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:
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Bild 1 |
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1 |
2 |
3 |
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Bild 2 |
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:
Bild 3
Bild 4
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:
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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.
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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
