WO2009121903A1 - Universeller prüfkopf zur zerstörungsfreien ultraschalluntersuchung und zugehöriges verfahren - Google Patents

Universeller prüfkopf zur zerstörungsfreien ultraschalluntersuchung und zugehöriges verfahren Download PDF

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WO2009121903A1
WO2009121903A1 PCT/EP2009/053865 EP2009053865W WO2009121903A1 WO 2009121903 A1 WO2009121903 A1 WO 2009121903A1 EP 2009053865 W EP2009053865 W EP 2009053865W WO 2009121903 A1 WO2009121903 A1 WO 2009121903A1
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WO
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workpiece
test head
ultrasound
anomaly
ultrasonic
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PCT/EP2009/053865
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Paul Buschke
Wolf-Dietrich Kleinert
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Ge Sensing & Inspection Technologies Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04—Analysing solids
    • G01N29/041—Analysing solids on the surface of the material, e.g. using Lamb, Rayleigh or shear waves
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0607—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
    • B06B1/0622—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements on one surface
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/26—Arrangements for orientation or scanning by relative movement of the head and the sensor

Definitions

  • the invention relates to a probe to be universally used for non-destructive ultrasound examination, the possibility for rapid performance of different ultrasound examinations, for example u.a. tomographic examination, for example, to detect, measure and / or represent an anomaly or, in particular, a fusion zone resulting from a welded joint in a workpiece.
  • acoustic microscopy also known as ultrasonic microscopy
  • a non-destructive examination method is known, which makes it possible to image the "inside" of a workpiece.
  • pores or delaminations, etc. generate strong reflection signals, so that workpiece anomalies, ie errors, inhomogeneities and also weld defects, can be determined quickly and reliably.
  • the equipment required for it is expensive, often not portable and the image processing takes comparatively long, so that This method is generally not suitable for industrial production monitoring.
  • angle test head mechanically past a test area of the workpiece.
  • high-frequency sound pulses (about 1-10 MHz) are emitted, which are clipped into the workpiece to be tested. These penetrate into the workpiece, where they are reflected at a rear wall of the workpiece at least once.
  • Internal anomalies also called inhomogeneities
  • the angle probe or generally a transmitter preferably emits periodic ultrasonic pulses and a receiver then receives echo signals of these emitted ultrasonic pulses.
  • the echo signals are men from the workpiece and in particular from the rear wall of the workpiece.
  • the test method is suitable for workpieces whose coupling surface is substantially parallel to the rear wall, so that it comes to the formation of several outgoing and longitudinal courses of the ultrasonic pulse in the workpiece.
  • the angle probe is moved along the weld (dhidR perpendicular and parallel to the weld) until a maximum error echo is obtained.
  • the received echo signals are displayed directly on a monitor ("A-Scan")
  • A-Scan The position and thus the location of an error in the test specimen is calculated on the basis of the known and measured data
  • the echo amplitude is used for an estimation of the error size
  • DE 102 59 658 describes a method with which the representation of a fault, Which Was ascertained With the aid of an angle test head, is improved on a display
  • the comparison body method directly displays a scaled-up error in cross-sectional images, which are superimposed visually, so to say, for errors such as inhomogeneities in the sample to be examined Material sufficient n. It is not sufficient to comprehensively cover a welded joint, ie as far as possible on all sides.
  • a comprehensive all-round detection of the welded joint may be required in particular for safety-relevant components, such as vehicle components, pipelines or boilers.
  • a similar method is known from DE 1 980 3615 B4, in which at least two different guided waves (modes) are generated with at least one specified angle in the solid to enable a determination of the error size and error type, the measured reflection values are set in relation to a reference echo in order to obtain a relative reflection value and to set the relative reflection values of the individual modes in relation to each other. This allows them to determine their size and nature.
  • a complex positioning, possibly also repositioning, the angle test head is required.
  • EP 1 801 576 A1 it is proposed in EP 1 801 576 A1 to arrange an array of ultrasonic transmitters and receivers in the region of the workpiece surrounding the melt zone region of the weld in order to excite therein plate waves that at least partially penetrate the melt zone.
  • the amplitudes measured during the sound transmission are used to analyze the melt zone diameter.
  • US 0,625,016.3 Bl a similar arrangement is disclosed wherein the transmitter and receiver arrays are constructed in EMAT technology.
  • the test head according to the invention is suitable for the non-destructive ultrasound examination of an anomaly, in particular a weld melting zone, of a workpiece. Consequently, the term anomaly should be interpreted broadly in the context of the present invention. In general, it is intended to detect an undesirable pattern deviation (also referred to as anomaly or defect) within the workpiece based on its effect on the acoustic transmission behavior.
  • the test head comprises an array of a plurality of ultrasonic transducers to be arranged on a surface of the workpiece and integrated into the test head.
  • Integration according to the invention means that when placing the probe on the surface of the workpiece to be examined at the same time all ultrasonic transducers are arranged on it and thus no subsequent arrangement and alignment of individual ultrasonic transducers, such as piezo transducers is required.
  • the simultaneous and joint placement and placement of the transducers i.
  • a quick alignment of the probe on the workpiece is achieved, speeding up the investigation and making it suitable for industrial scale applications.
  • the transducers are singular or segmental, i. in groups of a few transducers, as an ultrasonic receiver and ultrasonic transmitter selectively controllable. Due to the selective activation or control possibility, a shift of the respective transmitter is unnecessary, but for the realization of different main emission directions of the ultrasound only the activation or control of another transducer or segment is required. The implementation of the respective method is accelerated and the measurement accuracy increased.
  • the array is formed according to the invention substantially annular.
  • the term annular is to be interpreted broadly. Thus, no gap-free or adjacent adjacent arrangement between the individual transducers is necessarily preconditioned. puts.
  • the transducers are for example distributed on a circumference or are distributed on an annular circle segment defined by an outer or inner circle diameter.
  • the transducers are arranged and / or controlled in such a way that the ultrasound generated in each case propagates substantially parallel to the workpiece surface and thus parallel to the "circle" surface defined by the ring, thereby advantageously providing an arrangement offset from the region of the workpiece to be examined.
  • the propagation direction according to the invention is achieved, for example, by an oblique orientation of the sound emission surface of the respective transducer, ie its main emission direction is inclined to the workpiece surface.
  • ie its main emission direction is inclined to the workpiece surface.
  • plate waves engaging with the shaft, causing the shaft to guide along that interface.
  • the workpiece acts as a waveguide.
  • the transducers are designed and / or are so controlled that the respectively emitted ultrasound is radiated in the direction of the respective opposite edge of the annular edge. In other words, radiation takes place in a substantially radially inward direction of the ring. It is not assumed that the ultrasound necessarily reaches the opposite edge.
  • the probe according to the invention will be used so that the ultrasound reflected from the anomaly will be identical in a reflection measurement from receiving transducers adjacent or adjacent to the transmitting transducer are, is detected and the reflection signals thus obtained are evaluated.
  • a measurement constellation can also be easily realized by the test head according to the invention.
  • the test head has a substantially centrally arranged opening for the accessibility of the workpiece.
  • the aperture is arranged concentrically with the annular array. This allows the test head to be already at the measuring position during machining, such as welding, of the workpiece, and its quality can be checked immediately after or during machining. If necessary, can then be immediately reworked or rewelded. As a result, the processes in the manufacturing process and the required quality assurance measures are significantly accelerated.
  • the ultrasonic transducers of the test head or of the array are constructed in EMAT (electromagnetic acoustic transducer) technology.
  • EMAT electromagnetic acoustic transducer
  • the array is a phased array.
  • phase shifting the electrical drive signals of the transducers involved in generating the ultrasound a selectively adjustable focus is achieved and / or alignment of the ultrasound.
  • a phase-shifted drive signal is used. Due to the phase control, the array or the test head can be quickly adjusted to different dimensions of the workpiece to be examined, without the need for a structural change to the test head, for example, its Einkoppelgeometrie needed.
  • test head Due to the fact that the test head according to the invention allows an accelerated implementation of various measuring methods, it is preferably used in an industrial manufacturing process, for example in the automotive, aerospace, industry. It is particularly suitable for those methods in which the position of the anomaly to be examined is approximately known and the aim is to ensure a rapid and comprehensive examination of this anomaly. This is particularly important in a welded joint and in particular a spot welded joint where accurate and all-around detection of the weld melt zone is desired. This considerably speeds up the processes involved in the associated production process and the required quality assurance measures.
