DE102011053942A1

DE102011053942A1 - Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings hoher Materialstärke mittels Ultraschall, die Verwendung eines Prüfkopfs zur Ausführung des Verfahrens, ein Ultraschallprüfkopf, eine Ansteuereinheit für einen Ultraschallprüfkopf und eine Vorrichtung für die zerstörungsfreie Prüfung eines Prüflings hoher Materialstärke mittels Ultraschall

Info

Publication number: DE102011053942A1
Application number: DE102011053942A
Authority: DE
Inventors: York Oberdörfer
Original assignee: GE Sensing and Inspection Technologies GmbH
Current assignee: Baker Hughes Digital Solutions GmbH
Priority date: 2011-09-26
Filing date: 2011-09-26
Publication date: 2013-03-28
Also published as: EP2573556A3; EP2573556A2; US9404897B2; EP2573556B1; CN103076392A; US20130080086A1

Abstract

Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings (10) hoher Materialstärke mittels Ultraschall, die folgenden Verfahrensschritte aufweisend: a. Bereitstellen eines Ultraschallprüfkopfs (20) mit einem Ultraschallwandler (22), der in eine Mehrzahl von einzeln ansteuerbaren Wandlersegmenten (24) aufgeteilt ist, wobei die Wandlersegmente (24) konzentrische Kreise oder Ringe, oder Abschnitte davon, sind, b. Auswählen einer ersten Gruppe j (j = 1, 2, 3, ...) von Wandlersegmenten (24) dergestalt, dass sich bei einer parallelen Ansteuerung dieser Wandlersegmente (24) eine kreisförmige aktive Fläche Fj des Ultraschallwandlers (22) ergibt, und c. Durchführen einer Ultraschallprüfung des Prüflings (10) mit der ersten Gruppe j (j = 1, 2, 3, ...) von Wandlersegmenten (24), wobei diese parallel angesteuert werden.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings hoher Materialstärke mittels Ultraschall, die Verwendung eines an sich bekannten Prüfkopfs zur Ausführung des Verfahrens, ein für die Ausführung des Verfahrens besonders geeigneter Ultraschallprüfkopf, eine Ansteuereinheit für einen Ultraschallprüfkopf für die zerstörungsfreie Prüfung eines Prüflings hoher Materialstärke mittels Ultraschall, die insbesondere zur Ausführung des Verfahrens eingerichtet sein kann, und eine Vorrichtung für die zerstörungsfreie Prüfung eines Prüflings hoher Materialstärke mittels Ultraschall.
Aus der Materialprüfung sind vielfältige Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings mittels Ultraschall bekannt. Bei den Puls-Echo-Verfahren wird ein von einem als Sender fungierenden Ultraschallwandler erzeugter kurzer Ultraschallpuls auf geeignete Weise in einen Prüfling eingeschallt, so dass sich dieser im Prüfling ausbreitet. Trifft der Puls im Prüfling auf einen Fehler, beispielsweise auf eine als Empfänger betriebenen Ungänze, oder auf eine geometrische Struktur, so wird der Puls zumindest teilweise reflektiert. Mittels eines Ultraschallwandlers wird der reflektierte Puls detektiert. Häufig wird ein Ultraschallwandler sowohl als Sender als auch als Empfänger verwendet. Aus der Laufzeit zwischen dem Einschallen des Pulses in den Prüfling und dem Eintreffen des reflektierten Pulses beim Empfänger kann auf die Lage der Ungänze im Prüfling geschlossen werden. Die Amplitude des reflektierten Pulses kann herangezogen werden, um eine Information über die Größe der Ungänze zu erhalten.
Bei der genormten manuellen Ultraschallprüfung haben sich weltweit zwei Verfahren für die Größenbewertung einer Ungänze durchgesetzt, nämlich die Vergleichskörper-Methode (kurz auch als DAC-Methode von „distance-amplitude-correction“ bezeichnet) und die die AVG-Methode (von „Amplitude-Verstärkung-(Fehler) Größe“). Beide Verfahren sind zwar von der Anwendung her unterschiedlich, nicht aber bezüglich der ihnen zugrunde liegenden physikalischen Grundlagen der Schallausbreitung und Schallreflexion. In beiden Verfahren ermittelt der Prüfer die Größe (Durchmesser) eines Modellreflektors (zylinderförmiger Reflektor bei der DAC-Methode, Kreisscheibe bei der AVG-Methode). Die so ermittelte Größe ist grundsätzlich nicht identisch mit der tatsächlichen Fehlergröße, sie wird daher als äquivalenter Kreisscheiben- bzw. Querbohrungsdurchmesser bezeichnet. Bei Verwendung von Kreisscheibenreflektoren hat sich die kürzere Bezeichnung „Ersatzreflektorgröße“ (ERG (dt.) bzw. ERS (engl.)) durchgesetzt. Dass die tatsächliche Fehlergröße nicht mit der Ersatzreflektorgröße übereinstimmt liegt daran, dass die von einem natürlichen Fehler reflektierten Schallanteile zusätzlich durch die Form, Orientierung und Oberflächenbeschaffenheit des Fehlers beeinflusst werden. Da bei der manuellen Ultraschallprüfung weitergehende Untersuchungen hierzu schwierig und wenig praktikabel sind, werden in den meisten Spezifikationen und Richtlinien zur Ultraschallprüfung deshalb die Kriterien zur Registrierung von Fehlstellen an eine bestimmte Ersatzreflektorgröße geknüpft. Das bedeutet, dass der Prüfer in der Praxis ermittelt, ob eine aufgefundene Fehlstelle die Ersatzreflektorgröße erreicht oder überschreitet, die als Grenzwert (Registriergrenze) im Regelwerk angegeben wurde. Darüber hinaus muss er in der Regel weitere Untersuchungen durchführen, zum Beispiel zu Registrierlänge, Echodynamik usw., die aber an dieser Stelle nicht weiter diskutiert werden sollen.
Die Gesetzmäßigkeiten bei der Schallausbreitung in Materie sind seit langem theoretisch bekannt und wurden durch viele Experimente praktisch bestätigt. Die Entwicklung der modernen Bewertungsverfahren zeigt zwei Wege auf: Bei der DAC-Methode wird die Charakteristik des Schallfeldes jeweils vor einer Ultraschallprüfung mittels einer Kalibriermessung an einem Vergleichskörper ermittelt, die AVG-Methode dagegen benutzt die Theorie in Form der für die Prüfköpfe vorliegenden sogenannten AVG-Diagramme. Ein AVG-Diagramm zeigt die Echoamplituden von Kreisscheibenreflektoren verschiedener Durchmesser und eines großen, ebenen Reflektors (Rückwand) als Funktion des Abstandes.
Zur Durchführung der DAC-Methode muss ein dem Prüfobjekt entsprechender Vergleichskörper mit einem oder mehreren Vergleichsreflektoren zur Prüfung vorliegen. Anhand der im Vergleichskörper vorliegenden Bohrungen wird die Entfernungsabhängigkeit der Echoamplituden experimentell ermittelt und als Kurve auf den Bildschirm des Prüfgerätes übertragen. Diese Kurve enthält automatisch alle Einflüsse des Prüfkopfes (Schallfeld) und des Materials. Das Prüfobjekt kann nun mit dem Ultraschallprüfkopf abgetastet werden. Eine registrierpflichtige Anzeige liegt vor, wenn ein Echo die DAC-Kurve erreicht oder überschreitet.
Zur Durchführung der AVG-Methode Voraussetzung muss zu dem Ultraschallprüfkopf, der für die Prüfaufgabe eingesetzt werden soll, das entsprechende Ultraschallprüfkopf-spezifische AVG-Diagramm vorliegen. Für das maximale Echo einer aufgefunden Fehleranzeige wird die Ersatzreflektorgröße aus dem AVG-Diagramm ermittelt. Damit ist es möglich zu beurteilen, ob die Anzeige registrierpflichtig ist oder nicht.
