DE1648637C3 - Ultraschall-Prüfeinrichtungen für Schweissnähte - Google Patents

Description

Die Erfindung wird im folgenden anhand schemati-

Die Erfindung betrifft eine Uli raschall-Prüfeinrich- scher Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher

hing für Schweißnähte mit mehreren Ultraschallwand- 40 erläutert:

lern, die auf einem Schlitten angebracht sind, der über an Fig. 1 zeigt den mechanischen Teil eines ^usfüh-

4er Werkstückoberfläche angebrachte Schienen längs rungsbeispiels der erfindungsgemäßen Ultraschall-Prüf-

der zu prüfenden Schweißnaht verschiebbar ist. einrichtung;

Es ist eine Ultraschall-Prüfeinrichtung dieser Art F1 g. 2 zeigt das Blockschaltbild der zugehörigen kekannt (DT-AS 10 80 325), bei welcher die den 45 Zweikanal-Aufzeichnungsanordnung;
Schlitten aufnehmenden Schienen über Haltebänder Fig. 3a bis 3c und 4a bis 4c zeigen Ausführungsbei-•nmittelbar an dem zu prüfenden Werkstück befestigt spiele der erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung bei »ind. Die Schienen sind in sich elastisch und können verschiedenen Schweißnahtformen mit den zugehörifcedingt an gekrümmte Oberflächen von zu prüfenden gen Aufzeichnungsdiagrammen.
Werkstücken angepaßt werden. Als Antrieb zum 5° Nach Fig. 1 sind auf einem gemeinsamen Querschlit-Verschieben des Schlittens längs der Schienen ist bei ten 5 vier Ultraschallwandler I₁ 2, 3 und 4 schwimmend dieser bekannten Einrichtung ein Kettenantrieb vorge- gelagert und entsprechend der Dicke der zu prüfenden «ehen. der über Zahnräder läuft, die an den Stirnseiten Konstruktion und Art der zu prüfenden Schweißnaht der Schienen befestigt sind. Dieser bekannte Kettenan- angeordnet. Der Wandler 1 dient dazu, Druckwellen !rieb setzt trotz der Möglichkeit der Anpassung der 55 auszusenden und zu empfangen, um die Ränder der Schienen relativ gerade Schienen voraus und vor allem Schweißnaht aufzuzeichnen, um die Größe der Verwegen dieses Kettenantriebes kann die bekannte Schmelzungsfläche zu messen, um Fehlstellen in den Einrichtung nicht zum Prüfen von Schweißnähten an Blechen und im Schweißgut anzuzeigen, und um in drei ' unregelmäßig gekrümmten Körpern wie Drückbehäl- Richtungen, nämlich der Längsrichtung, in der Querrichter, Schiff körper u. dgl. benutzt werden. 60 tung und in der Tiefenrichtung als; Hauptlageanzeiger zu

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Ultraschall- wirken. Die Wandler 2 und 3 dienen dazu, Schubwellen

Prüfeinrichtung für Schweißnähte der eingangs erwähn- auszusenden und zu empfangen, und zwar unter einem

ten Art so weiterzubilden und zu verbessern, daß mit ihr gewählten Winkel gegenüber der Blechfläche, wobei die

auch Schweißnähte an unregelmäßig gekrümmten Schubwellen nach innen und aufeinander zu gerichtet

Werkstücken wie Druckbehälter oder Schiffsrümpfen 65 sind, damit Fehlstellen ermittelt werden können, die

exakt geprüft werden können. rechtwinklig bzw. nahezu rechtwinklig zur Blechober-

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Ultraschall- fläche verlaufen, und der Wandler 4 dient dazu, eine

Prüfeinrichtung der eingangs erwähnten Art erfin- Schubwelle unter einem Winkel von 45° bis 70° zur

Blechfläche längs der Schweißnaht auszusenden, so daß querliegende Fehlstellen ermittelt werden können. Miteinander abwechselnde Sendeimpuk>e werden abwechselnd den beiden Wandlern 2 und 3 zugeführt, um bei der Prüfung von Stumpfschweii>nähten das unerwünschte Nebensprechen auf ein Mindestmaß zu verringern. Dieses Nebensprechen wird jedoch absichtlich in einem gewissen Ausmaß beibehalten, und zwar als Prüfmaßnahme, um zu gewährleisten, daß beide Wandler einwandfrei arbeiten und in der richtigen Weise mit der zu prüfenden Konstruktion gekoppelt sind.

