DE102019205584A1

DE102019205584A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Justierung und/oder Kalibrierung einer Ultraschallprüfung

Info

Publication number: DE102019205584A1
Application number: DE102019205584.2A
Authority: DE
Inventors: Jan-Carl Grager; Hubert Mooshofer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2019-04-17
Filing date: 2019-04-17
Publication date: 2020-10-22

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Justierung und/oder Kalibrierung einer Ultraschallprüfung eines Objektes vorgeschlagen, bei dem mittels N ≥ 2 Ultraschallsender Ultraschall in das Objekt eingeschallt wird, und/oder bei dem mittels N ≥ 2 Ultraschallempfänger wenigstens ein Teil des eingeschallten Ultraschalls erfasst wird. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass für mehrere paarweise Kombinationen der Ultraschallsender und Ultraschallempfänger jeweils ein Zeitsignal des eingeschallten Ultraschalls erfasst wird, und basierend auf den mehreren erfassten Zeitsignalen eine Schallgeschwindigkeit wenigstens einer Wellenmode des eingeschallten Ultraschalls formechofrei ermittelt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Justierung und/oder Kalibrierung einer Ultraschallprüfung eines Objektes.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Obergriff des Patentanspruches 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 12.
Zur Durchführung einer Ultraschallprüfung eines Objektes ist typischerweise eine Justierung und/oder Kalibrierung von Entfernungen erforderlich (Entfernungsjustierung und/oder Entfernungskalibrierung), beispielsweise um Defekte des Objektes zu lokalisieren und zu entscheiden, ob diese in kritischen Bereichen des Objektes angeordnet sind. Weiterhin ist eine Justierung und/oder Kalibrierung für die Interpretation der Ultraschallprüfung wichtig.
Für die Entfernungsjustierung ist typischerweise ein geeignetes Ultraschallecho (Formecho), beispielsweise ein Rückwandecho, ein zugehöriger Schallweg und gegebenenfalls ein Justierkörper erforderlich. Mittels einer Impulsecho-Messung wird eine Laufzeit des Ultraschalls für das Formecho ermittelt und dadurch die Schallgeschwindigkeit berechnet.
Für Prüfköpfe, die eine deutliche Vorlaufzeit aufweisen, wird eine Zweipunktjustierung durchgeführt und/oder die Vorlaufzeit mittels eines Justierkörpers bestimmt.
Die Schallgeschwindigkeit muss für die genannten Justierungen präzise bekannt sein. Weiterhin muss das Objekt selbst ein Formecho, beispielsweise durch eine geeignete Rückwand, ermöglichen. Weiterhin muss der für das Formecho vorgesehene Bereich des Objektes und/oder das Objekt selbst zugänglich sein. Zusammenfassend sind die genannten Justierungen nicht für alle Objekte geeignet.
Nachteilig an den bekannten Verfahren zur Justierung und/oder Kalibrierung ist, dass diese mit einem hohen Zeitaufwand verbunden sind. Insbesondere die Ermittlung der Schallgeschwindigkeit von Scherwellen weist einen hohen Zeitaufwand auf.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Justierung und/oder Kalibrierung einer Ultraschallprüfung zu verbessern.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 12 gelöst. In den abhängigen Patentansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Justierung und/oder Kalibrierung einer Ultraschallprüfung eines Objektes, wird mittels N ≥ 2 Ultraschallsender Ultraschall in das Objekt eingeschallt, und/oder mittels N ≥ 2 Ultraschallempfänger wenigstens ein Teil des eingeschallten Ultraschalls erfasst. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass für mehrere paarweise Kombinationen der Ultraschallsender und Ultraschallempfänger jeweils ein Zeitsignal des eingeschallten Ultraschalls erfasst wird, und basierend auf den mehreren erfassten Zeitsignalen eine Schallgeschwindigkeit wenigstens einer Wellenmode des eingeschallten Ultraschalls formechofrei ermittelt wird.
Ein Objekt kann jeder räumliche Gegenstand sein, beweglich oder unbeweglich, insbesondere ein Werkstück, ein Halbzeug, ein Bauteil, eine Turbine, ein Teil eines Gebäudes, ein Teil einer Brücke und/oder ein weiteres gegenständliches Objekt.