Mit dem Einsatz mikroprozessorgesteuerter Ultraschallgeräte werden bei beiden Bewertungsverfahren erhebliche Vereinfachungen erzielt, die zu Zeitersparnis und höherer Prüfsicherheit führen. Insbesondere wird die AVG-Bewertung in einem modernen Ultraschallgerät vereinfacht, indem die AVG-Diagramme von Standard-Prüfköpfen im Gerät gespeichert werden. Bevorzugt können als Bezugsreflektor eine Flachbodenbohrung (Kreisscheibe), eine Querbohrung oder eine Rückwand gewählt werden. Ein Auswerteprogramm kann für eine direkte Bewertung einer aufgefundenen Fehleranzeige sorgen. Die Registrierschwellenüberschreitung, also der dB-Wert, um den eine Fehleranzeige die vorgegebene Registrierkurve überschreitet, kann dabei direkt auf einer Anzeigeeinrichtung, z.B. einem intergierten Bildschirm, angezeigt werden. Diese Form der Auswertung entspricht der Praxis der meisten Prüfrichtlinien. Dazu zählen zum Beispiel die bekannte DIN EN 583-2, die DIN 54 125 und die SEL 072, aber auch alle anderen Spezifikationen, bei denen Flachbodenbohrungen als Vergleichsreflektoren vorgeschrieben sind.
Obwohl die o.g. Puls-Echo-Verfahren seit vielen Jahren etablierte Verfahren im Bereich der Werkstoffprüfung sind, so ist ihre Anwendung auf die Prüfung von Prüflingen mit hoher Materialstärke, z.B. bei dickwandigen Druck- oder Sicherheitsbehältern mit hoher Wandstärke, bis heute aufwendig. Bei der AVG-Methode liegt dies darin begründet, dass ein Ultraschallwandler ein Schallfeld erzeugt, welches in der Regel mehrere auf der akustischen Ache liegende lokale Schalldruckmaxima aufweist. Die Lage des letzten Schalldruckmaximums auf der akustischen Achse wird dabei als „Nahfeldlänge N“ bezeichnet. Für einen Ultraschallwandler, der eine kreisförmige aktive Fläche mit dem Durchmesser D aufweist (im Folgenden auch „kreisförmiger Ultraschallwandler“), ist die Nahfeldlänge N gegeben durch:
Dabei ist λ die Wellenlänge des Schallfelds im Material des Prüflings. In der Praxis hat sich herausgestellt, dass eine zuverlässige Echobewertung erst dann möglich ist, wenn entlang des Schallwegs betrachtet die Entfernung des Defekts vom Einschallort mindestens 70% der Nahfeldlänge N des verwendeten Prüfkopfs beträgt. Wird z.B. ein Ultraschallprüfkopf mit kreisförmigem Wandler eingesetzt, so muss dieser zur Bewertung oberflächennaher Defekte daher einen kleinen Durchmesser D aufweisen.
Andererseits nimmt aufgrund der Divergenz des sich im Material des Prüflings ausbreitenden Schallfelds die Empfindlichkeit eines Prüfkopfs bei einer Verdopplung des Abstands zwischen Einkoppelort und Fehlerposition rapide ab. Bei einem Ultraschallprüfkopf mit kreisförmigem Wandler ist die beobachtete Divergenz dabei im Wesentlichen vom Durchmesser D des Wandlers bestimmt, wobei gilt, dass große Wandler eine geringere Divergenz aufweisen als kleine. Da die meisten Prüfnomen für eine Größenbewertung eines Fehlers eine Mindest-Anzeigehöhe vorschreiben, ergibt sich hieraus die Notwendigkeit, zur Prüfung von Prüflingen mit hoher Materialstärke bei der Prüfung von Raumbereichen, die einen hohen Abstand vom Einkoppelort aufweisen, d.h. zur Detektion tiefliegender Fehler, auf Prüfköpfe mit großem Wandlerdurchmesser D zurückzugreifen. Diese sind wiederum nicht zur Detektion oberflächennaher Defekte geeignet. In der Praxis wird daher bei der Prüfung von Prüflingen mit hoher Materialstärke wie z.B. Gussbehältern hoher Wandstärke oder langen Wellen stets eine Mehrzahl von verschiedenen Prüfköpfen verwendet. Hat man einen Fehler aufgefunden, so wird für eine quantitative Fehlerbestimmung gezielt ein Ultraschallprüfkopf ausgewählt, dessen Nahfeldlänge N in etwa im Bereich des Abstands zwischen Einkoppelort und Fehlerposition liegt, wobei das o.g. Kriterium für die Nahfeldlänge N zu beachten ist. Dies hat einerseits zur Folge, dass eine Vielzahl verschiedener Prüfköpfe vorgehalten werden muss, was den apparativen Aufwand erhöht, andererseits erhöht ein Prüfkopfwechsel den Prüfaufwand, was Kostennachteile verursacht.
Hier setzt nun die Erfindung ein, die es sich zur Aufgabe gemacht hat, ein neuartiges Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings hoher Materialstärke mittels Ultraschall, die Verwendung eines an sich bekannten Prüfkopfs zur Ausführung des neuartigen Verfahrens, einen für die Ausführung des Verfahrens besonders geeigneten neuartigen Ultraschallprüfkopf, eine neuartige Ansteuereinheit für einen Ultraschallprüfkopf für die zerstörungsfreie Prüfung eines Prüflings hoher Materialstärke mittels Ultraschall, die zur Ausführung des neuartigen Verfahrens eingerichtet ist, und eine neuartige Vorrichtung für die zerstörungsfreie Prüfung eines Prüflings hoher Materialstärke mittels Ultraschall anzugeben.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einen Ultraschallprüfkopf gemäß Anspruch 15, eine Verwendung eines an sich bekannten Ultraschallprüfkopfs gemäß Anspruch 17, eine Ansteuereinheit für einen Ultraschallprüfkopf gemäß Anspruch 18 sowie eine Vorrichtung für die zerstörungsfreie Prüfung eines Prüflings hoher Materialstärke mittels Ultraschall gemäß Anspruch 20.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings hoher Materialstärke mittels Ultraschall vorgesehen. Das erfindungsgemäße Verfahren basiert in seiner einfachsten Ausprägung auf der Bereitstellung eines grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschallprüfkopfs, der einen Ultraschallwandler umfasst, der seinerseits in eine Mehrzahl von einzeln ansteuerbaren Wandlersegmenten aufgeteilt ist. Dabei bilden die Wandlersegmente konzentrische Kreise oder Ringe aus, oder sind Abschnitte von konzentrischen Kreisen oder Ringen. Ein solcher Wandler wird im Stand der Technik als „annular array“ (engl.) oder als „Ring Array“ (dt.) bezeichnet. Zu weiteren technischen Details wird auf die Norm DIN EN 16 018 (2011) verwiesen.
Verbesserungen ergeben sich bei einer Verwendung der nachfolgen ebenfalls beschriebenen erfindungsgemäßen Prüfköpfe.
Erfindungsgemäß wird eine erste Gruppe j (j = 1, 2, 3, ...) von Wandlersegmenten des Ultraschallwandlers dergestalt parallel angesteuert, dass sich eine kreisförmige aktive Fläche Fj des Ultraschallwandlers ergibt, die als Ultraschallsender und -empfänger fungieren kann. Mit diesem kreisförmigen „effektiven“ Ultraschallwandler wird dann eine Ultraschallprüfung des Prüflings durchgeführt. Die Prüfung kann z.B. nach den aus dem Stand der Technik vorbekannten Puls-Echo-Verfahren durchgeführt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, das von einem Ultraschallprüfkopf mit Ring Array erzeugte Schallfeld zu steuern und damit an die konkrete Prüfaufgabe anzupassen, indem der Durchmesser der aktiven Fläche des Ultraschallwandlers gesteuert wird. Unter der aktiven Fläche wird im Kontext der vorliegenden Erfindung die Fläche des Ultraschallwandlers verstanden, die bei einer Ansteuerung des Wandlers als Sender an der Ultraschallerzeugung beteiligt ist, bzw. bei einer Ansteuerung des Wandlers als Empfänger an der Signalerzeugung beteiligt ist.
