DE102011007230A1

DE102011007230A1 - Prüfverfahren und Prüfvorrichtung für Düsen und Düse

Info

Publication number: DE102011007230A1
Application number: DE102011007230A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Speier
Original assignee: Lechler GmbH
Current assignee: Lechler GmbH
Priority date: 2011-04-12
Filing date: 2011-04-12
Publication date: 2012-10-18
Anticipated expiration: 2031-04-13
Also published as: DE102011007230B4; US20120263208A1; US9188559B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Prüfverfahren für Düsen aus keramischen oder keramikartigen Materialien, bei dem die Schritte des Einleitens von Ultraschallschwingungen in die Düse mittels einer an die Düse angelegten Sonotrode und das thermographische Auswerten einer Wärmeentwicklung in einer Wandung der Düse vorgesehen sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Prüfverfahren für Düsen aus keramischen oder keramikartigen Materialien. Die Erfindung betrifft auch ein Prüfvorrichtung für Düsen aus keramischen oder keramikartigen Materialien. Schließlich betrifft die Erfindung eine Düse aus keramischem oder keramikartigem Material mit wenigstens einer Wandung.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 100 59 854 A1 ist ein Thermografisches Prüfverfahren bekannt, bei dem eine Probenoberfläche mittels Ultraschalleinkopplung angeregt und dann die Probenoberfläche mit einer Wärmebildkamera ausgewertet wird. Wird Ultraschall in ein defekt behaftetes Bauteil eingeleitet, dann wird dieser Ultraschall bevorzugt an den schadhaften Stellen in Wärme umgewandelt.
Die Rissprüfung von Keramikdüsen ist nach dem Stand der Technik problematisch. Üblicherweise werden keramische Düsen, die immer wenigstens einen Hohlraum aufweisen, von einem erfahrenen Qualitätsbeauftragten mit einem kleinem Hammer abgeklopft. Das beim Abklopfen entstehende Geräusch dient dann als Hinweis auf gegebenenfalls vorhandene Risse und/oder Fehlstellen. Die Prüfung von keramischen Düsen mittels automatisierter, mechanischer Verfahren ist äußerst problematisch, da Düsen aus keramischen oder keramikartigen Materialien bei starker mechanischer und/oder thermischer Belastung bruchgefährdet sind.
Mit der Erfindung sollen ein Prüfverfahren, eine Prüfvorrichtung sowie eine Düse aus keramischem oder keramikartigem Material verbessert werden.
Erfindungsgemäß ist hierzu ein Prüfverfahren für Düsen aus keramischen oder keramikartigen Materialien vorgesehen, bei dem die Schritte des Einleitens von Ultraschallschwingungen in die Düse, insbesondere mittels einer an die Düse angelegten Sonotrode, und das thermografische Auswerten einer Wärmeentwicklung in einer Wandung der Düse vorgesehen sind.
Eine thermografische Auswertung erfolgt dann nach oder während der Einleitung von Ultraschallschwingungen mittels eines Ultraschallschwingers oder einer Sonotrode, alternativ beispielsweise auch mittels Lautsprechern. An Rissen oder Fehlstellen erfolgt in der Wandung der Düse eine erhöhte Wärmeentwicklung, die dann durch die thermografische Auswertung detektiert werden kann. Überraschenderweise hat sich bei der Einleitung von Ultraschallschwingungen in die Düse herausgestellt, dass Risse und Fehlstellen im keramischen Material gut erkannt werden und dennoch nur stark vorgeschädigte Düsen durch die Ultraschalleinleitung während der Prüfung zerbrechen. Das erfindungsgemäße Prüfverfahren erlaubt es damit, Risse und Fehlstellen in Düsen aus keramischen oder keramikartigen Materialien mit wenigstens einem Hohlraum zu detektieren und dann die detektierten Risse oder Fehlstellen zu bewerten, ob und für welchen Einsatzzweck diese Düsen noch geeignet sind. Das Einleiten von Ultraschallschwingungen und das thermografisches Auswerten erlaubt es dabei, von der Erfahrung eines Prüfers unabhängiger zu werden und auch kleine oder verdeckte Risse oder Fehlstellen, die nicht unmittelbar bis zur Oberfläche durchgehen, zu detektieren. Gerade solche, kleinere Fehlstellen an kritischen, hoch belasteten Stellen der Düse können dann im Dauerbetrieb zu einem Ausfall führen. Hier kann das erfindungsgemäße Prüfverfahren Abhilfe schaffen und ermöglicht es, die geprüften Düsen mit einer langen Lebensdauergarantie zu versehen. Düsen aus keramischen oder keramikartigen Materialien weisen wenigstens einen Hohlraum auf. Als Hohlraum wird ein umschlossener Raum mit einer oder mehreren Öffnungen bezeichnet, beispielsweise eine Drallkammer aber auch ein Strömungskanal einer Vollstrahldüse mit einer Zulauföffnung und einer Austrittsöffnung. Aufgrund des Hohlraums sind Düsen aus keramischen oder keramikartigen Materialien immer bruchgefährdet und die Prüfung solcher Düsen, die ja eine Überprüfung aller Wandungen des Hohlraums sowie auch aller weiteren, bruchgefährdeten Bestandteile umfassen sollte, ist immer problematisch. Die Erfindung schafft hier gerade bei Düsen mit wenigstens einem Hohlraum überraschend einfach Abhilfe.