Ein Zeitsignal entspricht typischerweise einem A-Bild, beziehungsweise kann einem A-Bild, welches basierend auf den eingeschallten und erfassten Ultraschall ermittelt wurde, entnommen werden. Für jede mögliche Sender-Empfänger-Kombination (bis zu N²), wird ein Zeitsignal (A-Bild) aufgezeichnet. Die Zeitsignale können mittels verschiedener Verfahren ermittelt oder erfasst werden, beispielsweise mittels einem Nulldurchgang der Ultraschallamplitude, mittels einer Bestimmung des Ersteinsatzzeitpunktes und/oder mittels einer Phasen-Spektroskopie. Zur Verbesserung des Signal-Rauschverhältnisses können weiterhin ausgewählte Zeitsignale weggelassen oder bestimmt gewichtet werden, beispielsweise Zeitsignale, die einen negativen Einfluss auf die Justierung und/oder Kalibrierung haben, oder zu einem bestimmten Formecho korrespondieren.
Wird ergänzend zum Zeitsignal eine zughörige Ultraschallamplitude erfasst und ausgewertet, so kann zusätzlich eine Schallabschwächung der Wellenmode, insbesondere einer Rayleigh-Welle und/oder Kriechwelle, ermittelt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden wenigstens zwei Ultraschallsender und/oder wenigstens zwei Ultraschallempfänger verwendet. Werden zwei Ultraschallsender verwendet, so ist wenigstens ein Ultraschallempfänger erforderlich. Werden zwei Ultraschallempfänger verwendet, so ist wenigstens ein Ultraschallsender erforderlich. Bevorzugt werden gleich viele und jeweils mehr als zwei Ultraschallsender und Ultraschallempfänger verwendet. Mit anderen Worten werden bevorzugt N ≥ 2 Ultraschallsender und N ≥ 2 Ultraschallempfänger verwendet und für jede der N² paarweisen Kombinationen wird ein Zeitsignal ermittelt. Mit anderen Worten werden bevorzugt N Ultraschall-Aperturen, die als Sende- und/oder Empfangsaperturen ausgebildet sind, verwendet.
Durch die erfindungsgemäße Verwendung von mehreren Sende-Empfänger-Paaren (und deren Permutationen) wird eine verbesserte Justierung und/oder Kalibrierung ermöglicht.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass für die Justierung und/oder Kalibrierung der Ultraschallprüfung kein Formecho und/oder Justierkörper erforderlich ist. Mit anderen Worten erfolgt die Ermittlung der Schallgeschwindigkeit formechofrei, das heißt ohne die Verwendung eines Formechos. Dadurch kann das erfindungsgemäße Verfahren direkt in die Ultraschallprüfung integriert werden. Mit anderen Worten ist die erfindungsgemäße Justierung und/oder Kalibrierung integraler Bestandteil der Ultraschallprüfung. Weiterhin erfolgt die Justierung und/oder Kalibrierung automatisch, sodass ein Eingreifen des Prüfers nicht mehr erforderlich ist. Bestenfalls bemerkt der Prüfer der Ultraschallprüfung die erfindungsgemäße Justierung und/oder Kalibrierung, die typischerweise vor der eigentlichen Ultraschallprüfung erfolgt, nicht. Mit anderen Worten umfasst eine erfindungsgemäße Ultraschallprüfung als Verfahrensschritt das erfindungsgemäße Verfahren zur Justierung und/oder Kalibrierung.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die Justierung und/oder Kalibrierung direkt am Objekt durchgeführt wird, wodurch mögliche Abweichungen zu einem Vergleichskörper vermieden werden können. Dadurch können Fehler verringert werden, wodurch die Genauigkeit der Ultraschallprüfung, die auf der erfindungsgemäßen Justierung und/oder Kalibrierung basiert, verbessert wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Justierung und/oder Kalibrierung einer Ultraschallprüfung eines Objektes, umfasst wenigstens N ≥ 2 Ultraschallsender zum Einschallen von Ultraschall in das Objekt, und/oder wenigstens N ≥ 2 Ultraschallempfänger zum Erfassen wenigstens eines Teils des eingeschallten Ultraschalls, und wenigstens eine Auswerteeinheit zum Auswerten des erfassten Ultraschalls. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass für mehrere paarweise Kombinationen der Ultraschallsender und Ultraschallempfänger jeweils ein Zeitsignal des eingeschalten Ultraschalls erfassbar ist, wobei mittels der Auswerteeinheit basierend auf den mehreren erfassten Zeitsignalen eine Schallgeschwindigkeit wenigstens einer Wellenmode des eingeschallten Ultraschalls formechofrei ermittelbar ist.
