DE68922848T2

DE68922848T2 - Ultraschall-testverfahren.

Info

Publication number: DE68922848T2
Application number: DE68922848T
Authority: DE
Inventors: Nicholas C. Farmington Conn. Ferreira
Original assignee: Individual
Current assignee: FERREIRA, NICHOLAS C., FARMINGTON, CONN., US
Priority date: 1988-02-29
Filing date: 1989-02-22
Publication date: 1995-09-14
Anticipated expiration: 2009-02-23
Also published as: CN1036836A; EP0404831B1; EP0404831A4; JPH03502968A; CA1311832C; AU3411289A; AU626151B2; US4805459A; ATE123144T1; EP0404831A1; JP2807012B2; DE68922848D1; WO1989008251A1; CN1016216B

Description

Hintergrund der Erfindung

Feld der Erfindung

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit Ultraschall-Testverfahren im allgemeinen und insbesondere mit Ultraschall-Testverfahren vom Echotyp, die manchmal als Ultraschall-Abtastechographie bezeichnet werden, in der ein Wandler verwendet wird, um einen Strahl von Ultraschall zu erzeugen, der von einem zu untersuchenden Werkstück zu dem Wandler zurückreflektiert wird. Die reflektierten Ultraschallwellen werden angezeigt, um Anomalien in dem Werkstück zu erfassen. Solche Verfahren werden umfänglich verwendet zum zerstörungsfreien Untersuchen von geschweißten oder festen Stücken, in denen strukturelle Anomalien bestehen, z.B. Brüche, Nadelstiche bzw. Stiftlöcher. Derartige Unterbrechungen verursachen charakteristische Schallwellen-Echos, die die Anwesenheit und Position solcher Anomalien anzeigen.

Beschreibung des Standes der Technik

Das US-Patent 4,557,145 (Perdijon) offenbart eine Vorrichtung zum Ultraschalltest von Werkstücken, in der der Wandler gedreht wird, um eine konische Oberfläche um eine Achse zu definieren, welche orthogonal auf der Prüffläche des Werkstücks ist, wie in Figur 1 des Patents erläutert. Der sich drehende Wandler wird verschoben über die Oberfläche des Werkstücks und der Patentinhaber gibt an, daß die Ultraschall-Impulse zeitlich so beschaffen sind, daß jede abzutastende Zone wenigstens zwei Impulse entsprechend unterschiedlichen Azimut-Winkeln um eine gemeinsame Drehachse erhält.
Das US-Patent 4,685,966 (Garner et al.) zeigt eine Vorrichtung, welche eine Verbindungsbewegung des Ultraschallfühlers ermöglicht, um den Einfallwinkel senkrecht oder nahezu senkrecht zur Oberfläche des Werkstücks zu halten, auch wenn letztere eine zusammengesetzte bzw. verbundgekrümmte Oberfläche ist. Das Patent offenbart eine Drehung sowohl um eine horizontale als auch eine vertikale Achse (z.B. Spalte 2, Zeile 45 bis Spalte 3, Zeile 19), wobei das Ziel darin besteht, den Einfallswinkel immer im wesentlichen senkrecht zur Testoberfläche zu halten.
Das US-Patent 3,765,229 (Spencer et al.) offenbart einen Ultraschall-Scanner, der wechselbar ist zwischen einem Oszillationsmodus zur Prüfung gekrümmter Konsolen, wie in Figur 4 erläutert, und einem Translationsmodus für die Prüfung von flachen Konsolen. Man betrachte den Absatz mit der Überschrift "Operation" in Spalte 4 des Patents.
Das US-Patent 4,502,331 (Sing et al.) zeigt eine Ultraschallprüfung von Turbinenscheibenfelgen, bei der, wie in Figur 6 erläutert, der Wandler geneigt ist in unterschiedlichen Schritten unter 45 und 60 º, um die konkave bzw. konvexe Seite von "Türmen" bzw. Stapeln des Werkstücks zu untersuchen.
Herkömmliche Ultraschall-Echoimpulsverfahren, die manchmal als "Echographie" bezeichnet werden, untersuchen im allgemeinen ein Werkstück durch Abtasten bzw. Überstreichen einer Oberfläche oder eines Bereichs des Werkstücks, oft durch Ausführen zweier gegenseitig senkrechter Gruppen von Durchgängen längs derselben Oberfläche oder Region. Somit kann ein rechtwinkliger Bereich von oben nach unten in einer ersten Gruppe von parallelen Nord-Süd-Läufen bzw. Durchgängen und von Seite zu Seite in einer zweiten Gruppe von parallelen Ost-West-Durchgängen untersucht bzw. abgetastet werden. Im Falle eines scheibenförmigen Werkstücks kann das Abtasten durchgeführt werden längs einer oder beider ihrer kreisförmig geförmten Oberflächen und längs ihrer zylindrisch geformten Oberfläche. Entsprechende herkömmliche Orientierungen des Testfühlers relativ zum Werkstück in jeweiligen Gruppen von Durchgängen werden manchmal bezeichnet als axiale, radiale und umfängliche Orientierungen, wie nachstehend im Detail beschrieben. Die eingesetzten Orientierungen können bestimmt werden durch die Richtung des Metallkorn-Flusses in geschmiedeten bzw. gehämmerten Gegenständen und durch den Wunsch, den Testaufbau zu vereinfachen. Dieser herkömmliche Weg akzeptiert die Ununtersuchbarkeit bestimmter Bereiche eines Werkstücks wegen der Reflektion der Ultraschall-Impulse von Flecken, Vorsprüngen, Stegen, Rillen, Rändern oder anderen nicht reflektierenden Formationen oder Konfigurationen des Werkstücks. Solche Reflektionen, d.h. Echos,überdecken viel kleinere Echos, die durch Anomalien in dem Werkstück verursacht sind. Auch in dem Fall einer einfachen Form, z.B. einer flachen rechtwinkligen Platte, sind die Kanten des Werkstücks, welche quer zur Richtung einer gegebenen Abtastung oder einer Gruppe von Abtastungen liegen, unprüfbar wegen der Ultraschallreflektion von den Kanten zum Fühler. Im Ergebnis bleiben Bereiche des Werkstücks entweder ungeprüft, was zu bestimmten Risiken und einer geringeren Verläßlichkeit des getesteten Teils führt, oder müssen durch andere Verfahren untersucht werden, z.B. Röntgen, Metallfeilungs-Verteilung und dergleichen. Die Forderung nach zusätzlichen Tests, gewöhnlich mit unterschiedlicher Ausrüstung durchgeführt, erhöhen natürlich die Prüfungskosten pro Werkstück erheblich. Auch wenn der zusätzliche Test zur Untersuchung von Bereichen, die mit herkömmlicher Orientierung des Testfühlers nicht prüfbar sind, mit Ultraschall-Echoimpulstests an derselben Ausrüstung durchgeführt werden, benötigt dies eine dritte und möglicherweise weitere Gruppen von Prüfdurchgängen und ferner die Berechnung der Fühlerpositionierung für zusätzliche Aufbauten, um so viel wie möglich von dem Werkstückvolumen abzutasten, welches unprüfbar ist mit herkömmlicher axialer und umfänglicher Fühlerorientierung.

