DE102009060106A1

DE102009060106A1 - Verfahren zur Prüfung von Verbindungen metallischer Werkstücke mit Kunststoffmassen auf Hohlräume mittels Ultraschall

Info

Publication number: DE102009060106A1
Application number: DE102009060106A
Authority: DE
Inventors: Michael Dr. 44801 Kaack; Christian 38106 Kremer; Jörn 59457 Winkels; Holger Dr. 45892 Brauer
Original assignee: Salzgitter Mannesmann Line Pipe GmbH
Current assignee: Mannesmann Line Pipe GmbH
Priority date: 2009-12-17
Filing date: 2009-12-17
Publication date: 2011-06-22
Also published as: RU2515202C2; US9535040B2; AP3295A; RU2012130135A; AP2012006328A0; WO2011072638A1; US20120318064A1; CN102753968A; CN102753968B; CO6551717A2; EP2513644A1; MX2012006840A; BR112012014750A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung von Verbindungen metallischer Werkstücke mit Kunststoffmassen auf Hohlräume mittels Ultraschall, wobei die Kunststoffmasse als Zwischenschicht zwischen dem Werkstück angeordnet oder einseitig mit dem Werkstück verbunden ist und der Hohlraum sich innerhalb der Kunststoffmasse befinden, wobei der Hohlraum über eine verbliebene Kunststoffschicht bzw. Kunststoffhaut am Werkstück angeschlossen ist und wobei mit mindestens einem Ultraschallprüfkopf die Kunststoffmasse von der metallischen Seite des Werkstücks mit Ultraschallsignalen einer bestimmten Prüffrequenz und Pulslänge beaufschlagt wird und insbesondere die von den sich in der Kunststoffmasse befindenden Fehlstellen reflektierten Ultraschallsignale von einem gleichen oder anderen Ultraschallprüfkopf erfasst und in auswertbare elektrische Signale umgewandelt und einer Schwellwertbetrachtung unterzogen werden. Dabei wird die Prüffrequenz der Ultraschallsignale in einem Bereich zwischen 1 und 10 MHz so eingestellt, dass die Dämpfung des Schalls nach Durchlaufen der Kunststoffhaut minimal ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung von Verbindungen metallischer Werkstücke mit Kunststoffmassen auf Hohlräume mittels Ultraschall gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Unter Kunststoffmassen werden im Folgenden jegliche Arten von Kunststoffen verstanden, die z. B. als Klebstoff zum Verkleben von metallischen Werkstücken, als Dichtmittel oder als Beschichtungsmaterialien für metallische Werkstücke Anwendung finden. Beispielsweise werden diese Materialien für die Herstellung von Klebeverbindungen bei Blechen oder Rohren oder zum Beschichten derselben verwendet.
Beim Beschichten von Werkstücken, wie beispielsweise von Blechen oder Rohren, mit einem Kunststoff können bei der Applikation Fehlstellen entstehen, die sich z. B. als Hohlräume (Luftblasen) in der Beschichtung oder als nicht haftende Verbindung an der Kontaktstelle zwischen Beschichtung und Werkstück ausbilden. Derartige Fehlstellen können zur Unterrostung des Werkstückes und damit zu einem frühzeitigen Ausfall durch Lochkorrosion führen.
Bei der Herstellung von geklebten Verbindungen, z. B. bei Rohren, ist es bekannt, die Rohrenden mittels einer Manschette durch Einbringen von Klebstoff in einen Fügespalt zwischen Manschette und Rohr miteinander zu verbinden.
Typische Fehler bei solchen Klebeverbindungen sind beispielsweise Luftblasen und nicht haftende Verbindungsbereiche (sogenannte kissing bonds).
Bei Festigkeitsversuchen an geklebten Rohrverbindungen zeigte sich, dass diese Fehler in dieser Anwendung aber erst kritisch werden, wenn sie eine Größe von ca. 20 mm überschreiten. Es zeigte sich weiter, dass insbesondere Luftblasen dieser Größe zwar in der Regel die gesamte Höhe des Fügespalts ausfüllen, aber von jeweils einer dünnen Klebstoffhaut (100 μm–200 μm Dicke), die an der Rohrwand haftet, umgeben sind.
