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WO2004055508A1 - Verfahren und vorrichtung zur grössenbestimmung eines risses in einem werkstück mittels der ultraschall-impuls-methode___________ - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur grössenbestimmung eines risses in einem werkstück mittels der ultraschall-impuls-methode___________ Download PDF

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WO2004055508A1
WO2004055508A1 PCT/DE2003/003238 DE0303238W WO2004055508A1 WO 2004055508 A1 WO2004055508 A1 WO 2004055508A1 DE 0303238 W DE0303238 W DE 0303238W WO 2004055508 A1 WO2004055508 A1 WO 2004055508A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
crack
workpiece
envelope
test head
fracture
Prior art date
Application number
PCT/DE2003/003238
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English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Berke
Original Assignee
Agfa Ndt Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Agfa Ndt Gmbh filed Critical Agfa Ndt Gmbh
Priority to US10/539,537 priority Critical patent/US7240554B2/en
Priority to EP03769224A priority patent/EP1518112A1/de
Publication of WO2004055508A1 publication Critical patent/WO2004055508A1/de

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    • G01N2291/2632—Surfaces flat

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the size of a crack in a workpiece by means of the ultrasonic pulse method and to an apparatus for performing this method.
  • the pulse echo technique is a generally known method, reference is made to the DE book Krautkrämer and Krautkrämer, material testing with ultrasound.
  • a test head sends out ultrasonic pulses. These are at least partially reflected by an imperfection, for example an internal separating surface, a crack or another material defect, and received again by the same test head. They are evaluated with regard to their echo amplitude and, if necessary, taking into account their transit time.
  • the envelope obtained is now evaluated by means of a gate or an evaluation panel.
  • the evaluation aperture is set to 50% of the maximum amplitude of the envelope, its time start is the intersection with the rising edge of the envelope, the time end is the intersection with the falling edge of the envelope.
  • the value of the speed of sound is changed so much until the evaluation diaphragm matches the envelope curve sufficiently. This process is generally described as lengthy and is only recommended for cracks whose dimensions, in particular depth, cannot be determined otherwise.
  • the error size is calculated from a formula that takes into account the product of the maximum amplitude and the time interval between the two 50% amplitudes.
  • the echo sound signals are digitized and stored in a memory as pairs of values over the term. If the angle test head is completely moved over the cracks, a large number of value pairs are obtained, which are limited by an envelope.
  • only the maximum amplitude values for the individual transit times are stored, that is, only the envelope is stored.
  • the size of the error can now be determined directly from the envelope curve, this can be done by means of a computer module which is provided in the ultrasound device.
  • the size of the error is proportional to the product of the maximum amplitude times the half-width of the envelope.
  • the proportionality factor k is determined by measurements on cracks with a known error depth. In this way, the size of a crack in the workpiece can be determined without large manual adjustments and regardless of the skill of the respective ultrasonic tester.
  • the method is suitable for extensive and preferably complete automation.
  • Amax A'maxX 10 ⁇ / 2 0
  • Amax is the amplitude before the gain change
  • A is the amplitude after the gain change
  • Angle probes with a flat inson angle have proven to be cheap. They require a greater displacement of the angle probe than with angle probes with smaller insonification angles.
  • a crack is then found, it is checked whether the envelope curve on both sides drops so far that it goes down to the value of the zero line. If this is not the case, a outputting speaking signal to the inspector, which causes the inspector to move the angle test head further away from the found crack to an area where the found crack is no longer noticeable at all in the amount of the echo signal.
  • an array of a larger number of individual test heads is used instead of an angle test head. These are controlled so that either the same effect is achieved as when moving an angle probe over the surface, i.e. a parallel displacement of the main beam, or the angle of the beam is changed. In both cases, mechanical movement relative to the surface is no longer necessary. In other words, the arrangement of several individual probes in the array one after the other replaces the displacement required for a single probe.
  • Test head placed on a workpiece that has a crack the course of the main beam of this test head is also shown,
  • Fig. 2 a representation like Fig. 1, but in a different position of the
  • Echo amplitude A (in volts or%) over the respective transit time t (in ms), the determination of the full width at half maximum and the maximum amplitude is shown.
  • a workpiece 20 can be seen from FIGS. 1 and 2, which has a front surface 22 and a rear surface 24.
  • Typical examples of such workpieces are pipes, for example pipes with larger diameters, e.g. in the range 20 - 80 cm diameter.
  • pipes for fluid lines (pipelines), but also sheets and objects of any application are well field pipes, pipes for fluid lines (pipelines), but also sheets and objects of any application.