In Weiterbildung der Erfindung erfolgt das Anlegen der Sonotrode an einen Anschlussbereich oder einen Kammerbereich der Düse.
Düsen aus keramischen oder keramikartigen Materialien bestehen im allgemeinen aus einem Anschlussbereich und wenigstens einem Kammerbereich sowie einem Einlaufbereich, wobei über den Einlaufbereich die zu versprühende Flüssigkeit vom Anschlussbereich in den Kammerbereich befördert wird. Der Anschlussbereich kann beispielsweise aus einem Flansch, einem Rundgewinde, einem Klebeanschluss oder dergleichen bestehen. Der Einlauf ist in der Regel rohrförmig ausgebildet. Der Kammerbereich kann beispielsweise einen oder mehrere Drallräume aufweisen. Der wichtigste zu untersuchende Bereich ist der Einlaufbereich, da er nicht nur während des Betriebs der Düse, sondern auch schon während der Fertigung die größten Belastungen aufnehmen muss. Eine Belastung der Düsen während des Betriebs lässt sich daher durch ein Anlegen der Sonotrode im Einlaufbereich nicht oder nicht zufriedenstellend simulieren, vielmehr wird eher an einer der beiden größeren Massen, nämlich dem Anschlussbereich oder dem Kammerbereich die Sonotrode angesetzt, so dass in dem jeweiligen anderen Massepunkt, also dem Kammerbereich bzw. dem Anschlussbereich eine Schwingung mit möglichst großer Amplitude angeregt wird. Dies erlaubt es dann, den kritischen Einlaufbereich mit dem erfindungsgemäßen Prüfverfahren wirkungsvoll zu testen. Gemäß der Erfindung wird das Anlegen der Sonotrode in dem Anschlussbereich bevorzugt, da ein solches Vorgehen dem realen Betrieb am ehesten entspricht. Im realen Betrieb wird eine Düse im Anschlussbereich an einem Anschlussrohr montiert und vom Anschlussbereich über den Einlauf zur Drallkammer werden Schwingungen, die beispielsweise von Pumpen oder von der Fluidströmung im Anschlussrohr herrühren, vom Anschlussrohr auf die Düse übertragen.
In Weiterbildung der Erfindung erfolgt das Anlegen der Sonotrode an eine Umfangsfläche eines Anschlusses, insbesondere eines Anschlussflansches.
Auf diese Weise können Ultraschallschwingungen zuverlässig und ohne größere Zerstörungsgefahr der Düse in diese eingeleitet werden.
In Weiterbildung der Erfindung erfolgt das Anlegen der Sonotrode an eine ebene Fläche im Anschlussbereich oder im Kammerbereich der Düse.
Für das Eintragen der Energie der Ultraschallschwingungen ist ein flächiger Kontakt zwischen Sonotrode und Keramikbauteil, gegebenenfalls unter Zwischenfügen eines Zwischenstücks, vorzuziehen, da es sonst punktuell zu Beschädigung sowohl an der Sonotrode als auch an der Düse kommen kann. Dies kann verhindert werden, indem möglichst ebene Flächen, die geringfügig größer als die Anlagefläche der Sonotrode sind, an der Düse vorgesehen werden. Eine solche ebene Fläche kann vorteilhafterweise im Anschlussbereich oder im Kammerbereich der Düse vorgesehen werden, um eine aussagekräftige Prüfung zu ermöglichen.
In Weiterbildung der Erfindung erfolgt das Anlegen der Sonotrode an eine Außenseite oder eine Innenseite einer Wandung im Kammerbereich der Düse.