Der Querschlitten 5 ist durch pneumatische Zylinder 6 in Führungen eines Schlittens 7 bewegbar. Der Schlitten 7 bewegt sich auf Schienen 8, und an jeder Ecke dieses Schlittens 7 ist eine Klemme 9 vorgesehen; mit Hilfe dieser Klemmen kann der Schlitten 7 mit Jen Schienen 8 verspannt werden; damit der Schlitten 7 längs der Schienen bewegt werden kann, sind pneumatische Zylinder 10 vorgesehen, deren Wirkungsweise weiter unten näher erläutert wird. Markierungen 11 sind in geeigneten Abständen längs einer der Schienen 8 verteilt; diese Markierungen arbeiten mit einem Lageanzeigeschalter 12 zusammen, der auf dem Schlitten 7 angeordnet ist und dazu dient, die herzustellende Aufzeichnung mit einer Lageanzeigemarkierung zu versehen. Gegebenenfalls können auf dem Schlitten weitere Ultraschallwandler 13 angeordnet sein.

Die Schienen 8 werden zeitweilig so an der zu prüfenden Konstruktion befestigt, daß sie auf beiden Seiten der zu prüfenden Schweißnaht und parallel zueinander angeordnet sind. Bei Kehlnphtschweißungen werden die Schienen an der der Schweißnaht gegenüberliegenden Fläche des Bauteils angebracht. Die Schienen werden mit der Konstruktion durch Klemmen 14 verbunden, die durch angeschweißte Bolzen in ihrer Lage gehalten werden; alternativ können die Schienen mit Hilfe von Saugnäpfen oder Magneten befestigt werden.

Der Querschlitten 5 und der Schlitten 7 werden durch Druckluft betätigt, und zwar über ein System von Auslöseventilen, pneumatischen Ventilen und Zeitverzögerungsvemilen in der Weise, daß der Querschlitten längs der Schweißnaht gemäß der in F i g.! eingezeichneten Bewegungsbahn jeweils quer zu der Schweißnaht, dann wieder parallel zu der Schweißnaht, und schließlich wieder quer zu der Schweißnaht usw. bewegt wird. LJm eine Schweißnaht zu prüfen, geht man in der nachstehend beschriebenen Weise vor. D^r Schlitten 7 wird mit den Schienen 8 mit Hilfe der an allen Ecken des Schlittens angeordneten Klemmen 9 fest verspannt; hierbei sind die Kolbenstangen der Vorschubzvlinder 10 eingefahren. Dann werden die Wand'er mit Hilfe des Querschlittens 5 mit einer Geschwindigkeit von etwa 1500 mm/min quer zur der Schweißnaht bewegt; nach der Beendigung einer solchen Querbewegung werden Auslöseventile und pneumatische Ventile derart betätigt, daß die vorderen Klemmen 9 wirkungslos werden, um dann durch das Ausfahren der Vorschubzylinder 10 nach vorn geschoben zu werden, bis weitere Auslöseventile und pneumatische Ventile betätigt werden, so daß der Schlitten 7 erneut mit den Schienen verspannt wird. Nach Ablauf einer Verzögerungszeigt, die durch Zeitverzögerungsventile bestimmt wird, werden die hinteren Klemmen 9 wirkungslos gemacht, so daß sie zusammen mit dem Schlitten nach vorn gezogen werden, wenn die Vorschubzylinder 10 wieder eingefahren werden, wobei wiederum weitere Auslöseventile und pneumatische Ventile betätigt werden, um die hinteren Klemmen 9 wieder an den Schienen angreifen zu lassen. Hierauf bewegt sich der Querschlitten 5 in der entgegengesetzten Richtung quer zur Schweißnaht, um ein Arbeitsspiel zu beenden, das zwei Abtastungen der Schweißnaht umfaßt Ein flüssiges akustisches Koppelmittel w ird auf die Konstruktion zwischen den Schienen entweder mit der Hand aufgebracht oder dem Schlitten oder den einzelnen Wandlern wird das Koppelungsmittel zugeführt um auf die Oberfläche der Konstruktion gebracht zu werden.

