ver­ änderung der Stellung des Prüfkopfes kann ein Prüfer oft­ mals nur mit Einschränkungen entnehmen, welcher Art die Fehlstelle ist.

In der DE-AS 16 48 637 ist eine Lösung zur Ultraschallprü­ fung einer Schweißnaht an unregelmäßig gekrümmten Werk­ stücken, wie Druckbehälter oder Schiffsrümpfe offenbart, bei der ein erster Ultraschallwandler auf der Schweiß­ naht, ein zweiter und dritter Schallwandler in Linie und mit einem bestimmten Abstand zum ersten Wandler und ein vierter Ultraschallwandler in einem Abstand zum ersten Wandler auf der Schweißnaht angeordnet ist. Diese bekann­ te Anordnung von Ultraschallwandlern ermöglicht, Fehl­ stellen in der Schweißnaht in drei Richtungen, nämlich in der Längsrichtung, der Querrichtung und in der Tiefen­ richtung zu ermitteln.

Der erste Wandler dient dazu, die Ränder der Schweißnaht aufzuzeichnen. Durch den zweiten und dritten Wandler wer­ den Schallwellen unter einem gewählten Winkel gegenüber der Werkstückoberfläche eingeleitet, wobei die Schallwel­ len nach innen und aufeinander zu gerichtet sind, um recht­ winklig bzw. nahezu rechtwinklig zur Werkstückoberfläche verlaufende Fehlstellen ermitteln zu können. Der vierte Wandler leitet Schallwellen unter einem Winkel von 45-75° zur Werkstückoberfläche längs der Schweißnaht ein, um querliegende Fehlstellen festzustellen. Die reflektier­ ten Schallwellen werden in einem Verstärker verstärkt und einem Katodenstrahloszillographen sowie dem Kanal eines fünfkanaligen Schreibers zugeführt. Der Kanal 1 umfaßt ein Gatter, dessen Durchlaßbereich bezüglich Länge und Lage innerhalb der gesamten Zeitbasis verstellbar ist, so daß jeder gewünschte interessierende Bereich auf der Zeitachse ausgewählt werden kann und nur solche Signale dem Katoden­ strahloszillographen bzw. dem Schreiber zugeführt werden, die in diesem Bereich liegen.

Bei den bekannten Verfahren zur Ultraschallprüfung von Werk­ stücken aus ferritischem Stahl, die auf der dem Prüfkopf ab­ gewandten Seite austenitisch plattiert sind, ergeben sich insofern Schwierigkeiten bei der Prüfung, daß sich in Ab­ hängigkeit von Einschallwinkel und der Wellenart aus der Grenzfläche zwischen Grundwerkstoff und Plattierung Re­ flexionsechos ergeben, was allgemein als Gefügerauschen oder Kornrauschen bezeichnet wird. Durch das Gefügerau­ schen wird die Auswertung des reflektierten Ultraschall­ bildes in der betreffenden Zone erschwert bzw. es wird unmöglich, kleine Fehlstellen zu erkennen. Einerseits ist anzustreben, durch eine hohe Dämpfung der im Prüfkopf angeordneten Schallwandler kurze, breitban­ dige Impulse zu erhalten, die eine hohe Fehlerauflösung bieten und eine genaue Laufzeitmessung ermöglichen; an­ dererseits hat die Verkürzung der Impulsdauer die Vergrö­ ßerung der Rauschpegel zur Folge.

Das Bestreben bekannter Lösungen des Standes der Technik ist darauf gerichtet, zur Erhöhung der Genauigkeit bei der Ermittlung von Fehlstellen den Rauschpegel zu redu­ zieren oder gar zu beseitigen, was bisher aber nicht voll­ ständig realisiert werden konnte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum zerstörungsfreien Prüfen von plattierten Werkstücken mittels Ultraschallwellen im Impuls-Echo-Verfahren und einen Winkelprüfkopf zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, die störende Einflüsse des sich aus der Grenz­ fläche zwischen Grundwerkstoff und Plattierung des zu prü­ fenden Werkstückes ergebenden Gefügerauschens auf die Aus­ wertung der Echosignale beseitigen und eine höhere Genau­ igkeit bei der Ermittlung der Größe, Lage und Form von Fehlstellen in Schweißnähten und im Grundwerkstoff gewähr­ leisten.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 2 gelöst.

