DD297252A5 - METHOD AND DEVICE FOR THE NON-DESTRUCTIVE TESTING OF SURFACE LAYERS, IN PARTICULAR COMPLICATED LARGE COMPONENTS - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht «ich auf das Gebiet der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, Objekte, bei denen ihre Anwendung möglich und zweckmäßig ist, sind Oberflächenrchlchten von Bauteilen des Maschinen·, Anlagen· und Apparatebaues. Besondere vorteilhaft ist die Erfindung bei der Bestimmung der Einhärtetiefe und der Oberflächenhärte von randschlchtgehärteten kompliziert geformten und großen Bauteilen aus Stahl anwendbar.The invention relates to the field of non - destructive material testing, objects in which their application is possible and expedient, are surface flaws of components of mechanical, plant and apparatus engineering. Particularly advantageous, the invention in the determination of the hardening depth and the surface hardness of randschlchtharärteten complicated shaped and large steel components applicable.
Es ist bekannt, bestimmte eigenschaftsrelevante Charakteristiken von Oberflächenschichten, wie z. B. Schichtdicke, Einhärtetiefe, Risse, Einschlüsse oder ähnliches zerstörungsfrei an größeren, auch kompliziert geformten Bauteilen mittels photothermischen Verfahren lokal zu messen (Oberflächenprüfung mit dem P.O.P.-System, Prospekt „Phototherm" der Dr. Petry GmbH). Dazu bestrahlt ein Laser mit einem modulierten Lichtstrahl die Oberfläche. Der In Wärme umgewandelte Teil des Lichtes dringt als Wärmewelle einer bestimmten thermischen Diffusionslänge In das Material ein. In Abhängigkeit von der materialabhängigen Diffusionslänge entsteht an der Oberfläche eine spezifische Wärmeabutrahlung, deren Wirkung als thermische Linse mittels eines positionsempfindlichen Photodetektors ausgemessen wird. Der Mangel des Verfahrene besteht darin, daß das Verfahren für jede von einem Standard In stärkerem Maße abweichende Oberflächenkrümmung aufwendig neu kalibriert werden muß. Die Ursache dafür ist, daß die Wärmeabstrahlung der Oberfläche selbst abhängig ist von der Oberflächenkrümmung.It is known that certain property-relevant characteristics of surface layers, such. B. layer thickness, hardening depth, cracks, inclusions or the like nondestructively on larger, even complex shaped components by photothermal methods to measure locally (surface inspection with the POP system, prospectus "Phototherm" of Dr. Petry GmbH) irradiated with a laser The heat-converted part of the light penetrates into the material as a heat wave of a certain thermal diffusion length Depending on the material-dependent diffusion length, a specific heat radiation is produced on the surface, whose effect is measured as a thermal lens by means of a position-sensitive photodetector. The deficiency of the process is that the process must be recalibrated in a costly manner for every surface curvature that deviates more strongly from a standard, because the heat radiation of the surface itself depends on the surface rflächenkrümmung.
Weiterhin ist bokannt, die Dispersion von Ultraschall-Oberflächenwellon zur Bestimmung von Schichtdicken, Einhärtetiefen, Eigenspannungen, Dichte· oder E-Modulgradlenten einzusetzen (z.B.: D.Schneider, T.Schwnrz, B.Brenner, „Neue Hütte" 34 [1989] Heft 6, S. 207-212). Dazu wird durch einen Laserimpuls auf thermoelastische Weise eine Oberflächenwelle mit einem weiten Frequenzspektrum angeregt und bei einer ausgewählten Mittenfrequenz f mit einem in einem Abstand L in Ausbreitungsrichtung befindlichen piezoelektrischen Wandler empfangen. Nach Einstellung zweier verschiedener Abstände L«, L1 werden zwei Laufzeiten ti, t2 des Schallimpulses gemessen und nach c «> (L1 - Lt)/(t2 - t,) die Schallgeschwindigkeit c für die Frequenz f bestimmt. Da der piezoelektrische Wendler zwischen den beiden Messungen wegen der nicht zu vermeidenden Änderung der Ankoppelbedingungen nicht verschoben werden kann, müssen die Abstände Li, Lj durch eine Veränderung der Position des Auftreffpunktes des Laserstrahles eingestellt werden. Der Mangel dieses Verfahrens besteht darin, daß es sehr aufwendig ist, größere Bauteile oder die gesamte Meßanordnung relativ zueinander mit der erforderlichen Genauigkeit zu verschieben. Die Ursache dafür ist, daß die Variation der Meßabstände L1, L1 nur mit einer Relatiwerschiebung Bauteil-Meßanordnung möglich ist. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Streuung der Meßwerte zu groß ist. Die Ursache dafür ist, daß zur Messung zwei verschiedene, willkürlich herausgegriffene Impulse der stochastisch schwankenden Laserimpulshöhenverteilung und Laserimpulsformverteilung herausgegriffen werden.Furthermore, it is known to use the dispersion of ultrasound surface waveon for the determination of layer thicknesses, hardening depths, residual stresses, density or modulus of elasticity (eg: D. Schneider, T. Schwartz, B. Brenner, Neue Hütte 34 [1989] Heft 6, pp. 207-212), in which a surface wave having a wide frequency spectrum is excited by a laser pulse in a thermoelastic manner and received at a selected center frequency f with a piezoelectric transducer located at a distance L. In the course of setting two different distances L << L 1 , two transit