DE102014104914A1

DE102014104914A1 - Vorrichtung und Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings mittels Ultraschall nach der Vergleichskörpermethode

Info

Publication number: DE102014104914A1
Application number: DE102014104914.4A
Authority: DE
Inventors: Wolf-Dietrich Kleinert
Original assignee: GE Sensing and Inspection Technologies GmbH
Current assignee: Baker Hughes Netherlands Holdings II BV
Priority date: 2014-01-31
Filing date: 2014-04-07
Publication date: 2015-08-20
Also published as: WO2015113939A1; EP3100041A1

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings 100 mittels Ultraschall, wobei das Verfahren zur Charakterisierung von Fehlern oder Ungänzen 99 im Material des Prüflings 100 nach der Vergleichskörper-Methode eingerichtet ist. Hierzu werden Ultraschallpulse mit einer bestimmten Bandbreite B erzeugt und in einen Vergleichskörper in Schrägeinschallung unter einem Einschallwinkel Θ eingekoppelt. Der Vergleichskörper besteht aus einem Werkstoff, der identisch oder akustisch äquivalent mit dem Werkstoff des Prüflings 100 ist und zumindest einen Referenzreflektor bekannter Geometrie umfasst. Nachfolgend werden Echosignalen aus dem Vergleichskörper aufgenommen, die vom Referenzreflektor herrühren. Diese werden dergestalt verarbeitet, dass auf Basis einer allgemeinen DAC-Kurve durch Anpassung an das Echosignal des Referenzreflektors eine Einschallwinkel-spezifische DAC-Kurve für den Prüfling 100 bestimmt wird. Weiterhin umfasst die Erfindung eine Vorrichtung, die zur Ausführung eines solchen Verfahrens eingerichtet ist.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings mittels Ultraschall, wobei die Vorrichtung bzw. das Verfahren zur Charakterisierung von Fehlern oder Ungänzen im Material eines Prüflings nach der Vergleichskörpermethode eingerichtet ist. Insbesondere ist die Vorrichtung bzw. das Verfahren dazu vorgesehen, eine winkel- und prüfkopfspezifische DAC-Kurve für einen zu untersuchenden Prüfling aufzunehmen, um diesen nachfolgend gemäß der Vergleichskörpermethode auf Fehler bzw. Ungänzen zu untersuchen.
Die sogenannte Vergleichskörpermethode ist eine insbesondere in den USA gebräuchliche Methode zur quantitativen Beurteilung von Fehlern bzw. Ungänzen im Material eines Prüflings. Sie basiert auf einem Vergleich der von einem Fehler bzw. einer Ungänze herrührenden Echoanzeige mit der Amplitude eines definiert angeschallten Vergleichsreflektors. In der Praxis werden als Vergleichsreflektoren Querbohrungen mit definiertem Durchmesser verwendet, die in unterschiedlicher Tiefe in einen Vergleichskörper eingebracht sind. Der Vergleichskörper besteht dabei aus einem Material, welches in seinen akustischen Eigenschaften dem Material des Prüflings so ähnlich wie möglich ist. Diese akustischen Eigenschaften sind dabei z.B. vom Material, also z.B. der verwendeten Stahlsorte, dem Herstellungsverfahren sowie der thermischen Behandlung abhängig. Vor der Durchführung der tatsächlichen Prüfaufgabe muss im Rahmen der Vergleichskörpermethode stets für jeden gewünschten Einschallwinkel bzw. jeden zu verwendenden Prüfkopf eine sogenannte winkel- und prüfkopfspezifische DAC-Kurve (DAC = „distance amplitude correction“) für den Prüfling an einem geeigneten Vergleichskörper aufgenommen werden, in der die Verstärkung als Funktion der Laufzeit aufgetragen ist, die erforderlich ist, um die Echosignale der in unterschiedlichen Tiefen liegenden identischen Referenzreflektoren, in der Regel also Querbohrungen, auf eine vorbestimmte Höhe, z.B. 80% der maximalen Anzeigenhöhe, zu bringen. Aus der Abnahme der Echohöhe eines ausgewählten Referenzreflektors in Abhängigkeit seines Abstands vom Prüfkopf lässt sich ein abstandsabhängiger, also laufzeitabhängiger, Verstärkungsfaktor TCG („time corrected gain“) bestimmen, der angewendet werden kann, damit identische Querbohrungen unabhängig von ihrem jeweiligen Abstand vom Prüfkopf stets dieselbe Echoanzeige hervorrufen. Dieser kann bei der Durchführung der Prüfaufgabe automatisch auf die experimentell ermittelten Echosignale angewendet werden.
Die Vergleichskörpermethode hat Eingang in vielfältige Prüfnormen gefunden, so beispielsweise in US-Prüfnormen herausgegeben von der ASME, der ASTM sowie der AWS, die sämtlich die Aufnahme einer DAC-Kurve verlangen. Weitere Informationen zur Vergleichskörpermethode können beispielsweise dem Standardwerk Krautkrämer J., Krautkrämer H., Werkstoffprüfung mit Ultraschall, Springer Verlag, 5. Auflage (1986) an den im Sachregister verzeichneten Stellen zum Eintrag „Vergleichskörper“ entnommen werden.
Vorteilhaft an der Vergleichskörpermethode ist, dass experimentelle Effekte, die grundsätzlich Unsicherheiten erzeugen könnten, wie z.B. eine frequenzabhängige Schallschwächung im Prüfling, aufgrund der experimentell bestimmten DAC-Kurve keinen Einfluss haben. Nachteilig ist jedoch der enorme Aufwand, der zur Aufnahme der erforderlichen DAC-Kurve(n) erforderlich ist, der sich in einer ähnlichen Größenordnung wie die eigentliche Prüfaufgabe bewegen kann.
Diesen Nachteil vermeidet die sogenannte AVG-Methode (AVG = Amplitude, Verstärkung, Größe; englisch: DGS = Distance, gain, size), die in den späten 50er Jahren des 20. Jahrhunderts in Europa entwickelt wurde. Auch sie ist eine Methode zur quantitativen Beurteilung von Fehlern bzw. Ungänzen im Material eines Prüflings und basiert auf einem Vergleich der von einem Fehler bzw. einer Ungänze herrührenden Echoanzeige mit der Amplitude eines definiert angeschallten Vergleichsreflektors. In der Praxis wird der senkrecht angeschallte Kreisscheibenreflektor verwendet, dessen abstandsabhängige Echoamplitude zumindest für das Fernfeld des zur Erzeugung des Ultraschalls verwendeten Ultraschallwandlers theoretisch bestimmt werden kann. In der Praxis ist zumindest eine Eichmessung an einem Referenzreflektor, der in einen Vergleichskörper eingebracht ist und z.B. aus einer kreisbogenförmigen Rückwand des Vergleichskörpers bestehen kann (sog. „Vergleichskörper Nr. 1‘‘), erforderlich, um den Verstärkungsfaktor zu bestimmen, der angewendet werden muss, um die Echoamplitude dieses Referenzreflektors auf eine definierte Anzeigenhöhe, z.B. 80% der maximalen Anzeigenhöhe, zu bringen. Hiermit wird eine im Vorfeld bestimmte, oftmals in einer Speichereinheit der verwendeten Prüfvorrichtung abgelegte, AVG-Kurve, die spezifisch ist für den Prüfkopf sowie den gewählten Einschallwinkel, kalibriert. Eine AVG-Kurve gibt den abstandsabhängigen Verlauf des Verstärkungsfaktors an, der eingestellt werden muss, um das Echo eines Referenzreflektors mit einer bestimmten Größe D auf die Höhe des Rückwandechos zu bringen, wobei die Größe D bei Kreisscheibenreflektoren als Referenzreflektoren deren Durchmesser entspricht. Ein AVG-Diagramm wiederum umfasst eine Mehrzahl von AVG-Kurven für Referenzreflektoren verschiedener Größe D.
