DE102007043364B4

DE102007043364B4 - Halterung zur Aufnahme einer Ultraschallquelle

Info

Publication number: DE102007043364B4
Application number: DE102007043364.8A
Authority: DE
Inventors: Martin Hauf
Original assignee: Airbus Helicopters Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Helicopters Deutschland GmbH
Priority date: 2007-09-12
Filing date: 2007-09-12
Publication date: 2015-06-25
Anticipated expiration: 2027-09-13
Also published as: IT1393653B1; DE102007043364A1; ITMI20081583A1

Abstract

Halterung zur Aufnahme einer Ultraschallquelle und zu ihrer Befestigung an einer Probe (8) von beliebiger Geometrie, umfassend einen Rahmen (1) mit Befestigungselementen (2) zur Befestigung des Rahmens (1) an der Probe (8) und eine Aufnahmeeinrichtung (4) für die Ultraschallquelle, dadurch gekennzeichnet, dass – der Rahmen (1) eine Öffnung aufweist, – die Halterung drei Befestigungselemente (2) aufweist, – die Befestigungselemente (2) in ihrer Position zum Rahmen (1) unabhängig voneinander verstellbar sind, – die Aufnahmeeinrichtung (4) gegenüber dem Rahmen (1) winklig und in Richtung der primären Abstrahlrichtung der Ultraschallquelle translatorisch verstellbar ist, und – die Aufnahmeeinrichtung (4) derart am Rahmen (1) befestigt ist, dass die Ultraschallquelle in Richtung ihrer primären Abstrahlrichtung in die Öffnung des Rahmens (1) einführbar ist, um mit der Probe (8) in Kontakt gebracht zu werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Halterung zur Aufnahme einer Ultraschallquelle und zu ihrer Fixierung an einer Probe.
Zur zerstörungsfreien Bauteilprüfung mit Ultraschall angeregter Thermographie oder Shearographie, insbesondere in der Luftfahrt, wird Hochleistungsultraschall eingesetzt, der mit einem Ultraschallkonverter erzeugt und in das zu überprüfende Bauteil berührend eingekoppelt wird. Im Falle der Ultraschall angeregten Lockin- oder Burst-(Phasen-)Thermografie führt die Einkopplung von Ultraschall in einen Prüfling beispielsweise zu dessen selektiver Erwärmung an inneren Defekten (Risse, Delaminationen, Enthaftungen, ...), da an Defekten bzw. Materialfehlern regelmäßig eine lokale Erhöhung mechanischer Verluste vorliegt (Hysterese, Rissuferreibung) und somit mehr Schall gedämpft wird. Diese defektbedingten, lokalen Erwärmungen lassen sich mit Hilfe von Thermografie- bzw. Infrarotkameras an der Prüflings- bzw. Bauteiloberfläche flächenhaft detektieren (siehe DE 00 0010 059 854 A1 ).
Die mobile Einkopplung von Ultraschallwellen kann durch Verwendung von Handpistolen erfolgen, wie sie z. B. auch zum Ultraschallschweißen eingesetzt werden. Sie werden per Hand auf die zu prüfenden Bauteile aufgesetzt. Problematisch ist dabei jedoch, dass die Anregung bei längeren Messzeiten nicht unbedingt konstant erfolgt, insbesondere wenn die Anregung in schwierig zugänglichen Bereichen in Zwangslagen erfolgt. Außerdem ist die Anregung nicht sicher reproduzierbar, was zu nicht reproduzierbaren Prüfergebnissen führt, vor allem bei modulierter Schallanregung („Lockin-Techniken”). Außerdem sind mögliche Gesundheitsrisiken durch lang andauernden Kontakt mit Hochleistungsultraschall bislang wenig erforscht.
In der US 2004/0159790 A1 ist eine Anordnung beschrieben, bei der die Ultraschallquelle zusammen mit einer Thermokamera in einem Rahmen angeordnet ist, der zur Messung wiederum am zu überprüfenden Bauteil befestigt wird. Die Befestigung geschieht über Saugnäpfe. Nachteil dieser Anordnung ist, dass sie angesichts ihrer Größe nur auf großen Proben von wenig komplexer Geometrie verwendet werden kann.
Das US Patent US 4170145A beschreibt eine Halterung zur Aufnahme einer Ultraschallquelle und zur Befestigung an einer Probe. Bei der Probe handelt es sich bevorzugt um zwei Metallplatten, welche an einer Schweißnaht miteinander verbunden sind.
Das DE Patent DE 1001505 B betrifft eine Halterung einer Ultraschallquelle auf metallischen großflächigen Werkstücken mit rauer Oberfläche, z. B. gewalzten Blechen. Die Befestigung der Halterung an der Probe erfolgt anhand eines Elektromagneten, der sich und die Ultraschallquelle im angeschalteten Zustand gegen die Probe presst.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Halterung zur Aufnahme eines Ultraschallkonverters zu schaffen, der die reproduzierbare Einkopplung von Ultraschallwellen in Bauteile von beliebiger Geometrie und Größe erlaubt.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Halterung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Es wird eine Halterung zur Aufnahme einer Ultraschallquelle und zu ihrer Befestigung an einer Probe vorgeschlagen, die einen Rahmen mit Befestigungselementen zur Befestigung des Rahmens an der Probe und eine Aufnahmeeinrichtung für die Ultraschallquelle umfasst. Die Halterung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungselemente in ihrer Position zum Rahmen unabhängig voneinander verstellbar sind, und dass die Aufnahmeeinrichtung gegenüber dem Rahmen winklig und in Richtung der primären Abstrahlrichtung der Ultraschallquelle translatorisch verstellbar ist.
