DE10258336B3

DE10258336B3 - Verfahren und Vorrichtung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mittels Ultraschall

Info

Publication number: DE10258336B3
Application number: DE2002158336
Authority: DE
Inventors: Rudolf Kommer
Original assignee: Eurocopter Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Helicopters Deutschland GmbH
Priority date: 2002-12-12
Filing date: 2002-12-12
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2022-12-13

Abstract

Es werden Verfahren und Vorrichtung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit Ultraschall beschrieben. Ein zu überprüfendes Bauteil (1) wird mittels einer Anordnung von Ultraschallköpfen (2, 3) durchschallt, die auf einer vorgegebenen Bahn relativ zu dem Werkstück (1) bewegt und mittels eines Flüssigkeitsstrahls (6, 7) akustisch an das Werkstück (1) angekoppelt werden. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die Verstärkung der Prüfköpfe (2, 3) über einen weiten Dynamikbereich verstellbar ist, dass zur Werkstoffprüfung eines monolithischen Bereichs (1a) des Bauteils (1) die Prüfköpfe (2, 3) mit einer relativ niedrigen Verstärkung betrieben werden, dass zur Werkstoffprüfung eines als Sandwich-Struktur aufgebauten Bereichs (1b) des Bauteils (1) die Prüfköpfe (2, 3) mit einer relativ hohen Verstärkung betrieben werden und dass beim Übergang von einem monolithischen Bereich (1a) zu einem Sandwich-Bereich (1b) und/oder umgekehrt eine Änderung der Verstärkung in Abhängigkeit von der Art des zu prüfenden Bauteilbereichs (1a, 1b) erfolgt, so dass in einem Arbeitsgang eine Prüfung von Bauteilen (1) erfolgen kann, die sowohl monolithische Bereiche (1a) als auch Sandwich-Bereiche (1b) aufweisen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mittels Ultraschall, bei denen ein zu überprüfendes Bauteil mittels einer Anordnung von Ultraschallköpfen durchschallt wird, die auf einer vorgegebenen Bahn relativ zu dem Bauteil bewegt und mittels eines Flüssigkeitsstrahls akustisch an das Bauteil angekoppelt werden können.
STAND DER TECHNIK
Zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung von Bauteilen mit Ultraschall ist es bekannt dieses mittels einer Anordnung von Ultraschallköpfen zu durchschallen, wobei die Ultraschallköpfe auf einer vorgegebenen Bahn relativ zu dem Bauteil bewegt und mittels eines Flüssigkeitsstrahls akustisch an das Bauteil angekoppelt werden.

So ist aus der DE 40 07 956 C2 eine Ultraschall-Prüfkopfanordnung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung bekannt, bei der ein Ultraschall-Prüfkopf mittels einer Vorlaufkammer an eine Strahldüse gekoppelt ist, welche einen freien Flüssigkeitsstrahl zur akustischen Kopplung des Prüfkopfs an das Werkstück erzeugt.

Aus der DE 40 15 847 C2 ist eine Ultraschall-Prüfkopfanordnung zur zerstörungsfreien Prüfung von Haft- oder Klebeverbindungen zwischen schalleitenden Platten, insbesondere Blechen, bekannt, die einander gegenüberliegend einen Schallsender und einen Schallempfänger zum Durchschallen des zu überprüfenden Bauteils in dessen Querrichtung enthält. Auch hier soll die Schallankopplung der Prüfköpfe mit Hilfe eines von einer den Prüfköpfen zugeordneten Strahldüse erzeugten Flüssigkeitsfreistrahls erfolgen. Ziel der bekannten Anordnung ist es, durch großflächige Klebe- oder Haftverbindungen von einfach oder mehrfach gedoppelten Plattenteilen hergestellte bauteile zuverlässig auf Klebeinhomogenitäten zu überprüfen. Dies geschieht unter Durchschallung des Bauteils mittels eines Prüfkopfes in Form eines hochbedämpften Niederfrequenz- Stoßwellenschallkopfs mit einer mit größer werdender Dicke des Bauteils zunehmend niedriger bemessenen Schallfrequenz von höchstens 2 MHz, für Bauteile mit einer Dicke zwischen 1,5 mm und 5,0 mm zwischen 1 MHz und 0,5 Mhz.

Aus der DE 32 03 862 C2 ist es bekannt, Bauteile mit einem unregelmäßigen Querschnittsverlauf, d.h. z.B. ein Bauteil mit einer Außenhaut und T-Trägern, zerstörungsfrei mit Hilfe von Ultraschall zu prüfen. Zu disesem Zweck wird eine spezielle Anordnung und Ausrichtung von zwei Prüfköpfen bereitgestellt, deren Messwerte im Rahmen eines Differenzbildungverfahrens ausgewertet werden.

