DD232754A1

DD232754A1 - METHOD FOR THE LAYER THICKNESS MEASUREMENT OF PROTECTIVE LAYERS WITH ULTRASONIC SURFACE WAVES

Info

Publication number: DD232754A1
Application number: DD26620284A
Authority: DD
Inventors: Anne Ebert; Guenter Tutzschky; Lothar Fleischer; Peter Weigelt
Original assignee: Karl Marx Stadt Tech Hochschul
Priority date: 1984-08-13
Filing date: 1984-08-13
Publication date: 1986-02-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schichtdickenmessung von Schutzschichten mit Ultraschalloberflaechenwellen auf Stahloberflaechen. Mit dem vorgeschlagenen Messverfahren, das auf der bekannten sing-around-Methode basiert, lassen sich aufgrund der Ausbreitungsbedingungen der Ultraschalloberflaechenwellen Schutzschichten kleiner 0,25 mm Dicke auf Stahlproben mit Hilfe einer relativ einfachen Messtechnik schnell und mit hoher Genauigkeit messen. Als Grundlage der Messung dienen Justierkurven, die am jeweiligen Substratmaterial mit aufgebrachten Schutzschichten aus dem jeweiligen Schichtmaterial ermittelt wurden, deren Dicke zuvor mit Hilfe metallographischer Schichtdickenmessungen bestimmt worden ist. Unter Nutzung einer geeigneten Prueffrequenz zwischen 2 und 10 MHz, die eine groessere Eindringtiefe der Ultraschalloberflaechenwellen als die Dicke der aufgebrachten Schutzschicht garantiert, wird die Aenderung der Geschwindigkeit DvR und/oder der Schwaechung DS der Ultraschalloberflaechenwellen gemessen, die damit als Mass fuer die Schichtdicke dient. Das Verfahren ist fuer Anwendungen in der metallverarbeitenden Industrie geeignet.The invention relates to a method for measuring the coating thickness of protective layers with ultrasonic surface waves on steel surfaces. With the proposed measuring method, which is based on the known sing-around method, due to the propagation conditions of the ultrasonic surface waves, protective layers smaller than 0.25 mm in thickness can be measured quickly and with high accuracy on steel samples using a relatively simple measuring technique. The basis of the measurement are adjustment curves which were determined on the respective substrate material with applied protective layers of the respective layer material, the thickness of which had previously been determined with the aid of metallographic layer thickness measurements. Using a suitable test frequency between 2 and 10 MHz, which guarantees a greater penetration depth of Ultraschallloberflaechenwellen than the thickness of the applied protective layer, the change in the speed DvR and / or the weakening DS of Ultraschallloberflaechenwellen is measured, which thus serves as a measure of the layer thickness. The method is suitable for applications in the metalworking industry.

Description

Verfahren zur Schichtdickenmessung von Schutzschichten mit UltraschalloberflächenwellenMethod for measuring the coating thickness of protective layers with ultrasonic surface waves

Anwendungsgebiete der ErfindungFields of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schichtdickenmessung von Schutzschichten mit Ultraschalloberflächenwellen auf Stahlproben in der metallverarbeitenden Industrie.The invention relates to a method for measuring the coating thickness of protective layers with ultrasonic surface waves on steel samples in the metalworking industry.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Es ist bekannt, daß die Schichtdicke von metallischen Schutzschichten auf Stahloberflächen zerstörend am metallographischen Querschliff beziehungsweise auch durch zerstörungsfreie Meßverfahren bestimmt werden kann. Eei den letzteren beruht der Meßeffekt auf der Existenz unterschiedlicher physikalischer Eigenschaften zwischen Substrat und Schicht. Das können unter anderem die Schallgeschwindigkeit und der Schwächungskoeffizient für Ultraschallwellen sein.It is known that the layer thickness of metallic protective layers on steel surfaces can be determined destructively on the metallographic cross section or also by non-destructive measuring methods. For the latter, the measuring effect is based on the existence of different physical properties between substrate and layer. These can include the speed of sound and the attenuation coefficient for ultrasonic waves.

Unter den Meßverfahren mit Ultraschall ist die Schichtdikkenmessung nach dem Impuls-Laufzeit-Verfahren mit Longitudinalwellen bekannt, bei dem Schichtdicken größer 0,25 mm registriert werden können. Dabei wird im Sender-Empfänger-Betrieb gearbeitet. Der Nachteil bei der Verwen-Among the measuring methods with ultrasound is the Schichtdikkenmessung after the pulse transit time method with longitudinal waves known, can be registered in the layer thicknesses greater than 0.25 mm. It works in the transmitter-receiver mode. The disadvantage of using

__. dung von Longitudinal wellen besteht darin, daß aufgrund__. Longitudinal waves is that due to

der hohen Ultraschallgeschwindigkeit die Laufzeit zwischen Senden und Empfang sehr kurz ist und daher keine Anzeige bei Schichtdicken kleiner 0,25 mm möglich wird.the high speed of ultrasound, the transit time between transmission and reception is very short and therefore no display at layer thicknesses smaller than 0.25 mm is possible.