times ti, t 2 of the sound impulse are measured and, according to c <<> (L 1 -L t ) / (t 2 -t,), the velocity c of sound is determined for the frequency f can not be moved because of the unavoidable change in the Ankoppelbedingungen, the distances Li, Lj by a change in the position of the impact point tes of the laser beam are set. The defect of this method is that it is very expensive to move larger components or the entire measuring device relative to each other with the required accuracy. The reason for this is that the variation of the measuring distances L 1 , L 1 is possible only with a Relatiwerschiebung component-measuring arrangement. A further disadvantage is that the scattering of the measured values is too great. The reason for this is that for measuring two different, arbitrarily picked out pulses of stochastically fluctuating laser pulse height distribution and laser pulse shape distribution are picked out.
Das Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Oberflächenschichten, das wenig aufwendig ist und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, die die Messung ohne große Streuung der Meßwerte auch für große, kompliziert geformte Bauteile gestattet, vorzuschlagen.The object of the invention is to propose a method for non-destructive testing of surface layers, which is inexpensive and an apparatus for performing this method, which allows the measurement without large dispersion of the measured values for large, complicated shaped components.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, bei denen der Meßwert nicht wesentlich von der Oberflächenkrümmung beeinflußt wird und die es gestatten, Charakteristika von Oberflächenschichten ohne Relatiwerschiebung Bauteil- Laserstrahlauftreffpunkt und mit einem einzigen Laserimpuls zu bestimmen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe in einem Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Oberflächenschichton, insbesondere von kompliziert geformten großen Bauteilen mittels der Bestimmung der Ausbreitungsgeschwindigkeit eines thermoelastisch angeregten Ultraschall-Oberflächenwellenimpulses bei einer geeignet gewählten Schallfrequenz gelöst, indem der Laserimpuls in zwei räumlich getrennte Teilimpulse etwa gleicher Intensität aufgespalten wird, der Abstand zwischen den beiden Brennlinien durch eine Verschiebung des Strahlteilers oder von Einzelelementen des Strahlteilers oder des nachfolgenden optischen Elementes entlang der optischen Achse auf ein von dor Bauteilgenmetrie, dor Frequenz der Ultraschallwellen und der Dämpfung abhängendes Maß eingestellt und für nachfolgende Messungen konstant gehalten wird, der ultraschallmäßig wirksame Abstand L2-Li zwischen den beiden Brennlinien durch die Messung der Laufzeitdifferenz t2' - ti' der thermoelastisch angeregten Ultraschallimpulse bei einem Material mit bekannter Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschall-Oberflächenwellen bestimmt wird, die Laufzeitdifferenz t2 - t, der beiden Ultrschallimpulse am Bauteil gemessen wird und aus dem Quotienten (L2 - Li)/ (t2 - ti) die Ultraschallausbreitungsgeschwindigkeit für das zu untersuchende Bauteil bestimmt wird. Erfindungsgemäß ist die Aufgabe weite'hin in einer Vorrichtung, bestehend aus einem Impulslaser, einer Zylinderlinse, deren Abstand zur Prüflingsoberfläche einstellbar ist, einem aufsetzbaren Ultraschallprüfkopf sowie einem Zeitintervallmesser gelöst, bei der sich zwischen der Zylinderlinse und der Prüflingsoberfläche ein Strahlteiler befindet, der Elemente zur Einstellung etwa gleicher Intensität beider Teilstrahlen und zur Einstellung des Abstandes der beiden Brennlinien enthält. Zur Festlegung der Abstände befindet sich zwischen dem Strahlteiler und der Prüflingsoberfläche am Ort der beiden Brennlinien ein verstellbares Distanzstück. Der Ultraschallprüfkopf ist in der Verlängerung der Verbindungslinie zwischen den Mittelpunkten der beiden Brennlinien angeordnet.The invention has for its object to provide a method and an apparatus in which the measured value is not significantly affected by the surface curvature and allow to determine characteristics of surface layers without Relatiwerschiebung component laser beam impact point and with a single laser pulse. According to the invention, the object is achieved in a method for the non-destructive testing of surface layer, in particular of intricately shaped large components by determining the propagation velocity of a thermoelastically excited ultrasonic surface wave pulse at a suitably selected sound frequency by the laser pulse is split into two spatially separated partial pulses of about the same intensity the distance between the two focal lines is set by a displacement of the beam splitter or of individual elements of the beam splitter or of the subsequent optical element along the optical axis to a dimension dependent on the component geometry, the frequency of the ultrasonic waves and the damping and kept constant for subsequent measurements, the ultrasonically effective distance L 2 -Li between the two focal lines by measuring the transit time difference t 2 '- ti' of the thermoelastically excited ultras Challimpulse is determined in a material with a known