DE102014106005A1

DE102014106005A1 - Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Werkstücks mittels Ultraschall sowie Vorrichtung hierzu

Info

Publication number: DE102014106005A1
Application number: DE102014106005.9A
Authority: DE
Inventors: Stephan Falter; Frank Kahmann
Original assignee: GE Sensing and Inspection Technologies GmbH
Current assignee: Baker Hughes Digital Solutions GmbH
Priority date: 2014-04-29
Filing date: 2014-04-29
Publication date: 2015-10-29
Also published as: WO2015166003A1; EP3137890A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Werkstücks mittels Ultraschall, in dessen Rahmen eine Serie von i A-Scans SN, ...; SN + i des Volumens des Werkstücks aufgenommen und zwischengespeichert wird. Nachfolgend wird ein Zeitfenster gesetzt, in dem zumindest in einem Scan Sj, j aus [N, N + i], Ultraschallsignale auftreten, die mit einem Fehler korreliert sein könnten. Indem Ausschnitte der A-Scans SN, ...; SN + i gebildet werden, die in das gesetzte Zeitfenster fallen, und diese in einer durch einen Algorithmus vorgegebenen Abfolge wie der zeitlichen oder räumlichen Abfolge ihrer jeweiligen Aufnahme zueinander angeordnet werden, wird ein Abbild des Werkstücks erzeugt, auf welches ein Analysealgorithmus aus der Bildverarbeitung angewendet wird. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet und umfasst die hierzu erforderlichen Mittel.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Werkstücks mittels Ultraschall sowie eine Vorrichtung, die zur Durchführung eines solchen Verfahrens geeignet ist. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Auffindung von Fehlern höherer Ordnung, d.h. schwach reflektierende oder komplexe Fehler in einem Werkstück mittels Ultraschall sowie eine hierzu geeignete Vorrichtung.
Aus der Materialprüfung sind vielfältige zerstörungsfreie Verfahren zur Prüfung eines Werkstücks mittels Ultraschall bekannt, die es beispielsweise erlauben, im Material eines Werkstücks verborgene Fehler aufzufinden. Bestimmte Ultraschallprüfverfahren wie beispielsweise die AVG-Methode oder die Vergleichskörpermethode erlauben durch einen Vergleich mit genormten Referenzreflektoren eine Klassifikation aufgefundener Fehler nach ihrer Größe. Diese Prüfverfahren basieren in der Regel auf der Einkopplung von kurzen Ultraschallpulsen in das Werkstück, die an Fehlern wie Lunkern, Rissen und Ungänzen reflektiert werden. Anhand der von solchen Fehlern erzeugten Echosignalen kann dann auf die Lage, die Größe sowie die Orientierung des Fehlers geschlossen werden. Hierzu wird nach dem Einschallen eines Ultraschallpulses die resultierende Echoamplitude zeitaufgelöst aufgenommen. Trägt man die aufgenommene Echoamplitude als Funktion der Zeit auf, erhält man einen sogenannten A-Scan. Auch wenn der Fachmann unter einem A-Scan ein graphische Darstellung eines zeitaufgelöst aufgenommenen Echosignals versteht, so werden die Begriffe A-Scan und zeitaufgelöst aufgenommenes Echosignal im Kontext der vorliegenden Anmeldung werden synonym verwendet.
Konventionelle Verfahren zur Fehlerdetektion beruhen in der Regel darauf, dass das aufgenommene Ultraschallsignal auf Echoanzeigen untersucht wird. Hierzu wird das Echosignal auf Ultraschallamplituden hin untersucht, die eine voreingestellte Schwelle überschreiten, welche ausreichend hoch über dem Rauschen liegen muss, um keine fehlerhaften Echoanzeigen zu produzieren. Diese Verfahren stoßen daher an ihre Grenzen, wenn es darum geht, Fehler im Material des Werkstücks aufzufinden, die nur eine geringe Ultraschallreflektivität aufweisen, beispielsweise aufgrund ihrer geringen Größe, oder weil Störungen im Materialgefüge nur schwache Änderungen in der Teilgeschwindigkeit verursachen. Komplexe Fehler, d.h. Fehler, die sich durch eine charakteristische geometrische Struktur beispielsweise bedingt durch einen Herstellungsprozess auszeichnen oder durch charakteristische, an sie angrenzende Strukturen, können mittels dieser Technik praktisch nicht nachgewiesen werden.
Vorteilhaft an den aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschallprüfverfahren, die auf der Aufnahme und Analyse von A-Scans zur Fehlererkennung basieren, dass diese sehr schnell durchgeführt werden können und daher insbesondere zur Inlineprüfung in einer laufenden Produktion, beispielsweise bei der Herstellung von Rohren oder Stangenmaterial angewendet werden können.