Der Grundgedanke der Erfindung beruht darauf, die Signal­ höhe des Gefügerauschens aus der Grenzfläche zwischen Grund­ werkstoff und Plattierung für die Ultraschallprüfung von plattierten Werkstücken auszunutzen, um die Größe, Lage und Form von Fehlstellen in Schweißnähten und im Grund­ werkstoff zu ermitteln.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbe­ sondere darin, daß das Gefügerauschen die Auswertung der Echosignale nicht mehr störend beeinflußt, weil die Höhe des empfangenen Rauschpegels selbst als Parameter für die Fehlstellenbestimmung dient. Es ist möglich, auch kleine Fehlstellen zu bestimmen und eine Aussage darüber zu erhalten, ob die Fehlstelle flächenhaft oder voluminös ausgebildet ist.

Der erfindungsgemäße Winkelprüfkopf zeichnet sich vor­ teilhafterweise dadurch aus, daß die Ultraschallschwin­ ger zu einer festen Einheit verbunden sind, deren geome­ trische Ausbildung wesentlich dazu beiträgt, ein maxima­ les Gefügerauschen aus der Grenzfläche zwischen Grund­ werkstoff und Plattierung zu erzeugen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung im folgenden näher erläutert: Es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht des Winkelprüfkopfes im Schnitt

Fig. 2 den Winkelprüfkopf im Schnitt A-A nach Fig. 1

Fig. 3 die Prüfanordnung mit Strahlengang und Lage der Laufzeitblende.

Der Winkelprüfkopf umfaßt ein Metallgehäuse 1, in dem ein Plexiglasgrundkörper 2 angeordnet ist. Der Plexiglaskör­ per 2 besteht aus einem geraden vierseitigen Pyramiden­ stumpf, der sich in einer geraden vierseitigen Pyramide fortsetzt. Der Winkel α zwischen der Grundfläche und den Seitenflächen des Pyramidenstumpfes beträgt 33°. Der Spitzenwinkel β der Pyramide beträgt 50°. Auf den Seiten­ flächen des Pyramidenstumpfes sind mindestens drei vonein­ ander elektrisch unabhängige 2-MHz-Ultraschall-Schwinger 3 befestigt, deren Oberseite neben den entsprechenden elek­ trischen Anschlüssen mit einer Dämpfungsmasse 4 versehen ist, wodurch ein kurzer, breitbandiger Ultraschallimpuls erzielt wird. Zwischen dem Plexiglasgrundkörper 2 und dem Metallgehäuse 1 befindet sich eine Korkumrandung 5.

Durch die Ausgestaltung der geraden vierseitigen Pyramide kehren die im Innern des Winkelprüfkopfes entstehenden re­ flektierenden Wellen infolge von Mehrfachreflexion nicht zu ihrem Ausgangspunkt zurück. Die Neigung der Ultraschall­ schwinger 3 um den Winkel α zur Grundfläche des Pyramiden­ stumpfes und damit zur Oberfläche des zu prüfenden Stahl­ werkstückes hat zur Folge, daß sich aufgrund der unter­ schiedlichen Schallgeschwindigkeiten im Plexiglas und Stahl ein Einschallwinkel von 40° für die Transversalwelle im Stahlwerkstück ergibt. Die von einem Ultraschallschwinger 3 ausgehende Longitudinalwelle wird an der Grenzfläche zwi­ schen Pyramidenstumpf und der Werkstückoberfläche totalre­ flektiert und tritt nicht in das Stahlwerkstück ein. Das Prüfverfahren von Werkstücken aus ferritischem Stahl mit austenitischer Plattierung weist folgenden Verlauf aus: Die Schallwellen werden vom Winkelprüfkopf, der auf der nichtplattierten Seite des Werkstückes direkt aufgesetzt ist, entsprechend der Anordnung der Ultraschallschwinger 3 im Winkelprüfkopf aus drei oder mehr als drei linear unab­ hängigen Richtungen, die alle Raumrichtungen erfassen, schräg in das Werkstück eingeleitet. Die verwendete Wellen­ art (Transversalwelle), Frequenz (2 MHz) und Einschallwin­ kel (40°) sind für alle Ultraschallschwinger 3 und damit in allen Einschallrichtungen gleich, wodurch ein maxima­ les Gefügerauschen aus der Grenzfläche zwischen dem Grund­ werkstoff 6 aus ferritischem Stahl und der austenitischen Plattierung 7 erzeugt wird. Da der Winkelprüfkopf im Im­ puls-Echo-Verfahren mit Einzelkopfbetrieb arbeitet, em­ pfängt derjenige Ultraschallschwinger 3, der einen Ultra­ schallimpuls aussendet, auch die diesbezüglichen Reflekti­ onen aus der Grenzfläche bzw. einer im Strahlengang befind­ lichen Fehlstelle des Werkstücks. Bei der Ultraschallprü­ fung wird die Oberfläche des zu prüfenden Werkstückberei­ ches mäanderförmig abgetastet, so daß jedes Volumenelement des Werkstückes erfaßt wird. Dabei wird die der Signalhöhe des Gefügerauschens aus der vorbezeichneten Grenzfläche proportionale Spannung jeder Einschallrichtung entspre­ chend der Laufzeitblende 8 auf dem Ultraschallgerät so­ wie die Position des Winkelprüfkopfes digital aufgezeich­ net und gespeichert. Den digitalisierten Meßwerten eines jeden Flächenelementes der Grenzfläche wird eine den Ort beschreibenden X-Y-Koordinate zugeordnet.