Auch im Rahmen der AVG-Methode wird also ein aufgefundener Fehler bzw. eine aufgefundene Ungänze quantitativ charakterisiert durch einen Vergleich mit der Größe eines Kreisscheibenreflektors, der eine Fehleranzeige mit äquivalenter Echoamplitude liefert. Die Größe eines solchen Kreisscheibenreflektors wird als „Ersatzreflektorgröße“ ERG (englisch: ERS = „equivalent reflector size“) des zu charakterisierenden Fehlers / der zu charakterisierenden Ungänze bezeichnet. Theoretisch kann auch mit anderen Vergleichsreflektoren gearbeitet werden, z.B. mit Querbohrungen. Dies ist jedoch unüblich.
Wiederum sind die mittels der AVG-Methode bestimmten Fehlergrößen / ERG-Werte nur unter engen Voraussetzungen vergleichbar mit der tatsächlichen Fehlergröße bzw. der Größe einer Ungänze, wie sie beispielsweise mittels zerstörender Prüfung bestimmt werden kann. Dennoch hat sie Eingang in vielfältige Prüfnormen gefunden, so beispielsweise in die Europäische Prüfnorm EN 583-2:2001.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, welches es erlaubt, den zur Prüfung eines Prüflings mittels Ultraschall nach der Vergleichskörpermethode erforderlichen Kalibrieraufwand wesentlich zu verringern. Weiterhin ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, die zur Durchführung eines solchen Verfahrens eingerichtet ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 12 sowie eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen deren Merkmale im Rahmen des technisch Sinnvollen beliebig miteinander kombiniert werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings mittels Ultraschall. Dabei ist das Verfahren zur Charakterisierung von Fehlern oder Ungänzen im Material des Prüflings nach der Vergleichskörpermethode eingerichtet. Im Rahmen des Verfahrens werden Ultraschallpulse mit einer bestimmten Bandbreite B erzeugt und in Schrägeinschallung unter einem festeb Einschallwinkel Θ in einen Vergleichskörper eingekoppelt. Dabei besteht der Vergleichskörper aus einem Werkstoff, der identisch mit dem Werkstoff des Prüflings ist, oder zumindest akustisch äquivalent, d.h. vergleichbare akustische Eigenschaften aufweist. Weiterhin umfasst der Vergleichskörper zumindest einen Referenzreflektor bekannter Geometrie, wobei es sich bei dem Referenzreflektor im einfachsten Fall um eine halbkreisförmige Rückwand mit bekanntem Radius handeln kann. Bei dem Referenzreflektor kann es sich aber auch um eine Querbohrung mit bekanntem Durchmesser handeln. Äquivalente akustische Eigenschaften sind in der Regel dann gegeben, wenn die Materialien identisch sind, es sich also beispielsweise um dieselbe Stahlsorte handelt, sowie der Prüfling und der Vergleichskörper einer vergleichbaren Verarbeitung bzw. Wärmebehandlung unterzogen wurden. Insbesondere bedeutet dies, dass die longitudinalen und transversalen Schallgeschwindigkeiten sowie die materialspezifische Schallschwächung in allen Ausbreitungsrichtungen im Prüfling und im Vergleichskörper übereinstimmen.
In einem weiteren Verfahrensschritt werden Echosignale aus dem Vergleichskörper aufgenommen, die vom Referenzreflektor herrühren. Nachfolgend werden die aufgenommenen Echosignale dergestalt verarbeitet, dass auf Basis einer allgemeinen DAC-Kurve eine einschallwinkelspezifische DAC-Kurve für den Vergleichskörper und damit für den Prüfling bestimmt wird. Dies geschieht durch Anpassung der allgemeinen DAC-Kurve an das Echosignal des Referenzreflektors.
Unter einer allgemeinen DAC-Kurve wird im Kontext der vorliegenden Erfindung eine DAC-Kurve verstanden, die spezifisch ist für den Ultraschall-Prüfkopf, der zur Erzeugung der verwendeten Ultraschallpulse eingesetzt wird, die akustischen Eigenschaften des Materials des Prüflings bzw. des Vergleichskörpers sowie in der Regel den Einschallwinkel Θ. Im Folgenden wird ein Verfahren angegeben, mit dessen Hilfe es möglich ist, eine solche allgemeine DAC-Kurve auf Basis theoretischer Überlegungen zu bestimmen. Im Ergebnis erhält man eine Funktion f, welche die allgemeine DAC-Kurve beschreibt, und die zumindest in numerischer Form vorliegt. Je nach verwendeter Berechnungsmethode kann die Funktion f aber auch in einer analytischen Form vorliegen, wobei sie in der Regel von verschiedenen Parametern wie der Schallgeschwindigkeit im Material des Prüflings bzw. Vergleichskörpers, dem Einschallwinkel Θ, den geometrischen Abmessungen des Referenzreflektors, einem Korrekturfaktor zur Berücksichtigung der Transferkorrektur sowie weiteren Korrekturfaktoren zur Berücksichtigung der geometrischen bzw. materialspezifischen Schallschwächung im Material des Prüflings bzw. des Vergleichskörpers abhängen kann.
In der einfachsten Ausprägung besteht die erfindungsgemäß vorzunehmende Anpassung der allgemeinen DAC-Kurve an das Echosignal des Referenzreflektors aus einer Parallelverschiebung der allgemeinen DAC-Kurve in Y-Richtung, dergestalt, dass der am Referenzreflektor des Vergleichskörpers gewonnene Messpunkt auf der parallel verschobenen DAC-Kurve zu Liegen kommt. Dies entspricht einer Anpassung an die individuelle Empfindlichkeit des verwendeten Prüfkopfs. Darüber hinaus kann eine Verschiebung in X-Richtung sinnvoll sein, um die bei einer Veränderung des Einschallwinkels eines Phased-Array-Prüfkopfs in der Regel auftretende Änderung der Vorlauflänge zu berücksichtigen. Werden sogenannte trueDGS^®-Prüfköpfe verwendet, auf die im Folgenden noch genauer eingegangen wird, ist die bei einer Änderung des Einschallwinkels auftretende Änderung der Vorlauflänge tabelliert und kann einfach automatisiert berücksichtigt werden.
Alternativ ist es möglich, einen der vorgenannten Parameter, von denen die allgemeine DAC-Kurve abhängen kann, als Fitparameter zu verwenden und diesen so anzupassen, dass die sich ergebende spezielle einschallwinkelspezifische DAC-Kurve durch den Messpunkt verläuft, welche am Referenzreflektor des Vergleichskörpers gewonnen wurde.
Die vorgeschlagene Verfahrensweise entlastet einen Prüfer bei der Durchführung einer Prüfaufgabe gemäß der Vergleichskörpermethode ganz wesentlich, da der bisher erforderliche erhebliche Aufwand zur Aufnahme einer material-, Einschallwinkel- sowie prüfkopfspezifischen DAC-Kurve für den Prüfling im Wesentlichen auf die Aufnahme eines einzelnen Echosignals von einem Referenzreflektor im Vergleichskörper reduziert wird, um die individuelle Empfindlichkeit des verwendeten Prüfkopfs zu berücksichtigen. Dies gilt insbesondere, wenn zur Erzeugung und Einschallung des Ultraschalls ein Prüfkopf verwendet wird, der eine Verstellung des Einschallwinkels Θ erlaubt. Eine elektronische Einstellung des Einschallwinkels Θ erlauben insbesondere sogenannte „phased array“-Prüfköpfe, die eine Mehrzahl individuell ansteuerbarer Wandlersegmente aufweisen. Durch gezielte Auswahl und phasengenaue Ansteuerung der Wandlersegmente ist es möglich, wesentliche Ultraschallparameter wie Nahfeldlänge, Sendeapertur, Fokuslage und -größe sowie Einschallwinkel Θ elektronisch einzustellen.