  • An angle test head 28 is placed on the front surface 22. It sends ultrasound pulses at an angle alpha into the volume of the workpiece 20 along a main beam 30, which is located in the center of a radiation lobe of the test head 28.
  • the test head 28 is a so-called transmit / receive test head, also called S / E test head, it therefore serves both to send out and to receive ultrasonic pulses.
  • the angle test head 28 is connected on the one hand to a transmitter module 32, also called TX, and on the other hand to a receiver module 34, also called RX.
  • An analog-to-digital converter 36 also called an A / D converter, is connected to the output of the receiver module.
  • a memory 40 also called a MEM, is connected to this output.
  • a computer module 42 is provided, it is also referred to as a microcomputer or ⁇ C. It is connected to all electronic components of the ultrasonic testing device, this is shown by dashed lines.
  • the parts 32-42 form the ultrasonic testing device. Its structure is actually known, so that there is no need to go into detail about the ultrasonic testing device.
  • a typical example of an ultrasonic testing device that can be used for the method is the device USM 25 from the applicant.
  • the reference numeral 29 is shown in dashed lines a second position of the test head 28.
  • the test head 28 is moved along the arrows 44. The movement must be sufficiently large that the crack 26 is run over.
  • a radiation lobe 46 is indicated in addition to the main beam 30.
  • the test head is moved so far that it travels over the crack 26 and again reaches a position in which it is located outside the crack 26, i.e. on the other side is as far away as that Dashed position of the angle test head 28.
  • angles of incidence alpha are around 45 °, typically in the range 45-60 °. However, this does not exclude other angles alpha.
  • the probe frequencies are in the MHz range, for example 1-5 MHz.
  • the ultrasound pulses are scanned with a repetition frequency of 50 - 100 Hz. Much higher frequencies are possible, the same applies to smaller frequencies.
  • a test procedure is as follows:
  • the test head 28 emits ultrasound pulses along the main beam 30. These ultrasonic pulses either hit the crack 26 directly or the back surface 24. In both cases they are reflected towards the back surface 24 or the crack 26 and run back into the test head 28 after the angle mirror effect.
  • the main beam 30 runs initially towards the rear surface 24, from there, after reflection, runs in a short distance towards the crack 26 and from there back into the test head.
  • Each position of the test head 28 leads to an echo sound signal with a certain runtime. Each new position has a different transit time and a different value for the echo signals.
  • the echo sound signals picked up by the receiver module 34 are amplified there and then digitized in the A / D converter 36. Only the maximum amplitudes for a probe position and thus for a running time are stored in the memory 40. At the same time, the A-image of the current transmission pulse and / or the maximum values of all measurements carried out so far are displayed on the monitor as part of the movement along the arrows 44.
  • the maximum amplitudes for all occurring transit times form an envelope curve 48, as shown in FIG. 3.
  • FIG. 2 shows the relative position between test head 28 and crack 26, at which the main beam 30 just hits the tip of the crack 26, whereas in FIG. 1 the test head 28 is in a position in which it is relatively close to the Root of the crack is 26.
  • approximately half of the radiation lobe 46 passes the crack 26, provided that the crack has a corresponding geometry, approximately half of the radiation lobe is reflected in the test head 28.
  • the maximum amplitude is typically reached, for example, in the position of the test head 28 according to FIG. 1. It can be seen that the position in FIG. 2 is a position with which the half-width t2-tl of the error can be detected.
  • a 180 ° offset test head 29 is shown in dashed lines, including its main beam 30. This is intended to clarify that the crack 26 can also be detected from the other side. Both measurements, as indicated in FIG. 2, can be combined, for example the mean value of the depth of the error obtained for both insonification directions can be output as the error depth T.
  • test error 50 is also shown in FIG. 2, it is a saw cut with a known depth and a known width. It is used to adjust the ultrasound device. This works as follows:
  • the depth of error T50 is known for the test error.
  • the test error 50 is now checked by means of the test method, an envelope curve is created which is similar to the envelope curve for the error 26 according to FIG. 3.
  • a half-value width at 50% of the maximum amplitude is drawn into the envelope curve 48 there. It begins at the total term tl and ends at the total term t2. This is also done for the envelope of the test error 50.
  • a proportionality factor k is now calculated from the quotient depth of the test error to the half-value width of this test error.
  • the half-value width determined from the envelope curve according to FIG. 3 is multiplied by the proportionality factor k, the result is the crack depth T.
  • the crack depth T is displayed directly on the monitor 38, in FIG. 3 the value is 5.2 mm as an example specified.
  • the maximum amplitude of the envelope 48 is 80%, so the half value is 40%.
  • the computer module 42 calculates the associated half-value amplitude.
  • the gain can be changed according to the formula shown above.