propagation velocity of the ultrasonic surface waves, the transit time difference t 2 - t, the two ultrasound pulses on the component is measured and from the quotient (L 2 - Li) / (t 2 - ti) the ultrasonic propagation speed for the examining component is determined. According to the invention, the object is weite'hin in a device consisting of a pulsed laser, a cylindrical lens, the distance to the specimen surface is adjustable, an attachable Ultraschallprüfkopf and a Zeitintervallmesser dissolved, in which there is a beam splitter between the cylindrical lens and the Prüflingsoberfläche, the elements for Setting approximately equal intensity of both partial beams and to adjust the distance between the two focal lines contains. To set the distances is located between the beam splitter and the Prüflingsoberfläche at the location of the two focal lines an adjustable spacer. The ultrasonic probe is arranged in the extension of the connecting line between the centers of the two focal lines.
Eine vorteilhafte Variante der Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung der Oberflächenschichten sieht vor, daß der Strahlteiler aus einem Reflexionsprisma mit einem brechenden Winkel von 90°, dessen Hauptschnitt in einer Ebene mit dem der Zylinderlinse liegt, sowie aus zwei symmetrisch dazu angeordneten und um 45° geneigten Umlenkspiegeln besteht. DasAn advantageous variant of the device for nondestructive testing of the surface layers provides that the beam splitter from a reflection prism with a refractive angle of 90 °, the main section is in a plane with that of the cylindrical lens, and two symmetrically arranged and inclined by 45 ° deflecting mirrors consists. The
Reflexionsprisma ist zusammen mit den Umlenkspiegeln senkrecht xur Richtung des einfallenden Strahles in der Ebene des Hauptschnittes verschiebbar. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Abstand der beiden Umlenkspiegel zum Refloxionsprisma getrennt voneinander einstellbar ist.Reflection prism is displaceable together with the deflecting mirrors perpendicularly xur direction of the incident beam in the plane of the main section. It is advantageous if the distance between the two deflecting mirror to the Reflections prism is separately adjustable.
Eine weitere vorteilhafte, aber vereinfachte Variante der erfindungsgemMßen Vorrichtung nleht vor, daß der Strahlteiler ein dünnes planparalleles transmittlerendes Plättchen Ist, das In Richtung des Laserstrahles veischiebbar und mittels eines Drehelementes um eine brennlinlenparallele Achse drehbar Ist.A further advantageous, but simplified variant of the device according to the invention provides that the beam splitter is a thin, plane-parallel, mediating plate which can be displaced in the direction of the laser beam and is rotatable about a axis parallel to the axis of the combustion axis by means of a rotary element.
Eine dritte vorteilhafte Variante de.· erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, daß der Strahlteiler ein um 45° gegenüber der Strahlachse geneigter, für die verv/endete Wellenlänge halbdurchlässiger Spiegel fet, hinter dem sich im durchgehenden Teilstrahl ein um 45* gegenüber der Strahlachse In die Gegenrichtung geneigter Splogel befindot. Im abgelenkten Teilstrahl befinden sich nacheinander ein zum halbdurchlässigen Spiegel planparallel angeordneter Spiegel und danach ein zu diesem um 90" geneigter Splogel. Die letzten beidon Spiegel sind zusammen auf einer Platte angeordnet, die in Richtung der Strahlachse des abgelenkten Teilstrahls verschoben werden kann. Der dritte Spiegel befindet sich auf einer zweiten Platte, die in Richtung des durchgehenden Teilstrahls verschiebbar angeordnet ist. Der Abstand zwischen dem halbdurchlässigen Spiegol und dem Spiegel, der Im abgelenktenTellstrahl planparallelzu diesem liegt, sowie der Abstand zwischen dem halbdurchlässigen Spiegel und dem Spiegel, der im durchgehenden Teilstrahl angeordnet Ist, werden durch Verschieben der beiden Platten so eingestellt, daß die Brennlinien der beiden Teilstrahlen auf der Oberfläche des zu prüfenden Bauteils liegen.A third advantageous variant of the device according to the invention provides that the beam splitter fetches a mirror which is inclined by 45 ° with respect to the beam axis and which is semitransparent for the wavelength used, behind which in the continuous partial beam a 45 ° relative to the beam axis In the opposite direction inclined Splogel befindot. In the deflected sub-beam there are successively a mirror arranged in a plane-parallel to the semipermeable mirror and then a 90 ° inclined mirror The last two mirrors are arranged together on a plate which can be displaced in the direction of the beam axis of the deflected sub-beam is located on a second plate which is displaceable in the direction of the continuous partial beam The distance between the semi-transparent mirror and the mirror which is plane-parallel to the deflected jet and the distance between the semitransparent mirror and the mirror arranged in the continuous partial beam Is, are adjusted by moving the two plates so that the focal lines of the two partial beams are on the surface of the component to be tested.
