DE2456644C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung mit den Merkmalen der Oberbegriffe der Patentansprüche 1 bzw. 5.

Ein derartiges Verfahren bzw. eine solche Vorrichtung sind aus der US-PS 35 84 504 bekannt. Dort geht es um die Prüfung von relativ dünnwandigen Rohren. Bei einer solchen Prüfung kommt es im wesentlichen nur darauf an, eventuelle Diskontinuitäten im Material aufzudecken. Eine genaue, dreidimensionale Positions­ bestimmung einer Fehlstelle kann mit dem bekannten Verfahren nicht ermittelt werden und erübrigt sich auch dort aufgrund der Dünnwandigkeit des Rohres.

In der US-Zeitschrift "MATERIALS EVALUATION", Februar 1964, S. 81-83, wird die Werkstoffprüfung mittels Ultraschallwellen be­ schrieben, doch wird dort nicht die gleichzeitige Einstrahlung zweier Wellenmoden in den Prüfling vorgeschlagen.

Die US-PS 36 00 613 lehrt den Einsatz von Transversal- oder Oberflächenwellen. Der kombinierte Einsatz von verschiedenen Moden zur Gewinnung einer dreidimensionalen Messung ist dort nicht beschrieben. Die in dieser Entgegenhaltung beschriebene Vorrichtung enthält ein Ultraschall-Meßgerät, das mit hoher Drehgeschwindigkeit im Hohlraum des Prüflings spiralförmig rotiert. Ein Sender dient dem Nachweis, daß hinreichende Koppe­ lungsflüssigkeit im Hohlraum vorhanden ist, während ein anderer Sender die tatsächliche Abtastung durchführt. Drei Anschläge liegen sternförmig an der Innenwand des Hohlraumes an, wobei ein Anschlag federgespannt ist. Das ganze System dreht sich im Prüfling. Die bei dieser Vorrichtung vorgesehenen hohen Dreh­ zahlen sind ungeeignet, um eine dreidimensionale Lageuntersu­ chung der Materialfeder durchzuführen.

Auch bei der Vorrichtung gemäß der US-PS 32 72 000 wird eine Prüfeinheit kontinuierlich spiralförmig durch das Rohr gezogen. Eine schrittweise Positionsänderung erfolgt also auch dort nicht. Auch dieses bekannte Prüfgerät bezieht sich auf die relativ einfache Prüfung von dünnwandigen Rohren. Es werden dort keine Longitudinalwellen eingesetzt.

Bei dem Prüfgerät gemäß der US-PS 34 70 868 ist der Sender von einem parabolischen Reflektor umgeben. Der parabolische Reflek­ tor richtet die Schallwellen auf einen zu untersuchenden Pa­ tienten. Eine Transversalbewegung des Senders wird durch eine Spindel bewirkt, während ein getrennter Antrieb den Senderkopf rotiert. Diese bekannte Anordnung wird nicht zum Abtasten in einem Hohlraum oder einer Bohrung eines Läufers oder derglei­ chen eingesetzt, sondern dient zur Erzeugung einer Reihe von parallelen Strahlen zur Untersuchung einer flachen Oberfläche.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Verfahren sowie die gattungsgemäße Vorrichtung derart weiterzu­ bilden, daß in dickwandigen Prüflingen, wie z. B. Turbinenläu­ fern, Fehlstellen hinsichtlich ihrer Form und Position bestimm­ bar sind.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1 und einer Vorrichtung gemäß dem Patentanspruch 5 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen beschrieben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

In der Zeichnung weist das Prüfgerät für zerstörungsfreie Werkstoffprüfung ein Prüfaggregat 1 auf, das in eine Höhlung im Prüfling, beispielsweise in eine Bohrung in einem geschmiedeten Turbinenläufer einführbar ist.

Das Prüfaggregat 1 ist zwischen zwei verstellbaren Stützen 3 und 5 hin- und herbewegbar. Jede der Stützen 3 und 5 ist als dreibeiniger sternförmiger Körper mit einem Hauptteil 6 und Beinen 7, 9 und 11 ausgebildet. Zwei der Beine, beispiels­ weise die Beine 7 und 9 lassen sich mechanisch oder von Hand passend auf die gewünschte lichte Weite der Bohrung einstellen und dann in dieser Stellung blockieren. Das dritte Bein 11 läßt sich an die Wand der Bohrung andrücken, sobald das Prüfaggregat 1 in der Bohrung angeordnet ist. Die Vorspannvorrichtung für das Bein 11 kann beliebig aus­ gebildet sein und beispielsweise die Kraft einer Vorspann­ feder ausnutzen oder mit Druckluftdruck arbeiten. In der hier beschriebenen bevorzugten Ausbildungsform erfolgt die Belastung des Beines 11 mit Druckluftdruck über Luftleitungen 13 und 15. Hat die Bohrung nur eine Öffnung, d. h. handelt es sich um eine Blindbohrung, kann die Druckluftleitung 15 selbstverständlich von der Druckluftleitung 13 abgezweigt sein.

