DE602005002534T2

DE602005002534T2 - Bestimmung der Fläche einer lateralen Schattenzone in einem Ultraschallprüfungsverfahren

Info

Publication number: DE602005002534T2
Application number: DE602005002534T
Authority: DE
Inventors: Jean-Yves Francois Roger Chatellier; Richard Michaël Coulette
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2005-01-06
Filing date: 2005-12-20
Publication date: 2008-06-19
Anticipated expiration: 2025-12-21
Also published as: FR2880425B1; DE602005002534D1; EP1705483A1; US20060179947A1; FR2880425A1; EP1705483B1; US7415865B2

Description

Diese Erfindung betrifft die Bestimmung der Ausdehnung einer seitlichen Schattenzone, die einer Kante eines Werkstücks entspricht, in einem Verfahren der Untersuchung des Werkstücks in einem Bad mittels eines Ultraschallbündels.
Die Untersuchung eines Werkstücks in einem Bad mittels eines Ultraschallbündels ermöglicht es, Fehler wie beispielsweise Blasen, Einschlüsse usw. in dem Werkstück zu erkennen.
Diese Technik wird unter Verwendung einer mit einer Flüssigkeit zum akustischen Koppeln wie z. B. Wasser gefüllten Wanne mit einem Ultraschallerzeuger wie beispielsweise einem elektroakustischen Schallkopf eingesetzt, der in das Wasser getaucht wird und so auf das zu untersuchende Werkstück ausgerichtet wird, dass er senkrecht auf eine von dessen Oberflächen gerichtet ist, wobei der Schallkopf von dieser Oberfläche des Werkstücks durch eine Wasserhöhe getrennt ist, die mit „Wassersäule" bezeichnet wird.
Der Schallkopf sendet ein Bündel Ultraschallwellen aus, die zu einem Teil von der Oberfläche des Werkstücks reflektiert werden und zu einem Teil ins Innere des Werkstücks geleitet werden, wobei die eingeleiteten Ultraschallwellen auf ihrer Bahn auf einen inneren Fehler stoßen können, der geeignet ist, sie zu reflektieren. Die von diesen Reflexionen herrührenden Echos werden von dem Schallkopf, der auch als Empfänger funktioniert, eingefangen, und ihre Amplituden zeigen die Größe der entdeckten Fehler an.
In der Schrift US 3.969.926 ist eine solche Vorrichtung zur zerstörungsfreien Untersuchung eines Werkstücks in einem Bad mittels eines Ultraschallbündels beschrieben.
In der Praxis bedeutet die Untersuchung eines Werkstücks eine relative Verschiebung zwischen dem Werkstück und dem Schallkopf oder eine Reihe von Schallköpfen, um ein Abtasten des Werkstücks durch einen oder mehrere Ultraschallbündel ausführen zu können.
Wenn ein Ultraschallbündel einer Kante des Werkstücks immer mehr angenähert wird, gerät ein immer größerer Teil des Querschnitts dieses auf der Oberfläche des Werkstücks auftreffenden Bündels über die Kante des Werkstücks hinaus, so dass ein Teil der Energie des Bündels außerhalb des Werkstücks strahlt und nicht von einem Fehler in dem von dem Bündel bestrahlten Teil des Werkstücks reflektiert wird.
In Folge dessen wird der Fehler in Form eines Echos erkannt, jedoch mit einer immer geringer werdenden Amplitude, wenn das Ultraschallbündel der Kante des Werkstücks angenähert wird, wobei diese Amplitude gleich Null wird, sobald das Ultraschallbündel das Werkstück nicht mehr trifft.
Der Teil des Werkstücks, in dem die Amplitude des Echos bei der Reflexion des Bündels an einem Fehler auf Grund dieses Phänomens kleiner wird, ist ein Bereich, der mit den bekannten Verfahren nicht untersucht werden kann; er wird seitliche Schattenzone oder tote Zone des Werkstücks genannt. Beim Stand der Technik ist es nicht möglich, die genaue Ausdehnung dieser toten Zone in irgendeiner Tiefe in dem Werkstück zu bestimmen, man muss ihr daher aus Vorsicht einen Maximalwert zurechnen, beispielsweise von 12 Millimeter, selbst wenn sie in Wirklichkeit viel geringer sein kann, beispielsweise zweimal so klein, so dass sich daraus ein relativ bedeutender Materialverlust ergibt.
Diese Erfindung hat insbesondere zur Aufgabe, die seitliche Schattenzone eines Werkstücks in einem Ultraschall-Untersuchungsverfahren zu bestimmen, wobei diese Bestimmung präzise, zuverlässig und einfach durchzuführen ist.
Zu diesem Zweck wird mit ihr ein Verfahren zur Bestimmung der Ausdehnung einer seitlichen Schattenzone vorgeschlagen, die einer Kante eines Werkstücks entspricht, in einem Verfahren der Untersuchung des Werkstücks in einem Bad mittels mindestens eines Ultraschallbündels, das von einem Schallkopf abgegeben wird, der senkrecht auf eine Oberfläche des Werkstücks gerichtet ist, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass es darin besteht, die Ausdehnung der Schattenzone ab der Kante des Werkstücks durch Messen des wirksamen Querschnitts des Ultraschallbündels auf der Oberfläche des Werkstücks zu bestimmen, wobei die Ausdehnung der Schattenzone bei einem bestimmten Abstand zwischen dem Schallkopf und der Oberfläche des Werkstücks gleich dem Radius eines wirksamen Querschnitts des Ultraschallbündels auf der Oberfläche des Werkstücks ist, und diesen wirksamen Querschnitt aus Änderungen der Amplitude eines Echos des Bündels in Abhängigkeit vom Abstand der Achse des Bündels zu der Kante des Werkstücks zu bestimmen.