Besonders vorteilhaft ist die Anwendung der Erfindung zr- zerstörungsfreien Bestimmung der Eindringtiefe an einsatz- oder kurzzeitgehärteten Stählen, insbesondere der Ermittlung der Einhärtetiefe an laserstrahlgehärtoten Eintrittskanten von Turbinenschaufeln. Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens entstehen daraus, daß im Vergleich zum photometrischen Verfahren an Stahl größere Einhärtetiefen gemessen werden können, daß gleichzeitig auch die Oberflächenhärte mit bestimmt werden kann und darüber hinaus auch zweifach konkav gekrümmte Flächen gemessen werden können, falls der Krümmungsradius nicht zu klein ist.Particularly advantageous is the application of the invention zr- nondestructive determination of the penetration depth of use or short-time hardened steels, in particular the determination of the hardening depth at laserstrahlgehärtoten entry edges of turbine blades. Further advantages of the method according to the invention arise from the fact that greater hardening depths can be measured in comparison to the photometric method on steel, that at the same time the surface hardness can be determined and beyond also twice concave curved surfaces can be measured if the radius of curvature is not too small ,
AusführungsbelsplelaAusführungsbelsplela
Die Erfindung wird in nachstehenden Aueführungsbeispielen erläutert. Die beiden Verfahrensbeispiele zeigen die Verfahrensdurchführung für zwei besonders wichtige Einsatzfelder- die zerstörungsfreie Bestimmung der Einhärtetiefe und der Oberflächenhärte an einem kompliziert geformten Bauteil. Bild 1 zeigt eine sehr einfache Variante der Vorrichtung, mit der die serienmäßige Prüfung von kompliziert geformten, aber formidentischen Teilen erfolgt. In Bild 2 ist eine Variante der Vorrichtung für Messungen hoher Genauigkeit an kompliziert geformten Bauteilen, die in ihrer Form und ihren Abmaßen stark schwanken, gezeigt. Bild 3 zeigt eine Variante der Vorrichtung, bei der anstelle des Bauteils der separat und kompakt ausgeführte Meßkopf auf dem Bauteil bewegt wird.The invention will be explained in the following exemplary embodiments. The two process examples show the process implementation for two particularly important Einsatzfelder- the non-destructive determination of the hardening depth and the surface hardness of a complex shaped component. Figure 1 shows a very simple variant of the device, with the standard testing of complicated-shaped, but identical parts. Figure 2 shows a variant of the device for measuring high accuracy on complex shaped components that vary widely in shape and dimensions. Figure 3 shows a variant of the device in which instead of the component of the separately and compact running measuring head is moved on the component.
Die Einhärtetiefe einer laserstrahlgehärteten Eintrittskante einerTurb nonendstufenlaufschaufel aus dem Material X20Cr 13 soll entlang der Eintrittskante bestimmt werden. Die Krümmung der Eintrittskante ändert sich vom Schaufelfuß zur Schaufelspitze hin ständig und ist am gleichen Ort auch von Schaufel zu Schaufel unterschiedlich. Die Härtungszone reicht direkt bis zur Eintrittskante und umfaßt somit das Gebiet größter Krümmung. Infolge der Verwendung der Schaufel verwindet sich auch die Härtungszone. Eine zerstörungsfreie Prüfung der Eindringtiefe ist an diesem Bauteil mit den bisher bekannten Verfahren kaum odor nur sehr aufwendig möglich.The hardening depth of a laser-hardened leading edge of a turbine non-end-stage blade of the material X20Cr 13 should be determined along the leading edge. The curvature of the leading edge changes continuously from the blade root to the blade tip and differs from blade to blade at the same location. The hardening zone extends directly to the leading edge and thus includes the area of greatest curvature. As a result of the use of the blade, the hardening zone also warps. A non-destructive examination of the penetration depth is hardly possible odor on this component with the previously known methods only very expensive.