Bekannt ist aus dem Stand der Technik bislang nur die phasengenaue Ansteuerung aller Wandlersegmente eines Ring Arrays, um eine Strahlformung wie z.B. eine Fokussierung / Defokussierung zu erzielen. Im Gegensatz dazu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, gezielt nur eine Teilmenge der Wandlerelemente anzusteuern, wobei die Ansteuerung phasenstarr, insbesondere ohne Phasenverschiebung zwischen den Wandlerelementen, erfolgt. Die Strahlsteuerung erfolgt demnach über die Änderung des Durchmessers der aktiven Fläche des Ultraschallwandlers. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es daher, mit nur einem Ultraschallprüfkopf genormte Prüfverfahren wie z.B. gemäß der EN 583-2, die keine Verwendung von Phased-Array-Prüfköpfen vorsehen, auch an Prüflingen hoher Materialstärke durchzuführen, bei denen bislang auf eine Mehrzahl von unterschiedlichen Ultraschallprüfköpfen zurückgegriffen werden musste.
Viele Prüfaufgaben setzen die Erfüllung gestimmter Kriterien K voraus, damit das Ergebnis der Ultraschallprüfung als zuverlässig angesehen werden kann. Diese Kriterien sind im Allgemeinen von der konkreten Prüfaufgabe abhängig, von den Eigenschaften des Prüflings, dem verwendeten Ultraschallprüfkopf und von den zu detektierenden Eigenschaften des bzw. Fehlern im Prüfling. In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird daher die Gruppe der parallel angesteuerten Wandlersegmente gezielt so ausgewählt, dass das von der aktiven (kreisförmigen) Fläche des Ultraschallwandlers erzeugte Ultraschallfeld ein für die konkrete Prüfaufgabe zu beachtendes Kriterium K erfüllt.
Beispielhaft sei hier die Ultraschallprüfung eines Prüflings hoher Materialstärke mittels der AVG-Methode genannt. Im Rahmen der AVG-Methode kommen Ultraschallprüfköpfe mit kreisförmigem Ultraschallwandler zum Einsatz. Wie vorstehend ausgeführt weisen diese eine vom Durchmesser D der aktiven Fläche des Ultraschallwandlers abhängige Nahfeldlänge N auf. Wird der minimale Abstand des zu prüfenden Raumbereichs R vom Einkoppelort des Ultraschalls entlang des Schallwegs im Prüfling bei der Ausführung des Prüfverfahrens mit d bezeichnet, so setzt die Ultraschallprüfung des Raumbereichs R die Erfüllung eines vorbestimmten Kriteriums K in Bezug auf die Nahfeldlänge N und den minimalen Abstand d voraus.
Besonders bevorzugt im Zusammenhang mit der Ultraschallprüfung mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens basierend auf der AVG-Methode ist die Erfüllung des folgenden Kriteriums K: K:d ≥ 0,7 × N wobei d der der minimale Abstand des zu prüfenden Raumbereichs R vom Einkoppelort des Ultraschalls in den Prüfling entlang des Schallwegs im Prüfling ist.
Wird also mittels der AVG-Methode geprüft, so basiert das erfindungsgemäße Verfahren darauf, dass durch parallele Ansteuerung einer Mehrzahl von Wandlersegmenten der Durchmesser der aktiven Fläche des Ultraschallwandlers gezielt so eingestellt wird, dass das o.g. Kriterium für die konkrete Aufgabe erfüllt ist.
Grundsätzlich kann eine konkrete Prüfaufgabe selbstverständlich auch noch die Erfüllung weiterer Kriterien erfordern. So fordert die DIN EN 583-2 eine ausreichende Signalhöhe über dem Hintergrundsignal, was impliziert, dass der Durchmesser D der aktiven Fläche des Ultraschallwandlers so groß wie möglich sein sollte, ohne jedoch das erstgenannte Kriterium zu verletzen. In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird daher in einem weiteren Verfahrensschritte zuerst der prüfende Raumbereichs Rj des Prüflings ausgewählt. Dann wird in einem weiteren Schritt die erste Gruppe j (j = 1, 2, 3, ...) von Wandlersegmenten ausgewählt, dergestalt, dass bei einer parallelen Ansteuerung dieser Wandlersegmente das von der aktiven Fläche Fj des Ultraschallwandlers erzeugte Ultraschallfeld im Raumbereich Rj das Kriterium K erfüllt. Mit der ausgewählten Gruppe j wird dann die Ultraschallprüffung des Prüflings durchgeführt.
In einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens wird die Ultraschallprüfung nach der DAC-Methode durchgeführt.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die zu prüfende Materialstärke S des Prüflings vorgegeben, z.B. durch eine Benutzereingabe. Die zu prüfende Materialstärke S des Prüflings wird dann in eine Mehrzahl von Raumbereichen Ri (i = 1, 2, 3, ...) zerlegt, die in Ausbreitungsrichtung des Ultraschalls im Prüfling hintereinander angeordnet sind. Bevorzugt haben diese Raumbereiche Ri in Schallausbreitungsrichtung im Wesentlichen dieselbe Ausdehnung s (im Folgenden „Stärke“). Schließlich wird aus den Raumbereichen Ri gezielt der zu prüfende Raumbereich Rj ausgewählt. Hierzu kann z.B. im Rahmen qualitativer Voruntersuchungen des Prüflings vorab experimentell ein Raumbereich des Prüflings identifiziert werden, der nachfolgend mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens einer genaueren Untersuchung z.B. zur quantitativen Fehleranalyse unterzogen werden soll.
Weiterhin ist es aber ebenfalls möglich, dass das erfindungsgemäße Verfahren für verschiedene Raumbereiche Rj, k (j ≠ k) ausgeführt wird, d.h. zumindest eine erste und eine zweite Ultraschallprüfung durchgeführt wird. Insbesondere kann vorgesehen werden, dass die erste und die zweite Ultraschallprüfung vom selben Einkoppelort aus durchgeführt werden. Zur Erfassung unterschiedlicher Raumbereiche Rj, k des Prüflings können beispielsweise elektronische Blenden verwendet werden. Auch hier haben die untersuchten Raumbereiche Rj, k in Schallausbreitungsrichtung im Wesentlichen bevorzugt dieselbe Stärke sj = sk.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Wandlersegmente des Ultraschallwandlers des bereitgestellten Ultraschallprüfkopfs so dimensioniert sind, dass der Durchmesser Dm der kreisförmigen akustisch aktiven Fläche Fm des Ultraschallwandlers, die von einer ausgewählten Gruppe m von Wandlersegmenten ausgebildet wird, im Wesentlichen proportional ist zur Quadratwurzel von m. Dies hat einerseits zur Folge, dass die Nahfeldlänge Nm des Wandlers mit der aktiven Fläche Fm, die quadratisch mit dem Durchmesser Dm dieses Wandlers anwächst, proportional ist zur Ordnungszahl m der ausgewählten Gruppe von Wandlersegmenten. Dies kann insbesondere im Zusammenhang mit der AVG-Methode vorteilhaft sein, da das Kriterium K:d ≥ 0,7 × N zu beachten ist. In diesem Fall ist es dann ohne weiteres möglich, die zu untersuchtende Materialstärke S des Prüflings in Raumbereiche Ri (i=1,2,3, ...) gleicher Stärke zu unterteilen entsprechend der Teilung des Ultraschallwandlers in Wandlerelemente, die in aufeinanderfolgender Abfolge miteinander parallel geschaltet werden, um eine linear anwachsende aktive Wandlerfläche auszubilden.