Die Erfindung beruht auf der Feststellung, dass die seitliche Schattenzone nicht an den Durchmesser mit –6dB des Brennpunktflecks des Bündels gebunden ist, der sich hyperbolisch mit der Tiefe in dem Werkstück ändert, sondern an den Querschnitt eines vom Schallkopf abgegebenen Energiekonus, dessen Durchmesser oder Radius sich linear mit der Tiefe in dem Werkstück ändert.
Auf einfache Weise kann der Querschnitt des Energiekonus oder wirksame Querschnitt des Ultraschallbündels aus Amplitudenänderungen eines Echos des Bündels in Abhängigkeit von dem Abstand zwischen der Achse des Bündels und der Kante des Werkstücks bestimmt werden.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird der wirksame Querschnitt des Bündels an der Oberfläche des Werkstücks bei konstantem Abstand zwischen dem Schallkopf und der Oberfläche des Werkstücks durch Messen der Änderung der Amplitude des Echos beim Reflektieren des Bündels an der Oberfläche des Werkstücks in Abhängigkeit von dem Abstand zwischen der Achse des Bündels und der Kante des Werkstücks bestimmt.
Das Verfahren besteht beispielsweise darin, einen Abstand d₁ zwischen der Achse des Bündels und der Kante des Werkstücks zu messen, ab dem, wenn der Abstand d₁ zur Kante des Werkstücks kleiner wird, die Amplitude des Echos anfangt abzunehmen, einen Abstand d₂ zwischen der Achse des Bündels und der Kante des Werkstücks zu messen, bei dem diese Amplitude Null wird, und die Abmessung der Schattenzone ab der Kante des Werkstücks durch Berechnen des Werts (d₁ + d₂)/2 zu erzielen. In der Praxis wird der Abstand der Achse des Bündels zu der Kante des Werkstücks gemessen, wenn die Amplitude des Echos gleich einem kleinen Bruchteil, beispielsweise einigen Prozenten des Maximalwerts dieser Amplitude entspricht, und es wird durch Extrapolieren der Abstand d₂ zwischen der Achse des Bündels und der Kante des Werkstücks gemessen, bei dem diese Amplitude gleich Null ist.
Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird der Schallkopf außerhalb der Schattenzone senkrecht auf die Oberfläche des Werkstücks gerichtet, und ein Umlenkelement des Bündels wird auf der Oberfläche des Werkstücks in einer Vorschubbewegung entlang einer Achse, die die Achse des Ultraschallbündels schneidet, verschoben, wobei das Verfahren darin besteht, die Positionen dieses Elements, bei denen die Amplitude des Echos des Bündels beim Reflektieren des Bündels an der Oberfläche des Werkstücks zwischen einem Maximalwert und einem Wert Null variiert, aufzunehmen.
Vorteilhafterweise wird mit dieser Erfindung in diesem Fall auch vorgeschlagen, die Emissionsachse des Schallkopfs auf ein Vergleichsmaßloch, das in dem Werkstück außerhalb der Schattenzone gebildet ist, auszurichten, und die Amplitudenänderung des Echos beim Reflektieren des Bündels auf dem Boden des Vergleichsmaßlochs beim fortschreitenden Einfangen des Bündels durch das Umlenkelement zu messen.
Das Umlenkelement ist beispielsweise ein Prisma, das mindestens eine Reflexionsseite aufweist, die zur Oberfläche des Werkstücks und zur Achse des Bündels geneigt ist, beispielsweise im 45°-Winkel.
Das Verfahren kann darin bestehen, die beiden der Achse des Ultraschallbündels diametral gegenüberliegenden Positionen des Prismas aufzunehmen, bei denen die Amplitude des Echos beim Reflektieren des Bündels an der Oberfläche des Werkstücks beginnt, sich von einem Maximalwert aus zu verringern, wenn das Prisma der Achse des Bündels angenähert wird, und die Hälfte des Abstands zwischen diesen beiden Positionen zu berechnen, um die Ausdehnung der seitlichen Schattenzone zu erhalten.
Bei einer dritten Ausführungsform der Erfindung besteht das Verfahren darin, die Abmessung der seitlichen Schattenzone an einem Vergleichsmaßwerkstück zu bestimmen, das identische Löcher mit flachem Boden aufweist, die mit der gleichen Tiefe und in unterschiedlichen Abständen von der Kante des Werkstücks ausgeführt sind, wobei sich das eine dieser Löcher außerhalb der Schattenzone befindet und die anderen Löcher sich innerhalb dieser Schattenzone befinden, ferner den Schallkopf nacheinander auf jedes Loch auszurichten und die Amplitude des Echos beim Reflektieren des Bündels am Boden des Lochs zu messen, die Kurve der Änderung dieser Amplitude zwischen einem Maximalwert und einem Null-Wert in Abhängigkeit vom Abstand zwischen den Achsen der Löcher und der Kante des Werkstücks zu konstruieren, und daraus die Abmessung der Schattenzone abzuleiten, die gleich dem Wert des Abstands ist, bei dem die genannte Amplitude beginnt, sich zu verringern, wenn sich der Abstand der Achsen der Löcher von der Kante des Werkstücks verringert.