Im Vorfeld einer konkreten Prüfaufgabe wird hierzu eine allgemeine DAC-Kurve bestimmt, welche sowohl die Materialeigenschaften des Prüflings bzw. Vergleichskörpers als auch den Einschallwinkel Θ als auch die Eigenschaften des verwendeten Prüfkopfs berücksichtigt. Diese allgemeine DAC-Kurve hat Gültigkeit für beliebige Einschallwinkel Θ. Aufgenommen wird sie anhand der Vermessung von zumindest einer, bevorzugt zumindest zwei und besonders bevorzugt einer Mehrzahl unterschiedlich vom Prüfkopf beabstandeter identischer Referenzreflektoren unter einem festen Einschallwinkel Θ. An diese experimentell gewonnen Echosignale wird nachfolgend eine für den gewählten Einschallwinkel spezifische DAC-Kurve angepasst. Aus dieser einschallwinkelspezifischen DAC-Kurve kann dann rechnerisch eine allgemeine DAC-Kurve bestimmt werden. Dieses Verfahren ist bei der zum Anmeldezeitpunkt zur Verfügung stehenden Rechenleistung auch von Personal-Computern mit geringem Zeitaufwand möglich. Eine so im Vorfeld einer Prüfaufgabe theoretisch bestimmte allgemeine DAC-Kurve kann dann in die zur Durchführung zur Prüfaufgabe verwendete Vorrichtung übernommen werden. Selbstverständlich kann aber auch die verwendete Prüfvorrichtung dazu eingerichtet sein, auf Basis von Eingaben des Prüfers, die sich auf den verwendeten Prüfkopf, die Eigenschaften des Prüflings sowie den verwendeten Einschallwinkel Θ beziehen, eine allgemeine DAC-Kurve zu bestimmen.
In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Bestimmung einer einschallwinkelspezifischen DAC-Kurve für den Prüfling bei festem Einschallwinkel Θ eine Mehrzahl, insbesondere zumindest zwei, von Referenzreflektoren vermessen, die unterschiedliche Abstände vom Prüfkopf aufweisen. An die so gewonnenen Echosignale, die bevorzugt von identisch dimensionierten Referenzreflektoren herrühren, wird dann die allgemeine DAC-Kurve angepasst. Bereits die Vermessung von zwei Referenzreflektoren erlaubt es, auch die materialspezifische Schallschwächung zu berücksichtigen. Hierzu kann ein Faktor F für die materialspezifische Schallschwächung neben der individuellen Empfindlichkeit des verwendeten Prüfkopfs als Fitparameter verwendet werden. Werden mehr als zwei Referenzreflektoren vermessen, so verbessert dies nochmals die Genauigkeit der vorgenommenen Anpassung und damit die Zuverlässigkeit der auf Basis der Anpassung ermittelten DAC-Kurve. Bei trueDGS^®-Prüfköpfen kann dabei darüber hinaus noch auf die tabellierten Werte für die einschallwinkelspezifische Vorlauflänge zurückgegriffen werden.
Wird der eine oder werden die mehreren Referenzreflektoren, die in den Vergleichskörper eingebracht sind, als Querbohrungen ausgeführt, so ergibt sich der besondere Vorteil, dass verschiedene amerikanische Prüfnormen für die Ultraschallprüfung die Verwendung der Vergleichskörpermethode vorschreiben, wobei als Referenzreflektoren Querbohrungen im Vergleichskörper vorgeschrieben sind. In dieser Ausgestaltung lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren daher vorteilhaft unmittelbar im Rahmen der von den zitierten US-amerikanischen Prüfnormen vorgeschriebenen Prüfverfahren einsetzen.
Grundsätzlich gilt, dass sich eine besonders gute Übereinstimmung der theoretisch berechneten DAC-Kurven mit experimentellen Ergebnissen ergibt, wenn die frequenzabhängige Amplitudenverteilung der verwendeten Ultraschallprüfpulse zugrunde gelegt wird. Hierzu kann in der Praxis beispielsweise von einer Gaußförmigen Frequenzverteilung mit einer prüfkopfspezifischen Bandbreite B sowie einer ebenfalls prüfkopfspezifischen Mittenfrequenz f₀ zugrundegelegt werden. Dies bedeutet, dass die allgemeine DAC-Kurve, die dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrunde liegt, in der Regel spezifisch ist für die Bandbreite B der eingekoppelten Ultraschallpulse. Hieraus folgt unmittelbar, dass auch die ermittelte einschallwinkelspezifische DAC-Kurve in der Regel spezifisch ist für die Bandbreite B der eingekoppelten Ultraschallpulse.
Eine noch höhere Übereinstimmung mit experimentell ermittelten Echowerten an Referenzreflektoren lässt sich erzielen, wenn bei der Bestimmung der allgemeinen DAC-Kurve für die Geometrie des gewählten Referenzreflektors weiterhin noch die Polarisation der Ultraschallpulse berücksichtigt wird. Dies bedeutet, dass die dem Verfahren zugrunde gelegte allgemeine DAC-Kurve spezifisch ist für die Polarisation P der eingekoppelten Ultraschallpulse, woraus unmittelbar folgt, dass die Einschallwinkel spezifische DAC-Kurve in der Regel ebenfalls abhängig von der Polarisation der eingekoppelten Ultraschallpulse ist.
Grundsätzlich gilt, dass sich die theoretische Bestimmung der allgemeinen DAC-Kurve einfach gestaltet, wenn der Berechnung die Annahme zugrunde gelegt werden kann, dass das Schallfeld der aus den Referenzreflektor auftreffenden Ultraschallpulse rotationssymmetrisch zur Ausbreitungsrichtung der Ultraschallpulse ist. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung, im allgemeinen also die Gesamtheit bestehend aus Ultraschallprüfkopf und Ansteuereinheit, daher dazu eingerichtet, ein im Prüfling rotationssymmetrisches Schallfeld zu erzeugen. Entsprechende, insbesondere schrägeinschallende, Ultraschallprüfköpfe sind beispielsweise aus der WO 2010/130819 A1 der Anmelderin bekannt, die unter der Bezeichnung trueDGS^® vertrieben werden. Aus dieser Anmeldung ergibt sich insbesondere, auf welche Weise ein einstückiger Sendewandler eines schräg einschallenden Ultraschallprüfkopfs gestaltet sein muss, um ein im Prüfling rotationssymmetrisches Schallfeld zu erzeugen. Für die meisten Prüfaufgaben in Impulsechotechnik ist eine Schrägeinschallung wünschenswert oder sogar Voraussetzung. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung erlaubt ein im Prüfling rotationssymmetrisches Schallfeld eine vereinfachte Berechnung des Material- bzw. Sendewandler-spezifischen AVG-Diagramms. Der WO 2010/130819 A1 kann weiterhin entnommen werden, dass es auch mittels Gruppenstrahlertechnik möglich ist, ein im Prüfling rotationssymmetrisches Schallfeld zu erzeugen. Hierzu werden z.B. selektierte Wandler eines zweidimensionalen, bevorzugt, aber nicht notwendigerweise ebenen Arrays von individuell ansteuerbaren Wandlern phasengenau angesteuert. Hierzu ist die Ansteuereinheit geeignet auszubilden. Beide hier erwähnte Möglichkeiten, ein im Prüfling rotationssymmetrisches Schallfeld zu erzeugen, gehören zum Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei der Bestimmung der einschallwinkelspezifischen DAC-Kurve für den Prüfling die materialspezifische frequenzabhängige Schallschwächung der für die Prüfung eingesetzten Ultraschallpulse im Prüfling bzw. im Vergleichskörper berücksichtigt. Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass aus zumindest zwei aus dem Vergleichskörper empfangenen Echosignalen identischer Referenzreflektoren, die unterschiedlich vom Ultraschallprüfkopf beabstandet sind, ein Faktor F für die frequenzabhängige Schallschwächung im Material des Prüflings bestimmt wird. Details dazu, auf welche Weise eine solche Bestimmung möglich ist, können der am selben Tag wie die vorliegende Anmeldung beim Deutschen Patent- und Markenamt hinterlegten Anmeldung des Anmelders der vorliegenden Anmeldung mit dem Az. 10 2014 101 230 entnommen werden, die bezeichnet ist mit „Verfahren und Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings mittels Ultraschall unter Berücksichtigung der frequenzabhängigen Schallschwächung“. Durch diese Bezugnahme wird der Inhalt der in Bezug genommenen Patentanmeldung vollumfänglich zum Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung hinzugefügt.
Der so bestimmte Faktor F für die frequenzabhängige Schallschwächung im Material des Prüflings kann beispielsweise unmittelbar bei der Berechnung der allgemeinen DAC-Kurve mitberücksichtigt werden.
Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass die allgemeine DAC-Kurve in ihrer allgemeinen Form einen Faktor F für die frequenzabhängige Schallschwächung im Prüfling umfasst. Legt man eine praxisgerechte Spektralverteilung der verwendeten Sendepulse beispielsweise in Form einer Gauß-Funktion zugrunde, so ist es möglich, anhand der Vermessung einer begrenzten Anzahl von identischen Referenzreflektoren, die unterschiedliche Abstände vom Prüfkopf aufweisen, diesen frequenzabhängigen Faktor F aus einer Anpassung der DAC-Kurve an die experimentell bestimmten Referenzechos zu ermitteln.
Ein alternativer Ansatz geht dahin, dass der Faktor F für die frequenzabhängige Schallschwächung im Prüfling mit einem unabhängigen Verfahren bestimmt wird, wobei nochmals auf die vorstehend bereits in Bezug genommene tagesgleiche Anmeldung der Anmelderin mit dem Titel „Verfahren und Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings mittels Ultraschall unter Berücksichtigung der frequenzabhängigen Schallschwächung“ verwiesen wird. Hat man hierüber den Faktor F bestimmt, was beispielsweise durch die Vermessung zweier unterschiedlich beabstandeter identischer Referenzreflektoren erfolgen kann, so kann der Einfluss der materialspezifischen frequenzabhängigen Schallschwächung im Material des Prüflings sowohl bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens als auch bei der Durchführung der konkreten Prüfaufgabe selbst dadurch kompensiert werden, dass aus dem Spektrum der empfangenen Referenzechos unter Anwendung des Faktors F korrigierte Spektren berechnet werden, in denen der Einfluss der materialspezifischen frequenzabhängigen Schallschwächung gerade herausgerechnet ist. Die so erhaltenen korrigierten Spektren können dann wieder in die Zeitdomaine zurücktransformiert werden, wodurch man korrigierte Echosignale erhält, in denen der Einfluss der materialspezifischen frequenzabhängigen Schallschwächung nicht mehr enthalten ist. Diese korrigierten Echosignale können dann einerseits bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens Verwendung finden, so dass die Berücksichtigung des materialspezifischen frequenzabhängige Schwächungsfaktors F bei der Bestimmung der allgemeinen DAC-Kurve gerade nicht mehr erforderlich ist. Andererseits können die im Rahmen der Ausführung der Prüfaufgabe aufgefundenen Fehlerechos auf dieselbe Weise korrigiert werden, so dass der Einfluss der materialspezifischen frequenzabhängigen Schallschwächung gerade kompensiert wird.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings mittels Ultraschall vorgesehen, wobei die Vorrichtung zur Charakterisierung von Fehlern oder Ungänzen im Material des Prüflings nach der Vergleichskörpermethode eingerichtet ist. Die Vorrichtung umfasst einen Ultraschallprüfkopf mit einem Ultraschallwandler zur Erzeugung und Einkopplung eines Ultraschallfelds in den Prüfling in Schrägeinschallung unter einem Einschallwinkel Θ. Weiterhin ist der Ultraschallprüfkopf zur Aufnahme resultierender Echosignale aus dem Prüfling eingerichtet. wobei hier ggf. ein separat vom Sendeprüfkopf ausgebildeter Empfangsprüfkopf mit bevorzugt identischen Ultraschalleigenschaften verwendet werden kann. Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine Ansteuereinheit zur Ansteuerung des Ultraschallprüfkopfs, so dass dieser Ultraschallpulse mit einer bestimmten Bandbreite B erzeugt.
Schließlich umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Empfangseinheit zum Aufnehmen von Echosignalen mittels des Ultraschallprüfkopfs. Weiterhin ist eine mit der Empfangseinheit verbundene Auswerteeinheit vorgesehen, die zur Verarbeitung der aufgenommenen Echosignale eingerichtet ist. Dabei ist die Auswerteeinheit insbesondere dazu eingerichtet, aus zumindest einem Echosignal eines Referenzreflektors zu einem Vergleichskörper eine DAC-Kurve für den Prüfling zu bestimmen. Dabei besteht der verwendete Vergleichskörper aus einem Werkstoff, der identisch oder akustisch äquivalent mit dem Werkstoff des Prüflings ist.
Erfindungsgemäß ist nun die Auswerteeinheit dazu eingerichtet, auf Basis einer allgemeinen DAC-Kurve, die spezifisch für den verwendeten Prüfkopf (Wandlergeometrie, Einschallwinkel Θ, Mittenfrequenz f₀, Bandbreite B) sowie das Material des Prüflings sein kann und die insbesondere in einer Speichereinheit der Auswerteeinheit abgelegt sein kann, durch Anpassung der allgemeinen DAC-Kurve an das Echosignal des Referenzreflektors eine einschallwinkelspezifische DAC-Kurve für den Prüfling zu bestimmen.
In vorteilhaften Weiterbildungen ist die erfindungsgemäße Vorrichtung, hier insbesondere die umfasste Auswerteeinheit, zur Ausführung der vorstehend beschriebenen vorteilhaften Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Auf die diesbezüglichen Ausführungen wird verwiesen.
Einleitend wurde erläutert, dass sich DAC-Kurven im Kontext der einleitend erwähnten Vergleichskörpermethode in der Regel auf Querbohrungen mit einem Durchmesser Dz beziehen. In Bezug auf AVG-Kurven wurde im Kontext der einleitend erwähnten AVG-Methode erläutert, dass sich diese auf Kreisscheibenreflektoren mit dem Durchmesser D_r als Referenzreflektoren beziehen. Es lässt sich zeigen, dass die AVG-Kurve eines Kreisscheibenreflektors mit dem Durchmesser D_r im Fernfeld gleich weit von der Rückwandechokurve beabstandet ist wie die DAC-Kurve einer Querbohrung mit dem Durchmesser D_z, wenn folgende Bedingung erfüllt ist:
mit:

λ:: Wellenlänge Ultraschall
D_s:: Durchmesser des zur Erzeugung des Ultraschalls verwendeten kreisförmigen Ultraschallwandlers
N_num:: numerischer Wert der Nahfeldlänge des zur Erzeugung des Ultraschalls verwendeten kreisförmigen Ultraschallwandlers

Selbstverständlich können alle Merkmale der vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen bzw. Weiterbildungen der Erfindung beliebig miteinander kombiniert werden, soweit dies technisch möglich ist. Dies gilt auch für die Merkmale des nachfolgenden Ausführungsbeispiels, aus welchem sich weitere Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben. Das Ausführungsbeispiel dient dem Fachmann zur Veranschaulichung der Erfindung und ist daher beispielhaft und nicht einschränkend zu verstehen. Es nimmt Bezug auf die Figuren, die folgendes zeigen:
1: ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2: den Schalldruck des verwendeten Schallfelds senkrecht zur akustischen Achse,
3: eine berechnete AVG-Kurve für eine Querbohrung unter Berücksichtigung der Querverteilung,
4: eine hieraus ermittelte Bildschirmkurve unter Berücksichtigung der Querverteilung,
5: eine AVG-Kurve ohne Berücksichtigung der Querverteilung,
6: eine hieraus ermittelte Bildschirmkurve ohne Berücksichtigung der Querverteilung,
7: eine beispielhafte Auswertung von experimentell ermittelten Echowerten,
8: Vergleich zweier AVG-Kurven ohne/ mit Schallschwächungskorrektur,
9: eine Bildschirmkurve mit Schallschwächungskorrektur,
10: eine theoretische Schalldruckkurve für eine Querbohrung,
11: ein erstes experimentelles Beispiels einer Anpassung einer theoretischen DAC-Kurve an experimentelle Echowerte nach dem „Least Square“-Verfahren,
13: ein zweites experimentelles Beispiels einer Anpassung einer theoretischen DAC-Kurve an experimentelle Echowerte nach dem „Least Square“-Verfahren,
14: ein erstes experimentelles Beispiel für anhand von Referenzmessungen bei einem einzigen Einschallwinkel Θ = 53° ermittelte Bildschirmkurven für abweichende Einschallwinkel,
15: ein zweites experimentelles Beispiel für anhand von Referenzmessungen bei einem einzigen Einschallwinkel Θ = 53° ermittelte Bildschirmkurven für abweichende Einschallwinkel,
16: Bildschirmkurven für alle Winkel bei gleicher Verstärkungseinstellung für das experimentelle Beispiel gemäß 14, und
17: Bildschirmkurven für alle Winkel bei gleicher Verstärkungseinstellung für das experimentelle Beispiel gemäß 15.
Es wird darauf hingewiesen, dass im Kontext der Ausführungsbeispiele die Begriffe AVG-Kurve/Diagramm und DAC-Kurve/Diagramm äquivalent verwendet werden. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung 1 zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings 100 mittels Ultraschall. Die Prüfvorrichtung 1 ist zur Charakterisierung von Fehlern oder Ungänzen 99 im Material des Prüflings 100 nach der Vergleichskörper-Methode eingerichtet, die sich insbesondere im Nahfeld eines zur Erzeugung des Ultraschalls verwendeten Ultraschallwandlers 14 befinden können. Die Prüfvorrichtung 1 umfasst einen Ultraschallprüfkopf 10 mit einem einstückigen Ultraschallwandler 12 zur Erzeugung und Einkopplung eines Ultraschallfelds in den Prüfling 100 sowie zur Aufnahme resultierender Echosignale aus dem Prüfling 100. Der Prüfkopf 10 ist zu einer Schrägeinschallung in den Prüfling 100 eingerichtet. Hierzu ist der Ultraschallwandler 12 auf einem keilförmigen Vorlaufkörper 14 angeordnet.
Weiterhin umfasst die Prüfvorrichtung 1 eine Ansteuereinheit 20 zur Ansteuerung des Ultraschallprüfkopfs 10, so dass dieser eine Folge von Ultraschallpulsen, die eine typische Mittenfrequenz f₀ zwischen 1 und 5 MHz aufweisen, und einer Bandbreite B, die typisch zwischen 20 und 40% liegt, erzeugt. Die Pulsfolgefrequenz liegt typisch im Bereich einiger kHz. Die Ansteuereinheit 20 ist mit dem Prüfkopf 10 und insbesondere mit dessen Ultraschallwandler 12 verbunden.
Weiterhin ist eine Empfangseinheit 30 zum Aufnehmen von Echosignalen mittels des Ultraschallprüfkopfs 10 vorgesehen. Auch die Empfangseinheit 30 ist mit dem Prüfkopf 10 und insbesondere mit dessen Ultraschallwandler 12 verbunden.
Schließlich ist eine sowohl mit der Ansteuereinheit 20 als auch mit der Empfangseinheit 30 verbundene Auswerteeinheit 40 vorgesehen, die zur Verarbeitung der vom Ultraschallwandler 12 des Prüfkopfs 10 aufgenommenen Echosignale aus dem Material des Prüflings 100 eingerichtet ist. Die Auswerteeinheit 40 ist mit einer Anzeigeeinrichtung 42 in Form eines LCD oder OLED verbunden, auf der z.B. die Amplitude der empfangenen Echosignale zeitlich aufgelöst dargestellt werden kann (A-Scan), insbesondere unter Anwendung der erfindungsgemäß ermittelten DAC-Kurve, d.h. des erfindungsgemäß ermittelten laufzeitabhängigen Verstärkungsfaktors.
Die Auswerteeinheit 40 ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in verschiedenen Ausprägungen eingerichtet, auf die nachfolgend genauer eingegangen wird. Das Verfahren kann dabei in der Ansteuereinheit 20, der Auswerteeinheit 40 oder einer übergeordneten Steuereinheit, die Teil der Vorrichtung 1 ist, implementiert sein.
Ansteuereinheit 20, Empfangseinheit 30 sowie Auswerteeinheit 40 incl. Anzeigeeinrichtung 42 sind in einem gemeinsamen Ultraschallsteuergerät 50 untergebracht, welches über eine Kommunikationsleitung 60 mit dem Prüfkopf 10 verbunden ist.
In einer alternativen Ausgestaltung können die Ansteuereinheit 20, die Empfangseinheit 30 sowie die Auswerteeinheit 40 einzeln oder gemeinschaftlich sowie teilweise oder vollständig in den Prüfkopf 10 integriert sein.
Der Ultraschallprüfkopf 10 ist gemäß der WO 2010/130819 A1 aufgebaut, so dass er ein im Prüfling 100 zur akustischen Achse rotationssymmetrisches Schallfeld erzeugt. Hierzu ist in der Regel ein nur angenähert kreisförmiger sowie nicht planarer Ultraschallwandler erforderlich, dessen „Durchmesser“ im Folgenden mit D bezeichnet wird. In einem solchen Fall kann beispielsweise im Kontext der vorliegenden Erfindung als Durchmesser D des Sendewandlers der Durchmesser eines kreisförmigen Sendewandlers gleicher Fläche angenommen werden.
Die Auswerteeinheit 40 ist dazu eingerichtet, die Amplitude von aus dem Prüfling empfangenen Echosignalen auf Basis einer im Rahmen eines geeigneten Kalibrierverfahrens ermittelten DAC-Kurve relativ zur Echoamplitude zumindest eines ausgewählten Referenzreflektors zu normieren. Die Echoamplitude dieses Referenzreflektors wird in der Regel an einem vom Prüfling separaten Vergleichskörper ermittelt.
Ein möglicher Weg zur theoretischen Bestimmung des Schalldrucks auf der akustischen Achse für Impulsschall geht aus von Überlegungen zum Schalldruck eines Kreisförmigen Sendewandlers mit dem Durchmesser D für Dauerschall. Zur Vereinfachung wird an dieser Stelle Bezug genommen auf die Erwägungen, die der tagesgleich eingereichten deutschen Patentanmeldung derselben Anmelderin mit dem Titel „Vorrichtung und Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings mittels Ultraschall nach der AVG-Methode“ entnommen werden können, hier insbesondere den dortigen Gleichungen 1 bis 25, die dort der Berechnung des AVG-Diagramms sowohl für Dauerschall als auch für Impulsschall eines Kreisscheibenreflektors zugrundegelegt werden. Durch diese Bezugnahme wird der Inhalt der in Bezug genommenen Patentanmeldung vollumfänglich zur Offenbarung der vorliegenden Anmeldung hinzugefügt. Erforderlich ist hier die Berücksichtigung der abweichenden Geometrie des Reflektors (Querbohrung statt Kreisscheibe).
Für die Berechnung einer AVG-Kurve für Querbohrungen muss zunächst für jeden Schallweg die Schalldruckverteilung senkrecht zur akustischen Achse berechnet werden. 2 zeigt beispielhaft die Schalldruckverteilung eines 2 MHz-Prüfkopfes bei einem Schallweg von 50 mm. Sei p(z, y) diese Schalldruckverteilung bei einem Schallweg von z und dem Abstand y von der akustischen Achse. Zur Berechnung der AVG-Kurve muss dann die Gleichung (25) der in Bezug genommenen Patentanmeldung „Vorrichtung und Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings mittels Ultraschall nach der AVG-Methode“ entsprechend der Querverteilung und entsprechend des Entfernungsgesetzes für Querbohrungen modifiziert werden.
Die Abnahme des Schalldrucks von einer Kreisscheibe in Abhängigkeit vom Schallweg z folgt dem folgenden Gesetz:
Für Querbohrungen gilt dagegen [vgl. Krautkrämer J., Krautkrämer H., Werkstoffprüfung mit Ultraschall, Springer Verlag, 5. Auflage (1986), Seite 50]
Mit diesen Bedingungen ergibt sich für die Berechnung einer AVG-Kurve für eine Querbohrung:
In 3 ist das Ergebnis dieses ersten Berechnungsansatzes dargestellt, der die Querverteilung des Schalldrucks entlang der Längsachse der Querbohrung berücksichtigt. Entsprechend kann daraus eine Bildschirmkurve für das Ultraschallgerät berechnet werden, die in 4 gezeigt ist.
Alternativ wird auch, in Anlehnung an die Berechnung für Kreisscheibenreflektoren, die AVG Kurve berechnet, ohne die Querverteilung des Schalldrucks zu berücksichtigen:
Gegebenenfalls wird Deff = 0,97 D verwendet. Diese AVG-Kurve ist in 5 dargestellt. Auch hier kann daraus wieder eine Bildschirmkurve für das Ultraschallgerät berechnet werden, die in 6 gezeigt ist. Es zeigt sich, dass bereits die vereinfachte letztere Berechnung zu einer ausreichenden Genauigkeit führt. Im Weiteren erfolgt daher die Auswertung anhand der Berechnung ohne Querverteilung.
Die Auswerteeinheit 40 ist zur Ausführung eines ersten Kalibrierverfahrens eingerichtet, welches anwendbar ist, sofern nur eine AVG-Kurve (z. B. für einen bestimmten Einschallwinkel) benötigt werden sollte. Dieses erste Kalibrierverfahren umfasst die folgenden Verfahrensschritte:

• Anschallen zweier identischer Querbohrungen mit möglichst unterschiedlichen Schallwegen
• Ermitteln der Schallwege und des dB-Wertes, um dieses Echos auf 80% Bildschirmhöhe zu stellen
• Berechnung der Differenz ΔG der beiden dB-Werte

Zunächst wird für den Schallweg s₁ der ersten Messung der entsprechende Punkt auf der AVG Kurve eingetragen, siehe den Kreis-Marker in der 7.
In einem weiteren Schritt wird für den zweiten Schallweg s₂ im Abstand ΔG zum ersten Messwert ein Punkt in das Diagramm eingetragen, der durch den Plusmarker in der 7 repräsentiert wird. Für den Schallweg s₂ wird der Abstand dieses Punktes zur Kurve ermittelt, woraus sich die Verstärkungs Differenz ΔG₁₂ (Abstand zwischen dem X-Marker und dem Plus-Marker) ergibt. In diesem Beispiel ergibt sich ΔG₁₂ ein Wert von 2 dB
Die konkrete Auswertung dieses Beispiels erfolgt mit den folgenden Werten, die ebenfalls der 7 entnommen werden können:

• Erster Schallweg s1 = 10,9 mm
• Zweiter Schallweg s2 = 79 mm
• Verstärkungsdifferenz Differenz ΔG₁₂ = 2 dB

_a

₁

₂

₁₂

8

9

40

1

10

Die Auswerteeinheit 40 ist weiterhin zur Ausführung eines zweiten Kalibrierverfahrens eingerichtet, welches auf der Aufnahme nur eines Referenzechos aus dem Kreisbogen eines Vergleichskörpers von Typ Nr. 1 basiert. Anhand dieses zweiten Kalibrierverfahrens ist es insbesondere möglich, mit nur einer Kalibriermessung winkelspezifische DAC-Kurven für einen Gruppenstrahler zu bestimmen, wenn dessen winkelabhängige Amplitudenkorrekturwerte für alle relevanten Winkel bekannt sind.
In diesem Fall muss noch der Abstand v_quer von der AVG-Kurve für die zur Kalibrierung verwendete Querbohrung zur berechneten der Rückwandechokurve ermittelt werden. Die folgenden Betrachtungen in diesem Abschnitt beziehen sich alle auf das ferne Fernfeld (sehr großes z).
Gemäß Krautkrämer J., Krautkrämer H., Werkstoffprüfung mit Ultraschall, Springer Verlag, 5. Auflage (1986), dort S. 75, berechnet sich der Schalldruck p auf der akustischen Achse eines Kreisschwingers nach der Formel:
mit

D_s:: Durchmesser des Kreisschwingers.