Zwischen den verstellbaren Stützen oder sternförmigen Körpern 3 und 5 erstreckt sich eine Gewindespindel 17. Im stern­ förmigen Körper 5 ist beispielsweise durch ein Zapfenlager eine Antriebswelle 19 drehbar gelagert, die dazu dient, das gesamte Prüfaggregat 1 in Drehung um die von der Gewinde­ spindel 17 gebildete Achse zu versetzen. Außer der Gewinde­ spindel 17 erstrecken sich zwischen einem Block 25 am stern­ förmigen Körper 3 und einem Instrumententrägerblock 27 am sternförmigen Körper 5 zwei zylindrische Führungen oder U-Profile 21 und 23, die die eigentlichen Aufnahmen und Träger für das Prüfaggregat 1 darstellen und mit dem Block 25 und dem Instrumententrägerblock 27 fest verbunden sind, um den Zusammenhalt des Prüfaggregates 1 zu gewährleisten. Die Gewindespindel 17 ist in einem im Block 25 angeordneten Lager 29 frei drehbar gelagert und durch eine entsprechende Antriebsvorrichtung über eine Kupplungsstelle 31 im Instrumententrägerblock 27 antreibbar.

An den Führungen 21 und 23 ist ebenfalls ein beweglicher Schlitten 33 aufgenommen, der während seiner Hin- und Her­ bewegung zwischen den sternförmigen Körpern 3 und 5 an diesen Führungen aufruht und durch sie geführt wird. Die Gewindespindel 17 durchdringt den beweglichen Schlitten 33 in einer Durchführung 35, in der sie in ein Gewinde eingreift. Durch das Zusammenwirken der Gewinde an der Gewindespindel 17 und im beweglichen Schlitten 33 wird das Prüfaggregat 1 zwischen den sternförmigen Körpern 3 und 5 hin- und herbe­ wegt, sobald die Gewindespindel 17 durch die Antriebsvor­ richtung über die Kupplungsstelle 31 in Drehung versetzt wird.

Am beweglichen Schlitten 33 ist mit zwei Armen 39 und 41 ein Senderträger 37 angebracht. Bei dem Senderträger 37 handelt es sich um einen "Schuh" oder Führungsstück, das entsprechend der Krümmung der Bohrungswand des zu prüfenden Turbinenläufers gestaltet und im Falle der Ultraschallprüfung aus einem Werkstoff hergestellt ist, der die Ultraschall­ wellen bei geringstmöglichem Energieverlust überträgt. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel verwendet ein aus Acrylglas hergestelltes Führungsstück, wenngleich jeder andere zweck­ dienliche Werkstoff, wie z. B. Blei, einige Kunststoffarten, etc. verwendet werden könnten.

Das aus Acrylglas hergestellte Führungsstück oder Abtast­ kopf 37 ist durch eine zweckentsprechende Vorspannvorrich­ tung mit zweckmäßig gewähltem Druck an der Wand der Turbinen­ läuferbohrung in Anlage gehalten. Diese Vorspannvorrichtung kann beliebig ausgebildet sein, beispielsweise als Vorspann­ feder, jedoch wird bei dieser bevorzugten Ausbildungsform Druckluft-Druckkraft benutzt, die sich mit einer schemati­ siert dargestellten Druckluftvorrichtung 43 auftragen läßt.

Ein Sender 45, der die zu benutzenden Impuls-Echo-Strahlen aussendet, ist schematisiert dargestellt. Wie weiter oben erwähnt, kann der Sender jede beliebige Art von Strahlung oder Strahlen erzeugen. Beim gezeigten Beispiel werden jedoch Ultraschallwellen benutzt. Der Sender 45 ist somit ein Schwinger oder Schallgeber, der Ultraschallwellen der gewünschten Frequenz erzeugt. In den Sender 45 ist ebenfalls ein Empfänger eingegliedert, der jegliche Signale oder Echos, die von Fehlerstellen im zu prüfenden Werkstoff reflektiert werden, aufnimmt.

