DE19617455C2 - Verfahren zur Ultraschallprüfung eines Werkstückes - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ultraschall­ prüfung eines Werkstückes.

Bei der Ultraschallprüfung eines Werkstückes kann es bei Ankopplung über eine Flüssigkeitsvorlaufstrecke durch eine Unebenheit oder Welligkeit der Oberfläche des Werkstückes zu einer Verfälschung der Meßergebnisse kommen, da eine schräg zur Einschallrichtung orientierte Oberfläche aufgrund der Schallgeschwindigkeitsunterschiede zwischen dem Werkstück, beispielsweise Stahl, und einem Koppelmedium, beispielsweise Wasser, eine Brechung verursacht. Ist die Unebenheit oder Welligkeit der Oberfläche nicht bekannt, ist es aufgrund der dann ebenso unbekannten Ausbreitungsrichtung des Ultraschalls im Werkstück nicht möglich, die empfangenen Echosignale einem Ort im Werkstück zuzuordnen. Außerdem kann eine Unebenheit oder Welligkeit der Oberfläche dazu führen, daß Bereiche im Werkstück bei der Ultraschallprüfung nicht erfaßt werden.

Eine Unebenheit oder Welligkeit der Oberfläche eines Werk­ stückes kann insbesondere bei einer Schweißnaht auftreten. So zeigen beispielsweise lasergeschweißte Nähte, mit denen Slee­ ves oder Reparaturhülsen in Heizrohre eines Dampferzeugers eines Kernkraftwerks unter Verwendung einer Laserschweißvor­ richtung eingeschweißt sind, wie sie beispielsweise aus der WO 92/03248 bekannt ist, eine ausgeprägte Welligkeit quer zur Schweißnaht, d. h. parallel zum Heizrohr.

Diese Welligkeit ist durch den Schweißprozeß im senkrecht stehenden Heizrohr verursacht. Sie entsteht dadurch, daß nach oben strömendes Schutzgas die Schmelze nach oben drückt. Wenn zur Sicherstel­ lung einer guten Schweißverbindung viel Energie in das Schweißbad eingebracht wird, dann ist die Schmelze besonders dünnflüssig und die Welligkeit besonders ausgeprägt.

Die mit einem Laser geschweißten Schweißnähte müssen zur Be­ urteilung ihrer Güte einer Ultraschallprüfung unterzogen wer­ den. Insbesondere sollen hierbei die Breite der Schweißnaht gemessen sowie eventuelle Fehler nachgewiesen werden.

Zur Ultraschallprüfung eines Heizrohres ist es beispielsweise aus der EP 0 479 368 B1 bekannt, in das Heizrohr eine Prüfsonde einzuführen, die einen Ultraschallwandler enthält, mit dem Ultraschallsignale in die Rohrwand eingeschallt wer­ den können, die sich innerhalb der Wand des Heizrohres in ei­ nem rechten Winkel treffen. Dabei führt eine Welligkeit der Oberfläche des Heizrohres jedoch dazu, daß eine korrekte Wie­ dergabe der Breite einer unterhalb der welligen Oberfläche in etwa parallel zu ihr angeordneten Grenz- oder Fehlerfläche erschwert wird.

Aus der DE 29 01 818 C2 ist ein Verfahren zur Fehleranalyse in Werkstoffen mittels Ultraschall bekannt, bei dem ein an einem Fehler im Bauteil reflektiertes Signal empfangen und dessen Maximum bestimmt wird. Es wird dadurch festgestellt, wie groß ein Fehler im Bauteil ist. Auch bei diesem bekannten Verfahren würde eine wellige Oberfläche des Bauteiles zu falschen Ergebnissen führen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Ultraschallprüfung eines Werkstückes anzugeben, mit dem auch bei unebener oder welliger Oberfläche des Werkstücks eine Verfälschung der Meßergebnisse weitgehend vermieden ist und mit dem insbesondere genaue Aussagen über die Güte einer lasergeschweißten Schweißnaht in einem Heizrohr eines Dampf­ erzeugers möglich sind.

