DE2945912C2 - Verfahren zur räumlichen Bestimmung von Inhomogenitäten bei der zerstörungsfreien Prüfung von Werkstoffen nach der Ultraschall-Impuls-Echo-Methode - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur räumlichen Bestimmung von Inhomogenitäten bei der zerstörungsfreien Prüfung von Werkstoffen nach der Ultraschall-Impuls-Echo-Methode, bei dem an mindestens zwei Orten auf der Werkstückoberfläche mit Prüfköpfen schräg zur Werkstückoberfläche eingeschallt und empfangen sowie die Entfernung der Inhomogenität vom Einschallort durch den Schallweg, der sich bei bekannter Ausbreitungsgeschwindigkeit, aus der Laufzeit der Schallimpulse vom Prüfkopf zur Inhomogenität und zurück ergibt, gemessen wird.

Bei der zerstörungsfreien Prüfung nach der Ultraschall-Impuls-Echo-Methode wird häufig nur aus der Einschallrichtung und der Schallaufzeit die Reflektorlage bestimmt. Wenn hierbei der Prüfkopf manuell über die Werkstückoberfläche geführt wird, kann man eine Echoanzeige auf dem Sichtteil der Prüfeinrichtung züchten. Hierzu wird der Prüfkopf in einem kleinen Winkelbereich um seine Hochachse gedreht und verschoben, bis das Echo seine maximale Höhe bzw. seinen maximalen Anzeigewert erreicht hat. Aus der Position des Prüfkopfes in den Koordinaten eines vorgegebenen oder gewählten Koordinatensystems, der Richtung der Hauptachse der Strahlungskeule und der Schallaufzeit, die bei bekannter Schallgeschwindigkeit im Werkstück den Schalllaufweg, der doppelt so lang wie die Entfernung des Schallreflektor vom Einschallungsort ist, angibt, kann der Ort des Reflektors ermittelt werden.

Diese, seit den Anfangen der Ultraschall-Prüftechnik benutzte Ortungsmethode ist nachteilig und versagt bei nicht passend zur Schallabstrahlungsrichtung orientierten Reflektoren mit ausgeprägter Richtwirkung z.B. glattflächigen Reflektoren, und sie versagt bei fast allen Reflektoren, wenn der Prüfkopf ohne Schwenkmöglichkeit um seine Hochachse auf einer vorgegebenen Spur durch eine maschinelle Führungseinrichtung bewegt wird. Bei einer solchen mechanisierten oder automatisierten Prüfung werden allgemein mäanderformige Prüfspuren vorgegeben, deren Spurabstand so bemessen ist, daß ein mittig zwischen den Spuren liegender Reflektor noch von dem Rand der Abstrahlungskeule des Prüfkopfes, also von seinem Azimut- oder Schielwinkelbereich erfaßt wird. Bei diesem Ortungsverfahren werden sämtliche Reflektoren, die nicht direkt unter der Prüfkopfspur liegen, falsch geortet.
Auch ist es bekannt, einen Reflektor von 3 Prüfkopf-Positionen (Einschallorten) aus anzuschauen und den Schnittpunkt der durch die Schallaufzeit festgelegten Kugelflächen zu bilden, wie von P. D. Hanstead in Brit. J. NDT 1979, Juli, S. 212-213, sowie in Centr. Electr. Generating Board Techn. Disclosure Bull. Nr. 291, Febr.

1978, S. 1-4 beschrieben. Dieses Ortungsverfahren hat den besonderen Nachteil, daß der Ortungsfehler unzulässig groß wird, wenn die Einschallungsorte zu nahe beieinander liegen. Um hierzu quantitativen Aussagen zu kommen, wurden unter Zugrundelegung von praxisnahen Daten Kontrollrechnungen durchgeführt.

Für drei Schafleintrittspunktesind folgende drei Koordinatentripel angenommen worden:

(0,0,0); (9, 10,0); (-7, -10,0).

Sämtliche Orts- und Längenangaben in mm. Die als eben angenommene Werkstückoberfläche ist eine X-Y-Ebene mit Z = O.