Bei einer vierten Ausführungsform der Erfindung besteht das Verfahren darin, eine Variationsgerade des Radius' des wirksamen Querschnitts des Ultraschallbündels in Abhängigkeit von der Eindringtiefe dieses Bündels in das Werkstück zu konstruieren, und zwar aus einem Anfangswert des Radius, der einem Null-Abstand zwischen dem Schallkopf und dem Werkstück, bei dem der Radius des wirksamen Querschnitts auf der Oberfläche des Werkstücks gleich dem Radius des Schallkopfs ist, entspricht, und aus einem Endwert des Radius bei einer Tiefe in dem Werkstück, die dem Brennpunktabstand des Schallkopfs entspricht.
Das Verfahren besteht sodann darin, die Ausdehnung der seitlichen Schattenzone bei einem gegebenen Abstand zwischen dem Schallkopf und dem Werkstück und bei einer gegebenen Tiefe in dem Werkstück mittels der Differenz zwischen dem Radius des wirksamen Querschnitts dieses Bündels auf der Oberfläche des Werkstücks und dem Radius des wirksamen Querschnitts in der fraglichen Tiefe zu berechnen.
In der Praxis kann der Endwert des Radius des wirksamen Querschnitts des Bündels bestimmt werden, indem der Schallkopf in einen Abstand von der Oberfläche des Werkstücks gebracht wird, der seinem Brennpunktabstand entspricht, und indem der Radius des wirksamen Querschnitts des Bündels an der Oberfläche des Werkstücks gemessen wird, wie oben angeführt.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung hervor, die als nicht einschränkendes Beispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erfolgt, wobei
1 in einer schematischen Schnittansicht eine Vorrichtung zur Untersuchung eines Werkstücks in einem Bad mittels eines Ultraschallbündels zeigt,
2 bis 4 in schematischen Ansichten einer Oberfläche des Werkstücks eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der Ausdehnung einer seitlichen Schattenzone zeigen,
5 in einer Grafik die Entwicklung der Amplitude eines Echos des Bündels in Abhängigkeit von der Position der Achse des Ultraschallbündels in Bezug zu der Kante des Werkstücks darstellt,
6 und 7 in schematischen Schnittansichten des Werkstücks eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigen,
8 in einer Grafik die Entwicklung der Amplitude eines Echos des Bündels in Abhängigkeit von der Position einer Kante eines auf der Oberfläche des Werkstücks verschobenen Elements in Bezug zu der Achse des Ultraschallbündels darstellt,
9 in einer schematischen Ansicht einer Oberfläche des Werkstücks eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt,
10 in einer Grafik die Entwicklung der Amplitude eines Echos des Bündels in Abhängigkeit vom Abstand von Löchern in dem Werkstück zu dessen Kanten darstellt,
11 in einer Grafik die Entwicklung des Radius des wirksamen Querschnitts des Ultraschallbündels in Abhängigkeit von der Eindringtiefe dieses Bündels darstellt.
1 zeigt schematisch eine Vorrichtung 10 zur Untersuchung eines Werkstücks 12 im Bad mittels eines Ultraschallbündels, die eine mit Wasser 16 gefüllte Wanne 14 umfasst, in der das zu untersuchende Werkstück 12 sowie ein elektroakustischer Schallkopf 18 untergetaucht werden, welcher senkrecht auf eine Oberfläche 22 des Werkstücks 12 ausgerichtet wird und der ein Ultraschallwellenbündel 20 erzeugt, wobei der Schallkopf 18 von dieser Oberfläche 22 des Werkstücks durch eine Höhe Wasser getrennt ist, die mit „Wassersäule" 24 bezeichnet wird.
Der Schallkopf 18 ist mit nicht dargestellten Steuermitteln wie einem Mikrorechner sowie mit Mitteln zur Erzeugung von Impulsen verbunden.
Die abgegebenen Ultraschallwellen werden zu einem Teil an der Oberfläche 22 des Werkstücks reflektiert und zu einem Teil in dessen Inneres eingeleitet, wobei die in das Werkstück 12 eingeleiteten Ultraschallwellen auf ihrer Bahn auf einen Fehler stoßen können, der geeignet ist, sie zu reflektieren. Ein Fehler ist beispielsweise eine Luftblase, ein Einschluss usw., und wird schematisch durch ein Loch 28 dargestellt, dessen flacher Boden 30 sich auf der Seite der Oberfläche 22 des Werkstücks befindet, wobei das Loch in die untere Oberfläche des Werkstücks 12 mündet.
Die Echos, die durch die Reflexion der Ultraschallwellen von der Oberfläche 22 des Werkstücks und/oder von den Fehlern in dem Werkstück 12 entstehen, werden von dem Schallkopf 18 eingefangen und werden aufgezeichnet und an Mitteln 32 zur optischen Darstellung ihrer Amplituden, wie beispielsweise einem Oszilloskop, welche mit dem Schallkopf 18 verbunden sind, angezeigt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, die Ausdehnung einer seitlichen toten Zone oder Schattenzone, die einer Kante 34 des Werkstücks 12 entspricht, mit Genauigkeit zu bestimmen, wobei diese Schattenzone ein Teil dieses Werkstücks 12 ist, in dem sich die Amplitude des Echos, das durch die Reflexion des Ultraschallbündels von einem Fehler entsteht, auf Grund des zuvor beschriebenen Phänomens verringert.