  • the invention also relates to an arrangement comprising a workpiece having a weld melt zone and a probe arranged adjacent to the surface of the workpiece according to one of the embodiments described above, wherein the weld melt zone is arranged in the region of the center of the annular array.
  • the workpiece may be made of any material which is permeable to ultrasound and thermally weldable. For example, it is welded steel sheet and in particular spot-welded steel sheet, as used for example in vehicle production.
  • the invention further relates to a method for non-destructive ultrasound examination of an anomaly, in particular a welding melt zone, of a workpiece, in which the qualitative evaluation and visual representation is in the foreground, hereinafter referred to as tomographic method. It is characterized in that it is carried out using the probe described above.
  • tomographic method in several sampling steps of each generated a transducer or a plurality of transducer comprehensive segment of the array and then detected by the workpiece and at least partially transmitted through the anomaly or welding melt zone and / or reflected ultrasound, each with different main propagation direction by means of several, preferably adjacent, acting as a receiver transducer.
  • a projection obtained therefrom is processed by a tomographic imaging algorithm to reconstruct an image of the anomaly or fusion zone. The thus reconstructed image is evaluated and / or displayed.
  • test head according to the invention is particularly suitable for this method, whose goal is primarily the qualitative, but possibly also the quantitative examination of the anomaly or the melt zone area in the workpiece.
  • the inventive method comprises a plurality of scanning steps carried out in succession, in which the main propagation direction of the ultrasound changes in the plane parallel to the workpiece surface, so that a sound irradiation of the anomaly takes place in respectively different directions.
  • the ultrasound thus generated and partly transmitted through the welded joint or also reflected ultrasound is detected at several other, also arranged around the weld positions by means of several adjacent acting as a receiver transducer or segments of the probe to a location information measured by the transducer or the derived variables.
  • the method can be carried out quickly and easily.
  • the transmitter or receivers are arranged outside the area resulting from the vertical projection of the melting zone onto the respective surface of the workpiece. It is thereby achieved that the coupling of the transducers to the surface of the workpiece is not impaired by, for example, welding connection-related deformation of the surface.
  • the propagation speed / transit time or the amplitude of the ultrasound can be determined to obtain the respective projection. It can be be measured sound arrangement or reflection arrangement.
  • An ultrasonic pulse, a continuous ultrasound emission or an ultrasonic sweep can be used.
  • the signals detected in the sampling steps, i. the different projections are processed by a tomographic imaging algorithm, i. used for image reconstruction, and the generated image displayed.
  • a tomographic imaging algorithm i. used for image reconstruction
  • Suitable tomographic imaging algorithms are known to the person skilled in the art, and it is incumbent upon him, for example, to select the appropriate number of scanning steps or projections for the respective application, for example, depending on the desired resolving power.
  • the "RAPID" method is used which is described in the already mentioned publication "Guided-wave tomographic imaging of defects in a pipe using a probabilistic reconstruction algorithm" by J. K. Van Velsor et al. the entire disclosure of which is incorporated by reference into this application.
  • the scanning steps i. the different main propagation directions of the ultrasound in the respective scanning steps, chosen so that a complete circumferential detection, i. a 360 ° detection, the anomaly or welding melt zone, for example, in 31 different propagation directions is performed.
  • the visualization possible due to the tomographic imaging process may cause anomalies and defects of the welded joints, i. Deviations from the target requirements can be detected quickly and comprehensively. For example, an insufficiently formed molten zone (too small a diameter) or trapped gas pockets (pores) can be easily detected and located.
  • the tomographic imaging algorithm in one embodiment includes radon transformation or backprojection. Preference is given to using a filtered rear projection or a weighted rear projection with Shepp Logan core.
  • the amplitude of the transmitted and / or reflected ultrasound and / or the associated transit times are preferably detected.
  • the projection of the transmission amplitude, the projection of the ratio of the transmission amplitude at different frequencies Quantities of ultrasound, recorded the projection of the propagation velocity and the projection of the pulse echo amplitude and evaluated tomographically.
  • one or more additional calibration steps may be provided including one or more measurements on an unwelded workpiece.
  • the test head is also suitable for a method for non-destructive ultrasound examination, in which the qualitative examination of the anomaly or the weld melt zone is not in the foreground, but the determination of their longitudinal extent at least in the direction parallel to the workpiece surface.
  • the extent of the expansion of this melting zone is of particular importance in order to assess the quality and thus the strength of the weld can.
  • the ultrasound generated by each transducer or a segment of the array and then transmitted through the workpiece and at least partially through the anomaly or weld melt zone, having a different main propagation direction in each scan is detected by means of an ultrasound generating transducer or segment substantially diametrically opposed transducer or segment.
  • a respective measured value obtained therefrom is evaluated to determine the relevant dimension of the anomaly or the welding melt zone.
  • the travel time change or amplitude change caused by the anomaly or weld melt zone is used to determine the dimension thereof in the direction corresponding to the main propagation direction. It is the person skilled in the art to choose the number of scanning steps and the direction of the ultrasound according to the desired resolution.
  • the test head according to the invention is also particularly suitable for this method, since the method can be performed quickly and easily by the selective controllability of the individual transducers.
  • the transmitter or receivers are arranged outside the area resulting from the vertical projection of the molten zone onto the respective surface of the workpiece.
  • the invention further relates to a welding method, wherein after the welding, in particular the spot welding, at least two workpieces, a method for non-destructive ultrasound examination is carried out according to one of the embodiments described above.
  • the invention relates to an apparatus for carrying out the method according to one of its previously described embodiments.
  • the device comprises the test head in one of its embodiments described above, in order to generate in succession in several scanning steps in the direction of the weld propagating ultrasound, each with other Hauptausbreitungsraum and to detect the associated reflected and / or transmitted ultrasound.
  • the device comprises an evaluation unit in order to evaluate the signals detected in the several scanning steps.
  • the evaluation unit is set up to subject the detected signals to a tomographic imaging algorithm, wherein the calculated image is displayed on an integrated or separately formed display device.
  • FIG. 1a schematically shows a test head 1 and the measuring arrangement resulting therefrom.
  • the test head 1 is annular.
  • the invention is not limited to an annular configuration of the probe, but essential to the invention is the arrangement of a plurality Ultraschallpiezowandlant, which are arranged in an annular array. In the present case, these are arranged on the circumference of imaginary concentric circles.
  • each transducer can function both as a transmitter and as a receiver.
  • adjacent transducers of an imaginary ring segment each form a subarray 2S, 2D, 2R of ultrasonic piezocurrents which can be activated together, in the case of the subarray 2S these are the transducers 2S1, SS2, 2S3, 2S4.
  • the associated transducers of the subarray act as transmitters, they are jointly phased controlled to achieve a main propagation direction of the ultrasound wave generated by the transducers substantially toward the center of the annular array of the subarrays 2S, 2D, 2R.
  • the array of the probe 1 with its subarrays 2S, 2D, 2R is annular and the probe has in the transducer-free area on a breakthrough 8, via which an adjacent to the test head 1 arranged surface of an unspecified and to be examined by the measuring device workpiece remains accessible.
  • welding point 4 is essentially defined by a fusion zone, also referred to as a "weld pool” or “nugget”.
  • the welding point is located approximately at the center of the imaginary concentric circles, on the circumference of the transducers of the array 1 are arranged.
  • FIG. 1 shows a sampling step in which the several transducers of a subarray, in this case the transducers 2S1, SS2, 2S3, 2S4 of the subarray surrounded by a box relative to the arrow 2S, are activated and are each driven out of phase with one another, such that ultrasound as lamb -Wave in the workpiece in the direction of the weld point 4 and this is generated at least partially penetrating, without requiring a corresponding orientation of the transducer.
  • the transducers 2S1, SS2, 2S3, 2S4 of the subarray surrounded by a box relative to the arrow 2S are activated and are each driven out of phase with one another, such that ultrasound as lamb -Wave in the workpiece in the direction of the weld point 4 and this is generated at least partially penetrating, without requiring a corresponding orientation of the transducer.
  • the diametrically opposed subarray and its circumferentially adjacent two subarrays 2R of transducers are activated as receivers and serve to detect a location or other expressed, angle-dependent characteristic, such as the propagation velocity or the amplitude of the transmitted ultrasound.