Die genannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Das Verfahren zur Ultra­ schallprüfung eines Werkstückes umfaßt gemäß der Erfindung folgende Verfahrensschritte:

• a) Über der Oberfläche des Werkstückes wird eine Ultraschall-Prüf­ sonde angeordnet,
• b) das Werkstück wird zeitlich nacheinander mit Ultraschall­ signalen beschallt, die unter voneinander verschiedenen, pe­ riodisch sich wiederholenden Winkeln relativ zur Ultraschall-Prüf­ sonde ausgesendet werden,
• c) das zu jedem Winkel gehörende Echosignal wird empfangen,
• d) für jede Periode wird dasjenige Echosignal ermittelt und zur weiteren Auswertung ausgewählt, bei dem der von der Ober­ fläche des Werkstücks reflektierte Anteil des Echosignals ma­ ximal ist, wodurch sichergestellt ist, daß nur senkrecht zur Oberfläche des Werkstücks eingeschallte und somit im Werk­ stück ungebrochene Ultraschallsignale zum Herstellen eines Impuls-Echo-Bildes verwendet werden.

Da aus einer Schar von unter verschiedenen Winkeln in das Werkstück eingeschallten Ultraschallsignalen nur dasjenige Ultraschallsignal zur weiteren Auswertung herangezogen wird, bei dem der von der Oberfläche des Werkstücks reflektierte Anteil des Echosignals maximal ist, ist sichergestellt, daß nur senkrecht zur Oberfläche des Werkstücks eingeschallte und somit im Werkstück ungebrochene Ultraschallsignale zum Her­ stellen eines Impuls-Echo-Bildes verwendet werden. Das auf diese Weise erzeugte Impuls-Echo-Bild ermöglicht eine weitge­ hend vollständige und ortsrichtige Wiedergabe von Fehlern oder Grenzflächen im Werkstück, die sich im wesentlichen par­ allel zu seiner Oberfläche erstrecken.

Zum Prüfen der Schweißnaht zwischen einer Reparaturhülse und und einem Heizrohr bilden in einer vorteilhaften Ausgestal­ tung des Verfahrens nach der Erfindung die Ultraschallsi­ gnale, die unter voneinander verschiedenen Winkeln ausgesen­ det werden, bei ruhender Ultraschall-Prüfsonde einen gemeinsamen Schnittpunkt, der wenigstens annähernd auf die Grenzfläche zwischen der Reparaturhülse und dem Heizrohr eingestellt wird. Dadurch können die Ergebnisse der einzelnen Einschallwinkel in Bezug auf die Schweißnahtlage ortsrichtig in einem Bild überlagert werden, was zu einer realistischen Beurteilung der Schweißnahtbreite führt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf das Ausfüh­ rungsbeispiel der Zeichnung verwiesen, in deren einzigen Figur eine zum Durchführen des Verfahrens in einem Heizrohr ge­ eignete Einrichtung schematisch dargestellt.

Gemäß der Figur ist ein Werkstück 2 mit einer Schweißnaht 4 versehen, deren Oberfläche 6 eine Welligkeit aufweist. Im dargestellten Beispiel handelt es sich bei dem Werkstück 2 um ein mit einer Reparaturhülse 20 verschweißtes Heizrohr 22 ei­ nes Dampferzeugers eines Kernkraftwerkes. Die Oberfläche 6 der Schweißnaht 4 hat in Längsrichtung des Heizrohres 22 be­ trachtet eine annähernd s-förmige Kurvenform. Durch diese s-förmige Kurvenform weicht die Richtung einer Oberflächennor­ malen 8 im Bereich des Wendepunktes dieser Kurve signifikant von der Richtung einer senkrecht zur Rohrachse 24 stehenden Oberflächennormalen 10 neben der Schweißnaht 4 ab. Der Winkel δ, den die Oberflächennormalen 8 und 10 einschließen, kann in der Praxis bis zu 10° betragen. Der Winkel θ, mit dem sich ein senkrecht zur Rohrachse ausgesendetes Ultraschallsignal in der Reparaturhülse 20 ausbreitet, ist infolge der Brechung bis zu einem Faktor vier größer als der Winkel δ. Dadurch ist ein korrektes Ausmessen der Breite der Schweißnaht 4 unmög­ lich. Außerdem führt eine solche Brechung dazu, daß an dieser Stelle keine Schallenergie in den Wurzelbereich der Schweiß­ naht eingebracht werden kann.