Die Befestigungselemente erlauben es, die Halterung mit einer in der Aufnahmeeinrichtung angeordneten Ultraschallquelle zunächst grob am zu überprüfenden Bauteil zu befestigen. Die unabhängig voneinander verstellbaren Befestigungselemente ermöglichen dabei die Befestigung auch an komplex geformten Oberflächen. Mit Hilfe der verstellbaren Aufnahmeeinrichtung kann dann die Feinjustierung vorgenommen werden. Dabei kann die Ultraschallquelle durch die translatorische Verstellmöglichkeit in Richtung ihrer primären Abstrahlrichtung zunächst in Kontakt mit der Probe gebracht werden. Unter der primären Abstrahlrichtung soll die Richtung senkrecht zur Sonotroden- bzw. Koppelfläche der Quelle verstanden werden, die im Normalfall im wesentlichen normal zu der Fläche der Probe steht, in die der Ultraschall eingekoppelt werden soll.
Durch die Verstellmöglichkeit winklig zum Rahmen kann die Ultraschallquelle so justiert werden, dass die Sonotroden- bzw. Koppelfläche der Quelle möglichst groß- oder ganzflächig auf der Probenoberfläche anliegt, da in diesem Fall die optimale Schalleinkopplung in die Probe gewährleistet ist. Groß- bzw. ganzflächige Anlage liegt in der Regel vor, wenn die Sonotroden- bzw. Koppelfläche der Quelle normal zur Anregungsfläche steht.
Mit der erfindungsgemäßen Halterung ist es möglich, insbesondere Leistungsultraschallquellen in reproduzierbarer Weise auf Probenoberflächen anzuordnen.
Vorzugsweise verfügt die Aufnahmeeinrichtung über ein Kraftmessglied zur Messung des Anpressdrucks der Ultraschallquelle auf der Probe. So können gleichbleibende Anregungsbedingungen sichergestellt werden. Insbesondere bei der mobilen Nutzung, z. B. bei der Überprüfung von Bauteilen von Luftfahrzeugen unter teilweise widrigen Bedingungen, ist es anderenfalls schwierig, reproduzierbare Prüfergebnisse zu erreichen. Kraftmessglieder können z. B. Dehnmessstreifen oder eine Kraftmessdose sein.
Vorzugsweise sind die Befestigungselemente in jeder Position arretierbar oder selbstarretierend, um eine verlässliche Positionierung der Ultraschallquelle während länger dauernden Anregungen sicherzustellen. Gleiches gilt für die Aufnahmeeinrichtung.
Als Befestigungselemente können beispielsweise Saugnäpfe oder Magnete zum Einsatz kommen. Es sind aber auch Befestigungselemente denkbar, die mit entsprechend an der Probe vorgesehenen, korrespondierenden Elementen zusammenwirken, um die Halterung zu befestigen. Die Halterung kann dann beispielsweise mit der Probe verschraubt oder daran festgeklemmt werden. Dies kann sinnvoll sein, wenn bestimmte Bauteile routinemäßig geprüft werden müssen. Vorzugsweise finden drei Befestigungselemente Anwendung. So wird eine schnelle Befestigung der Halterung an der Probe ermöglicht und gleichzeitig sicherer Halt erreicht.
Bevorzugt ist die Aufnahmeeinrichtung mittels drei Gewindetrieben am Rahmen befestigt. So lässt sich ebenso eine translatorische Bewegung durch gleichmäßige Verstellung aller drei Gewindetriebe als auch eine winklige Justierung der Aufnahmeeinrichtung durch Verstellung einzelner oder unterschiedlicher Verstellung der Gewindetriebe erreichen.
Die Quelle kann in der Aufnahmeeinrichtung definiert vorgespannt sein, insbesondere durch Federkraft. Dadurch wird ein sicheres Anliegen der Quelle an der Probenoberfläche ermöglicht, während gleichzeitig verhindert wird, dass die Oberfläche beim Annähern der Quelle beschädigt wird. Bei Kontakt der Quelle mit der Oberfläche wird die Feder weiter gespannt, die Quelle bleibt in Anlage an der Oberfläche, kann diese aber nicht verformen. Bei dieser Gestaltung kann als Kraftmessglied z. B. eine Skala zum Einsatz kommen, auf der die Verschiebung der Quelle aus ihrer vorgespannten Position und damit die auf die Probe ausgeübte Kraft angezeigt wird. Die Feder kann austauschbar sein, um die von der Quelle auf die Probe ausgeübte Kraft voreinzustellen. Damit ist eine Anpassung der Federkraft an unterschiedliche Probenmaterialien möglich.
Je nach verwendbaren Federn können verschiedene Skalierungen vorgesehen sein. Z. B. pro Feder eine Skala. Sie können z. B. auf die Mantelfläche der Aufnahmeeinrichtung aufgedruckt oder mittels anderer Herstellungsverfahren, wie Gravieren oder Laserbeschriftung, in sie eingearbeitet sein. Um das Ablesen der Anpresskraft zu erleichtern, grenzen die Teilstriche jeweils einer Skala unmittelbar an Ausnehmungen an, durch die die Quelle und deren Verschiebung während des Vorspannens von aussen sichtbar ist. Beim Ablesen wird z. B. die Grenzlinie zwischen der Quelle und der Feder mit einem Teilstrich der Skala verglichen. Ebenso können Markierungen an der Quelle angebracht sein, die mit den Teilstrichen der Skala verglichen werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Abbildungen anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert:
