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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der US-Patentanmeldung Nr. 12/423,225, eingereicht am 14. April 2009, mit dem Titel „Weld Verification System And Method” und der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/045,042, eingereicht am 15. April 2008, mit dem Titel „Weld Verification System And Method”, deren Offenbarungen durch Querverweis in ihrer Gesamtheit hier einbezogen sind.
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HINTERGRUND
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schweißnaht-Prüfsystem und ein zugehöriges Verfahren zum Überprüfen von Metallstück-Schweißnähten.
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Die Erläuterungen in diesem Abschnitt liefern lediglich Hintergrundinformationen im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung und stellen nicht zwangsweise Stand der Technik dar.
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Metallstücke (slugs) können verwendet werden, um eine Welle an einem Gehäuse zu befestigen. Was dies betrifft, so können Metallstücke, die durch das Gehäuse verlaufen, durch Widerstandsschweißen an die Welle geschweißt werden. Zu Zwecken der Qualitätssicherung können diese Widerstandsschweißnähte periodisch überprüft werden, um sicher zu stellen, dass Gehäuse und Welle fest miteinander verbunden sind. Zum Überprüfen der Schweißnähte können zerstörende Verfahren verwendet werden, bei denen die Welle relativ zu dem Gehäuse angezogen wird, um die Größe der Kraft zu bestimmen, die notwendig ist, um die Widerstandsschweißnaht zu brechen. Da ein derartiges Verfahren die Baugruppe aus Gehäuse und Welle zerstört, kann die Baugruppe jedoch nicht weiter verwendet werden, und folglich ist dieses Verfahren nicht wirtschaftlich.
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ZUSAMMENFASSUNG
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In einer Form liefern die Lehren der vorliegenden Offenbarung ein Prüfverfahren, das eine Sonde nahe bei einem Bereich einer Welle anordnet, die an ein Metallstück geschweißt ist, das die Welle an einem Gehäuse befestigt. Eine Schallwellenfront kann von der Sonde in Richtung auf das Metallstück in die Welle ausgesendet werden, und eine Reflexion der Schallwellenfront kann mit der Sonde empfangen werden. Ausgehend von der Zeit, zu der die Reflexion von der Sonde empfangen wird, wird bestimmt, ob die Reflexion an einer Schnittstelle zwischen der Welle und dem Metallstück oder an einem distalen Ende des Metallstücks erfolgte.
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In einer anderen Form liefern die Lehren der vorliegenden Erfindung ein Prüfsystem zum Prüfen einer Schweißnaht an einer Schnittstelle zwischen einem Metallstück und einer hohlen Welle. Das System umfasst eine Sonde, die eine Schallwellenfront in Richtung auf das Metallstück in die Welle abgibt und eine Reflexion der Schallwellenfront empfängt. Eine Erfassungseinheit überträgt ein Signal zum Aussenden der Schallwellenfront an die Sonde und wandelt ein Rücksignal, das nach Empfang der Reflexion durch die Sonde von der Sonde empfangen wurde, in ein Bild um.
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Weitere Anwendungsgebiete ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. Es sei darauf hingewiesen, dass die Beschreibung und die speziellen Beispiele lediglich der Veranschaulichung dienen und nicht dazu gedacht sind, den Umfang der vorliegenden Offenbarung einzuschränken.
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ZEICHNUNGEN
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Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen lediglich Veranschaulichungszwecken und sind nicht dazu gedacht, den Umfang der vorliegenden Offenbarung irgendwie einzuschränken.
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1 ist eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Baugruppe, bei der mehrere Metallstücke verwendet werden, um ein Gehäuse mit einer Welle zu verbinden;
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2 ist eine perspektivische Ansicht einer Prüfvorrichtung, die gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung konstruiert ist;
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3A und 3B sind schematische Darstellungen der Prüfvorrichtung der 2 beim Senden bzw. Empfangen von Ultraschallwellen in die beispielhafte Baugruppe der 1;
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4 ist eine schematische Darstellung des Multiplexing einer Vielzahl von Elementen eines linearen Phased-Array; und
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5 ist eine Querschnittsansicht ähnlich derjenigen der 1, zeigt jedoch die Prüfvorrichtung der 2, die zum Prüfen der Schnittstelle zwischen einem Metallstück und einer Welle eingeführt ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die folgende Beschreibung ist rein beispielhafter Natur und soll die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder Verwendungen nicht einschränken. Es sei darauf hingewiesen, dass in allen Zeichnungen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Teile und Merkmale bezeichnen.