Der Schalldruck einer Querbohrung folgt im Fernfeld dem Entfernungsgesetz unter Verzicht von Proportionalitätsfaktoren:
mit

D_z:: Durchmesser der Querbohrung.

Die folgenden Proportionalitätsfaktoren werden ergänzt:
Damit ergibt sich für den resultierenden Schalldruck p_quer einer Querbohrung im Schallfeld eines Kreisschwingers aus dem Produkt der Gleichungen (6) und (7):
10 zeigt die Näherung der Querbohrungskurve durch p_quer. Für die ebene Rückwand gilt im Fernfeld der Schalldruck p_R:
Das Verhältnis von p_quer zu p_R entspricht den jeweiligen Echoamplituden H:
Damit folgt für die Verschiebung v_quer zwischen Rückwandechokurve und Kurve der Querbohrung im AVG-Diagramm im Fernfeld:
Wenn zusätzlich noch mittels eines geeigneten Verfahrens die frequenzabhängige Schallschwächung ermittelt wird, kann für die Erstellung einer DAC-Kurve vollständig auf die Vermessung einer Mehrzahl von Referenzreflektoren z.B. in Form von Querbohrungen verzichtet werden. Ein geeignetes Verfahren ist in der weiteren tagesgleich eingereichten deutschen Patentanmeldung desselben Anmelders mit dem Titel „Verfahren und Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings mittels Ultraschall unter Berücksichtigung der frequenzabhängigen Schallschwächung“ beschrieben, auf die einleitend bereits Bezug genommen wurde.
Die Auswerteeinheit 40 ist weiterhin dazu eingerichtet, auf Basis der so ermittelten Einschallwinkel-spezifischen AVG-Kurve auf Basis der bekannten Winkelabhängigkeit des verwendeten Gruppenstrahlerprüfkopfs 10 AVG-Kurven für alle gewünschten Einschallwinkel Θ zu berechnen.
Schließlich ist die Auswerteeinheit 40 dazu eingerichtet, die so ermittelte(n) DAC-Kurve(n) anhand experimentell ermittelter Echoamplituden einer Mehrzahl identischer, aber unterschiedlich vom Prüfkopf beabstandeter Referenzreflektoren zu validieren.
Weiterhin ist die Auswerteeinheit 40 zur Ausführung eines dritten Kalibrierverfahrens eingerichtet, welches es erlaubt, vollständig auf die Aufnahme eines Referenzechos zu verzichten. Im Rahmen dieses dritten Kalibrierverfahrens wird willkürlich ein Echo eines bekannten Reflektors ausgewählt, das rechnerisch auf die für den gewählten Einschallwinkel berechnete Kurve geschoben wird.
Schließlich ist die Auswerteeinheit 40 zur Ausführung eines vierten Kalibrierverfahrens eingerichtet, welches im Folgenden als „Least Square“-Verfahren bezeichnet wird. Im Rahmen dieser Methode wird für einen festen Einschallwinkel Θ eine Vielzahl von identischen, aber unterschiedlich vom Prüfkopf 10 beabstandeten Querbohrungen vermessen. Diese Messwerte lassen sich mit Hilfe der Least Square Methode an die berechnete Querbohrungskurve anpassen. Dabei wird die aktuelle frequenzabhängige Schallschwächung im Testkörper berechnet und die Messwerte so verschoben, dass sie mit den geringsten quadratischen Fehlerabständen um die Kurve herum verteilt liegen. Das Ergebnis dieses Verfahrens ist in den 11 und 12 beispielhaft gezeigt.
Zur Berechnung nach der Least Square Methode werden die folgenden Werte verwendet:

• n: Anzahl der Messwerte
• s_i: Gemessene Schallwege
• r_i: die dB-Werte für die gemessenen Schallwege auf der berechneten Querbohrungskurve
• m_i: gemessene Amplitudenwerte
• a: sei die Schallschwächung
• v: sei die notwendige Verschiebung in der y-Achse

Die Summe f der quadratischen Fehlerabstände berechnet sich dann aus:
Es werden die beiden partiellen Ableitungen berechnet und gleich Null gesetzt:
Daraus ergibt sich das folgende Gleichungssystem zur Berechnung der notwendigen Verschiebung v und der Schallschwächung a:
Im Folgenden ist das Ergebnis des „Least-Square“-Verfahrens beispielhaft gezeigt. Sowohl mit einem 2 MHz als auch mit dem 4 MHz-Gruppenstrahlerprüfkopf wurden zunächst bei einem Winkel von 53° (nahe am nominalen Winkel) sieben Querbohrungsechos aufgenommen. Im nächsten Schritt wurden die Querbohrungskurven für die anderen Winkel berechnet und im AVG-Diagramm um die jeweiligen winkelabhängigen Empfindlichkeitsunterschiede, die für die verwendeten trueDGS^®-Gruppenstrahlerprüfköpfe bekannt sind (vgl. WO 2010/130819 A1 ), verschoben. Die 13 und 14 zeigen die Ergebnisse dieser Berechnung einschließlich der für alle Winkel gemessenen Werte zur Validierung.
Die 15 und 16 zeigen bei gleicher Verstärkungseinstellung des Ultraschallgerätes sowohl die Bildschirmkurve für die Basismessung bei 53° sowie die daraus ermittelten Bildschirmkurven für die andern Einschallwinkel für die 2 MHz und die 4 MHz-Berechnung.
Ein besonders bevorzugtes Prüfverfahren auf Basis des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie ggf. der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Verwendung eines Gruppenstrahlerprüfkopfs 10 mit einstellbarem Einschallwinkel Θ umfasst die folgenden Verfahrensschritte: Der Prüfer misst wie bei der Verwendung von „konventionellen“ Einschwingerprüfköpfen für einen festen Einschallwinkel Θ eine Mehrzahl von identischen, aber unterschiedlich vom Prüfkopf beabstandeten Querbohrungen in einem Vergleichskörper. Sobald zwei Echos aufgenommen worden sind, kann die berechnete Bildschirmkurve angezeigt werden. Die weiteren Messungen dienen zur Verbesserung der Genauigkeit. Die Genauigkeit der Messungen kann direkt durch die Lage der Messwerte zur dargestellten berechneten Bildschirmkurve beurteilt werden. Die anderen Bildschirmkurven werden dann wie vorstehend beschrieben gemäß der „Least Square“-Methode berechnet. Der Vorteil dieser Methode liegt in einer guten Genauigkeit und in der Tatsache, dass Prüfer wie bei der Vergleichskörpermethode üblich mit konventionellem schrägeinschallendem Prüfkopf mit festem Einschallwinkel üblich vorgehen können. Ein Umlernen auf die Verwendung von Gruppenstrahlerprüfköpfen ist somit nicht notwendig.
Bezugszeichenliste

1: Prüfvorrichtung
10: Prüfkopf
12: Ultraschallwandler
14: Vorlaufkörper
20: Ansteuereinheit
30: Empfangseinheit
40: Auswerteeinheit
42: Anzeigeeinrichtung
44: Hinweisanzeigefeld
50: Ultraschallsteuergerät
60: Kommunikationsleitung
99: Fehler, Ungänze
100: Prüfling