Zusammenfassung der Erfindung

Erfindungsgemäß ist vorgesehen eine Verbesserung in einem Ultraschall- Abtastverfahren zur Erfassung von ultraschall-reflektierenden Anomalien in einem Werkstück, welches eine Prüfoberfläche und wenigstens eine rückreflektierende Formation hat, was zu einer echomaskierten Zone in dem Werkstück führt. Die Prüfoberfläche kann flach oder gekrümmt sein, z.B. konvex. Das Verfahren weist auf die Durchführung eines Prüfdurchgangs durch (a) Richten eines Strahls von Ultraschall-Impulsen von einem Fühler längs einer Strahlachse durch ein Übertragungsmedium, z.B. Wasser und Auftreffen des Strahls auf der Prüfoberfläche unter einem ausgewählten Auftreffwinkel und sodann in das Werkstück, (b) Empfangen von Echoimpulsen, die dadurch von dem Werkstück reflektiert werden, (c) Anzeigen der Echo-Impulse, um gegebenenfalls diejenigen herauszufinden, welche die Existenz von Anomalien in dem Werkstück anzeigen, und (d) Verfahren des Strahls in einem vorgewählten Pfad längs der Prüfoberfläche. Die durch die vorliegende Erfindung vorgesehene Verbesserung weist auf die Vornahme von einem oder mehreren ersten Prüfdurchgängen, wobei der Fühler so orientiert ist, daß relativ zu dem Werkstück der Strahl in einer oder mehreren ersten Abtastebenen liegt, die nicht senkrecht sind auf wenigstens einer rückreflektierenden Formation an ihrem oder jeweiligen Schnittpunkten mit der ersten Ebene oder Ebenen, wodurch das Volumen der echomaskierten Zone relativ zu dem reduziert wird, welches erzeugt werden würde, wenn der Fühler in einer entsprechenden Zahl von einer oder mehreren Abtastebenen orientiert wäre, die senkrecht auf wenigstens einer rückreflektierenden Formation sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das verbesserte Verfahren auf die Vornahme einer zweiten Gruppe von Prüfdurchgängen, bei denen der Fühler so orientiert ist, daß der Strahl von Ultraschall- Impulsen (welcher ein fokussierter Strahl sein kann, aber nicht zu sein braucht) in einer Gruppe von zweiten Abtastebenen liegt, welche die ersten Abtastebenen schneiden. Beispielsweise können die zweiten Abtastebenen im wesentlichen senkrecht auf den ersten Abtastebenen sein.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird eine erste Gruppe von ersten Prüfdurchgängen vorgenommen, so daß der Strahl nacheinander in einer Gruppe von ersten Abtastebenen liegt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren der Ultraschall- Abtastung vorgesehen zum Erfassen von ultraschall-reflektierenden Anomalien in einem oder mehreren Werkstücken, welche Prüfoberflächen oder eine oder mehrere rückreflektierende Formationen haben, was zu einer oder mehreren echomaskierten Zonen in dem Werkstück führt. In dieser Hinsicht weist das Verfahren auf die Einrichtung einer relativen Bewegung in einem Übertragungsmedium zwischen dem einen oder mehreren Werkstücken und einem Fühler, von dem ein Strahl von Ultraschall-Impulsen ausgeht, sowie das Richten des Strahls längs einer Strahlachse durch das Übertragungsmedium, und das Auftreten des Strahls auf der Prüfoberfläche unter einem ausgewählten Auftreffwinkel und somit in das Werkstück. Die relative Bewegung wird aufrecht erhalten, um den Strahl in einem vorgewählten Pfad längs der Prüfoberfläche zu verfahren, wobei der Fühler so orientiert ist, daß, wenigstens wenn der Strahl auf das Werkstück in der Nähe der rückreflektierenden Formationen auftrifft, der Strahl nacheinander in einer Serie von ersten Abtastebenen liegt, welche nicht senkrecht sind auf wenigstens einer der rückreflektierenden Formationen an ihren jeweiligen Schnittpunkten in den ersten Abtastebenen, wodurch das Volumen der echomaskierten Zone relativ zu dem vermindert ist, welches erzeugt würde, wenn der Fühler in einer Gruppe von Abtastebenen orientiert ist, die senkrecht sind auf der rückreflektierenden Formation. Auch bei anderen Aspekten der Erfindung werden von dem Werkstück reflektierte Echoimpulse aufgenommen und angezeigt, um diejenigen Impulse gegebenenfalls herauszufinden, welche die Existenz von Anomalien in dem Werkstück anzeigen.
Andere Aspekte der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einschließlich der Zeichnungen.
Wie hier und in den Ansprüchen benutzt, haben die folgenden Begriffe, ob im Singular oder im Plural die folgende Bedeutung:
Der Begriff "rückreflektierende Formation" bedeutet eine Formation bzw. eine Struktur in einem durch Ultraschall abzutastenden Werkstück, welche einen Anteil der Schallenergie zurück zu dem Fühler reflektiert, von dem der Ultraschall ausgeht, welcher groß genug ist, um Echos zu maskieren bzw. zu überdecken, die durch Anomalien in dem Werkstück erzeugt werden.
Der Begriff "echomaskierte Zone" bedeutet einen Bereich bzw. eine Zone eines Werkstücks benachbart einer oder mehrerer rückreflektierender Formationen des Werkstücks, welcher Bereich durch Ultraschall-Echographie unprüfbar gemacht wird, da Echos von den rückreflektierenden Formationen solche Echos von anderen Anomalien in diesem Bereich überdecken.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 ist eine schematische Ansicht im Seitenaufriß eines rechtwinkligen plattenförmigen Werkstücks, das mit einem Ultraschall- Wandler abgetastet wird.
Figur 2 ist eine schematische Perspektivansicht des Werkstücks von Figur 1, welche eine herkömmliche gegenseitig senkrechte Orientierung des Fühlers während zwei nacheinanderfolgender Gruppen von Durchgängen erläutert.
Figur 2A ist eine Teilansicht einer Ecke des Werkstücks von Figur 2.
Figur 3 ist eine schematische Perspektivansicht entsprechend Figur 2, zeigt jedoch die Orientierung des Fühlers relativ zu dem Werkstück während zwei aufeinanderfolgender Serien von Durchgängen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Figur 3A ist eine Teilansicht einer Ecke des Werkstücks von Figur 3.
Figur 4 ist eine Perspektivansicht eines scheibenförmigen Werkstücks, welche eine herkömmliche radiale, axiale und umfängliche Orientierung der Ultraschall-Strahlen relativ zu dem Werkstück erläutert.
Figur 4A ist eine Perspektivansicht eines keilförmigen Segmentes eines scheibenförmigen Werkstücks mit einer Vielzahl von konzentrischen Ringnuten und Flecken.
Figur 4B ist eine Schnittansicht im Aufriß des keilförmigen Abschnitts von Figur 4A.
Figur 5 ist eine perspektivische Ansicht, wobei Teile weggebrochen sind und andere Teile zur Vereinfachung der Erläuterung ausgelassen sind, eines Ultraschalltest-Immersionsbehälters, der mit einem Drehtisch ausgerüstet ist, auf dem eine Befestigungsvorrichtung oder Klammer getragen ist.
Figur 5A ist eine teilweise schematische Aufsicht des Drehtischgebietes der Vorrichtung von Figur 5.
Figur 5B ist eine schematische Aufrißansicht, teilweise im Schnitt, des Gebietes von Figur 5A.
Figur 5C ist eine Ansicht im vergrößerten Maßstab bezüglich Figuren 5A und 5B eines Abschnitts der Drehtischklammer und zeigt daran befestigte Werkstücke.
Figur 6 ist eine Vorderansicht im Aufriß, welche ein Testwerkstück zeigt, welches eine Blattkomponente eines Turbinenmotors aufweist, welcher eine Gruppe von darin gebildeten Vertiefungen, aufweist.
Figuren 6A, 6B und 6C sind Schnittansichten jeweils längs der Linien A-A, B-B bzw. C-C von Figur 6.
Figur 7 ist eine Seitenansicht im Aufriß des Testwerkstücks von Figur 6.
Figur 8 ist eine perspektivische Ansicht des Werkstücks von Figur 6, welche schematisch einen Ultraschall-Fühler zeigt, der relativ zu dem Werkstück gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung orientiert ist.
Figur 8A ist eine Ansicht entsprechend Figur 8 mit der Ausnahme, daß der Fühler schematisch in einer herkömmlichen axialen Orientierung erläutert ist.
Figur 8B ist eine Ansicht entsprechend Figur 8 mit der Ausnahme, daß die Probe in einer herkömmlichen umfänglichen Orientierung gezeigt ist.
Figur 9 ist eine Aufsicht des Teststücks von Figur 6, welche schematisch den Fühler in zwei Orientierungen relativ zum Werkstück zeigt.
Figur 9A ist eine Ansicht entsprechend Figur 9, die jedoch eine andere Orientierung des Fühlers relativ zum Werkstück zeigt.
Figur 10 ist ein Ausdruck, welcher die Ergebnisse des Testwerkstücks von Figur 6 mit Ultraschall zeigt, angewandt bei einer Probe in einer zirkumaxialen Orientierung relativ zu dem Werkstück gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Figur 10A ist eine Ansicht entsprechend Figur 10, die jedoch die Ergebnisse zeigt, welche durch Ultraschall erreicht werden, angewandt mit einer Probe in herkömmlicher axialer Orientierung relativ zu dem Werkstück, und
Figur 10B ist eine Ansicht entsprechend Figur 10, die jedoch die Ergebnisse zeigt, die mit Ultraschall gewonnen wurden, angewandt mit einer Probe in herkömmlicher umfänglicher Orientierung relativ zu dem Werkstück.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung und deren bevorzugte Ausführungsformen