Es ergeben sich zum erfindungsgemäßen Verfahren gleichartige und gleichwertige Vorteile und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Schallgeschwindigkeit für eine Oberflächenwelle, insbesondere eine Rayleigh-Welle oder eine Kriechwelle oder eine Lamb-Welle ermittelt.
Bei der Ultraschallanregung bilden sich mehrere verschiedene Wellenmoden aus. Typischerweise sind dies Rayleigh-Wellen und Kriechwellen. Diese weisen verschiedene Schallgeschwindigkeiten (Ausbreitungsgeschwindigkeiten) auf. Vorteilhafterweise werden die Schallgeschwindigkeiten dieser verschiedenen Wellenmoden ermittelt. Dadurch wird vorteilhafterweise eine gleichzeitige Bestimmung der Schallgeschwindigkeiten (Ausbreitungsgeschwindigkeiten) der Longitudinal-Wellenmoden, Scherwellenmoden und Rayleigh-Wellenmoden ermöglicht.
Hierbei können die genannten Wellen beziehungsweise Wellenmoden bevorzugt einen Nebeneffekt („Dreckeffekt“) bei Verwendung beziehungsweise Anregung mit einem Senkrechtprüfkopf, insbesondere mit einem Einzelschwinger und/oder einem Phased-Array, darstellen.
Ist die Oberfläche des Objektes wenigstens teilweise gekrümmt, das heißt das Objekt nicht planar, so können weiterhin Dispersionseffekte von Rayleigh-Wellen berücksichtigt werden.
Lamb-Wellen werden insbesondere bei beschichtete und/oder plattenförmigen Objekten angeregt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird mittels der ermittelten Schallgeschwindigkeit wenigstens ein Materialparameter des Objektes berechnet.
Die angeregten Wellenmoden, beispielsweise Rayleigh-Wellen und/oder Kriechwellen und/oder Lamb-Wellen, weisen eine verschiedene Schallgeschwindigkeit, das heißt Ausbreitungsgeschwindigkeit auf, die von wenigstens einem Materialparameter des Objektes abhängig ist. Durch die Ermittlung der Schallgeschwindigkeit wenigstens einer Wellenmode, bevorzugt von zwei Wellenmoden, bevorzugt von einer Kriech-Wellenmode und einer Rayleigh-Wellenmode, kann der Materialparameter vorteilhaft berechnet werden.
Bezeichnet beispielsweise c_S die Schallgeschwindigkeit einer Scher-Wellenmode, c_R die Schallgeschwindigkeit einer Rayleigh-Wellenmode und v die Querkontraktionszahl des Objektes, so gilt näherungsweise der Zusammenhang c_R ≈ c_S(0.87 + 1.12· ν)/(1 +ν). Mit anderen Worten ist c_R/c_S = f(ν), sodass aus dem Verhältnis der ermittelten Schallgeschwindigkeiten c_R und c_S der Materialparameter, in diesem Beispiel die Querkontraktionszahl v, berechnet werden kann. Typischerweise sind die Schallgeschwindigkeiten c_R, c_S und die Longitudinalwellengeschwindigkeit c_L (Schallgeschwindigkeit einer Longitduinalwelle) voneinander abhängig, in dem Sinne, dass eine Funktion mit F(c_R, c_S, c_L) = 0, existiert. Hieraus können ein oder mehrere Materialparameter berechnet werden.