  • FIG. 3 also shows a current echo 52, as it usually appears on the A-picture. It does not quite reach the level of an amplitude value measured earlier for the same transit time t3, and would therefore be disregarded when stored in memory 40.
  • the half-width t2 minus tl is automatically calculated in the computer module 42. Common arithmetic operations, which belong to the state of the art, are necessary for this, they do not have to be discussed in detail.
  • the envelope is also called echodynamics.
  • the product of the full width at half maximum and the maximum amplitude is multiplied by the proportionality factor k, the result is the crack depth.
  • the method has the advantage that the stored envelopes etc. can also be transmitted with a test report on the ultrasound test carried out. So there will be better documentation on enables. It is also possible to evaluate the envelopes later from different points of view.
  • FIG. 3 shows two evaluation thresholds 54 and 56 at the base points of the envelope 48. They are placed so that they are just above the zero line. They are intersected by the envelope, so the envelope is both above and below them. This ensures that the envelope has been completely captured, that is, the test head has been moved sufficiently far from the crack 26. This is advantageous for automatically working measurement processes. However, it is to be understood that it is generally sufficient to record the envelope 48 to just below the half-value, this is sufficient for the measurement according to the invention.

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Abstract

Verfahren zur Größenbestimmung eines Risses (26) in einem Werkstück (20), insbesondere der Tiefe eines Risses (26) in diesem Werkstück (20), mittels der Ultraschall-Impuls-Methode und mit folgenden Verfahrensschritten: ein Werkstück (20) hat eine Frontfläche (22) und eine Rückfläche (24), im Werkstück (20) befindet sich ein Riss (26) der von der Rückfläche (24) ausgeht, ein Winkelprüfkopf (28) wird auf die Frontfläche (22) aufgesetzt, er sendet Ultraschallimpulse in einem Winkel alpha in das Werkstück (20) und empfängt Echosignale dieser Impulse, der Winkelprüfkopf (28) wird mindestens einmal über den Riss (26) bewegt, sodass die Strahlungskeule (46) des Winkelprüfkopfes (28) den Riss (26) vollständig überstreicht, die empfangenen Echosignale werden digitalisiert und in einem Speicher (40) abgespeichert als Wertepaare Echosignal über Laufzeit, die abgespeicherten Wertepaare bilden eine nach oben durch eine Hüllkurve (48) begrenzte Menge, aus der Breite der Hüllkurve (48) bei einer vorbestimmten Teilamplitude und aus der Maximalamplitude der Hüllkurve (48) wird die Abmessung des Risses (26) ermittelt.

Description

Bezeichnung: Verfahren und Vorrichtung zur Größenbestimmung eines Risses in einem Werkstück mittels der Ultraschall- Impuls-Methode
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Größe eines Risses in einem Werkstück mittels der Ultraschall-Impuls-Methode und auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Die Impuls-Echotechnik ist ein allgemein bekanntes Verfahren, verwiesen wird auf das DE-Buch Krautkrämer und Krautkrämer, Werkstoffprüfung mit Ultraschall. Ein Prüfkopf sendet Ultraschallimpulse aus. Diese werden von einer Ungänze, beispielsweise einer inneren Trennfläche, einem Riss oder einem anderen Materialfehler zumindest teilweise reflektiert und vom selben Prüfkopf wieder empfangen. Sie werden hinsichtlich ihrer Echoamplitude und gegebenenfalls unter Berücksichtigung ihrer Laufzeit ausgewertet.
Bekannt ist auch die Bestimmung der Größe einer Ungänze nach der sogenannten Halbwertsmethode. Man geht davon aus, dass der Zentralstrahl des Prüfkopfes genau dann einen Rand der Ungänze trifft, wenn die Amplitude des Echos von einem Maximalwert, den sie bei vollem Erfassen der Ungänze hat, auf die Hälfte, also -6 dB abgefallen ist. Bei dieser Halbwertsmethode muß man jedoch die Bewegung des Prüfkopfes relativ zum Werkstück erfassen. Man kann nun für die Größenbestimmung einer Ungänze zusätzlich noch die Laufzeit der empfangenen Echosignale berücksichtigen.