Neben einer Ultraschalleinleitung von einer Außenseite der Wandung der Düse her kann die Energieeinleitung auch über eine Innenseite einer Wandung im Kammerbereich der Düse erfolgen.
In Weiterbildung der Erfindung ist das Anlegen eines Gegenhalters gegenüber der Sonotrode an die Innenseite bzw. die Außenseite der Wandung vorgesehen.
Eine besonders wirkungsvolle Ultraschalleinleitung lässt sich durch Vorsehen eines Gegenhalters erreichen, der dann im Kammerbereich beispielsweise gegen die Innenseite der Kammerwandung und gegenüberliegend der Sonotrode angeordnet wird. Ein solcher Gegenhalter kann beispielsweise durch eine Austrittsöffnung der Düse in die Drallkammer hineingeschoben werden.
In Weiterbildung der Erfindung ist das Anpressen der Sonotrode an die Düse während der Einleitung von Ultraschallschwingungen und wenigstens ein Gegenhalter zum Aufnehmen einer Anpresskraft vorgesehen.
Das Anpressen der Sonotrode während der Ultraschalleinleitung kann einen besonders wirkungsvollen Energieeintrag sicherstellen.
In Weiterbildung der Erfindung wird der Gegenhalter an zwei Anlagepunkten an der Düse angelegt.
Auf diese Weise lässt sich zusammen mit der Sonotrode eine Dreipunktlagerung der Düse erreichen. Eine solche Dreipunktlagerung erlaubt zunächst eine sichere Befestigung der Düse und zum anderen eine nur geringfügige Behinderung der Schwingungen der Düse selbst durch die Anlagepunkte.
In Weiterbildung der Erfindung liegen ein Anlagepunkt der Sonotrode und die zwei Anlagepunkte des Gegenhalters auf den Eckpunkten eines symmetrischen, ebenen Dreiecks.
Auf diese Weise lässt sich die Halterung der Düse weiter verbessern und neben einer sicheren Einspannung können sich Schwingungen in der Düse ausbreiten, um eine zuverlässige Prüfung zu ermöglichen. Soweit möglich, sollte die Verteilung der Ultraschallenergie über die Wandung der Düse annähernd gleichmäßig erfolgen, um keine Fehlmessungen zu erhalten. Würde beispielsweise die Ultraschallenergie nach der Einleitung auf bestimmte Bereiche der Düse konzentriert, so wäre zu erwarten, dass sich diese auch dann, wenn sie keine oder nur sehr kleine Fehlstellen oder Risse aufweisen, stärker erwärmen als andere Bereiche, in denen weniger Ultraschallenergie vorhanden ist. Um solche Fehlmessungen oder Falschaussagen zu vermeiden, ist die erfindungsgemäße Anordnung der Anlagepunkte von Sonotrode und Gegenhalter zweckmäßig.
In Weiterbildung der Erfindung wird ein elastisches Zwischenstück zwischen Sonotrode und Düse vorgesehen.
Mittels eines elastischen Zwischenstücks können zum einen Beschädigungen am keramischen Material der Düse durch die Sonotrode verhindert werden und eine Energieeinleitung ist bei nur geringem Verlust an Schallleistung möglich. Darüber hinaus kann ein elastisches Zwischenstück auch dazu verwendet werden, eine Anpassung zwischen einer Anlegefläche der Sonotrode und einer Außenfläche der Düse vorzunehmen. Wenn beispielsweise an der Düse selbst keine geeignete ebene Fläche vorhanden ist, an der die Sonotrode angesetzt werden könnte, kann hier ein Zwischenstück vorgesehen werden, das eine Anpassung der jeweils gegenüberliegenden Flächen bewirkt.
Vorteilhafterweise weist das Zwischenstück ein Elastizitätsmodul im Bereich von 9000 N/mm² bis 19000 N/mm², insbesondere 14000 N/mm² auf.
Solche Elastizitätswerte haben sich als vorteilhaft erwiesen, um bei einem noch akzeptablen Verlust an Schallleistung eine wirkungsvolle Anregung der Düse zu erzielen. Als Zwischenstück ist beispielsweise Hartholz geeignet, insbesondere Buchenholz, aber auch temperaturbeständige Hochleistungskunststoffe. Das Zwischenstück wird vorteilhafterweise mit einer Faserrichtung eingesetzt, in der die Fasern des Hartholzes längs zwischen Sonotrode und Düse verlaufen.
Vorteilhafterweise weist das Zwischenstück eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 0,1 W/mK bis 0,2 W/mK auf.