Aus der der Fachzeitschrift „Materialprüfung", 37 (1995) 11 – 12, Seiten 469 – 472, W. Hillger, "Bildgebende Ultraschall-Prüftechnik für Sandwich-Bauteile" ist ein Verfahren zur Ultraschall-Prüfung von Waben-Sandwich-Bauteilen bekannt, bei dem zur Untersuchung der Waben-Sandwich-Bauteile, die in Form von Proben mit unterschiedlichen Abmessungen bzw. Kernmaterialdicken und -dichten sowie unterschiedlichen Materialien der Deckhäute vorliegen, Ultraschall-Prüfköpfe verwendet werden. In Abhängigkeit der jeweiligen Sandwich-Bauteilform wird das jeweilige Sendefrequenzspektrum des betreffenden Ultraschall-Prüfkopfes durch Wahl der Impulsdauer optimiert, wobei sich in Abhängigkeit der Dicke der Waben und der Deckschicht des Sandwichs Frequenzspektren ergeben können, die je nach Bauteil zwischen 0,3 und 1,4 MHZ liegen.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Die Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren wie auch eine Vorrichtung anzugeben, mit denen in einem Arbeitsgang zuverlässig und auf einfache Weise Bauteile geprüft werden können, die sowohl monolithische Bereiche als auch Bereiche mit einer Sandwich-Struktur aufweisen.

Die monolithischen Bereiche können zum Beispiel durch ein reines CFK-Laminat gebildet sein, während die Sandwich-Bereiche zum Beispiel Bereiche mit Wabenkernen sein können, wobei als Wabenmaterialien etwa Nomex oder Aluminiumwabe verwendet sein können. Während monolithische Bereiche eine verhältnismäßig gute Schallübertragung zeigen, tritt bei den Sandwich-Bereichen eine sehr hohe Schallschwächung auf, wobei die Schallübertragung über den Kern der Sandwich-Struktur nur sehr schlecht erfolgt, etwa nur zonerweise über die Wabenstege.

Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe verfahrensmäßig durch ein Verfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 2 oder des Anspruchs 3 gelöst; vorrichtungsmäßig wird die gestellte Aufgabe durch eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit den Merkmalen des Anspruchs 18 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert.