Aus den Spezifikationen des American Petroleum Institutes „Recommended Practice for Ultrasonic Evaluation of Pipe Imperfections" ist ein Verfahren zur Größenbestimmung von Rissen bekannt, bei dem ein Winkelprufkopf über den Riss verschoben wird, sodass seine Strahlungskeule den Riss über- fährt. In einem sogenannten A-Bild wird in einer ersten Ausführungsweise dieser vorgeschlagenen Messung einerseits die maximale Echoamplitude gesucht und festgehalten und die zugehörige Laufzeit notiert, andererseits werden die Laufzeiten notiert für die Echosignale, die genau den halben Wert der Maximalamplitude entsprechen. Das Verfahren ist recht aufwendig. In einer zweiten Ausführungsweise wird eine Hüllkurve dargestellt, Voraussetzung ist ein Ultraschallgerät, das eine Vorrichtung zur Speicherung der Maximalamplituden hat, beispielsweise einen Speicheroszillograf. Die erhaltene Hüllkurve wird nun mittels eines Gatters bzw. einer Auswerteblende ausgewertet. Die Auswerteblende wird auf 50% der Maximalamplitude der Hüllkurve eingestellt, ihr zeitlicher Beginn ist der Schnittpunkt mit der Anstiegsflanke der Hüllkurve, das zeitliche Ende ist der Schnittpunkt mit der abfallenden Flanke der Hüllkurve. Es wird nun für die Berechnung der Fehlergröße der Wert der Schallgeschwindigkeit so stark verändert, bis die Auswerteblende mit der Hüllkurve ausreichend übereinstimmt. Dieses Verfahren wird allgemein als langwierig beschrieben und nur empfohlen für solche Rissen, deren Abmessung, insbesondere Tiefe, nicht anderweitig bestimmt werden kann. Aus einer Formel, die das Produkt der Maximalamplitude und des Zeitabstandes der beiden 50 %- Amplituden berücksichtigt, wird jeweils die Fehlergröße errechnet.
Die bisher bekannten Verfahren liefern zwar Abmessungen für Risse, sie haben aber bei der praktischen Durchführung Nachteile. Hier setzt die Erfindung ein. Sie hat es sich zur Aufgabe gemacht, ein Nachweisverfahren für eine Größenabmessung von Rissen, insbesondere für die Tiefe eines Risses anzugeben, das ohne große Manipulationen unmittelbar zu einem Wert führt, also rasch einen Ausgangswert ermittelt und sich für ein automatisches Verfahren eignet.
Diese Aufgabe wird gelöst durch Erfindungsgemäß werden die Echoschallsignale digitalisiert und in einem Speicher als Wertepaare abgespeichert über der Laufzeit. Wird der Winkelprufkopf einmal vollständig über die Risses hinweggefahren, so erhält man eine Vielzahl von Wertepaaren, die nach oben durch eine Hüllkurve begrenzt sind.
In einer bevorzugten Ausführungsweise der Erfindung werden jeweils nur die maximalen Amplitudenwerte für die einzelnen Laufzeiten abgespeichert, es wird also nur die Hüllkurve gespeichert.
Aus der Hüllkurve kann nun direkt die Größe des Fehlers ermittelt werden, dies kann mittels eines Rechnerbausteins erfolgen, der im Ultraschallgerät vorgesehen ist. Die Größe des Fehlers ist proportional dem Produkt aus Maximalamplitude mal Halbwertsbreite der Hüllkurve. Der Proportionalitätsfaktor k wird durch Messungen an Rissen mit bekannter Fehlertiefe ermittelt. Auf diese Weise kann ohne große manuelle Justierungen und unabhängig vom Geschick des jeweiligen Ultraschallprüfers die Größe eines Risses im Werkstück festgestellt werden. Das Verfahren eignet sich zur weitgehenden und vorzugsweise vollständigen Automatisierung.
Im Gegensatz zu dem Verfahren nach dem Stand der Technik ist es nun nicht mehr notwendig, die maximalen Referenzamplituden auf 80% der Bildschirmhöhe einzuregeln. Die maximalen Echoamplituden können mit hoher Auflösung gemessen und gespeichert werden. Eine Halbwertslinie kann direkt errechnet und auf en EBildschirm dargestellt werden. Die Halbwertsbreite der Hüllkurve lässt sich unmittelbar automatisch bestimmen und auch auf den Bildschirm darstellen.
Es ist möglich, den Verstärkungsfaktor des Ultraschallgerätes zu ändern, ohne dass hierdurch das Berechnungsverfahren, das im Gerät abläuft, zu fehlerhaften Aussagen über die Risstiefe kommt. Wenn, wie es in der Praxis passieren kann, die maximale Echoamplitude des Fehlerechos entweder zu hoch, also über 100 % liegt, oder zu klein ist (zu flache Echodynamikkurve), wird die Verstärkung des Ultraschallgerätes geändert. Die Verstärkungsänderung dV wird erfaßt. Mit der Verstärkungsänderung dV muß die maximale Amplitude des Fehlerechos umgerechnet werden, dies erfolgt nach der Formel 1
Amax = A'maxX 10 ^/20
Dabei ist Amax die Amplitude vor der Verstärkungsänderung, A ist die Amplitude nach der Verstärkungsänderung.