Vorteilhafterweise können somit durch die Ermittlung mehrere Schallgeschwindigkeiten, die zu verschiedenen Wellenmoden des Ultraschalls zugehörig sind, verschiedene Materialparameter des Objektes, insbesondere sein Elastizitätsmodul, seine Querkontraktionszahl, sein Schubmodul und/oder seine Massendichte berechnet und ermittelt werden. Diese können weiterhin ortsabhängig bezüglich des Objektes sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der wenigstens eine Materialparameter durch ein mathematisches Modell, welches eine Abhängigkeit der ermittelten Schallgeschwindigkeit vom wenigstens einen Materialparameter bestimmt, berechnet.
Der Materialparameter kann mittels einer Ausgleichsrechnung und/oder einem Optimierungsverfahren und/oder einem Schätzverfahren, beispielsweise einer linearen Regression, basierend auf dem mathematischen Modell berechnet werden.
Ein mathematisches Modell quantifiziert beispielsweise den Zusammenhang verschiedener Schallgeschwindigkeiten von den Materialparametern.
Beispielsweise gilt für Kriechwellen beziehungsweise Longitudinalwellen der Zusammenhang beziehungsweise das mathematische Modell $c_{K}^{2} = c_{L}^{2} = \frac{E (1 - v)}{ρ (1 + v) (1 - 2 v)}$
wobei c_K die Schallgeschwindigkeit einer Kriech-Wellenmode des Objektes, E das Elastizitätsmodul des Objektes und ρ die Massendichte des Objektes bezeichnet.
Weiterhin gilt für die Scherwellengeschwindigkeit das mathematische Modell $c_{s} = \sqrt{\frac{E}{ρ} \frac{1}{2 (1 + v)}} = \sqrt{\frac{G}{ρ}}$
wobei G das Schubmodul des Objektes bezeichnet.
Mit anderen Worten wird vorteilhafterweise als Materialparameter die Querkontraktionszahl, die Massendichte, das Elastizitätsmodul, das Schubmodul oder das Kompressionsmodul des Objektes gemäß dem mathematischen Modell berechnet.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden wenigstens zwei Schallgeschwindigkeiten von zwei verschiedenen Wellenmoden, insbesondere von einer Rayleigh-Welle und einer Kriechwelle, ermittelt, und es wird der wenigstens eine Materialparameter des Objektes mittels der zwei Schallgeschwindigkeiten berechnet.
Bevorzugt ist ein Berechnen von mehreren Materialparamatern vorgesehen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird basierend auf den ermittelten Materialparametern eine Verwechslungsprüfung bezüglich des Objektes durchgeführt.
Mit anderen Worten wird automatisch in Abhängigkeit der berechneten Materialparameter geprüft, ob der Ultraschallprüfung das vorgesehene zu prüfende Objekt zugrunde liegt. Dies erfolgt bevorzugt automatisiert vor der Ultraschallprüfung. Dadurch kann vorteilhafterweise die Wahrscheinlichkeit einer Verwechslung verschiedener Objekte verringert werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird eine auf der Justierung und/oder Kalibrierung basierende Ultraschallprüfung durchgeführt.
Mit anderen Worten erfolgt die Justierung und/oder Kalibrierung gemäß der vorliegenden Erfindung und/oder einer ihrer Ausgestaltungen bevorzugt vor der Ultraschallprüfung des Objektes. Besonders bevorzugt erfolgt diese automatisiert zu Beginn der Ultraschallprüfung. Mit anderen Worten umfasst eine erfindungsgemäße Ultraschallprüfung eine Justierung und/oder Kalibrierung gemäß der vorliegenden Erfindung und/oder einer ihrer Ausgestaltungen. Dadurch wird vorteilhafterweise die Justierung und/oder Kalibrierung integraler Bestandteil der Ultraschallprüfung.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Schallgeschwindigkeit beziehungsweise werden die Schallgeschwindigkeiten aus Zeitsignalen der Wellenmode von der jeweiligen Position des Ultraschallsenders zur jeweiligen Position des Ultraschallempfängers ermittelt.