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Unter Bezugnahme auf 1 ist ein beispielhaftes Gehäuse 10 mittels Metallstücken 16 an einer Welle 12 gesichert, um eine Welle/Gehäuse-Baugruppe 14 zu bilden. Das Gehäuse 10 kann Durchgangslöcher 18 aufweisen, die die Metallstücke 16 aufnehmen, und zum Befestigen des Gehäuses 10 an der Welle 12 kann Widerstandsschweißen eingesetzt werden, um eine Schweißnaht an einer Schnittstelle zwischen Welle 12 und Metallstück 16 zu bilden. In dieser Hinsicht kann das Metallstück 16 in das Durchgangsloch 18 gesetzt und an der Welle 12 anliegend angeordnet werden, ein Paar Elektroden (nicht dargestellt) kann elektrisch mit dem Metallstück 16 und der Welle 12 gekoppelt werden (z. B. an eine Innenfläche 12 der Welle 12), und elektrische Energie kann durch die Elektroden geleitet werden, um das Metallstück 16 an der Welle 12 zu befestigen. Das derartige Leiten eines elektrischen Stroms zwischen Metallstück 16 und Welle 12 resultiert im Bilden einer Widerstandsschweißnaht an der Schnittstelle 20 zwischen Metallstück 16 und Welle 12, die die Welle 12 axial und nicht drehbar an dem Gehäuse 10 befestigt.
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Die Integrität dieser Widerstandschweißnähte kann periodisch überprüft werden. Jede Art von Ultraschall-Prüfung, eine Form der nicht zerstörenden Prüfung kann für diese Aufgabe eingesetzt werden. Bei diesem speziellen angegebenen Beispiel wird jedoch die Phased-Array-Ultraschall-Prüfung eingesetzt. Die Phased-Array-Prüfung ist eine spezielle Art der Ultraschall-Prüfung, die Multielement-Array-Sonden und Software verwendet, um akustische Strahlen hoher Frequenz durch das Metallstück 16 und die Welle 12 zu lenken und zurückkehrende Echos zu erfassen, wobei detaillierte Bilder der Widerstandsschweißnaht zwischen dem Metallstück 16 und der Welle 12 erzeugt werden.
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Die Phased-Array-Prüfung bietet beträchtliche technische Vorteile gegenüber der konventionellen Ultraschall-Prüfung, wie beispielsweise die Verwendung des elektronischen Abtastens, Strahlformung, Strahllenkung und elektronisches Fokussieren. Das elektronische Abtasten erlaubt sehr schnelles Abdecken der Komponenten, typischerweise eine Größenordnung schneller als ein mechanisches Einsonden-System. Die Strahlformung erlaubt es, ausgewählte Strahlwinkel ultraschallmäßig zu optimieren, indem sie senkrecht zu den vorhergesagten Defekten (z. B. dem Bindefehler in einer Schweißnaht) ausgerichtet werden.
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Zu den wichtigsten Merkmalen von Phased-Arrays gehören Geschwindigkeit, Flexibilität, Prüfwinkel, kleiner Platzbedarf und Abbildung. Speziell die Abbildung ist nützlich bei Schweißnahtprüfungen, insbesondere zum Bemessen von Defekten. Das Abtasten mit Phased-Arrays ist viel schneller als konventionelle mechanische Einsonden-Systeme und liefert gleichzeitig eine bessere Erfassung. Einstellungen können innerhalb weniger Minuten geändert werden, und typischerweise ist mehr Flexibilität hinsichtlich der Komponentenabmessungen möglich. Eine breite Auswahl an Prüfwinkeln kann verwendet werden, je nach Anforderungen und Array. Arrays mit kleiner Matrix können zum Prüfen eingeschränkter Bereiche beträchtlich mehr Flexibilität liefern als konventionelle Sonden. Außerdem ist das Zeigen eines wahrheitsgetreuen Tiefenbildes von Schadstellen viel leichter zu interpretieren als eine Wellenform. Die Daten können dann gespeichert und bei Bedarf erneut angezeigt werden.