Es zeigt:
1 eine schematisierte seitliche Querschnittsansicht einer Prüfkopfanordnung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung eines Bauteils mit Ultraschall; und
2a) und b) Längsschnitte durch Ultraschall-Prüfköpfe, wie sie bei der in 1 dargestellten Anordnung Verwendung finden können, gemäß zwei Ausführungsbeispielen.
DARSTELLUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Die in 1 dargestellte Vorrichtung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit Ultraschall umfaßt eine Ultraschallkopf- Anordnung 4, 5, die zwei einander gegenüberstehende Ultraschallköpfe 2, 3 enthält, die hier vorzugsweise als identisches Prüfkopfpaar ausgebildet sind. Diese dienen zum Durchschallen eines Bauteils 1 in einer Richtung im wesentlichen quer zu dessen Ausdehnung, wobei die Ultraschallkopf-Anordnung 4, 5 auf einer vorgegebenen Bahn relativ zu dem Bauteil 1 bewegt wird. Hierzu kann entweder das Bauteil 1 ortsfest gehalten und die Ultraschallkopf-Anordnung 4, 5 relativ zu dem Bauteil 1 bewegt werden, die Ultraschallkopf-Anordnung 4, 5 kann ortsfest gehalten und das Bauteil 1 relativ dazu bewegt werden, oder es können sowohl das Bauteil 1 als auch die Ultraschallkopf- Anordnung 4, 5 bewegt werden, etwa im Falle eines rotationssymmetrischen Bauteils 1, welches um seine Achse gedreht wird, während die Ultraschallkopf-Anordnung 4, 5 radial dazu bewegt wird. Die Ultraschallköpfe 2, 3 werden jeweils mittels eines Flüssigkeitsstrahls 6, 7 akustisch an das Bauteil 1 angekoppelt.
Die in 2a) und b) in Querschnittsansicht in zwei Ausführungsformen gezeigten Ultraschallkopf-Anordnungen 4, 5 umfassen jeweils eine Druckwasser-Strahldüse 102; 202 mit einer kreiszylindrischen, in einem Mantelrohr 104; 204, das z.B. aus Acrylglas bestehen kann, ausgebildeten Vorlaufkammer 106; 206 und einem am abströmseitigen Ende der Vorlaufkammer 106; 206 – etwa durch Verschraubungen – befestigten Düsen-Einsatzstück 108; 208, das ebenfalls aus transparentem Material hergestellt sein kann und mit einem zur Mittelachse A – A der Vorlaufkammer 106; 206 koaxialen, kreiszylindrischen, im Durchmesser jedoch gegenüber der Vorlaufkammer 106; 206 verringerten Düsen-Auslaßkanal 110, 210 versehen ist. Der der Prüfkopfanordnung zugeordnete Ultraschall-Prüfkopf 2, 3 ist unmittelbar an dem dem Einsatzstück 108; 208 gegenüberliegenden, dichtend verschlossenen Ende der Vorlaufkammer 106; 206 angeordnet.
An der vorlaufkammerseitigen Stirnfläche des Einsatzstückes 8 ist eine wulstförmig nach innen in die Vorlaufkammer 6 ragende Umströmungsnase 114, 214 ausgebildet, die den Düsenauslaßkanal 110, 210 im Einströmbereich geringförmig umschließt und konzentrisch zur Mittelachse A – A verläuft. Die Druckwasserzufuhr zur Strahldüse 2 erfolgt über eine in die Vorlaufkammer 106; 206 nahe der Umströmungsnase 114; 214 mündende Zulauföffnung 116; 216, welche genau radial auf die Mittelachse A-A, also zu dieser zentrisch und senkrecht ausgerichtet ist.
Zur individuellen, feinfühligen Regulierung der Flüssigkeitsdruckverhältnisse in der Strahldüse ist dieser ein eigenes zwischen Druckwasser-Versorgungsleitung 118; 218 und Zulauföffnung 116; 216 wirksames, veränderlich einstellbares Druckregelventil 120; 220 zugeordnet.
Bei der in 2b) gezeigten Prüfkopfanordnung ist, im Gegensatz zu der in 2a) gezeigten Prüfkopfanordnung die Vorlaufkammer 206 im Übergangsbereich zwischen dem zylindrischen Vorkammer-Abschnitt und Einsatzstück 208 zum Auslaßkanal 210 hin kegelstumpfförmig verjüngt ausgebildet und die Zulauföffnung 216 ist im auslaßkanalseitigen Endabschnitt des zylindrischen Vorlaufkammer-Abschnitts angeordnet.