Während der Ultraschalleinleitung entsteht auch im Zwischenstück eine erhebliche Wärmemenge, die in geeigneter Weise abgeleitet werden muss, um eine Zerstörung des Zwischenstücks zu verhindern. Ein geeignetes Verhältnis zwischen dem Elastizitätsmodul und der Wärmeleitfähigkeit ermöglicht auch den längeren, störungsfreien Prüfbetrieb bei der Ultraschalleinleitung. Zwischenstücke aus Hartholz, insbesondere Buchenholz, haben sich als vorteilhaft erwiesen. Es wurde beispielsweise festgestellt, dass PVC-Kunststoff, PE-Kunststoff oder gefaltetes Schreibpapier zwar ebenfalls eine Ultraschalleinleitung in die Düse ermöglichen, nach kurzer Zeit aber bereits so heiß werden, dass diese Materialien zerstört werden.
In Weiterbildung der Erfindung wird wenigstens ein Wärmestrahlung reflektierender Spiegel im Bereich der Düse vorgesehen und das thermografische Auswerten eines Spiegelbilds der Düse ist vorgesehen.
Auf diese Weise kann auch eine, einer Wärmebildkamera gegenüberliegende Rückseite der Düse ausgewertet werden, ohne die Kamera selbst verfahren zu müssen oder zwei Kameras einzusetzen. Auf diese Weise kann das Prüfverfahren zum einen kostengünstig und zum anderen sehr schnell durchgeführt werden. Gerade bei der Serienfertigung von Düsen ist dies von erheblichem Vorteil.
In Weiterbildung der Erfindung erfolgt das Vorsehen eines gekrümmten oder gebogenen Spiegels.
Auf diese Weise können auch versteckte Bereiche der Düse oder beispielsweise auch die komplette Außenwandung der Düse mit einer einzigen Wärmebildkamera geprüft werden, ohne diese Kamera oder die Spiegel verschieben zu müssen. Beispielsweise können kugelschalenabschnittsförmige Spiegel, Parabolspiegel oder gebogene Spiegel mit mehreren, im Winkel zueinander angeordneten ebenen Flächen verwendet werden. Eine Verzerrung des Spiegelbildes der Düse durch solche gebogenen oder gekrümmten Spiegel kann entweder akzeptiert werden oder beispielsweise im Verlaufe der thermografischen Auswertung zurückgerechnet werden.
In Weiterbildung der Erfindung ist das Bewegen des Spiegels und/oder einer Wärmebildkamera während der thermografischen Auswertung vorgesehen.
Eine Bewegung des Spiegels oder der Kamera kann gegebenenfalls gemeinsam mit dem Vorsehen von gekrümmten oder gebogenen Spiegeln sinnvoll sein, um beispielsweise eine besonders genaue Prüfung zu ermöglichen oder um besonders komplizierte Düsengeometrien vollständig prüfen zu können.
In Weiterbildung der Erfindung erfolgt das Einleiten von Ultraschallschwingungen mit einer Frequenz im Bereich von 20 kHz.
Bei einer solchen Frequenz kann eine zuverlässige Prüfung der Düsen erfolgen, ohne dass eine erhöhte Zerstörungsgefahr der Düsen während der Prüfung besteht.
In Weiterbildung der Erfindung erfolgt das Einleiten von Ultraschallschwingungen mit einer Leistung im Bereich von 100 W bis 200 W, insbesondere 150 W.
Die Einleitung einer Leistung im Bereich von 100 W bis 200 W hat sich als ausreichend erwiesen, um Fehlstellen im keramischen Material der Düsen sicher zu detektieren. Gleichzeitig besteht eine Zerstörungsgefahr nur bei stark vorgeschädigten Düsen. Ein Schallgenerator mit einer Leistung von 500 W ist somit für das erfindungsgemäße Verfahren ausreichend.
In Weiterbildung der Erfindung ist das Markieren der Düse vor der thermografischen Auswertung mit einer wärmereflektierenden Beschichtung oder das Markieren mittels einer Wärmequelle vorgesehen.
Übliche Beschriftungen oder Markierungen der Düse sind bei einer Wärmebildaufnahme im Bild nicht zu erkennen. Das Markieren der Düse mit einer wärmereflektierenden Beschichtung, beispielsweise Silberlackstift oder Bleistift oder das Markieren mittels einer Wärmequelle, beispielsweise einem Laserpointer, kann dahingegen die Markierung auch im Wärmebild erscheinen lassen und eine Auswertung bzw. Archivierung der Versuchsergebnisse wesentlich erleichtern.
