EP2247948A1 - Vorrichtung zur zerstörungsfreien materialprüfung eines prüfgegenstands mit ultraschallwellen - Google Patents

Vorrichtung zur zerstörungsfreien materialprüfung eines prüfgegenstands mit ultraschallwellen

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EP2247948A1
EP2247948A1 EP09714146A EP09714146A EP2247948A1 EP 2247948 A1 EP2247948 A1 EP 2247948A1 EP 09714146 A EP09714146 A EP 09714146A EP 09714146 A EP09714146 A EP 09714146A EP 2247948 A1 EP2247948 A1 EP 2247948A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
carriage
rail
ultrasonic waves
test head
test
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09714146A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Clossen-Von Lanken Schulz
Stefan Obermayr
Michael Opheys
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to EP09714146A priority Critical patent/EP2247948A1/de
Publication of EP2247948A1 publication Critical patent/EP2247948A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/225—Supports, positioning or alignment in moving situation
    • G—PHYSICS
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    • G01N29/26—Arrangements for orientation or scanning by relative movement of the head and the sensor
    • G01N29/265—Arrangements for orientation or scanning by relative movement of the head and the sensor by moving the sensor relative to a stationary material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y80/00—Products made by additive manufacturing
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/26—Scanned objects
    • G01N2291/263—Surfaces
    • G01N2291/2638—Complex surfaces
    • G—PHYSICS
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/26—Scanned objects
    • G01N2291/269—Various geometry objects
    • G01N2291/2693—Rotor or turbine parts

Definitions

  • the invention relates to a device for nondestructive material testing of an at least partially massive test object by applying the test object with ultrasonic waves and detecting the reflected within the test object ultrasonic waves according to claim 1.
  • Non-destructive testing methods are required to obtain information about the internal, non-visible structure. This is particularly necessary for mechanically stressed components.
  • steel components are forged after casting for subsequent finalization by turning or other cold treatments.
  • the examination for internal material defects can already take place after forging.
  • the component to be tested may be, for example, a turbine blade for a gas or steam turbine.
  • the turbine blade feet are exposed to high loads during operation.
  • the volume accessible to ultrasound can be fully examined.
  • the captured data can be used to generate an image that can be used for assessment.
  • moldings made for example of cast resin.
  • the moldings can be applied accurately to the surface to be scanned.
  • recesses in which an ultrasonic probe is used.
  • the ultrasonic testing head is manually offset by discrete distances. However, this is very expensive.
  • Ultraschallprüfköpf on a carriage which is attached via a holding device to an adjacent test object.
  • the holding device is movable by means of motors on the surface to be scanned.
  • the test head is pressed by springs against the surface of the test object.
  • An optimal alignment of the probe is not possible. It is an object of the invention to provide a device for non-destructive testing of an at least partially massive test object of the type mentioned above, in which the possibilities for positioning the probe are improved and the metrological effort is reduced.
  • the device mentioned at the beginning has the following components:
  • test head for transmitting the ultrasonic waves and for detecting the ultrasonic waves reflected by the test object
  • the carriage is movable along the rail.
  • the test head is movably disposed relative to the carriage, causing at least one more degree of freedom of movement of the test head.
  • the essence of the invention is that the carriage is movable along a rail, wherein the rail can be adapted to the surface of the test object.
  • the rail extends along a predetermined path on the surface of the specimen, and the carriage can be moved along this path.
  • the carriage can be positioned anywhere along the rail. The carriage can thus be moved continuously along the rail.
  • the rail is preferably produced or producible by means of a stereolithography method. This can the rail should only be made from the surface of the test object by means of a drawing and adapted to the surface of the test object. The rail can therefore also be adapted to particularly complex surfaces.
  • the rail may be made or fabricated from at least one material which is curable by treatment with ultraviolet light.
  • the rail initially consists of a flexible material and is correspondingly deformable. Subsequently, the rail can be cured in the desired shape.
  • the rail is made or produced from at least one epoxy resin.
  • the rail comprises one or more guide grooves and / or guide grooves, which are formed to be complementary to the carriage or to a section of the carriage. This contributes to a precise guidance of the carriage in the rail.
  • the carriage may have at least one guide roller. This allows a low-friction and precise movement of the carriage within the rail.
  • At least one guide roller and at least one guide groove or guide groove are engageable or engageable with each other.
  • the possibility of movement of the carriage is clearly specified, namely along the rail.
  • the carriage has at least one motor for driving the carriage along the rail.
  • the carriage has at least one gear or the like coupled to the motor, which is non-positively engaged with the rail or can be brought into engagement. There is a clear relationship between the number of revolutions of the motor and the position of the carriage.
  • the rail may have at least one rack.
  • at least one toothing may be formed in or on the rail.
  • the gear with the rack or the toothing be engaged or engaged. This causes a non-slip movement of the carriage.
  • the test head is pivotally mounted on the carriage about an axis extending parallel to the longitudinal axis of the rail. In this way, the detection range can be optimized with two degrees of freedom of movement of the test head.
  • test head and the test head
  • Carriage are coupled together by at least one restoring device.
  • a stable position of the probe can be defined and realized.