Andere zerstörungsfreie Untersuchungsmethoden wie beispielsweise die Röntgen-Computer-Tomografie erlauben es, dreidimensionale Abbilder des Volumens eines untersuchten Werkstücks zu erzeugen. Auf diese dreidimensionalen Bilddaten bzw. auf hiervon angefertigte zweidimensionale Schnitte können vielfältige Algorithmen, die aus dem Bereich der Bildverarbeitung bekannt sind, angewendet werden, um auch solche Fehler mit erhöhter Sicherheit zu identifizieren, die sich durch eine schwache Signatur im erzeugten Volumenabbild auszeichnen. Hierzu kann bei komplexen Fehlern beispielsweise eine Analyse auf Fehleranzeichen mit charakteristischer Geometrie durchgeführt werden. Zum Nachweis schwach reflektierender Fehler kann eine sogenannte Nachbarschaftsanalyse durchgeführt werden, wobei ein Pixel oder Voxel, dessen Grauwert eine Fehleranzeige darstellen könnte, auf ähnliche Grauwerte in seiner Umgebung analysiert wird.
Diese Verfahren erlauben eine sehr zuverlässige Erkennung auch von schwach reflektierenden oder komplexen Fehlern, sie sind aber mit dem Nachteil behaftet, dass ein enormer apparativer Aufwand zur Erzeugung der Bilddaten erforderlich ist, welcher in der Regel eine Anwendung derartiger Verfahren in der Inlineprüfung während der laufenden Produktion unmöglich macht. Dieses Problem wird noch verschärft durch den zusätzlichen Rechenaufwand, der aufgewendet werden muss, um einen der vorstehend erwähnten Analysealgorithmen zur Fehlererkennung auf die gewonnenen Bilddaten anzuwenden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die aus dem Stand der Technik vorbekannten zerstörungsfreien Prüfverfahren, die auf der Aufnahme von A-Scans basieren, dahingehend weiterzuentwickeln, dass die Nachweiswahrscheinlichkeit auch für schwach reflektierende Fehler bzw. komplexe Fehler deutlich verbessert werden kann. Weiterhin ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine zur Durchführung eines solchen Verfahrens geeignete Vorrichtung anzugeben.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Die sich an die unabhängigen Ansprüche anschließenden abhängigen Ansprüche stellen vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar. Die Merkmale dieser vorteilhaften Weiterbildungen können im Rahmen des technisch Möglichen frei miteinander kombiniert werden, insbesondere auch über die Grenzen der Anspruchskategorien hinweg.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist zur zerstörungsfreien Prüfung eines Werkstücks mittels Ultraschall vorgesehen. Im Rahmen des Verfahrens wird auf geeignete Weise eine Serie von i A-Scans S_N, ...; S_N+i des Volumens des Werkstücks aufgenommen und zwischengespeichert.
Nachfolgend wird zumindest ein Scan S_j mit j aus [N, N + i] dahingehend analysiert, ob sich in diesem Scan Fehleranzeichen finden, d.h. Echosignale identifiziert werden können, die mit einem Fehler korreliert sein könnten. Dies könnte z.B. der Fall sein, wenn die aufgenommenen Echosignale eine voreingestellte Amplitudenschwelle ein- oder mehrmalig oder für einen Mindestzeitraum überoder unterschreiten. Werden solche Fehleranzeichen aufgefunden, wird im A-Scan Sj ein Verdachtsbereich ROI (=„region of interest“) ausgewählt, der diese Fehleranzeichen umfasst. Dieser Verdachtsbereich ROI ist mit einem bestimmten Zeitfenster T korreliert, welches gesetzt wird.
Ist ein solches Zeitfenster T gesetzt, so wird ein Abbild des Werkstücks erzeugt, indem Ausschnitte der A-Scans S_N, ...; S_N+i gebildet werden, die in das gesetzte Zeitfenster T fallen, und diese in der zeitlichen Abfolge ihrer jeweiligen Aufnahme nebeneinander angeordnet. Alternativ können die Ausschnitte der A-Scans S_N, ...; S_N+i auch in einer Abfolge angeordnet werde, die sich an der Geometrie des Werkstücks orientiert. Insbesondere können angrenzend aneinander angeordnete Ausschnitte S_N, ...; S_N+i mit geometrisch aneinander angrenzenden oder auch partiell überlappenden Raumbereichen des Werkstücks korrespondieren. Grundsätzlich sind auch beliebige andere Algorithmen zur Anordnung der Ausschnitte S_N, ...; S_N+i denkbar und möglich. Die Zahl i der Scans, die zu einem Abbild zusammengesetzt werden, kann z.B. dadurch limitiert werden, dass keine weiteren Scans zum Abbild hinzugefügt werden, wenn in einem Scan Sk mit k > i keine Fehleranzeichen mehr aufgefunden werden. Alternativ kann die Erzeugung des Abbilds abgebrochen werden, wenn eine Mindestzahl von Scans Sk bis Sk + n mit n > 0 keine Fehleranzeichen mehr enthalten.