13.8.34-019147913.8.34-0191479

Mit der Verwendung von Ultraschalloberflächenwellen läßt sich die Laufzeit aufgrund ihrer geringeren Ultraschalloberflächenwellengeschwindigkeit vergrößern. Zur Schichtdickenmessung mit ültraschalloberflächenwellen sind bisher nur die Goniometerverfahren bekannt, bei denen die Änderung des kritischen Einschallwinkels, unter dem Ultraschalloberflächenwellen entstehen, mit Varianten der Dicke einer auf dem Substratmaterial aufgebrachten Schutzschicht registriert wird. Hierbei ist die Probengeometrie durch die Versuchsanordnung vorgeschrieben· Eine erhöhte Meßgenauigkeit gegenüber dem oben angeführten Meßverfahren bietet die Anwendung des sing-around-Meßverfahrens durch mehrmaliges Durchlaufen einer vorgegebenen Meßstrecke. Die Anwendung des sing-around-Meß-Verfahrens mit Ultraschalloberflächenwellen zur Schichtdickenmessung ist bisher noch nicht bekannt, da sich die Einflußfaktoren der Oberfläche auf die Anwendung des Meßverfahrens, wie zum Beispiel die Rauhigkeit, nicht eliminieren ließen.With the use of ultrasonic surface waves, run time can be increased due to their lower ultrasonic surface wave velocity. For layer thickness measurement with ültraschalloberflächenwellen so far only the goniometer method are known in which the change of the critical insonification angle, arise under the ultrasonic surface waves, is registered with variants of the thickness of a deposited on the substrate material protective layer. In this case, the sample geometry is prescribed by the experimental setup · Increased accuracy compared to the above-mentioned measurement method provides the application of the sing-around measurement method by repeatedly passing through a predetermined measurement path. The application of the sing-around measuring method with ultrasonic surface waves for measuring the layer thickness has hitherto not been known since the influence factors of the surface on the application of the measuring method, such as the roughness, could not be eliminated.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Das Ziel der Erfindung ist es, eine zerstörungsfreie Messung der Dicke von Schutzschichten auf Stahloberflächen mit Hilfe von Ultraschalloberflächenwellen unter Nutzung einer einfachen Meßtechnik, bei geringen Prüfzeiten und hoher Meßgenauigkeit durchzuführen.The object of the invention is to perform a non-destructive measurement of the thickness of protective layers on steel surfaces by means of ultrasonic surface waves using a simple measuring technique, with low test times and high accuracy.

Darlegung des Wesens der Erfindung .._.Explanation of the essence of the invention .._.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Schichtdickenmessung von Schutzschichten mit Ultraschalloberflächenwellen für Schichtdicken kleiner 0,25 mm zu entwickeln, das zerstörungsfrei und unabhängig von der Probengeometrie arbeitet. Die geringe Geschwindigkeit und die frequenzabhängige Eindringtiefe der Ultraschalloberflächenwellen sollen dabei durch eine Zeit-The invention has for its object to develop a method for coating thickness measurement of protective layers with ultrasonic surface waves for layer thicknesses less than 0.25 mm, which works non-destructive and independent of the sample geometry. The low speed and the frequency-dependent penetration depth of the ultrasonic surface waves should be determined by a time

Streckung zwischen Senden und Empfangen, sowie eine Variation des erfaßten Probenvolumens ermöglichen, wodurch Bedingungen für eine erhöhte Meßgenauigkeit einstellbar sind, bei denen sich der Meßeffekt deutlich von anderen Einflußfaktoren auf das Meßergebnis, wie zum Beispiel die Rauhigkeit, abhebt.Extension between sending and receiving, as well as a variation of the detected sample volume allow, whereby conditions for an increased accuracy can be adjusted, in which the measurement effect significantly different from other factors influencing the measurement result, such as the roughness, stands out.