  • a location or other expressed, angle-dependent characteristic such as the propagation velocity or the amplitude of the transmitted ultrasound.
  • other, to the radially adjacent subarray adjacent subarrays are activated as a receiver but also fewer subarrays.
  • the subarrays 2D of the array 1 are deactivated.
  • the signal received by means of the subarrays 2R and the associated transducers corresponds, for example, to the characteristic curve shown in FIG. 1b via the receiver segments.
  • one of the other subarrays is then activated as a transmitter and again activated according to at least the diametrically opposite subarray as a receiver.
  • the method is carried out until at least all segments have been activated at least once as transmitters and thus obtain a 360 ° scan of the welded joint.
  • the associated projections, as shown in FIG. 2, result in the welded connection 4.
  • a calibration measurement is carried out to compensate for this inhomogeneity in order to compensate for the spatially inhomogeneous sound pressure distribution in the ultrasonic beam irradiated by the transmitting transducer or subarray.
  • the test head 1 is placed on a region of the surface of the test piece in which there is no spot weld ("bare metal sheet.")
  • the ultrasound pulse which is detected by a transducer or a subarray, is recorded by the diametrically opposed subarray, the received pulse intensity being from the angular position
  • the amplification of the amplifiers processing the signals of the individual transducers of the receiving subarray is then individually adjusted in a subsequent calibration step in such a way that an ultrasonic pulse is included in all transducers of the receiving subarray
  • an angle-dependent gain boost is implemented, which is generally the higher the farther the receiving transducer of the subarray is removed from the main direction of the emitted ultrasonic pulse.
  • a comparable compensation of the inhomogeneous sound pressure distribution by means of the above-described calibration measurement on the bare sheet metal is not only possible with a conventional (Gaussian) sound pressure distribution, but rather can be used for any sound pressure distributions. Such any sound pressure distributions deviating from the standard configuration may be advantageous for specific test tasks or geometries.
  • the evaluation unit connected downstream of the test head 1 is preferably designed to carry out the method described above for compensating the spatially inhomogeneous sound pressure distribution.
  • FIG. 3 shows schematically how a reconstructed image of the welded joint is calculated by means of an evaluation unit by means of radon transformation by means of interpolation and filtering from the projections and can be displayed on a display device.
  • FIG. 4 schematically shows a further test head 1 'with an annular array of several transducers arranged in the imaginary circular ring segments 5 of the test head in EMAT technology with which the welded connection 4 is to be examined.
  • a coil 6 as a transducer, i. as receiver and transmitter, for use.
  • the coil is used for the electromagnetic excitation of ultrasound, here in the form of a lamb wave, in which the workpiece 4 having the welded joint.
  • the coil 6 denoted by 6 is activated in one scanning step and, due to its special curved configuration, generates inter alia a wave front 9 propagating in the direction of the fusion zone 4.
  • the melting zone 4 remains accessible via the opening 8 'in the test head despite the resting on the surface of the workpiece probe 1'.
  • More transducers 6 can be distributed over the circumference or can be provided on transducers arranged parallel thereto in the radial direction, which are jointly controlled in subarrays.
  • the test head 1 ' is also suitable for carrying out the method described above with respect to test head 1.
  • FIG. 5 schematically shows the implementation of a further method using the test head 1 according to the invention. This method is used to measure the molten zone of a welded joint 4.
  • the diametrically opposed transducers or subarrays are activated or activated in pairs as transmitter 2S and receiver 2R ,
  • the ultrasound passing through the welding melt zone 4 is respectively weakened or reflected by it.
  • the extent of the welding melt zone 4 can be determined in the direction corresponding to the main direction of propagation of the ultrasound emitted by the respective transmitter (see crossing arrows in FIG. 5).
  • the respectively resulting transit time or propagation speed can serve to determine the extent. Because of a strongly focused and / or a radiation with a different frequency, a plurality of subarrays-in the present case three subarrays 2S in each case-can be activated simultaneously.
  • the number of scanning steps required for an all-round detection of the melting zone 4 can thus be reduced.
  • the segments 2S thus transmit simultaneously and their ultrasound is measured in each case by the diametrically opposite receiver 2R.
  • the remaining transducers 2D remain deactivated in these sampling steps.
  • the result obtained is used to determine the extent of the welding melt zone 4 in the direction corresponding to the respective direction of ultrasound propagation.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Prüfkopf (1) zur zerstörungsfreien Ultraschalluntersuchung einer Anomalie, insbesondere einer Schweißschmelzzone, eines Werkstücks, umfassend ein in den Prüfkopf (1) integriertes Array (2S, 2D, 2R) aus mehreren, auf einer Oberfläche des Werkstücks anzuordnenden Ultraschallwandlern (2S, 2D, 2R), die einzeln oder segmentweise als Ultraschallempfänger (2S) und Ultraschallsender (2R) selektiv ansteuerbar sind. Der Prüfkopf zeichnet sich dadurch aus, dass das Array (2S, 2D, 2R) im Wesentlichen ringförmig ausgebildet ist und die Ultraschallwandler (2S, 2D, 2R) so angeordnet und/oder angesteuert werden, dass der jeweils erzeugte Ultraschall sich parallel zur Werkstückoberfläche ausbreitet. Die Erfindung betrifft ferner zwei zugehörige Verfahren zur zerstörungsfreien Ultraschalluntersuchung einer Anomalie, insbesondere einer Schweißschmelzzone, eines Werkstücks.

Description

Bezeichnung: Universeller Prüfkopf zur zerstörungsfreien Ultraschalluntersuchung und zugehöriges Verfahren
Die Erfindung bezieht sich auf einen universell zu verwendenden Prüfkopf zur zerstörungsfreien Ultraschalluntersuchung, der die Möglichkeit zur schnellen Durchführung unterschiedlicher Ultraschalluntersuchungen, beispielsweise u.a. einer tomographischen Untersuchung, bietet, um beispielsweise eine Anomalie oder insbesondere eine Schmelzzone, die von einer Schweißverbindungen herrührt, in einem Werkstück zu erfassen, zu vermessen und/oder darzustellen.
Für die zerstörungsfreie Prüfung eines Werkstücks mittels Ultraschall sind geeignete Prüfgeräte und Verfahren bekannt. Ganz allgemein verwiesen wird auf das Fachbuch von J. und. H. Krautkrämer, Werkstoffprüfung mit Ultraschall, sechste Auflage.
Mit der so genannten akustischen Mikroskopie (auch Ultraschallmikroskopie genannt) ist eine zerstörungsfreie Untersuchungsmethode bekannt, die es ermöglicht „das Innere" eines Werkstücks abzubilden. Ultraschallwellen dringen in das zu untersuchende Werkstück ein und aus der reflektierten Schallintensität wird ein Bild generiert. Defekte wie z. B. Poren oder Delaminationen etc. erzeugen starke Reflexionssignale, so dass Werkstückanomalien, d.h. Fehler, Inhomogenitäten und auch Schweißverbindungsfehler, schnell und zuverlässig bestimmt werden können. Jedoch ist die dafür benötigte Ausrüstung teuer, häufig nicht portabel und die Bildaufbereitung benötigt vergleichsweise lange, so dass sich dieses Verfahren zur industriellen Produktionsüberwachung i.a nicht eignet.