  • the restoring device comprises at least two interacting magnetic elements.
  • the restoring device may comprise at least one spring element.
  • At least two guide rollers are mounted relative to each other movable on the carriage, so that the positions of the guide rollers can be adapted to the course of the rail. This makes it possible to easily adapt the shape of the slide to the rail.
  • the carriage comprises at least two frame parts pivotally connected or connectable with each other are, wherein at each part at least one guide roller is rotatably mounted.
  • the at least two frame parts can be pivotable about an axis which extends along the direction of movement of the carriage. This allows a particularly simple adaptation of the shape of the carriage to the course of the rail.
  • two guide rollers are arranged side by side on at least one frame part.
  • this frame part with the two guide rollers forms a rigid axle, which is pivotable with respect to the other frame part.
  • two guide rollers are arranged side by side on at least two frame parts, so that the two axles are pivotable relative to one another with two guide rollers each.
  • the coupling of the frame parts can be provided that the at least two frame parts are coupled together by at least one restoring device.
  • the restoring device comprises at least two interacting magnetic elements.
  • the restoring device may comprise at least one spring element.
  • the device may have at least one control device.
  • the controller may control both the transmission and the detection of the ultrasonic waves.
  • the movement of the test head and / or carriage can also be controlled by the control device.
  • the device is provided for the material testing of a metal test object, in particular for the material testing of a forged component.
  • a metal test object in particular for the material testing of a forged component.
  • the device for the material testing of a turbine wheel, a turbine wheel bucket or a turbine blade root is particularly suitable.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a carriage for a nondestructive material testing apparatus of a test object according to a preferred embodiment of the invention
  • FIG. Figure 2 is a schematic perspective view of a rail for the nondestructive material testing apparatus of the test article according to the preferred embodiment of the invention
  • FIG. FIG. 3 is a detailed perspective view of the rail for the nondestructive material testing apparatus of the test article according to the preferred embodiment of the invention.
  • FIG. 4 is a schematic exploded perspective view of the carriage with a test head according to the preferred embodiment of the invention.
  • FIG. Figure 1 shows a schematic perspective view of a carriage 14 for a nondestructive material testing apparatus of a test article according to a preferred embodiment of the invention.
  • the carriage 14 is formed substantially as a rectangular frame.
  • the carriage 14 comprises several individual parts, which are usually made of plastic.
  • At the two outer longitudinal sides 16 of the carriage 14 are each because two guide rollers 18.
  • the guide rollers 18 are rotatably mounted on the carriage 14.
  • the guide rollers 18 are rotatably attached to the rectangular frame.
  • the guide rollers 18 are made of metal.
  • the rectangular frame is formed in two parts in this embodiment, which will be described in more detail below.
  • a gear 20 On one of the two longitudinal sides 16 is located above the guide rollers 18, a gear 20.
  • the gear 20 is also rotatably mounted on the one longitudinal side 16. Furthermore, the gear 20 is formed as a drive wheel and is driven by an electric motor 21.
  • the carriage 14 is provided for receiving at least one test head, which in FIG. 1 is not explicitly shown.
  • the carriage 14 essentially comprises the rectangular frame and a receiving device 30 for the test head.
  • the receiving device 30 for the test head is attached via a return device in the rectangular frame.
  • the test head is provided for transmitting the ultrasonic waves and for detecting the ultrasonic waves reflected from the test object.
  • the test head is pivotally mounted to the carriage 14.
  • the pivot axis extends parallel to the direction of movement of the carriage 14.
  • the carriage 14 has a return device, so that the test head is automatically pivotable in a predetermined position, in particular in a central position.
  • the restoring device may comprise magnetic elements or spring elements.
  • FIG. 2 is a schematic perspective view of FIG.
  • Rail 22 for the device for non-destructive testing of the test object according to the preferred embodiment of the invention shown.
  • the rail 22 is made of epoxy resin in this preferred embodiment. Thereby, the rail 22 can be hardened by treatment with ultraviolet light.
  • the rail 22 is preferably made by a stereolithography process. This allows the rail to be made only from a drawing of the surface of the test object.
  • the rail 22 is formed as an elongated rectangular frame.
  • the contour of the rail 22 is adapted to the surface of the test piece, so that one of the two large-area sides is substantially complementary to the surface of the test piece and faces the test piece during the material test.
  • the two inner longitudinal sides 24 are each a guide groove 26.
  • the two guide grooves 26 extend parallel to the longitudinal axis of the rail 22, wherein the two open sides of the guide grooves 26 face each other.
  • the guide grooves 26 are thus open towards the inside.
  • the rail 22 includes a toothing 28, which extends similar to a rack along the longitudinal axis of the rail 22.
  • the rail 22 and the carriage 14 are adapted to each other in terms of their geometry, that the carriage 14 is displaceable within the rail 22.
  • the guide rollers 18 of the carriage 14 in the guide grooves 26 of the rail 22 are movable, and the gear 18 of the carriage 14 is in engagement with the toothing 28th
  • FIG. Figure 3 shows a detailed perspective view of the track 22 for the nondestructive material testing apparatus of the test article according to the preferred embodiment of the invention.