Befindet sich keine Fehlstelle im Strahlengang zwischen Winkelprüfkopf und Grenzfläche, so wird ein maximales Rauschsignal ermittelt. Wird hingegen eine Fehlstelle angeschallt, die in ihren Abmessungen größer oder gleich dem Ultraschallbündel ist, werden die eingeleiteten Schall­ wellen an der Fehlstelle insgesamt reflektiert und gelangen nicht zur Grenzfläche. Folglich tritt an der betreffenden Stelle auch kein Rauschsignal auf.

Ist die angeschallte Fehlstelle kleiner als das Ultraschall­ bündel, so wird ein Teil der eingeleiteten Schallwellen an der Fehlstelle reflektiert und erreicht die Grenzfläche nicht. Dadurch wird an der betreffenden Stelle das Rausch­ signal an der Grenzfläche geringer. Die so ermittelten Rauschsignalhöhen jeder einzelnen Einschallvorrichtung wer­ den in einem Rechner gemittelt und normiert. Die gewonne­ nen normierten Signalhöhen werden miteinander verglichen sowie ein Vergleich der Signalhöhen der einzelnen Einschall­ richtungen bezüglich eines jeden von den einzelnen Schall­ wellen erfaßten Volumenelementes des Werkstückes durchge­ führt.

Claims (2)

1. Verfahren zum zerstörungsfreien Prüfen von plattier­ ten Werkstücken mittels Ultraschallwellen im Impuls-Echo- Verfahren, dadurch gekennzeichnet, daß

• - zur Erzeugung eines maximalen Gefügerauschens aus der Grenzfläche zwischen Grundwerkstoff und Plattierung mit kurzen breitbandigen Ultraschallimpulsen von der nicht plattierten Seite des Werkstückes aus in das zu prüfen­ de Werkstück aus drei oder mehr als drei linear unabhän­ gigen Richtungen, die alle Raumrichtungen erfassen, unter einem Einschallwinkel von 40° eingeschaltet wird, wobei Wellenart, Frequenz und Einschallwinkel für alle Ein­ schallrichtungen gleich sind und Transversalwellen mit einer Frequenz von 2 MHz verwendet werden;
• - die der Signalhöhe des Gefügerauschens jeder Einschall­ richtung proportionale Spannung entsprechend der Lauf­ zeitblende auf dem Ultraschallgerät sowie der Position des Prüfkopfes digital aufgezeichnet und gespeichert wird, wobei den digitalisierten Meßwerten eines jeden Flächenelementes der Grenzfläche zwischen Grundwerkstoff und Plattierung eine den Ort beschreibende X-Y-Koordinate zugeordnet wird;
• - die Signalhöhen des Gefügerauschens jeder einzelnen Einschallrichtung über eine Mittelwertbildung normiert und die so erhaltenen, normierten Signalhöhen der einzel­ nen Einschallrichtungen miteinander verglichen werden;
• - ein Vergleich der Signalhöhen der einzelnen Einschall­ richtungen bezüglich eines jeden von den einzelnen Schall­ wellen getroffenen Volumenelementes erfolgt;
• - aus den gewonnenen unterschiedlichen Rauschsignalhöhen auf die Größe, Lage und Form der Fehlstelle mittels einer speziellen Auswertesoftware zurückgerechnet wird.

2. Winkelprüfkopf zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit innerhalb eines Gehäuses schräg zur Werk­ stückoberfläche angeordneten Ultraschallschwingern, deren Oberseite mit einer Dämpfungsmasse versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Metallgehäuse (1) ein Plexiglaskörper (2) angeordnet ist, der aus einem gera­ den Pyramidenstumpf mit einer sich daran anschließen­ den geraden Pyramide besteht, wobei der Winkel (α) zwischen der Grundfläche und den Seitenflächen des Pyramidenstumpfes 33° und der Spitzenwinkel (β) der Pyramide 50° beträgt und daß auf den Seitenflächen des Pyramidenstumpfes mindestens drei voneinander elektrisch unabhängige Ultraschallschwinger (3) befestigt sind so­ wie sich zwischen dem Plexiglasgrundkörper (2) und dem Metallgehäuse (1) eine Korkumrandung (5) befindet.