Es ist ferner bekannt, einen Winkelprüfkopf an einem Prüfbereich des Werkstücks mechanisch vorbeizuführen. Dabei werden hochfrequente Schallimpulse (ca. 1- 10 MHz) abgegeben, die in das zu prüfende Werkstück eingeschallt werden. Diese dringen in das Werkstück ein, wo sie an einer Rückwand des Werkstücks mindestens einmal reflektiert werden. An inneren Anomalien (auch Inhomogenitäten genannt) wie zum Beispiel an einem Materialfehler, treten Schallreflexionen auf, die vom Winkelprüfkopf wieder empfangen und im nachgeschalteten Ultraschallgerät verarbeitet werden. Es wird im einfachsten Fall nach dem Impuls- Echoverfahren gearbeitet. Der Winkelprüfkopf bzw. allgemein ein Sender gibt vorzugsweise periodisch Ultraschallimpulse ab und ein Empfänger empfängt danach Echosignale dieser abgegebenen Ultraschallimpulse. Die Echosignale stam- men aus dem Werkstück und insbesondere von der Rückwand des Werkstücks. Insoweit ist das Prüfungsverfahren für Werkstücke geeignet, deren Ankoppelfläche im Wesentlichen parallel zur Rückwand verläuft, so dass es zur Ausbildung mehrerer Hin- und Hergänge des Ultraschallimpulses im Werkstück kommt. Bei der Überprüfung von Schweißnähten wird der Winkelprüfkopf entlang der Schweißnaht (d.h. i.d.R. senkrecht und parallel zur Schweißnaht) bewegt, bis ein maximales Fehlerecho entsteht. Die empfangenen Echosignale werden dabei unmittelbar auf einem Monitor dargestellt („A-Scan"). Die Position und damit die Ortung eines Fehlers im Prüfkörper wird auf Basis der bekannten und gemessenen Daten errechnet. Die Echoamplitude wird für eine Abschätzung der Fehlergröße herangezogen. Dies ist jedoch häufig nicht zuverlässig möglich, da die E- choamplitude wesentlich mehr Einflüssen unterworfen ist als die Schallaufzeit. So beschreibt die DE 102 59 658 ein Verfahren, mit dem die Darstellung eines Fehlers, der mit Hilfe eines Winkelprüfkopfes ermittelt wurde, auf einem Display verbessert wird. Dabei wird in zwei Verfahrensschritten aus zwei Richtungen in den Prüfkörper eingeschallt. Mit Hilfe der Vergleichskörpermethode wird ein ermittelter Fehler direkt maßstäblich jeweils in Querschnittsbildern dargestellt, die optisch sozusagen übereinander gelegt werden. Diese Art der Erfassung kann für Fehler, wie z.B. Inhomogenitäten im zu untersuchenden Material ausreichen. Sie reicht nicht aus, um eine Schweißverbindung umfassend, d.h. möglichst allseitig zu erfassen. Eine umfassende allseitige Erfassung der Schweißverbindung kann insbesondere bei sicherheitsrelevanten Komponenten, wie Fahrzeugkomponenten, Rohleitungen oder Kesseln erforderlich sein.
Ein ähnliches Verfahren ist aus der DE 1 980 3615 B4 bekannt, bei dem zur Ermöglichung einer Fehlergrößenbestimmung und Fehlerartklassierung mindestens zwei unterschiedliche geführte Wellen (Moden) mit mindestens je einem spezifizierten Winkel im Festkörper erzeugt werden, die gemessenen Reflexionswerte in Bezug zu einem Referenzecho gesetzt werden, um einen relativen Reflexionswert zu erhalten und die relativen Reflexionswerte der einzelnen Moden in Relation zueinander gesetzt werden. Hierdurch kann sich die in ihrer Größe und Art bestimmen. Bei den vorgenannten Verfahren ist eine aufwendige Positionierung, gegebenenfalls auch Umpositionierung, der Winkelprüfkopf erforderlich.
In der Veröffentlichung mit dem Titel „Spot weld analysis with 2D ultrasonic ar- ray" von A. A Denisov, CM. Shakarji, B.B. Lawford, R. Gr. Maev, J. M. Paille in J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol. Band 109 Nr.2 2004; Seiten 233-244 wird ein Verfahren zur Untersuchung einer Punktverschweißung mittels Ultraschall vorgeschlagen, bei dem mittels eines zweidimensionalen, stationären Arrays aus Ultraschallsendern und -Empfängern der an das Array angrenzende Bereich des Werkstücks bei nahezu senkrechter Einstrahlung von Ultraschall und einer sich dadurch zur Werkstückoberfläche senkrechten Ausbreitungsrichtung des Ultraschalls abgescannt wird. Hierbei ergibt sich die Problematik, dass in den meisten Fällen durch die Punktverschweißung die Oberfläche des Werkstücks in dem durch die Verschweißung betroffenen Bereich deformiert ist, und somit eine An- kopplung zwischen dem jeweiligen Ultraschallsender bzw. Empfänger nur schwer erfolgt.
Zur Lösung dieses zuvor beschriebenen Problems wird in der EP 1 801 576 Al vorgeschlagen, ein Array von Ultraschallsendern und -Empfängern in dem den Schmelzzonenbereich der Verschweißung umgebenden Bereich des Werkstücks anzuordnen, um darin Plattenwellen anzuregen, die wenigstens teilweise die Schmelzzone durchdringen. Die bei der Durchschallung gemessenen Amplituden werden zur Analyse des Schmelzzonendurchmessers herangezogen. Aus der US 0,625,016,3 Bl ist eine ähnliche Anordnung offenbart, wobei das Sender- und das Empfänger-Array in EMAT-Technologie aufgebaut sind.
In der Veröffentlichung mit dem Titel „Guided-wave tomographic imaging of de- fects in pipe using a probabilistic reconstruction algorithm" von J. K. Van Velsor, H. Gao, J. L. Rose in Insight - Non-Destructive Testing and Condition Monitoring; Band : 49, Ausgabe: 9, Seiten : 532 - 537 wird die Untersuchung von Rohren hinsichtlich Materialfehlern mittels geführter Ultraschallwellen, die durch ein kreisförmige Anordnung von separaten Ultraschallwandlern als Prüfköpfe erzeugt und empfangen werden, beschrieben. Dabei wird zur tomographischen Bildrekonstruktion der sogenannte „RAPID"-Algorithmus verwendet. Der gezeigte Aufbau aus den mehreren Ultraschallwandlern ist aufwendig und die Untersuchung zeitintensiv, sie eignet sich daher nur für die industrielle Untersuchung von Anomalien und insbesondere von Schweißschmelzzonen in einem Werkstück.
Hier setzt nun die vorliegende Erfindung an. Sie hat es sich zur Aufgabe gemacht, einen Prüfkopf zur zerstörungsfreien Ultraschalluntersuchung einer Anomalie, insbesondere einer Schweißschmelzzone, eines Werkstücks bereitzustel- len, der schnell und für diverse Verfahren einsetzbar ist und der sich insbesondere für die Verwendung in einem industriellen Fertigungsprozess eignet. Diese Aufgabe wird durch einen Prüfkopf gemäß Anspruch 1 gelöst. Ein zugehöriges und entsprechend vorteilhaftes Verfahren ist Gegenstand der Ansprüche 8 und 11. Die abhängigen Ansprüche betreffen jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen.
Der erfindungsgemäße Prüfkopf eignet sich zur zerstörungsfreien Ultraschalluntersuchung einer Anomalie, insbesondere einer Schweißschmelzzone, eines Werkstücks. Folglich ist der Begriff Anomalie im Kontext der vorliegenden Erfindung weit auszulegen. Im Allgemeinen ist beabsichtigt, eine unerwünschte Strukturabweichung (auch als Anomalie oder Fehler bezeichnet) innerhalb des Werkstücks anhand von deren Auswirkung auf das akustische Übertragungsverhalten zu erfassen. Der Prüfkopf umfasst ein in den Prüfkopf integriertes Array aus mehreren, auf einer Oberfläche des Werkstücks anzuordnenden Ultraschallwandlern. Integration im Sinne der Erfindung meint, dass beim Platzieren des Prüfkopfs auf der Oberfläche des zu untersuchenden Werkstücks gleichzeitig sämtliche Ultraschallwandler darauf angeordnet werden und somit keine abfolgende Anordnung und Ausrichtung von einzelnen Ultraschallwandlern, beispielsweise Piezowandlern, erforderlich ist. Durch die gleichzeitige und gemeinsame Anordnung und Platzierung der Wandler, d.h. des Arrays, wird eine schnelle Anordnung des Prüfkopfs auf dem Werkstück erreicht, was die Untersuchung beschleunigt und somit diesen für die Anwendung im industriellen Maßstab geeignet macht.
Die Wandler sind einzeln oder segmentweise, d.h. in Gruppen aus wenigen Wandlern, als Ultraschallempfänger und Ultraschallsender selektiv ansteuerbar. Durch die selektive Aktivierungs- oder Ansteuermöglichkeit ist eine Verschiebung des jeweiligen Senders entbehrlich, sondern für die Realisierung unterschiedlicher Hauptabstrahlrichtungen des Ultraschalls ist lediglich die Aktivierung oder Ansteuerung eines anderen Wandlers bzw. Segments erforderlich. Die Durchführung des jeweiligen Verfahrens wird beschleunigt und die Messgenauigkeit gesteigert.