Erfindungsgemäß ist die seitliche Schattenzone nicht an den Durchmesser mit –6dB des Brennpunktflecks des Bündels 20 gebunden, der sich hyperbolisch, wie mit 36 dargestellt, mit der Tiefe in dem Werkstück 12 ändert, sondern an den Querschnitt eines vom Schallkopf 18 abgegebenen Energiekonus 38, dessen Radius sich linear mit der Tiefe in dem Werkstück ändert.
Die Ausdehnung der Schattenzone kann mit der Abmessung des wirksamen Querschnitts des Ultraschallbündels 20 auf der Oberfläche 22 des Werkstücks verbunden und dieser wirksame Querschnitt aus Amplitudenänderungen eines Echos des an der Oberfläche des Werkstücks reflektierten Bündels 20 in Abhängigkeit von dem Abstand zwischen der Achse 40 des Bündels 20 und der Kante 34 des Werkstücks bestimmt werden.
Bei der ersten Ausführungsform, die in den 2 bis 4 dargestellt ist, wird der Schallkopf 18 von der Oberfläche 22 des Werkstücks durch eine Wassersäule 24 von vorbestimmtem Wert getrennt und wird senkrecht auf die Oberfläche 22 des Werkstücks und in einem Ausreichenden abstand zu dessen Kanten ausgerichtet. Die Amplitude des Echos beim Reflektieren des Bündels 20 an der Oberfläche 22 des Werkstücks wird gemessen. In der Praxis kann diese Amplitude auf 80 % der Bildschirmhöhe der Mittel 32 eingestellt werden, um die optische Darstellung der Amplitudenänderung der Echos zu erleichtern.
Der Schallkopf 18 wird sodann gemäß dem Pfeil 42 in einer Vorschubbewegung über dem Werkstück 12 auf die Kante 34 des Werkstücks zu und parallel zur Oberfläche 22 des Werkstücks verschoben, und es wird die Position aufgenommen, bei der die Amplitude des Echos beim Reflektieren an der Oberfläche 22 des Werkstücks beginnt, sich von einem Maximalwert aus zu verringern, und sodann die Position, bei der diese Amplitude im Wesentlichen Null wird.
Die Position des Schallkopfs 18 wird von der Position der Achse 40 des Bündels 20 auf einer Achse X, die gemäß dem Pfeil 42 ausgerichtet ist, und deren Anfang sich im Bereich der Kante 34 des Werkstücks befindet, aus aufgenommen.
In 2 befindet sich die Achse 40 des Bündels in einer Position X₁, bei der die Kante 34 des Werkstücks tangential zu dem wirksamen Querschnitt 44 des Ultraschallbündels 20 auf der Oberfläche 22 des Werkstücks verläuft, und die Amplitude des Echos beim Reflektieren des Bündels an der Oberfläche 22 des Werkstücks einen Wert von im Wesentlichen gleich dem Maximalwert hat. Man definiert mit d₁ den Abstand zwischen der Achse 40 des Bündels und der Kante 34 des Werkstücks, der gleich |X₁| ist.
In 3 wurde der Schallkopf 18 in eine Position verschoben, bei der ein Teil der Energie des Bündels 20 außerhalb des Werkstücks 12 abgegeben wird, so dass die Amplitude des Echos beim Reflektieren des Bündels an der Oberfläche 22 des Werkstücks einen Wert hat, der geringer als der Maximalwert ist.
In 4 wurde der Schallkopf 18 in eine Position X₂ verschoben, bei der das Bündel außerhalb des Werkstücks 12 abgegeben wird, wobei der wirksame Querschnitt des Ultraschallbündels 20 in der Ebene der Oberfläche 22 des Werkstücks von außen tangential zur Kante 34 verläuft, so dass die Amplitude des Echos beim Reflektieren des Bündels an der Oberfläche 22 des Werkstücks im Wesentlichen gleich Null ist. Man definiert mit d₂ den Abstand zwischen der Achse 40 des Bündels und der Kante 34 des Werkstücks, der gleich |X₂| ist.
5 zeigt eine Grafik, in der die Kurve C1 der Änderung der Amplitude des Echos beim Reflektieren des Bündels 20 an der Oberfläche 22 des Werkstücks in Abhängigkeit von der Position der Achse 40 des Bündels in Bezug zur Kante 34 des Werkstücks entlang der Achse X dargestellt ist. Um diese Kurve zu konstruieren, werden die Werte der Amplitude des Echos bei den Positionen X₁ und X₂ und bei einer bestimmten Anzahl von Zwischenpositionen gemessen.
Die Amplitude verringert sich von ihrem Maximalwert aus, der der Position X₁ entspricht, bis zu einem Null-Wert oder im Wesentlichen Null, der der Position X₂ entspricht.