  • FIG. 3 clarifies some details of the rail 22.
  • the guide grooves 26 are located on the two inner longitudinal sides 24.
  • the two guide grooves 26 are also zuein- other parallel.
  • the distance between the guide grooves 26 is substantially constant.
  • the guide grooves 26 are open inwardly and their open sides face each other.
  • the toothing 28 is formed and arranged so that the gear 20 with the toothing 28 and at the same time
  • FIG. 4 shows a schematic exploded perspective view of the carriage 14 with a test head 36 according to the preferred embodiment of the invention.
  • the carriage 14 comprises the rectangular frame, which in turn has a first frame part 32 and a second frame part 34.
  • the receiving device 30 for the test head 36 is provided within the first frame part 32.
  • the test head 36 is again provided within the receiving device 30.
  • the drive gear formed as a gear 20 is driven by the electric motor 21.
  • Two adjacent guide rollers 18 are attached to the first frame part 32.
  • Two further adjacent guide rollers 18 are attached to the second frame part 34.
  • the first frame part 32 and the second frame part 34 are pivotably connected to each other along the longitudinal axis of the carriage 14 or connectable.
  • the two axes of the guide rollers 18 are pivotable relative to each other, so that the carriage 14 is adapted to the profile of the rail 22.
  • the carriage 14 includes a plurality of magnetic elements 40 that form two return devices.
  • a restoring device acts between the first frame part 32 and the second frame part 34.
  • the recesses 42 are slightly larger than the corresponding magnetic elements 40.
  • the receiving device 30 is pivotable in two directions perpendicular to the direction of movement of the carriage 14 with respect to the first frame part 32 and can be automatically reset by means of the return device into a middle position.
  • the second frame part 34 is likewise pivotable relative to the first frame part 32 about the axis which extends parallel to the direction of movement of the carriage 14 and can be automatically reset by means of the restoring device into a middle position. In the middle positions, the corresponding recesses are exactly opposite.
  • test head is thus on the one hand along the rail 22 movable and on the other hand perpendicular to pivot, so that a relatively large area can be sonicated and detected.
  • test head only two degrees of freedom of movement are required, whereby a relatively simple algorithm for the control of the probe and the detection and evaluation of the reflected sound waves is sufficient.
  • the material testing is done by moving a test head attached to the carriage 14 along the rail 22 and thus along the outer surface of the test article.
  • the test head is pivotable about an axis which is parallel to the longitudinal axis, but at least to the tangent of the rail 22.
  • the entire surface of the test object be scanned in order to detect the entire volume of the test object. It can be scanned, for example, a certain distance or a certain way on the surface, since at least the relevant area of the volume can be detected without the complete scanning of the surface by the pivoting movements of the probe.
  • the detected signal is generated in particular by the reflected portion of an ultrasonic pulse at sudden spatial changes in the characteristic impedance within the test object. These changes are interpreted as material defects if there are no design-related material boundaries or material transitions.
  • the detected signal contains information about the amplitude and the transit time of the reflected sound wave. Since the speed of sound in the material of the test object is known, the runtime can also be used to determine the distance between the material error and the position of the test head.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Materialprüfung eines zumindest abschnittsweise massiven Prüfgegenstands durch Beaufschlagen des Prüfgegenstands mit Ultraschallwellen und Erfassen der innerhalb des Prüfgegenstands reflektierten Ultraschallwellen. Die Vorrichtung umfasst wenigstens einen Prüfkopf zum Senden der Ultraschallwellen und zum Erfassen der vom Prüfgegenstand reflektierten Ultraschallwellen, wenigstens einen bewegbaren Schlitten (14), an dem der Prüfkopf angebracht oder anbringbar ist, und eine langgestreckte Schiene (22) zum Führen des Schlittens (14), die an die Struktur der Oberfläche des Prüfgegenstands angepasst oder anpassbar ist. Dabei ist der Schlitten (14) entlang der Schiene (22) bewegbar.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur zerstörungsfreien Materialprüfung eines Prüfgegenstands mit Ultraschallwellen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Materialprüfung eines zumindest abschnittsweise massiven Prüfgegenstands durch Beaufschlagen des Prüfgegenstands mit Ultraschallwellen und Erfassen der innerhalb des Prüfgegenstands reflektierten Ultraschallwellen gemäß Patentanspruch 1.
Bei zahlreichen Gegenständen, die vollständig oder teilweise massiv ausgebildet sind, muss deren innere Struktur nach
Materialfehlern untersucht werden. Dazu sind zerstörungsfreie Prüfverfahren erforderlich, um Informationen über die innere, nicht-einsehbare Struktur zu erhalten. Dies ist insbesondere bei mechanisch stark beanspruchten Bauteilen notwendig.
Beispielsweise werden Bauteile aus Stahl nach dem Gießen geschmiedet, um anschließend durch Drehen oder durch andere Kaltbehandlungen in die endgültige Form gebracht zu werden. Dabei kann die Prüfung auf innere Materialfehler bereits nach dem Schmieden erfolgen.