Als günstig haben sich Winkelprüfköpfe mit flachem Einschallwinkel erwiesen. Bei ihnen ist eine größere Verschiebung des Winkelprüfkopfes erforderlich als bei Winkelprüfköpfen mit kleineren Einschallwinkeln.
Als günstig hat sich erwiesen, die erhaltene Hüllkurve, wie sie im Speicher abgespeichert ist, mittels einer Auswerteeinrichtung, beispielsweise einer Auswerteblende, dahingehend zu überprüfen, ob tatsächlich der Winkelprufkopf so ausreichend weit vom Riss wegbewegt wurde, das an beiden Seiten der Hüllkurve ein Wert erreicht wird, der dem Echosignal ohne jeglichen Einfluss des erfassten Risses entspricht. Die entsprechende elektronische Auswerteschaltung erfasst einerseits, dass die Hüllkurve bis zur Nulllinie heruntergeht und andererseits, dass dies an beiden Flanken der Hüllkurve auch tatsächlich passiert. Diese Überprüfungen können automatisch vom Prüfgerät selbst und ohne Einfluss des Prüfers durchgeführt werden. Das Prüfgerät speichert eine Nulllinie, wie sie vorliegt, wenn beim Suchen nach einem Riss keinerlei Riss erfasst wird. Wenn dann ein Riss festgestellt wurde, wird geprüft, ob beidseits der Hüllkurve diese soweit abfällt, dass sie bis auf den Wert der Nulllinie heruntergeht. Ist dies nicht der Fall, wird ein ent- sprechendes Signal an den Prüfer ausgegeben, das diesen veranlasst, den Winkelprufkopf weiter weg vom aufgefundenen Riss zu bewegen bis zu einem Bereich, wo der aufgefundene Riss sich in Höhe des Echosignals überhaupt nicht mehr bemerkbar macht.
In einer geänderten Ausbildung der Erfindung wird anstelle eines Winkelprüfkopfs ein Array aus einer größeren Anzahl von Einzelprüfköpfen eingesetzt. Diese werden so angesteuert, dass entweder derselbe Effekt erreicht wird wie bei Verschieben eines Winkelprüfkopfes über die Oberfläche, also ein Parallelversetzen des Hauptstrahls, oder der Winkel des Strahls wird verändert. In beiden Fällen ist eine mechanische Bewegung relativ zur Oberfläche nicht mehr notwendig. Anders ausgedrückt ersetzt die Anordnung mehrerer einzelner Prüfköpfe in dem Array hintereinander die bei einem Einzelprüfkopf benötigte Verschiebung.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele näher erläutert und beschrieben. Diese Ausführungsbeispiele sind nicht einschränkend zu verstehen. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 : eine Darstellung einer Ultraschall-Prüfanordnung mit einem
Prüfkopf, der auf ein Werkstück aufgesetzt ist, das einen Riss hat, gezeigt ist auch der Verlauf des Hauptstrahls dieses Prüfkopfs,
Fig. 2: eine Darstellung wie Fig. 1, jedoch in einer anderen Position des
Prüfkopfes relativ zum Riss,
Fig. 3: eine Darstellung einer Hüllkurve, nämlich maximale erreichte
Echoamplitude A (in Volt bzw. %) über der jeweiligen Laufzeit t (in ms), eingezeichnet ist die Ermittlung der Halbwertsbreite und der Maximalamplitude.
Aus den Figuren 1 und 2 ist ein Werkstück 20 ersichtlich, das eine Frontfläche 22 und eine Rückfläche 24 hat. Typische Beispiele für derartige Werkstücke sind Rohre, beispielsweise Rohre mit größeren Durchmessern, z.B. in Bereich 20 - 80 cm Durchmesser. Typischerweise sind es Bohrfeldrohre, Rohre für Fluidleitungen (Pipelines), aber auch Bleche und Gegenstände beliebiger Anwendung.
Im Werkstück 22 befindet sich ein Riss 26, der von der Rückfläche 24 ausgeht. Es kann sich auch um einen internen Riss handeln, der keinerlei Verbindung mit der Rückfläche 24 hat.
Auf die Frontfläche 22 ist ein Winkelprufkopf 28 aufgesetzt. Er sendet entlang eines Hauptstrahls 30, der sich im Zentrum einer Strahlungskeule des Prüfkopfes 28 befindet, Ultraschallimpulse in einem Winkel Alpha in das Volumen des Werkstücks 20. Der Prüfkopf 28 ist ein sogenannter Sende- Empfangs-Prüfkopf, auch S/E- Prüfkopf genannt, er dient also sowohl dem Aussenden als auch dem Empfangen von Ultraschallimpulsen.