Eine besonders hohe Freistrahlankopplungsgüte ergibt sich, wenn das Mantelrohr 104; 204 der Strahldüse 102; 202 etwa 1,5 mal so lang wie das Einsatzstück 108; 208 ist und der Durchmesser der Vorlaufkammer 106; 206 etwa 2,5 mal so groß wie der des Düsen-Auslaßkanals 110; 210 ist und der Abstand des Umströmungswulstes 114; 214 von der Mantelrohrinnenwand etwa 5 mm und seine axiale Länge 4 mm beträgt.
Das Bauteil 1 verfügt über verschiedenartig aufgebaute Bereiche, nämlich einen monolithischen Bereich 1a und einen Sandwich- Bereich 1b. Der monolithische Bereich 1a kann beispielsweise durch eine CFK-Laminat gebildet sein, wogegen der Sandwich-Bereich 1b durch jeweilige Oberflächen bildende Schalen 1c und einen dazwischen angeordneten Kern 1d, etwa einen Wabenkern gebildet sein kann.
Die Werkstoffprüfung des Bauteils 1 erfolgt nach vorgegebenen bauteilspezifischen Prüfvorgaben, so kann beispielsweise der monolithische Bereich 1a auf eine Porosität von mehr als 5% und auf Delamination von mehr als 5 mm Durchmesser, der Sandwich-Bereich 1b in der Verbindung zwischen Schale 1c und Kern 1d auf Delamination von mehr als 15 mm Durchmesser oder ähnlich geprüft werden.
Zur Durchführung der Werkstoffprüfung ist die Verstärkung der Prüfköpfe 2, 3 über einen weiten Dynamikbereich verstellbar, wobei zur Werkstoffprüfung des monolithischen Bereichs 1a des Bauteils 1 die Prüfköpfe 2, 3 mit einer relativ niedrigen Verstärkung betrieben werden, wogegen zur Werkstoffprüfung des Sandwich-Bereichs 1b des Bauteils 1 die Prüfköpfe 2, 3 mit einer relativ hohen Verstärkung betrieben werden. Beim Übergang vom monolithischen Bereich 1a zum Sandwich-Bereich 1b und/oder umgekehrt erfolgt eine Änderung der Verstärkung in Abhängigkeit von der Art des zu prüfenden Bauteilbereichs 1a, 1b, so dass in einem Arbeitsgang eine Prüfung sowohl des monolithischen Bereichs 1a als auch des Sandwich-Bereichs 1b des Bauteils 1 erfolgen kann.
Der große Dynamikbereich, über den die Verstärkung der Prüfköpfe 2, 3 verstellbar ist, ist notwendig, um den monolithischen Bereich 1a und den Sandwich-Bereich 1b des Bauteils 1 in einem Arbeitsgang prüfen zu können, da sich die Fähigkeit zur Übertragung von Ultraschall für den monolithischen Bereich 1a und den Sandwich-Bereich 1b beträchtlich, nämlich um etliche Größenordnungen unterscheidet. Vorzugsweise ist die Verstärkung der Prüfköpfe 2, 3 über einen Bereich von mehr als 60 dB verstellbar, vorteilhafterweise über mehr als 80 dB, gegebenenfalls über mehr als 100dB.
Die Verstärkung der Prüfköpfe 2, 3 wird beim Übergang vom monolithischen Bereich 1a zum Sandwich-Bereich 1b und/oder umgekehrt um 20 bis 60 dB, typischerweise um 30 bis 40 dB verstellt. Diese Verstellung beim Übergang vom monolithischen Bereich 1a zum Sandwich-Bereich 1b und/oder umgekehrt zuzüglich einer Einstellmöglichkeit für die Grundverstärkung der Prüfköpfe 2, 3 macht die vorher genannte große Verstellbarkeit von mehr als 60 dB bis gegebenenfalls mehr als 100 dB erforderlich. Die Änderung der Verstärkung der Prüfköpfe 2, 3 beim Übergang vom monolithischen Bereich 1a zum Sandwich-Bereich 1b und/oder umgekehrt kann sprunghaft oder allmählich erfolgen.
Typischerweise werden die Prüfköpfe 2, 3 mit einer deutlich niedrigeren Frequenz als ihrer eigentlichen Nennfrequenz betrieben. Die Prüfköpfe können beispielsweise eine Nennfrequenz zwischen 4 und 20 MHz haben, insbesondere typischerweise eine Nennfrequenz zwischen 8 und 12 MHz. Die Prüfköpfe 2, 3 werden typischerweise mit einer Frequenz betrieben, die um den Faktor 2 bis 4 unter der Nennfrequenz liegt. Insbesondere können die Prüfköpfe 2, 3 mit einer Frequenz betrieben werden, die um den Faktor 4 bis 20, vorzugsweise 4 bis 8 unter der Nennfrequenz liegt. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel beträgt die Nennfrequenz der Prüfköpfe 2, 3 über 8 MHz und die Prüfköpfe 2, 3 werden mit einer Frequenz von 2 bis 4 MHz betrieben.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Bauteil 1 mittels einer Anordnung von zwei einander gegenüberliegenden Ultraschallköpfen 2, 3 durchschallt, von denen einer als Sender und der andere als Empfänger betrieben wird. Es kann entweder immer der gleiche, beispielsweise der Ultraschallkopf 2 als Sender und der andere, beispielsweise der Ultraschallkopf 3 als Empfänger betrieben werden, oder die Ultraschallköpfe 2, 3 können abwechselnd als Sender und Empfänger bzw. als Empfänger und Sender betrieben werden.