Wird nach komplexen Fehlern gesucht deren wahrscheinliche Geometrie bekannt ist, so kann es vorteilhaft sein, das gesetzte Zeitfenster T beim Übergang von einem Scan Sm zum nächsten Scan Sm + 1 gemäß einem vorbestimmten Algorithmus zu variieren, der insbesondere von der Geometrie des zu detektierenden komplexen Fehlers abhängen kann.
Das so erzeugte Abbild enthält nunmehr nur noch Echoinformationen aus solchen Volumenbereichen des Werkstücks, bei denen das Vorhandensein eines Fehlers als möglich anzusehen ist. Andere Volumenbereiche, in denen keine Fehleranzeichen aufgefunden wurden, sind in dem erzeugten Abbild nicht mehr enthalten.
Das so gewonnene Abbild wird dann mittels geeigneter Analysealgorithmen, die aus dem Bereich der Bildverarbeitung bekannt sind, hier insbesondere aus dem Bereich der Verarbeitung von digitalen Röntgen-Computertomographiebildern, auf Fehler höherer Ordnung hin analysiert. Beispielhaft sei hier die sogenannte Nachbarschaftsanalyse erwähnt, in deren Rahmen benachbarte Pixel auf ähnliche Grauwerte untersucht werden. Komplexe Fehler können hingegen erkannt werden, indem im erzeugten Abbild nach charakteristischen „Fingerprints“ gesucht wird, die sich z.B. als charakteristische geometrische Verteilung von Helligkeitswerten äußern kann.
Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich sämtliche aus dem Bereich der digitalen Bildverarbeitung insbesondere von Tomographiebildern bekannte Fehleranalysealgorithmen angewendet werden können.
Das Ergebnis der angewendeten Fehleranalysealgorithmen wird bevorzugt für Protokollzwecke sowie eine Weiterverarbeitung auf geeignete Weise gespeichert, z.B. in einer Fehlerdatenbank. Insbesondere können die aufgefundenen Fehleranzeigen auf geeignete Weise visualisiert werden, z.B. indem sie in einem dreidimensionalen Abbild des Werkstücks an der jeweils zugehörigen Fehlerposition verzeichnet werden. Die Art bzw. Größe der Fehleranzeige kann ebenfalls graphisch dargestellt werden, z.B. durch eine Farbcodierung. Weiterhin ist es möglich, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgefundenen Fehleranzeigen mit auf konventionelle Weise aufgefundenen Fehleranzeigen zu kombinieren, insbesondere in einer graphischen Darstellung des Werkstücks, in der die Fehleranzeigen verzeichnet sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft in die Steuerung eines Produktionsprozesses integriert werden. So können auf Basis der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgefundenen Fehleranzeigen bestimmte Abläufe im bevorzugt weitgehend automatisierten Produktionsprozess getriggert werden wie z.B. eine Sortierung des geprüften Werkstücks auf verschiedene Mulden wie eine Ausschussmulde oder eine Reparaturmulde oder ein Aussondern des Werkstücks zum Probennehmen. Grundlage hierfür kann eine Referenzfehlerdatenbank sein, in der Fehleranzeigen von Referenzfehlern katalogisiert sind. Die aufgefundenen Fehleranzeigen werden dann mit den Fehleranzeigen von Referenzfehlern verglichen. Das Ergebnis des Vergleichs wird nachfolgend zum Triggern verwendet.
Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin begründet, dass es durch gezielte Auswahl einer Region-of-Interest in einem ersten Schritt durch Setzen eines geeigneten Zeitfensters eine dramatische Reduktion der Datenmenge ermöglicht, die dann in einem zweiten Schritt gezielt auf das Vorhandensein von Anzeichen komplexer Fehler untersucht wird. Dieses zweistufige Verfahren erlaubt die Realisierung höchster Verarbeitungsgeschwindigkeiten, wodurch sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere zur Inline-Prüfung in laufenden Produktionsprozessen eignet, wobei eine sehr hohe Zuverlässigkeit in der Fehlererkennung erreicht wird, die mit der Zuverlässigkeit von aus dem Stand der Technik bekannten Offlineverfahren vergleichbar ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahren werden, zeitlich früher aufgenommene zwischengespeicherte A-Scans S aus dem Zwischenspeicher gelöscht, wenn bei der Analyse eines A-Scans Sj, j aus [N, N + i] kein Verdachtsbereich identifiziert wird.