Die vom Sender 45 erzeugten Ultraschallwellen, die von Natur aus Longitudinalwellen sind, lassen sich in schräg oder flach einfallende Ultraschallwellen, d. h. in Transversal- oder Oberflächenwellen, umwandeln. Werden Longitudinal- Ultraschallwellen von der Normalen zur Fläche des Schwingers oder Senders 45 weggedreht oder weggebogen, sind ab einem Winkel von etwa 30° die ersten Transversal-Ultraschallwellen bzw. Scherwellen feststellbar. Wird die Abbiegung der Longitudinalwellen weiter fortgesetzt, wird bei einem Winkel von etwa 45° eine nahezu vollständige Umwandlung in Transversalwellen erreicht. Bei weiterer Veränderung des Winkels der Ultraschallwellen beginnen sich in der Nähe von 60° die ersten Oberflächen­ wellen zu zeigen. Über einem Winkel von etwa 64° sind die Ultraschallwellen nahezu vollständig Oberflächenwellen.

Es sei darauf hingewiesen, daß sich die Transversalwellen sowohl entlang der Achse in Längsrichtung als auch der Umfangsrichtung der Bohrung folgend einleiten lassen. In ähnlicher Weise lassen sich die Oberflächenwellen entlang der Bohrungsachse oder der Umfangsrichtung der Bohrung folgend einleiten. Um das gesamte Prüfgebiet erfassen zu können, sollten beide Wellenarten in jeder dieser Beschallungs­ richtungen benutzt werden. Tatsächlich lassen sich die Ober­ flächenwellen auch mit einer Spirale folgender Beschallungs­ richtung benutzen, um eine noch bessere Auflösung zu er­ zielen.

Es ist nicht notwendig, daß jede dieser Prüfaufgaben einzeln und nacheinander durchgeführt wird, sondern die Prüfung kann mit mehr als einer Beschallungsrichtung oder Wellenart gleichzeitig vorgenommen werden. Im Abtastkopf 37 kann somit ein zweiter Sender 47 angeordnet sein. Auch ist eine Be­ schränkung auf einen einzigen Abtastkopf 37 für das Prüf­ gerät nicht zwingend. In einer weitergebildeten Form der bevorzugten Ausbildungsform ist am beweglichen Schlitten 33 ein (nicht gezeichneter) zweiter Abtastkopf so angebracht, daß er sich unter dem gleichen Winkel nach hinten zum ein­ führungsseitigen Ende der Bohrung hin erstreckt, unter dem der Abtastkopf 37 an den Armen 39 und 41 in Richtung nach vorn in die Bohrung hinein abgestützt ist. Außerdem ist es bei der bevorzugten Ausführungsform zweckmäßig, zwei getrenn­ te Prüfreihen durchzuführen, die eine mit einer Kombination von Transversal- und Longitudinalwellen, die andere mit einer Kombination von Oberflächen- und Longitudinalwellen. In der zuvor erwähnten Weiterbildung der bevorzugten Ausbildungsform mit einem zweiten Abtastkopf wären in einem Abtastkopf ein Sender für Transversalvellen und ein Sender für Longitudinal­ wellen angeordnet, während der andere Abtastkopf einen Sender für Transversalwellen allein aufweisen würde. Selbst­ verständlich wäre es wahrscheinlich möglich, alle drei Betriebsarten für eine gleichzeitig vorzunehmende Gesamt­ prüfung miteinander zu kombinieren, jedoch wäre darauf zu achten, daß eine gegenseitige Störung der verschiedenen Prüfmethoden oder Wellenarten vermieden ist.

Der bewegliche Schlitten 33 ist in seiner Hin- und Herbewegung von einem Motor 49 angetrieben, der an der Kupplungsstelle 31 auf die Gewindespindel 17 treibt. Bei Drehung durch den Motor 49 verstellt die Gewindespindel 17 durch Eingriff in das Gewinde in der Durchführung 35 des beweglichen Schlittens 33 den Schlitten entlang der Führungsschienen 21 und 23. Bei Verstellung des Schlittens 33 durch den Motor wird die Stellung des Schlittens 33 in Achsenrichtung durch eine Schrittschalt- oder Weiterschaltvorrichtung 51 festgelegt und angezeigt. Das an den beweglichen Schlitten 33 verschie­ dene elektrische und andere Leitungen angeschlossen sind, die schematisiert dargestellt und mit 53 und 55 bezeichnet sind, ist eine Trommel 57 vorhanden, an der die entsprechen­ den Leitungen während der Hin- und Herbewegung des Schlittens 33 aufwickelbar und abwickelbar sind.