Die Turbinenschaufel wird in eine Halterung eingespannt, die u.a. eine Drehung um ihre Längsachse erlaubt. Die beiden Teilstrahlen werden durch die Verschiebung der Zylinderlinse entlang der optischen Achse auf die Schaufeloberfläche fokussiert. Durch die Verschiebung des Strahlteilers werden eine gleiche Intensität der beiden Teilstrahlen und ein Abstand der beiden Brennlinien von 20mm eingestellt. Der Abstand der Prüflingsoberfläche zum Strahlteiler am Ort der beiden Brennlinien wird mit Hilfe nines einstellbaren Distanzstückes fixiert. Das zu prüfende Gebiet der Bauteiloberfläche befindet sich jetzt in der Ebene, die von den Brennlinien der beiden Teilstrahlen gebildet wird. Der Ultraschallprüf kopf wird in der Verlängerung der Verbindungslinie zwischen den Mittelpunkten dor beiden Brennlinien in einem Abstand von etwa 25 mm zur näher gelegenen Brennlinie im gehärteten Gebiet an der Bauteiloberfläche befestigt. Die Mittenfrequenz des Prüfkopfes betrügt 2MHz. Um den Abstand (L3-Li) zwischen den beiden Brennlinien, an denen die beiden Oberflächenwollen angeregt werden, zu bestimmen, wird die Zeitdifferenz t2· - tr, die zwischen dem Eintreffen der beiden Impulse am Prüfkopf vergeht, für eine Vergleichsprobe mit bekannter Oberflächenwellengeschwindigkeit gemessen. In diesem Fall wird als Vergleichsmaterial günstigerweise das vergütete Schaufelgrundmaterial verwendet und damit eine Ausbreitungsgeschwindigkeit der Oberflächenwellen von C0 = 3082 m/s bestimmt. Die Messung geschieht mit dem gleichen Abstand Strahlteiler - Pnflingsoberflfiche wie die spätere Messung am Bauteil. Der Abstand wird mit Hilfe eines einstellbaren Distanzstückes kontrollier;. Daraus ergibt sich der Abstand L2 - Li = CoIt2' - ti'KAnnchließendwirddieLaufzeitdifferenz^ - ti zwischen dem Eintreffen beider Impulse am Prüfkopf für die ausgewählte zu prüfende Stelle an der Schaufeleintrittskante bestimmt. Mit C1 = (L2 - L1)ZIt2 - ti) ergibt sich bei der Mittenfrequenz von 2MHz eine Schallgeschwindigkeit von C1 = 3063m/s. Über ein Nomogramm C0 - C1 = f(d) ergibt sich daraus die Einhärtetiefo d = 0,6 ± 1 mm.The turbine blade is clamped in a holder which, inter alia, allows rotation about its longitudinal axis. The two partial beams are focused on the blade surface by the displacement of the cylindrical lens along the optical axis. By the displacement of the beam splitter, an equal intensity of the two partial beams and a distance of the two focal lines of 20 mm are set. The distance of the specimen surface to the beam splitter at the location of the two focal lines is fixed by means of an adjustable spacer. The area of the component surface to be tested is now in the plane formed by the focal lines of the two partial beams. The Ultraschallprüf head is mounted in the extension of the connecting line between the centers of the two focal lines at a distance of about 25 mm to the closer focal line in the hardened area on the component surface. The center frequency of the probe is 2MHz. In order to determine the distance (L 3 -Li) between the two focal lines at which the two surface waves are excited, the time difference t 2 * -tr which elapses between the arrival of the two pulses at the test head is known for a comparison sample Surface wave velocity measured. In this case, it is favorable to use as the comparative material the coated blade base material and thus determine a propagation velocity of the surface waves of C 0 = 3082 m / s. The measurement is done with the same distance beam splitter - Pnflingsoberflfiche as the later measurement on the component. The distance is controlled by means of an adjustable spacer. This results in the distance L 2 - Li = CoIt 2 '- ti'KAnd then the running time difference - - ti between the arrival of both pulses at the probe for the selected point to be tested at the blade leading edge determined. With C 1 = (L 2 - L 1 ) ZIt 2 - ti), the sound frequency of C 1 = 3063 m / s results at the center frequency of 2 MHz. The hardening depth d = 0.6 ± 1 mm results from a nomogram C 0 - C 1 = f (d).
Gleichzeitig ist die Genauigkeit der Bestimmung der Einhärtetiefe größer als bei der Messung der Geschwindigkeit der Oberflächenwellen mittels der Auswertung verschiedener, zeitlich nacheinander erzeugter Oberflächenwellenirrtpulse, da stochastische Schwankungen der mittleren Leistung, der Impulsspitzenleistung und der Laserimpulsform keine Rolle spielen.At the same time, the accuracy of the determination of the hardening depth is greater than in the measurement of the velocity of the surface waves by means of the evaluation of different surface wave aberration pulses generated in succession since stochastic fluctuations of the average power, the pulse peak power and the laser pulse form are irrelevant.