Das Array ist erfindungsgemäß im Wesentlichen ringförmig ausgebildet. Der Begriff ringförmig ist dabei weit auszulegen. So ist keine spaltfreie oder angrenzend benachbarte Anordnung zwischen den einzelnen Wandlern zwingend vorausge- setzt. Die Wandler sind beispielsweise auf einem Kreisumfang verteilt oder sind auf einem ringförmigen durch einen äußeren oder inneren Kreisdurchmesser definierten, Kreissegment verteilt.
Die Wandler werden erfindungsgemäß so angeordnet und/oder angesteuert, dass der jeweils erzeugte Ultraschall sich im Wesentlichen parallel zur Werkstückoberfläche und somit parallel zu der durch den Ring definierten „Kreis"fläche ausbreitet. Dadurch wird vorteilhaft eine zu dem zu untersuchenden Bereich des Werkstücks versetzte Anordnung des Prüfkopfs erreicht. Hierdurch eignet sich der Prüfkopf für die Untersuchung von Anomalien, bei denen die zur Anomalie unmittelbar benachbarte Oberfläche (die senkrechte Projektion der durch die Anomalie umfassten Fläche auf die zu untersuchende Oberfläche) des Werkstücks nicht zugänglich ist oder die Ankoppelung der jeweiligen Wandler in diesem Bereich beispielsweise wegen Unebenheiten nur schwer möglich oder sogar unmöglich ist. Dies ist beispielsweise bei Verschweißungen der Fall, bei denen sich die Schmelzzone auf der Oberfläche des Werkstücks befindet. Bei Punktverschwei- ßungen kann durch die Einwirkung der Schweißelektroden eine Deformierung der Oberfläche vorliegen, die eine Ankopplung in diesem Bereich und damit eine Ultraschalluntersuchung erschwert.
Die erfindungsgemäße Ausbreitungsrichtung wird beispielsweise durch eine schräge Ausrichtung der Schallabstrahlfläche des jeweiligen Wandlers erreicht, d.h. dessen Hauptabstrahlrichtung ist zur Werkstückoberfläche geneigt. Beispielsweise können durch diese Einstrahlung in einem flachen Werkstück Oberflächenwellen und - je nach dessen Abmessung - in dessen zur Oberfläche senkrechten Dickenrichtung Plattenwellen (engl. : Lamb-Wellen) erzeugt werden. Ist die Wellenlänge des Ultraschalls in einer Dimension vergleichbar oder groß zu den Abmessungen des Werkstücks, stehen Teile der Grenzfläche ständig in Wechselwirkung mit der Welle und verursachen so eine Führung der Welle entlang dieser Grenzfläche. Dadurch wirkt das Werkstück als Wellenleiter. Diese Wellen breiten sich aufgrund ihrer geringen Dämpfung vergleichsweise weit aus und eignen sich somit besonders für die Ultraschalluntersuchung, insbesondere bei der Durchschallungsmessung der Anomalie (beziehungsweise der Schweißschmelzzone). Bevorzugt sind die Wandler so ausgestaltet und/oder werden so angesteuert, dass der jeweils abgestrahlte Ultraschall in Richtung des jeweils gegenüberliegenden Randes des ringförmigen Randes abgestrahlt wird. Anders ausgedrückt erfolgt eine Abstrahlung in einer im Wesentlichen radial nach innen gerichteten Richtung des Ringes. Dabei wird nicht vorausgesetzt, dass der Ultraschall zwingend den gegenüberliegenden Rand tatsächlich erreicht. So soll nicht ausgeschlossen sein, dass der so ausgestrahlte Ultraschall von der Anomalie reflektiert wird, und auch der erfindungsgemäße Prüfkopf so verwendet wird, dass der an der Anomalie reflektierte Ultraschall in einer Reflexionsmessung von empfangenden Wandlern, die zu dem sendenden Wandler benachbart oder mit diesem identisch sind, erfasst wird und die so erhaltenen Reflexionssignale ausgewertet werden. Auch eine solche Messkonstellation kann leicht durch den erfindungsgemäßen Prüfkopf realisiert werden.
Der Prüfkopf weist in einer bevorzugten Ausgestaltung einen im Wesentlich zentrisch angeordneten Durchbruch für die Zugänglichkeit des Werkstücks auf. Bevorzugt ist der Durchbruch konzentrisch mit dem ringförmigen Array angeordnet. Dies ermöglicht, dass sich der Prüfkopf während einer maschinellen Bearbeitung, beispielsweise einer Schweißbearbeitung, des Werkstücks bereits an der Messposition befindet, und deren Qualität unmittelbar nach oder während der Bearbeitung überprüft werden kann. Gegebenenfalls kann dann gleich nachbearbeitet bzw. nachgeschweißt werden. Dadurch werden die Abläufe beim Herstellungsvorgang und die erforderlichen Qualitätssicherungsmaßnahmen erheblich beschleunigt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Ultraschallwandler des Prüfkopfs beziehungsweise des Arrays in EMAT-(electromagnetic acoustic transdu- cer)-Technologie aufgebaut. Durch die Verwendung von elektromagnetisch arbeitenden Uitraschaiiwandierπ, die vergleichsweise temperaturunempfindhch sind, kann der Prufkopf beziehungsweise das Verfahren auch bei hohen Temperaturen des Werkstucks also auch in unmittelbarer Nähe einer möglicherweise noch nicht abgekühlten Schweißverbindung, Anwendung finden.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Array um ein phasengesteuertes Array. Durch Phasenverschiebung der elektrischen Ansteuersignale der am Erzeugen des Ultraschalls beteiligten Wandler wird eine selektiv einstellbare Fokussierung und/oder Ausrichtung des Ultraschalls ermöglicht. Beispielsweise wird bei mehreren in Umfangsrichtung gruppierten, als Sender fungierenden Wandlern ein in Umfangsrichtung phasenverschobenes Ansteuersignal verwendet. Durch die Phasensteuerung kann das Array beziehungsweise der Prüfkopf schnell an unterschiedliche Bemaßungen des zu untersuchenden Werkstücks eingestellt werden, ohne dass es einer konstruktiven Veränderung am Prüfkopf, beispielweise dessen Einkoppelgeometrie, bedarf.
Aufgrund der Tatsache, dass der erfindungsgemäße Prüfkopf eine beschleunigte Durchführung von diversen Messverfahren gestattet, wird er bevorzugt in einem industriellen Fertigungsprozess, beispielsweise der Automobil-, Luft- oder Raumfahrtindustrie, verwendet. Er eignet sich insbesondere für solche Verfahren, bei denen die Position der zu untersuchenden Anomalie in etwa bekannt ist und es darum geht, eine schnelle und umfassende Untersuchung dieser Anomalie zu gewährleisten. Dies ist insbesondere bei einer Schweißverbindung und insbesondere einer Punktschweißverbindung wichtig, wo eine genaue und allseitige Erfassung der Schweißschmelzzone erwünscht ist. Dadurch werden die Abläufe beim zugehörigen Herstellungsvorgang und die erforderlichen Qualitätssicherungsmaßnahmen erheblich beschleunigt.
Schließlich betrifft die Erfindung auch eine Anordnung aus einem Werkstück mit einer Schweißschmelzzone und einem an die Oberfläche des Werkstücks angrenzend angeordneten Prüfkopf gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen, wobei die Schweißschmelzzone im Bereich des Mittelpunkts des ringförmigen Arrays angeordnet ist. Das Werkstück kann aus beliebigem, für Ultraschall durchlässigem und thermisch verschweißbarem Material bestehen. Beispielsweise handelt es sich um verschweißtes Stahlblech und insbesondere punktverschweißtes Stahlblech, wie es beispielsweise bei der Fahrzeugherstellung verwendet wird.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur zerstörungsfreien Ultraschalluntersuchung einer Anomalie, insbesondere einer Schweißschmelzzone, eines Werkstücks, bei dem die qualitative Auswertung und bildliche Darstellung im Vordergrund steht, im Folgenden daher auch kurz tomographisches Verfahren genannt. Es zeichnet sich dadurch aus, dass es unter Verwendung des zuvor beschriebenen Prüfkopfs durchgeführt wird. Dabei wird in mehreren Abtastschritten der von jeweils einem Wandler oder einem mehrere Wandler umfassenden Segment des Arrays erzeugte und danach durch das Werkstück und wenigstens teilweise durch die Anomalie oder Schweißschmelzzone transmittierte und/oder davon reflektierte Ultraschall mit jeweils unterschiedlicher Hauptausbreitungsrichtung mittels mehrerer, bevorzugt benachbarter, als Empfänger fungierenden Wandler erfasst. Eine daraus jeweils erhaltene Projektion wird durch einen tomographischen BiId- gebungsalgorithmus zur Rekonstruktion eines Bildes der Anomalie oder der Schmelzzone verarbeitet. Das so rekonstruierte Bild wird ausgewertet und/oder zur Anzeige gebracht.