Unter Bezugnahme nun auf Figur 1 ist ein Werkstück 10 in Seitenaufriß mit teilweise weggebrochenem Teil gezeigt, welches eine flache rechtwinklige Platte aufweist. Das Werkstück 10 weist gewöhnlich Stahl oder ein anderes Metall auf, ist jedoch zum Zwecke der Erläuterung durchsichtig für Schallwellen gezeigt, die von einem Strahl 12 von Ultraschall-Impulsen auf es gerichtet sind, welche von einem herkömmlichen Ultraschallfühler 14 ausgesandt werden. Das Werkstück 10 hat eine Prüfoberfläche 18, eine gegenüberliegende untere Fläche 22 und eine Kantenwand 24. Der Strahl 12, welcher ein fokussierter Strahl sein kann, wird durch ein Übertragungsmedium gerichtet, welches einen Wasserkörper 16 aufweist, der in einem Behälter (nicht gezeigt) enthalten ist. Werkstück 10 und Fühler 14 sind in dem Wasserkörper eingetaucht. Der fokussierte Strahl 12 liegt in einer Ebene, welche senkrecht zur Prüffläche 18 liegt (die Ebene, in der der fokussierte Ultraschallstrahl liegt, wird nachstehend manchmal als "Abtastebene" des Strahls oder des Schallfühlers bezeichnet). Der Strahl 12 ist auf die Prüffläche 18 des Werkstücks 10 unter einem Einfallwinkel a (relativ zur Prüffläche 18) gerichtet und erzeugt eine Scherschallwelle 20, welche das Werkstück 10 am Punkt A erreicht und durch das Werkstück 10 übertragen wird als ein erster Zweig 20a der Schallwelle 20. Der Zweig 20a liegt unter einem Brechungswinkel b (relativ zur Oberfläche 18), der von dem Einfallswinkel a abweicht, und zwar aufgrund der Brechung der Schallwelle 20 durch das Werkstück 10. Während die Figur 1 beschrieben ist unter besonderer Bezugnahme auf eine Scherwelle bzw. Schubwelle, sind die Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendbar mit einem beliebigen Typ von Ultraschall-Welle einschließlich gebrochener longitudinaler Schallwellen zusätzlich zu den Scherwellen. An dem Punkt B wird die Schallwelle 20 von der unteren Fläche 22 zur Prüffläche 18 reflektiert als ein zweiter Zweig 20b, und so weiter von Punkten C, D und E als Zweige 20c, 20d und 20e der Schallwelle 20. Der Zweig 20e wird zum Punkt F übertragen, welcher an dem Schnittpunkt der Kantenwand 24 mit der unteren Fläche 22 liegt.
Wie von Fachleuten zu verstehen ist, wird ein großer Anteil der Schallenergie, die am Punkt A gerichtet ist, von dort weg von dem Werkstück 10 reflektiert und ein viel kleinerer Anteil schreitet fort zur Erzeugung der Schallwelle 20. In gleicher Weise setzt sich fort die Verringerung der Schallenergie an jedem nachfolgenden Punkt B, C, D und E, so daß nur ein kleinerer und verschwindender bzw. sich verringender (bei jedem Zweig) Anteil der von dem Fühler 14 ausgesandten Energie hinter dem ursprünglichen Zweig 20a involviert ist. Ein Oszilloskop-Bildschirm der reflektierten Schallwelle 20 zeigt daher die typische Zacke oder die Echospitze am Punkt A und eine zweite kleinere Spitze am Punkt B, wobei die Größe der nachfolgenden Spitzen (erzeugt an den Punkten C, D, E etc.) stark vermindert ist aufgrund der verschwindenden Schallenergie hinter dem Punkt B. Dieser Faktor und die Zeitverzögerung eliminieren im wesentlichen die Interferenz von Echos, die hinter dem Punkt B erzeugt werden. Wenn somit der Strahl 12 am Punkt A auftrifft, werden alle Energiespitzen oder Zacken zwischen den Punkten A und B, welche die Anwesenheit einer Anomalie in dieser Zone des Werkstücks 10 anzeigen, klar dargestellt, z.B. auf einem Oszilloskopschirm oder auf einem graphischen Ausdruck. Stiftlöcher oder Brüche in der Nähe des Zweigs 20a reflektieren die Schallwelle unter einem charakteristischen Winkel und erzeugen ein wahrnehmbares Echo zwischen denjenigen entsprechenden Punkten A und B.
Eine gesteuerte Relativbewegung wird vorgenommen zwischen dem Werkstück 10 und dem Fühler 14, so daß der Auftreffpunkt des fokussierten Strahls 12 der Ultraschallenergie auf der Prüffläche 18 sich kontinuierlich bewegt, gewöhnlich in parallelen Abtastlinien über die Prüffläche 18. Typischerweise wird der Fühler 14 das Werkstück 10 in einer Gruppe von parallelen geraden Linienpfaden überstreichen, die sich von der Seitenwand 26 zu einer Seitenwand (nicht gezeigt in Figur 1) gegenüber der Seitenwand 26 erstrecken, wobei jeder aufeinanderfolgende Pfad näher an die Seitenwand 24 herangeht um eine Zunahme gleich dem effektiven Durchmesser des Strahls 12.
Bei der erläuterten Anordnung können aufeinanderfolgende Zonen des Werkstücks 10 untersucht werden ohne Schwierigkeit bis zu dem Punkt, an dem der fokussierte Strahl 12 auf Punkt E auftrifft, an dem eine Verbindung der Schallenergie, die längs des Pfades des Zweiges 20e gerichtet ist, beim Auftreffen auf Punkt F, rückreflektiert wird zum Punkt E und somit zum Fühler 14. Diese reflektierte Schallenergie ist sehr groß im Vergleich zu dem Betrag der Schallenergie, der reflektiert würde durch eine kleine Anomalie in dem Werkstück 10 längs des Pfades von Zweig 20e. Das Echo von Punkt F zu dem Fühler 14 maskiert das viel kleinere Echo von einer Anomalie in dieser Struktur, was zu einer wirksamen Blockierung der Prüfung einer Zone des Werkstücks 10 führt, gebunden durch die Seitenwand 26, und durch eine Ebene durch das Werkstück 10, in welcher der Pfad des Zweigs 20e liegt. Der Querschnitt dieses unprüfbaren Bereichs ist definiert durch die geschlossene vierseitige Figur EF FY in Figur 1.
Die Breite der Schallwelle, welche den Zweig 20e aufweist, und die Geometrie an der Ecke des Werkstücks 10 blenden den Fühler 14 wirksam aus von über dem Punkt, bei dem ein Zweig der Schallwelle 20 den Punkt F' auf der unteren Fläche 22 trifft.
Die Prüfschwierigkeit ist gut erläutert in Figur 2, welche die zwei typischen Abtastebenen zeigt, die relativ zum Werkstück 10 gemäß den Verfahren des Standes der Technik orientiert sind. Somit wird der Fühler 14 (Figur 1) gemäß dem Stand der Technik eine erste Gruppe von Prüfdurchgängen durchmachen, wobei der Strahl 12 unter einem Auftreffwinkel a zur Prüffläche 18 geneigt ist und nachfolgend in einer Gruppe von axialen Abtastebenen positioniert ist, wobei eine typische dieser Abtastebenen als Pa gezeigt ist. Der Pfeil A, der mit der Ebene Pa verbunden ist, zeigt die Richtung der Nacheinanderfolge der axialen Ebenen. Der Pfad des Strahls 12 längs der Prüffläche 18 bei vorausgehenden axialen Durchgängen ist durch die strichpunktierte Linie 1 gezeigt und es ist zu sehen, daß die axialen Abtastebenen parallel zur Seitenwand 26 und senkrecht zur Kantenwand 24 liegen, welche eine rückreflektierende Formation umfaßt und die vierseitig geformte echomaskierte Zone V&sub1; (deren Querschnitt bei EF'FY in Figur 1 gezeigt ist) erzeugt, welche benachbart zur Kantenwand 24 liegt. Eine Grenze dieser echomaskierten Zone ist in Figur 2 durch die gestrichelte Linie e gezeigt. Die Linien 1 enden an der Grenze e, um das Ausmaß der sinnvollen Prüfung anzuzeigen. In der Praxis jedoch wird der Strahl 12 gewöhnlich weitergeführt bis zur Kantenwand 24, auch wenn der letzte Teil dieses Wegs vor dem Erreichen der Kantenwand 24 keine sinnvolle Prüfung liefert. Es ist gewöhnlich einfacher, das gesamte Werkstück zu überstreichen, insbesondere wenn die Form der echomaskierten Zone sich in komplexer geformten Werkstücken ändert. Die Prüfdurchgänge werden normalerweise fortgesetzt bis ein Prüfdurchgang in einer axialen Abtastebene beendet ist, welche unmittelbar benachbart der Seitenwand 26 liegt.
