DE2923687C2

DE2923687C2 - Verfahren zur holographischen Fehlerabbildung

Info

Publication number: DE2923687C2
Application number: DE19792923687
Authority: DE
Inventors: Volker Dr. 6680 Neunkirchen Gebhardt; Volker Dr. 6600 Saarbrücken Schmitz
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1979-06-12
Filing date: 1979-06-12
Publication date: 1982-09-16
Also published as: DE2923687A1

Description

dadurch gekennzeichnet, daß

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d) an jedem Meßpunkt der öffnungswinkel («) des Prüfkopfs durch elektronisches Schwenken des eng fokussieren Schallbündels über eine Anzahl von unterschiedlichen Winkelstellungen («1, «2... λ_π) synthetisiert wird, wobei für jeden Schwenkwinkel («₍, «2,... <x„) das empfangene hochfrequente Ultraschallsignal zwischengespeichert wird <ind di se Ultraschallsignale unter Berücksichtigung der jeweils zugehörigen Phase nacheinander aufad<^i:.m werden, ehe das Summensignal nach der bekannten Vektormethode nach Betrag und Phase vermessen wird, und

e) zur Durchführung der Messungen an den *o aufeinanderfolgend benachbarten Punkten längs der jeweiligen Linie - der Prüfkopf verschoben wird.

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 zur Beschreibung von Fehlern in Bauteilen, Werkstücken bzw. Komponenten in indu- so striellen Anlagen. Die zunehmende Anwendung austenitischer Materialien in Reaktordruckbehältern und -komponenten wirft bei den Null- bzw. Wiederholungsprüfungen große Probleme auf, da die Nutzanzeigen überlagert werden von den Streuanzeigen aus dem Gefüge. Insbesondere bei der Prüfung plattierungsnaher Fehler aus der gegenüberliegenden Seite der Plattierung gelingt es kaum, das erforderliche Nachweisvermögen zu erreichen.

Aus diesem Grunde werden in zunehmendem Maße ^Μ Signalmittelungsverfahren eingesetzt (P 27 01 054.4-52). Hierzu gehören u. a. Bandbreiteerhöhung bzw. Impulslängenverkürzung, Fokussierung, Orts-, Richtungs- und Frequenzmittelung, Beeinflussung des Sendeimpulsspektrums, Polarisation von Transversalwellen, Longitudinalanstelle von Transversalwellen. Alle diese Verfahren tragen zwar wesentlich zur Verbesserung des Signal-Rausch-Abstandes bei, können jedoch die Abmessungen der Materialfehler nur unzureichend bestimmen. Ein Verfahren, das als Analyseverfahren in der Lage ist, Materialfehler abzubilden, ist die Ultraschallhoiographie (Hildebrand, B. B, Branden B. B. An introduction to acoustical holography, Plenum Press New York 1972). Dieses Verfahren arbeitet mit einem weit geöffneten Strahlengang, wie es in Abb. 1 angedeutet ist und wird seit langem mit großem Erfolg an ferritischen Materialien angewendet (DGZFP-Tagung, 24. —26.4.78, Mainz V. Schmitz, M. Wosnitza »Erfahrungen beim Einsatz von Ultraschall-Holographie mit numerischer und optischer Rekonstruktion« Berichtsband S. 523—536). Für die Prüfung austenitischer Werkstoffe, von grobkörnigen Gefügen bzw. von Unterplattierungsrissec ergibt sich jedoch ein entscheidender Nachteil des für das Verfahren benötigten großen öffnungswinkels des Ultraschallprüfkopfes durch das hier besonders schlechte Signal-Rausch-Verhältnis.

Prüfköpfe der Ultraschallholographie haben bei Anregung von Scherwellen typische öffnungswinkel von etwa 40° (innerhalb eines Winkelbereiches von 35° bis 75°). Dieser gesamte öffnungswinkel iäSt sich synthetisieren durch Schwenken eines fokussierten Schallbündels über etwa 40 unterschiedliche Winkelstellungen (35°, 36°, 37°,... 74°, 75"). Bei einem leicht zu realisierenden öffnungswinkel des fokussierten Schallbündels von ca. 5° ergibt sich eine Schallbündelverschmälerung um den Faktor 8, d. h. eine flächenmäßige Verringerung um den Faktor 64. Das Signal/Rausch-Verhältnis verbessert sich hierdurch um 36 dB, ein Wert, der von außerordentlicher Bedeutung für die Ultraschallprüfung ist

Durch den großen Öffnungswinkel bedingt werden außerdem die Fehleranzeigen von den Anzeigen des Werkstoffgefüges überlagert und z. T. überdeckt

Aus FhG-Bericht 3—78, Seiten 5—52, Fraunhofer-Gesellschaft, München, »Bedeutung der Ultraschall-Holographie als Abbildungsverfahren von Werksioffehlern« von V.Schmitz ist ein Verfahren bekannt, das unter Beibehaltung der Vorteile <si<ies Abbildungssystems diese Nachteile vermeidet

Aufgabe der Erfindung ist es, unter Beibehaltung der obengenannten Vorteile das Signal-Rausch-Verhältnis noch wesentlich zu verbessern.

Dies wird erfindungsgemäß durch das in Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst

Es wird dabei eine Koordinaten-Bewegung des Prüfkopfes ersetzt durch ein Durchtakten von einzelnen oder Gruppen ton Einzelstrahlern eines Arrays (Scanner-Prinzip) — wobei beim Gruppenbetrieb mittels Phased-Array-Technik auch die Realisierung eines Fokusprüfkopfes mit wählbarer Fokuslänge möglich ist —, mit der zusätzlichen Befähigung zur elektronischen Strahlschwenkung.