Gemäß dem Blockschaltbild nach F i g. 2, wo nur zwei Kanäle dargestellt sind, führt ein Impulsgenerator G¹ Ultraschallimpulse dem Wandler 1 zu, der Druckwellen aussendet und empfängt. Die empfangenen Wellen werden in einem Verstärker Vl verstärkt und einem Kathodenstrahiosziliographen 0 sowie dem Kanal 1 eines fünfkanaligen, mit hoher Geschwindigkeit arbeitenden Schreibers 5 über eine dieses Signal in eine entsprechende Schreibstift-Betätigungsspannung umwandelnde Modulationseinrichtung M zugeführt. Der Schreiber S ist mit einer Vorrichtung zum Erzeugen einer Lagemarkierung versehen: diese Vorrichtung w ird durch den Lageanzeigeschalter 12 auf dem Schlitten 7 betätigt; der Schalter 12 arbeitet mit den längs der einen Schiene verteilten Markierungen 11 zusammen. Der Kanal 1 umfaßt ein Gatter Fl. dessen Durchlaßbereich bezüglich Länge und Lage innerhalb der gesamten Zeitbasis verstellbar ist, so daß jeder gewünschte interessierende Bereich auf der Zeitachse ausgewählt werden kann und nur solche Signale dem Kathoden Strahloszillographen 0 bzw. dem Schreiber S zugeführt werden, die in diesem Bereich liegen. Die Modulationseinrichtung M gewährleistet, daß der Schreibstift nur dann schreibt, wenn an dem Gatter ein Signal zur Verfügung steht. Mit der Steuereinrichtung VVl können Änderungen der Wandler sowie Materialdämpfung kompensiert werden. Das Wandlerstellungspotentiometer P überträgt die Lage des Querschlittens auf den Schreiber, so daß die Lage von Fehlstellen und die Begrenzungen der Schweißnaht in einer gemeinsamen Ebene aufgezeicnnet werden können. Die von dem Wandler 1 empfangenen reflektierten Wellen werden dem Kanal 2 über eine Verbindung L zugeführt. Der Kanal 2 umfaßt ein die Zeitbasis abtastendes Gatter F2, durch welches die Lage der Reflexionen längs der Zeitbasis ermittelt werden und Anzeigen unterschieden werden, die sich aus den geometrischen Verhältnissen der Schweißnaht ergeben oder von inneren Reflexionen herrühren, die auf vorhandene Fehlstellen zurückzuführen sind. Die Wandler 2, 3 und 4 sind jeweils mit nichi dargestellten Kanälen 3,4 und 5 verbunden, die sämtlid ebenso ausgebildet sind wie der dargestellte Kanal 2 mi dem Gatter Fl, der Steuereinrichtung VV2 und den Verstärker V2. Bei den Kanälen Ϊ und 4 wird mit eine abwechselnden Umschaltung der Senderimpulse gear beitet, um das unerwünschte Nebensprechen zwischei den Wandlern 2 und! 3 auf ein Mindestmaß zi beschränken; jedoch wird das Nebensprechen absieht lieh in einem gewissen Ausmaß beibehalten, und zwa als Prüfmaßnahme, um zu gewährleisten, daß beid Wandler einwandfrei arbeiten und in der richtige Weise mit der zu untersuchenden Kostruktion gekof pelt sind. Somit gibt der Kanal 1 des Schreibers di relative Lage der Ränder der Schweißnaht im Grundri gegenüber dem Blech oder den Schweißnahtfehlstelle wieder, die mit Hilfe des Wandlers 1 nachgewiese

werden, wenn sich dieser Wandler quer zur Schweißnaht bewegt. Die übrigen Kanäle 2, 3, 4 und 5 des Schreibers zeichnen die Lage von Punkten längs der Zeitbasis des Kathodenstrahloszillographen auf, von denen Reflexionen empfangen werden. Wenn der Winkel des Ultraschallstrahls und die Schallgeschwindigkeit der zu prüfenden Konstruktion bekannt sind, ist es möglich, eine Tiefenmessung durchzuführen, wobei die Länge der Fehlstelle durch die Anzahl der

einer Fehlstelle an, die mit Hilfe des Wandlers 2 gemessen wird; der Kanal 4 zeigt die Lage einer Fehlstelle an, die mit Hilfe des Wandlers 3 gemessen wird, während der Kanal 5 die Lage der Fehlstelle längs der Schweißnaht anzeigt, wobei diese Lage mit Hilfe des Wandlers 4 gemessen wird.