In 1 sind lediglich das Bauteil 1, die Ultraschallkopf-Anordnung 4, 5 und Roboter-Manipulatoren 9, 10 zum Bewegen der Ultraschallkopf-Anordnung 4, 5 relativ zu dem Bauteil 1 dargestellt, nicht jedoch die Verstärkereinrichtungen zum Erzeugen der Ultraschallfrequenzen für die Ultraschallköpfe 2, 3 und auch nicht die Einrichtungen zur Zuführung der Flüssigkeit für die Erzeugung der Flüssigkeitsstrahlen 6, 7 zu akustischen Ankopplung an das Bauteil 1. Diese sind als solche dem Stande der Technik bekannt.
Bei dem oben erläuterten Prüfverfahren wird ein Zeitpunkt und/oder ein Ort, an dem eine Änderung der Verstärkung beim Übergang von einem monolithischen Bereich 1a zu einem Sandwich-Bereich 1b und/oder umgekehrt erfolgt, vorzugsweise durch Abgleich einer aktuellen Position der Ultraschallköpfe 2, 3 in Bezug zum Bauteil 1 mit abgespeicherten Daten eines zwei- oder dreidimensionalen Konstruktionsmodells des zu prüfenden Bauteils 1 bestimmt. Zu diesem Zweck besitzt die erfindungsgemäße Prüfvorrichtung mindestens einen geeigneten Positionssensor, mindestens eine Datenverarbeitungseinrichtung mit Speichermitteln, in denen die Daten des Konstruktionsmodells des Bauteils 1 abgespeichert sind, sowie eine Kontrolleinrichtung, welche mit der Datenverarbeitungseinrichtung und/oder dem Positionssensor sowie den Ultraschallprüfköpfen bzw. deren Steuereinrichtung verbunden ist und die Änderung der Verstärkung der Prüfköpfe initiieren bzw. bewirken kann.
Vorrichtung und Verfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit Ultraschall, wie vorstehend beschrieben, gestatten eine automatisierte Prüfung von Monolith- und Sandwich-Strukturen in einem Durchgang, so dass eine zuverlässige, schnelle und stets reproduzierbare Werkstoffprüfung insbesondere von hochbelasteten und/oder besonders kritischen Bauteilen im Fahrzeugbau, bei der Luft- und Raumfahrt, bei der Energietechnik und in anderen Bereichen ermöglicht wird.
In einer zweiten Ausführungsform eines efindungsgemäßen Verfahrens zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit Ultraschall, bei der im wesentlichen die zuvor beschriebene Vorrichtung Anwendung finden kann, wird ein zu überprüfendes Bauteil 1 ebenfalls mittels einer Anordnung von Ultraschallköpfen 2, 3 durchschallt, die auf einer vorgegebenen Bahn relativ zu dem Bauteil 1 bewegt und mittels eines Flüssigkeitsstrahls 6, 7 akustisch an das zu prüfende Bauteil 1 angekoppelt werden. Die Verstärkung der Ultraschallköpfe 2, 3 ist wiederum über einen weiten Dynamikbereich verstellbar. Zur Werkstoffprüfung eines monolithischen Bereichs 1a des Bauteils 1 werden die Ultraschallköpfe 2, 3 wie bei der ersten Ausführungsform mit einer relativ niedrigen Verstärkung (s.o.) betrieben. Zur Werkstoffprüfung eines als Sandwich-Struktur aufgebauten Bereichs 1b des Bauteils 1 werden die Ultraschallköpfe 2, 3 mit einer relativ hohen Verstärkung (s.o.) betrieben. In einem ersten Arbeitsgang erfolgt eine Prüfung von dem monolithischen Bereich 1a des Bauteils 1 mit der niedrigen Verstärkung. Die Verstärkung wird dann in Abhängigkeit von der Art des zu prüfenden Bauteilbereichs 1a, 1b geändert, d.h. hier: erhöht (s.o.). Dann erfolgt in einem zweiten Arbeitsgang eine Prüfung des als Sandwich-Struktur aufgebauten Bereichs 1b des Bauteils 1 mit der hohen Verstärkung (s.o.). So wird in zwei Arbeitsgängen eine Prüfung des Bauteils 