Erfindungsgemäß wird dre Aufgabe unter Anwendung des an sich bekannten sing-around-Meßverfahrens dadurch gelöst, daß von einem als Sender arbeitenden Ultraschalloberflächenwellenwandler abgegebene Ultraschalloberflächenwellen von einem als Empfänger arbeitenden Ultraschalloberflächenwellenwandler aufgenommen werden, wobei die Änderung der Ultraschalloberflächenwellengesehwindigkeit und/oder der Ultraschalloberflächenwellenschwächung bei einer aufgebrachten Schutzschicht gemessen wird, die in Abhängigkeit von der Schichtdicke und dem Schichtmaterial gegenüber dem unbeschichteten Substratmaterial auftritt. Dabei dienen Eiehkurven unter Verwendung eines Etalons aus dem jeweiligen Substratmaterial mit aufgebrachten definierten Schutzschichten aus dem jeweiligen Schichtwerkstoff als Grundlage. Vorzugsweise geeignet zur Verfahrensdurchführung sind Prüffrequenzen von 2 Mz bis 10 MHz, wobei die Eindringtiefe der Ultraschalloberflächenwellen größer als die Dicke der aufgebrachten Schutzschicht vorgewählt werden muß. Die Zeit für den mehrfachen Durchlauf der Ultraschalloberflächenwellen wird durch die Wahl der Meßstrecke bei der jeweils vorgegebenen Probengeometrie festgelegt.According to the invention, three objects are achieved by using the per se known sing-around measuring method in that ultrasound surface waves emitted by an ultrasonic surface wave transducer operating as a transmitter are picked up by an ultrasonic surface wave transducer operating as a receiver, wherein the change in the ultrasonic surface wave velocity and / or the ultrasonic surface wave attenuation occurs with an applied protective layer is measured, which occurs as a function of the layer thickness and the layer material relative to the uncoated substrate material. Eiehkurven serve using an etalon of the respective substrate material with applied defined protective layers of the respective layer material as a basis. Preferably suitable for carrying out the method are test frequencies of 2 Mz to 10 MHz, wherein the penetration depth of the ultrasonic surface waves must be greater than the thickness of the applied protective layer must be selected. The time for the multiple passage of the ultrasonic surface waves is determined by the choice of the test section at the given sample geometry.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand einer Zeichnung näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigtThe invention will be explained below with reference to an embodiment with reference to a drawing. In the drawing shows

Fig. 1: das Blockschaltbild einer Meßapparatur für das erfindungsgemäße VerfahrenFig. 1: The block diagram of a measuring apparatus for the inventive method

Fig. 2: die Änderung der Ultraschalloberflächenwellengeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Schichtdicke einer NickelschichtFig. 2: the change of the ultrasonic surface wave velocity as a function of the layer thickness of a nickel layer

Pig. 3' die Änderung der Ultraschalloberflächenwellen-Schwächung in Abhängigkeit von der Schichtdicke einer NickelschichtPig. 3 'shows the change of the ultrasonic surface wave attenuation as a function of the layer thickness of a nickel layer

Bei dem verwendeten sing-around-Meßverfahren löst ein Impulsgenerator 2 einen elektronischen Impuls aus, der von einem als Sender arbeitenden Ultraschalloberflächenwellenwandler 3 in eine Ultraschallcberflachenwelle umgewandelt wird, die die zu untersuchende Oberfläche eines Probekörpers 1 durchläuft. Ein als Empfänger arbeitender Ultraschalloberflächenwellenwandler 4- wandelt die ankommende Welle wieder in ein elektronisches Signal um, das über einen Verstärker 5 einem triggerbaren Impulsformer 7 zugeführt wird. Durch diesen erfolgt die Auslösung eines neuen Sendeimpulses im Generator und somit einer neuen Ultraschalloberflächenwelle im Wandler. Von einem elektronischen Zähler 8 wird die Impulsfolgefrequenz ff, das heißt die Anzahl der Umläufe pro Zeiteinheit, die direkt proportional zur Ultraschalloberflächenwellengeschwindigkeit ist, gemessen und über einen Drucker 9 ausgegeben. Die Amplitude des empfangenen Ultraschalloberflächenwellenimpulses, die ein Maß für die Schwächung der Ultraschalloberflächenwellen darstellt, wird von einem Oszillographen 6 angezeigt.In the sing-around measuring method used, a pulse generator 2 triggers an electronic pulse, which is converted by an ultrasonic surface wave transducer 3 operating as a transmitter into an ultrasonic surface wave which passes through the surface of a test piece 1 to be examined. A working as a receiver ultrasonic surface wave converter 4- converts the incoming wave again into an electronic signal which is supplied via an amplifier 5 to a triggerable pulse shaper 7. This causes the triggering of a new transmission pulse in the generator and thus a new ultrasonic surface wave in the converter. From an electronic counter 8, the pulse repetition frequency ff, that is, the number of revolutions per unit time, which is directly proportional to the ultrasonic surface acoustic wave speed, measured and output via a printer 9. The amplitude of the received ultrasonic surface wave pulse, which is a measure of the attenuation of the ultrasonic surface waves, is displayed by an oscilloscope 6.

Claims

invention claim

Method for coating thickness measurement of. Ultrasonic surface wave protective layers using the sing-around measuring method known per se, characterized in that surface ultrasonic waves passing through the surface of a specimen (1) from an ultrasound surface wave transducer (3) operating as a transmitter are driven by an ultrasound surface wave transducer (4) operating as a receiver. and the change in the ultrasound surface waveshaft AVV and / or ultrasound surface waveshear AS the measurement signal proportional to a layer thickness of a protective layer is obtained, the penetration depth of the ultrasound surface waves being preselected by the test frequency and alignment curves with the respective layer-substrate combination being the basis of the evaluation.

For this

2 sheets drawing