Dadurch wird vorteilhafterweise die Justierung und/oder Kalibrierung verbessert.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Schallgeschwindigkeit beziehungsweise werden die Schallgeschwindigkeiten mittels eines geodätischen Abstandes zwischen der jeweiligen Position des Ultraschallsenders und der jeweiligen Position des Ultraschallempfängers ermittelt.
Hierzu kann der geometrische Schwerpunkt/Flächenschwerpunkt des Ultraschallsenders und/oder Ultraschallempfängers verwendet werden. Die Oberfläche des Objektes kann wenigstens in einem Teilbereich gekrümmt sein. Hierbei ist es von Vorteil nicht den euklidischen Abstand zwischen den genannten Elementen (Ultraschallsender und Ultraschallempfänger) zu verwenden, sondern den geodätischen Abstand zwischen den Elementen entlang der Oberfläche. Der geodätische Abstand kann mittels der riemannschen Metrik der Oberfläche im Rahmen der riemannschen Geometrie ermittelt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Schallgeschwindigkeit beziehungsweise werden die Schallgeschwindigkeiten mittels einer Simulation der Ausbreitung des eingeschallten Ultraschalls ermittelt.
Dies kann durch einen Vergleich mit der Simulation erfolgen. Mit anderen Worten wird die Ausbreitung des Ultraschalls, inklusive der Anregung von mehreren Wellenmoden, simuliert. Es ist somit vorteilhaft, wenn die Simulation dazu ausgebildet ist, die verschiedenen Wellenmoden, die sich bei der Anregung ausbilden, insbesondere Rayleigh-Wellen, Kriechwellen und/oder Lamb-Wellen, zu berücksichtigen. Mit anderen Worten umfasst die Simulation die Anregung mehrerer Ultraschallmoden (Wellenmoden).
Bevorzugt weist die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung einen Sende-Empfangs-Prüfkopf auf, wobei der Sende-Empfangs-Prüfkopf den Ultraschallsender und den Ultraschallempfänger umfasst.
Dadurch wird vorteilhafterweise eine räumlich kompakte Prüfung des Objektes ermöglicht.
Bevorzugt umfasst die Vorrichtung einen als Transducer ausgebildeten Prüfkopf.
Dadurch ist der Prüfkopf vorteilhafterweise als Ultraschallsender und als Ultraschallempfänger ausgebildet. Insbesondere ist der Prüfkopf hierbei als Piezo-Prüfkopf ausgebildet.
Besonders bevorzugt ist der Ultraschallsender oder der Sende-Empfangs-Prüfkopf als Phased-Array-Prüfkopf und/oder als Laser-Ultraschall-Anregungseinheit ausgebildet.
Dadurch wird vorteilhafterweise eine Prüfung von geometrischen komplexen Objekten ermöglicht.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die ermittelte Schallgeschwindigkeit beziehungsweise werden die ermittelten Schallgeschwindigkeiten durch Auswertung mehrerer Zeitsignale unter Verwendung einer Ausgleichsrechnung und/oder einem Optimierungsverfahren und/oder einem Schätzverfahren ermittelt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Vorlaufzeit eines für die Ultraschallprüfung vorgesehenen Prüfkopfes ermittelt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird aus wenigstens zwei Schallgeschwindigkeiten, insbesondere aus der Schallgeschwindigkeit einer Kriechwelle und der Schallgeschwindigkeit einer Rayleigh-Welle eine dritte Schallgeschwindigkeit, insbesondere einer Transversalwelle, bestimmt und für die Justierung und/oder Kalibrierung verwendet.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt die einzige Figur schematisiert ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
In einem ersten Schritt S1 zur Justierung und/oder Kalibrierung einer Ultraschallprüfung eines Objektes, wird mittels N ≥ 2 Ultraschallsender Ultraschall in das Objekt eingeschallt.
In einem zweiten Schritt S2 wird mittels N ≥ 2 Ultraschallempfänger wenigstens ein Teil des eingeschallten Ultraschalls erfasst.
Die Ultraschallsender und Ultraschallempfänger können hierbei bevorzugt für eine Ultraschallprüfung des Objektes verwendet werden oder vorgesehen sein.