1 durchgeführt, das sowohl monolithische Bereiche 1a als auch Sandwich-Bereiche 1b aufweist. Es kann natürlich analog auch umgekehrt verfahren werden, d.h. erst die Prüfung der Sandwich-Bereiche 1b und dann die Prüfung der monolithische Bereiche 1a. Bei dieser Verfahrensvariante muss die Verstärkung der Ultraschallköpfe also nicht bei einem Übergang von einem Monolith- zu einem Sandwich-Bereich geändert bzw. permanent der Beschaffenheit der jeweiligen Bauteilbereiche angepasst werden. Vielmehr wird das komplette Bauteil zunächst einmal mit der niedrigeren Verstärkung abgefahren und dann mit der hohen Verstärkung, bzw. umgekehrt. Bei Verwendung mehrerer unterschiedlicher Prüfköpfe, welche die jeweils benötigte Verstärkung besitzen, d.h. eine niedrige und eine hohe Verstärkung, kann die Prüfung der unterschiedlichen Bauteilbereiche sogar in einem Arbeitsgang durchgeführt werden.
In einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit Ultraschall, bei der im wesentlichen die zuvor beschriebene Vorrichtung Anwendung finden kann, wird ein zu überprüfendes Bauteil 1 ebenfalls mittels einer Anordnung von Ultraschallköpfen 2, 3 durchschallt, die auf einer vorgegebenen Bahn relativ zu dem Bauteil 1 bewegt und mittels eines Flüssigkeitsstrahls 6, 7 akustisch an das zu prüfende Bauteil 1 angekoppelt werden.
Zur Werkstoffprüfung sowohl von monolithischen Bereichen 1a als auch Sandwich-Bereichen 1b des Bauteils 1 werden die Ultraschallköpfe 2,3, die einen logarithmisch auflösenden Ultraschall-Empfänger besitzen, nur mit einer relativ hohen Verstärkung von mehr als 60 dB (z.B. 70 bis 100 dB oder mehr) bei im wesentlichen konstanter Frequenz betrieben und in einem Arbeitsgang über das Bauteil bewegt. Vom logarithmisch auflösenden Ultraschall-Empfänger über ein gesamtes logarithmisches Ultraschall-Empfangsspektrum erfasste Messdaten werden in einem Speichermittel einer Datenverarbeitungseinrichtung abgespeichert. Trotz konstanter Frequenz und hoher Verstärkung (die für die monolithischen Bereiche an sich viel höher als notwendig ist) ist der Ultraschall-Empfänger also in der Lage, das gesamte Ultraschall-Echospektrum sowohl für monolithische Bereiche als auch Sandwichbereiche hinreichend genau aufzulösen.
Zur Überprüfung der monolithischen Bereiche 1a des Bauteils 1 werden dann jeweils nur obere Messwertbereiche des abgespeicherten, erfassten Ultraschall-Empfangsspektrums ausgewertet. Und zur Überprüfung der Sandwich-Bereiche 1b des Bauteils 1 werden jeweils nur untere Messwertbereiche des abgespeicherten, erfassten Ultraschall-Empfangsspektrums ausgewertet werden.
Aufgrund der logarithmischen Auflösung sind die Unterschiede zwischen einem Echo aus einem Monolith- und einem Sandwichbereich natürlich so groß, dass sie zum Zweck einer optischen Anzeige nicht einheitlich in einem gemeinsamen Messbild (z.B. an einem Monitor der Datenverarbeitungsanlage), in dem einer bestimmten Echointensität üblicherweise eine bestimmte Farbe zugeordnet wird, dargestellt werden können. Da sich die Echos aus einem Monolithbereich natürlich immer in etwa der gleichen Größenordnung bewegen, können sie leicht in einem einzelnen Messbild dargestellt und ausgewertet werden. Ein gleiches gilt für die Echos aus den Sandwichbereichen. Es sind also in der Regel zwei verschiedene Messbilder zur Auswertung der jeweiligen verschiedenen Bauteilbereiche (Monolith- oder Sandwich-Bereiche) erforderlich. Für eine zu betrachtende bestimmte Stelle des Bauteils werden faktisch jedoch die Daten des gleichen Messwertes ausgewertet, wobei allerdings unterschiedliche Messwertbereiche betrachtet werden.
Bezugszeichen in den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen dienen lediglich dem besseren Verständnis der Erfindung und sollen den Schutzumfang nicht einschränken.
Es bezeichnen:

1: Bauteil
1a: Monolithischer Bereich
1b: Sandwich-Bereich
1c: Schale
1d: Kern
2: Ultraschallkopf
3: Ultraschallkopf
4: Ultraschallkopf-Anordnung
5: Ultraschallkopf-Anordnung
6: Flüssigkeitsstrahl
7: Flüssigkeitsstrahl
9, 10: Roboter-Manipulatoren
102; 202: Druckwasser-Strahldüse
104; 204: Mantelrohr
106; 206: Vorlaufkammer
108; 208: Düsen-Einsatzstück
110; 210: Düsen-Auslaßkanal
114; 214: Umströmungsphase
116; 216: Zulauföffnung
118; 218: Druckwasser-Versorgungsleitung
120; 220: Druckregelventil

Claims

Verfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit Ultraschall, bei dem ein zu überprüfendes Bauteil (1) mittels einer Anordnung von Ultraschallköpfen (2, 3), durchschallt wird, die auf einer vorgegebenen Bahn relativ zu dem Werkstück (1 } bewegt und mittels eines Flüssigkeitsstrahls (6, 7) akustisch an das Werkstück (1) angekoppelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass – die Verstärkung der Prüfköpfe (2, 3) über einen weiten Dynamikbereich von mehr als 60 dB verstellbar ist; und – in einem Arbeitsgang eine Prüfung von Bauteilen (1) erfolgt, die sowohl monolithische Bereiche (1a) als auch Sandwich-Bereiche (1b) aufweisen; – wobei die Verstärkung der Prüfköpfe (2, 3) beim Übergang von einem monolithischen Bereich (1a) zu einem Sandwich-Bereich (1b) und/oder umgekehrt um 20 bis 60 dB verstellt wird; – wobei zur Werkstoffprüfung eines monolithischen Bereichs (1a) des Bauteils (1) die Prüfköpfe (2,3) mit einer niedrigen Verstärkung betrieben werden und zur Werkstoffprüfung eines als Sandwich-Struktur aufgebauten Bereichs (1b) des Bauteils (1) die Prüfköpfe (2, 3) mit einer hohen Verstärkung betrieben werden.
Verfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit Ultraschall, bei dem ein zu überprüfendes Bauteil (1) mittels einer Anordnung von Ultraschallköpfen (2, 3) durchschallt wird, die auf einer vorgegebenen Bahn relativ zu dem Bauteil (1) bewegt und mittels eines Flüssigkeitsstrahls (6,7) akustisch an das Bauteil (1) angekoppelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass – die Verstärkung der Ultraschallköpfe (2, 3) über einen weiten Dynamikbereich von mehr als 60 dB verstellbar ist; und – in zwei Arbeitsgängen eine Prüfung von Bauteilen (1) erfolgt, die sowohl monolithische Bereiche (1a) als auch Sandwich-Bereiche (1b) aufweisen; – wobei die Verstärkung der Prüfköpfe (2, 3) zum Prüfen eines monolithischen Bereichs (1a) einerseits und zum Prüfen eines Sandwich-Bereich (1b) andererseits und/oder umgekehrt um 20 bis 60 dB verstellt wird; – wobei zur Werkstoffprüfung eines monolithischen Bereichs (1a) des Bauteils (1) die Prüfköpfe (2,3) mit einer niedrigen Verstärkung betrieben werden und zur Werkstoffprüfung eines als Sandwich-Struktur aufgebauten Bereichs (1b) des Bauteils (1) die Prüfköpfe (2, 3) mit einer hohen Verstärkung betrieben werden.
Verfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit Ultraschall, bei dem ein zu überprüfendes Bauteil (1) mittels einer Anordnung von Ultraschallköpfen (2, 3) durchschallt wird, die auf einer vorgegebenen Bahn relativ zu dem Bauteil (1) bewegt und mittels eines Flüssigkeitsstrahls (6, 7) akustisch an das Bauteil (1) angekoppelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass zur Werkstoffprüfung sowohl von monolithischen Bereischen (1a) als auch Sandwich-Bereichen (1b) des Bauteils (1) Ultraschallköpfe (2, 3), die einen logarithmisch auflösenden Ultraschall-Empfänger besitzen, nur mit einer relativ hohen Verstärkung von mehr als 60 dB bei im wesentlichen konstanter Frequenz betrieben und in einem Arbeitsgang über das Bauteil bewegt werden; vom logarithmisch auflösenden Ultraschall-Empfänger über ein gesamtes logarithmisches Ultraschall-Empfangsspektrum erfasste Messdaten in einem Speichermittel einer Datenverarbeitungseinrichtung abgespeichert zur Überprüfung der monolithischen Bereiche (1a) des Bauteils (1) jeweils nur obere Messwertbereiche des abgespeicherten, erfassten Gesamt-Ultraschall-Empfangsspektrums ausgewertet werden, und zur Überprüfung der Sandwich-Bereiche (1b) des Bauteils (1) jeweils nur untere Messwertbereiche des abgespeicherten, erfassten Gesamt-Ultraschall-Empfangsspektrums ausgewertet werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung der Prüfköpfe (2, 3) über einen Bereich von mehr als 80 dB verstellbar ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung der Prüfköpfe (2, 3) über einen Bereich von mehr als 100 dB verstellbar ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung der Prüfköpfe (2, 3) beim Übergang von einem monolithischen Bereich (1a) zu einem Sandwich-Bereich (1b) und/oder umgekehrt um 30 bis 40 dB verstellt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Verstärkung der Prüfköpfe (2, 3) beim Übergang von einem monolithischen Bereich (1a) zu einem Sandwich-Bereich (1b) und/oder umgekehrt sprunghaft erfolgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergenannten Ansprüche 1–10 dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Verstärkung der Prüfköpfe (2, 3) beim Übergang von einem monolithischen Bereich (1a) zu einem Sandwich-Bereich (1b) und/oder umgekehrt allmählich erfolgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfköpfe (2, 3) mit einer deutlich niedrigeren Frequenz als ihrer eigentlichen Nennfrequenz betrieben werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfköpfe eine Nennfrequenz zwischen 4 und 20 MHz haben.