Der Winkelprufkopf 28 ist einerseits mit einem Sendebaustein 32, auch TX genannt, und andererseits mit einem Empfängerbaustein 34, auch RX genannt, verbunden. Am Ausgang des Empfängerbausteins ist ein Analog- Digital- Wandler 36, auch A/ D-Wandler genannt, angeschlossen. An dessen Ausgang wiederum ist einerseits ein Monitor 38 zur Darstellung eines A- Bildes und einer Hüllkurve, er wird auch als MON bezeichnet, angeschlossen. Andererseits ist ein Speicher 40, auch MEM genannt, an diesen Ausgang angeschlossen. Über geeignete Schaltungsmaßnahmen, die an sich bekannt sind, können im Speicher 40 abgespeicherte Informationen auf dem Monitor 38 dargestellt werden, der Monitor 38 stellt aber auch das jeweils bei einer aktuellen Prüfung erhaltene A-Bild dar. Schließlich ist ein Rechnerbaustein 42 vorgesehen, er wird auch als Mikrocomputer oder μC bezeichnet. Er ist mit allen elektronischen Bausteinen des Ultraschallprüfgerätes verbunden, dies ist durch gestrichelte Linien dargestellt. Dabei bilden die Teile 32 - 42 das Ultraschallprüfgerät. Dessen Aufbau ist eigentlich bekannt, sodass auf das Ultraschallprüfgerät nicht näher eingegangen werden muss. Ein typisches Beispiel für ein Ultraschallprüfgerät, das für das Verfahren eingesetzt werden kann, ist das Gerät USM 25 der Anmelderin.
In Fig. 1 ist gestrichelt noch die Bezugsziffer 29 eine zweite Position des Prüfkopfes 28 gezeigt. Bei der Prüfung wird der Prüfkopf 28 entlang der Pfeile 44 bewegt. Die Bewegung muss so ausreichend groß sein, dass der Riss 26 überfahren wird. Bei dem gestrichelt dargestellten Winkelprufkopf ist zusätzlich zum Hauptstrahl 30 eine Strahlungskeule 46 angedeutet. Zur Definition von Strahlungskeulen wird auf das eingangs genannte DE-Buch verwiesen. Bei der Prüfung wird ausgehend von der gestrichelten Position der Prüfkopf so weit verschoben, dass er über den Riss 26 hinwegfährt und wieder eine Position erreicht, in der er sich außerhalb des Risses 26 befindet, also wieder auf der anderen Seite so weit weg ist wie die gestrichelte Position des Winkelprüfkopfes 28. Dabei muss hier betont werden, dass die gestrichelte Position sehr weit weg ist und hier schon die Möglichkeit besteht, dass in der gestrichelten Position der Riss 26 wiederum erfasst wird, nunmehr aber nach Reflexion des Hauptstrahls 30, der strichpunktiert eingezeichnet ist, zunächst an der Rückfläche 24, dann an der Frontfläche 22, und von dort zum Riss 26 hin.
Bei der praktischen Prüfung liegen die Einschallwinkel alpha um 45°, typisch liegen sie im Bereich 45-60°. Damit sind aber andere Winkel alpha nicht ausgeschlossen. Die Prüfkopffrequenzen liegen im Bereich MHz, bei- spielsweise 1-5 MHz. Die Ultraschallimpulse werden mit einer Wiederholungsfrequenz von 50 - 100 Hz. eingeschallt, wesentlich größere Frequenzen sind möglich, das gleiche gilt für kleinere Frequenzen.
Ein Prüfverfahren läuft wie folgt ab:
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, sendet der Prüfkopf 28 Ultraschallimpulse entlang des Hauptstrahls 30 aus. Diese Ultraschallimpulse treffen entweder den Riss 26 direkt oder die Rückfläche 24. In beiden Fällen werden sie reflektiert zur Rückfläche 24 bzw. zum Riss 26 hin und laufen nach dem Winkelspiegeleffekt zurück in den Prüfkopf 28. In der Position gemäß Fig. 1 läuft der Hauptstrahl 30 zunächst auf die Rückfläche 24 zu, verläuft von dort nach Reflexion in einem kurzen Wegstück auf den Riss 26 hin und von diesem zurück in den Prüfkopf.