Besondere Vorteile ergeben sich, wenn beim Aufnehmen der A-Scans S_N, ...; S_N+i der Einschallort X variiert wird, beispielsweise indem das Werkstück unter einem zum Einschallen und/oder Aufnehmen des Ultraschalls in das/aus dem Werkstück verwendeten Prüfkopf bewegt wird. Hierbei kann die Bewegung z.B. eine lineare Bewegung sein, was bei stangen- oder rohrförmigen Werkstücken vorteilhaft ist. Ist das Werkstück rotationssymmetrisch, so kann auch eine Drehbewegung vorteilhaft sein. In speziellen Situationen ist auch eine Kombination einer linearen und einer Drehbewegung von Vorteil.
Generell sind jedoch auch beliebige Geometrien denkbar. In einer besonders bevorzugten Weiterbildung wird daher ein dreidimensionales CAD-Modell des Prüflings vorgehalten. Werkstück und Prüfkopf, d.h. Einschallort X werden so gegeneinander bewegt, dass sich der Einschallort X auf bekannten Scanlinien auf der Oberfläche des Werkstücks bewegt. Es entsteht ein Netz von Stützpunkten für die zu erzeugende graphische Darstellung des Werkstücks, wobei die Stützpunkte durch die Punkte entlang der Scanlinien gegeben sind, an denen tatsächlich ein Prüfschuss getätigt wurde, d.h. zumindest ein Prüfpuls in das Werkstück eingeschallt wurde.
Wird mit einem Prüfkopf gearbeitet, der eine gezielte Einstellung des Einschallwinkels theta erlaubt, so kann auch eine Variation des Einschallwinkels theta beim Aufnehmen der A-Scans S_N, ...; S_N+i vorteilhaft sein. Hier hat sich die Verwendung von Gruppenstrahlerprüfköpfen besonders bewährt, die eine Mehrzahl von individuell phasengenau ansteuerbaren Ultraschallwandlern umfassen, die in einem ein- oder zweidimensionalen Array bekannter Geometrie angeordnet sind.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden beim Aufnahmen der A-Scans S_N, ...; S_N+i sowohl der Einschallort X als auch der Einschallwinkel theta variiert.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Veränderung der Prüfkopfposition auf der Oberfläche des Werkstücks bei feststehendem Werkstück zu einer Bewegung des Werkstücks unter einem feststehenden Prüfkopf äquivalent ist.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur zerstörungsfreien Prüfung eines Werkstücks mittels Ultraschall vorgesehen. Insbesondere ist sie zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Bevorzugte Weiterbildungen sind zur Ausführung der bevorzugten Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet, wozu sie ggf. weitere technische Merkmale und/oder Mittel umfassen. Es wird daher ausdrücklich auf die vorstehenden Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren sowie zu dessen Vorteilen Bezug genommen, die der Fachmann ohne weiteres auf die nachfolgend beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung sowie deren vorteilhafte Weiterbildungen übertragen kann.
Die Vorrichtung umfasst Mittel zum Aufnehmen und Zwischenspeichern einer Serie von i A-Scans S_N, ...; S_N+i des Volumens des Werkstücks, wobei auf die konkrete Ausgestaltung dieses Mittels im Folgenden noch genauer eingegangen wird. Weiterhin umfasst sie Mittel zum Setzen eines Zeitfensters, in dem zumindest in einem Scan S_j, j aus [N, N + i], Ultraschallsignale auftreten, die mit einem Fehler korreliert sein könnten. Bilderzeugungsmittel sind vorgesehen zum Erzeugen eines Abbilds des Werkstücks. Hierzu ist das Bilderzeugungsmittel dazu eingerichtet, Ausschnitte der A-Scans S_N, ...; S_N+i zu bilden, die in das gesetzte Zeitfenster fallen, und diese in der zeitlichen Abfolge ihrer jeweiligen Aufnahme nebeneinander anzuordnen. Alternativ kann das Bilderzeugungsmittel dazu eingerichtet sein, die Ausschnitte der A-Scans S_N, ...; S_N+i auch in einer Abfolge anzuordnen, die sich an der Geometrie des Werkstücks orientiert. Insbesondere können angrenzend aneinander angeordnete Ausschnitte S_N, ...; S_N+i mit geometrisch aneinander angrenzenden oder auch partiell überlappenden Raumbereichen des Werkstücks korrespondieren. Grundsätzlich sind auch beliebige andere Algorithmen zur Anordnung der Ausschnitte S_N, ...; S_N+i denkbar und möglich. Unter der Anordnung der Ausschnitte S_N, ...; S_N+i ist insbesondere die Bildung einer Datenmenge zu verstehen, die ein derartiges zweidimensionales Abbild des durchschallten Volumens des Werkstücks repräsentiert. Es ist nicht entscheidend für die Erfindung, ob tatsächlich eine graphische Darstellung dieser Datenmenge erzeugt und insbesondere diese graphische Darstellung auf einem geeigneten Anzeigegerät zur Anzeige gebracht wird. Dies ist jeweils Gegenstand vorteilhafter Weiterbildungen des Verfahrens bzw. der Vorrichtung.