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Herkömmliche Ultraschall-Umformer für das zerstörungsfreie Prüfen bestehen üblicherweise entweder aus einem einzigen aktiven Element, das Hochfrequenz-Schallwellen sowohl erzeugt als auch empfängt, oder aus zwei miteinander gepaarten Elementen, eines zum Senden und eines zum Empfangen. Phased-Array-Sonden dagegen bestehen typischerweise aus einer Umformer-Anordnung mit sechzehn bis bis zu zweihundertundsechsundfünfzig einzelnen kleinen Elementen, von denen jedes separat gepulst sein kann. Diese können in einem Band (lineares Array), einem Ring (ringförmiges Array), einer kreisförmigen Matrix (kreisförmiges Array) oder einer komplexeren Form angeordnet sein. Wie herkömmliche Umformer können Phased-Array-Sonden für den Direktkontakt-Einsatz, als Teil einer Winkelstrahlanordnung mit einem Keil oder für den Taucheinsatz mit Schallkopplung durch einen Fluid-(z. B. Wasser)weg ausgelegt sein. Umformerfrequenzen liegen meistens im Bereich von 2 MHz bis 10 MHz. Ein Phased-Array-System, wie das in 2 dargestellte, kann ferner ein leistungsstarkes Computer basiertes Instrument oder eine Erfassungseinheit umfassen, die in der Lage ist, die Multielement-Sonde anzusteuern, die zurückkehrenden Echos zu empfangen und zu digitalisieren und diese Echoinformationen in verschiedenen Standardformaten aufzuzeichnen.
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Unter Bezugnahme auf 2 ist ein Schweißnahtprüfsystem, das gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung konstruiert ist, im Allgemeinen mit dem Bezugszeichen 22 bezeichnet. Das Schweißnahtprüfsystem 22 kann ein Phased-Array-System 22a mit einem linearen Array 24 umfassen. Das lineare Array 24 kann aus einer Vielzahl von Elementen 26 zusammengesetzt sein, wie zum Beispiel aus vierundsechzig einzelnen Elementen. Bei den Elementen 26 kann es sich um aus Quarz bestehende piezoelektrische Elemente oder um piezoelektrische Verbundelemente handeln. Zwar werden bei dem linearen Phased-Array 24 piezoelektrische Elemente verwendet, doch sei darauf hingewiesen, dass jedes andere Element oder jede andere Vorrichtung, das/die in der Lage ist, eine Schallwelle auszusenden, verwendet werden kann.
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Das Schweißnahtprüfsystem 22 kann eine Sonde 28, eine Verbindungswelle 32 und einen Griff 34 aufweisen. Die Sonde 28 kann an einem distalen Ende 30 der Verbindungswelle 32 montiert sein und ist so bemessen, dass sie in der Welle 12 (1) aufgenommen wird. Die Elemente 26 des linearen Phased-Array 24 können an der Sonde 28 montiert sein. Der Griff 34 kann an das andere (proximale) Ende der Verbindungswelle 32 gekoppelt sein und ist so konfiguriert, dass er Drehbewegung von einer Bedienperson (z. B. der Hand einer Bedienperson) an die Verbindungswelle 32 überträgt, um das Drehen der Sonde 28 innerhalb der Welle 12 (1) zu ermöglichen. Die Sonde 28 kann auf jede beliebige Art und Weise an eine Erfassungseinheit 36 gekoppelt sein, z. B. über ein Koaxialkabel 38. Die Erfassungseinheit 36 kann eine tragbare Einheit sein, die nicht an die Welle gekoppelt ist, oder kann alternativ an der Verbindungswelle 32 montiert sein.
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Das Schweißnahtprüfsystem 22 kann ferner einen Kodierer 37 aufweisen, der eingesetzt werden kann, um eine Rotationsstellung von Sonde 28 zu Welle 12 (1) und/oder Metallstück 16 zu korrelieren, sowie eine Rotationssperre 39, wie z. B. eine Klemmhülse, die das Montieren und drehsichere Befestigen des Kodierers 37 an der Welle 12 (1) erleichtern kann. Beispielsweise kann die Rotationssperre 39 eine Haltevorrichtung sein, die eine Klemmkraft auf die Welle 12 (1) ausübt, um die Schweißnahtprüfvorrichtung 22 an der Welle 12 (1) zu befestigen, und wenn der Griff 34 gedreht wird, drehen sich folglich nur die Verbindungswelle 32 und die Sonde 28 relativ zu der Welle 12 (1) und dem Metallstück 16, was von dem Kodierer 37 überwacht wird.