Weiterhin können der Ultraschallsender und der Ultraschallempfänger an verschiedenen Orten um das Objekt angeordnet sein. Alternativ hierzu kann ein Sende-Empfangs-Prüfkopf den Ultraschallsender und den Ultraschallempfänger umfassen und/oder der Prüfkopf als Ultraschallsender und Ultraschallempfänger ausgebildet sein, sodass der Ultraschallsender und der Ultraschallempfänger im Wesentlichen am gleichen Ort beziehungsweise am gleichen Ort angeordnet sind. Der Ultraschallsender und/oder der Ultraschallempfänger und/oder der Sende-Empfangs-Prüfkopf können bezüglich des Objektes bewegt werden, wobei an jedem Ort eine neue Prüfung durchgeführt wird. Alternativ oder ergänzend hierzu kann sich das Objekt bewegen.
In einer weiteren Ausgestaltung können wenigstens ein Ultraschallsender und wenigstens N ≥ 2 Ultraschallempfänger verwendet werden. Ferner können alternativ wenigstens N ≥ 2 Ultraschallempfänger und wenigstens ein Ultraschallsender verwendet werden. Bevorzugt werden N ≥ 2 Ultraschallsender und N ≥ 2 Ultraschallempfänger verwendet.
In einem dritten Schritt S3 wird für mehrere paarweise Kombinationen der Ultraschallsender und Ultraschallempfänger jeweils ein Zeitsignal des eingeschallten Ultraschalls erfasst.
Bevorzugt werden für N ≥ 2 Ultraschallsender und N ≥ 2 Ultraschallempfänger N² Zeitsignale erfasst, das heißt für jede paarweise Kombination ein Zeitsignal.
In einem vierten Schritt S4 wird basierend auf den mehreren erfassten Zeitsignalen eine Schallgeschwindigkeit (Ausbreitungsgeschwindigkeit) wenigstens einer Wellenmode des eingeschallten Ultraschalls ermittelt.
Durch die Ermittlung der Schallgeschwindigkeit kann vorteilhafterweise eine verbesserte Justierung und/oder Kalibrierung für eine Ultraschallprüfung des Objektes bereitgestellt werden. Insbesondere wird die Justierung und/oder Kalibrierung integraler Bestandteil der Ultraschallprüfung zumal hierfür dieselben Ultraschallsender und Ultraschallempfänger verwendbar sind beziehungsweise verwendet werden und/oder die Justierung direkt am Prüfobjekt erfolgt, ohne dass hierfür ein Formecho erforderlich ist.
Das nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiel erläutert eine Bestimmung der Schallgeschwindigkeit einer Kriechwelle und einer Rayleigh-Welle gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
Die Kalibrierung vor einer Ultraschallmessung beziehungsweise Ultraschallprüfung ist grundsätzlich erforderlich, um Positionen von Defekten im Bauteil korrekt zu bestimmen. Hierfür ist typischerweise neben der Schallgeschwindigkeit des Materials auch die Vorlaufzeit eines für die Ultraschallprüfung verwendeten Prüfkopfes erforderlich. Diese entspricht typischerweise der doppelten Zeit zwischen einem elektrischen Sendeimpuls und einem Eintritt des Ultraschalls in das Objekt. Mit anderen Worten wird auf die Oberfläche (Tiefe = 0 mm) kalibriert, wenn die Vorlaufzeit zuvor experimentell bestimmt und bei der Ultraschallprüfung berücksichtigt wird.