Zur Sicherstellung einer ausreichend festen und fehlerfreien Verbindung der Rohre werden Klebeverbindungen üblicherweise mittels Ultraschall in Senkrechteinschallung geprüft. Der Schall wird in den ersten Fügepartner (Manschette) eingekoppelt und durchläuft ihn. An der Grenzfläche zur Klebstoffschicht wird ein Teil des Schalls reflektiert während ein anderer Teil in den Klebstoff eindringt. Der Teil, der eindringt, liefert ein weiteres Echo bei der Reflexion an der Rückseite der Klebstoffschicht. Der Teil, der an der Oberseite der Klebstoffschicht reflektiert wird, liefert hingegen einen langen Echozug durch wiederholte Reflexionen in der Manschettenwand.
Bei der einfachsten Lösung der Ultraschallprüfung von Rohrklebeverbindungen, die aus der JP 57037257 A bekannt ist, werden die Amplituden der Echos von der Rückseite der Klebstoffschicht zur Auswertung verwendet. Hier wird der Klebstoff durchschallt und das Ausbleiben des Echos zeigt einen Fehler an.
Für die Auswertung der reflektierten Ultraschallsignale werden diese in elektrische Signale umgewandelt und über Zeitfenster und Blenden ausgewählt, verstärkt und bewertet. Die Bewertungen beziehen sich auf Amplituden der Signale und die Laufzeiten zwischen den Signalen.
Die Prüfinformation, d. h. die Amplituden, Grenzwertüberschreitungen, Laufzeiten usw. werden mittels einer elektronischen Datenverarbeitungseinrichtung erfasst, ausgewertet, protokolliert und auf einem Monitor angezeigt.
Andere z. B. aus der JP 2000221173 A bekannte Lösungen werten die Echos von der Oberseite der Klebstoffschicht aus. Hier wird insbesondere die Form der Echosignale ausgewertet, um Rückschlüsse auf die Qualität der Klebeverbindung zu ziehen.
Da die Schwächung der Ultraschallsignale auch nach Aushärtung der Klebstoffschicht oder des Beschichtungsmaterials groß ist, haben alle Lösungen, die auf einer Durchschallung beruhen den Nachteil, dass die Echos von der Unterseite der Klebstoffschicht oder des Beschichtungsmaterials gerade bei größeren Schichtdicken sehr klein werden.
Die Erfahrungen zeigen, dass bei Schichtdicken oberhalb weniger Millimeter keine Echos von der Unterseite der Schicht mehr detektiert werden können. Hinzu kommt, dass bei Manschettenklebeverbindungen das kleine Rückwandecho dem Echozug aus der Manschette überlagert ist, der in der Regel selbst große Amplituden liefert.
Die Verfahren, die auf der Detektion der Phase der Echos von der Oberseite der Kunststoffschicht beruhen, haben mehrere Nachteile. Zum Einen ist die zuverlässige automatisierte Detektion der Phasenlage sehr schwierig. Zum Anderen ist eine Änderung der Phasenlage vom Übergang Stahl/Kunststoff zu Stahl/Hohlraum gerade für metallische Werkstücke wegen der großen akustischen Dichte nicht gegeben.
Weiter kommt erschwerend hinzu, dass entstandene Hohlräume sich immer innerhalb der Kunststoffmasse befinden und an der Grenzfläche zum metallischen Werkstück immer noch eine dünne Schicht der Kunststoffmasse als eine den Hohlraum umschließende Haut vorhanden ist, so dass der Übergang Stahl/Hohlraum nicht vorkommt. Die Ultraschallsignale treffen bei derartigen Fehlern also immer auf die Werkstoffkombination Stahl/Kunststoff/Hohlraum, was eine aussagekräftige Ultraschall Prüfung erschwert.
Dies ist gleichermaßen ein Problem bei Lufteinschlüssen in Kunststoffbeschichtungen, die ebenfalls von einer dünnen Haut aus Kunststoff umgeben sein können.
Bei Veränderung der Klebe- oder Beschichtungsparameter (Dicke der Klebschicht oder Beschichtung, Beschaffenheit der Werkstückoberfläche, etc.) kommt es zu Schwankungen der Ultraschallsignale, die wiederum bei einer nur lokalen Auswertung leicht zu Fehlinterpretationen führen können.
Insgesamt ergibt sich bei der Ultraschallprüfung folgende Problematik bei der Detektion von Fehlstellen bei Kunststoffverbindungen mit metallischen Werkstücken:

1. Luftblasen, die beim Beschichten eines Werkstücks oder beim Befüllen eines Fügespalts mit Klebstoff auftreten, befinden sich innerhalb der Kunststoffmasse und weisen deshalb zur Grenzfläche des Werkstücks immer eine den Hohlraum abschließende Kunststoffhaut auf. Auch bei Vorhandensein eines solchen Hohlraums ist deshalb stets der Übergang Stahl/Kunststoff und nicht der Übergang Stahl/Luft (Hohlraum) vorhanden. Der Nachweis von Luftblasen unter der Kunststoffhaut ist daher besonders für Verfahren, die die Reflexionen aus der Grenzschicht im metallischen Werkstück verwenden, erschwert.
2. Durch Veränderungen der Dicke und Oberflächenbeschaffenheit des metallischen Werkstücks, sowie durch Interferenzeffekte kommt es zu Variationen der Echoamplituden. Die lokale Auswertung dieser Amplituden und deren Verhältnisse ohne Einbeziehung von Nachbarschaftskriterien werden so unzuverlässig.
3. Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein sicheres und kostengünstiges Verfahren zur Prüfung von Verbindungen metallischer Werkstücke mit Kunststoffmassen mittels Ultraschall anzugeben, welches die Nachteile der bekannten Verfahren vermeidet, so dass Hohlräume in der Kunststoffschicht eindeutig detektiert und ausgewertet werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Prüffrequenz der Ultraschallsignale in einem Bereich zwischen 1 und 10 MHz so eingestellt wird, dass die Dämpfung des Schalls nach Durchlaufen der Kunststoffhaut an der Grenzfläche Stahl/Hohlraum minimal ist.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden nach der Einstellung für eine minimale Dämpfung die Prüffrequenz und die Pulslänge so nachjustiert, dass sich im Vergleich zu einer fehlerfreien Kunststoffmasse eine Signalverstärkung oder -schwächung durch Interferenz zwischen der von der Oberseite der Kunststoffhaut an der Grenzfläche Stahl/Hohlraum und von der Unterseite der Kunststoffhaut an der Grenzfläche Kunststoffhaut/Hohlraum reflektierten Signale einstellt.
Der Vorteil der beschriebenen Erfindung besteht darin, dass mit dem speziellen Prüf- und Auswerteverfahren zuverlässig Hohlräume in der Klebstoffschicht oder im Beschichtungsmaterial detektiert und somit zuverlässige Aussagen über die Qualität der Beschichtung oder der Verklebung gemacht werden können.
Bei umfangreichen Versuchen zur Prüfung auf Luftblasen in Klebstoffverbindungen und Beschichtungen stellte sich heraus, dass die Wahl der „richtigen Prüffrequenzen” von entscheidender Bedeutung ist.
Der Schall dringt zwar in den Kunststoff ein, wird aber stark gedämpft, wobei die Dämpfung frequenzabhängig ist. Die Prüffrequenz ist demnach zunächst so zu wählen, dass die Schwächung des Schalls nach Durchlaufen der Kunststoffhaut klein bleibt. Das Echo von der Grenzfläche der Hautunterseite/Luft interferiert dann mit dem Echo der Grenzfläche Stahl/Hautoberseite in sich verstärkender oder in sich abschwächender Weise, so dass diese deutlichen Amplitudenveränderungen ausgewertet werden können. Als günstig haben sich in Versuchen Prüffrequenzen zwischen 1 und 10 bzw. 3–7 MHz herausgestellt. Außerdem sollten die Pulslänge und die Prüffrequenz so gewählt werden, dass die Interferenz einen großen Kontrast in den Signalamplituden liefert, um die Auswertbarkeit der Ultraschallsignale zu verbessern. Die Pulslänge sollte dazu mindestens das doppelte der verbliebenen Restschicht zwischen Hohlraum und Werkstück betragen.
Allerdings sollte die Pulslänge nur so lang gewählt werden, dass eine Überlagerung mit dem nächst folgenden Ultraschallimpuls vermieden wird, um die Auswertung der Signale nicht zu erschweren.
Bei den Versuchen zeigte sich auch, dass die Auswahl der „richtigen Echos” für die Auswertung der Signale von großer Bedeutung ist. Vorteilhaft sollten für die Auswertung deshalb die Signale verwendet werden, deren Amplitudenhöhen die größten Unterschiede im Vergleich zu fehlerfreien Kunststoffmassen aufweisen. Auswertungen mit dem 6. oder einem folgenden Echo zeigen einen größeren Kontrast in den Signalamplituden, als beispielsweise Auswertungen mit dem des 2. Echos und sind daher hervorragend auszuwerten.
Zu beachten ist aber stets, dass das Signal-Rausch-Verhältnis mit wachsender Zahl der Echos sinkt. Die Wahl des auszuwertenden Echos ist daher immer der jeweilige Prüfsituation anzupassen.