Schließlich umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung Analysemittel zum Anwenden eines Analysealgorithmus aus der Bildverarbeitung auf das erzeugte Abbild, genauer auf die erzeugte Datenmenge, die ein solches Abbild repräsentiert, zur Detektion von Fehlern höherer Ordnung im Volumen des Prüflings.
Hierzu ist das Mittel zum Setzen des Zeitfensters in einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung dazu eingerichtet, die A-Scans S_N, ..., S_N+i zu analysieren, um einen Verdachtsbereich in zumindest einem der A-Scans S_N, ..., S_N+i zu identifizieren, der z.B. dadurch gegeben sein kann, dass in diesem Bereich zumindest eine voreingestellte Amplitudenschwelle zumindest einmalig über- oder unterschritten wird.
In einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die Vorrichtung Mittel zum Speichern des Ergebnisses der angewendeten Fehleranalysealgorithmen für Protokollzwecke sowie eine Weiterverarbeitung, bevorzugt in einer Fehlerdatenbank.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung umfasst die Vorrichtung weiterhin Mittel zur Visualisierung der aufgefundenen Fehleranzeigen z.B. indem sie in einem dreidimensionalen Abbild des Werkstücks an der jeweils zugehörigen Fehlerposition verzeichnet werden. Die Art bzw. Größe der Fehleranzeige kann ebenfalls graphisch dargestellt werden, z.B. durch eine Farbcodierung. Weiterhin ist es möglich, in der erzeugten graphischen Darstellung die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgefundenen Fehleranzeigen mit auf konventionelle Weise aufgefundenen Fehleranzeigen zu kombinieren, insbesondere in einer graphischen Darstellung des Werkstücks, in der die Fehleranzeigen verzeichnet sind. Auch diese Ausgestaltung der Mittel zur Visualisierung stellt eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die insbesondere vorteilhaft ist, wenn die Vorrichtung in einen bevorzugt weitgehend automatisierten Produktionsprozess ist, umfasst die Vorrichtung Mittel zum Triggern bestimmter Abläufe im Produktionsprozess auf Basis der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgefundenen Fehleranzeigen. Getriggert werden kann z.B. eine Sortierung des geprüften Werkstücks auf verschiedene Mulden wie eine Ausschussmulde oder eine Reparaturmulde oder ein Aussondern des Werkstücks zum Probennehmen.
Grundlage hierfür kann eine Referenzfehlerdatenbank sein, die mittels geeigneter Mittel vorgehalten wird. Weiterhin sind Mittel vorgesehen, die die aufgefundenen Fehleranzeigen mit katalogisierten Fehleranzeigen von Referenzfehlern vergleichen. Das Ergebnis des Vergleichs wird dann zum Triggern verwendet.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Mittel zum Aufnehmen und Zwischenspeichern der A-Scans dazu eingerichtet, zeitlich vor einem A-Scan S_j, j aus [N, N + i], aufgenommene zwischengespeicherte A-Scans aus dem Zwischenspeicher zu löschen, wenn bei der Analyse des A-Scans Sj kein Verdachtsbereich identifiziert wird.
Die in der Vorrichtung vorgesehenen Analysemittel können insbesondere dazu eingerichtet sein, einen Analysealgorithmus auf die erzeugte Datenmenge anzuwenden, der auf einer zweidimensionalen Nachbarschaftanalyse basiert. Alternativ kann der Analysealgorithmus dazu eingerichtet sein, bestimmte geometrische Formationen im erzeugten Abbild zu detektieren.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung umfasst die Vorrichtung Transportmittel, die dazu vorgesehen sind, beim Aufnehmen der A-Scans S_N, ...; S_N+i den Einschallort X zu variieren. Hierzu kann das Transportmittel dazu eingerichtet sein, das Werkstück linear oder/und rotatorisch relativ zu einem zum Einschallen und/oder Aufnehmen des Ultraschalls in das/aus dem Werkstück verwendeten Prüfkopf, der Teil des Mittels zum Aufnehmen und Speichern von A-Scans ist, zu bewegen. In einer besonders bevorzugten Weiterbildung wird hierzu ein dreidimensionales CAD-Modell des Prüflings vorgehalten. Werkstück und Prüfkopf, d.h. Einschallort X werden so gegeneinander bewegt, dass sich der Einschallort X auf bekannten Scanlinien auf der Oberfläche des Werkstücks bewegt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das Mittel zum Aufnehmen und Zwischenspeichern der A-Scans dazu eingerichtet, während der Aufnahme der Serie von A-Scans den Einschallwinkel theta zu variieren.