Über der Oberfläche des Werkstücks 2, im Ausführungsbeispiel im Inneren des Heizrohres 22, ist eine Ultraschall-Prüfsonde 30 angeordnet, die mehrere, beispielsweise 12, Wandlerele­ mente 32 enthält. Die Wandlerelemente 32 sind in einem Kreis­ bogen 34 auf einem aus Dämpfungsmaterial bestehenden und in der Prüfsonde 30 drehbar angeordneten Träger 36 aufge­ bracht. Der Kreisbogen 34 ist in der im Heizrohr 22 zentrier­ ten Prüfsonde 30 so ausgelegt und positioniert, daß sein Mit­ telpunkt 38 in der Grenzfläche 40 zwischen Reparaturhülse 20 und Heizrohr 22 liegt. Durch Ansteuerung oder Aktivierung un­ terschiedlicher Gruppen von Wandlerelementen 32 kann der Win­ kel α der ausgesendeten Ultraschallsignale relativ zur Prüfsonde 30 und damit auch der Einschallwinkel β relativ zur Oberfläche des Werkstücks 2 verändert werden. Der Winkel α kann zwischen zwei Winkeln α0 und α1 in mehreren diskreten Schritten periodisch geschwenkt werden. Im dargestellten Aus­ führungsbeispiel sind aufgrund der 12 insgesamt vorhandenen Wandlerelemente 32 und der aus jeweils 6 benachbarten Wandlerelementen 32 gebildeten Gruppen 7 Schritte für einen kompletten Schwenk erforderlich. In der Figur ist das von der aus den schwarz hervorgehobenen Wandlerelementen 32 bestehen­ den Gruppe ausgesendete Ultraschallsignal dargestellt. Es ist ein auf den Mittelpunkt 38 fokussiertes Schallbündel, dessen Einhüllende mit den Bezugszeichen 50 und 52 versehen ist. Der zur Mittenachse, im Fall der in der Figur dargestellten Aus­ wahl die Mittenachse 54, dieses Schallbündels jeweils gehö­ rende Winkel, in der dargestellten Auswahl der Winkel α0, ist dabei als der Winkel des ausgesendeten Ultraschallsignals relativ zur Ultraschall-Prüfsonde 30 zu versehen. Bei ruhender Ultraschall-Prüfsonde 30 hat die zu einen kompletten Schwenk oder einer Periode gehörenden Winkelschar α0 bis α1 einen gemeinsamen Schnittpunkt, der mit den Mittelpunkt 38 des Kreisbogens 34 zusammenfällt.

Als Vorlaufstrecke ist Wasser oder ein anderes geeignetes Koppelmittel vorgesehen. Die Wandlerelemente sind zum Koppel­ mittel hin durch eine sehr dünne Schutzschicht geschützt. Diese Schutzschicht kann zugleich λ/4-Schicht sein. Die Wandlerelemente selbst sind entweder Einzelelemente aus Piezokeramik oder aus Compositmaterial, die aktive Fläche kann aber vorteilhaft auch insgesamt als Elementzeile aus Compositmaterial ausgeführt sein. Compositmaterial führt aufgrund seiner günstigen Impedanz und seiner guten Dämpfung zu breitbandigen Ultraschallsignalen, was sich sehr günstig auf die Prüfbarkeit des in der Schweißnaht 4 vorliegenden Stengelkristallgefüges auswirkt.

Die ultraschall-Prüfsonde 30 wird längs der Rohrachse 24 kon­ tinuierlich bewegt, beispielsweise mittels Schubschlauch ge­ schoben oder gezogen, wobei zeitlich nacheinander Ultra­ schallsignale mit voneinander verschiedenen Winkeln α ausge­ sandt und die zugehörigen Echosignale empfangen werden. Diese Winkel α werden periodisch wiederholt, d. h. es werden meh­ rere Schwenks ausgeführt. Die kontinuierliche Bewegung der Prüfsonde erfolgt dabei so langsam, daß der bei einem voll­ ständigen Schwenk zurückgelegte Weg höchstens 0,1 mm beträgt. Aus der zu einem Schwenk gehörenden Schar von Ultraschallsi­ gnalen wird dasjenige ausgewählt, zu dem das maximale Ein­ trittsecho in die Wand des Werkstücks 2 gehört. Damit ist si­ chergestellt, daß nur der optimale, d. h. im wesentlichen senkrechte Einschallwinkel ausgewertet wird.