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfköpfe eine Nennfrequenz zwischen 8 und 12 MHz haben.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfköpfe mit einer Frequenz betrieben werden, die um den Faktor 2 bis 4 unter der Nennfrequenz liegt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfköpfe mit einer Frequenz betrieben werden, die um den Faktor 4 bis 20 unter der Nennfrequenz liegt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nennfrequenz der Prüfköpfe über 8 MHz beträgt und dass die Prüfköpfe mit einer Frequenz von 2 bis 4 MHz betrieben werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) mittels einer Anordnung von zwei einander gegenüberliegenden Ultraschallköpfen (2, 3) durchschallt wird, von denen ner (2) als Sender und der andere (3) als Empfanger bertieben wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) mittels einer Anordnung von zwei einander gegenüberliegenden Ultraschallköpfen (2, 3) durchschallt wird, die jeweils abwechselnd als Sender und Empfänger bzw. als Empfänger und Sender betrieben werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zeitpunkt und/oder Ort, an dem eine Änderung der Verstärkung beim Übergang von einem monolithischen Bereich (1a) zu einem Sandwich-Bereich (1b) und/oder umgekehrt erfolgt, durch Abgleich einer aktuellen Position der Ultraschallköpfe (2, 3} in Bezug zum Bauteil (1) mit abgespeicherten Daten eines zwei- oder dreidimensionalen Konstruktionsmodells des zu prüfenden Bauteils (1) bestimmt wird.
Vorrichtung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit Ultraschall, mit einer Anordnung von Ultraschallköpfen (2, 3) zum Durchschallen eines zu überprüfenden Bauteils (1), die auf einer vorgegebenen Bahn relativ zu dem Bauteil (1) bewegbar und mittels eines Flüssigkeitsstrahls (6, 7) akustisch an das Bauteil (1) ankoppelbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass – die Verstärkung der Prüfköpfe (2, 3) über einen weiten Dynamikbereich von mehr als 60 dB verstellbar ist; und – für eine in einem Arbeitsgang erfolgende Prüfung von Bauteilen (1), die sowohl monolithische Bereiche (1a) als auch Sandwich-Bereiche (1b) aufweisen, die Verstärkung der Prüfköpfe (2, 3) beim Übergang von einem monolithischen Bereich (1a) zu einem Sandwich-Bereich (1b) und/oder umgekehrt um 20 bis 60 dB dB verstellbar ist; – wobei zur Werkstoffprüfung eines monolithischen Bereichs (1a) des Bauteils (1) die Prüfköpfe (2,3) mit einer niedrigen Verstärkung betreibbar und zur Werkstoffprüfung eines als Sandwich-Struktur aufgebauten Bereichs (1b) des Bauteils (1) die Prüfköpfe (2, 3) mit einer hohen Verstärkung betreibbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung der Prüfköpfe (2, 3) über einen Bereich von mehr als 80 dB verstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung der Prüfköpfe (2, 3) über einen Bereich von mehr als 100 dB verstellbar ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung der Prüfköpfe (2, 3) beim Übergang von einem monolithischen Bereich (1a) zu einem Sandwich-Bereich (1b) und/oder umgekehrt um 30 bis 40 dB verstellbar ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung der Prüfköpfe (2, 3) beim Übergang von einem monolithischen Bereich (1a) zu einem Sandwich-Bereich (1b) und/oder umgekehrt sprunghaft veränderbar ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung der Prüfköpfe (2, 3) beim Übergang von einem monolithischen Bereich (1a) einem Sanwich-Bereich (1b) und/oder umgekehrt allmählich veränderbar ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfköpfe (2, 3) mit einer deutlich niedrigeren Frequenz als ihrer eigentlichen Nennfrequenz betreibbar sind.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfköpfe eine Nennfrequenz zwischen 4 und 20 MHz haben.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 18 bis 25 dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfköpfe eine Nennfrequenz zwischen 8 und 12 MHz haben.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 18 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfköpfe (2, 3) mit einer Frequenz betreibbar sind, die um den Faktor 2 bis 4 unter der Nennfrequenz liegt.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 18 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfköpfe (2, 3) mit einer Frequenz betreibbar sind, die um den Faktor 4 bis 20, vorzugsweise 4 bis 8 unter der Nennfrequenz liegt.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 18 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfköpfe (2, 3) eine Nennfrequenz von über 8 MHz haben, und dass die Prüfköpfe mit einer Frequenz von 2 bis 4 MHz betreibbar sind.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 18 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anordnung von zwei einander gegenüberliegenden Ultraschallköpfen (2, 3) zum Durchschallen desBauteils (1) vorliegt, wobei ein Ultraschallkopf (2) als Sender und der andere Ultraschallkopf als Empfänger betreibbar ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 18 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anordnung von zwei einander gegenüberliegenden Ultraschallköpfen (2, 3) zum Durchschallen des Bauteils (1) vorliegt, wobei die Ultraschallköpfe (2, 3) jeweils abwechselnd als Sender und Empfänger bzw. als Empfänger und Sender betreibbar sind.