F i g. 4a zeigt im Schnitt eine Stumpfschweißnaht und lä.ßt die Anordnung der Wandler 2 und 3 gegenüber der Schweißnaht erkennen; F i g. 4b ist ein Schnitt längs der

Wiederholungen der RcRexion Ilängs des Abtastweges »° Schweißnaht und zeigt die Anordnung des Wandlers 4 angezeigt wird. In der Praxis wird ein mit einem breiten gegenüber der Schweißnaht Im Fall einer Stumpf-Papierstreifen arbeitender Schnellschreiber verwendet. schweißung werden der Wandler 1 sowie die Kanäle 1 um gleichzeitig bis zu fünf Kanalsignale aufzuzeichnen. und 2 des Schreibers nicht benutzt. F ι g. 4c zeigt die wobei der Maßstab auf die Bewegung des Querschht- Spuren, welche der Schreiber im Fall einer Stumpftens 5 (Kanal 1) und die Zeitbusisdauer aller übrigen '5 schweißung aufzeichnet. Der Kanal 3 zeigt die mit Hilfe Wandler (Kanäle 2 bis 5) abgestimmt ist. Das des Wandlers 2 gemessene Lage einer Fehlstelle, der Wandlerstellungspotentiometer ρ führt dem Schreiber Kanal 4 zeigt die mit Hilfe des Wandlers 3 gemessene der Bewegung des Querschlittens entsprechende Fehlstelle, und der Kanal 5 zeigt die mit Hilfe des Signale zu, so daß in einem gemeinsamen Grundriß die Wandlers 4 gemessene Fehlstelle.

" ■ ■ ·■- >--·-'-■-»— 20 In der Praxis werden die Wandler auf Klötzen aus

dem unter der Handelsbezeichnung Perspex erhältlichen Material angeordnet, um in die Zeitbasis eine zeitliche Verzögerung einzuführen, so daß die Wirkungen nahe benachbarter Zonen ausgeschaltet werden, die dann auftreten würden, wenn der Wandler die zu prüfende Konstruktion direkt berühren würde. Zwar wurde der hier gezeigte Wandler 1 als einfacher Wandler dargestellt und beschrieben, doch sei bemerkt, daß man in der Praxis an diesem Punkt auch einen Doppelwandler bzw. zwei Wandler vorsehen kann, wobei der eine Wandler als Sender und der andere als Empfänger arbeitet. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß sich ein besseres Auflösungsvermögen nahe der Oberfläche ergibt, und daß gleichzeitig

Anordnung des Wandlers 4~gegenüber der Schweißnaht 35 eine teilweise Ausschaltung der Wirkungen von nahe erkennen läßt. F1 2. 3c veranschaulicht die Diagramme. benachbarten Zonen auf die Wandler erreicht wird, welche durch den Schreiber im Fall einer Kehlnaht- Als geeignete Kennwerte fur die verschiedenen

schweißung erzeugt werden. Im Kanal 1 sind die Spuren verwendeten Elemente seien die folgenden genannt. Ein dargestellt, die von den reflektierten Signalen herrüh- Frequenzbereich von 2.5 bis 5 MHz für die Wandler bei ren. welche von dem Wandler 1 empfangen werden. 4° einer Impulslänge von 2 bis 3 Perioden sowie eine während sich der Wandler quer zu der Schweißnaht Impulsfolgefrequenz von etwa 2000Hz. die maximal bewegt. Die Randspuren des Diagramms werden durch
Reflexionen an den Rändern der Schweißnaht hervorgerufen, und jede zwischen diesen Spuren erscheinende

Begrenzungen der Schweißnaht und die Fehlstellen erscheinen. Das Gatter Fl in de,- Zeitbasis des Kanals 1 ist einstellbar, so daß Schweißnähte von unterschiedlicher Tiefe untersucht werden können, und die Gatter Fl in den Zeitbasen der anderen Kanäle geben die Tiefe der von den Fehlstellen empfangenen Echos wieder. Dieses System von Auswertgattern ermöglicht es. sowohl die Lage als auch die Größe einer Fehlstelle mit Hilfe einer einmaligen Abtastung zu ermitteln, und der Mehrkanalschreiber liefert ein vollständiges dreidimensionales Bild für jede Schweißnaht.

F i g. 3a zeigt im Querschniti eine Kehlschweißnaht und läßt die hier vorgesehene Anordnung der Wandler 1, 2 und 3 gegenüber der Schweißnaht erkennen; F 1 g. 3b ist ein Schnitt längs der Schweißnaht, der die

mögliche Zeitbasis reichte aus. um eine zeitl-che Verzögerung in Perspexmaterial mit einer Dicke von etwa 12.5 bis etwa 25 mm zuzuglich der Reflexionszeit

Spur zeigt das Vorhandensein einer Fehlstelle entweder 45 in Stahl mit einer Dicke von etwa 25 bis 125 mm unter

im Metall der Konstruktion oder in der Schweißnaht an. da solche Fehlstellen Anlaß zu Reflexionserscheinungen geben. Im Kanal 1 wird die Lage der Fehlsteilen im Grundriß dargestellt, jedoch wird die Tiefe der

einem Winkel von 45" zu ermöglichen. Das Auswertgatter soll mit einer Frequenz von 25 bis 50 Hz arbeiten, und die Verstärkerregelung soll während der Lage und Dauer des Auswertgatters wirksam sein, um eine