Die Abmessung der Schattenzone ist gleich dem Radius R des wirksamen Querschnitts 44 des Ultraschallbündels 20 auf der Oberfläche des Werkstücks, der durch folgenden Ausdruck bestimmt ist: R = (d1 + d2)/2
Bei dem in 5 dargestellten Beispiel beträgt bei einem Wert der Wassersäule 24 von 40,8 mm zwischen einem Schallkopf Panametrics V322–239 440 der Brennweite F = 8 Zoll und der Oberfläche 22 des Werkstücks 12 die Abmessung der Schattenzone: R = (d1 + d2)/2 = (|X1| + |X2|)/2 = (7,26 mm + 5,6 mm)/2 = 6,43 mm
In der Praxis kann es sich als schwierig erweisen, die Werte von X₁ und insbesondere von X₂ mit Genauigkeit zu erzielen. Sie können durch Extrapolieren bestimmt werden, indem geeignete Mittel zur Berechnung linearer oder polynomischer Regression der experimentell erhaltenen Kurve verwendet werden.
Insbesondere führt man die Messung der Amplitude des Echos nicht bei der Position X₂ durch, sondern bei einer benachbarten Position X₃, bei der die Amplitude beispielsweise gleich 5 % ihres Maximalwerts beträgt. Sodann verlängert setzt man die Kurve C1 durch Extrapolieren bis zu X₂ fort.
Bei einer zweiten Ausführungsform, die in den 6 und 7 dargestellt ist, wird der Schallkopf 18 von der Oberfläche 22 des Werkstücks durch eine Wassersäule 24 von vorbestimmtem Wert getrennt und wird senkrecht auf die Oberfläche 22 des Werkstücks ausgerichtet. Die Amplitude des Echos beim Reflektieren an der Oberfläche 22 außerhalb der Schattenzone wird gemessen, und ihre Anzeige wird auf 80 % der Bildschirmhöhe eingestellt.
Ein Umlenkelement 46 des Bündels 20 wird auf die Oberfläche 22 des Werkstücks gesetzt und in Richtung der Achse 40 des Ultraschallbündels 20 verschoben, um einen Teil dieses Bündels aus dem Empfangsbereich des Schallkopfs 18 herauszuführen.
Bei dem dargestellten Beispiel ist das Umlenkelement 46 ein Prisma, das mindestens eine Reflexionsseite 48 aufweist, die zur Oberfläche 22 des Werkstücks und zur Achse 40 des Bündels geneigt ist, beispielsweise im 45°-Winkel, wobei diese Seite 48 mit einer Kante 50 endet, die sich in Kontakt mit der Oberfläche 22 des Werkstücks befindet.
Das Prisma 46 wird gemäß dem Pfeil 52 entlang einer Achse verschoben, die die Achse 40 des Ultraschallbündels 20 schneidet, und zwar zwischen zwei Extrempositionen, wobei das Prisma 46 in der einen außerhalb tangential an dem wirksamen Querschnitt des Bündels auf der Oberfläche 22 des Werkstücks liegt, wie in 6 dargestellt, wo sich das Prisma 46 in der Position X'₁ befindet, und wobei es in der anderen das Bündel 20 vollständig ablenkt, wie in 7 dargestellt, wo sich das Prisma in der Position X'₂ befindet, wobei d'₁ und d'₂ die Werte von |X'₁| bzw. |X'₂| sind.
Das Prisma 46 wird beispielsweise mittels Klötzen 54, die zwischen dem Prisma 46 und der Kante 34 des Werkstücks angeordnet werden, positioniert, wobei die Klötze 54 sehr präzise Abmessungen aufweisen, die es ermöglichen, die Position der Kante 50 des Prismas 46 mit hoher Präzision, beispielsweise in der Größenordnung eines Mikrometers, zur Achse 40 des Ultraschallbündels 20 zu fixieren.
Die Amplitudenänderung des Echos beim Reflektieren des Bündels an der Oberfläche 22 des Werkstücks in Abhängigkeit von der Position der Kante 50 des Prismas zu der Achse 40 ist durch die Kuve C2 von 8 dargestellt. Bei einem Wert der Wassersäule von 40,8 mm zwischen einem Schallkopf Panametrics V322–239 440 der Brennweite F = 8 Zoll und der Oberfläche 22 des Werkstücks ist die Abmessung der Schattenzone gleich: R = (d'1 + d'2)/2 = (|X'1| + |X'2|)/2 = (6,69 mm + 6,31 mm)/2 = 6,50mm
Die Werte von X'₁ und von X'₂ können ebenfalls, wie oben beschrieben, zwecks höherer Genauigkeit extrapoliert werden.
Als Variante kann das Verfahren darin bestehen, die beiden der Achse 40 des Ultraschallbündels diametral gegenüberliegenden Positionen der Kante 50 des Prismas aufzunehmen, bei denen die Kante 50 des Prismas tangential an dem wirksamen Querschnitt des Bündels 20 auf der Oberfläche 22 des Werkstücks liegt, wobei der Wert der Amplitude des Echos beim Reflektieren des Bündels an der Oberfläche des Werkstücks bei diesen beiden Positionen im Wesentlichen der Maximalwert ist.
Dazu wird das Prisma 46 auf der Oberfläche 22 des Werkstücks gemäß dem Pfeil 52 bis zu der Position X'₁ verschoben, wird sodann an der anderen Seite des Ultraschallbündels 20 angeordnet, und zwar symmetrisch bezogen auf die Achse 40, und wird auf der Oberfläche 22 des Werkstücks in entgegengesetzter Richtung zu dem Pfeil 52 bis zu der Position X''₁ verschoben, die äquivalent zu X'₁ ist.