Das der Erfindung zugrundeliegende Problem wird auch durch eine Prüfvorrichtung für Düsen aus keramischen oder keramikartigen Materialien mit wenigstens einem Hohlraum zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gelöst, bei der wenigstens eine Sonotrode zum Einleiten von Ultraschallschwingungen in die Düse und wenigstens eine Wärmebildkamera zum thermografischen Auswerten einer Wärmeentwicklung in einer Wandung des Hohlraums der Düse vorgesehen sind.
Vorteilhafterweise weist die Prüfvorrichtung wärmereflektierende Spiegel auf, wobei mittels der Wärmebildkamera ein Spiegelbild der Düse ausgewertet wird.
In Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens ein Gegenhalter vorgesehen, wobei der Gegenhalter gegenüberliegend der Sonotrode an die Düse angelegt wird.
In Weiterbildung der Erfindung liegt der Gegenhalter an zwei Anlagepunkten an der Düse an, wobei die beiden Anlagepunkte zusammen mit einem Anlagepunkt der Sonotrode ein symmetrisches, ebenes Dreieck bilden.
Beispielsweise weist der Gegenhalter eine etwa V-förmige Ausnehmung auf und ein kreisringförmiger Anschlussflansch der Düse wird in der V-förmigen Ausnehmung so aufgenommen, dass er an zwei gegenüberliegenden Punkten anliegt. Eine Sonotrode wird dann gegenüber dem Gegenhalter so an einen Außenumfang des Anschlussflansches angelegt, dass die Anlagepunkte ein symmetrisches Dreieck bilden.
In Weiterbildung der Erfindung ist zwischen Sonotrode und Düse eine Scheibe aus elastischem Material mit einem Elastizitätsmodul im Bereich von 9000 N/mm² bis 19000 N/mm², insbesondere 14000 N/mm² vorgesehen.
Beispielsweise kann eine Hartholzscheibe, insbesondere eine Buchenholzscheibe, vorgesehen werden. Die Fasern verlaufen dann vorteilhafterweise längs zwischen Sonotrode und Düse. Als vorteilhaft haben sich Scheiben aus elastischem Material, insbesondere Holzscheiben, mit einer Stärke zwischen 2 mm und 10 mm erwiesen. Möglich ist auch der Einsatz von temperaturbeständigen Hochleistungskunststoffen.
Das der Erfindung zugrundeliegende Problem wird auch durch eine Düse aus keramischem oder keramikartigem Material mit wenigstens einem Hohlraum und wenigstens einer den Hohlraum begrenzenden Wandung gelöst, bei der die Wandung wenigstens eine erste, ebene Fläche zum Ansetzen einer Sonotrode aufweist.
Auf diese Weise kann über die erste ebene Fläche eine besonders wirkungsvolle Ultraschalleinleitung in die Düse erfolgen. Die erfindungsgemäße Düse ist dadurch in besonderer Weise vorteilhaft, da sie mit geringem Aufwand und schnell auf Risse und Fehlstellen geprüft werden kann.
In Weiterbildung der Erfindung weist die Wandung wenigstens eine zweite, ebene Fläche zum Ansetzen eines Gegenhalters auf.
In Weiterbildung der Erfindung ist die erste Fläche auf einer Außenseite oder Innenseite der Wandung und die zweite Fläche gegenüber der ersten Fläche auf einer Innenseite bzw. Außenseite der Wandung angeordnet. Auf diese Weise können sowohl die Sonotrode als auch der Gegenhalter in einfacher Weise an die Düse angesetzt werden und eine wirkungsvolle Ultraschalleinleitung in die Düse ist während der Prüfung sichergestellt. Beispielsweise kann die erste ebene Fläche außen auf einer Drallkammer angeordnet sein und die zweite ebene Fläche gegenüber auf der Innenseite der Drallkammer.
In Weiterbildung der Erfindung weist die Düse einen Anschlussflansch in Form einer Ringscheibe auf, wobei ein Außenumfang des Anschlussflansches mit der wenigstens einen ersten ebenen Fläche zum Ansetzen der Sonotrode versehen ist.
Auf diese Weise können Düsen mit ringförmigem Anschlussflansch so ausgestaltet werden, dass das erfindungsgemäße Prüfverfahren schnell und wirkungsvoll durchführbar ist.
In Weiterbildung der Erfindung weist die Düse einen Anschlussflansch mit einem Anschlussgewinde auf, wobei die erste ebene Fläche im Bereich des Anschlussgewindes angeordnet und das Anschlussgewinde abschnittsweise im Bereich der ersten ebenen Fläche unterbrochen ist.