Nach einer axialen Fahrt über die Schweißnaht 4 wird entweder der Träger 36 in der Ultraschall-Prüfsonde 30 oder die ge­ samte Ultraschall-Prüfsonde 30 um einen vorgegebenen kleinen Winkel um die Rohrachse gedreht und die Ultraschall-Prüfsonde 30 wird erneut axial verfahren, so daß sich eine Abtastung der Schweißnaht 4 in Form eines Mäanders ergibt. Dies wird solange wiederholt, bis der gesamte Rohrumfang geprüft ist. Anstelle einer mäandrierenden Bewegung der Ultraschall-Prüf­ sonde 30 ist es auch möglich, diese spiralförmig in das Heizrohr 22 einzufahren.

Aus geometrischen Gründen ist es wichtig, daß im Falle einer Schweißnahtprüfung der Mittelpunkt 38 des Kreisbogens 34, auf dem die Wandlerelemente 32 angeordnet sind, in etwa in der zu prüfenden Schweißnahttiefe liegt. Der Fokus des Ultraschallsi­ gnals liegt dann bei einer Fokusbreite von ca. 0,2 mm zwar in der Reparaturhülse 20 dicht hinter ihrer Oberfläche, die Schallaufweitung im Fernfeld ist aber bei dem gewählten mög­ lichst großen Abstand zu den Wandlerelementen 32 klein genug, um den Schweißnahtbereich mit guter Auflösung prüfen zu können. Will man die Fokussierung in Schweißnahttiefe zusätzlich verbessern, dann kann durch unterschiedliche elektronische Verzögerung der Ansteuerung der einzelnen Wandlerelemente 32 einer Gruppe die Lage des Fokus gezielt verändert und zum Grund der Schweißnaht 4 hin verschoben werden.

Claims (7)

1. Verfahren zur Ultraschallprüfung eines Werkstückes (2), mit folgenden Verfahrensschritten:

• a) Über der Oberfläche des Werkstückes (2) wird eine Ultra­ schall-Prüfsonde (30) angeordnet,
• b) das Werkstück (2) wird zeitlich nacheinander mit Ultra­ schallsignalen beschallt, die unter voneinander verschiede­ nen, periodisch sich wiederholenden Winkeln (α) relativ zur Ultraschall-Prüfsonde ausgesendet werden,
• c) das zu jedem Winkel (α) gehörende Echosignal wird empfan­ gen,
• d) für jede Periode wird dasjenige Echosignal ermittelt und zur weiteren Auswertung ausgewählt, bei dem der von der Ober­ fläche des Werkstücks (2) reflektierte Anteil des Echosignals maximal ist, wodurch sichergestellt ist, daß nur senkrecht zur Oberfläche des Werkstücks (2) eingeschallte und somit im Werkstück (2) ungebrochene Ultraschallsignale zum Herstellen eines Impuls-Echo-Bildes verwendet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zum Prüfen einer Schweißnaht (4) zwischen einer Reparaturhülse (20) und einem Heizrohr (22) die Ultraschallsignale, die unter voneinander verschiedenen Winkeln (α) ausgesendet werden, so ausgesendet werden, daß sie bei ruhender Ultraschall-Prüfsonde (30) einen gemeinsamen Schnittpunkt (38) haben, der wenigstens annähernd auf die Grenzfläche (40) zwischen der Reparaturhülse (20) und dem Heizrohr (22) eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zum Senden und Empfangen der Ultraschallsignale eine Ultraschall-Prüfsonde (30) verwendet wird, die mehrere Wandlerelemente (32) ent­ hält, die auf einem Kreisbogen (34) angeordnet sind.

4. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem zum Senden und Empfan­ gen der Ultraschallsignale eine Ultraschallprüfsonde (30) verwendet wird, die mehrere Wandlerelemente (32) enthält, die auf einem Kreisbogen (34) angeordnet sind, wobei der Schnitt­ punkt (38) der Ultraschallsignale dem Mittelpunkt des Kreis­ bogens (34) entspricht.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, bei dem mehrere benach­ barte Wandlerelemente (32) zu einer Gruppe zusammengefaßt und ein Schwenk durch Ansteuerung unterschiedlicher Gruppen durchgeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Wandlerelemente (32) einer Gruppe zur Beeinflussung der Lage des Schnittpunktes (38) elektronisch verzögert angesteuert werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Ultraschall-Prüfsonde (30) während des Sendens der Ultraschallsignale über dem Werkstück (2) verfahren wird.