Ein entscheidender Oualitätskennwert, der unter Produktionsbedingungen gleichzeitig mit zu erfassen ist, stellt im Fall der laserstrahlgehärteten Eintrittskanten von Turbinenschaufeln deren Oberflächenhärte dar. Dazu wird bei der gleichen Meßanordnung der Ultraschallprüfkopf mit einer Mittenfrequenz von 2 MHz gegen einen mit einer Mittenfrequenz von 14 MHz ausgetauscht. Bei dieser Frequenz beträgt die Eindringtiefe der Oberflächenwellen nur noch 0,2 mm. DieA crucial quality characteristic which must be recorded simultaneously under production conditions is their surface hardness in the case of the laser-hardened inlet edges of turbine blades. For this purpose, in the same measuring arrangement, the ultrasonic probe with a center frequency of 2 MHz is replaced with one with a center frequency of 14 MHz. At this frequency, the penetration depth of the surface waves is only 0.2 mm. The
Ausbreitungsgeschwindigkeit der Oberfläch snwellen C1 wird bei dieser Frequent gemessen. Durch eine vorherige Einstellung unterschiedlicher Oberflächenhärten an Kalibrierproben wird eine Abhängigkeit C0 - C2» f(HVo,o$) für den Stahl X20Cr 13 aufgenommen. Die Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit cj an der Eintrittskante einer Turbinenschaufel ergibt einen Wert von C2 = 30,19m/s. Anhand eines Nomogramms C0 - ca = f(HVo,oe) kann damit eine oberflächennahe Härte von 7O5HVo,o6 abgelesen werden.Propagation speed of the surface snwellen C 1 is measured at this frequency. By prior adjustment of different surface hardnesses on calibration samples, a dependence C 0 -C 2 f (HV o , o $) for the steel X20Cr 13 is recorded. The measurement of the propagation velocity cj at the leading edge of a turbine blade gives a value of C 2 = 30.19 m / s. On the basis of a nomogram C 0 - c a = f (HV o , oe) a surface near hardness of 7O5HV o , o6 can be read.
Für die Anregung der Schallimpulse wird ein Stickstoffimpulslaser (1) (Bild 1) verwendet. In den Impulslaserstrahl (2) wird eine Zylinderlinse (3) mit einer Brennweite von 250mm eingebracht. Als Strahlteiler (4) dient ein dünnes Quarzplättchen (Dicke 0,4mm),°das an einem Drehelement (6) befestigt ist, dessen Achse parallel zur Achse der Zylinderlinse (3) liegt. Das Hl.ittchen wird mit dem Drehelement (S) soweit gedreht, bis die Intensität des reflektierten und des gebrochenen Teilstrahles etw.i gleich groß ist. Der Strahlteiler (4) und das Drehelement (5) sind auf ein Translationselement (6) montiert, das parallel zum Laserstrahl (2) verschoben werden kann. Mit Hilfe des Translationselementes (6) kann durch Verschieben des Strahlteilers (4) parallel zum Ausgangslaserstrahl (2) der Abstand L1-Li der Brennlinien auf der Oberfläche des Prüflings (7) auf einen optimalen Wert eingestellt worden. Das zu prüfende Gebiet des Bauteiles befindet sich in der Brennlinie des Lasorimpulses. An die Oberfläche wird über eine Feder ein Oborflächenwellenprüfkopf (8) gepreßt. Der Prüfkopf (8) wird durch eine Halterung so ausgerichtet, daß er in der verlängerten Verbindungslinie der Mittelpunkte beider Brennlinien (22,23) liegt. Die Verstärkung der Signale wird In einer gewöhnlichen Verstärkereinheit (9) vorgenommen. Für die Messung der Zeitdifferenz tj - tt wird ein elektronischer Zeitintervallmesser (10) mit einer Zeitauflösung von 1 ns verwendet. Der Vorteil dieser Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht In ihrer Einfachheit, die sie besonders zur laufenden Qualitätsüberwachung geeignet macht. Bevorzugt wird sio an Bauteilen mit komplizierter, aber gleichbleibender Geometrie angewendet.A nitrogen pulse laser (1) (Fig. 1) is used to excite the sound pulses. In the pulse laser beam (2), a cylindrical lens (3) is introduced with a focal length of 250mm. As a beam splitter (4) is a thin quartz plate (thickness 0.4 mm), which is attached to a rotary member (6) whose axis is parallel to the axis of the cylindrical lens (3). The Hl.ittchen is rotated with the rotary element (S) until the intensity of the reflected and the fractional partial beam etw.i is equal. The beam splitter (4) and the rotary element (5) are mounted on a translation element (6) which can be displaced parallel to the laser beam (2). By means of the translation element (6), by moving the beam splitter (4) parallel to the output laser beam (2), the distance L 1 -Li of the focal lines on the surface of the test object (7) has been set to an optimum value. The area of the component to be tested is located in the focal line of the Lasorimpulses. To the surface, a Oborflächenwellenprüfkopf (8) is pressed by a spring. The test head (8) is aligned by a holder so that it lies in the extended connecting line of the centers of both focal lines (22,23). The amplification of the signals is carried out in an ordinary amplifier unit (9). An electronic time interval knife (10) with a time resolution of 1 ns t is t used - for the measurement of the time difference tj. The advantage of this variant of the device according to the invention consists in its simplicity, which makes it particularly suitable for continuous quality monitoring. Preferably, sio is applied to components with complicated but consistent geometry.