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2010/130819 A1 [0021, 0021, 0055, 0087]
DE 102014101230 [0022]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Krautkrämer J., Krautkrämer H., Werkstoffprüfung mit Ultraschall, Springer Verlag, 5. Auflage (1986) [0003]
EN 583-2:2001 [0007]
Krautkrämer J., Krautkrämer H., Werkstoffprüfung mit Ultraschall, Springer Verlag, 5. Auflage (1986), Seite 50 [0060]
Krautkrämer J., Krautkrämer H., Werkstoffprüfung mit Ultraschall, Springer Verlag, 5. Auflage (1986), dort S. 75 [0071]

Claims

Vorrichtung (1) zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings (100) mittels Ultraschall, wobei die Vorrichtung (1) zur Charakterisierung von Fehlern oder Ungänzen (99) im Material des Prüflings (100) nach der Vergleichskörper-Methode eingerichtet ist, wobei die Vorrichtung (1) folgendes umfasst: a. einen Ultraschallprüfkopf (10) mit einem Ultraschallwandler (12) zur Erzeugung und Einkopplung eines Ultraschallfelds in den Prüfling (100) in Schrägeinschallung unter einem Einschallwinkel Θ sowie zur Aufnahme resultierender Echosignale aus dem Prüfling (100), b. eine Ansteuereinheit (20) zur Ansteuerung des Ultraschallprüfkopfs (10), so dass dieser Ultraschallpulse mit einer bestimmten Bandbreite B erzeugt, c. eine Empfangseinheit (30) zum Aufnehmen von Echosignalen mittels des Ultraschallprüfkopfs (10), sowie d. eine mit der Empfangseinheit (30) verbundene Auswerteeinheit (40), die zur Verarbeitung der aufgenommenen Echosignale eingerichtet ist, wobei die Auswerteeinheit (40) insbesondere dazu eingerichtet ist, aus zumindest einem Echosignal eines Referenzreflektors aus einem Vergleichskörper eine DAC-Kurve („distance-amplitude-correction“) für den Prüfling (100) zu bestimmen, wobei der Vergleichskörper aus einem Werkstoff besteht, der identisch oder akustisch äquivalent mit dem Werkstoff des Prüflings (100) ist, dadurch gekennzeichnet, dass e. die Auswerteeinheit (40) dazu eingerichtet ist, auf Basis einer allgemeinen DAC-Kurve durch Anpassung an das Echosignal des Referenzreflektors eine Einschallwinkel-spezifische DAC-Kurve für den Prüfling (100) zu bestimmen.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (40) dazu eingerichtet ist, der Anpassung die Echosignale einer Mehrzahl von identischen Referenzreflektoren zugrunde zu legen, die verschiedene Abstände vom Ultraschallprüfkopf (10) aufweisen.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (40) dazu eingerichtet ist, aus der Einschallwinkel-spezifischen DAC-Kurve für den Prüfling (100) eine Kurve für einen abweichenden Einschallwinkel Θ zu bestimmen.
Vorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) gemäß dazu eingerichtet ist, den Einschallwinkel Θ zu variieren, bevorzugt elektronisch.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (40) weiterhin dazu eingerichtet ist, den Einfluss einer etwaigen Veränderung einer Vorlaufstrecke im Prüfkopf (10) bei einer Veränderung des Einschallwinkels Θ auf die Einschallwinkel-spezifische DAC-Kurve zu berücksichtigen.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (40) dazu eingerichtet ist, der Anpassung die Echosignale eines als Querbohrung ausgebildeten Referenzreflektors zugrunde zu legen.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die DAC-Kurve spezifisch ist für die Bandbreite B.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallpulse eine bestimmte Polarisation P aufweisen und die DAC-Kurve spezifisch ist für diese Polarisation P.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfkopf (10) dazu eingerichtet ist, ggf. in Zusammenwirkung mit der Ansteuereinheit (20) ein im Prüfling (100) rotationssymmetrisches Schallfeld zu erzeugen.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (40) dazu eingerichtet ist, aus zumindest zwei aus dem Vergleichskörper empfangenen Echosignalen identischer Referenzreflektoren, die unterschiedlich vom Ultraschallprüfkopf (10) beabstandet sind, einen Faktor F für die frequenzabhängige Schallschwächung im Material des Prüflings (100) zu bestimmen.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (40) dazu eingerichtet ist, aus dem empfangenen Echosignal des Referenzreflektors ein korrigiertes Echosignal zu bestimmen, in welchem der Einfluss der frequenzabhängigen Schallschwächung im Material des Prüflings (100) kompensiert ist.
Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings (100) mittels Ultraschall, wobei das Verfahren zur Charakterisierung von Fehlern oder Ungänzen (99) im Material des Prüflings (100) nach der Vergleichskörper-Methode eingerichtet ist, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: a. Erzeugen und Einkoppeln von Ultraschallpulsen mit einer bestimmten Bandbreite B in einen Vergleichskörper in Schrägeinschallung unter einem Einschallwinkel Θ, wobei der Vergleichskörper aus einem Werkstoff besteht, der identisch oder akustisch äquivalent mit dem Werkstoff des Prüflings (100) ist und zumindest einen Referenzreflektor bekannter Geometrie umfasst, b. Aufnehmen von Echosignalen aus dem Vergleichskörper, die vom Referenzreflektor herrühren, c. Verarbeiten der aufgenommenen Echosignale dergestalt, dass auf Basis einer allgemeinen DAC-Kurve durch Anpassung an das Echosignal des Referenzreflektors eine Einschallwinkel-spezifische DAC-Kurve für den Prüfling (100) bestimmt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Anpassung die Echosignale einer Mehrzahl von identischen Referenzreflektoren zugrunde gelegt werden, die verschiedene Abstände vom Ultraschallprüfkopf (10) aufweisen.
Verfahren gemäß Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Einschallwinkel-spezifischen DAC-Kurve eine DAC-Kurve für einen abweichenden Einschallwinkel Θ bestimmt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung einer Einschallwinkel-spezifischen DAC-Kurve der Einfluss einer etwaigen Veränderung einer Vorlaufstrecke in einem zum Erzeugen und Einkoppeln der Ultraschallpulse verwendeten Prüfkopf (10) bei einer Veränderung des Einschallwinkels Θ berücksichtigt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzreflektor als Querbohrung ausgebildet ist.
Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die DAC-Kurve spezifisch ist für die Bandbreite B.
Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die DAC-Kurve spezifisch ist für die Polarisation P der eingekoppelten Ultraschallpulse.
Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Schallfeld der eingekoppelten Ultraschallpulse im Prüfling (100) rotationssymmetrisch ist.
Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass aus zumindest zwei aus dem Vergleichskörper empfangenen Echosignalen identischer Referenzreflektoren, die unterschiedlich vom Ultraschallprüfkopf (10) beabstandet sind, ein Faktor F für die frequenzabhängige Schallschwächung im Material des Prüflings (100) bestimmt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem empfangenen Echosignal des Referenzreflektors ein korrigiertes Echosignal bestimmt wird, in welchem der Einfluss der frequenzabhängigen Schallschwächung im Material des Prüflings (100) kompensiert ist.
Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass aus zumindest zwei aus dem Prüfling (100) empfangenen Echosignalen identischer Referenzreflektoren, die unterschiedlich vom Ultraschallprüfkopf (10) beabstandet sind, ein Faktor F für die frequenzabhängige Schallschwächung im Prüfling (100) bestimmt wird.