Das von der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasste Mittel zum Aufnehmen und Zwischenspeichern der A-Scans kann insbesondere einen Ultraschallsendeprüfkopf umfassen, der zumindest einen Ultraschallwandler zur Erzeugung und Einkopplung eines Ultraschallfelds in das Werkstück aufweist. Weiterhin umfasst sie einen Ultraschallempfangsprüfkopf mit zumindest einem Ultraschallwandler zur Aufnahme resultierender Echosignale aus dem Werkstück. Der Sende- und der Empfangsprüfkopf können identisch sein, insbesondere ist möglich, nur einen Ultraschallprüfkopf als gemeinsamen Sende- und Empfangsprüfkopf zu verwenden. Umfasst der Prüfkopf eine Mehrzahl unabhängig phasengenau ansteuerbarer Wandlersegmente, d.h. handelt es sich um einen Gruppenstrahlerprüfkopf, so können die Sende- bzw. Empfangsapertur, der Einschallwinkel und die Fokustiefe elektronisch ansteuerbar sein, insbesondere im Zusammenhang mit der nachstehend beschriebenen Ansteuereinheit.
Weiterhin ist eine Ansteuereinheit zur Ansteuerung des Ultraschallsendeprüfkopfs vorgesehen, die den Ultraschallsendeprüfkopf so ansteuert, dass dieser eine Folge von Ultraschallpulsen zur Einkopplung in das Werkstück erzeugt. Die ggf. resultierenden Echosignale werden mittels des Ultraschallempfangsprüfkopfs aufgenommen und von einer mit diesem verbundenen Empfangseinheit weiterverarbeitet. In der Empfangseinheit kann insbesondere eine Vorverstärkung der empfangenen Signale erfolgen sowie eine A/D-Wandelung der Signale. Handelt es sich bei dem verwendeten Ultraschallempfangsprüfkopf um einen Gruppenstrahlerprüfkopf, so kann in der Empfangseinheit auch ein „Beamforming“ erfolgen, z.B. indem die Signale der einzelnen Wandlersegemente gegeneinander zeitverzögert werden.
Schließlich ist eine der Empfangseinheit nachgeschaltete und mit dieser verbundene Auswerteeinheit zur Verarbeitung der aufgenommenen Echosignale gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet.
Selbstverständlich können alle Merkmale der vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen bzw. Weiterbildungen der Erfindung beliebig miteinander kombiniert werden, insbesondere auch über die Anspruchskategorien hinweg, 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: ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens, und
3: eine mittels des Verfahrens gemäß 2 erzeugte Darstellung der Echosignale aus einer „Region of Interest“ eines fehlerbehafteten Prüflings.
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 mittels Ultraschall eingerichtet. 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 mit einer bestimmten Sendefrequenz f, die typisch zwischen 1 und 15 MHz liegt, 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, d.h. es kann ein A-Scan der aufgenommenen Echosignale dargestellt werden.
Der Prüfling 100 kann mittels einer Vortriebseinheit (nicht gezeigt) unter dem feststehenden Prüfkopf linear hinweg bewegt werden, so dass sich die Einkoppelposition von einem eingeschallten Ultraschallpuls zum nächsten definiert ändert, z.B. längs einer Geraden um einige Millimeter. Diese Positionsinformation wird von der Vortriebseinheit an die Auswerteeinheit 40 übermittelt.
Die Auswerteeinheit 40 ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet, worauf 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.
Das auf einen in den Prüfling 100 eingekoppelten Ultraschallpuls folgende Echosignal wird in einen in der Auswerteeinheit 100 vorgesehenen Echtzeit-FIFO-Zwischenspeicher geladen, der dazu eingerichtet ist, eine Mehrzahl von Echosignalen temporär zwischenzuspeichern (Schritt 101).
Im Schritt 102 wird das zuletzt aufgenommene Echosignal einer einfachen Analyse dahingehend unterworfen, ob das Echosignal potentielle Fehleranzeichen aufweist, z.B. ob in einer A-Scan-Darstellung eine voreingestellte Blende überschritten wird. Ergibt diese Voranalyse, dass Fehleranzeichen vorhanden sind, so wird in Schritt 103 das Echosignal zusammen mit einer vorbestimmten Anzahl zeitlich vorhergehender Echosignale in einen Bildverarbeitungszwischenspeicher geladen.
Werden keine potentiellen Fehleranzeichen aufgefunden, so wird in Schritt 104 das älteste Echosignal aus dem FIFO-Zwischenspeicher gelöscht.