Hierbei wird die Möglichkeit genutzt einen eng fokussierten Schallstrahl über einen größeren Winkelbereich zu schwenken und somit das weit geöffnete Schallbündel der Ultraschall-Holographie zu synthetisieren — A b b. 2. Während der Synthetisierung bleibt der Prüfkopf in Ruhe. Für jeden eingestellten Winkel wird das hochfrequente Ultraschalisignal digitalisiert und in einem Speicher abgelegt. Innerhalb eines Sektors werden alle Signale aufaddiert Erst nach Beendigung der Aufsummation wird durch Überlagerung mit den beiden sinus- und cosinus-Referenzsignalen und anschließender Gleichrichtung Real- und Imaginärteil des Schallfeldes erzeugt und in einem Computer abgelegt

Die numerische Rekonstruktion des zweidimensionalen Feldes erfolgt in bekannter Art und Weise nach /5/A, Die Ausgabe des Abbildes des Fehlers erfolgt auf einem graphischen Display.

Dieser Wert stellt jedoch nicht die obere Leistungsgrenze dar, sondern ist lediglich als Richtwert aufzufassen.

Um das Schallbünde! zu erzeugen, sind zwei Möglichkeiten bekannt

Die eine besteht darin, daß der Prüfkopf in Kontakttechnil' an der Oberfläche entlang geführt wird. Aufgrund des geforderten Auflösevermögens müssen jedoch sehr kleine Prüfköpfe eingesetzt werden, die den Nachteil haben, daß ihre abgestrahlte Schallenergie für große Prüftiefen nicht ausreichend ist Hohe Schalleistungen werden bei der zweiten Methode durch den Einsatz fokussierender Prüfköpfe erzielt, die einen kleinen Prüfkopf in der Oberfläche simulieren (A b b. 3). Diese müssen jedoch in großem Abstand von der Oberfläche (z. B. 100 mm) entlang geführt werden. Die zur Schallankopplung benötigte Wasserankopplung wird als Wassersäule mitgeführt und erschwert die praktische Anwendung. Das erfindungsgemäße Verfahren vereinigt die Vorteile der Prüfung in Ko^takttechnik mit den Vorteilen hoher Schalleistung.

Beschreibung des Verfahrens

Ein Sinus-Generatbr erzeugt ein elektrisches hochfrequentes Signal (1 MHz bis 10 MHz). Am Phasenstellglied wird für den Winkel ct\ nach der in Abb.2 angegebenen Formel die Phase 0 eingeste'lt Nach Verstärkung des Signals wird der auf dem Werkstück aufgesetzte Prüfkopf angeregt, er sendet Ultraschallsignale aus, die an den Fehlstellen des Werkstückes reflektiert, zu dem Prüfkopf zurückreflektiert werden. Dieser wandelt die Ultraschallsignale wieder in elektrische Signale um. Ober eine Vorverstärker- und Torschaltung wird das hochfrequente Signal in ein Summierwerk abgelegt Bei festgehaltenem Prüfkopfort wird für den Winkel a.i die Phase am Phasenstellglied neu eingestellt Ein zweites Ultraschallsignal wird in das Werkstück unter dem geänderten Winkel ausgesendet, das elektrische Signal empfangen, vorverstärkt und im Summierwerk zu dem vorherigen Signal aufaddiert Dieser Vorgang wird n-mal wiederholt, bis der gesamte Winkelbereich überstrichen ist Anschließend wird im Summierwerk das aufaddierte Summensignal ausgelesen, einerseits mit dem Sinussignal und andererseits mit dem Cosinus-Signal multipliziert

Über zwei Tiefpässe wird dann das Summensignal zusammen mit den Ortskoordinaten des Prüfkopfes im Speicher des Computers gespeichert Der Prüfkopf wird ein Stück dx bewegt und der Vorpv-r,g wiederholt sich von vorne. Nachdem eine Linie abg-zt.-stet wird, wird der Prüfkopf um ein Stück dy seitwärts verschoben und die zur ersten Linie parallele Linie abgetastet Nach Beendigung des Prüfvorganges liegt im Computer ein zweidinensionales Feld komplexer Daten vor (z. B. 256 · 256). Jetzt beginnt der Rekonstruktionsmechanismus und das Bild des Werkstoffehlers erscheint auf einem graphischen Display (A b b. 4).

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur holographischen Fehlerabbildung von stark ultraschallstreuenden Werkstoffen, wie z, B. Gußeisen oder Austenit, bei dem

a) bei festgehaltenem Prüfkopf unter Verwendung eines phasengesteuerten Gruppenstrahlers ein fokussiertes Schallbündel erzeugt und in den Werkstoff eingestrahlt wird sowie das aus dem to Werkstoff empfangene hochfrequente Ultraschallsignal nach der bekannten Vektormethode nach Betrag und Phase vermessen und zusammen mit den Ortskoordinaten des Prüfkopfs gespeichert wird, is

b) der Vorgang a) für aufeinanderfolgend benachbarte Punkte längs einer ersten Linie und dann durch jeweilige Verschiebung des Prüfkopfs um zur ersten Linie versetzte Linien durchgeführt wird und

c) die H? gespeicherten Werte numerisch zur holographischen Fehlerabbildung rekonstruiert werden,