1 zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Halterung in perspektivischer Darstellung;
2 zeigt die erfindungsgemäße Halterung aus 1 befestigt auf einer kugelförmigen Probe.
Wie in 1 erkennbar verfügt die Halterung über einen Rahmen 1, an dem drei Saugnäpfe 2 als Befestigungselemente angeordnet sind. Die Saugnäpfe 2 sind unabhängig voneinander durch Verstellelemente 3 gegenüber dem Rahmen 1 verstellbar, und zwar sowohl in der Höhe als auch in ihrer Orientierung. Die Saugnäpfe 2 können so annähernd jeder beliebigen komplexen Oberflächenform angepasst werden. Ein sicherer Halt der Halterung ist gewährleistet. Die Verstellelemente 3 sind so ausgeführt, dass sie in jeder Position arretierbar sind.
Am Rahmen 1 ist weiter eine Aufnahmeeinrichtung 4 für eine Leistungsultraschallquelle (nicht dargestellt) angeordnet. Die Aufnahmeeinrichtung 4 ist mit dem Rahmen 1 über drei Gewindetriebe 6 verbunden. Durch Verstellen der Gewindetriebe 6 lässt sich sowohl eine translatorische Bewegung der Aufnahmeeinrichtung 4 und damit der Ultraschallquelle in Richtung auf die Probenoberfläche zu als auch eine winklige Verstellung erreichen. Die Gewindetriebe 6 sind in jeder Position selbsthemmend, so dass die Aufnahmeeinrichtung 4 und damit die Ultraschallquelle in jeder eingestellten Position arretiert ist.
Die Aufnahmeeinrichtung 4 weist darüber hinaus eine Skala 7 als Kraftmessglied auf. Nachdem die Ultraschallquelle mit der Probenoberfläche durch passende Einstellung der Befestigungselemente 2 und der Aufnahmeeinrichtung 4 in Kontakt gebracht wurde, kann sie mit einer definierten Kraft angepresst werden. Die Anpresskraft kann an der Skala 7 während des Einstellvorgangs direkt abgelesen werden. Dabei wird die Unterkante 10 der Feder 9 mit einem Teilstrich 11 der Skala 7 verglichen. Dieser Vorgang kann an verschiedenen Messstellen der Probe wiederholt werden. Die Schalleinleitungsbedingungen sind damit weitgehend reproduzierbar und Untersuchungen können unter gleichen Bedingungen wiederholt werden.
Die Ultraschallquelle ist zur definierten Anpressung an die Probe in der Aufnahmeeinrichtung 4 durch eine Feder 9 vorgespannt. Bei Kontakt mit der Probenoberfläche verschiebt sich die Quelle in der Aufnahmeeinrichtung 4 entgegen der Federkraft in der Abbildung nach oben. Die von der Quelle auf die Oberfläche ausgeübte Kraft wird sukzessive aufgebaut und ist an der Skala 7 anhand der Position des Kontaktspaltes zwischen der Quelle und der Feder 9 (Unterkante 10 der Feder 9) in der Aufnahmeeinrichtung 4 für einen Anwender direkt ablesbar. Eine Beschädigung der Oberfläche durch zu hohe Presskräfte ist ausgeschlossen.
In 2 ist zu erkennen, wie die Halterung aus 1 auf einer kugelförmigen Probe 8 befestigt ist. Die Form der Probe 8 macht die Anwendung von herkömmlichen Halterungen unmöglich. Bei einer Halterung gemäß der Erfindung können die am Rahmen 1 angeordneten Saugnäpfe 2 dank der Verstellelemente 3 so eingestellt werden, dass die Halterung sicher an der Probe 8 befestigt werden kann. Die Leistungsultraschallquelle in der Aufnahmeeinrichtung 4 kann dann über die Gewindetriebe 6 positioniert werden. Der Kontakt mit der Probenoberfläche kann zunächst durch gleichmäßiges Verstellen der Gewindetriebe 6 hergestellt werden. Die Winkeleinstellung der Aufnahmeeinrichtung 4 und damit der Quelle zur Probenoberfläche erfolgt über Verstellen einzelner Gewindetriebe 6.
Die Ultraschallquelle ist in der Aufnahmeeinrichtung 4 durch eine Feder 9 vorgespannt. Bei Kontakt mit der Probenoberfläche verschiebt sie sich in der Aufnahmeeinrichtung 4 gegen die Feder 9. Es kann eine definierte Kraft auf die Oberfläche aufgebaut werden, die an der Skala 7 ablesbar ist.
Nur unter Zuhilfenahme einer derartigen Vorrichtung ist es derzeit möglich, Leistungsultraschall in konstanter und reproduzierbarer Art und Weise mobil in komplex geformte Prüflinge einzuleiten, wobei dies Grundvoraussetzungen darstellen z. B. für in situ Ultraschall angeregte Lockin- bzw. Modulationsthermografie-Messungen.
Die Möglichkeit der optimalen Ausrichtung der Ultraschallquelle zur Oberfläche der Probe 8 resultiert im Falle der Ultraschall angeregten Thermografie in einer optimalen Schallanregung der Probe 8 und eventuell enthaltener Fehlstellen und damit in deutlich größeren Messbereichen und optimalen Messergebnissen.
Einmannbedienung, auch unter widrigen Bedingungen und in Zwangslagen, ist ohne weiteres möglich. Es bestehen für den Anwender keine mit der Verwendung von Leistungsultraschall verbundene Gesundheitsgefahren.
Bezugszeichenliste