Auch solche Bauteile, die bereits im Einsatz sind, müssen regelmäßig einer Materialprüfung unterzogen werden. Dies gilt insbesondere für solche Bauteile, die hohen Belastungen aus- gesetzt sind. Das zu prüfende Bauteil kann beispielsweise eine Turbinenschaufel für eine Gas- oder Dampfturbine sein. Insbesondere die Turbinenschaufelfüße werden im Betrieb hohen Belastungen ausgesetzt. Diese Belastungen können zu Rissen führen, die mit dem Ultraschallmessverfahren durch Abtasten der Oberfläche erfasst und lokalisiert werden können. Da die Oberfläche eine komplexe Geometrie aufweist, sind spezielle Messverfahren erforderlich. Üblicherweise werden solche Metallteile mit Ultraschall geprüft. Dabei werden diejenigen Schallwellen erfasst, die an Grenzflächen im Inneren des Metallteiles reflektiert werden. Mit der Laufzeit der reflektierten Schallwelle kann erfasst und daraus die zurückgelegte Weglänge und somit der Abstand bestimmt werden. Durch eine Einschallung aus verschiedenen Richtungen lassen sich weitere Informationen über den oder die Materialfehler gewinnen. Daraus lassen sich Materialfehler orten. Beispielsweise kann die geometrische Ausrichtung des Materialfehlers auf diese Weise bestimmt werden. Aus der Form der reflektierten Schallwellen lassen sich Rückschlüsse auf die Art des Materialfehlers ziehen.
Durch ein Abtasten der Oberfläche des Prüfgegenstands mit einem Ultraschalldetektor und ein Aufzeichnen der erfassten Daten kann das dem Ultraschall zugängliche Volumen vollständig untersucht werden. Aus den erfassten Daten lässt sich eine Abbildung generieren, die zur Begutachtung verwendet werden kann.
Bei einem bekannten Verfahren werden Formteile, beispielsweise aus Gießharz angefertigt. Die Formteile können passgenau an die abzutastende Oberfläche angelegt werden. In den Formteilen befinden sich Aussparungen, in die ein Ultra- schallprüfköpf eingesetzt wird. Um die gesamte zu prüfende Oberfläche abtasten zu können, wird der Ultraschallprüfköpf manuell um diskrete Abstände versetzt. Dies ist jedoch sehr aufwändig .
Bei einem weiteren bekannten Verfahren befindet sich der
Ultraschallprüfköpf an einem Schlitten, der über eine Haltevorrichtung an einem benachbarten Prüfgegenstand angebracht ist. Die Haltevorrichtung ist mittels Motoren über die abzutastende Oberfläche bewegbar. Der Prüfköpf wird von Federn an die Oberfläche des Prüfgegenstands gedrückt. Eine optimale Ausrichtung des Prüfkopfes ist dabei jedoch nicht möglich. Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Materialprüfung eines zumindest abschnittsweise massiven Prüfgegenstands der eingangs genannten Art bereit zu stellen, bei der die Möglichkeiten zur Positionierung des Prüfkopfes verbessert sind und der messtechnische Aufwand vermindert ist.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die eingangs genannte Vorrichtung folgende Komponenten aufweist:
- wenigstens einen Prüfkopf zum Senden der Ultraschallwellen und zum Erfassen der vom Prüfgegenstand reflektier- ten Ultraschallwellen,
- wenigstens einen bewegbaren Schlitten, an dem der Prüfkopf angebracht oder anbringbar ist, und eine langgestreckte Schiene zum Führen des Schlittens, die an die Struktur der Oberfläche des Prüfgegenstands angepasst oder anpassbar ist, wobei
- der Schlitten entlang der Schiene bewegbar ist.
Der Prüfkopf ist relativ zu dem Schlitten bewegbar angeordnet, was wenigstens einen weiteren Freiheitsgrad der Bewegung des Prüfköpfes bewirkt.
Der Kern der Erfindung liegt darin, dass der Schlitten entlang einer Schiene bewegbar ist, wobei die Schiene an die Oberfläche des Prüfgegenstands angepasst werden kann. Dabei erstreckt sich die Schiene entlang eines vorbestimmten Weges auf der Oberfläche des Prüfkörpers, und der Schlitten kann entlang dieses Weges bewegt werden. Der Schlitten ist an jeder beliebigen Stelle entlang der Schiene positionierbar. Der Schlitten kann somit kontinuierlich entlang der Schiene bewegt werden.
Vorzugsweise ist die Schiene mittels eines Stereolithographie-Verfahrens hergestellt oder herstellbar. Dadurch kann die Schiene lediglich anhand einer Zeichnung von der Oberfläche des Prüfgegenstands hergestellt und an die Oberfläche des Prüfgegenstands angepasst werden. Die Schiene kann daher auch an besonders komplexe Oberflächen angepasst werden.
Bei der bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Schiene aus wenigstens einem Material hergestellt oder herstellbar ist, das durch eine Behandlung mit ultraviolettem Licht härtbar ist. Damit besteht die Schiene zunächst aus einem flexiblen Material und ist entsprechend deformierbar. Anschließend kann die Schiene in der gewünschten Form ausgehärtet werden. Auf diese Weise kann für einen bestimmten Prüfgegenstand sehr schnell eine passende Schiene und somit eine geeignete Prüfvorrichtung bereitgestellt werden. Bei- spielsweise ist die Schiene aus wenigstens einem Epoxydharz hergestellt oder herstellbar.