Weiterhin können besondere Vorteile bezüglich der Eigenschaften des zur Ultraschalluntersuchung eingesetzten Ultraschallfelds realisiert werden, wenn die einzeln ansteuerbaren Wandlersegmente im Wesentlichen dieselbe Fläche f aufweisen. Werden diese Wandlersegmente als Sender parallel mit gleicher Amplitude angeregt, so ergibt sich eine homogene Schalldruckverteilung über die gesamte aktive Wandlerfläche. Damit erzeugen die parallel angesteuerten Wandlerelemente, die eine akustisch aktive Fläche mit dem Durchmesser D ausbilden, dasselbe Schallfeld wie ein einteiliger kreisförmiger Ultraschallwandler mit demselben Durchmesser D.
Weiterhin hat es sich im Zusammenhang mit der Verwendung der AVG-Methode als vorteilhaft herausgestellt, wenn das spezielle AVG-Diagramm für den Ultraschallwandler mit der kreisförmigen aktiven Fläche Fj, die von der ausgewählten Gruppe j von Wandlersegmenten ausgebildet wird, aus dem allgemeinen AVG-Diagramm eines einteiligen kreisförmigen Ultraschallwandlers berechnet wird. Hierdurch wird die Programmierung einer Ansteuereinheit für den im Rahmen des Verfahren zu verwendenden Ultraschallprüfkopf besonders einfach, da nur noch das allgemeine AVG-Diagramm in der Ansteuereinheit hinterlegt werden muss sowie eine Vorschrift zur Umrechnung auf die speziellen AVG-Diagramme der Ultraschallwandler mit der kreisförmigen aktiven Fläche Fj (j = 1, 2, 3, ...).
Ein erfindungsgemäßer Ultraschallprüfkopf für die zerstörungsfreie Prüfung eines Prüflings mit hoher Materialstärke mittels Ultraschall umfasst einen Ultraschallwandler, der in eine Mehrzahl von einzeln ansteuerbaren Wandlersegmenten aufgeteilt ist. Die Wandlersegmente haben die Form konzentrischer Kreise oder Ringe, oder die Form von Abschnitten konzentrischer Kreise oder Ringe. Erfindungsgemäß sind die Wandlersegmente so dimensioniert, dass der Durchmesser Dm der kreisförmigen aktiven Fläche Fm des Ultraschallwandlers, die von einer Gruppe m (m = 1, 2, 3, ...) von Wandlersegmenten ausgebildet wird, im Wesentlichen proportional ist zur Quadratwurzel von m. Wie bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgeführt hat dies zur Folge, dass die Nahfeldlänge Nm des Wandlers mit der aktiven Fläche Fm, (die quadratisch mit dem Durchmesser Dm dieses Wandlers anwächst), proportional ist zur Ordnungszahl m der ausgewählten Gruppe von Wandlersegmenten, was insbesondere im Zusammenhang mit der AVG-Methode vorteilhaft sein kann. Auf die dortigen Ausführungen wird verwiesen.
Ebenso wird verwiesen auf die Ausführungen zum Verfahrensanspruch 13, welcher eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens betrifft, die auf einem Ultraschallwandler basiert, dessen Wandlersegmente im Wesentlichen dieselbe Fläche f aufweisen.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung hat es sich weiterhin herausgestellt, dass insbesondere ein aus dem Stand der Technik an sich vorbekanntes Ring Array vorteilhaft verwendet werden kann zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wodurch der apparative Aufwand zur Einführung des Verfahrens minimiert werden kann.
Eine im Zusammenhang mit der Ausführung der vorliegenden Erfindung vorteilhafte Ansteuereinheit für einen Ultraschallprüfkopf für die zerstörungsfreie Prüfung eines Prüflings mit hoher Materialstärke mittels Ultraschall ist dazu vorgesehen, einen Ultraschallprüfkopf anzusteuern, der einen Ultraschallwandler aufweist, welcher in eine Mehrzahl von einzeln ansteuerbaren Wandlersegmenten aufgeteilt ist. Dabei sind die Wandlersegmente konzentrische Kreise oder Ringe, oder Abschnitte davon. Die Ansteuereinheit ist erfindungsgemäß dazu eingerichtet, eine ersten Gruppe j (j = 1, 2, 3, ...) von Wandlersegmenten des Ultraschallwandlers dergestalt parallel anzusteuern, dass sich insgesamt eine kreisförmige aktive Fläche Fj des Ultraschallwandlers ergibt.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die Ansteuereinheit weiterhin zur Ausführung eines Ultraschallprüfverfahrens eingerichtet, bei dessen Ausführung ein vorbestimmtes Kriterium K erfüllt sein muss, welches vom Ultraschallfeld abhängt,+ das von der akustisch aktiven Fläche Fj des Ultraschallwandlers erzeugt wird. Hierzu ist die Ansteuereinheit dazu eingerichtet, unter Berücksichtigung des Kriteriums K eine erste Gruppe j (j = 1, 2, 3, ...) von Wandlersegmenten auszuwählen, bei deren paralleler Ansteuerung sich weiterhin eine kreisförmige aktive Fläche Fj des Ultraschallwandlers ergibt, und das von der aktiven Fläche Fj des Ultraschallwandlers erzeugte Ultraschallfeld das Kriterium K erfüllt.
Schließlich kann die Ansteuereinheit in weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen dazu eingerichtet sein, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren diskutierten vorteilhaften Ausgestaltungen des Verfahrens, insbesondere die optionalen weiteren Verfahrensschritte, ausführen zu können. Dies gilt insbesondere auch dann, wenn diese vorteilhaften Ausgestaltungen des Verfahrens auf der Verwendung von vorteilhaften Weiterentwicklungen der aus dem Stand der Technik vorbekannten Prüfköpfe mit Ring Array basieren.
Die Erfindung umfasst weiterhin eine vorteilhafte Vorrichtung für die zerstörungsfreie Prüfung eines Prüflings mittels Ultraschall. Diese Vorrichtung umfasst einerseits einen Ultraschallprüfkopf mit einem Ultraschallwandler, der in eine Mehrzahl von einzeln ansteuerbaren Wandlersegmenten aufgeteilt ist, wobei die Wandlersegmente konzentrische Kreise oder Ringe, oder Abschnitte davon, sind, d.h. der Ultraschallwandler ist als Ring Array ausgestaltet. Andererseits umfasst die Vorrichtung eine erfindungsgemäße Ansteuereinheit. Damit ist die Vorrichtung dazu geeignet, unter Verwendung eines an sich bekannten Ring Arrays das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen, wodurch die im Zusammenhang mit dem Verfahren in seinen verschiedenen Ausgestaltungen die vorstehend bereits beschriebenen Vorteile realisiert werden können.
Weitere Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens, der erfindungsgemäßen Verwendung eines an sich aus dem Stand der Technik bekannten Prüfkopfs, des erfindungsgemäßen Prüfkopfs, der erfindungsgemäßen Ansteuereinheit sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen. Es wird darauf hingewiesen, dass die Merkmale der Gegenstände der Unteransprüche sowie die Merkmale der Ausführungsbeispiele im Rahmen des technisch Möglichen und Sinnvollen frei miteinander kombiniert werden können. Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Ausführungsbeispiele nicht einschränkend zu verstehen sind, sondern zur Verdeutlichung der vorliegenden Erfindung dienen sollen.
In der Zeichnung zeigt:
1: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung einschließlich einer Schnittansicht eines zu untersuchenden Prüflings,
2: eine Aufsicht auf den Ultraschallwandler eines Ultraschallprüfkopfs gemäß einer ersten bevorzugter Ausgestaltung,
3: eine Ausschnittvergrößerung aus 1,
4: ein AVG-Diagramm für den Ultraschallprüfkopf mit dem in 2 dargestellten Ultraschallwandler für einen Referenzfehler mit einem Durchmesser von 10 mm,
5: ein „effektives“ AVG-Diagramm für den Ultraschallprüfkopf mit dem in 2 dargestellten Ultraschallwandler für einen Referenzfehler mit einem Durchmesser von 10 mm,
6: eine Aufsicht auf den Ultraschallwandler gemäß eines zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Ultraschallprüfkopfs,
7: eine Ausschnittvergrößerung analog zu der Darstellung von 3, aber für den Ultraschallprüfkopf gemäß des zweiten Ausführungsbeispiels, und
8: eine Aufsicht auf den Ultraschallwandler gemäß eines dritten bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Ultraschallprüfkopfs.