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Das Schweißnahtprüfsystem 22 kann ferner eine Pumpe 41 und ein Leitungssystem 43 aufweisen, das so konfiguriert ist, dass es während der Prüfung einer Metallstück-Schweißnaht ein Ultraschall-Koppelmittel zwischen der Welle 12 (1) und der Sonde 28 bereitstellt. Das Ultraschall-Koppelmittel kann auch als ein Schmiermittel fungieren, das zum Schmieren der Drehbewegung zwischen der Sonde 28 und der Welle 12 (1) beiträgt.
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3A zeigt schematisch das Aussenden einer Schallwellenfront von den Sondenelementen 26. Die Erfassungseinheit 36 kann ein Auslösesignal an die Phased-Array-Einheit 24 leiten, die daraufhin eine Vielzahl von Signalimpulsen erzeugen kann, die von den Elementen 26 des linearen Array 24 empfangen werden können. Die Elemente 26 können daraufhin einzelne Schallwellen 40 erzeugen. Die von den Elementen 26 ausgesendeten Schallwellen 40 können sich (konstruktiv und/oder destruktiv) zu einer einzigen Wellenfront 42 vereinigen, die sich durch das Ultraschall-Koppelmittel C und in das zu prüfende Material bewegt, das das Schweiß-Metallstück 16 enthalten kann.
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Die Wellenfront 42 kann sich mit einer Geschwindigkeit durch das zu prüfende Material bewegen, die, ausgehend von einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck, in einem homogenen elastischen Material, wie z. B. Stahl, Gusseisen oder Aluminium, konstant ist. Wenn also die Metallstücke 16 und die Welle 12 durch Widerstandschweißen miteinander verschweißt oder verschmolzen sind, sollte sich die Wellenfront 42 mit einer konstanten Geschwindigkeit durch die Schnittstelle 20 zwischen dem Metallstück 16 und der Welle 12 bewegen.
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Das Phased-Array-System 22a kann so konfiguriert sein, dass es die Schallwellenfront 42 durch einen Bereich von Brechungswinkeln, entlang einem linearen Weg schwenkt, oder auf eine Anzahl verschiedener Tiefen dynamisch fokussiert. Diese Anpassungsfähigkeit kann sowohl die Flexibilität als auch das Leistungsvermögen von Prüfeinrichtungen erhöhen. Das Phased-Array-System 22a kann das Wellenphysikprinzip der Phasensteuerung nutzen, um die Zeit zwischen einer Reihe von ausgehenden Ultraschallimpulsen so zu variieren, dass die einzelnen Wellen 40, die von jedem Element 26 in dem Array 24 erzeugt werden, sich miteinander vereinigen, um Energie auf vorhersagbare Arten, die die Schallwellenfront 42 effektiv lenken und formen, hinzuzufügen oder wegzunehmen.
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Dies kann zum Beispiel durchgeführt werden, indem die einzelnen Elemente 26 zu leicht unterschiedlichen Zeitpunkten gepulst werden. Beispielsweise können die Elemente 26 in Gruppen von vier bis zweiunddreißig gepulst werden, um die effektive Empfindlichkeit zu verbessern, was die Strahlverbreiterung reduzieren und ein schärferes Fokussieren ermöglichen kann. Die Software in der Erfassungseinheit 36 kann unter Berücksichtigung der Charakteristika und Geometrie der Sonde 28 sowie der akustischen Eigenschaften des Prüfmaterials spezielle Verzögerungszeiten zum Betätigen jeder Gruppe von Elementen 26 festlegen, um die gewünschte Form der Wellenfront 42 zu erzeugen. Die von der Betriebssoftware der Erfassungseinheit 36 gewählte programmierte Pulssequenz gibt dann eine Reihe von einzelnen Wellen 40 in das Prüfmaterial ab.
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Die Schallwellenfront 42 kann durch verschiedene Winkel, Brennweiten und Brennfleckgrößen dynamisch gelenkt werden, so dass eine einzige Sondenbaugruppe in der Lage ist, das Prüfmaterial über einen Bereich unterschiedlicher Perspektiven zu untersuchen. Diese Strahllenkung erfolgt sehr schnell, so dass eine Abtastung aus verschiedenen Winkeln oder mit mehreren Schärfentiefen innerhalb eines Bruchteils einer Sekunde durchgeführt werden kann.