Das Werkstück hat demzufolge auf der Z-Achse negative Koordinaten. Für die Lage des Reflektors wurde das Koordinatentripel (120,0, -120) angenommen. Der Reflektor liegt also 120 mm unterhalb der als Werkstückoberfläche und damit auch als Prüfkopfankoppelfläche gewählten Ebene Z = O. Die Entfernung des Reflektors von den drei Einschallungspunkten sind R_x, R₁ und R₃.

Diese lassen sich berechnen und es ergeben sich folgende drei Werte: A₁ = 169,7; R₂ = 163,8; K₃ = 175,0.

Nimmt man als Fehler bei der Messung dieser drei Entfernungen nur eine Fehlbestimmung der V-Koordinate von nicht mehr als 1 mm an, also für R₂ = 164,8 statt 163,8 und betrachtet die anderen beiden Entfernungen R_x und /?3 und die Koordinaten der Prüfkopforte (Einschallorte) als fehlerfrei gemessen oder vorbestimmt und rechnet !nan mit dieser nur einen fehlerhaften Entfernung den Schnittpunkt der Kugelfiächen mit den Radien um die Schalleintritlsorte aus, erhält man für den vermeintlichen Refleklorort die Koordinaten (37.9; 57,5; - 155,1). Dieser vermeintliche Fehlerort ist ca. 105 mm vom wirklichen Fehlerort entfernt. Dieses Verfahren ist nachteilig und führt zu unakzeptablen Fehlmessungen, wenn die Einschallorte im Verhältnis zur Reflektorentfernung nahe beieinander liegen. So werden 7 B. bei der maschinellen Prüfung an zylindrischen Teilen von Reaktordruckbehältern die Prüfköpfe oft auf nur 10 mm voneinander entfernten parallelen Bahnen mäanderförmig über die Werkstückoberfläche geführt. Die Prüfköpfe werden oder können hierbei nicht um ihre Hochachse geschwenkt werden. Nur durch vergrößern der Abstände der Einschallungsorte, also des Spurabstandes, könnte der Reflektorortungsfehler in diesem Ortungsverfahren bei sonst gleichen Bedingungen verringert werden. Wegen der begrenzten Öffnungswinkel der Prüfkopfschallfelder (Schallabstrahlungskeulen) müssen aber, um das Werkstück lückenlos prüfen zu können, die Spuren sehr eng beieinander liegen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Ortungsverfahren anzugeben, das die Lage des Reflektors auch bei im Verhältnis zum Reflektorabstand nahe beieinanderliegenden Einschallpunkten genau zu bestimmen gestattet.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den folgenden, anhand von Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.

Es bedeutet:

Fig. 1 Eine perspektivische Darstellung der Einschallung von drei Orten aus und die Bildung eines Schnittvolumens als Reflektorort, wobei das Schnittvolumen wegen der perspektivischen Darstellung in der K-Achse in einem 1 lmm-Äaster dargestellt ist.

Fig 2 Perspektivische Darstellung einer Fehl ortung mit den selben Daten wie bei der Beschreibung des Standes der Technik angenommen.
Mit den angenommenen Koordinaten der Sclhalleintrittspunkte P₁=(O, 0, 0); P₂ = (9, 10, 0); P₃ = (-7, -10, 0) und einer wahren Lage des Reflektors mit den Koordinaten O„. = (120, 0, —120) wobei der Einfachheit halber die Prüfstückoberfläche als eine Ebene Z=Q) angesehen wird, ergeben sich die drei Entfernungen zu R₁ = 169,7; A₂ = 163,8 und A₃ = 175,0. (Sämtliche Angaben in Einheiten der Koordinatenachsen, z. B. in mm). Wird jetzt, wie bereits beim Stand der Technik angenommen, nur der Radius R-, mit einem Fehler von einem Millimeter belegt und wird mit der fehlerhaften Entfernung R₂' = 164,8 mm die Fehlerlage als Schnittpunkt der drei durch die Radien gegebenen Kugelflächen ausgerechnet, ergibt sich entsprechend Fig. 2 der gemessene, also scheinbare, Fehlerort zu O₅₁,,, = (37,9; 57,5; - 155,1). Der gemessene Fehlerort 0^₁₁ liegt vom wahren Fehlerort ca. 105 mm entfernt. Dieser unvertretbar große Ortungsfehler entsteht durch eine Fehlbestimmung nur einer Entfernung (R₂) um 1 mm bei sonst als genau angenommenen Bestimmungsgrößen.