Bei einer der zum Acrylglas-Abtastkopf 37 führenden Leitungen 53 oder 55 handelt es sich um eine Kopplungsmittel-Zuleitung, die ein als Kopplungsmittel zwischen dem Acrylglas-Abtast­ kopf und der Bohrungswand dienendes Medium führt. Dieses Medium hat die Aufgabe, die Ultraschallwellen zu übertragen und auf diese Weise Ernergieverlust in Luft zu verringern und Trennstellen-Reflexionen auf ein Geringstmaß herabzu­ setzen.

Die Antriebswelle 19 ist von einem Motor 59 angetrieben, der eine beliebig ausgebildete Antriebsvorrichtung sein kann. Beim gezeigten Beispiel treibt der Motor 59 auf ein Zahnrad 61, das mit einem mit der Antriebswelle 19 einstückig oder fest verbundenen größeren Zahnrad 63 in Eingriff steht. Mit dem Zahnrad 63 kämmt ein Zahnrad 67, das auf eine Schritt­ schalt- oder Weiterschaltvorrichtung 65 treibt. Auf diese Weise vermag die Weiterschaltvorrichtung 65 die Winkel­ stellung des Acrylglas-Abtastkopfes 37 festzulegen und an­ zuzeigen.

Ein Schild 69, an dem das Zahnrad 63 aufgenommen ist, läßt sich in der Betriebsstellung beispielsweise mit Bolzen 71, 73 und 75 an einer zweckdienlichen Abstützung festmachen.

Um die verschiedenen elektrischen Leitungen 77, die Druck­ luft-Druckleitung 13 und die Kopplungsmittel-Zuleitung 79, die alle schematisiert dargestellt sind, durch den Schild 69 hindurchführen zu können, ist in diesem eine Öffnung 81 ausgebildet.

Nach Instellungbringen des Schildes 69 wird das Prüfaggregat 1 in die Bohrung des Turbinenläufers eingeführt. Um das Prüfaggregat in seiner Stellung zu fixieren, wird den Beinen 11 der sternförmigen Körper 3 und 5 Druckluftdruck zuge­ führt. Die zwischen dem Schild und dem sternförmigen Körper 5 liegende Länge der Antriebswelle 19 ist exakt bemessen, so daß sich die genaue örtliche Lage des Prüfaggregates und des beweglichen Schlittens 33 mit einem hohen Grad an Genauigkeit bestimmen läßt. Die Länge zwischen dem Schild 69 und dem sternförmigen Körper 5 läßt sich durch Einsetzen zusätzlicher Antriebswellenstücke 83 und 85 verändern, die auf ein genaues gegebenes Längenmaß gearbeitet sind. Auf diese Weise läßt sich das Prüfaggregat 1 tiefer in die Bohrung des Läufers einführen, ohne daß die Kenntnis seiner genauen örtlichen Lage, die eine Voraussetzung für den Prüfungsablauf ist, verlorengeht. Nachdem die sternförmigen Körper 3 und 5 sicher in Stellung gebracht sind, können die Motoren 49 und 59 in beliebiger Weise betätigt werden. Beispielsweise könnte der Motor 59 betätigt werden, um den Acrylglas-Abtastkopf 37 um einen kleinen Betrag in Umfangsrichtung zu drehen, und sodann würde der Motor 49 eingeschaltet werden, damit der Acrylglas-Abtastkopf 37 eine Abtastung in Längsrichtung vornimmt. Dies könnte so lange fortgesetzt werden, bis am gesamten Umfang der Bohrung Längsabtastungen durchgeführt sind.

Eine andere Möglichkeit bestünde darin, durch entsprechendes Einschalten des Motors 49 jeweils kleine Schritte in der Längsrichtung auszuführen, während durch Betätigen des Motors 59 Abtastläufe durch Schwenken bzw. Drehen ausge­ führt werden. In der Praxis werden wahrscheinlich beide Betriebsarten benutzt.