Jede Position des Prüfkopfes 28 führt zu einem Echoschalsignal bei einer gewissen Laufzeit. Jede neue Position hat eine andere Laufzeit und einen anderen Wert für die Echosignale. Die vom Empfängerbaustein 34 aufgenommenen Echoschallsignale werden dort verstärkt und anschließend digitalisiert im A/D-Wandler 36. Im Speicher 40 werden jeweils nur die Maximalamplituden für eine Prüfkopfposition und somit für eine Laufzeit abgespeichert. Gleichzeitig wird auf dem Monitor das A-Bild des aktuellen Sendeimpulses und/ oder werden die Maximalwerte aller bisher durchgeführten Messungen im Rahmen der Bewegung entlang der Pfeile 44 dargestellt. Die Maximalamplituden für alle vorkommenden Laufzeiten bilden eine Hüllkurve 48, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist.
Fig. 2 zeigt die Relativposition zwischen Prüfkopf 28 und Riss 26, bei dem der Hauptstrahl 30 gerade die Spitze des Risses 26 trifft, wo hingegen sich in Fig. 1 der Prüfkopf 28 in einer Position befindet, in der er relativ nahe der Wurzel des Risses 26 ist. In der Position gemäß Fig. 2 geht etwa die Hälfte der Strahlungskeule 46 am Riss 26 vorbei, vorausgesetzt, der Riss hat eine entsprechende Geometrie, etwa die Hälfte der Strahlungskeule wird in den Prüfkopf 28 reflektiert. Dies führt zu einer Amplitude des Echosignals, die etwa 50 % unter der Maximalamplitude liegt. Die Maximalamplitude wird beispielsweise in der Position des Prüfkopfes 28 nach Fig. 1 typischerweise erreicht. Man erkennt, dass die Position in Fig. 2 eine Position ist, mit der man die Halbwertsbreite t2-tl des Fehlers erfassen kann.
In Fig. 2 ist gestrichelt noch ein 180° versetzter Prüfkopf 29 dargestellt, einschließlich seines Hauptstrahls 30. Damit soll verdeutlicht werden, dass der Riss 26 auch von der anderen Seite her erfasst werden kann. Beide Messungen, wie sie in Fig. 2 angedeutet sind, können kombiniert werden, es kann beispielsweise der Mittelwert der für beide Einschallrichtungen erhaltenen Tiefe des Fehlers als Fehlertiefe T ausgegeben werden.
In Fig. 2 ist noch ein bewusst eingebrachter Testfehler 50 dargestellt, es handelt sich um einen Sägeschnitt mit bekannter Tiefe und bekannter Breite. Er dient der Justierung des Ultraschallgerätes. Diese läuft wie folgt ab:
Für den Testfehler ist die Fehlertiefe T50 bekannt. Der Testfehler 50 wird nun mittels des Prüfverfahrens geprüft, es wird eine Hüllkurve erstellt, die ähnlich ist wie die Hüllkurve für den Fehler 26 gemäß Fig. 3. In die dortige Hüllkurve 48 ist eine Halbwertsbreite bei 50% der Maximalamplitude eingezeichnet. Sie beginnt bei der Gesamtlaufzeit tl und endet bei der Gesamtlaufzeit t2. Ebenso wird dies für die Hüllkurve des Testfehlers 50 durchgeführt. Es wird nun ein Proportionalitätsfaktor k errechnet aus dem Quotienten Tiefe des Testfehlers zu Halbwertsbreite dieses Testfehlers. Damit kann nun die Fehlertiefe T des Risses 26 nach dem Dreisatz oder mit Hilfe des Proportionalitätsfaktors k bestimmt werden, dies nach der Formel T = k x Halbwertsbreite des Risses.
Anders ausgedrückt wird die aus der Hüllkurve gemäß Fig. 3 ermittelte Halbwertsbreite mit dem Proportionalitätsfaktor k multipliziert, das Ergebnis ist die Risstiefe T. Die Risstiefe T wird unmittelbar auf dem Monitor 38 angezeigt, in Fig. 3 ist als Beispiel der Wert 5,2 mm angegeben.
In Fig. 3 ist die Maximalamplitude der Hüllkurve 48 bei 80 %, damit ist der Halbwert bei 40 %. Bei anderen Maximalamplituden berechnet der Rechnerbaustein 42 die zugehörige Halbwertsamplitude. Zudem kann die Verstärkung nach der oben wiedergegebenen Formel verändert werden.
In Fig. 3 ist noch ein aktuelles Echo 52, wie es üblicherweise auf dem A-Bild erscheint, dargestellt. Es erreicht nicht ganz die Höhe eines schon früher gemessenen Amplitudenwertes für die gleiche Laufzeit t3, würde daher bei der Speicherung im Speicher 40 unberücksichtigt bleiben.
Die Halbwertsbreite t2 minus tl wird im Rechnerbaustein 42 automatisch errechnet. Hierzu sind gängige Rechenoperationen, die zum Stand der Technik gehören, notwendig, auf sie muss nicht im Einzelnen näher eingegangen werden.