In Schritt 105 werden die in den Bildverarbeitungszwischenspeicher geladenen Echosignale mittels Verfahren ausgewertet, die aus der Bildverarbeitung bekannt sind. Hierzu werden die Echosignale als zweidimensionale Bildinformation behandelt, wobei die Zeit innerhalb eines Echosignals die X-Achse und die zeitliche Abfolge der Echosignale als Y-Achse interpretiert wird. Die (diskretisierte) Amplitude der Echosignale repräsentiert einen Helligkeitswert. Ein gemäß dieses Verfahrens gewonnenes Abbild einer „region of interest“ ROI des Prüflings, d.h. eines Bereichs des Prüflings, in dem Echosignale potentielle Fehleranzeichen aufweisen, ist in 3 dargestellt.
Ein solches Bildverarbeitungsverfahren kann z.B. darauf basieren, dass auch Nachbarschaftsinformationen in die Bewertung einbezogen werden, was z.B. bei der Identifikation von Fehlern mit charakteristischer Geometrie (z.B. mit herstellungsbedingter Vorzugsorientierung) vorteilhaft sein kann. Auch eine Mittelwertbildung über die Grauwerte benachbarter Pixel, Verfahren zur Kontrasterhöhung oder zur Kantenschärfung oder auch der Abzug eines mittleren Hintergrundwerts sind möglich und im Einzelfall vorteilhaft. Das erfindungsgemäße Verfahren ist hier nicht auf spezielle Bildverarbeitungsverfahren beschränkt, vielmehr können grundsätzlich alle aus dem Stand der Technik bekannten Bildverarbeitungsverfahren zur Anwendung kommen.
Wird in Schritt 105 ein Fehler identifiziert, so wird in Schritt 106 der Inhalt des Bildverarbeitungszwischenspeichers zu Protokollzwecken dauerhaft gespeichert und in einem Fehlerspeicher ein Protokolleintrag vorgenommen. Die hierzu erforderlichen Speichermittel sind ebenfalls der Auswerteeinheit 40 zugeordnet. Danach kehrt das Verfahren zu Schritt 101 zurück.
Wird in Schritt 105 kein Fehler identifiziert, so wird in Schritt 107 der Inhalt des Bildverarbeitungszwischenspeichers verworfen und das Verfahren kehrt zu Schritt 101 zurück.
Das dargestellte Verfahren wird von der Auswerteeinheit 40 ausgeführt, die auch den FIFO-Zwischenspeicher sowie den Bildverarbeitungszwischenspeicher umfasst.

Claims

Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Werkstücks mittels Ultraschall, mit den folgenden Verfahrensschritten: a. Aufnehmen und Zwischenspeichern einer Serie von i A-Scans S_N, ...; S_N+i des Volumens des Werkstücks, b. Setzen eines Zeitfensters, in dem zumindest in einem Scan S_j, j aus [N, N + i], Ultraschallsignale auftreten, die mit einem Fehler korreliert sein könnten, c. Erzeugen eines Abbilds des Werkstücks, indem Ausschnitte der A-Scans S_N, ...; S_N+i gebildet werden, die in das gesetzte Zeitfenster fallen, und diese in einer durch einen Algorithmus vorgegebenen Abfolge wie der zeitlichen oder räumlichen Abfolge ihrer jeweiligen Aufnahme zueinander angeordnet werden, d. Anwenden eines Analysealgorithmus aus der Bildverarbeitung auf das erzeugte Abbild zur Detektion von Fehlern im Volumen des Prüflings.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Setzen des Zeitfensters die A-Scans S_N, ...; S_N+i analysiert werden, um einen Verdachtsbereich in zumindest einem der A-Scans S_N, ...; S_N+i zu identifizieren, in dem zumindest eine voreingestellte Amplitudenschwelle über- oder unterschritten wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenn bei der Analyse eines A-Scans Sj, j aus [N, N + i], kein Verdachtsbereich identifiziert wird, zeitlich früher aufgenommene zwischengespeicherte A-Scans aus dem Zwischenspeicher gelöscht werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Analysealgorithmus auf einer zweidimensionalen Nachbarschaftanalyse basiert.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aufnehmen der A-Scans S_N, ...; S_N+i der Einschallort X und/oder der Einschallwinkel theta variiert werden.
Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück unter einem zum Einschallen und/oder Aufnehmen des Ultraschalls in das/aus dem Werkstück verwendeten Prüfkopf bewegt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine graphische Darstellung des Werkstücks sowie der mittels des Fehleranalysealgorithmus aufgefundenen Fehleranzeigen erzeugt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem Verfahren gemäß Anspruch 1 ein konventionelles Verfahren zum Auffinden von Fehleranzeigen ausgeführt wird, und die mittels des konventionellen Verfahrens aufgefundenen Fehleranzeigen ebenfalls in der erzeugten graphischen Darstellung wiedergegeben werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels des Fehleranalysealgorithmus aufgefundenen Fehleranzeigen zum Triggern von Verfahrensschritten in einem automatisierten Herstellungsverfahren verwendet werden.
Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung eines Werkstücks mittels Ultraschall, die folgenden Merkmale aufweisend: a. Mittel zum Aufnehmen und Zwischenspeichern einer Serie von i A-Scans S_N, ...; S_N+i des Volumens des Werkstücks, b. Mittel zum Setzen eines Zeitfensters, in dem zumindest in einem Scan S_j, j aus [N, N + i], Ultraschallsignale auftreten, die mit einem Fehler korreliert sein könnten, c. Bilderzeugungsmittel zum Erzeugen eines Abbilds des Werkstücks, indem Ausschnitte der A-Scans S_N, ...; S_N+i gebildet werden, die in das gesetzte Zeitfenster fallen, und diese in einer durch einen Algorithmus vorgegebenen Abfolge wie der zeitlichen oder räumlichen Abfolge ihrer jeweiligen Aufnahme zueinander angeordnet werden, und d. Analysemittel zum Anwenden eines Analysealgorithmus aus der Bildverarbeitung auf das erzeugte Abbild zur Detektion von Fehlern im Volumen des Prüflings.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Setzen des Zeitfensters dazu eingerichtet ist, die A-Scans S_N, ...; S_N+i zu analysieren, um einen Verdachtsbereich in zumindest einem der A-Scans S_N, ...; S_N+i zu identifizieren, in dem zumindest eine voreingestellte Amplitudenschwelle über- oder unterschritten wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Aufnehmen und Zwischenspeichern dazu eingerichtet ist, zeitlich vor einem A-Scan S_j, j aus [N, N + i], aufgenommene zwischengespeicherte A-Scans aus dem Zwischenspeicher zu löschen, wenn bei der Analyse des A-Scans Sj kein Verdachtsbereich identifiziert wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der vom Analysemittel angewendete Analysealgorithmus auf einer zweidimensionalen Nachbarschaftanalyse basiert.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Transportmittel umfasst, die dazu vorgesehen sind, beim Aufnehmen der A-Scans S_N, ...; S_N+i den Einschallort X und/oder den Einschallwinkel theta zu variieren.
Vorrichtung gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Transportmittel zum Bewegen des Werkstücks eingerichtet ist, dergestalt dass das Werkstück unter einem zum Einschallen und/oder Aufnehmen des Ultraschalls in das/aus dem Werkstück verwendeten Prüfkopf bewegbar ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Aufnehmen und Zwischenspeichern folgendes umfasst: a. einen Ultraschallsendeprüfkopf mit einem Ultraschallwandler zur Erzeugung und Einkopplung eines Ultraschallfelds in das Werkstück, b. einen Ultraschallempfangsprüfkopf mit einem Ultraschallwandler zur Aufnahme resultierender Echosignale aus dem Werkstück, c. eine Ansteuereinheit zur Ansteuerung des Ultraschallsendeprüfkopfs, so dass dieser eine Folge von Ultraschallpulsen zur Einkopplung in das Werkstück erzeugt, d. eine Empfangseinheit zum Aufnehmen von Echosignalen aus dem Werkstück mittels des Ultraschallempfangsprüfkopfs, sowie e. eine mit der Empfangseinheit verbundene Auswerteeinheit, die zur Verarbeitung der aufgenommenen Echosignale eingerichtet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiterhin Mittel zur Erzeugung einer graphischen Darstellung des Werkstücks sowie der mittels des Fehleranalysealgorithmus aufgefundenen Fehleranzeigen umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin Mittel vorgesehen sind, die dazu eingerichtet sind, ein konventionelles Verfahren zum Auffinden von Fehleranzeigen auszuführen, und die Mittel zur Erzeugung einer graphischen Darstellung des Werkstücks weiterhin dazu eingerichtet sind, die mittels des konventionellen Verfahren aufgefundenen Fehleranzeigen ebenfalls in der erzeugten graphischen Darstellung wiederzugeben.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Teil einer Vorrichtung zur Ausführung eines automatisierten Herstellungsverfahrens ist, die ihrerseits Mittel zum Triggern von vorbestimmten Verfahrensschritten im Herstellungsverfahren umfasst, und die Mittel zum Triggern dazu eingerichtet sind, die mittels des Fehleranalysealgorithmus aufgefundenen Fehleranzeigen zum Triggern von vorbestimmten Verfahrensschritten zu verwenden.