Gemäß dem herkömmlichen Verfahren wird eine zweite Gruppe von Prüfdurchgängen durchgeführt, wobei der Strahl 12 auf die Prüffläche 18 unter einem Auftreffwinkel a auftrifft, jedoch in jeweiligen sogenannten umfänglichen Abtastebenen liegt, von denen eine typische als Pc in Figur 2 gezeigt ist, wobei der Pfeil c die Richtung der Nacheinanderfolge der umfänglichen Abtastebenen anzeigt. Der Pfad des Auftreffens des Strahls 12 während der Prüfdurchgänge in vorangehenden umfänglichen Abtastebenen ist durch die strichpunktierten Linien c gezeigt. Diese Durchgänge werden fortgesetzt bis ein Prüfdurchgang in einer umfänglichen Abtastebene beendet ist, welche unmittelbar benachbart und parallel zur Kantenwand 24 liegt. Bezüglich der umfänglichen Abtastdurchgänge wirkt die Seitenwand 26 als rückreflektierende Struktur, was zu einer vierkantig geformten echomaskierten Zone V&sub2; führt, deren Grenze als gestrichelte Linie d in Figur 2 gezeigt ist.
Das Ergebnis der zwei Gruppen von gegenseitig senkrechten Durchgängen der Prüfung ist in Figur 2A gezeigt, wobei eine im wesentlichen kubische Eckenzone C, definiert durch die Überlappung der Zonen V&sub1; und V&sub2;, gänzlich ungeprüft bleibt und darin der übrige Teil der echomaskierten Zonen V&sub1; und V&sub2; nur in einer einzelnen (axialen oder umfänglichen) Richtung geprüft wurde. Unter der Annahme, daß das Werkstück 10 einen rechtwinkligen Plattenaufbau hat, wird es insgesamt vier ungeprüfte Eckzonen geben, von denen C typisch ist, und vier Zonen (von denen die Zonen V&sub1; und V&sub2; minus der überlappten Eckenabschnitte entsprechend C typisch sind), welche nur durch eine einzige Richtung von Durchgängen geprüft wurden. Es ist klar, daß ein signifikantes Volumen des Werkstücks 10 ungeprüft oder untergeprüft bleibt. Wie im Stand der Technik wohlbekannt ist, kann eine kleine Fehlstelle oder Anomalie in der Formation eines Werkstücks dieses transparent oder fast transparent machen für Ultraschall-Wellen, welche axial auftreffen, kann jedoch ein ausgeprägtes Echo liefern, wenn eine Schallwelle derselben Intensität quer zu ihrer Längsachse auftrifft. Aus diesem Grund werden zwei Prüfdurchgänge unter gegenseitig senkrechter Orientierung gewöhnlich in jedem Bereich zur angemessenen Prüfung benötigt. Wegen des relativ großen unprüfbaren Volumens, welches nach einer solchen Prüfung verbleibt, werden die Teile manchmal überdimensioniert, geprüft und sodann auf ihre letztlichen Abmessungen bearbeitet, was den größten oder den gesamten Teil des unprüfbaren Gebietes entfernt. Dies ist jedoch offensichtlich ein unwirtschaftliches Verfahren, da es das Material verschwendet, welches weggearbeitet wird und ferner einen Nachprüfungs-Herstellungsschritt benötigt. Die wirtschaftliche Strafe ist besonders schwer bei Teilen, die aus teuren Materialien gemacht sind, z.B. Titanblätter in Düsenmotoren.
Unter Bezugnahme auf Figur 3 ist dort dasselbe Werkstück 10 gezeigt, welches in Figur 2 erläutert ist, und zwar in derselben Orientierung, wie in Figur 2 erläutert, d.h. mit der Prüffläche 18 oben, der Kantenwand 24 zur Linken und der Seitenwand 26 im Vordergrund, wie in Figur 3 zu sehen. In Figur 3 sind jedoch die Abtastebenen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung positioniert gezeigt, um eine duale bzw. zweifache Prüfrichtung über ein viel größeres Volumen des Werkstücks 10 zu liefern. Dies wird erreicht durch Einstellen des Werkstücks und Positionierung des Fühlers 14 (Figur 1) relativ zum Werkstück 10, so daß der fokussierte Schallstrahl 12 unter einem Auftreffwinkel a relativ zur Prüffläche 18 in einer ersten Gruppe von Abtastebenen gerichtet ist, von denen eine typische bei Pf in Figur 3 gezeigt ist und eine zweite Gruppe von Ebenen, von denen eine typische bei Ps gezeigt ist. Die Pfeile F und S zeigen jeweils die Richtung der nacheinanderfolgenden Ebenen Pf und Ps an. Diese Ebenen können als zirkumaxiale Ebenen bezeichnet werden, da sie eine Orientierung zum Werkstück haben, die zwischen der herkömmlichen axialen und der umfänglichen Orientierung liegen. Der Pfad des Strahls 12 längs der Prüffläche 18 und die vorausgehenden Pfade der ersten Gruppe von zirkumaxialen Durchgängen ist durch die strichpunktierten Linien 1' gezeigt und die entsprechenden Pfade des Strahls 12 während der vorausgehenden Pfade der zweiten Gruppe von Durchgängen ist durch die strichpunktierten Linien c' gezeigt. Die Ebene Pf ist senkrecht zur Ebene Ps und beide sind nicht senkrecht zur Kantenwand 24 und zur Seitenwand 26 des Werkstücks 10. Die Ebenen Pf und Ps definieren daher jeweils nicht rechtwinklige Winkel des Einfalls an den Punkten, an denen die Kantenwand 24 und die Seitenwand 26 durch Ebenen geschnitten werden. Diese nicht rechtwinklige Orientierung der Abtastebenen relativ zu den rückreflektierenden Formationen rührt daher, wenn die Kantenwand 24 und die Seitenwand 26 eine ausreichend glatte Endbearbeitung haben, zwei Prüfdurchgänge liefern, die sich immer zu den Wänden 24 und 26 erstrecken. In diesem Fall wird die einzige nicht geprüfte Zone die Eckzone C' (Figur 3A) an dem Schnitt der Kantenwand 24 und der Seitenwand 26 sein. Für dasselbe Werkstück wird die unprüfbare Eckenzone C', die sich aus den Verfahren der Erfindung ergibt, erheblich kleiner sein als die unprüfbare Eckenzone C von Figur 2A, was sich aus herkömmlichen Prüfverfahren mit Abtastebenen senkrecht zu den Wänden 24 und 26 ergibt.
Wenn die Kantenwand 24 und Seitenwand 26 ausreichend rauh sind, führt dies zu einer peripheren echomaskierten Zone, gebunden durch die Wände 24 und 26, auch wenn die Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Diese periphere echomaskierte Zone wird jedoch kleiner sein als diejenige, die sich aus herkömmlichen Verfahren ergibt, so daß auch bei rauhen und schallzerstreuenden Kanten- und Seitenwänden das Verfahren der vorliegenden Erfindung das Gesamtvolumen der echomaskierten Zonen im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren (erläutert in Figur 2) vermindert, welche die Abtastebenen senkrecht bezüglich der rückreflektierenden Strukturen oder Formationen orientieren. Eine Situation mit schlechtestem Fall unter Verwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung tritt auf, wenn die Kantenwand 24 und Seitenwand 26 rauh genug sind, um eine ausgeprägte schallzerstreuende Wirkung zu liefern. Die entstehenden unprüfbaren Zonen sind erläutert in Figur 3, wo eine periphere echomaskierte Zone im Werkstück 10 gezeigt ist, von der eine Kante in Figur 3 gezeigt ist durch gestrichelte Linien d' und e' in der Prüffläche 18. Nur die dünnen peripheren Zonen zwischen Ebenen senkrecht auf der Prüffläche 18, welche durch die gestrichelten Linien d' und e' sowie Wände 24 und 26 hindurchgehen, bleiben ungeprüft. Somit ist in diesem Szenario des schlechtesten Falls die duale Richtungsprüfung erreichbar über das Werkstück 10 mit Ausnahme des ziemlich dünnen peripheren Randsegments, angezeigt als Zonen V1' und V2'. Wie oben bemerkt, sind die Zonen V1' und V2'im dualen Durchgang prüfbar, wenn die Wände 24 und 26 vernünftig glatt sind.
Das vergrößerte Prüfvolumen, welches unter Verwendung der nicht senkrechten Anordnung erzielbar ist, die in Figur 3 erläutert ist, kann durch Analogie des Scheins eines fokussierten Strahls von Licht auf die Oberfläche eines Spiegels verstanden werden. Wenn die Achse des Strahls senkrecht auf den Spiegel gerichtet ist, wird das Licht von dem Spiegel direkt zurück auf die Blitzlichtlinse gerichtet. Eine entsprechende Anordnung mit einer Ultraschallwelle liefert eine hohe Echoamplitude, welche die von der Oberfläche des Werkstücks reflektierte Energie umfaßt, die um Größenordnungen größer ist als die Echoamplitude, die durch Reflektion von einem Bruch, Stiftloch oder einer anderen kleinen Anomalie in dem Werkstück erzielt würde. Wenn dagegen das Blitzlicht auf den Spiegel unter einem nicht senkrechten Winkel zur Spiegeloberfläche aufscheint, würde das Licht von dem fokussierten Strahl des Blitzlichts unter einem Winkel reflektiert und der reflektierte Strahl wird nicht auf die Blitzlichtlinse auftreffen, wodurch ermöglicht wird, daß das Blitzlicht viel näher an die Oberfläche des Spiegels gelangt, bevor es durch seine eigene Reflektion ausgeblendet wird.