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Ist gemäß 3B ein Fehler oder eine Schadstelle 43 in der Schnittstelle 20 vorhanden, so wird eine Reflexion oder ein Echo 44 der Wellenfront 42 (3A) erzeugt und kann zu den Elementen 26 des linearen Phased-Array 24 zurück kehren. Das Echo 44 kann von den Elementen 26 empfangen werden, die die akustische Energie in elektrische Energie umwandeln und die elektrische Energie (d. h. das elektrische Echosignal) an die Phased-Array-Einheit 24 und/oder die Erfassungseinheit 36 senden können.
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Anders als ein konventioneller Einelement-Umformer, der die Effekte aller Strahlkomponenten, die seinen Bereich treffen, effektiv zusammenführt, kann das Phased-Array-System 22a so konfiguriert sein, dass es die zurück kehrende Wellenfront 44 je nach Ankunftszeit und Amplitude an jedem Element 26 ordnet. Jedes Echo 44 repräsentiert die Reflexion von einer bestimmten Winkelkomponente des Strahls, einem bestimmten Punkt entlang einem linearen Weg und/oder eine Reflexion von einer bestimmten Schärfentiefe. Die Echoinformationen können dann in einem beliebigen von verschiedenen Formaten angezeigt werden.
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In dieser Hinsicht basieren bei Fehlererkennungsanwendungen die Daten der Ultraschallprüfung auf Zeit- und Amplitudeninformationen, die aus verarbeiteten HF-Wellenformen abgeleitet sind. Diese Wellenformen und die aus ihnen extrahierten Informationen werden üblicherweise in einem oder mehreren von vier Formaten präsentiert: A-Bilder, B-Bilder, C-Bilder oder S-Bilder. Wie dem Fachmann bekannt ist, ist ein A-Bild eine einfache Darstellung der HF-Wellenform, die Laufzeit und Amplitude eines Ultraschallsignals zeigt, wie es normalerweise von herkömmlichen Ultraschall-Fehlerdetektoren bereitgestellt wird. Eine A-Bild-Wellenform repräsentiert die Reflexionen 44 von einer Schallstrahlposition in dem Prüfstück. Das Phased-Array-System 22 kann A-Bild-Wellenformen als Referenz anzeigen; in den meisten Fällen jedoch werden diese Daten durch B-Bilder, C-Bilder oder S-Bilder ergänzt. Diese Standard-Abbildungsformate unterstützen die Bedienperson beim Visualisieren von Art und Position von Fehlern in einem Prüfstück.
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Ein B-Bild ist ein Bild, das ein Querschnittsprofil durch eine vertikale Scheibe des Prüfstücks zeigt, das die Tiefe von Reflektoren hinsichtlich ihrer linearen Position zeigt. Die B-Bild-Abbildung erfordert, dass der Schallstrahl entlang der gewählten Achse des Prüfstücks abgetastet wird, entweder mechanisch oder elektronisch, während die relevanten Daten gespeichert werden.
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Ein C-Bild ist eine zweidimensionale Darstellung von Daten, die als eine Draufsicht oder planare Ansicht eines Prüfstücks angezeigt werden, ist in seiner grafischen Perspektive einem Röntgenbild ähnlich, wobei die Farbe die Amplitude des gattergesteuerten Signals an jedem Punkt in dem Prüfstück auf seine x-y-Position abgebildet repräsentiert. Bei konventionellen Instrumenten muss der Einelement-Umformer in einem x-y-Raster-Abtastmuster über das Prüfstück bewegt werden. Bei Phased-Array-Systemen wird die Sonde typischerweise physikalisch entlang einer Achse bewegt, während der Strahl elektronisch entlang der anderen abtastet. Kodierer werden normalerweise eingesetzt, wenn präzise geometrische Übereinstimmung des Abtastbildes mit dem Teil beizubehalten ist, doch können auch unkodierte manuelle Abtastungen in vielen Fällen nützliche Informationen liefern.