Auch bei keramischen Düsen mit Anschlussgewinde kann auf diese Weise eine wirkungsvolle Ultraschalleinleitung im Anschlussbereich sichergestellt werden.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Düse mit einer wärmereflektierenden Markierung versehen.
Auf diese Weise kann die Markierung auch in der thermografischen Bildauswertung erkannt werden, so dass die thermografische Auswertung bzw. die Archivierung der Messergebnisse erheblich erleichtert ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Einzelmerkmale der unterschiedlichen, dargestellten Ausführungsformen lassen sich dabei in beliebiger Weise miteinander kombinieren, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Düse und einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Prüfverfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform,
2 die Prüfvorrichtung und die Düse der 1 in einer Ansicht von hinten,
3 die Düse der 1 in einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform,
4 eine erfindungsgemäße Prüfvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform in einer Ansicht von schräg oben,
5 eine Ansicht der Prüfvorrichtung der 4 von hinten,
6 eine Ansicht der Prüfvorrichtung der 4 von der Seite,
7 eine Ansicht der Prüfvorrichtung der 4 von oben,
8 eine Ansicht einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform von hinten,
9 die Prüfvorrichtung der 8 von der Seite,
10 die Prüfvorrichtung der 8 von oben,
11 eine Ansicht der erfindungsgemäßen Düse der 1 von hinten,
12 eine teilweise geschnittene Seitenansicht der Düse der 11,
13 eine Ansicht der Düse der 10 von oben,
14 eine teilweise geschnittene Ansicht einer erfindungsgemäßen Düse gemäß einer weiteren Ausführungsform von vorne,
15 die Düse der 14 von oben und
16 die Düse der 14 von der Seite.
Die Darstellung der 1 zeigt in einer Seitenansicht eine Düse 10 aus keramischen Material. Die Düse 10 weist einen kreisringförmigen Anschlussflansch 12, eine etwa zylindrische Drallkammer 14 und einen den Anschlussflansch und die Drallkammer 14 verbindenden rohrförmigen Einlauf 16 auf. Die Drallkammer ist mit einer Austrittsöffnung 18 versehen.
Die Düse 10 ist in eine Prüfvorrichtung 20 eingespannt, wobei die Prüfvorrichtung lediglich teilweise dargestellt ist. Speziell weist die Prüfvorrichtung eine Sonotrode 22 zur Ultraschalleinleitung und einen Gegenhalter 24 auf. Der Anschlussflansch 12 ist zwischen die Sonotrode 22 und den Gegenhalter 24 eingespannt. Ein Doppelpfeil 26 symbolisiert die Erzeugung von Longitudinalschwingungen mittels der Sonotrode 22.
Ein Pfeil 28 symbolisiert eine Gegenkraft, die von dem Gegenhalter 24 aufgebracht wird.
Die Sonotrode 22 ist mit einem Stempel 36 versehen. Zwischen dem Stempel 36 und dem Anschlussflansch 12 ist eine Scheibe 46 aus Buchenholz angeordnet. Die Scheibe 46 dient als elastisches Zwischenstück und verhindert, dass der Außenumfang des Anschlussflansches 12, der ja aus keramischen Material besteht, durch den Stempel 36 beschädigt wird. Dennoch verursacht das Zwischenstück lediglich einen akzeptablen Verlust an übertragener Schallleistung. Die Buchenholzscheibe 46 weist einen Elastizitätsmodul von etwa 14.000 N/mm² und eine Wärmeleitfähigkeit von 0,16 W/mK auf. Die bei der Übertragung von Ultraschallenergie über die Scheibe 46 zwangsläufig entstehende Wärme kann dadurch noch gut nach außen abgeleitet werden und führt nicht zu einer Zerstörung der Scheibe 46.