Der Abstand zwischen diesen beiden Positionen X'₁ und X''₁ ermöglicht es, die Ausdehnung der Schattenzone zu bestimmen, die gleich folgendem Ausdruck ist: R = (|X'1| + |X''1|)/2.
Als Variante kann, wie in den 6 und 7 dargestellt, die Achse 40 des Ultraschallbündels 20 auf ein Loch 28, das in dem Werkstück in einer gegebenen Tiefe und in Abstand von dessen Kanten 34 gebildet ist, ausgerichtet werden, so dass der Schallkopf 18 das Echo beim Reflektieren des Bündels auf dem flachen Boden 30 des Lochs auffängt. In diesem Fall werden die Amplituden dieses Echos in den verschiedenen Positionen der Kante 50 des Prismas zur Achse 40 des Bündels aufgenommen, wie zuvor, es wird eine Änderungskurve analog zu der Kurve C2 von 8 konstruiert, und es wird daraus die Ausdehnung der Schattenzone abgeleitet.
Bei einer dritten Ausführungsform der Erfindung, die in 9 dargestellt ist, wird ein Vergleichsmaßwerkstück 12 verwendet, das eine Vielzahl von Löchern 58, 60 mit flachem Boden aufweist, die identisch sind und mit der gleichen bestimmten Tiefe ausgeführt sind, wobei sich eines dieser Löcher 58 in ausreichendem Abstand von den Kanten 34 des Werkstücks befindet, um außerhalb der Schattenzone zu sein, und die anderen Löcher 60 sich in der Nähe der Kanten 34 des Werkstücks befinden, wobei ihre Achsen sich in unterschiedlichen Abständen von den Kanten 34 befinden und innerhalb der Schattenzone liegen.
Das Loch 58 ist beispielsweise im Wesentlichen in der Mitte des Werkstücks ausgeführt, und die Löcher 60 sind in Abständen d₁, d₂, d₃ und d₄ von der Kanten des Werkstücks gebildet, die 3, 4, 5 bzw. 6 mm betragen.
Die Achse 40 des Bündels 20 wird zunächst auf das Loch 58 ausgerichtet, um die Amplitude des Echos beim Reflektieren auf dem flachen Boden des Lochs 58 zu messen.
Sodann wird die Achse 40 des Bündels 20 nacheinander auf jedes Loch 60 ausgerichtet, und es wird die Amplitude des Echos beim Reflektieren des Bündels auf dem flachen Boden jedes Lochs 60 bei einer und derselben Wassersäule 24 zwischen dem Schallkopf und der Oberfläche des Werkstücks gemessen.
Die Änderung der Amplitude des Echos in Abhängigkeit vom Abstand zwischen den Achsen dieser Löcher und den Kanten 34 des Werkstücks ist durch die Kurve C3 in 10 dargestellt.
Die Abmessung der Schattenzone ist gleich dem Wert des Abstands d, bei dem die Amplitude beginnt, sich von einem Maximalwert aus zu verringern, welcher der Amplitude des Echos auf dem Boden des Lochs 58 entspricht, wenn sich der Abstand d verringert. Dieser kann in der Grafik durch die Abszisse des Punkts der durch lineare Regression der experimentellen Punkte erhaltenen Geraden, der als Ordinate 100 % hat, oder auch durch Extrapolieren dieser Geraden, wie oben beschrieben, bestimmt werden. In den dargestellten Beispiel beträgt bei einem Wert der Wassersäule von 40,8 mm zwischen einem Schallkopf Panametrics V322–239 440 der Brennweite F = 8 Zoll und der Oberfläche 22 des Werkstücks die Abmessung der Schattenzone 6,31 mm.
Bei einer vierten Ausführungsform der Erfindung wird der Radius des wirksamen Querschnitts des Ultraschallbündels 20 für unterschiedliche Eindringtiefen des Bündels in das Werkstück 12 bestimmt.
Der Maximalwert dieses Radius entspricht einem Wert der Wassersäule 24 von Null und ist also gleich dem Radius des wirksamen Querschnitts des Ultraschallbündels an der Oberfläche 22 des Werkstücks, welcher gleich dem Radius des Schallkopfs ist.
Der Minimalwert dieses Radius entspricht einer Eindringtiefe des Bündels, die gleich dem Brennpunktabstand des Schallkopfs ist, und ist gleich dem Radius des wirksamen Querschnitts des Ultraschallbündels an der Oberfläche des Werkstücks bei einem Wert der Wassersäule 24, der gleich dem Brennpunktabstand des Schallkopfs ist, der durch die erste oder die zweite Ausführungsform der Erfindung bestimmt werden kann.
Es konnte in der Praxis verifiziert werden, dass die Änderung des Radius des wirksamen Querschnitts zwischen dem oben genannten Maximalwert und Minimalwert linear erfolgt. Diese Änderungsgerade D ist in 11 in Abhängigkeit von dem Abstand z vom Schallkopf dargestellt, wobei die Abstände z im Wasser gemessen wurden.
In diesem Beispiel beträgt bei einem Schallkopf Panametrics V322–239 440 der Brennweite F = 8 Zoll (203,2 mm) im Wasser der Maximalwert des wirksamen Radius 13,1 mm, und sein Minimalwert beträgt 1,4 mm.