Im Gegensatz zur Ausführungsvariante im Beispiel 3 wird bei dieser Ausführungsvariante bei sonst gleichem Aufbau die Strahlteilung mit einem Reflexionsprisma (11) (siehe Bild 2) erzeugt, dessen brechende Flächen (12) verspiegelt sind. Das Reflexionsprisma (11) hat einen brechenden Winkel (13) von 90°, und sein Hauptschnitt liegt in einer Ebene mit dem Hauptschnitt der Zylinderlinse (3). Das Reflexionsprisma (11) befindet sich zusammen mit den beiden Umlenkspiegeln (14) auf einer Montierung (15), die sich zur Zentrierung der brechenden Kante (13) in die Strahlmitte des Laserstrahles (2) quer zur optischen Achse (16) mit Hilfe des Translationselementes (17) verschieben läßt. Links und rechts sind etwa symmetrisch zum Reflexionsprisma (11) zwei um 45° geneigte Umlenkspiegel (14) angeordnet, die die beiden Teilstrahlen (18,19) in zwei parallel zueinander verlaufende Teilstrahlen umlenken. Der Abstand der beiden Brennlinien (22,23) auf dem Prüfling (7) kann durch das symmetrische Verschieben der beiden Umlenkspiegel (14) mittels der Ti. nslationseinheiten (20,21) variiert werden. Durch ein assymmetrisches Verschieben der beiden Umlenkspiegel (14) mittels der Translationseinheiten (20,21) kann die Höhenlage der beiden Brennlinien (22,23) getrennt voneinander eingestellt werden. Davon wird Gebrauch gemacht, wenn die Bauteiloberfläche In Richtung des Abstands L1-Li nicht senkrecht zum eil fallenden Strahl (2) liegt. Damit kann eine komplizierte Justage größerer Prüflinge vermieden werden. Darüber hinaus besitzt diese Ausführungsvariante noch den Vorteil, daß der Abstand Strahlteiler-Prüflingsoberfläche nicht so genau eingehalten werden muß wie bei der Variante in Beispiel 3. Damit Ist diese Ausführung insbesondere vorteilhaft für Messungen hoher Genauigkeit an kompliziert geformten und in Ihren Abmaßen schwankenden Bauteilen. Der Empfang der Oberflächenwellenimpulse und die Messung der Laufzeitdifferenz t2 - ti erfolgt analog Beispiel 3 mit den Bestandteilen Oberflächenwellenprüfkopf (8), Verstärkereinheit (9) und dem Zeitiniervallmesser (10).In contrast to the embodiment in Example 3, the beam splitting with a reflection prism (11) (see Figure 2) is generated in this embodiment, otherwise the same structure, the refractive surfaces (12) are mirrored. The reflection prism (11) has a refractive angle (13) of 90 °, and its main section lies in a plane with the main section of the cylindrical lens (3). The reflection prism (11) is located together with the two deflecting mirrors (14) on a mount (15), which is centered on the refractive edge (13) in the beam center of the laser beam (2) transversely to the optical axis (16) by means of Move Translationselementes (17). Two deflecting mirrors (14), inclined at 45 ° approximately symmetrically to the reflection prism (11), are arranged on the left and right, deflecting the two partial beams (18, 19) into two partial beams extending parallel to one another. The spacing of the two focal lines (22, 23) on the test object (7) can be varied by the symmetrical displacement of the two deflection mirrors (14) by means of the titanium translation units (20, 21). By an asymmetrical displacement of the two deflecting mirrors (14) by means of the translation units (20, 21), the altitude of the two focal lines (22, 23) can be adjusted separately from one another. This is used if the component surface lies in the direction of the distance L 1 -Li not perpendicular to the falling jet (2). Thus, a complicated adjustment of larger samples can be avoided. In addition, this embodiment has the advantage that the distance beam splitter specimen surface must not be kept as accurate as in the variant in Example 3. Thus, this embodiment is particularly advantageous for measurements of high accuracy in complex shaped and fluctuating in their dimensions components. The reception of the surface wave pulses and the measurement of the transit time difference t 2 - ti is carried out analogously to Example 3 with the components surface wave probe (8), amplifier unit (9) and the Zeitiniervallmesser (10).