1: Rahmen
2: Saugnapf
3: Verstellelement
4: Aufnahmeeinrichtung
6: Gewindetrieb
7: Skala
8: Probe
9: Feder
10: Unterkante der Feder 9
11: Teilstrich der Skala 7

Claims

Halterung zur Aufnahme einer Ultraschallquelle und zu ihrer Befestigung an einer Probe (8) von beliebiger Geometrie, umfassend einen Rahmen (1) mit Befestigungselementen (2) zur Befestigung des Rahmens (1) an der Probe (8) und eine Aufnahmeeinrichtung (4) für die Ultraschallquelle, dadurch gekennzeichnet, dass – der Rahmen (1) eine Öffnung aufweist, – die Halterung drei Befestigungselemente (2) aufweist, – die Befestigungselemente (2) in ihrer Position zum Rahmen (1) unabhängig voneinander verstellbar sind, – die Aufnahmeeinrichtung (4) gegenüber dem Rahmen (1) winklig und in Richtung der primären Abstrahlrichtung der Ultraschallquelle translatorisch verstellbar ist, und – die Aufnahmeeinrichtung (4) derart am Rahmen (1) befestigt ist, dass die Ultraschallquelle in Richtung ihrer primären Abstrahlrichtung in die Öffnung des Rahmens (1) einführbar ist, um mit der Probe (8) in Kontakt gebracht zu werden.
Halterung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung ein Kraftmessglied (7) zur Messung des Anpressdrucks der Ultraschallquelle auf der Probe (8) umfasst.
Halterung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungselemente (2) in jeder Position arretierbar oder selbstarretierend sind.
Halterung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeeinrichtung (4) in jeder Position arretierbar oder selbstarretierend ist.
Halterung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungselemente (2) Saugnäpfe oder Magnete sind.
Halterung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeeinrichtung (4) mittels drei Gewindetrieben (6) am Rahmen (1) befestigt ist.
Halterung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallquelle in der Aufnahmeeinrichtung (4) vorgespannt ist.
Halterung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallquelle in der Aufnahmeeinrichtung (4) durch die Federkraft einer Feder (9) vorgespannt ist.
Halterung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (9) austauschbar ist.
Halterung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeeinrichtung (4) eine Skala (7) aufweist.