Die in 1 schematisch dargestellte Vorrichtung 1 dient zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings mittels Ultraschall, wobei der Prüfling 10 insbesondere eine hohe zu prüfende Materialstärke S aufweisen kann. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Ansteuereinheit 30, welche in elektrischer Verbindung steht mit einem Ultraschallprüfkopf 20. Der Ultraschallprüfkopf 20 seinerseits umfasst einen Ultraschallwandler 22, der auf einem geeigneten Vorlaufkörper 26 angeordnet ist, welcher dazu vorgesehen ist, auf eine Oberfläche des Prüflings 10 aufgesetzt zu werden, die im Folgenden als Einkoppelfläche 12 bezeichnet wird. Der Vorlaufkörper 26 dient als Verschleißschutz und zur akustischen Ankopplung des Ultraschallwandlers 22 an den Prüfling 10, er kann beispielsweise aus Plexiglas^® bestehen. Der Ultraschallprüfkopf 20 kann dabei so ausgestaltet sein, dass er von einem Prüfer händisch über die Einkoppelfläche 12 des Prüflings 10 geführt wird, um dabei Informationen über Strukturen im Material des Prüflings 10 zu gewinnen. Der Ultraschallwandler 22 ist in eine Mehrzahl von Wandlersegmenten 24 unterteilt, die entweder kreisförmig oder ringförmig sind, oder Abschnitte von kreisförmigen- oder ringförmigen Wandlerelementen darstellen.
2 zeigt beispielhaft den segmentierten Ultraschallwandler 22 eines Ultraschallprüfkopfs 20, der grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt ist, sich aber zur Verwendung im Rahmen des hier vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Verfahrens als besonders geeignet erwiesen hat. Die Wandlersegmente 24 des Ultraschallwandlers 22 gemäß 2 sind dabei ringförmig ausgebildet, abgesehen vom zentralen Wandlersegment 2, welches kreisförmig ist. Der Radius r des zentralen Wandlersegments 24 stimmt dabei mit der Ringbreite S der nachfolgenden Wandlersegmente 24, 24‘, 24‘‘ und 24‘‘‘ überein. Alle Wandlersegmente 24, 24‘, 24‘‘ und 24‘‘‘ sind elektrisch voneinander isoliert und getrennt voneinander ansteuerbar. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden verschiedene Gruppen von Wandlersegmenten gemeinschaftlich angesteuert, so dass sich jeweils ein Ultraschallwandler 22 mit einer kreisförmigen aktiven Wandlerfläche mit dem Durchmesser Dj ergibt. Die Fläche der zwischen den Wandlersegmenten 24, 24‘, 24‘‘, 24‘‘‘ gelegenen kreisförmigen isolierenden Bereiche, die die verschiedenen Wandlersegmente 24 elektrisch voneinander isolieren, sind dabei vernachlässigbar klein gegenüber der Fläche der einzelnen Wandlersegmente 24, 24‘, 24‘‘, 24‘‘‘ ausgebildet.
Der Ultraschallwandler 22 kann aber beispielsweise aus einem plattenförmigen piezoelektrischen Material bestehen, welches oberseitig und unterseitig mit einer metallischen Elektrode versehen ist. Zur Ausbildung der unabhängig voneinander ansteuerbaren Wandlersegmente kann diese Elektrode zumindest auf einer der beiden Deckflächen des plattenförmigen Wandlermaterials strukturiert werden, um elektrisch voneinander isolierte Elektrodenbereiche auszubilden.
Die in 1 dargestellte Ansteuereinheit 30, welche in elektrischer Verbindung mit dem Ultraschallprüfkopf 20 steht, ist zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Bezugnehmend auf den aus den 2 ersichtlichen Ultraschallwandler 22 ist die Ansteuereinheit 30 also dazu ausgebildet, aus der Menge der Wandlersegmente 24, 24‘, 24‘‘,24‘‘‘ eine Gruppe j (j = 1, 2, 3, 4) auszuwählen, bei deren paralleler Ansteuerung sich eine kreisförmige aktive Fläche (F1, F2, F3, F4) des Ultraschallwandlers 22 ergibt. Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel besteht die erste Gruppe (j = 1) aus dem aus dem Wandlersegment 24, die zweite Gruppe (j = 2) aus dem Wandlersegmenten 24 und 24‘, die dritte Gruppe (j = 3) aus den Wandlersegmenten 24, 24‘ und 24‘‘, und die vierte Gruppe (j = 4) aus den Wandlersegmenten 24, 24‘, 24‘‘ und 24‘‘‘. Beträgt der Durchmesser D1 des zentralen Wandlersegments 24 mit der Fläche F1:D1 = 2 × r, so ist der Durchmesser D2 der aktiven kreisförmigen Fläche F2:D2 = 4 × r, der Durchmesser D3 der aktiven Fläche F3:D3 =6 × r, und der Durchmesser D4 der kreisförmigen aktiven Fläche F4:D4 = 8 × r.
Für den Ultraschallwandler 22 gemäß 2 erhält man für eine Ultraschallfrequenz von 2 MHz und eine Schallgeschwindigkeit im Prüfling von 5920 m/s folgende beispielhafte Werte für die Nahfeldlänge N der sich ausbildenden „effektiven Ultraschallwandler“:

Wandlerelemente Durchmesser D akustisch aktive Fläche [mm] Nahfeldlänge [mm]

24 10 8

24, 24‘ 20 34

24, 24‘, 24‘‘ 30 76

24, 24‘, 24‘‘, 24‘‘‘ 40 135
Nachdem nun von der Ansteuereinheit 30 eine erste Gruppe j, beispielsweise die Gruppe j = 1 bestehend aus dem einen Wandlersegment 24, ausgewählt wurde, steuert die Ansteuereinheit 30 ausschließlich dieses eine Wandlersegment 24 an. Dieses Wandlersegment 24 erzeugt dann eine Folge von kurzen Ultraschallpulsen, die durch den Vorlaufkörper 26 propagieren und über die Einkoppelfläche 12 in das Material des Prüflings 10 eintreten. Im Material des Prüflings 10 propagieren die Ultraschallpulse entlang der in 1 angedeuteten akustischen Achse A. Treffen die Ultraschallpulse im Material des Prüflings 10 beispielsweise auf eine Ungänze oder auf eine Rückwand des Prüflings, welche in 1 mit 16 bezeichnet ist, so werden sie zurückreflektiert und gelangen zurück zum Prüfkopf 20. Dessen Ultraschallwandler 22 fungiert dann als Empfänger nimmt die reflektierten Pulse als Pulsechos auf, wandelt sie in elektrische Signale um und übermittelt diese an die Ansteuereinheit 30. In der Ansteuereinheit 30 werden die empfangenen Echosignale aufbereitet, beispielsweise verstärkt und gefiltert, und auf einer Anzeigeeinrichtung 32, die im gezeigten Ausführungsbeispiel in das Gehäuse der Ansteuereinheit 30 integriert ist, zur Anzeige gebracht. In 1 ist auf der Anzeigeeinrichtung 32 ein sogenannter A-Scan dargestellt, bei dem die aufgenommene Echoamplitude über der Zeit dargestellt ist. Die weiterhin an der Ansteuereinheit 30 vorgesehenen Bedienelemente 34 dienen zur Bedienung der Ansteuereinheit 30 durch einen Benutzer, beispielsweise über eine Menüsteuerung.