Beim Einrichten des Prüfverfahrens wird die Orientierung des Fühlers relativ nicht nur zu den Kanten, sondern auch Ecken, Flecken und anderen rückreflektierenden Formationen berücksichtigt, die von dem zu untersuchenden Werkstück vorgegeben sind. Wie nachstehend erläutert, bringt dies gewöhnlich kompliziertere Aufbauberechnungen mit sich als die direkte axiale und/oder umfänglich und/oder radiale Orientierung, die vom Stand der Technik eingesetzt wird, wobei jedoch eine erhöhte Qualität und ein erhöhter Prüfungsgrad diese zusätzlich erforderliche Mühe rechtfertigt.
Figur 4 zeigt ein scheibenförmiges Werkstück 10' mit einer kreisförmigen flachen Prüffläche 18' und einer peripheren zylinderförmigen Prüffläche 18". Die Prüffläche 18" ist die Seitenwand oder -kante der Scheibe und liefert eine rückreflektierende Formation relativ zu der flachen Prüffläche 18' (und relativ zu der unbezifferten Fläche gegenüber der Fläche 18'). Dementsprechend liefert der periphere Abschnitt der Prüffläche 18' (und der unbezifferten Oberfläche gegenüber) rückreflektierende Formationen relativ zu der zylinderförmigen Prüffläche 18".
Die Mitte des scheibenförmigen Werkstücks 10' ist bei CR angezeigt, der Rotationsmitte des Werkstücks 10' um ihre eigene Längsachse. Die Ebene Pr ist eine radiale Abtastebene, in der ein Strahl 12r von Ultraschall zum Auftreffen auf die Oberfläche 18' liegt. Die Ebene Pc, eine umfängliche Abtastebene, schneidet die Oberfläche 18' längs einer Kreissehne, definiert durch die Oberfläche 18' und ein Strahl 12c von Ultraschall liegt wie gezeigt in der Ebene Pc. Die Ebene Pa ist eine axiale Abtastebene und entgegengesetzt gerichtete Strahlen 12a-1 und 12a-2 von Ultraschall liegen wie gezeigt darin und treffen auf die Oberfläche 18" auf.
Die Oberfläche 18' kann geprüft werden durch Drehen des Werkstücks 10' um seine Längsachse (die sich vertikal zur Oberfläche 18' durch die Rotationsmitte CR erstreckt), d.h. als ob das Werkstück 10' eine Schallplatte wäre. Gleichzeitig wird der Strahl 12r vorgerückt in der Weise einer Plattenspielernadel längs einer Radiuslinie zwischen dem Rand und dem Punkt cR der Oberfläche 18' des Werkstücks. Dies würde den Strahl 12r in einer unbegrenzten Serie von Abtastebenen Pr orientieren, welche die Prüffläche 18' schneiden, gleich den Speichen eines Rades, dessen Felge die Oberfläche 18" ist. Ein ähnlicher Weg könnte eingesetzt werden mit einem umfänglich orientierten Schallstrahl 12c. Der Schallstrahl 12a-1 könnte vertikal in einer axialen Ebene Pa verfahren werden zwischen der Prüffläche 18' und ihrer gegenüberliegenden unbezifferten Oberfläche, während das Werkstück 10' um seine Längsachse gedreht wird. Eine zweite Gruppe von Durchgängen könnte in ähnlicher Weise vorgenommen werden, wobei der Ultraschallstrahl 12a-2 innerhalb der Ebene Pa positioniert ist, jedoch unter einem Azimutwinkel relativ zur Oberfläche 18" entgegengesetzt dem des Strahls 12a-1. Natürlich könnte das Werkstück 10' stationär bleiben, während der Fühler oder die Fühler (nicht gezeigt in Figur 4), aus denen sich die Strahlen 12r, 12c, 12a-1 und 12a-2 ergeben, relativ zum Werkstück 10' bewegt werden.
Werkstücke von komplexem Aufbau, welche viel mehr rückreflektierende Formationen und entsprechende echomaskierte Zonen zeigen als die einfache Platte des Werkstücks 10 oder die einfache Scheibe des Werkstücks 10', müssen oft geprüft werden. Beispielsweise zeigt Figur 4A ein kreisförmiges oder scheibenförmiges Segment eines kreisförmigen Scheibenwerkstücks 72 mit einer Mittelöffnung 73 und einer Vielzahl von gestuften konzentrischen Rillen bzw. Nuten 74 und darin gebildeten Flecken bzw. Bereichen 76. Die Randkante des Werkstücks 72 ist definiert durch eine zylinderförmige Wand 78. Die Rillen 74 und Flecken 76 sind definiert durch zahlreiche Seitenwände (unbeziffert bzw. ungezählt), welche zusammen mit der peripheren Wand 78 eine Vielzahl von rückreflektierenden Formationen und nachfolgenden echomaskierten Zonen liefern. Bei zahlreichen Seitenwänden, von denen einige vertikal relativ zu der Ebene der Scheibe 72 sind und andere unter einem Winkel geneigt sind, würde der Fachmann auf diesem Gebiet der Technik dazu neigen, den fokussierten Strahl des Ultraschalls längs des Durchmessers der Scheibe 72 für eine erste Gruppe von radialen Durchgängen zu richten, da der Aufbau für eine solche radiale Orientierung relativ einfach ist.
Es ist zu beachten, daß die herkömmliche axiale, radiale und/oder umfängliche Prüfung eines Werkstücks, z.B. das von Figur 4A, obwohl relativ einfach im Aufbau, zu einem großen Volumen der echomaskierten Zonen führen würde. Die Fähigkeit der vorliegenden Erfindung, das Volumen der echomaskierten Zonen durch die nicht senkrechte Orientierung der Schallstrahlen relativ zu den zahlreichen rückreflektierenden Formationen zu reduzieren, liefert beträchtliche praktische Vorteile bei der Prüfung von Gegenständen wie der Scheibe 72.
Figur 4B zeigt einen Querschnitt einer radialen Hälfte des Werkstücks 72, welche mit strichpunktierter Linie CR ihre Längsachse zeigt, welche durch die Mitte der Mittelöffnung 73 des Werkstücks 72 geht. Die Orientierungen der axialen Ultraschallstrahlen 12a-3 und 12a-4 sowie radialen Strahlen 12r-1 und 12r-2 sind gezeigt. Herkömmlich würden diese Strahlen in Ebenen liegen, welche durch die Achse CR hindurchgehen. Wie in Figur 4A gezeigt, sind die Strahlen 12ca-1 und 12ca-2 von Fühlern 14', welche die Schallwellen 20' erzeugen, relativ zu dem Werkstück 72 gemäß der vorliegenden Erfindung orientiert und liegen in Ebenen zwischen der radialen und der umfänglichen Ebene gleich Ebenen Pr und Pc von Figur 4. Gleicherweise sind die Strahlen 12ca-3 und 12ca-4 (Figur 4B) orientiert gemäß der vorliegenden Erfindung, treffen auf auf die zylinderförmige Wand 78 des Werkstücks 72 und liegen in Ebenen quer zu den axialen Ebenen, z.B. Ebene Pa von Figur 4. Dies bedeutet, daß die Strahlen 12ca-3 und 1 2ca-4 in Ebenen liegen, welche nicht durch die Längsachse CR des Werkstücks 72 hindurchgehen.
Für Testzwecke benötigen die Ultraschallwellen ein Übertragungsmedium, das dichter ist als Luft zwischen dem Wandler und dem Werkstück, und in dieser Form wird ein flüssiges Medium, gewöhnlich Wasser, eingesetzt. In Eintauch- Testverfahren werden sowohl der Fühler, welcher den Ultraschall-Wandler enthält, und das Werkstück in Wasser eingetaucht. Ein typischer Eintauch- Testbehälter ist in Figur 5 gezeigt und weist einen wasserdichten Behälter 28 auf, der von allgemein rechtwinkliger Konfiguration ist, einen Boden 32 und vertikale Seiten 34a und 34b, 34c und 34d hat. Der Behälter 28 enthält einen Wasserkörper darin. Ein Betrachtungsfenster 37 ist in der Wand 34a vorgesehen, um eine geeignete visuelle Betrachtung des Behälters zu ermöglichen. Die Wände 34b und 34c sind teilweise weggebrochen zum Zwecke der Erläuterung, um einen Drehtisch 30 zu zeigen, der auf dem Boden 32 des Behälters zur Drehung um seine Drehmitte CR (Figur 5A) auf einem Mittelpfosten 64 (Figur 5B) angebracht ist, getragen in einem wasserdichten Packungslager 66 und darauf aufweisend eine Riemenscheibe (unbeziffert), auf der ein Antriebsriemen 68 geführt ist, teilweise weggebrochen in Figur 5B. Der Antriebsriemen 68 wird durch einen Elektromotor angetrieben (nicht gezeigt), und zwar bei einer gewählten Drehzahl, um den Drehtisch 30 in einer gewünschten Drehzahl pro Minute zu drehen. Wie herkömmlich bekannt, ist der Antriebsriemen außerhalb des Behälters 28 unterhalb von dessen Boden 32 angeordnet.