Insbesondere umfasst die Schiene eine oder mehrere Führungsnuten und/oder Führungsrillen, die komplementär zum Schlitten oder zu einem Abschnitt des Schlittens ausgebildet sind. Dies trägt zu einer präzisen Führung des Schlittens in der Schiene bei .
Weiterhin kann der Schlitten wenigstens eine Führungsrolle aufweisen. Dies ermöglicht eine reibungsarme und präzise Bewegung des Schlittens innerhalb der Schiene.
Vorzugsweise sind wenigstens eine Führungsrolle und wenigstens eine Führungsrille bzw. Führungsnute miteinander in Ein- griff oder in Eingriff bringbar. Dadurch ist die Bewegungsmöglichkeit des Schlittens eindeutig vorgegeben, nämlich entlang der Schiene.
Bei der bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Schlitten wenigstens einen Motor zum Antreiben des Schlittens entlang der Schiene aufweist. Dazu kann vorgesehen sein, dass der Schlitten wenigstens ein mit dem Motor gekoppeltes Zahnrad oder dergleichen aufweist, das kraftschlüssig mit der Schiene in Eingriff ist oder in Eingriff bringbar ist. Dadurch besteht ein eindeutiger Zusam- menhang zwischen der Anzahl der vollzogenen Umdrehungen des Motors und der Position des Schlittens.
Weiterhin kann die Schiene wenigstens eine Zahnstange aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann in oder an der Schiene wenigstens eine Verzahnung ausgebildet sein. Dabei kann das Zahnrad mit der Zahnstange bzw. der Verzahnung in Eingriff sein oder in Eingriff gebracht werden. Dies bewirkt eine rutschfreie Bewegung des Schlittens.
Vorzugsweise ist der Prüfkopf an dem Schlitten schwenkbar um eine Achse, die sich parallel zur Längsachse der Schiene erstreckt. Auf diese Weise lässt sich mit zwei Freiheitsgraden der Bewegung des Prüfköpfes der Erfassungsbereich optimieren.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Prüfkopf und der
Schlitten durch wenigstens eine Rückstelleinrichtung miteinander gekoppelt sind. Damit kann eine stabile Lage des Prüfkopfes definiert und realisiert werden.
Beispielsweise umfasst die Rückstelleinrichtung wenigstens zwei miteinander wechselwirkende Magnetelemente. Alternativ oder zusätzlich kann die Rückstelleinrichtung wenigstens ein Federelement aufweisen.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass wenigstens zwei Führungsrollen relativ zueinander bewegbar am Schlitten angebracht sind, so dass die Positionen der Führungsrollen an den Verlauf der Schiene anpassbar sind. Damit lässt sich erreichen, dass sich auf einfache Weise die Form des Schlittens an die Schiene anpasst.
Vorzugsweise umfasst der Schlitten wenigstens zwei Rahmenteile, die miteinander schwenkbar verbunden oder verbindbar sind, wobei an jedem Teil wenigstens eine Führungsrolle drehbar befestigt ist. Dabei können die wenigstens zwei Rahmenteile um eine Achse schwenkbar sein, die sich entlang der Bewegungsrichtung des Schlittens erstreckt. Dies ermöglicht eine besonders einfache Anpassung der Form des Schlittens an den Verlauf der Schiene.
Beispielsweise sind an wenigstens einem Rahmenteil zwei Führungsrollen nebeneinander angeordnet. In diesen Fall bildet dieses Rahmenteil mit den beiden Führungsrollen eine starre Achse, die schwenkbar bezüglich des anderen Rahmenteils ist.
Bei der bevorzugten Ausführungsform sind an wenigstens zwei Rahmenteilen jeweils zwei Führungsrollen nebeneinander ange- ordnet, so dass die beiden Achsen mit jeweils zwei Führungsrollen zueinander schwenkbar sind.
Auch für die Kopplung der Rahmenteile kann vorgesehen sein, dass die wenigstens zwei Rahmenteile durch wenigstens eine Rückstelleinrichtung miteinander gekoppelt sind.
Beispielsweise umfasst die Rückstelleinrichtung wenigstens zwei miteinander wechselwirkende Magnetelemente. Alternativ oder zusätzlich kann die Rückstelleinrichtung wenigstens ein Federelement aufweisen.
Außerdem kann die Vorrichtung wenigstens eine Steuerungseinrichtung aufweisen. Die Steuerungseinrichtung kann sowohl das Senden als auch das Erfassen der Ultraschallwellen steuern. Weiterhin kann auch die Bewegung des Prüfkopfes und/oder Schlittens von der Steuereinrichtung gesteuert werden.
Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung für die Materialprüfung eines Prüfgegenstands aus Metall vorgese- hen, insbesondere für die Materialprüfung eines geschmiedeten Bauteils. Besonders geeignet ist die Vorrichtung für die Materialprüfung eines Turbinenrads, einer Turbineradschaufel oder eines Turbineradschaufelfußes. Weitere Merkmale, Vorteile und besondere Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Nachstehend wird das Verfahren gemäß der Erfindung in der
Figurenbeschreibung anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
FIG. 1 eine schematische Perspektivansicht eines Schlittens für eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Materialprüfung eines Prüfgegenstands gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
FIG. 2 eine schematische Perspektivansicht einer Schiene für die Vorrichtung zur zerstörungsfreien Materialprüfung des Prüfgegenstands gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
FIG. 3 eine detaillierte Perspektivansicht der Schiene für die Vorrichtung zur zerstörungsfreien Materialprüfung des Prüfgegenstands gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, und
FIG. 4 eine schematische perspektivische Explosionsansicht des Schlittens mit einem Prüfkopf gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
FIG. 1 zeigt schematische Perspektivansicht eines Schlittens 14 für eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Materialprüfung eines Prüfgegenstands gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Der Schlitten 14 ist im Wesentlichen als rechteckiger Rahmen ausgebildet. Der Schlitten 14 umfasst mehrere Einzelteile, die meist aus Kunststoff hergestellt sind. An den beiden äußeren Längsseiten 16 des Schlittens 14 befinden sich je- weils zwei Führungsrollen 18. Die Führungsrollen 18 sind drehbar am Schlitten 14 befestigt. Insbesondere sind die Führungsrollen 18 drehbar an dem rechteckigen Rahmen befestigt. In dieser konkreten Ausführungsform sind die Führungsrollen 18 aus Metall hergestellt. Der rechteckige Rahmen ist in diesem Ausführungsbeispiel zweiteilig ausgebildet, was weiter unten detaillierter beschrieben wird.
An einer der beiden Längsseiten 16 befindet sich oberhalb der Führungsrollen 18 ein Zahnrad 20. Das Zahnrad 20 ist ebenfalls drehbar an der einen Längsseite 16 angebracht. Weiterhin ist das Zahnrad 20 als Antriebsrad ausgebildet und wird von einem Elektromotor 21 angetrieben.
Der Schlitten 14 ist zur Aufnahme wenigstens eines Prüfkopfes vorgesehen, der in FIG. 1 nicht explizit dargestellt ist. Der Schlitten 14 umfasst im Wesentlichen den rechteckigen Rahmen und eine Aufnahmeeinrichtung 30 für den Prüfköpf . Die Aufnahmeeinrichtung 30 für den Prüfkopf ist über eine Rückstellein- richtung in dem rechteckigen Rahmen angebracht.
Der Prüfkopf ist zum Senden der Ultraschallwellen und zum Erfassen der vom Prüfgegenstand reflektierten Ultraschallwellen vorgesehen. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der Prüf- köpf schwenkbar an dem Schlitten 14 angebracht. Beispielsweise erstreckt sich die Schwenkachse parallel zur Bewegungsrichtung des Schlittens 14.
Bei der bevorzugten Ausführungsform weist der Schlitten 14 eine Rückstelleinrichtung auf, so dass der Prüfkopf automatisch in eine vorbestimmte Position, insbesondere in eine zentrale Position schwenkbar ist. Die Rückstelleinrichtung kann Magnetelemente oder Federelemente aufweisen.
In FIG. 2 ist eine schematische Perspektivansicht einer
Schiene 22 für die Vorrichtung zur zerstörungsfreien Materialprüfung des Prüfgegenstands gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Schiene 22 ist in dieser bevorzugten Ausführungsform aus Epoxydharz hergestellt. Dadurch kann die Schiene 22 durch eine Behandlung mit ultraviolettem Licht gehärtet werden. Weiterhin ist die Schiene 22 vorzugsweise mittels eines Stereolithographie-Verfahrens hergestellt. Dies ermöglicht, dass die Schiene lediglich anhand einer Zeichnung von der Oberfläche des Prüfgegenstands hergestellt werden kann.
Die Schiene 22 ist als ein lang gestreckter rechteckiger Rahmen ausgebildet. Die Kontur der Schiene 22 ist an die Oberfläche des Prüfkörpers angepasst, so dass eine der beiden großflächigen Seiten im Wesentlichen komplementär zur Oberfläche des Prüfkörpers ausgebildet und während der Material- prüfung dem Prüfkörper zugewandt ist.
An den beiden inneren Längsseiten 24 befindet sich jeweils eine Führungsrille 26. Die beiden Führungsrillen 26 erstrecken sich parallel zur Längsachse der Schiene 22, wobei die beiden offenen Seiten der Führungsrillen 26 einander zugewandt sind. Die Führungsrillen 26 sind somit nach Innen hin offen. Weiterhin umfasst die Schiene 22 eine Verzahnung 28, die sich ähnlich einer Zahnstange entlang der Längsachse der Schiene 22 erstreckt.
Die Schiene 22 und der Schlitten 14 sind hinsichtlich ihrer Geometrie so aneinander angepasst, dass der Schlitten 14 innerhalb der Schiene 22 verschiebbar ist. Dabei sind die Führungsrollen 18 des Schlittens 14 in den Führungsrillen 26 der Schiene 22 bewegbar, und das Zahnrad 18 des Schlittens 14 ist in Eingriff mit der Verzahnung 28.