Die Darstellung der 2 zeigt eine Ansicht der Düse 10 und der Prüfvorrichtung 20 von hinten, also in den Einlauf der Düse 10 hinein. Der Gegenhalter 24 weist eine etwa V-förmige Ausnehmung 30 auf, in die der ringförmige Anschlussflansch 12 aufgenommen ist. Der Anschlussflansch 12 liegt mit seinem Außenumfang damit an zwei Anlagepunkten 32, 34 am Gegenhalter 24 an. Die Sonotrode 22 liegt mit einem Stempel 36 unter Zwischenfügen der elastischen Scheibe 46 am Außenumfang des Anschlussflansches 12 auf. Der Stempel 36 der Sonotrode 22 liegt im Bereich einer ebenen Fläche 38 am Außenumfang des Anschlussflansches 12 an diesem bzw. an der Scheibe 46 an. Zwischen Stempel 36 bzw. Scheibe 46 und dem Außenumfang des Anschlussflansches 12 ist dadurch eine flächige Anlage gegeben. Wenn man einen Anlagepunkt zwischen Sonotrode 22 und Anschlussflansch 12 als die Mitte des flächigen Anlagebereichs des Stempels 36 ansieht, so kann man 2 entnehmen, dass die beiden Anlagepunkte 32, 34 des Anschlussflansches 12 am Gegenhalter 24 und der Anlagepunkt des Stempels 36 der Sonotrode 22 auf der ebenen Fläche 38 des Anschlussflansches 12 ein ebenes, symmetrisches Dreieck bilden.
Die erfindungsgemäße Prüfvorrichtung 20 kann dadurch eine wirkungsvolle Einleitung von Ultraschallenergie in den Anschlussbereich der Düse 10 sicherstellen. Gleichzeitig wird sichergestellt, dass die Düse 10 zwischen den Anlagepunkten 32, 34 sowie dem Stempel 36 schwingen kann, so dass sich die eingeleitete Ultraschallenergie gleichmäßig über die Wandungen der Düse 10 verteilen kann.
Mittels der Sonotrode 22 wird Ultraschall mit einer Frequenz im Bereich von 20 kHz in die Düse 10 eingeleitet. Die Ultraschallschwingungen werden mit einer Leistung von 150 bis 200 W in die Düse 10 eingeleitet. Risse und Fehlstellen in den Wandungen der Düse 10 erwärmen sich dadurch stärker als das umliegende Material. Diese Erwärmung kann mit einer Wärmebildkamera mit einer Empfindlichkeit von beispielsweise 50 mK detektiert werden.
Die Darstellung der 3 zeigt die Düse 10 der 1 in einer abschnittsweise dargestellten Prüfvorrichtung 30 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Die Prüfvorrichtung 30 weist die Sonotrode 22 auf, die nun aber, wieder unter Zwischenfügen einer elastischen Scheibe, an eine ebene Fläche an der Oberseite der Drallkammer 14 angelegt ist. Ein stabförmiger Gegenhalter 42 ist durch die Austrittsöffnung 18 der Düse 10 hindurch gesteckt und liegt gegenüberliegend dem Stempel 36 der Sonotrode 22 auf einer Innenseite der Decke der Drallkammer 14 an. Auch dort ist eine ebene Fläche vorgesehen, um eine flächige Anlage zwischen Gegenhalter 42 und der Düse 10 zu gewährleisten. Um die Anlage des Gegenhalters 42 an der Innenseite der Drallkammer 14 darstellen zu können, ist die Düse 10 in 3 in einem kreisrunden Bereich 44 geschnitten dargestellt.
Bei der Prüfvorrichtung gemäß 3 erfolgt eine Einleitung von Ultraschallschwingungen von außenin die Decke der Drallkammer 14 und kann sich von dort aus dann über die Wandungen der Düse 10 ausbreiten. Bei der Prüfvorrichtung gemäß 1 wird die Ultraschallenergie dahingegen in den Anschlussflansch 12 eingeleitet und kann sich von dort aus dann in die Wandungen der Düse 10 ausbreiten. Wie anhand der Darstellungen von 1 und 3 der Düse 10 zu erkennen ist, weist diese zwei größere Massen auf, nämlich einmal den Anschlussflansch 12 und einmal die Drallkammer 14, die über den rohrförmigen Einlauf 16 miteinander verbunden sind. Auch im Betrieb der Düse und bereits während der Fertigung ist der Einlauf 16 ein besonders kritisches Bauteil, da dort die höchsten Belastungen des Düsenmaterials auftreten. Bei einer Einleitung der Ultraschallenergie gemäß 1 entweder in den Anschlussflansch 12 oder gemäß 3 im Bereich der Drallkammer 14 ist der Einlauf somit für eine thermographische Auswertung frei zugänglich. Gerade der kritische Einlauf 16 kann bei keramischen Düsen damit durch das erfindungsgemäße Prüfverfahren zuverlässig und sorgfältig geprüft werden.