Die Hüllkurve wird auch als Echodynamik bezeichnet. Das Produkt aus der Halbwertsbreite und der Maximalamplitude wird mit dem Proportionalitätsfaktor k multipliziert, das Ergebnis ist die Risstiefe.
Das Verfahren hat den Vorteil, dass mit einem Prüfbericht über die durchgeführte Ultraschallprüfung auch zusätzlich die abgespeicherten Hüllkurven usw. mitübermittelt werden können. Es wird also eine bessere Dokumentati- on ermöglicht. Es wird auch eine spätere Auswertung der Hüllkurven unter anderen Gesichtspunkten möglich.
In Fig. 3 sind schließlich noch zwei Auswerteschwellen 54 und 56 an den Fußpunkten der Hüllkurve 48 dargestellt. Sie werden so gelegt, dass sie knapp oberhalb der Nulllinie liegen. Sie werden von der Hüllkurve durchschnitten, die Hüllkurve liegt also sowohl über als auch unter ihnen. Damit ist sichergestellt, dass die Hüllkurve vollständig erfasst wurde, der Prüfkopf also ausreichend weit von dem Riss 26 wegbewegt wurde. Dies ist für automatisch arbeitende Messabläufe vorteilhaft. Es ist aber wohl zu verstehen, dass es grundsätzlich ausreicht, die Hüllkurve 48 bis knapp unterhalb des Halbwertes zu erfassen, dies ist für die erfindungsgemäße Messung ausreichend.

Claims

Bezeichnung: Verfahren und Vorrichtung zur Größenbestimmung einer Risses in einem Werkstück mittels der Ultraschall- Impuls-MethodePatentansprüche
1. Verfahren zur Größenbestimmung eines Risses in einem Werkstück, insbesondere der Tiefe eines Risses in diesem Werkstück, mittels der Ultraschall-Impuls-Methode und mit folgenden Verfahrensschritten:
- ein Werkstück hat eine Frontfläche und eine Rückfläche, im Werkstück befindet sich ein Riß, der von der Rückfläche ausgeht,
- ein Winkelprufkopf wird auf die Frontfläche aufgesetzt, er sendet Ultraschallimpulse in einem Winkel alpha in das Werkstück und empfängt Echosignale dieser Impulse,
- der Winkelprufkopf wird mindestens einmal über den Riss bewegt, sodass die Strahlungskeule des Winkelprüfkopfes den Riss vollständig überstreicht,
- die empfangenen Echosignale werden digitalisiert und in einem Speicher abgespeichert als Wertepaare Echosignal über Laufzeit, die abgespeicherten Wertepaare bilden eine nach oben durch eine Hüllkurve begrenzte Menge,
- aus der Breite der Hüllkurve bei einer vorbestimmten Teilamplitude und aus der Maximalamplitude der Hüllkurve wird die Abmessung des Risses ermittelt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden einzelnen Wert der Laufzeit von mehreren erhaltenen Echoamplituden jeweils nur die Echoamplitude mit dem größten Wert abgespeichert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessung der Risses proportional ist dem Produkt aus der Maximalamplitude der Hüllkurve mal der Breite der Hüllkurve bei 50 % der Maximalamplitude.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelprufkopf Bestandteil eines Ultraschallprüfgerätes ist, dass dieses Ultraschallprüfgerät weiterhin einen Rechnerbaustein aufweist und dass dieser Rechnerbaustein die Fehlergröße als Wert ausgibt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelprufkopf mehrfach über den Riss bewegt wird, vorzugsweise, dass er hin- und herbewegt wird.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Bestimmung (Wertmessung) eines Risses in einem Werkstück mittels der Ultraschall - Impuls - Methode, die Vorrichtung weist auf:
- einen Winkelprufkopf, der Bestanteil eines Ultraschallprüfgerätes ist, welches weiterhin folgende Teile aufweist:
- a) einen Senderbaustein und einen Empfängerbaustein, b) einen A/ D-Wandler, der dem Empfängerbaustein nachgeschaltet ist,
- c) einen Speicher, der vom Sendebaustein empfangene und vom A/D- Wandler digitalisierte Echosignale im Zusammenhang mit der jeweili- gen Laufzeit als Wertepaare speichert, wobei für jede einzelne Laufzeit jeweils nur die größte erhaltene Echoamplitude gespeichert wird und d) einen Rechnerbaustein, der aus der Maximalamplitude und einer Breitenabmessung der gespeicherten Hüllkurve die Tiefe des Risses errechnet.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschallgerät einen Monitor aufweist, auf dem die Hüllkurve dargestellt wird.
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