Treffen die ausgesandten Wellen auf eine Fehlerstelle, nimmt der Empfänger am entsprechenden Sender 45 oder 47 ein Echo auf und führt einem Aufzeichnungs- oder Sichtgerät 87 ein entsprechendes Signal zu. Durch Benutzung verschiedener Ausbreitungsrichtungen der Ultraschallwellen lassen sich die festgestellten Fehlerstellen nach ihren Merkmalen exakt bestimmen und lokalisieren. Auch ergibt sich aus der sehr exakten und sicheren Stellungsanordnung des Prüfaggregates 1, daß die Prüfergebnisse mit einem sehr hohen Genauigkeitsgrad wiederholbar sind.

Claims (11)

1. Verfahren für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung mit Ultraschall zur Feststellung von Fehlstellen in einem hohlzy­ linderförmigen Prüfling, bei dem der Prüfling aus seinem Hohl­ raum mit Ultraschallwellen unterschiedlicher Moden aus zumin­ dest zwei Sendern durchstrahlt wird und an Fehlstellen reflek­ tierte Ultraschallwellen empfangen und ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur dreidimensionalen Lage- und/oder Formbestimmung der Fehlstellen in einem massiven Prüfling mit einer zentralen Bohrung, wie einem Turbinenläufer, gleichzeitig zumindest zwei verschiedene Ultraschallwellen-Moden mit den gesonderten Sen­ dern eingestrahlt werden, deren Position schrittweise verändert und aufgezeichnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Ultraschall-Wellenmode mittels eines dritten Senders erzeugt wird, dessen Position ebenfalls schrittweise verändert und aufgezeichnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Wellenmoden Longitudinal- und Transversalwellen vorge­ sehen sind.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als dritte Wellenmode Oberflächenwellen vorgesehen sind.

5. Prüfgerät für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung mit Ultraschall zur Feststellung von Fehlstellen in einem hohlzy­ linderförmigen Prüfling, wie einem Turbinenläufer, mit zumin­ dest zwei Ultraschall-Sendern (45, 47), die an zumindest einem Träger (37) befestigt sind, der oder die im Hohlraum des Prüf­ lings axial und in Umfangsrichtung bewegbar ist bzw. sind, und mit einem Empfänger für Ultraschall, dadurch gekennzeichnet, daß zwei während einer Messung im Hohlraum arretierbare Stützen (3, 5) vorgesehen sind, zwischen denen ein Schlitten (33) mit dem Träger (37) derart gelagert ist, daß die Sender (45, 47) relativ zu den Stützen axial und in Umfangsrichtung bewegbar sind.

6. Prüfgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitten (33) sowohl translatorisch als auch rotierend bewegbar ist.

7. Prüfgerät nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Ultraschall-Sender vorgesehen ist.

8. Prüfgerät nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Antrieb (49, 17) für die translatorische Bewe­ gung des Schlittens (33) vorgesehen ist, sowie ein erster Detektor (51) zum Anzeigen der translatorischen Stellung des Schlittens (33), eine Vorspannvorrichtung (43), die den Träger (37) in Anlage an den Wänden der Höhlung des Prüflings hält, eine Zuleitung (53, 55; 79) für Kopplungsmittel, ein zweiter Antrieb (59, 19) für die Drehung des Schlittens (33) in Um­ fangsrichtung, ein zweiter Detektor (65) zum Anzeigen der Posi­ tion des Schlittens (33) in Umfangsrichtung, und ein Sichtgerät (87) zur Anzeige des Ausgangssignals des Empfängers.

9. Prüfgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die verstellbaren Stützen (3, 5) zwei sternförmige Körper mit jeweils drei Beinen (7, 9, 11) sind, wobei zwei Beine (7, 9) fest einstellbar sind, während das dritte Bein (11) durch Druckluft verstellbar ist.

10. Prüfgerät nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß Führungen (21, 23) vorgesehen sind, die sich zwischen den verstellbaren Stützen (3, 5) erstrecken und an denen der beweg­ liche Schlitten (33) in Längsrichtung verstellbar ist, und eine Gewindespindel (17), die in ein Gewinde (35) am beweglichen Schlitten (33) eingreift und durch den ersten Antrieb (49) an­ treibbar ist.

11. Prüfgerät nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannvorrichtung (43) mit Druckluft arbeitet, daß der erste Antrieb (49, 17) einen Antriebsmotor (49) aufweist, und daß die erste Weiterschaltvorrichtung (51) durch diesen Antriebsmotor (49) betätigbar ist.