Unterschiede der Klebe-Parameter, wie (Dicke und Oberflächenbeschaffenheit des metallischen Werkstücks, Breite des Fügespalts, usw. oder veränderte Beschichtungsdicke können lokal zu Prüfsignalen führen, die denen von Fehlern, wie z. B. Luftblasen, ähneln. Da sich die veränderten Parameter jedoch in der Regel über einen größeren Bereich des Werkstücks erstrecken, ist durch eine flächenhafte Darstellung und Auswertung unter Verwendung von Nachbarschaftskriterien eine zuverlässige Trennung zwischen den beiden Signalursachen mit diesem Verfahren ebenfalls vorteilhaft möglich.
Da in dem erfindungsgemäßen Verfahren Echoamplituden bewertet werden, ist außerdem auf eine gute und gleichmäßige Ankopplung zu achten. Eine präzise mechanische Führung des Prüfkopfes beim Scannen kann dabei den Nachweis von Fehlern unterstützen.
Vorteilhaft können bei diesem Verfahren auch sogenannte EMUS-Prüfköpfe (elektromagnetisch angeregter Ultraschall) verwendet werden, die anders als bei der konventionellen Piezo-Technik eine Ankopplung ohne Koppelmittel, wie z. B. Wasser, ermöglichen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen in unterschiedlichen Figuren bezeichnen gleiche Bauteile. Es zeigen:
1 schematische Darstellung einer typischen Klebeverbindung von Rohren unter Verwendung einer Manschette,
2 Ultraschallprüfung einer Klebeverbindung nach 1,
3 Darstellung der Amplitudenverhältnisse bei einer Ultraschallprüfung gemäß 2.
In 1 ist schematisch eine typische Klebeverbindung von Rohren unter Verwendung einer Manschette dargestellt. Die miteinander durch Kleben zu verbindenden metallischen Rohre 1, 1' sind mit den Stirnseiten in Achslinie fluchtend unter Verwendung eines Dichtungsrings 3 voreinander gelegt. Der Dichtungsring 3 dient dazu, dass der einzubringende Klebstoff 6 nicht durch die Kontaktstelle in das Rohr 1, 1' eindringen kann.
Über eine beidseitig der Rohre 1, 1' über den Umfang angeordnete Vergusshilfe 2, 2' wird eine metallische Manschette 4 in einem radialen Abstand zum Rohr 1, 1' gehalten, so dass sich eine Hohlkammer zum Einbringen des Klebstoffs 6 bildet. Die Manschette 4 überdeckt dabei die Kontaktstelle der beiden Rohre 1, 1', deren Überdeckungsbreite den jeweiligen Erfordernissen anzupassen ist. Die Manschette sollte aus Metall sein, da die Ultraschallprüfung der Klebeverbindung nur von der metallischen Seite des Werkstücks aus vorgenommen werden kann und bei Rohrverbindungen vorteilhaft von der Außenseite des Rohres durchgeführt wird. Alternativ käme auch eine Prüfung der Klebeverbindung von der Rohrinnenseite aus in Betracht, wenn dies erforderlich sein sollte.
Die Vergusshilfe 2, 2' ist so ausgebildet, dass sie das Rohr 1, 1' einerseits radial umschließt und andererseits axial hierauf – entsprechend der Breite der Manschette 4 – verschoben werden kann. Mit jeweils im Bereich der Enden der Manschette 4 auf dem Umfang der Rohre 1, 1' angeordneten Distanzstücken 5, 5' kann der radiale Abstand der Manschette 4 zum Rohr 1, 1', d. h. die radiale Breite des mit Klebstoff 6 zu verfüllenden Fügespalts, eingestellt werden.
In 2 ist schematisch die Ultraschallprüfung einer Klebeverbindung nach 1 dargestellt. Die zu prüfende Rohrverbindung besteht aus den beiden Teilstücken der Rohre 1, 1', die verbunden werden sollen, der Klebstoffschicht 6 (dargestellt mit eingeschlossener Luftblase 7) und der Manschette 4.
Sie wird gemäß dem linken unteren Teilbild von 2 bei der Prüfung mit einem Piezo-Prüfkopf 8 in eine z. B. mit Wasser gefüllte Prüfwanne 8 getaucht, bzw. es wird in geeigneter Weise eine Schallankopplung an den Prüfkörper mittels Koppelflüssigkeit realisiert. Bei der im rechten unteren Teilbild von 2 dargestellten EMUS-Prüftechnik ist dies nicht notwendig; anstatt eines Piezo-Prüfkopfes 9 wird hier ein EMUS-Prüfkopf 10 verwendet.
In beiden Fällen wird der Prüfkopf zum Scannen über die Manschette 4 geführt. Die mit dem Ultraschallgerät 11 erzeugten und empfangenen Pulse werden von einem PC-System 12 aufgezeichnet. Die Amplituden ausgewählter Echos werden ausgewertet, digital gefiltert und flächenhaft dargestellt.
Erfindungsgemäß ist die Prüffrequenz der Ultraschallsignale so eingestellt, dass die Dämpfung des Schalls nach Durchlaufen der Kunststoffhaut an der Grenzfläche Stahl/Hohlraum möglichst gering ist und die Prüffrequenz und die Pulslänge so justiert ist, dass sich im Vergleich zu einer fehlerfreien Kunststoffmasse eine Signalverstärkung oder -schwächung durch Interferenz zwischen der von der Oberseite der Kunststoffhaut an der Grenzfläche Stahl/Kunststoffhaut und von der Unterseite der Kunststoffhaut an der Grenzfläche Kunststoffhaut/Hohlraum reflektierten Signale einstellt.