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Ein S-Bild (sectorial scan) schließlich repräsentiert eine zweidimensionale Querschnittsansicht, die aus einer Reihe von A-Bildern abgeleitet ist, die bezüglich Zeitverzögerung und Brechungswinkel aufgezeichnet wurden. Die horizontale Achse entspricht der Breite des Prüfstücks, die vertikale Achse der Tiefe. Dies ist das gebräuchlichste Format für medizinische Sonogramme sowie für industrielle Phased-Array-Bilder. Die Schallwellenfront 42 schwenkt durch eine Reihe von Winkeln, um ein annähernd kegelförmiges Querschnittsbild zu erzeugen.
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Wie oben kurz angesprochen, ergeben sich die Vorteile der Phased-Array-Technik gegenüber konventioneller Ultraschallprüfung daraus, dass sie in der Lage ist, mehrere Elemente 26 zum Lenken, Fokussieren und Abtasten von Strahlen mit einer einzigen Umformerbaugruppe zu verwenden. Die Strahllenkung kann zum Abbilden von Komponenten bei geeigneten Winkeln verwendet werden, was das Prüfen von Komponenten mit komplexen Geometrien vereinfachen kann. Der geringe Platzbedarf des Umformers und die Möglichkeit, den Strahl zu schwenken, ohne die Sonde zu bewegen unterstützt auch die Prüfung solcher Komponenten in Situationen, in denen der Zugang für die mechanische Abtastung begrenzt ist. Die Strahllenkung ist auch deswegen günstig für die Schweißnahtprüfung, weil die Möglichkeit besteht, Schweißnähte mit mehreren Winkeln von einer einzigen Sonde zu prüfen, was die Wahrscheinlichkeit, eine Schadstelle oder einen Fehler zu erfassen, stark erhöht.
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Das elektronische Fokussieren erlaubt es, die Strahlform und -größe an der möglichen Fehlerstelle zu optimieren, was die Wahrscheinlichkeit der Erfassung weiter optimiert. Die Möglichkeit, auf mehrere Tiefen zu fokussieren, verbessert auch die Möglichkeit, kritische Schadstellen für volumetrische Prüfungen zu bemessen. Das Fokussieren kann ferner das Signal-Rauschverhältnis bei anspruchsvollen Anwendungen verbessern, und das elektronische Abtasten über viele Gruppen von Elementen ermöglicht es, C-Bilder sehr schnell zu erzeugen.
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Die Elemente 26 des linearen Phased-Array 24 sind alle einzeln verdrahtet, gepulst und zeitverschoben. Wie in 4 gezeigt, werden die Elemente 26 normalerweise in Gruppen von vier bis zweiunddreißig (von vierundsechzig) gepulst, was es ermöglicht, die Wellenfront 42 nach Wunsch auf die Schnittstelle 20 zu lenken und zu fokussieren. Die Erfassungs- und Auswertesoftware berechnet die Zeitverzögerungen für eine Einrichtung aus Eingaben der Bedienperson hinsichtlich Prüfwinkel, Brennweite, Abtastmuster usw. Verzögerungsschaltungen sollten eine Genauigkeit in der Nähe von 2 Nanosekunden haben, um die erforderliche Genauigkeit der Phasensteuerung bereitzustellen. Jedes Element 26 erzeugt eine Welle 40, wenn es gepulst wird, und die Phased-Array-Anordnung 24 pulst die einzelnen Kanäle mit Zeitverzögerungen, wie sie spezifiziert sind, um eine vorberechnete Wellenfront 42 zu bilden. Zum Empfangen führt die Anordnung 24 effektiv das Umgekehrte aus. So empfängt die Anordnung 24 Signale mit vorberechneten Zeitverzögerungen, addiert das zeitverschobene Signal und zeigt es dann an. Da Phased-Arrays beträchtliche Flexibilität in der Anwendung bieten, ist Software-Vielseitigkeit äußerst wünschenswert, und die Anwendungssoftware muss leistungsstark sein, um die Erfassung von Ultraschallprüfsignalen zu verwalten.