Während bei den Ausführungsvarianten der Beispiele 3 und 4 der Laser (1) unmittelbar mit der Meßanordnung verbunden ist, sieht diese Ausführungsvariante vor, den Laser (1) separat zusammen mit der Verstärkereinheit (9) und dem elektronischen Zeitintervallmesser (10) in einem Gehäuse (32) unterzubringen und mit einem Lichtleitkabel (33) mit der Meßanordnung zu verbinden. Hinter der Zylinderlinse (3) befindet sich als Strahlteiler ein halbdurchlässiger Spiegel (24). Dieser ist um 45° zur optischen Achse (16) geneigt. Im durchgehenden Teilstrahl (28) befindet sich anschließend ein um 45° in der Gegenrichtung geneigter Spiegel (29). Dieser Spiegel (29) ist auf einer entlang des durchgehenden Teilstrahles (28) verschiebbaren Platte (31) angeordnet. Im abgelenkten Teilstrahl (27) befindet sich dagegen eino Anordnung von zwei um 90° zueinander geneigten Spiegeln (25,26), deren erster (25) planparallel zum halbdurchlässigen Spiegel (24) angeordnet ist. Die beiden Spiegel (25,26) sind gemeinsam auf einer Platte (30) befestigt, die sich in Richtung des abgelenkten Teilstrahles (27), also senkrecht zur Verschieberichtung der Platte (31) verschieben läßt.While in the embodiments of Examples 3 and 4, the laser (1) is directly connected to the measuring arrangement, this embodiment provides, the laser (1) separately together with the amplifier unit (9) and the electronic time interval meter (10) in a housing ( 32) and connect with a light guide cable (33) with the measuring arrangement. Behind the cylindrical lens (3) is located as a beam splitter, a semi-transparent mirror (24). This is inclined by 45 ° to the optical axis (16). In the continuous partial beam (28) there is then a 45 ° inclined in the opposite direction mirror (29). This mirror (29) is arranged on a displaceable along the continuous partial beam (28) plate (31). On the other hand, in the deflected partial beam (27) there is an arrangement of two mirrors (25, 26) inclined at 90 ° to one another, whose first (25) is arranged plane-parallel to the semipermeable mirror (24). The two mirrors (25, 26) are fastened together on a plate (30) which can be displaced in the direction of the deflected partial beam (27), ie perpendicular to the displacement direction of the plate (31).
Zur Messung werden die beiden Platten (30,31) soweit verschoben, bis die optischen Weglängen des abgelenkten (27) und des durchgehenden (28) Teilstrahles gleich lang sind und die Brennlinien (22,23) der beiden Teilstrahlen auf der Oberfläche des Prüfobjektes liegen.For measurement, the two plates (30,31) are shifted so far until the optical path lengths of the deflected (27) and the continuous (28) partial beam are the same length and the focal lines (22,23) of the two partial beams are on the surface of the test object ,
Der Vorteil dieser Ausführungsvariante liegt darin, daß Änderungen der zeitlichen und räumlichen Leistungsdichteverteilungen des Laserstrahles keine Auswirkungen auf die Meßgenauigkeit haben. Dadurch können auch Laser mit zeitlich sich ändernden Modenverteilungen oder Laser mit geringerer Richtungsstabilität des Laserstrahles verwendet werden bzw. der Laser in größeren Abständen zum Prüfobjekt aufgestellt werden. Besonders günstig erweist sich die mit dieser Variante mögliche Übertragung des Strahles mit einem Lichtleitkabel. Damit ist diese Anordnung bei weiter gesteigerter Meßgenauigkeit insbesondere für sehr große, zum Zwecke der Messung nicht bewegbare, kompliziert geformte und in ihren Abmaßen schwankende Bauteile geeignet.The advantage of this embodiment is that changes in the temporal and spatial power density distributions of the laser beam have no effect on the measurement accuracy. As a result, it is also possible to use lasers with temporally changing mode distributions or lasers with a lower directional stability of the laser beam or to set up the laser at greater distances from the test object. Particularly favorable proves possible with this variant transmission of the beam with a light guide. Thus, this arrangement is at further increased accuracy, especially for very large, suitable for the purpose of measurement, non-movable, complicated shaped and in their dimensions fluctuating components suitable.
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