Der erfindungsgemäße Prüfkopf eignet sich besonders für dieses Verfahren, dessen Ziel in erster Linie die qualitative, gegebenenfalls aber auch die quantitative Untersuchung der Anomalie oder des Schmelzzonenbereichs in dem Werkstück ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst mehrere in Abfolge durchgeführte Abtastschritte, bei denen sich die Hauptausbreitungsrichtung des Ultraschalls in der zur Werkstückoberfläche parallelen Ebene verändert, so dass eine Schallbestrahlung der Anomalie in jeweils anderer Richtung erfolgt. Der so erzeugte und teilweise durch die Schweißverbindung hindurch transmittierende oder auch davon reflektierte Ultraschall wird an mehreren anderen, ebenfalls um die Schweißverbindung angeordneten Positionen mittels mehrerer benachbarter, als Empfänger fungierenden Wandler oder auch Segmente des Prüfkopfs erfasst, um eine Ortsinformation der durch die Wandler gemessenen oder der daraus abgeleiteten Größen zu erhalten.
Durch die selektive Ansteuerbarkeit des erfindungsgemäßen Prüfkopfs kann das Verfahren schnell und einfach durchgeführt werden. Aufgrund der vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Prüfkopfs sind der/die Sender bzw. Empfänger außerhalb des sich durch die senkrechte Projektion der Schmelzzone auf die jeweilige Oberfläche des Werkstücks sich ergebenden Bereichs angeordnet. Dadurch wird erreicht, dass die Ankopplung der Wandler an die Oberfläche des Werkstücks nicht durch eine beispielsweise schweißverbindungsbedingte Verformung der Oberfläche beeinträchtigt wird. In jedem Abtastschritt kann die Ausbreitungsgeschwindigkeit/Laufzeit oder die Amplitude des Ultraschalls bestimmt werden, um jeweils die zugehörige Projektion zu erhalten. Es kann in Durch- schallungsanordnung oder Reflexionsanordnung gemessen werden. Es kann ein Ultraschallimpuls, eine kontinuierliche Ultraschallabstrahlung oder ein Ultraschall- Sweep verwendet werden.
Die in den Abtastschritten erfassten Signale, d.h. die unterschiedlichen Projektionen werden durch einen tomographischen Bildgebungsalgorithmus verarbeitet, d.h. zur Bildrekonstruktion verwendet, und das erzeugte Bild zur Anzeige gebracht. Geeignete tomographische Bildgebungsalgorithmen sind dem Fachmann bekannt, und es obliegt ihm, beispielsweise, die für den jeweiligen Anwendungsfall geeignete Anzahl von Abtastschritten bzw. Projektionen, beispielsweise je nach gewünschtem Auflösungsvermögen, zu wählen. Vorteilhaft wird das „RAPID"-Verfahren angewandt. Dieses ist in der bereits erwähnten Veröffentlichung „Guided-wave tomographic imaging of defects in pipe using a probabilistic reconstruction algorithm" von J. K. Van Velsor et al. deren gesamter Offenbarungsgehalt durch Bezugnahme zu dieser Anmeldung hinzugefügt wird.
Bevorzugt werden die Abtastschritte, d.h. die verschiedenen Hauptausbreitungsrichtungen des Ultraschalls in den jeweiligen Abtastschritten, so gewählt, dass eine vollständige umlaufende Erfassung, d.h. eine 360°-Erfassung, der Anomalie oder Schweißschmelzzone, beispielsweise in 31 unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen, durchgeführt wird. Durch die aufgrund des tomographischen Bildge- bungsverfahrens mögliche Visualisierung können Anomalien und Fehler der Schweißverbindungen, d.h. Abweichungen von den Sollanforderungen, schnell und umfassend erkannt werden. Beispielsweise lassen sich eine nicht ausreichend ausgebildete Schmelzzone (zu geringer Durchmesser) oder darin eingeschlossene Gaseinschlüsse (Poren) leicht erkennen und lokalisieren.
Der tomographischen Bildgebungsalgorithmus umfasst in einer Ausgestaltung eine Radon-Transformation oder eine Rückprojektion. Bevorzugt kommt eine gefilterte Rückprojektion oder eine gewichtete Rückprojektion mit Shepp Logan- Kern zur Anwendung.
Bevorzugt werden in dem jeweiligen Abtastschritt die Amplitude des transmittier- ten und/oder reflektierten Ultraschalls und/oder die zugehörigen Laufzeiten er- fasst. Beispielsweise wird die Projektion der Transmissionsamplitude, die Projektion des Verhältnisses der Transmissionsamplitude bei unterschiedlichen Fre- quenzen des Ultraschalls, die Projektion der Ausbreitungsgeschwindigkeit sowie die Projektion der Pulsechoamplitude erfasst und tomographisch ausgewertet. Ferner können ein oder mehrere zusätzliche Kalibrierschritte vorgesehen sein, die eine oder mehrere Messungen an einem unverschweißten Werkstück beinhalten.
Der Prüfkopf eignet sich zudem für ein Verfahren zur zerstörungsfreien Ultraschalluntersuchung, bei dem nicht die qualitative Untersuchung der Anomalie oder der Schweißschmelzzone im Vordergrund steht, sondern die Bestimmung von deren Längenausdehnung zumindest in der zur Werkstückoberfläche parallelen Richtung. Insbesondere bei der Punktverschweißung zweier Werkstücke ist das Maß der Ausdehnung dieser Schmelzzone von besonderer Bedeutung, um die Qualität und damit die Festigkeit der Schweißung beurteilen zu können. Bei diesem Verfahren wird in mehreren Abtastschritten der von jeweils einem Wandler oder einem Segment des Arrays erzeugte und danach durch das Werkstück und wenigstens teilweise durch die Anomalie oder Schweißschmelzzone transmittierte Ultraschall, der in jedem Abtastschritt eine andere Hauptausbreitungsrichtung aufweist, mittels eines dem Ultraschall-erzeugenden Wandler oder Segment im Wesentlichen diametral gegenüberliegenden Wandlers oder Segments erfasst. Ein daraus jeweils erhaltener Messwert wird zur Bestimmung der betreffenden Abmessung der Anomalie oder der Schweißschmelzzone ausgewertet. Beispielsweise wird die durch die Anomalie oder Schweißschmelzzone verursachte Laufzeitänderung oder Amplitudenänderung herangezogen, um daraus die Abmessung in der der Hauptausbreitungsrichtung entsprechenden Richtung zu ermitteln. Es obliegt dem Fachmann, die Anzahl der Abtastschritte und die Richtung des Ultraschalls je nach gewünschter Auflösung zu wählen. Der erfindungsgemäße Prüfkopf eignet sich auch besonders für dieses Verfahren, da durch die selektive Ansteuerbarkeit der einzelnen Wandler das Verfahren schnell und einfach durchgeführt werden kann. In der der vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Prüfkopfs sind der/die Sender bzw. Empfänger außerhalb des durch die senkrechte Projektion der Schmelzzone auf die jeweilige Oberfläche des Werkstücks sich ergebenden Bereichs angeordnet. Dadurch wird erreicht, dass die Ankopplung der Wandler an die Oberfläche des Werkstücks nicht durch eine beispielsweise schweißverbindungsbedingte Verformung der Oberfläche beeinträchtigt wird. Das vorstehend beschriebene Verfahren wird in einer beson- ders bevorzugten Ausgestaltung mit dem zuvor beschriebenen, tomographischen Verfahren in Kombination durchgeführt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden mehrere Abtastschritte zeitgleich durchgeführt, um die Durchführung des Verfahrens zu beschleunigen.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verschweißverfahren, wobei nach dem Verschweißen, insbesondere dem Punktverschweißen, wenigstens zweier Werkstücke ein Verfahren zur zerstörungsfreien Ultraschalluntersuchung gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen durchgeführt wird.