Geht man nun von einem rotationssymmetrischen Ultraschallfeld aus, wie es beispielsweise von einem kreisförmigen Ultraschallwandler erzeugt wird, und bestimmt die Echoamplitude eines Referenzfehlers in Form einer ebenen Kreisscheibe, die senkrecht angeschallt wird, trägt dann die maximale Echoamplitude als Funktion des Abstands des Referenzfehlers vom Einschallort in einem Diagramm auf (oder äquivalent den Verstärkungsfaktor, der erforderlich ist, um die empfangene Echoamplitude auf eine vorgegebene Signalhöhe zu verstärken), und wiederholt dies für Referenzfehler verschiedener Durchmesser, so erhält man das sogenannte AVG-Diagramm. Dieses ist charakteristisch für den verwendeten Ultraschallprüfkopf, hier insbesondere den Durchmesser des akustisch aktiven Bereichs des Ultraschallwandlers, sowie die akustischen Eigenschaften des Materials des Prüflings. 4 stellt beispielhaft ein AVG-Diagramm für einen Referenzfehler (Kreisscheibe mit Durchmesser 10 mm) für den Prüfkopf 20 dar, der den in 2 dargestellten Ultraschallwandler 22 verwendet, wobei hier nur das zentrale Wandlerelement 24 angesteuert wird. Deutlich zu erkennen ist, dass sich praktisch für alle Fehlergrößen ein deutlich ausgeprägtes Maximum der Echoamplitude ergibt. Dieses fällt im Wesentlichen mit der Nahfeldlänge N des verwendeten Ultraschallprüfkopfs zusammen.
Wie einführend bereits ausgeführt, ist die Nahfeldlänge N durch die Lage des letzten Schalldruckmaximums auf der akustischen Achse A bestimmt. Unternimmt man nun Messungen nach der sogenannten AVG-Methode, so hat es sich herausgestellt, dass die mittels der AVG-Methode gefundenen Prüfergebnisse eine hohe Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit aufweisen, wenn das folgende Kriterium K beachtet wird: K:d > 0,7 × N wobei d die Tiefe des detektierten Fehlers im Material des Prüflings entlang der akustischen Achse A bezeichnet. Möchte man also oberflächennahe Fehler detektieren können, so muss bei der AVG-Methode ein Prüfkopf mit kurzer Nahfeldlänge verwendet werden, dass heißt ein Prüfkopf, dessen kreisförmiger Ultraschallwandler einen kleinen Durchmesser D aufweist. Wie aus dem AVG-Diagramm gemäß 4 aber ebenfalls ersichtlich ist, fällt die maximale Echoamplitude nach Durchlaufen des Maximums in der Nähe der Nahfeldlänge N mit zunehmender Entfernung zwischen Einkoppelort und Fehler deutlich ab. Verwendet man zur Messung mit der AVG-Methode also einen Ultraschallprüfkopf mit kleiner Nahfeldlänge, so erhält man für tief im Material des Prüflings liegende Fehler nur eine geringe Echoamplitude. Viele Prüfnormen schreiben aber für eine wirksame Ultraschallprüfung das Überschreiten einer minimalen Registriergrenze für die Fehlerdetektion vor, was mit einem Ultraschallprüfkopf geringer Nahfeldlänge aufgrund der zugrunde liegenden physikalischen Eigenschaften des zur Prüfung verwendeten Ultraschallfelds grundsätzlich nicht mehr möglich ist. In der Praxis musste daher der Prüfer zur Prüfung von tiefer liegenden Raumbereichen des Prüflings bislang auf einen Ultraschallprüfkopf ausweichen, dessen Nahfeldlänge größer war als die Nahfeldlänge des zuerst genannten Ultraschallprüfkopfs. Da nun für die Nahfeldlänge N gilt:
wobei λ die Wellenlänge des Schallfelds im Material des Prüflings ist und D der Durchmesser des kreisförmigen Ultraschallwandlers des Prüfkopfs, muss der Ultraschallwandler dieses zweiten Prüfkopfs einen größeren Durchmesser aufweisen als der des ersten Prüfkopfs. Sollten noch tieferliegende Raumbereiche des Prüflings geprüft werden, so musste auf einen dritten, einen vierten, einen fünften usw. Ultraschallprüfkopf ausgewichen werden, wobei der Durchmesser D der verwendeten Ultraschallwandler kontinuierlich zunehmen musste. Dieser erzwungene Prüfkopfwechsel war auf der einen Seite zeitaufwendig und damit mit Kostennachteilen verbunden, auf der anderen Seite ist ein Prüfkopfwechsel stets mit systematischen Messfehlern verbunden, die ebenfalls nachteilig sind.
Genau diese Nachteile vermeidet nun die erfindungsgemäß vorgeschlagene Verwendung des Prüfkopfs 20 gemäß des ersten Ausführungsbeispiels, dessen Ultraschallwandler in 2 dargestellt ist. In 3 ist exemplarisch das sich im Prüfling 10 ausbildende Ultraschallfeld 28 angedeutet, welches vom Prüfkopf 20 erzeugt wird, wenn die Ansteuereinheit 30 ausschließlich das zentrale Wandlersegment 24 zur Aussendung von Ultraschallpulsen anregt. Die Nahfeldlänge N1 dieses ersten „effektiven Ultraschallprüfkopfs“, welche dicht unterhalb der Einkoppelfläche 12 im Material des Prüflings 10 liegt, ist in 3 eingezeichnet. Ebenso ist eingezeichnet die Position d1 auf der akustischen Achse A, bei welcher das vorstehend genannte Kriterium K1:d1 > 0,7 × N1 für diesen ersten effektiven Ultraschallprüfkopf 20 erfüllt ist. Eine gültige Ultraschalluntersuchung ist mit diesem ersten effektiven Ultraschallprüfkopf 20 in dem Raumbereich R1 des Prüflings 10 möglich, in dem das vorgenannte Kriterium erfüllt ist.
Weiterhin ist in 3 das Ultraschallfeld 28‘‘‘ angedeutet, welches man erhält, wenn alle Wandlersegmente 24, 24‘, 24‘‘ und 24‘‘‘ des Ultraschallwandlers 22 parallel angesteuert werden. Die sich ausbildenden Nahfeldlänge N4 liegt im tief im Material des Prüflings 10, ebenso ist das vorgenannte Kriterium K4:d4 > 0,7 × N4 für einen deutlich tiefer liegenden Raumbereich R4 erfüllt.
Weiterhin sind in 3 die Nahfeldlängen N2 und N3 derjenigen effektiven Ultraschallprüfköpfe 20 eingezeichnet, die man erhält, wenn die Wandlersegmente 24 und 24‘ parallel angesteuert (N₂) werden beziehungsweise die Wandlersegmente 24, 24‘ und 24‘‘ (N3). Ebenso sind die Positionen d2 und d3 eingezeichnet, an denen die jeweiligen Kriterien K2 und K3 für die effektiven Ultraschallprüfköpfe 20‘‘, 20‘‘‘ erfüllt sind.
In der Praxis hat sich nun herausgestellt, dass man die bestmögliche Kombination aus maximaler Fehleramplitude und höchster Zuverlässigkeit beziehungsweise Reproduzierbarkeit der Ultraschallprüfung erhält, wenn für die Ultraschallprüfung das Material des Prüflings 10 entlang der akustischen Achse in virtuelle Raumbereiche R1, R2, R3, R4 zerlegt wird, wobei sich der Raumbereich R1 erstreckt von der Tiefe d1 = 0,7 × N1 bis zur Tiefe d2 = 0,7 × N2, der Raumbereich R2 von der Tiefe d2 = 0,7 × N2 bis d3 = 0,7 × N3 usw.. Die sich so ergebenden Raumbereiche R1, R2, R3 und R4 sind in 3 durch Schraffur angedeutet.