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Unter Bezugnahme auf die 3A–5 wird nun das Schweißnahtprüfverfahren gemäß den vorliegenden Lehren beschrieben. Das lineare Phased-Array 24 besteht aus vierundsechzig Elementen 26, die eine Vielzahl von Wellen 40 erzeugen können, die sich destruktiv oder konstruktiv vereinigen, um eine einzeige Schallwellenfront 42 zu bilden, die durch eine Innenwand 13 der Welle 12, durch die Schnittstelle 20 zwischen der Welle 12 und dem Metallstück 16 und durch das Metallstück 16 dringt. Sobald die Wellenfront 42 das distale Ende des Metallstücks 16 erreicht (d. h. ein Ende des Metallstücks 16, das von der Schnittstelle 20 zwischen dem Metallstück 16 und der Welle 12 entfernt liegt), wird die Wellenfront 42 reflektiert und kehrt zu dem linearen Phased-Array 24 zurück.
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Wie oben erläutert, bestehen die Welle 12 und das Metallstück 16 aus dem gleichen Material, bei dem es sich z. B. um Stahl handeln kann. Wenn die Welle 12 und das Metallstück 16 miteinander verschweißt sind, sollte sich demnach die Wellenfront 42 so durch die Welle 12 und das Metallstück 16 bewegen, als wären Welle 12 und Metallstück 14 ein einstückiger Körper, und sollte zu dem linearen Phased-Array 24 zurück reflektieren, sobald die Schallwellenfront 42 das distale Ende 50 des Metallstücks 16 erreicht.
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Wellen 12, die in der Gehäuse/Welle-Baugruppe 14 verwendet werden, haben im Allgemeinen eine vorgegebene Stärke, die während der Fertigung der Wellen 12 aufgrund strenger Fertigungstoleranzen reproduzierbar ist. Die vorgegebene Stärke kann verwendet werden, um die Zeit zu berechnen, die die Schallwellenfront 42 zum Erreichen der Schnittstelle 20 zwischen der Welle 12 und dem Metallstück 16 benötigt. Im Gegensatz zu der vorgegebenen Stärke der Wellen 12 haben die Metallstücke 16, die zum Befestigen des Gehäuses 10 an der Welle 12 verwendet werden, relativ große Fertigungstoleranzen, oder eine Länge des Metallstücks 16 kann so ausgebildet sein, dass sie verschiedene Längen hat, die von Metallstück zu Metallstück variieren können.
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Unter zusätzlicher Bezugnahme auf 5 wird deutlich, dass, da die Welle 12 eine relativ konstante Wandstärke hat, das Anordnen des linearen Phased-Array 24 innerhalb der Welle 12 und das Aussenden der Schallwellenfront 42 in eine Richtung zu dem Metallstück 16 hin in einer relativ konstanten Zeitdauer resultiert, die die Wellenfront 42 zum Erreichen der Schnittstelle 20 benötigt. Folglich kann die Zeitdauer, die zu zum Erzeugen des Echos 44 benötigt wird als ein Bezugspunkt verwendet werden, um zu bestimmen, ob eine Schadstelle oder ein Fehler in der Schweißnaht an der Schnittstelle 20 zwischen dem Metallstück 16 und der Welle 12 vorhanden ist.
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Genauer gesagt: Durch Verwenden der Zeitdauer, die die Schallwellenfront 42 benötigen sollte, um sich durch die Dicke der Welle 12 zu bewegen und zu den Elementen 26 zurück zu reflektieren, kann bestimmt werden, ob sich die Schallwellenfront 42 durch die Schnittstelle 20 bewegt hat und an dem distalen Ende 50 des Metallstücks 16 reflektiert worden ist. Wenn die reflektierte Wellenfront 44 nach einer Zeit empfangen wird, die mindestens doppelt so lange wie die Zeitdauer ist, die die Schallwellenfront 42 benötigt, um die Schnittstelle 20 anfangs zu erreichen, sollte die Schweißnaht an der Schnittstelle 20 zwischen der Welle 12 und dem Metallstück 16 zufrieden stellend sein. Wird dagegen die reflektierte Wellenfront 44 innerhalb einer Zeitdauer empfangen, die weniger als doppelt so lange wie die Zeitdauer ist, die die Wellenfront 42 zum Erreichen der Schnittstelle 20 benötigen sollte, kann eine Schadstelle oder ein Fehler 43 in der Schweißnaht an der Schnittstelle 20 vorhanden sein.