Um den Erfindungsgedanken einfacher beschreiben zu können, werden die zum Stand der Technik (Fig. 2) genannten Daten weiter verwendet und es wird angenommen, daß die Prüfkopforientierung senkrecht zur !'-Achse verläuft, die Schallebenen der an den drei Einschallorten aufgesetzten Prüfköpfe verlaufen also parallel zur A'-Z-Ebene, so daß für die folgenden Betrachtungen die Prüfköpfe alle zueinander parallel ausgerichtet sind, und ihre akustischen Achsen (Hauptabstrahlrichtungen) senkrecht zur y-Achse verlaufen. Zur weiteren Vereinfachung der Beschreibung des Ausführungsbeispieles wird angenommen, daß die Einschallorte genau bekannt sind, ihnen also keine Toleranz- oder Fehlerangaben zugeordnet sind. Für einen Punkt des ;iN Reliektororl gesuchten Durchschnittsvolumens müssen Unter den genannten Voraussetzungen folgende Bedingungen erfüllt werden.

Gl. 1

(A₁ - A A_v)² s: (A"- α, )² + (Y- b_v)² + Z² si (A₁ + A A₁,)²

_Y Gl. 2

sin (α, -Αα_ν)ίζ ;__=_—=1.=;=^-^sin (α, + Aa.) Gl. 3 1 (λ--α_ν)⁷+Ζ²

cosy.«-

v=l „

/; = Anzahl der Schalleintrittsorte

(X-a_v)²+Z²

GI. 4

Die Gleichung 1 gibt den Werkstückbereich in negativen Z-Koordinalen an. Die Gleichung 2 gibt das Intervall für den Schallweg an, also den Schallweg von einem Einschallort einschließlich der für diesen Weg angenommenen Toleranz bzw. Abweichung. Die Gleichung 3 gibt den Einschallwinkelbereich des jeweiligen Prüfkopfes an, also den Öffnungswinkel des Schallkopfes in der Schallebene, wobei als Schallebene hier die A'-Z-Ebene anzusprechen ist. Die Gleichung 4 stellt den Schielwinkelbereich des jeweiligen Prüfkopfes dar, das ist also der Öffnungswinkel des Prüfkopfes senkrecht zur Schallebene.

Im einzelnen bedeuten

1. σ_ν und b_v die Koordinaten auf der X- bzw. K-Achse für den v-ten Einschallort P_v=(a_v; b_y; 0);

2. A₁. die aus der Schallaufzeit gemessene Entfernung des Reflektors vom Einschallort P_v;

3. AR_x. den max. Fehlerbereich der R_v-Messung.

4. oc_v den Schallwinke], das ist der Winkel zwischen Schallstrahl-Hauptachse und Oberflächennormale;

5. Aa.,. den halben Schallwinkelbereich; +^a₁. ist der zur Messung ausnutzbare Winkelbereich des (divergenten) Schallstrahlbündels gemessen in der Schallebene. Im Werkstück ist der nutzbare Schallwinkelbereich folglich α,, ±Aa_y;

6. ±y_T den zur Messung ausnutzbaren Schielwinkelbereich im Werkstück; das ist der Winkelbereich senkrecht zur Schallebene.

Als wahrer Reflektorort wird wieder der Punkt (120,0, -120) angenommen. Damit gilt R₁ =169,7; R₂ = 163,8 und A₃ = 175,0. Dies sind die zu den gegebenen Einschallorten und dem angenommenen Reflektorort gehörenden richtigen Entfernungen. Der maximale Fehlerbereich für die Entfernungsmessungen wird zu A A₁ — 6 mm angenommen. Die Einschallwinkel α, sind mit 45° gewählt, wobei jeder Winkel einen Schallwinkelbereich A a_v von + 3° haben soll, also α, = α₂ = α₃ = 45° und Aa₁ = Διχ₂ = ^a₃ = ±3°.

Als Schielwinkel werden für alle drei Köpfe + 4° angenommen, also y, =γ₂ =>·₃ = +4°.