Die vorliegende Erfindung erlaubt es also, durch gezielte an Variation des Durchmessers D der akustisch aktiven Fläche des Ultraschallwandlers 22 die Nahfeldlänge N des Ultraschallprüfkopfs 20 zu variieren, so dass gezielt verschiedene Raumbereiche R des Prüflings 10 unter optimalen Bedingungen mittels der AVG-Methode geprüft werden können. Das AVG-Diagramm eines solchen Ultraschallprüfkopfs 20 mit variablem Wandlerdurchmesser D ergibt sich aus der Überlagerung der AVG-Diagramme der verschiedenen effektiven Ultraschallprüfköpfe 20 mit ihren jeweiligen effektiven Wandlerdurchmessern. Ein solches AVG-Diagramm ist exemplarisch in 5 dargestellt für den Ultraschallprüfkopf 20 gemäß des ersten Ausführungsbeispiels, der auf dem Ultraschallwandler 22 gemäß 2 basiert. Dargestellt sind hier das Rückwandecho und die Echoamplitude, die man für einen Referenzfehler mit einem Durchmesser von 2 Millimetern erhält. Zur Verdeutlichung ist der Verlauf der Echoamplitude für den ausgewählten Referenzfehler für den ersten effektiven Prüfkopf 20 mit dem kleinsten Wandlerdurchmesser D1 für einen großen Tiefenbereich dargestellt. Deutlich zu erkennen ist der starke Abfall der Empfindlichkeit für größere Entfernungen d vom Einkoppelort 14, sofern nur der effektive (kleine) Wandlerdurchmesser D1 genutzt wird. Weiterhin wird die deutliche Verbesserung der Signalamplitude sichtbar, die erzielt werden kann, indem bei der Erfüllung des Kriteriums K2:d2 > 0,7 × N2 der zweite effektive Ultraschallprüfkopf 20‘, (dessen Wandler 22‘ gebildet wird von den Wandlersegmenten 24 und 24‘), angesteuert wird. Ebenso ist dies angedeutet für den dritten und den vierten effektiven Ultraschallprüfkopf 20‘‘, 20‘‘‘. Auf diese Weise kann gegenüber dem ersten effektiven Ultraschallprüfkopf 20 eine Erhöhung der Signalamplitude um bis zu 20 Dezibel erreicht werden, was sonst ausschließlich über einen Wechsel des Ultraschallprüfkopfs möglich wäre.
Die in 2 dargestellte Wandlerkonfiguration mit ringförmigen Wandlersegmenten 24 gleichbleibender Ringbreite r dient hier im Wesentlichen zur Verdeutlichung der vorliegenden Erfindung. Ein weiteres Kriterium, welches aber vorteilhaft bei der Durchführung von Prüfaufgaben mittels der AVG-Methode zu beachten ist, besteht darin, dass das von einem segmentierten Ultraschallwandler 22, welcher von mehreren parallel angesteuerten Wandlersegmenten 24, 23‘, 24‘‘, 24‘‘‘ usw. gebildet wird, erzeugte Schallfeld im Wesentlichen identisch sein muss mit dem Schallfeld, welches von einem einstückigen kreisförmigen Ultraschallwandler 22 mit gleichem Durchmesser D Fläche erzeugt würde. Dies kann bei einem segmentierten Ultraschallwandler 22 dadurch erzielt werden, dass alle Wandlersegmente 24 bei der Schallerzeugung mit der gleichen Amplitude schwingen. Es hat sich nun herausgestellt, dass die vorstehend genannte Bedingung dann erfüllt ist, wenn alle Wandlersegmente 24 im Wesentlichen dieselbe elektrische Kapazität aufweisen. In der Regel bilden die Wandlersegmente 24 elektrische Kondensatoren mit einer bestimmten Kapazität C aus. In einer plattenförmigen Konfiguration des Ultraschallwandlers 22 ist die vorstehend genannte Bedingung in der Regel dann erfüllt, wenn die verschiedenen Wandlersegmente 24, 24‘, 24‘‘ usw. dieselbe Fläche aufweisen.
6 zeigt nun ein zweites Ausführungsbeispiel eines Ultraschallwandlers 22, dessen einzelne Wandlersegmente 24, 24‘, 24‘‘ usw. eine nach außen abnehmende Ringstärke Si aufweisen, so dass die Flächen F1, F2, F3, ... der Wandlersegmente 24, 24‘, 24‘‘, 24‘‘‘, ... im Wesentlichen identisch sind. Diese spezielle Ringkonfiguration ist aus der Optik auch als „Zonenplatte“ bekannt und hat den besonderen Vorteil, dass alle Wandlersegmente bei einer parallelen Ansteuerung mit der selben Amplitude senden.
Möchte man andererseits erreichen, dass die Stärke si der Raumbereiche Ri, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geprüft werden können, im wesentlichen konstant ist, so muss dafür gesorgt werden, dass bei einem Übergang von einem beliebigen effektiven Ultraschallwandler 22i, der von der Gruppe i von Wandlersegmenten 24 gebildet wird, zum effektiven Ultraschallwandler 22 (i + 1), der von der Gruppe (i + 1) von Wandlersegmenten 24 gebildet wird, die Nahfeldlänge N linear mit i anwächst. Aufgrund des Zusammenhangs
ist dies genau dann erfüllt, wenn bei einem Übergang von Ultraschallwandler 22i zum Ultraschallwandler 22 (i + 1) der Durchmesser D im Wesentlichen proportional ist zu Quadratwurzel von i. Hieraus kann unmittelbar die Ringstärke S, S‘, S‘‘, S‘‘‘, ... der aufeinander abfolgenden einzelnen Wandlersegmente 24, 24‘, 24‘‘, 24‘‘‘ ... in einer in den Figuren nicht dargestellten weiteren bevorzugten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Ultraschallprüfkopfs bestimmt werden.
Die unter der o.g. Bedingung bestimmten kreisringförmigen Wandlersegmente 24, 24‘, 24‘‘, 24‘‘‘ ... weisen jedoch nicht dieselbe Fläche F, F‘, F‘‘, F‘‘‘ ... auf. Daher ist hier das weitere Kriterium, dass die Kapazität der einzelnen Wandlersegmente 24 im Wesentlichen gleich sein soll, nicht erfüllt. Dieses Kriterium kann aber dadurch erfüllt werden, dass die einzelnen Kreis- bzw. ringförmigen Wandlersegmente 24 nochmals in kleinere, einzeln ansteuerbare Wandlerelemente 25 zerlegt werden, die dann alle im Wesentlichen dieselbe Fläche und damit dieselbe Kapazität aufweisen. Ein solcher Ultraschallwandler 22 gemäß dieses dritten bevorzugten Ausführungsbeispiels ist in 7 schematisch dargestellt. In der Praxis wird eine Zerlegung der einzelnen Wandlersegment 24 in deutlich kleinere Wandlerelemente 25 erforderlich sein, um das zusätzliche Kriterium identischer Flächen der Wandlerelemente 24 mit ausreichender Genauigkeit erfüllen zu können.