FIG. 3 zeigt eine detaillierte Perspektivansicht der Schiene 22 für die Vorrichtung zur zerstörungsfreien Materialprüfung des Prüfgegenstands gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. FIG. 3 verdeutlicht einige Details der Schiene 22. Die Führungsrillen 26 befinden sich an den beiden inneren Längsseiten 24. Die beiden Führungsrillen 26 sind auch zuein- ander parallel. Der Abstand zwischen den Führungsrillen 26 ist im Wesentlichen konstant. Die Führungsrillen 26 sind nach Innen hin offen, und deren offenen Seiten sind einander zugewandt. Die Verzahnung 28 ist so ausgebildet und angeordnet, dass das Zahnrad 20 mit der Verzahnung 28 und zugleich die
Führungsrollen 18 mit den entsprechenden Führungsrillen 26 in Eingriff sind.
FIG. 4 zeigt eine schematische perspektivische Explosions- ansieht des Schlittens 14 mit einem Prüfkopf 36 gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Der Schlitten 14 um- fasst den rechteckigen Rahmen, der wiederum einen ersten Rahmenteil 32 und einen zweiten Rahmenteil 34 aufweist. Die Aufnahmeeinrichtung 30 für den Prüfkopf 36 ist innerhalb des ersten Rahmenteils 32 vorgesehen. Der Prüfkopf 36 ist wiederum innerhalb der Aufnahmeeinrichtung 30 vorgesehen. Das als Zahnrad 20 ausgebildete Antriebsrad wird von dem Elektromotor 21 angetrieben.
Zwei nebeneinander liegende Führungsrollen 18 sind an dem ersten Rahmenteil 32 angebracht. Zwei weitere nebeneinander liegende Führungsrollen 18 sind an dem zweiten Rahmenteil 34 angebracht. Der erste Rahmenteil 32 und der zweite Rahmenteil 34 sind zueinander schwenkbar entlang der Längachse des Schlittens 14 verbunden oder verbindbar. Somit sind die beiden Achsen der Führungsrollen 18 zueinander schwenkbar, so dass der Schlitten 14 an den Verlauf der Schiene 22 anpassbar ist. Durch das Schwenken der Achsen haben alle vier Führungsrollen 18 stets Berührung mit der Schiene 22.
Der Schlitten 14 umfasst eine Mehrzahl von Magnetelementen 40, die zwei Rückstelleinrichtungen bilden. Dabei wirkt eine Rückstelleinrichtung zwischen der Aufnahmeeinrichtung 30 und dem ersten Rahmenteil 32. Eine weitere Rückstelleinrichtung wirkt zwischen dem ersten Rahmenteil 32 und dem zweiten Rahmenteil 34. An der Aufnahmeeinrichtung 30, an dem ersten Rahmenteil 32 und an dem zweiten Rahmenteil 34 befinden sich Ausnehmungen 42, die zur Aufnahme der Magnetelemente 40 vor- gesehen sind. Die Ausnehmungen 42 sind geringfügig größer als die entsprechenden Magnetelemente 40.
Die Aufnahmeeinrichtung 30 ist senkrecht zur Bewegungsrich- tung des Schlittens 14 bezüglich des ersten Rahmenteils 32 in zwei Richtungen schwenkbar und mittels der Rückstelleinrichtung in eine Mittelstellung automatisch rückstellbar. Das zweite Rahmenteil 34 ist um die Achse, die sich parallel zur Bewegungsrichtung des Schlittens 14 erstreckt, ebenfalls be- züglich des ersten Rahmenteils 32 schwenkbar und mittels der Rückstelleinrichtung in eine Mittelstellung automatisch rückstellbar. In den Mittelstellungen befinden sich die korrespondieren Ausnehmungen genau gegenüber.
Der Prüfkopf ist somit einerseits entlang der Schiene 22 bewegbar und andererseits senkrecht dazu schwenkbar, so dass ein verhältnismäßig großer Bereich beschallt und erfasst werden kann. Für den Prüfköpf sind dazu lediglich zwei Freiheitsgrade der Bewegung erforderlich, wodurch ein relativ einfacher Algorithmus für die Steuerung des Prüfkopfes und die Erfassung und Auswertung der reflektierten Schallwellen ausreicht .
Die Materialprüfung erfolgt, indem ein Prüfkopf, der an dem Schlitten 14 angebracht ist, entlang der Schiene 22 und somit entlang der äußeren Oberfläche des Prüfgegenstands bewegt wird. Dabei ist der Prüfkopf um eine Achse schwenkbar, die parallel zur Längsachse, zumindest aber zur Tangente der Schiene 22 ist.
Mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist es nicht unbedingt notwendig, dass die gesamte Oberfläche des Prüfgegenstands abgetastet wird, um das gesamte Volumen des Prüfgegenstands zu erfassen. Es kann beispielsweise eine bestimmte Strecke oder ein bestimmter Weg auf der Oberfläche abgetastet werden, da durch die Schwenkbewegungen des Prüfkopfes zumindest der relevante Bereich des Volumens auch ohne die vollständige Abtastung der Oberfläche erfasst werden kann. Das erfasste Signal entsteht insbesondere durch den reflektierten Anteil eines Ultraschallimpulses an sprunghaften räumlichen Änderungen des Wellenwiderstands innerhalb des Prüfgegenstands . Diese Änderungen werden dann als Materialfehler interpretiert, wenn dort keine konstruktiv bedingten Materialgrenzen oder Materialübergänge vorhanden sind. Das erfasste Signal enthält Informationen über die Amplitude und die Laufzeit der reflektierten Schallwelle. Da die Schallge- schwindigkeit im Material des Prüfgegenstands bekannt ist, lässt sich aus der Laufzeit auch der Abstand zwischen dem Materialfehler und der Position des Prüfkopfs bestimmen.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur zerstörungsfreien Materialprüfung eines zumindest abschnittsweise massiven Prüfgegenstands durch
Beaufschlagen des Prüfgegenstands mit Ultraschallwellen und Erfassen der innerhalb des Prüfgegenstands reflektierten Ultraschallwellen, wobei die Vorrichtung folgende Komponenten aufweist: - wenigstens einen Prüfkopf zum Senden der Ultraschallwellen und zum Erfassen der vom Prüfgegenstand reflektierten Ultraschallwellen,
- wenigstens einen bewegbaren Schlitten (14), an dem der Prüfkopf angebracht oder anbringbar ist, und - eine langgestreckte Schiene (22) zum Führen des Schlittens (14), die an die Struktur der Oberfläche des Prüfgegenstands angepasst oder anpassbar ist, wobei
- der Schlitten (14) entlang der Schiene (22) bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfköpf relativ zu dem Schlitten (14) bewegbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schiene (22) mittels eines Stereolithographie-Verfah- rens hergestellt oder herstellbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schiene (22) aus wenigstens einem Material hergestellt oder herstellbar ist, das durch eine Behandlung mit ultraviolettem Licht härtbar ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schiene (22) aus wenigstens einem Epoxydharz hergestellt oder herstellbar ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schiene (22) eine oder mehrere Führungsnuten und/oder Führungsrillen (26) aufweist, die komplementär zum Schlit- ten (14) oder zu einem Abschnitt des Schlittens (14) ausgebildet sind.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitten (14) wenigstens eine Führungsrolle (18) aufweist .
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Führungsrolle (18) und wenigstens eine Führungsrille (26) miteinander in Eingriff sind oder in Eingriff bringbar sind.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitten (14) wenigstens einen Motor (21) zum Antreiben des Schlittens (14) entlang der Schiene (22) aufweist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitten (14) wenigstens ein mit dem Motor (21) gekoppeltes Zahnrad (20) oder dergleichen aufweist, das kraftschlüssig mit der Schiene (22) in Eingriff ist oder in Eingriff bringbar ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schiene (22) wenigstens eine Zahnstange (28) aufweist.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in oder an der Schiene (22) wenigstens eine Verzahnung (28) ausgebildet ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 7 und 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad (20) mit der Zahnstange bzw. der Verzahnung (28) in Eingriff ist oder in Eingriff bringbar ist.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfkopf an dem Schlitten (14) schwenkbar um eine Achse ist, die sich parallel zur Längsachse der Schiene (22) er- streckt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfkopf und der Schlitten (14) durch wenigstens eine Rückstelleinrichtung miteinander gekoppelt sind.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstelleinrichtung wenigstens zwei miteinander wech- seiwirkende Magnetelemente aufweist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstelleinrichtung wenigstens ein Federelement auf- weist.
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Führungsrollen (18) relativ zueinander be- wegbar am Schlitten (14) angebracht sind, so dass die Positionen der Führungsrollen (18) an den Verlauf der Schiene (22) anpassbar sind.
18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitten (14) wenigstens zwei Rahmenteile (32, 34) um- fasst, die miteinander schwenkbar verbunden oder verbindbar sind, wobei an jedem Teil (32, 24) wenigstens eine Führungsrolle (18) drehbar befestigt ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Rahmenteile (32, 34) um eine Achse schwenkbar sind, die sich entlang der Bewegungsrichtung des Schlittens (14) erstreckt.
20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass an wenigstens einem Rahmenteil (32, 34) zwei Führungsrollen (18) nebeneinander angeordnet sind.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass an wenigstens zwei Rahmenteilen (32, 34) jeweils zwei Führungsrollen (18) nebeneinander angeordnet sind, so dass die Achsen mit jeweils zwei Führungsrollen (18) zu- einander schwenkbar sind.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Rahmenteile (32, 34) durch wenigstens eine Rückstelleinrichtung miteinander gekoppelt sind.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstelleinrichtung wenigstens zwei miteinander wech- seiwirkende Magnetelemente (40) aufweist.
24. Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstelleinrichtung wenigstens ein Federelement aufweist .
25. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung wenigstens eine Steuerungseinrichtung aufweist .
26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung das Senden und/oder Erfassen der Ultraschallwellen steuert.
27. Vorrichtung nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung die Bewegung des Prüfkopfes und/oder Schlittens (14) steuert.
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