Die Erfindung betrifft schließlich eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einer seiner zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Die Vorrichtung umfasst den Prüfkopf in einer seiner zuvor beschriebenen Ausführungsformen, um in Abfolge in mehreren Abtastschritten sich in Richtung der Schweißverbindung ausbreitenden Ultraschall mit jeweils anderer Hauptausbreitungsrichtung zu erzeugen und um den zugehörigen reflektierten und/oder transmittierten Ultraschall zu erfassen. Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine Auswerteinheit, um die in den mehreren Abtastschritten erfassten Signale auszuwerten. Optional ist die Auswerteeinheit dazu eingerichtet, die erfassten Signale einem tomographischen Bildgebungsalgorithmus zu unterziehen, wobei das berechnete Bild auf einer integrierten oder separat ausgebildeten Anzeigevorrichtung zur Anzeige gebracht wird.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einiger schematischer Darstellungen erläutert, ohne diese auf die gezeigte Ausführungsform zu beschränken.
Die Figur Ia zeigt schematisch einen Prüfkopf 1 und die sich dadurch ergebende Messanordnung. Wie in der Figur gezeigt ist der Prüfkopf 1 ringförmig ausgebildet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine ringförmige Ausgestaltung des Prüfkopfes beschränkt, sondern wesentlich für die Erfindung ist die Anordnung mehrerer Ultraschallpiezowandlern, die in einem ringförmigen Array angeordnet sind. Im vorliegenden Fall sind diese auf dem Umfang gedachter konzentrischer Kreise angeordnet. Grundsätzlich kann jeder Wandler sowohl als Sender als auch als Empfänger fungieren. Bei der gezeigten Messanordnung bilden in Radialrichtung benachbarte Wandler eines gedachten Ringsegments jeweils ein Subarray 2S, 2D, 2R von Ultraschall- piezowandlern die gemeinsam aktivierbar sind, im Falle des Subarrays 2S sind dies die Wandler 2Sl, SS2, 2S3, 2S4. Für den Fall dass die zugehörigen Wandler des Subarrays als Sender fungieren werden diese gemeinsam phasengesteuert angesteuert, um eine Hauptausbreitungsrichtung der durch die Wandler erzeugten Ultraschallwelle im Wesentlichen in Richtung des Zentrums des ringförmigen Arrays aus den Subarrays 2S, 2D, 2R zu erreichen.
Das Array des Prüfkopfs 1 mit seinen Subarrays 2S, 2D, 2R ist ringförmig ausgebildet und der Prüfkopf weist in dem wandlerfreien Bereich einen Durchbruch 8 auf, über den eine an dem Prüfkopf 1 anliegend angeordnete Oberfläche eines nicht näher bezeichneten und durch die Messanordnung zu untersuchenden Werkstücks zugänglich bleibt.
Das im Allgemeinen plattenförmige Werkstück ist über einen durch das erfindungsgemäße tomographische Verfahren zu untersuchenden, schematisch angedeuteten Schweißpunkt 4 mit einem weiteren, ebenfalls nicht näher bezeichneten, sich unter dem vorgenannten Werkstück befindlichen Werkstück verbunden. Der Schweißpunkt 4 wird im Wesentlichen durch eine Schmelzzone, auch als „Schweißbad" oder „Nugget" bezeichnet, definiert. Der Schweißpunkt befindet sich dabei in etwa auf dem Mittelpunkt der gedachten konzentrischen Kreise, auf deren Umfang die Wandler des Arrays 1 angeordnet sind.
In der Figur 1 ist ein Abtastschritt dargestellt, bei dem die mehreren Wandler eines Subarrays, hier die Wandler 2Sl, SS2, 2S3, 2S4 des von einem Kasten zum Pfeil 2S eingefassten Subarrays aktiviert und jeweils so untereinander phasenverschoben angesteuert werden, dass dabei Ultraschall als Lamb-Welle im Werkstück in Richtung des Schweißpunktes 4 und diesen wenigstens teilweise durchdringend erzeugt wird, ohne dass es einer entsprechenden Ausrichtung der Wandler bedarf. In demselben gezeigten Abtastschritt sind das diametral gegenüberliegende Subarray und seine in Umfangsrichtung jeweils zwei benachbarten Subarrays 2R aus Wandlern als Empfänger aktiviert und dienen der Erfassung einer orts- oder anders ausgedrückt, winkelabhängigen Kenngröße, wie der Ausbreitungsgeschwindigkeit oder der Amplitude des transmittierten Ultraschalls. Je nach Fokussierungsgrad des erzeugten Ultraschalls können auch weitere, zu dem radial gegenüberliegenden Subarray benachbarte Subarrays als Empfänger aber auch weniger Subarrays aktiviert werden. Bei dem vorgenannten Abtastschritt sind die Subarrays 2D des Arrays 1 deaktiviert.
Das mittels der Subarrays 2R und der zugehörigen Wandler empfangene Signal entspricht beispielsweise dem in Figur Ib dargestellten Kenngrößenverlauf über die Empfängersegmente.
In nachfolgenden Abtastschritten wird dann eines der anderen Subarrays als Sender aktiviert und wieder entsprechend wenigstens das diametral gegenüberliegende Subarray als Empfänger aktiviert. Das Verfahren wird durchgeführt, bis wenigstens alle Segmente wenigstens einmal als Sender aktiviert wurden und damit eine 360°-Abtastung der Schweißverbindung zu erhalten. Es ergeben sich die zugehörigen Projektionen, wie in Figur 2 gezeigt, der Schweißverbindung 4.
Obwohl eine Messanordnung in Durchstrahlungstechnik gezeigt ist, ist es auch denkbar, das Verfahren in Reflexionsanordnung durchzuführen, indem beispielsweise zum sendenden Subarray benachbarte Subarrays als Empfänger aktiviert werden.
In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Kompensation der räumlich inhomogenen Schalldruckverteilung im vom sendenden Wandler bzw. Subarray einschallten Ultraschallstrahls eine Eichmessung zum Ausgleich dieser Inhomogenität durchgeführt. Hierzu wird der Prüfkopf 1 auf einen Bereich der Oberfläche des Prüfstücks aufgesetzt, in welchem sich kein Schweißpunkt befindet („nacktes Blech"). Der von einem Wandler oder einem Subarray eingeschallte Ultraschallpuls wird vom diametral gegenüberliegenden Subarray aufgenommen, wobei die empfangene Pulsintensität von der Winkellage des empfangenden Wandlers im Subarray relativ zur Hauptrichtung des ausgesendeten Ultraschallpulses abhängt. In einem nachfolgenden Kalibrierschritt wird dann in der nachgeschalteten Auswerteelektronik die Verstärkung der die Signale der einzelnen Wandler des empfangenden Subarrays verarbeitenden Verstärker individuell so angepasst, dass ein eingeschallter Ultraschallpuls in allen Wandlern des empfangenden Subarrays im Wesentlichen dieselbe Echoamplitude liefert. Es wird also eine Winkelabhängige Verstärkungsanhebung implementiert, die i.d.R. umso höher ist, je weiter die der empfangende Wandler des Subarrays von der Hauptrichtung des ausgesendeten Ultraschallpulses entfernt ist. Eine vergleichbare Kompensation der inhomogenen Schalldruckverteilung mittels der vorbeschriebenen Eichmessung am nackten Blech ist nicht nur bei einer konventionellen (Gaußschen) Schalldruckverteilung möglich, vielmehr ist sie bei beliebigen Schalldruckverteilungen einsetzbar. Solche von der Standardkonfiguration abweichenden beliebigen Schalldruckverteilungen können bei spezifischen Prüfungsaufgaben bzw. - geometrien vorteilhaft sein.
Bevorzugt ist die dem Prüfkopf 1 nachgeschaltete Auswerteeinheit zur Ausführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens zum Ausgleich der räumlich inhomogenen Schalldruckverteilung eingerichtet.
Figur 3 zeigt schematisch, wie mittels einer Auswerteinheit durch Radontransformation mittels Interpolation und Filterung aus den Projektionen ein rekonstruiertes Bild der Schweißverbindung berechnet wird und auf einer Anzeigevorrichtung zur Anzeige gebracht werden kann.