Die Oberkanten 34a' und 34b' der Wände 34a und 34b bilden Spuren, auf denen jeweils Wagen 36a und 36b einer einstellbaren Ultraschall-Sucheinheit 38 aufgenommen sind. Ein Paar von beabstandeten Brückenelementen 40 verbinden Wagen 36a mit Wagen 36b und unterstützen an ihrem Mittelpunkt einen Antriebsbehälter 42, in dem ein Fühlerhalterungsstab 44 angebracht ist. Der Antriebsbehälter 42 ist beweglich längs eines Elementes 40 zwischen den Wagen 36a und 36b. Ein Fühler 48 wird an dem unteren Ende des Halterungsstabs 44 mit Hilfe eines Universalverbinders 46 getragen, welcher sowohl die vertikale als auch horizontale Verschwenkung des Fühlers 48 ermöglicht. Der Verbinder 46 ist in einer wohlbekannten Weise aufgebaut, um zu ermöglichen, daß der Fühler 48 in eine gegebene schräge Position gestellt wird, die sowohl horizontal als auch vertikal von ihrer normalen Position verschoben ist, in der die Längsachse des Fühlers 48 in einem rechten Winkel zur Längsachse des Stabs 44 ist und ausgerichtet ist in einer vertikalen Ebene, die durch die Mitte des Drehtisches 30 verläuft. Ein Steuerbehälter 50 umgibt den Halterungsstab 44 und verbindet ihn mit Leitungen 52, die geeignete elektrische Leitungen enthalten, um die Positionierung der einstellbaren Sucheinheit 38 sowie die Schwenkbewegung des Fühlers 48 zu steuern und um Ultraschallsignale durch den in dem Fühler 48 enthaltenen Wandler zu empfangen. Da die einstellbare Sucheinheit 38 längs der Spuren bzw. Schienen beweglich ist, die durch die Oberkanten 34a' und 34b' gegeben sind, kann der Fühler 48 unter einem ausgewählten Abstand relativ zum Drehtisch 30 positioniert werden. Der Antriebsbehälter 42 ist beweglich längs der Brückenelemente 40 und ermöglicht es, daß der Fühler 48 quer positioniert wird wie gewünscht, entweder ausgerichtet mit der Drehmitte des Drehtisches 30 (wie in Figur 5A gezeigt) oder quer verschoben nach einer Seite davon (wie strichliert in Figur 5A gezeigt). Der Halterungsstab 44 ist positionierbar vertikal in dem Antriebsbehälter 42, um den Fühler 48 unter einem ausgewählten Aufriß in dem Behälter 28 zu positionieren. Der Aufbau und die Möglichkeiten der einstellbaren Sucheinheit 38 sind herkömmlich im Aufbau wie die gesamte Vorrichtung, die in Figur 5 erläutert ist.
In der bestimmten Testvorrichtung, die in Figur 5 erläutert ist, ist eine Spannvorrichtung oder Klammer 54 angebracht an der Mitte des Drehtisches 30 durch eine geeignete Einrichtung zur Drehung der Klammer 54 mit dem Drehtisch 30 um eine gemeinsame Drehmitte CR. Die Klammer 54 ist selbst scheibenförmig und von einem kleineren Durchmesser als der Drehtisch 30 und um seine Randwand 54a (Figur 5B und 5C) sind eine Vielzahl von Werkstücken befestigt, die in diesem Fall Turbinenmotorblätter 56 von dem in Figuren 6, 7 erläuterten Typ sind. Wie in Figur 6 gezeigt, weisen die Blätter 56 eine Wurzel 58, einen Flansch 60 und eine gekrümmte Schaufel bzw. einen Flügel 62 auf, der eine Oberkante 62a, eine Führungskante 62b und eine gefederte Endkante 62c hat. Die Schaufel 62 hat eine konkave Oberfläche 62v und eine konvexe Oberfläche 62x (Figur 7). Eine typische Prüfanforderung für Blätter 56 sieht vor, daß der Abschnitt der Schaufel 62 benachbart der Oberkante 62a beispielsweise geprüft wird, eine Zone der Schaufel 62 geprüft wird, die durch die Oberkante 62a gebunden ist und sich in einem kurzen Abstand ausdeht, z.B. 0,08 inch (0,203 cm), und zwar von der Oberkante 62a zu der Wurzel 58. Blätter wie die Blätter 56 können gemacht sein aus einer Titanlegierung und nach der Verwendung werden sie erneuert durch Schweißen auf eine erneuerte Oberkante 62a. Die Ultraschallprüfung gemäß der vorliegenden Erfindung wird vorteilhaft eingesetzt, um die geschweißte neu gebildete Fläche auf Defekte bzw. Risse oder Diskontinuitäten zu prüfen.
Für Testzwecke kann eine Vielzahl der Blätter 56 um den Rand der Klammer bzw. Befestigung 54 befestigt werden, wie in Figur 5C erläutert, und zwar durch Kleben oder anderweitige Befestigung der Schaufeln 62 an der Randkante der Klammer 54, wobei jedes der Blätter unter derselben vertikalen Höhe in dem Behälter 28 positioniert ist. Ein Klebeband 70 ist in Figur 5C gezeigt, welches um die Schaufeln 62 gelegt ist, um die Blätter 56 in Stellung gegen die vertikale periphere Wand 54a zu halten. Die Blätter sind gleich beabstandet um den Rand der Klammer 54 herum, wobei Schaufeln 62 in einer aufrechten oder vertikalen Position positioniert sind und ihre konvexe Oberfläche die Prüffläche darstellt, auf der Ultraschall-Impulse auftreffen. Nur zwei der Blätter 56 sind in Figur 5C erläutert, aber es ist zu sehen, daß eine Vielzahl solcher Blätter in nicht überlappender oder leicht beabstandeter Beziehung um die gesamte Randwand 54a angebracht werden kann. Mit diesem Aufbau überstreicht bei Drehung des Drehtisches 30 jedes der Blätter 56 das Ausstoßende des Fühlers 48 zum Überstreichen des ultraschall-fokussierten Schallstrahls 12 über den Schaufelabschnitt 62 jedes Blattes 56. Die einstellbare Ultraschall-Sucheinheit 38 wird positioniert, um ihren Fühler 48 geeignet orientiert in einer Position anzuordnen, die gestrichelt in Figur 5 gezeigt ist, um jedes der angebrachten Blätter 56 zu überstreichen bzw. abzutasten, wenn es vor dem Fühler 48 vorbeigeht. Nachdem die Klammer 54 eine Umdrehung vollendet, ist jedes Blatt in einem Durchgang durch den Fühler 48 abgetastet worden. Der Fühler 48 wird dann gehoben durch den Halterungsstab 44 um einen kleinen inkrementellen Betrag und ein zweiter Prüfdurchgang wird gemacht in einer Höhe, die leicht oberhalb des ersten Durchgangs liegt, wenn der Drehtisch 30 (und daher die Klammer 54) die Drehung fortsetzt. Der Fühler 48 wird allmählich angehoben in inkrementellen Beträgen bis zur Beendigung jeder Umdrehung der Klammer 54, um eine Gruppe von Prüfdurchgängen längs im wesentlichen paralleler erster Ebenen bereitzustellen. Erfindungsgemäß ist die Anordnung so angeordnet, daß der Fühler 48 in einer geneigten zirkumaxialen Haltung zwischen der herkömmlichen axialen und umfänglichen Orientierung positioniert ist. Nachdem die erste Gruppe von Durchgängen beendet ist, wird der Fühler 48 rückorientiert in einer entgegengesetzt geneigten Position und die zweite Gruppe von Durchgängen kann vorgenommen werden, wobei der fokussierte Strahl 12 in Abtastebenen liegt, die im wesentlichen senkrecht auf denen der ersten Gruppe von Ebenen sind.
Versuche, welche die zirkumaxialen Orientierungsverfahren der vorliegenden Erfindung und zu Vergleichszwecken herkömmliche axiale und umfängliche Orientierungsverfahren des Standes der Technik verwendeten, wurden durchgeführt. Alle Tests wurden unter Verwendung derselben Ausrüstung und derselben Teststücke durchgeführt, wobei die einzige Variation den Orientierungstyp betraf, der für den Ultraschallfühler eingesetzt wurde. Die für die Tests eingesetzte Ausrüstung war ein Krautkramer-Branson, Inc. KB 6000 Gerät, ausgerüstet mit einem 1/4 Inch (0,635 cm) Durchmesser, 15 MHz Harrisonic Tauchwandler, der einen fokussierten Strahl mit einem Inch (2,54 cm) Brennweite liefert.
Ein einzelnes Teststück, wie erläutert in Figur 6, wurde eingesetzt, welches drei Testvertiefungen 61a, 61b und 61c hat, die darin gebildet sind. Die Tiefen- und Durchmesserabmessungen der Testvertiefungen sind nachstehend erläutert, wobei d1, d2 und d3 die jeweiligen Durchmesser der Testvertiefungen darstellen und h&sub1;, h&sub2;, und h&sub3; ihre jeweiligen Tiefen darstellen, wie in Figuren 6A, 6B und 6C gezeigt. Jede der Testvertiefungen ist kreisförmig in der Aufsicht und zentriert 0,040 Inch (0,102 cm), angezeigt durch den Abstand R in Figur 6, und zwar unterhalb der Oberkante 62a des Blattes 56. An der Oberkante 62a ist die Schaufel 62 0,040 Inch (0,102 cm) dick und die Form ihrer konvexen Oberfläche 62x nähert sich einem Schnitt einer kreisförmigen Zylinderwand. Tabelle Vertiefung Durchmesser (inches) Tiefe (inch)
In jeder der Figuren 8, 8A und 8 B ist der Fühler 48 schematisch gezeigt, der fokusierte Schallstrahl 12' trifft auf die Prüffläche (konvexe Oberfläche 62x) auf und durchdringt die Schaufel 62 des Blattes 56 als Schallwelle 20', und eine Querschnittsform-Andeutung der Schaufel 62 ist bei S gezeigt.