Die sich bei der Verwendung eines solchen Ultraschallwandlers 22 ergebende Zerlegung des Volumens des Prüflings 10 in Raumbereiche R1, R2, R3, ... ist exemplarisch in 8 angedeutet. Aus dieser ist ersichtlich, dass die einzelnen Raumbereiche R1, R2, ... im Wesentlichen alle dieselbe Stärke aufweisen. Damit kann praktisch über die gesamte Stärke S des Prüflings 10 eine gleichbleibende Auflösung erzielt werden. Zugleich ist das von den Wandlergruppen i, j, ... erzeugte Ultraschallfeld im Wesentlichen identisch mit dem Ultraschallfeld, welches von einem kreisförmigen Ultraschallwandler mit jeweils gleichem Durchmesser erzeugt wird.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
10: Prüfling
12: Einkoppelfläche
14: Einkoppelort
16: Rückwand
20: Ultraschallprüfkopf
22: Ultraschallwandler
24: Wandlersegment
25: Wandlerelement
26: Vorlaufkörper
28: Ultraschallfeld
30: Ansteuereinheit
32: Anzeigeeinrichtung
34: Bedienelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 583-2 [0007]
DIN 54 125 [0007]
Norm DIN EN 16 018 [0013]
EN 583-2 [0017]
DIN EN 583-2 [0022]

Claims

Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings (10) hoher Materialstärke mittels Ultraschall, die folgenden Verfahrensschritte aufweisend: a. Bereitstellen eines Ultraschallprüfkopfs (20) mit einem Ultraschallwandler (22), der in eine Mehrzahl von einzeln ansteuerbaren Wandlersegmenten (24) aufgeteilt ist, wobei die Wandlersegmente (24) konzentrische Kreise oder Ringe, oder Abschnitte davon, sind, b. Auswählen einer ersten Gruppe j (j = 1, 2, 3, ...) von Wandlersegmenten (24) dergestalt, dass sich bei einer parallelen Ansteuerung dieser Wandlersegmente (24) eine kreisförmige aktive Fläche Fj des Ultraschallwandlers (22) ergibt, und c. Durchführen einer Ultraschallprüfung des Prüflings (10) mit der ersten Gruppe j (j = 1, 2, 3, ...) von Wandlersegmenten (24), wobei diese parallel angesteuert werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ausführung des Verfahrens ein vorbestimmtes Kriterium K erfüllt sein muss, welches vom Ultraschallfeld abhängt, das von der aktiven Fläche Fj des Ultraschallwandlers (22) erzeugt wird, die folgenden weiteren Verfahrensschritte aufweisend: a. Auswählen der ersten Gruppe j (j = 1, 2, 3, ...) der parallel angesteuerten Wandlersegmente dergestalt, dass das von der aktiven Fläche Fj des Ultraschallwandlers (22) erzeugte Ultraschallfeld das Kriterium K erfüllt.
Verfahren gemäß Anspruch 2, durch folgende weitere Verfahrensschritte gekennzeichnet: a. Auswahl eines zu prüfenden Raumbereichs Rj des Prüflings (10), b. Auswählen der ersten Gruppe j (j = 1, 2, 3, ...) der parallel angesteuerten Wandlersegmente dergestalt, dass das von der aktiven Fläche Fj des Ultraschallwandlers (22) erzeugte Ultraschallfeld im Raumbereich Rj das Kriterium K erfüllt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallprüfung nach der AVG-Methode durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kriterium K erfüllt ist, wenn gilt: dj ≥ 0,7 × Nj wobei dj der der minimale Abstand des zu prüfenden Raumbereichs Rj vom Einkoppelort (14) des Ultraschalls entlang des Schallwegs im Prüfling (10) und Nj die Nahfeldlänge der von der ersten Gruppe j (j = 1, 2, 3, ...) von Wandlersegmenten (24) gebildeten aktiven Fläche Fj des Ultraschallwandlers (22) von ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallprüfung nach der DAC-Methode durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch folgende weitere Verfahrensschritte gekennzeichnet: a. Vorgabe einer zu prüfenden Materialstärke S des Prüflings (10), b. Zerlegung der zu prüfenden Materialstärke S des Prüflings (10) in eine Mehrzahl von Raumbereichen Ri (i = 1, 2, 3, ...), die in Ausbreitungsrichtung des Ultraschalls im Prüfling (10) hintereinander angeordnet sind, c. Auswahl des zu prüfenden Raumbereichs Rj aus den Raumbereichen Ri.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren für verschiedene Raumbereiche Rj, k ausgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Raumbereiche Rj, k in Schallausbreitungsrichtung im Wesentlichen dieselbe Ausdehnung haben.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung unterschiedlicher Raumbereiche Ri, j des Prüflings (10) elektronische Blenden verwendet werden.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Ultraschallprüfung vom selben Einkoppelort (14) aus durchgeführt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlersegmente (24) des Ultraschallwandlers (22) des bereitgestellten Ultraschallprüfkopfs (20) so dimensioniert sind, dass der Durchmesser Dm der kreisförmigen aktiven Fläche Fm des Ultraschallwandlers (22), die von einer ausgewählten Gruppe m von Wandlersegmenten (24) ausgebildet wird, im Wesentlichen proportional ist zur Quadratwurzel von m.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlersegmente (24) im Wesentlichen dieselbe Fläche f aufweisen.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das spezielle AVG-Diagramm (34j) für den Ultraschallwandler (22) mit der kreisförmigen aktiven Fläche Fj, die von der ausgewählten Gruppe j von Wandlersegmenten (24) ausgebildet wird, aus dem allgemeinen AVG-Diagramm (34) berechnet wird.
Ultraschallprüfkopf (20) für die zerstörungsfreie Prüfung eines Prüflings (10) mittels Ultraschall, mit einem Ultraschallwandler (22), der in eine Mehrzahl von einzeln ansteuerbaren Wandlersegmenten (24) aufgeteilt ist, wobei die Wandlersegmente (24) konzentrische Kreise oder Ringe, oder Abschnitte davon, sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlersegmente (24) so dimensioniert sind, dass der Durchmesser Dm der kreisförmigen aktiven Fläche Fm des Ultraschallwandlers (22), die von einer Gruppe m (m = 1, 2, 3, ...) von Wandlersegmenten (24) ausgebildet wird, im Wesentlichen proportional ist zur Quadratwurzel von m.
Ultraschallprüfkopf (20) gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlersegmente (24) im Wesentlichen dieselbe Fläche f aufweisen.
Verwendung eines Ultraschallprüfkopfs (20) für die zerstörungsfreie Prüfung eines Prüflings (10) mittels Ultraschall, wobei der Ultraschallprüfkopf (20) einen Ultraschallwandler (22) aufweist, der in eine Mehrzahl von einzeln ansteuerbaren Wandlersegmenten (24) aufgeteilt ist, und wobei die Wandlersegmente (24) konzentrische Kreise oder Ringe, oder Abschnitte davon, sind, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
Ansteuereinheit (30) für einen Ultraschallprüfkopf (20) für die zerstörungsfreie Prüfung eines Prüflings (10) mit hoher Materialstärke mittels Ultraschall, wobei der Ultraschallprüfkopf (20) einen Ultraschallwandler (22) aufweist, der in eine Mehrzahl von einzeln ansteuerbaren Wandlersegmenten (24) aufgeteilt ist, wobei die Wandlersegmente (24) konzentrische Kreise oder Ringe, oder Abschnitte davon, sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinheit (30) dazu eingerichtet ist; einer ersten Gruppe j (j = 1, 2, 3, ...) von Wandlersegmenten (24) dergestalt parallel anzusteuern, dass sich eine kreisförmige aktive Fläche Fj des Ultraschallwandlers (22) ergibt.
Ansteuereinheit (30) gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinheit: a. zur Ausführung eines Ultraschallprüfverfahrens eingerichtet ist, bei dessen Ausführung ein vorbestimmtes Kriterium K erfüllt sein muss, welches vom Ultraschallfeld abhängt, das von der aktiven Fläche Fj des Ultraschallwandlers (22) erzeugt wird, und b. dazu eingerichtet ist, eine erste Gruppe j (j = 1, 2, 3, ...) von Wandlersegmenten (24) auszuwählen, bei deren paralleler Ansteuerung sich eine kreisförmige aktive Fläche Fj des Ultraschallwandlers (22) ergibt, wobei das von der aktiven Fläche Fj des Ultraschallwandlers (22) erzeugte Ultraschallfeld das Kriterium K erfüllt.
Vorrichtung (1) für die zerstörungsfreie Prüfung eines Prüflings (10) mittels Ultraschall, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) folgendes umfasst: a. einen Ultraschallprüfkopf (20) mit einem Ultraschallwandler (22), der in eine Mehrzahl von einzeln ansteuerbaren Wandlersegmenten (24) aufgeteilt ist, wobei die Wandlersegmente (24) konzentrische Kreise oder Ringe, oder Abschnitte davon, sind, und b. eine Ansteuereinheit (30) gemäß Anspruch 19.