Diese Gerade ermöglicht es, bei einem gegebenen Wert der Wassersäule 24 und bei einer gegebenen Tiefe eines Lochs oder eines Fehlers in dem Werkstück 12 die Ausdehnung der Schattenzone zu bestimmen, die gleich der Differenz zwischen dem Radius des wirksamen Querschnitts des Bündels auf der Oberfläche 22 des Werkstücks und dem Radius des wirksamen Querschnitts des Bündels in der fraglichen Tiefe ist.
Bei einem Wert der Wassersäule von 40,8 mm zwischen einem Schallkopf Panametrics V322–239 440 der Brennweite F = 8 Zoll und der Oberfläche 22 des Werkstücks wird die Achse 40 des Bündels des Schallkopfs auf ein zylindrisches Loch mit flachem Boden mit einem Durchmesser von 0,4 mm ausgerichtet, das in dem Werkstück 12 in einer Tiefe von 25,4 mm von der Oberfläche 22 gebildet ist.
Der Radius des wirksamen Querschnitts des Bündels auf der Oberfläche 22 des Werkstücks wird aus der Grafik von 11 bestimmt, und zwar für einen Abstand z zwischen dem wirksamen Querschnitt und dem Schallkopf 18, der gleich dem Wert der Wassersäule 24 ist und 10,71 mm beträgt.
Der Radius des wirksamen Querschnitts des Bündels in der fraglichen Tiefe wird aus der Grafik von 11 bestimmt, und zwar für einen Abstand zwischen dem wirksamen Querschnitt und dem Schallkopf, der gleich dem oben genannten Wert der Wassersäule plus der fraglichen Tiefe des Lochs ist, welche auf eine äquivalente Strecke im Wasser gebracht wird, nämlich indem die Differenz der Ausbreitungsgeschwindigkeiten des Ultraschallbündels 20 in dem Werkstoff des Werkstücks 12 und in dem Wasser 16 berücksichtigt wird. Bei einem Werkstück aus Titan beträgt das Verhältnis der Ausbreitungsgeschwindigkeiten eines Ultraschallbündels r = v_ti/v_eau = 6136,9/1486,5 = 4,128. Die äquivalente Distanz der fraglichen Tiefe im Wasser beträgt 4,128 × 25,4 = 104,85 mm, und die äquivalente Distanz im Wasser zwischen dem wirksamen Querschnitt und dem Schallkopf ist daher gleich 40,8 + 104,85 = 145,65 mm, was in der Grafik von 11 einem Radius des wirksamen Querschnitts von 4,58 mm entspricht. Die Abmessung der toten Zone ist gleich 10,71 – 4,58 = 6,13 mm.
Die Änderungsgerade des Radius des wirksamen Querschnitts des Ultraschallbündels 20 in Abhängigkeit von der Eindringtiefe dieses Bündels hängt nur von Merkmalen des verwendeten Schallkopfs 18 ab, wobei diese Gerade es ermöglicht, die Ausdehnung der seitlichen Schattenzone eines Werkstücks 12 für einen gegebenen Wert der Wassersäule 24 und für eine gegebene Tiefe in dem Werkstück zu bestimmen.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Ausdehnung einer seitlichen Schattenzone, die einer Kante (34) eines Werkstücks (12) entspricht, in einem Verfahren der Untersuchung des Werkstücks (12) in einem Bad mittels mindestens eines Ultraschallbündels (20), das von einem Schallkopf (18) abgegeben wird, der senkrecht auf eine Oberfläche (22) des Werkstücks (12) gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, – die Ausdehnung der Schattenzone ab der Kante (34) des Werkstücks (12) durch Messen des wirksamen Querschnitts (44) des Ultraschallbündels (20) auf der Oberfläche (22) des Werkstücks (12) zu bestimmen, wobei die Ausdehnung der Schattenzone bei einem bestimmten Abstand zwischen dem Schallkopf (18) und der Oberfläche (22) des Werkstücks (12) gleich dem Radius des wirksamen Querschnitts (44) des Ultraschallbündels (20) auf der Oberfläche (22) des Werkstücks (12) ist, und – diesen wirksamen Querschnitt (44) aus Änderungen der Amplitude eines Echos des Bündels (20) in Abhängigkeit von dem Abstand der Achse (40) des Bündels (20) zu der Kante (34) des Werkstücks (12) zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, die Änderung der Amplitude des Echos beim Reflektieren des Bündels (20) an der Oberfläche (22) des Werkstücks (12) in Abhängigkeit von dem Abstand zwischen der Achse (40) des Bündels (20) und der Kante (34) des Werkstücks (12) zu messen, wobei der Abstand zwischen dem Schallkopf (18) und der Oberfläche (22) des Werkstücks (12) konstant ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, – den Abstand d₁ zwischen der Achse (40) des Bündels (20) und der Kante (34) des Werkstücks (12) zu messen, ab dem, wenn der Abstand d₁ zur Kante (34) des Werkstücks (12) kleiner wird, die Amplitude des Echos anfangt abzunehmen, – den Abstand d₂ zwischen der Achse (40) des Bündels (20) und der Kante (34) des Werkstücks (12) zu messen, bei dem diese Amplitude Null wird, und – die Abmessung der Schattenzone ab der Kante (34) des Werkstücks (12) durch Berechnen des Werts (d₁ + d₂)/2 zu erzielen.