Fehlstellen nicht angezeigt; für die Tiefe der Fehlstellen 5<> wahlweise Regelung bis zu einem Maximum von gilt das Diagramm des Kanals 2, das die Tiefe der 10 Dezibel in der nahe benachbarten Zone bis auf Null Fehlstellen von der Blechoberfläche von der rechten in der weiter entfernten Zone zu ermöglichen. Seite aus gemessen anzeigt Der Kanal 3 zeigt die Lage

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

dungsgemäß gelöst durch die Merkmale des kennzeich- Patentansprüche: nenden Teils des Hauptanspruchs. Bei der erfindungsgemä3en Prüfeinrichtung erfolgt

1. Ultraschall-Prüfeinrichtung für Schweißnähte das Verschieben des Schlittens längs der Schienen mit mehreren Ultraschallwandlern, die auf einem 5 immer nur gegenüber den schrittweise versetzbaren Schlitten angebracht sind, der über an der Werk- Klemmen an den Schienen und die Stellvorrichtung _t jtückoberfläche angebrachten Schienen längs der zu wandert also bei der erfindungsgernaßen Prufemnch- " prüfenden Schweißnaht verschiebbar ist, d a d u r c h tung langsam mit dem Schlitten längs der Schienen mit. gekennzeichnet, daß der Schlitten (7) über Die Relativbewegung ist also bei der erfindungsgemä-Klemmen (9) an den Schienen (8) feststellbar ist und io ßen Prüfeinrichtung nicht auf am Anfang der Schienen zwischen Schlitten (7) und diesen Klemmen (9) eine vorgesehene Bezugslager bezogen wie bei der bekannpneumatische Stellvorrichtung (10) angeordnet ist, ten Einrichtung, sondern unmittelbar auf die Schienen derart, daß zum Längsverschieben des Schlittens (7) selbst. Damit es ist möglich, daß die Schienen an sehr schrittweise aufeinanderfolgend die Klemmen (9) unregelmäßig gekrümmten Körpern angebracht werlängs der Schienen (8) umgesetzt werden und 15 den können, beispielsweise an großen Druckbehältern dazwischen der Schlitten (7) gegenüber den oder Schiffsrümpfen, und das trotzdem die Ultraschallfeststehenden Klemmen (9) durch die Stellvorrich- wandler mittels des Schlittens sehr exakt längs der tung (10) verschoben wird und die Wandler (Ibis 4), Schienen und damit auch längs der zu prüfenden die ein in Führungen des Schlittens (7) bewegbarer Schweißnaht an dem unregelmäßig gekrümmten Kör-Querschlitten (5) aufnimmt, durch eine weitere auf 20 per verschoben werden können. Auch die Toleranzen den Querschlitten (5) einwirkende pneumatische der Schienen brauchen bei der erfindungsgemäßen Stellvorrichtung (6) quer zur Längsverschieberich- Prüfen .richtung nicht sehr exakt eingehalten zu werden tung verstellbar sind. und die erfindungsgemäße Einrichtung eignet sich daher

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- auch besonders gut für solche Werkstücke, die noch zeichnet, daß längs der Schienen (8) in vorbestimm- 25 relativ unoearbeitete Oberflächen besitzen und bei ten Abständen Markierungen (Ii) angebracht sind denen es daher schwierig ist. die Schienen im exakten und an dem Schlitten (7) eine damit zusammenwir- Abstand voneinander anzubringen.

kende Lageanzeigevorrichiung (12) angebracht ist Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemä-

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ßen Prüfeinrichtung ergeben sich aus den Unteransprügekennzeichnet, daß die Schienen (8) über Klemmen 30 chen Vor allem durch die in einem der Unteransprüche (14) unmittelbar an der Werkstückoberfläche befe- aufgeführte schwimmende Anordnung der Wandler am stigt sind. Schlitten wird gewährleistet, dalJ die Wandler immer

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche I bis 3. senkrecht zur Oberfläche sich selbsttätig ausrichten und dadurch gekennzeichnet, daß die Uliraschallwandler daher Meßfehler auf ein Minimum reduziert werden. (1 bis 4) am Schlitten (7) schwimmend gelagert sind. 35 Auf diese Weise können die bei bekannten Vorrichtungen dieser Art üblichen Wassersäulen zwischen

Wandlern und Werkstückoberfläche überflüssig sein.