Erwägungen über das Testen von Punktschweißnähten mit Ultraschall
Die klassische Methode nutzt einen Wandler, der an den Punktschweißnaht angepaßten Durchmesser hat. Es wird dabei nur Scan A genutzt - das reflektierte Ultraschallsignal wird dabei analysiert. Man kann sagen, daß der Schwießnaht nur als eine eindimensionelle Struktur behandelt wird, eventuelle lokalen Unterschiede werden nicht gesehen, es wird außerdem praktisch nur die Welle empfangen, die parallel zu der Oberfläche des Materials verläuft.Es ist aber im Allegemeinen nicht möglich anzunehmen, daß ein Schweißnaht keine lokalen Unterschiede aufweist, und auch nicht in andere Richtungen streut (das wird bestimmt der Fall sein, wenn es lokale Unterschiede hat - kleine Fehler oder auch Strukturunterschiede). Die Wellen mit anderen Richtungen entstehen auch, wenn die Oberfläche verformt ist, was praktisch immer der Fall ist.
Die Wellen, die in andere Richtungen gehen, kann man bestimmt mit einem genug großem Wandler finden, der Fokus in der Größe des Punktschweißnahtes hat. Da man jedoch für die typischen Bleche ziemlich hohe Frequenzen nutzen muß, ist das schwer zu verwirklichen.
Eine viel bessere Methode kann das Scannen mit einem fokussierenden Wandler darstellen. In dem Fall kann man sowohl lokale Unterschiede, wie auch Wellen detektieren, die in andere Richtungen gehen.
Es gibt einen Nachteil dieser Methode: Um das Bild des ganzen Schweißnahtes zu bekommen, muß man etliche Linien scannen, was das Gerät kompliziert macht. Bisherige Erfahrungen mit dieser Methode zeigen jedoch, daß wahrscheinlich nur wenige Linien ausreichen können, um das Schweißnaht zu beurteilen. Wenn diese Methode mit einem einfachem fokussierten Wandler verwirklicht wird, läßt sich nicht sagen, in welche Richtugen die Wellen gestreut wurden, durch spezielle Konstruktion des Scanners läßt sich aber auch dieser Nachteil überwinden (die Frage, ob diese Information nützlich sein kann, versuche ich später zu klären).
Wir haben einige Prototypen solches Scanners gemacht und sind schon in der Fertigstellung eines Produktes weit vorangekommen. Beispielhaftes Bild, die ein solches Scanner liefert, sieht so aus:
Bereich 1 und 3 sind ohne Schweißverbindung. In der Mitte ist der Bereich mit der Verbindung gekennzeichnet (mit der etwas hellere Elipse). Durch die Anaylse der Bilder dieser Art und vergleiche der erhaltenen Signale mit den schon früher gesammelten lassen sich die Schweißnähte messen und beurteilen.
Es gibt noch eine Methode, die sowohl die Visualisierung der Struktur des Schweißnahtes erlaubt, wie auch die Erfassung der Wellen ermöglicht, die in andere Richtungen gehen. Geimeint habe ich natürlich die holographische Erfassung. Dabei wird sogar direkt die Tatsache genutzt, daß solche Wellen entstehen. Sie müssen ganz bestimmt in folgenden Fällen generiert werden:
1. An den Grenzen des Schweißnahtes;
2. Auf den Unebenheiten der Oberfläche;
3. An allen Fehlern der Schweißverbindung.
Da es sich im Falle des Punktschweißnahtes praktisch um ein zweidimensionales Objekt handelt, läßt sich diese Erfassung mit einem Sensor bewerkstelligen, der sich auf einer zirkularen Bahn bewegt, oder auch mit einer Anzahl Sensoren, die ringförmig angeordnet sind. Diese zwei Möglichkeiten werden auf den folgenden Bildern dargestellt:
Wir haben diese Technik für die Bedürfnisse der Erkennung der Fingerabdrücke reif gemacht und auch versucht, sie bei den dreidimensionellen Objekten einzusetzen.
Im Falle, wenn man Sie jetzt für Schweißnahtprüfung einsetzen möchte, entsteht ein zusätzliches Problem: Man muß die optimalen Parameter des Gerätes (Winkel der Empfangswandler, ihre Menge etc.) herausfinden. Es wird außerdem nötig sein, die passende Software dafür zu schreiben.
Man muß dabei folgendes bemerken:
- Vom physikalischen Prinzip her unterscheidet sich die holographische Methode bei zweidimensionellen Objekten nicht von der Erfassung mit dem fokussierten Schall. Sie erlaubt aber die Konstruktion eines viel einfacheren Erfassungsgeräts (auch ohne beweglichen Teile). Mit dieser Methode läßt sich auch ziemlich leicht eine maximal mögliche Apertur erreichen, was die Auflösung vergrößert. Sie hat möglicherweise noch einen zusätzlichen Vorteil (der u.U. groß sein kann): da man die reflektierten Signale eigentlich nicht sieht, kann die Empfindlichkeit auf vorhandene Fehler größer werden.
- Der Nachteil der Methode könnte sich in dem Moment zeigen, wenn das Objekt nur in bestimmte, aber nicht vorhersehbare Winkel streut. Die Erfassung solcher Signale würde mehr Wandler (oder Bahnen) verlangen, was das Erfassungsgerät deutlich komplizieren würde. Ich vermute, daß das bei den Schweißnähten kein Problem sein wird und daher ohne Bedeutung ist.
Wir sind auf der Suche nach Partnern und Kunden, die an der praktischen Anwendung dieser Technik Interesse haben. Bisherige Erfahrungen zeigen, daß sie mit großem Erfolg in der industriellen Praxis eingesetzt werden kann, aber noch etwas Arbeit verlangt.
Im Laufe der Arbeiten an diesem Proeblem wurden zusätzliche Ideen vorgeschlagen, die möglicherweise noch bessere Beurteilung der Verbindung erlauben.
Wieslaw Bicz
Juli 2003