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, – den Abstand der Achse (40) des Bündels (20) zu der Kante (34) des Werkstücks (12) zu messen, wenn die Amplitude des Echos gleich einem kleinen Bruchteil, beispielsweise einigen Prozenten des Maximalwerts dieser Amplitude entspricht, und – durch Extrapolieren den Abstand d2 zwischen der Achse (40) des Bündels (20) und der Kante (34) des Werkstücks (12) zu messen, bei dem diese Amplitude gleich Null ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es bei einem senkrecht auf die außerhalb der Schattenzone befindliche Oberfläche (22) des Werkstücks (12) gerichteten Schallkopf (18) darin besteht, – ein Umlenkelement (46) des Bündels (20) auf dieser Oberfläche (22) in einer Vorschubbewegung entlang einer Achse, die die Achse (40) des Ultraschallbündels (20) schneidet, zu verschieben, und – die Positionen dieses Elements (46), bei denen die Amplitude des Echos des Bündels (20) beim Reflektieren an der Oberfläche (22) des Werkstücks (12) zwischen einem Maximalwert und einem Wert Null variiert, aufzunehmen.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, – die Emissionsachse (40) des Schallkopfs (18) auf ein Vergleichsmaßloch (28), das in dem Werkstück (12) außerhalb der Schattenzone gebildet ist, auszurichten, und – die Amplitudenänderung des Echos des Bündels (20) beim Reflektieren auf dem Boden (30) des Vergleichsmaßlochs (28) beim fortschreitenden Einfangen des Bündels (20) durch das Umlenkelement (46) zu messen.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Umlenkelement ein Prisma (46) ist, das mindestens eine Reflexionsseite (48) aufweist, die zur Oberfläche (22) des Werkstücks (12) und zur Achse (40) des Bündels (20) geneigt ist, beispielsweise im 45°-Winkel.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, – die beiden der Achse (40) des Ultraschallbündels (20) diametral gegenüberliegenden Positionen des Prismas (46) aufzunehmen, bei denen die Amplitude des Echos des Bündels (20) beim Reflektieren an der Oberfläche (22) des Werkstücks (12) beginnt, sich von einem Maximalwert aus zu verringern, wenn das Prisma (46) der Achse (40) des Bündels (20) angenähert wird, und – die Hälfte des Abstands zwischen diesen beiden Positionen zu berechnen, um die Ausdehnung der seitlichen Schattenzone zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, – die Abmessung der seitlichen Schattenzone an einem Vergleichsmaßwerkstück (12) zu bestimmen, das identische Löcher (58, 60) mit flachem Boden aufweist, die mit der gleichen Tiefe und in unterschiedlichen Abständen von der Kante (34) des Werkstücks (12) ausgeführt sind, wobei sich das eine dieser Löcher (58) außerhalb der Schattenzone befindet und die anderen Löcher (60) sich innerhalb dieser Schattenzone befinden, – den Schallkopf (18) nacheinander auf jedes Loch (58, 60) auszurichten und die Amplitude des Echos des Bündels (20) beim Reflektieren am Boden des Lochs (58, 60) zu messen, – die Kurve der Änderung dieser Amplitude zwischen einem Maximalwert und einem Null-Wert in Abhängigkeit vom Abstand zwischen den Achsen der Löcher (58, 60) und dem Werkstück (12) zu konstruieren, und – daraus die Abmessung der Schattenzone abzuleiten, die gleich dem Wert des Abstands ist, bei dem diese Amplitude beginnt, sich zu verringern, wenn sich der Abstand der Achsen der Löcher (58, 60) von der Kante (34) des Werkstücks (12) verringert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden des Lochs oder jedes Lochs (28, 58, 60) sich auf der Seite der Oberfläche (22) des Werkstücks (12) befindet, wobei das Loch an der gegenüberliegenden Oberfläche des Werkstücks (12) mündet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, eine Variationsgerade des Radius' des wirksamen Querschnitts des Ultraschallbündels (20) in Abhängigkeit von der Eindringtiefe dieses Bündels (20) in das Werkstück (12) zu konstruieren, und zwar aus: – einem Anfangswert des Radius, der einem Null-Abstand zwischen dem Schallkopf (18) und dem Werkstück (12), bei dem der Radius des wirksamen Querschnitts auf der Oberfläche (22) des Werkstücks (12) gleich dem Radius des Schallkopfs (18) ist, entspricht, und – einem Endwert des Radius bei einer Tiefe in dem Werkstück (12), die dem Brennpunktabstand des Schallkopfs (18) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, sodann die Ausdehnung der seitlichen Schattenzone bei einem gegebenen Abstand zwischen dem Schallkopf (18) und dem Werkstück (12) und bei einer gegebenen Tiefe in dem Werkstück (12) mittels der Differenz zwischen dem Radius des wirksamen Querschnitts dieses Bündels (20) auf der Oberfläche (22) des Werkstücks (12) und dem Radius des wirksamen Querschnitts in der in Betracht kommenden Tiefe zu berechnen.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, – den Endwert des Radius des wirksamen Querschnitts des Bündels (20) zu bestimmen, indem der Schallkopf (18) in einen Abstand von der Oberfläche (22) des Werkstücks (12) gebracht wird, der seinem Brennpunktabstand entspricht, und – den Radius des wirksamen Querschnitts des Bündels (20) an der Oberfläche (22) des Werkstücks (12) zu messen.