Beispielsweise wird ein linearer Phased-Array-Prüfkopf mit fünf Elementen mit äquidistanten Abständen verwendet. Wird Element 1 gepulst, so breitet sich an der Oberfläche, beispielsweise in x-Richtung, eine Kriech-Wellenmode aus, gefolgt von einer langsameren Rayleigh-Wellenmode. Beide Wellenmoden werden von den Elementen zwei bis fünf zu bestimmten Schalllaufzeiten erfasst. Wird durch die hierzu korrespondierenden Messwerte jeweils eine Regressionsgerade gelegt, beispielsweise y = kx + d, so ergeben sich die Schallgeschwindigkeiten c_K und c_R durch die Steigung k. Die Vorlaufzeit des Prüfkopfes ergibt sich aus dem Achsenabschnitt d.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt oder andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

S1: erster Schritt
S2: zweiter Schritt
S3: dritter Schritt
S4: vierter Schritt

Claims

Verfahren zur Justierung und/oder Kalibrierung einer Ultraschallprüfung eines Objektes, bei dem mittels N ≥ 2 Ultraschallsender Ultraschall in das Objekt eingeschallt wird, und/oder bei dem mittels N ≥ 2 Ultraschallempfänger wenigstens ein Teil des eingeschallten Ultraschalls erfasst wird, gekennzeichnet dadurch, dass für mehrere paarweise Kombinationen der Ultraschallsender und Ultraschallempfänger jeweils ein Zeitsignal des eingeschallten Ultraschalls erfasst wird, und bei dem basierend auf den mehreren erfassten Zeitsignalen eine Schallgeschwindigkeit wenigstens einer Wellenmode des eingeschallten Ultraschalls formechofrei ermittelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Schallgeschwindigkeit für eine Oberflächenwelle, insbesondere eine Rayleigh-Welle oder eine Kriechwelle oder eine Lamb-Welle ermittelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass mittels der ermittelten Schallgeschwindigkeit wenigstens ein Materialparameter des Objektes berechnet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, dass als Materialparameter die Querkontraktionszahl, die Massendichte, das Elastizitätsmodul, das Schubmodul oder das Kompressionsmodul des Objektes berechnet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet dadurch, dass der wenigstens eine Materialparameter durch ein mathematisches Modell, welches eine Abhängigkeit der ermittelten Schallgeschwindigkeit vom wenigstens einen Materialparameter bestimmt, berechnet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass wenigstens zwei Schallgeschwindigkeiten von zwei verschiedenen Wellenmoden, insbesondere von einer Rayleigh-Welle und einer Kriechwelle, ermittelt werden, und dass wenigstens ein Materialparameter des Objektes mittels der zwei Schallgeschwindigkeiten berechnet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, gekennzeichnet dadurch, dass basierend auf den ermittelten Materialparametern eine Verwechslungsprüfung bezüglich des Objektes durchgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass eine auf der Justierung und/oder Kalibrierung basierende Ultraschallprüfung durchgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Schallgeschwindigkeit aus Zeitsignalen der Wellenmode von der jeweiligen Position des Ultraschallsenders zur jeweiligen Position des Ultraschallempfängers ermittelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 9, gekennzeichnet dadurch, dass die Schallgeschwindigkeit mittels eines geodätischen Abstandes zwischen der jeweiligen Position des Ultraschallsenders und der jeweiligen Position des Ultraschallempfängers ermittelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet dadurch, dass die Schallgeschwindigkeit mittels einer Simulation der Ausbreitung des eingeschallten Ultraschalls ermittelt wird.
Vorrichtung zur Justierung und/oder Kalibrierung einer Ultraschallprüfung eines Objektes, umfassend wenigstens N ≥ 2 Ultraschallsender zum Einschallen von Ultraschall in das Objekt, und/oder wenigstens N ≥ 2 Ultraschallempfänger zum Erfassen wenigstens eines Teils des eingeschallten Ultraschalls, und wenigstens eine Auswerteeinheit zum Auswerten des erfassten Ultraschalls, dadurch gekennzeichnet, dass für mehrere paarweise Kombinationen der Ultraschallsender und Ultraschallempfänger jeweils ein Zeitsignal des eingeschalten Ultraschalls erfassbar ist, wobei mittels der Auswerteeinheit basierend auf den mehreren erfassten Zeitsignalen eine Schallgeschwindigkeit wenigstens einer Wellenmode des eingeschallten Ultraschalls formechofrei ermittelbar ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen Sende-Empfangs-Prüfkopf aufweist, wobei der Sende-Empfangs-Prüfkopf den Ultraschallsender und den Ultraschallempfänger umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen als Transducer ausgebildeten Prüfkopf aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsender als Phased-Array-Prüfkopf und/oder als Laser-Ultraschall-Anregungseinheit ausgebildet ist.