Vergleichsbeispiel 1

Eine Abtastung des Teststückes mit einem Titan-Turbinenblatt, wie in Figuren 6 und 7 erläutert, wurde in herkömmlicher Weise ausgeführt, wobei eine axiale und umfängliche Orientierung des Fühlers in zwei Gruppen von Prüfdurchgängen eingesetzt wurde. Der Aufbau wurde wie folgt berechnet:
Ein Brechungswinkel der Schubschallwelle in dem Werkstück (entsprechend dem Winkel b in Figur 1) von 45º ist gewünscht und der Auftreffwinkel (entsprechend dem Winkel a in Figur 1), welcher erforderlich ist, um den 45º Brechungswinkel in Titan zu erhalten, wird berechnet gemäß dem Snell'schen Brechungsgesetz, nämlich
(1) Sin a/Sin b = Vw/Vm
wobei a der Einfallswinkel ist, b der Brechungswinkel, Vw die Schallgeschwindigkeit im Wasser und Vm die Schubwellgeschwindigkeit des Schalles in dem Metall des Werkstückes ist. Wenn man Vw = 1,48 x 10&sup5; cm/sec, Vm = 3,11 x 10&sup5; cm/sec und b = 45º in Gleichung (1) substituiert und nach a auflöst, zeigt sich, daß a = 19,66º. Daher sollte der Strahl des Schalles auf die Werkstückfläche unter einem Winkel von 19,66º auftreffen, um eine 45º gebrochene Schubwelle in dem Werkstück zu ergeben. Um den Fühler geeignet relativ zu einer konvexen Oberfläche zu positionieren, zum Beispiel einer Prüffläche 62x der Schaufel 62 für die umfängliche Scherprüfung, muß eine Versetzung x (Figur 9) von der axialen Mittellinie Dt berechnet werden. Wenn der Krümmungsradius der konvexen Oberfläche 62x als R genommen wird, dann wird die Verschiebung x berechnet als
(2) x = R (sin a)
Die Verschiebung x ist in Figur 9 gezeigt. Für die Schaufel 62 ist die Oberfläche 62x im wesentlichen ein Schnitt eines Zylinders mit einem Außendurchmesser von 6,9 inch (17,53 cm) und wenn man R = 3,45 inch und a = 19,66º in Gleichung (2) ersetzt, wird die Abweichung x als 1,1609 inch (2,949 cm) berechnet. Um daher eine umfängliche Scherabtastebene relativ zu der Prüffläche 62x zu erreichen, wird der Fühler auf der Mittellinie Dt positioniert, die senkrecht auf Fläche 62x zeigt, bewegt in einer horizontalen (umfängliche) Ebene 1,1609 inch weg von der axialen Mittellinie Dt. Wegen der Krümmung der Prüffläche 62x wird der entstehende Auftreffwinkel den berechneten Wert von 19,66º haben.
Als alternatives Verfahren kann der Fühler 48 um 19,66º in der umfänglichen Ebene gedreht werden und dann relativ zur Mittellinie Dt verschoben werden, um den Auftreffpunkt des Strahles zur Mittellinie Dt zurückzubewegen.
Unabhängig davon, welches der zwei Verfahren eingesetzt wird, wird der Fühler nun so positioniert, daß er eine Gruppe von Prüfungen vornimmt durch Drehen des Werkstückes hinter bzw. nach dem Fühler. Unter Bezugnahme auf Figur 5 wird dies ausgeführt durch Befestigen des Werkstückes an der Klammer 54 und Drehen des Drehtisches 30 mit einer gewählten Geschwindigkeit. Nachdem das Werkstück einen Durchgang hinter der Probe macht, wird die Probe 0,001 inch (0,00254 cm) gesenkt für einen zweiten Abtastdurchgang benachbart und unmittelbar unterhalb des ersten. Dies wird, soweit nötig, wiederholt, um den Testabstand von der Oberkante des Blattes zu einem gewählten Endpunkt abzudecken.
Der Fühler wird dann auf die Mittellinie zurückgeführt und um die berechnete Verschiebung von 1,1609 inch in einer Richtung entgegengesetzt der ersten Verschiebung verschoben und die Probe wird gedreht in der umfänglichen Richtung in dem berechneten Winkel von 19,66º in einer Richtung, die der Anwickelung für die erste Gruppe von umfänglichen Durchgängen entgegengesetzt ist. Die Testdurchgänge werden sodann wiederholt, um eine zweite Gruppe von umfänglichen Durchgängen unter einem Azimuth-Winkel relativ zu der Prüffläche 62x bereitzustellen, welche entgegengesetzt ist demjenigen, welcher in der ersten Gruppe von Durchgängen verwendet wird.
Um die korrekte Einstellung für axiale Scherprüfung zu berechnen, wird der Fühler auf der axialen Mittellinie Dt positioniert und senkrecht zur Oberfläche 62x gerichtet. Der Fühler wird dann aufwärts in eine vertikale Ebene auf den berechneten Einfallswinkel von 19,66º gedreht, so daß der Strahl auf der Oberfläche 62x in einem vertikalen Abstand y (Figur 7) über der horizontalen Ebene auftrifft, in welcher der Fühler liegt, wenn er senkrecht zur Oberfläche 62x orientiert ist. Eine erste Gruppe von Durchgängen wird dann vorgenommen, um eine axiale Prüfung zu liefern. Da in dieser bestimmten Prüfung nur ein Abstand von 0,080 inch (0,203 cm) von der Oberkante 62a untersucht wird, wird nur eine Gruppe von axialen Prüfungen vorgenommen.
Figur 8A ist eine schematische Darstellung, in der der Fühler 48 für die erste Gruppe von Durchgängen in der axialen Orientierung positioniert ist, die in Figur 8A erläutert ist, und für die zweite Gruppe von Durchgängen, in der umfänglichen Orientierung, die in Figur 8B erläutert ist. Figur 9 zeigt einen Fühler 48 in zwei Positionen nahe entgegengesetzten Enden eines Durchganges des Werkstückes (Blatt 56) und wobei der Fühler 48 (und daher der Strahl 12' parallel zum Durchmesser Dt (Figur 4A) des Drehtisches 30 und der Klammer 54 ausgerichtet ist. Die Figur 9A zeigt den Fühler 48 (und daher den Strahl 12') ausgerichtet unter einem Winkel zum Durchmesser Dt. In der Figur 9 und der Figur 9A ist der Strahl 12' circum-axial orientiert relativ zum Blatt 56 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die erzielten Abtastergebnisse sind in den Figuren 10A und 10B erläutert, worin zu sehen ist, daß Reflektionen von der Oberkante 62a während der axialen Orientierung des Fühler im wesentlichen gänzlich die Echos verdeckt haben, die durch die Testvertiefungen erzeugt wurden. In Figur 10B sind während der umfänglichen Orientierung der Probe die Testvertiefungen klar gezeigt, ober große Segmente des Volumens sind maskiert, wie angezeigt durch die Gebiete M&sub1;, M&sub2; auf dem Ausdruck von Figur 10B.