3 zeigt die daraus resultierende Darstellung der Amplitudenverhältnisse in Abhängigkeit von den reflektierten Echos des Signalimpulses. Zu erkennen ist das mit zunehmender Echozahl deutlich zunehmende Kontrastverhältnis der Amplitudensignale vom Klebstoff und von der Luftblase, das die Signalauswertung und damit eindeutige Detektion eingeschlossener Luftblasen im Kunststoff der Klebeverbindungen oder der Beschichtung möglich macht. Bezugszeichenliste

Nr.	Bezeichnung
1, 1'	Rohr
2, 2'	Vergusshilfe
3	Dichtring
4	Manschette
5, 5'	Distanzstück
6	Klebstoff
7	Luftblase
8	wassergefüllte Prüfwanne
9	Piezoprüfkopf
10	EMUS-Prüfkopf
11	Ultraschallgerät
12	PC-System

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 57037257 A [0008]
JP 2000221173 A [0011]

Claims

Verfahren zur Prüfung von Verbindungen metallischer Werkstücke mit Kunststoffmassen auf Hohlräume mittels Ultraschall, wobei die Kunststoffmasse als Zwischenschicht zwischen dem Werkstück angeordnet oder einseitig mit dem Werkstück verbunden ist und der Hohlraum sich innerhalb der Kunststoffmasse befinden, wobei der Hohlraum über eine verbliebene Kunststoffschicht bzw. Kunststoffhaut am Werkstück angeschlossen ist und wobei mit mindestens einem Ultraschallprüfkopf die Kunststoffmasse von der metallischen Seite des Werkstücks mit Ultraschallsignalen einer bestimmten Prüffrequenz und Pulslänge beaufschlagt wird und insbesondere die von den sich in der Kunststoffmasse befindenden Fehlstellen reflektierten Ultraschallsignale von einem gleichen oder anderen Ultraschallprüfkopf erfasst und in auswertbare elektrische Signale umgewandelt und einer Schwellwertbetrachtung unterzogen werden dadurch gekennzeichnet, dass die Prüffrequenz der Ultraschallsignale in einem Bereich zwischen 1 und 10 MHz so eingestellt wird, dass die Dämpfung des Schalls nach Durchlaufen der Kunststoffhaut minimal ist.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Prüffrequenz zwischen 3 und 7 MHz eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass nach der Einstellung der Prüffrequenz für eine minimale Dämpfung die Prüffrequenz und die Pulslänge so nachjustiert werden, dass sich im Vergleich zu einer fehlerfreien Kunststoffmasse eine Signalverstärkung oder -schwächung durch Interferenz zwischen der von der Oberseite der Kunststoffhaut an der Grenzfläche Stahl/Hohlraum und von der Unterseite der Kunststoffhaut an der Grenzfläche Kunststoffhaut/Hohlraum reflektierten Signale einstellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Pulslänge so eingestellt wird, dass diese mindestens das doppelte der verbliebenen Restschicht zwischen Hohlraum und Werkstück beträgt.
Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Pulslänge nur so lang ist, dass eine Überlagerung mit dem nächst folgenden Ultraschallimpuls vermieden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass zur Auswertung die von der Oberseite des Hohlraums und von der Unterseite des Hohlraums reflektierten Signale herangezogen werden, deren Amplitudenhöhen die größten Differenzen aufweisen bei gleichzeitig großem Signal-/Rauschverhältnis.