Der Schielwinkelbereich ist folglich bei allen drei Köpfen (-4°; +4°).

Es wird also in diesem Bereich mit 3 gleichen Prüfköpfen gearbeitet. Nun wird wie im Beispiel zum Stand der Technik für die Entfernung A₂ ein Meßfehler von 1 mm angenommen, in Gleichung 2 werden also folgende Größen eingesetzt: A₁I^IA₁ = IoQJtO; A₂ ±A R₂ = (163,8 +1) + 6=164,8±6; A₃ +J A₃ = 175,0±6.

Bestimmt man aus den Gleichungen 1 bis 4 mit diesen Werten das als Reflektorort gesuchte Durchschnittsvolumen, z. B. durch das schallmäßige Abtasten eines hinreichend großen, und das gesuchte Volumen sicher enthaltenen Bereiches, wobei die Koordinaten in einem 1 mm-Raster aufgelöst sind, so erhält man als Reflektorort das in Figur 1 dargestellte Durchschniltsvolumen 4. Dieses Durchschnittsvolumen ist in der X-Richtung ca. 3 mm lang (dargestellt in F i g. 1 durch die drei Scheiben 3c, 3a, 3/>). in der Z-Richtung ca. 10 mm lang und in der A"-Richtung ca. 12 mm lang. Der wahre Reflektorort O_n liegt folglich im dem Durchschnittsvolumen in y-Richtung auf der Grenze der beiden Scheiben 3r und 3a. Damit ist der Reflektorort auf ca. 8 mm genau bestimmt gegenüber einem Fehler von ca. 105 mm vor Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Statt mit 3 Prüfköpfen von drei verschiedenen Orten aus zu messen, ist es selbstverständlich auch möglich, mit nur einem Prüfkopf zu arbeiten, und nacheinander von drei Orten aus in das Werkstück einzuschallen. In dem Ausführungsbeispiel wurden, um nahe an den in der Figur 2 dargelegten Stand der Technik zu bleiben, von drei Orten aus eingeschallt. Für die Durchführung des

	5	29 45	1	Hierzu 2 Bhitt	1
SF		Verfahrens genügt es aber bereits, von nur zwei Orten aus einzuschallen. Statt mit mindestens 2 Prüfköpfen von mindestens zwei verschiedenen Orten aus zu messen, ist es selbstver ständlich auch möglich, mit nur 1 Prüfkopf nacheinander 5 von mindestens zwei Orten aus zu messen.	i i ι		912 I 6 I
I;; Γ ". t " j		I		Die Erfindung ermöglicht eine sehr genaue Angabe 1 des Reflektorortes; die notwendigen Rechenoperatio- 1 nen können mit einem programmierbaren Rechner | durchgeführt werden, der es auch gestattet, noch wäh- $ rend des Prüfbetriebes die Rechenoperationen durchzu- | führen. |
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Claims (1)

1. Patentansprüche:

   Verfahren zur räumlichen Bestimmung von Inhomogenitäten bei der zerstörungsfreien Prüfung von Werkstoffen nach der Ultraschall-impuls-Echo-Methode, bei dem an mindestens zwei Orten auf der Werkstückoberfläche mit Prüfköpfen schräg zur Werkstückoberfläche eingeschallt und empfangen sowie die Entfernung der Inhomogenität vom Einschallort durch den Schallweg, der sich bei bekannter Ausbreitungsgeschwindigkeit aus der Laufzeit der Schallimpulse vom Prüfkopf zur Inhomogenität und zurück ergibt, gemessen wird, dadurch gekennzeichnet,

   - daß aus der jeweiligen Schall wegtoleranz, dem jeweiligen Schallwinkelbereich und dem jeweiligen Schiehvinkelbereich ein in bezug auf den ersten Ort erstes Volumen (V₁) und ein in bezug auf den zweiten Ort zweites Volumen (V₂) bestimmt wird,

   - daß aus diesen beiden Volumina ihr Durchschnittsvolumen (V, η V₂) ermittelt wird,

   daß durch die Koordinatendes Durchschnittsvolumens in bezug auf die Oberfläche der räumliche Erwartungsbereich der Inhomogenität bestimmt wird.