Beispiel 2

Die selbe Ausrüstung wird verwendet, um dasselbe Teststück wie in Beispiel 1 abzutasten, mit der Ausnahme, daß der Testfühler in zwei Gruppen von Durchgängen in der circum-axialen Konfiguration gemäß einer Ausführungsform der Erfindung orientiert war, welche folgt.
Der geforderte Einfallwinkel, um einen gewünschten Scherwinkel zu erhalten, ist in der herkömmlichen Weise unter Verwendung des Snell'schen Brechungsgesetzes berechnet. Da das selbe Blatt, wie in Figur 1 getestet, zu testen war und ein Brechungswinkel in dem Blatt von 45º gewünscht ist, wurde dieselbe Anwickelung von 19,66º verwendet.
Um die geeignete Anwickelung für einen Fühler zu berechnen, muß ein Vektor der Fühler-Schwenkbewegung in einer vertikalen (axialen) Ebene berechnet werden und eine entsprechende Berechnung muß vorgenommen werden für einen entsprechenden Vektor der Proben-Schwenkbewegung in einer horizontalen (umfänglichen) Ebene. Die resultierende dieser zwei Vektoren ergibt die gewünschte Anwickelung des Fühlers, um eine Prüfung der Fläche 62x durchzuführen, wobei der Fühler circum-axial orientiert ist, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung.
Der Abstand y (Figur 7) kann wie folgt berechnet werden:
y = tan a' (z)
Der Winkel a (Figur 9) ist eine Funktion des Verschiebungsabstandes x wegen der Krümmung der Fläche 62x. Der Abstand von dem Fühler-Schwenkpunkt (P in Figuren 7, 9 und 9A) zu der gekrümmten Oberfläche 62x für die circumaxial Abtastung muß berechnet werden.
Wenn die Oberfläche 62x flach wäre, könnte der Satz des Pythagoras verwendet werden, um den Abstand von dem Fühler-Schwenkpunkt P zu der Prüffläche 62x abzuleiten. Für eine leicht gekrümmte Oberfläche ergibt sich eine Annäherung des geforderten Abstandes. Die Berechnungen zeigen, daß eine 14,2º axiale Bewegung des Fühlers und eine 14,2º umfängliche Bewegung des Fühlers, den Fühler in die gewünschte circum-axiale Orientierung bringen, um den gewünschten 19,66º Auftreffwinkel zu ergeben.
Die in zwei zueinander senkrechten circum-axial orientierten Durchgängen gewonnene Ergebnisse sind in Figur 10 gezeigt, woraus zu sehen ist, daß die Anwesenheit der Testvertiefungen klar skizziert ist und der Kanten-Abdeckeffekt, angezeigt durch die dunklen Bereiche M1' und M2' praktisch vernachlässigbar ist.
Obwohl spezifische Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben wurden unter Verwendung eines einzelnen Fühlers, um den Ultraschall-Strahl zu erzeugen, ist zu ersehen, daß mehrfache bzw. mehrere Fühler, wie im Stand der Technik bekannt, eingesetzt werden können, um eine Vielzahl von Strahlen auf das Werkstück zu senden. In einem solchen Fall liefert ein einzelner Durchgang des Werkstückes hinter den mehreren Fühlern eine Gruppe von einzelnen Abtastdurchgängen.

Claims

1. Ultraschall-Abtastverfahren zur Erfassung von Ultraschall-Anomalien in einem Werkstück (10), das eine Prüffläche (18) und wenigstens eine rückreflektierende Formation hat, die zu einer echo-maskierten Zone (C) in dem Werkstück führt, wobei das Verfahren aufweist die Durchführung eines Prüflaufes durch (a) Richten eines Strahles (12) von Ultraschall-Impulsen von einem Fühler (14) längs einer Strahlachse durch ein Übertragungsmedium (16) und Auftreffen des Strahles unter einem ausgewählten Auftreffwinkel (a) auf die Prüffläche und somit in das Werkstück, (b) Aufnehmen von Echo-Impulsen, die dadurch von dem Werkstück reflektiert sind, (c) Anzeigen der Echo-Impulse, um gegebenenfalls diejenigen offen zu legen, die die Existenz von Anomalien in dem Werkstück anzeigen, und (d) Verfahren des Strahles in einem vorgewählten Pfad (l') längs der Prüffläche, gekennzeichnet durch Durchführen eines oder mehrerer erster Prüfläufe, wobei der Fühler so orientiert ist, daß der Strahl relativ zum Werkstück in einer oder mehreren ersten Abtastebenen (Pf) liegt, die nicht senkrecht sind auf wenigstens einer rückreflektierenden Formation an seinem Schnittpunkt oder jeweiligen Schnittpunkten mit der ersten Ebene oder ersten Ebenen, wodurch das Volumen der echo-maskierten Zone (C') vermindert wird relativ zu dem, das erzeugt werden würde, wenn die Probe in einer entsprechenden Anzahl von einer oder mehreren Abtastebenen orientiert ist, die senkrecht auf wenigstens eine rückreflektierende Formation sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, mit Vornehmen einer ersten Gruppe von ersten Prüfläufen, so daß der Strahl (12) sukzessive in einer Gruppe der ersten Abtastebenen (Pf) liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, mit Vornehmen einer zweiten Gruppe von Prüfläufen, wobei die Probe (14) so orientiert ist, daß der Strahl (12) in einer Gruppe von zweiten Abtastebenen (Ps) liegt, die die ersten Abtastebenen schneiden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Gruppe von zweiten Abtastebenen (Ps) senkrecht auf den ersten Abtastebenen (Pf) sind.

5. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Strahl (12) der Ultraschall-Impulse ein fokusierter Strahl ist.

6. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Prüffläche eine gekrümmte Fläche (18") ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Prüffläche eine konvexe Fläche ist.

8. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei das Übertragungsmedium (16) Wasser ist.

9. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch zur Erfassung von ultraschall-rückreflektierenden Anomalien in einem oder mehreren Werkstücken (56), die Prüffläche(n) und eine oder mehrere rückreflektierende Formationen haben, die zu einer oder mehreren echo-maskierten Zonen führen, wobei das Verfahren aufweist das Einrichten einer relativen Bewegung in dem Übertragungsmedium (16) zwischen einem oder mehreren Werkstücken und dem Fühler (48), von dem ein Strahl von Ultraschall-Impulsen hervorgeht, und Aufrechterhalten der relativen Bewegung, um den Strahl in einem vorgewählten Pfad längs einer solchen Prüffläche zu verfahren, wobei der Fühler so orientiert ist, daß, wenigstens wenn der Strahl auf das Werkstück in der Nähe der rückreflektierenden Formation(en) auftrifft, der Strahl sukzessive in einer Gruppe von ersten Abtastebenen liegt, die nicht senkrecht sind auf wenigstens eine rückreflektierende Formation an ihren jeweiligen Schnittpunkt(en) mit den ersten Abtastebenen.

10. Verfahren nach Anspruch 9, mit Durchführung der Einrichtung und Aufrechterhaltung der relativen Bewegung zwischen dem einen oder mehreren Werkstücken (56) und dem Fühler (48) durch Aufrechterhalten des Fühlers in einer Gruppe von fixierten Positionen und Transportieren des einen oder der mehreren Werkstücke hinter bzw. nach dem Fühler, während der Fühler in jeweiligen fixierten Positionen gehalten wird, um den Strahl in dem vorgewählten Pfad längs der Prüffläche(n) zu verfahren.

11. Verfahren nach Anspruch 10, mit Befestigen einer Vielzahl von Werkstücken (56) auf einer Drehscheibe (3) zur Drehung jedes der Werkstücke hinter dem Fühler, während der Fühler in einer gegebenen fixierten Position ist, und nachdem jedes der Vielzahl von Werkstücken hinter dem Fühler gedreht wurde, Bewegen des Fühlers zu einer weiteren ihrer fixierten Positionen zur Drehung jedes der Werkstücke hinter ihm, und Wiederholen des Verfahrens für sukzessive fixierte Positionen des Fühlers.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Werkstücke (56) konvexe Prüfflächen haben und die rückreflektierenden Strukturen jeweilige Kanten der Werkstücke aufweisen.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Prüffläche geschnitten ist durch eine Vielzahl von rückreflektierenden Formationen.