Figur 4 zeigt schematisch einen weiteren Prüfkopf 1' mit ringförmigem Array aus mehreren in den gedachten Kreisringsegmenten 5 des Prüfkopfs angeordneten Wandlern in EMAT-Technologie, mit dem die Schweißverbindung 4 untersucht werden soll. Hierbei kommt eine Spule 6 als Wandler, d.h. als Empfänger und Sender, zur Anwendung. Die Spule dient der elektromagnetischen Anregung von Ultraschall, hier in Form einer Lamb-Welle, in dem die Schweißverbindung 4 aufweisenden Werkstück. Im vorliegenden Fall ist die mit 6 bezeichnete Spule 6 in einem Abtastschritt aktiviert und erzeugt aufgrund ihrer speziellen gekrümmten Ausgestaltung unter anderem eine sich in Richtung der Schmelzzone 4 ausbreitende Wellenfront 9.
Die Schmelzzone 4 bleibt über den Durchbruch 8' im Prüfkopf trotz des auf der Oberfläche des Werkstücks aufliegenden Prüfkopfs 1' zugänglich. Es können mehr Wandler 6 über den Kreisumfang verteilt oder auf dazu in Radialrichtung parallel angeordnete Wandler vorgesehen sein, die in Subarrays gemeinsam angesteuert werden. Der Prüfkopf 1' eignet sich ebenfalls für die Durchführung des zuvor in Bezug auf Prüfkopf 1 beschriebenen Verfahrens. Figur 5 zeigt schematisch die Durchführung eines weiteren Verfahrens unter Verwendung des erfindungsgemäßen Prüfkopfs 1. Dieses Verfahren dient der Vermessung der Schmelzzone einer Schweißverbindung 4. Dazu werden in jedem Abtastschritt die diametral gegenüberliegenden Wandler bzw. Subarrays paarweise als Sender 2S und Empfänger 2R angesteuert bzw. aktiviert. Der durch die Schweißschmelzzone 4 hindurchgehende Ultraschall wird jeweils durch diese geschwächt bzw. reflektiert. Anhand der transmittierten Amplitude kann die Ausdehnung der Schweißschmelzzone 4 in der Richtung ermittelt werden, die der Hauptausbreitungsrichtung des durch den vom jeweiligen Sender abgestrahlten Ultraschalls entspricht (siehe sich kreuzende Pfeile in Figur 5). Alternativ kann die sich jeweils ergebende Laufzeit bzw. Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ermittlung der Ausdehnung dienen. Aufgrund einer stark fokussierten und/oder einer Abstrahlung mit anderer Frequenz können mehrere Subarrays - im vorliegenden Fall jeweils drei Subarrays 2S - gleichzeitig aktiviert werden. Die Zahl der für eine allseitige Erfassung der Schmelzzone 4 erforderlichen Abtastschritte kann so reduziert werden. Die Segmente 2S senden so gleichzeitig und deren Ultraschall wird jeweils von dem diametral gegenüberliegenden Empfänger 2R gemessen. Die verbleibenden Wandler 2D bleiben in diesen Abtastschritten deaktiviert. In vorhergehenden und/oder nachfolgenden, nicht dargestellten Abtastschritten wird das gewonnene Ergebnis zur Bestimmung der Ausdehnung der Schweißschmelzzone 4 in der der jeweiligen Ultraschallausbreitungsrichtung entsprechenden Richtung herangezogen.

Claims

Patentansprüche
1. Prüfkopf (1, 1') zur zerstörungsfreien Ultraschalluntersuchung einer Anomalie, insbesondere einer Schweißschmelzzone, eines Werkstücks, umfassend ein in den Prüfkopf (1, 1') integriertes Array (2S, 2D, 2R) aus mehreren, auf einer Oberfläche des Werkstücks anzuordnenden Ultraschallwandlern (2S, 2D, 2R), die einzeln oder segmentweise als Ultraschallempfänger (2S) und Ultraschallsender (2R) selektiv ansteuerbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Array (2S, 2D, 2R) im Wesentlichen ringförmig ausgebildet ist und die Ultraschallwandler (2S, 2D, 2R) so angeordnet und/oder angesteuert werden, dass der jeweils erzeugte Ultraschall sich parallel zur Werkstückoberfläche ausbreitet.
2. Prüfkopf (1, 1') zur zerstörungsfreien Ultraschalluntersuchung gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallwandler (2S, 2D, 2R) so angeordnet und/oder angesteuert werden, dass der jeweils abgestrahlte Ultraschall in Richtung des jeweils gegenüberliegenden Randes des ringförmigen Arrays (2S, 2D, 2R) abgestrahlt wird.
3. Prüfkopf (1, 1') zur zerstörungsfreien Ultraschalluntersuchung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfkopf (1, 1') einen im Wesentlich zentral angeordneten Durchbruch für die Zugänglichkeit des Werkstücks aufweist.
4. Prüfkopf (1, 1') zur zerstörungsfreien Ultraschalluntersuchung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallwandler (2S, 2D, 2R) in EMAT-Technologie aufgebaut sind.
5. Prüfkopf (1, 1') zur zerstörungsfreien Ultraschalluntersuchung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Array (2S, 2D, 2R) ein phasengesteuertes Array ist.
6. Verwendung des Prüfkopfs (1, 1') gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 in einem industriellen Fertigungsprozess, beispielsweise der Automobil-, Luftoder Raumfahrtindustrie.
7. Anordnung aus einem Werkstück mit einer Schweißschmelzzone und einem an die Oberfläche des Werkstücks angrenzend angeordneten Prüfkopf (1, 1'), gekennzeichnet durch den Prüfkopf gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 und dadurch, dass die Schweißschmelzzone im Mittelpunkt des ringförmigen Arrays (2S, 2D, 2R) angeordnet ist.
8. Verfahren zur zerstörungsfreien Ultraschalluntersuchung einer Anomalie, insbesondere einer Schweißschmelzzone, eines Werkstücks, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Prüfkopfs gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in mehreren Abtastschritten der von jeweils einem Wandler oder einem Segment des Arrays erzeugte und danach durch das Werkstück und wenigstens teilweise durch die Anomalie oder Schweißschmelzzone transmittierte und/oder davon reflektierte Ultraschall mit jeweils anderer Hauptausbreitungsrichtung mittels mehrerer, bevorzugt benachbarter, als Empfänger fungierenden Wandler oder Segmente erfasst wird, Ausbreitungsrichtung und eine daraus jeweils erhaltene Projektion durch einen tomographischen Bildgebungsalgorithmus zur Rekonstruktion eines Bildes der Anomalie oder der Schmelzzone verarbeitet wird und das so rekonstruierte Bild ausgewertet und/oder zur Anzeige gebracht wird.
9. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in den mehreren Abtastschritten wenigstens eine 360° Grad-Erfassung der Anomalie oder Schweißverbindung (4) durchgeführt wird.
10. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der tomographische Bildgebungsalgorithmus eine Radon-Transformation oder eine Rückprojektion umfasst, bevorzugt eine gefilterte Rückprojektion oder eine gewichtete Rückprojektion mit Shepp-Logan-Kern.
11. Verfahren zur zerstörungsfreien Ultraschalluntersuchung einer Anomalie, insbesondere einer Schweißschmelzzone, eines Werkstücks, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Prüfkopfs gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in mehreren Abtastschritten der von jeweils einem Wandler oder einem Segment des Arrays erzeugte Ultraschall und danach durch das Werkstück und wenigstens teilweise durch die Anomalie oder Schweißschmelzzone transmittierte Ultraschall mit jeweils anderer Hauptausbreitungsrichtung mittels eines dem Ultraschall erzeugenden Wandler oder Segment im Wesentlichen diametral gegenüberliegenden Wandler oder Segment erfasst wird und ein daraus jeweils erhaltener Messwert zur Bestimmung der betreffenden Abmessung der Anomalie oder der Schweißschmelzzone ausgewertet wird.
12. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in dem jeweiligen Abtastschritt die Amplitude des transmittierten und/oder reflektierten Ultraschalls und/oder die zugehörigen Laufzeiten erfasst werden.
13. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere der Abtastschritte zeitgleich durchgeführt werden.
14. Verschweißverfahren dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verschweißen, insbesondere Punktverschweißen, wenigstens zweier Werkstücke ein Verfahren zur zerstörungsfreien Ultraschalluntersuchung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 12 durchgeführt wird.
PCT/EP2009/053865 2008-04-01 2009-04-01 Universeller prüfkopf zur zerstörungsfreien ultraschalluntersuchung und zugehöriges verfahren WO2009121903A1 (de)

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