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Um sicherzustellen, dass die gesamte Schweißnaht an der Schnittstelle 20 zwischen dem Metallstück 16 und der Welle 12 geprüft wird, kann die Schallwellenfront 42 durch einen Bereich von Brechungswinkeln, entlang einem linearen Weg geschwenkt oder auf eine Zahl unterschiedlicher Tiefen dynamisch fokussiert werden, indem die Zeitfolge, mit der die Elemente 26 des Array 24 betätigt werden, variiert wird. Alternativ kann das lineare Phased-Array 24 unter Verwendung des Griffs 34 der Vorrichtung 22 manuell geschwenkt oder gedreht (d. h. „gerastert”) werden, um sicherzustellen, dass der gesamte Bereich nahe der Schnittstelle 20 zwischen dem Metallstück 16 und der Welle 12 geprüft wird. Das manuelle Drehen des linearen Phased-Array 24 wird durch den Kodierer 37 verfolgt, um sicherzustellen, dass der gesamte Bereich nahe der Schnittstelle 20 geprüft wird. Der Kodierer 37 kann die Drehung in jede Richtung verfolgen, um sicherzustellen, dass ganze 360 Grad der Welle 12 überprüft werden. Nachdem Prüfdaten für Prüfungen empfangen worden sind, die erfolgen, wenn die Sonde 28 in eine Richtung gedreht wird, kann die Sonde 28 in die entgegengesetzte Richtung gedreht werden, und Daten, die von diesen Prüfungen empfangen werden, können mit den vorherigen empfangenen Daten verglichen werden. Auf diese Weise kann die Schnittstelle 20 vollständig und verlässlich geprüft werden. Dessen ungeachtet sei darauf hingewiesen, dass die gesamte Schweißnaht an der Schnittstelle 20 geprüft wird, um zufrieden stellend zu bestimmen, ob die Schweißnaht stabil genug ist, um die Prüfung zu bestehen.
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Wird festgestellt, dass eine Schadstelle oder ein Fehler 43 in der Schweißnaht an der Schnittstelle 20 zwischen dem Metallstück 16 und der Welle 12 vorhanden ist, kann dann in Abhängigkeit der Größe der Schadstelle oder des Fehlers 43 beurteilt werden, ob die Gehäuse/Welle-Baugruppe 14 annehmbar verbunden ist. Diesbezüglich kann die reflektierte Wellenfront 44 oder das Echo, das von den Elementen 26 des linearen Phased-Array 24 erfasst worden ist, in ein elektrisches Signal umgewandelt werden, das nachfolgend an die Erfassungseinheit 36 gesendet wird. Die Erfassungseinheit 36 kann dann ein Bild (d. h. ein A-Bild, B-Bild, C-Bild oder S-Bild) anzeigen, das der Bedienperson eine visuelle Darstellung der Schadstelle 43 liefert, die an der Schnittstelle 20 zwischen dem Metallstück 16 und der Welle 12 vorhanden ist.
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Da das lineare Phased-Array 24 an eine Verbindungswelle 32 gekoppelt ist, kann der Benutzer oder die Bedienperson das lineare Phased-Array 24 drehen, um eine gesamte Breite des Metallstücks 16 zu überstreichen oder zu rastern. Außerdem kann, da das lineare Phased-Array 24 drehbar ist, die Bedienperson nur das lineare Phased-Array 24 zu der nächsten Stelle des Metallstücks 16 drehen, das das Gehäuse 10 mit der Welle 12 verbindet. Auch dies vereinfacht und beschleunigt die Rate, mit der die Schnittstelle 20 geprüft wird. Da die Schweißnaht zum Prüfen der Stabilität der Schweißnaht nicht zerstört wird, kann die Baugruppe, wenn sie die Prüfung besteht, wieder in die Montagestraße eingesetzt werden, und Reduktion oder Verlust treten nicht auf.
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Zusammenfassung
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Ein Prüfverfahren und ein Prüfsystem, das eine Sonde in der Nähe eines Bereichs einer Welle anordnet, der mit einem Metallstück verschweißt ist, das die Welle an einem Gehäuse sichert. Eine Schallwellenfront kann von der Sonde in die Welle in Richtung auf das Metallstück ausgesendet werden, und eine Reflexion der Schallwellenfront kann mit der Sonde empfangen werden. Ausgehend von einer Zeit, in der die Reflexion von der Sonde empfangen wird, wird bestimmt, ob die Reflexion an einer Schnittstelle zwischen der Welle und dem Metallstück oder an einem distalen Ende des Metallstücks stattfand.