Die Darstellung der 4 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Prüfvorrichtung 50 mit der Düse 10. Die Prüfvorrichtung 50 weist wie die Prüfvorrichtung 20 der 1 die Sonotrode 22 und den Gegenhalter 24 auf, zwischen denen der Anschlussflansch 12 der Düse 10 eingespannt ist. Auch eine – symbolisch dargestellte – Wärmebildkamera 52 ist vorgesehen, deren Blickfeld auf die Düse 10 gerichtet ist. Eine solche Wärmebildkamera ist bei den Prüfvorrichtungen 20, 40 gemäß 1 bis 3 ebenfalls vorhanden, ist dort der Übersichtlichkeit halber aber nicht dargestellt.
Die Prüfvorrichtung 50 weist darüber hinaus einen wärmereflektierenden Spiegel 54 in Form eines Kugelschalensegements auf. Der Wärmestrahlen reflektierende Spiegel 54 erstreckt sich über einen Umfangsbereich von 45°. Die Blickrichtung der Wärmebildkamera 52 ist auf den Spiegel 54 gerichtet. Die Wärmebildkamera 52 kann dadurch die in 4 vorne liegende Vorderseite der Düse 10 sowie über das Spiegelbild der Düse 10 im Spiegel 54 auch deren Rückseite und deren in 4 links vorne gelegene Seite auswerten. Aufgrund der Kugelschalenform des Spiegels 54 kann darüber hinaus auch eine Unterseite und eine Oberseite der Düse 10 mit der Wärmebildkamera 52 erfasst und ausgewertet werden. Ohne die Wärmebildkamera 52 oder den Spiegel 54 verfahren zu müssen, kann dadurch im Wesentlichen die gesamte Außenseite der Düse 10 thermographisch ausgewertet werden. Auf diese Weise kann die Düse 10 besonders schnell und gründlich überprüft werden. Die Prüfvorrichtung 50 kann dennoch kostengünstig aufgebaut werden, da keine Verfahrmechanismen für Wärmebildkamera 52, Sonotrode 22 oder Gegenhalter 24 oder Spiegel 54 vorgesehen werden müssen.
Zweckmäßigerweise weist die Wärmebildkamera 52 ein Weitwinkelobjektiv mit einem Erfassungsbereich von etwa 45° auf, so dass sowohl die Düse 10 als auch der Spiegel 54 in einem Bild aufgenommen werden können. Weitwinkelobjektive zeichnen sich darüber hinaus durch eine größere Tiefenschärfe aus, so dass der Spiegel 54 ggf. weiter entfernt von der Wärmebildkamera 52 angeordnet werden kann, so dass keine Verschattungen zu befürchten sind. Auch kann die Wärmebildkamera 52 dadurch sowohl die Düse 10 selbst als auch deren Spiegelbild im Spiegel 54 scharf aufnehmen.
Die Darstellung der 5 zeigt die Prüfvorrichtung 50 in einer Ansicht von hinten, also in den Anschlussflansch 12 hinein in Richtung der Drallkammer 14.
Die Darstellung der 6 zeigt die Prüfvorrichtung 50 von der Seite.
Die Darstellung der 7 zeigt die Prüfvorrichtung 50 von oben. Zu erkennen ist der Erfassungswinkel der Wärmebildkamera 52 von 45° sowie der Umfangswinkel des Spiegels 54 von ebenfalls 45°. Ein Erfassungswinkel der Wärmebildkamera 52 weist dabei die Form eines Kreiskegels auf, um im Wesentlichen die gesamte Innenseite des Spiegels 54 erfassen zu können, siehe 4.
Die Darstellung der 8 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Prüfvorrichtung 60 in einer Ansicht von hinten, also auf den Anschlussflansch 12 der Düse 10. Die Prüfvorrichtung 60 weist die Wärmebildkamera 52, die Sonotrode 22 und den Gegenhalter 24 auf und ist darüber hinaus mit zwei gebogenen Spiegeln 62 64 versehen. Die Spiegel 62, 64 bestehen aus wärmereflektierendem Material und sind beispielsweise als Aluminiumplatten ausgebildet. Die Spiegel 62, 64 weisen jeweils mehrere ebene Flächen auf, die relativ zueinander abgewinkelt sind.
Der Spiegel 64 ist gegenüberliegend der Wärmebildkamera 52 aufgestellt und ermöglicht es der Wärmebildkamera 52 daher, nicht nur die ihr zugewandte Vorderseite der Düse 10 sondern auch die ihr abgewandte Rückseite der Düse 10 zu erfassen. Darüber hinaus ist der Spiegel 64 näherungsweise konzentrisch zum Einlauf der Düse 10 verlaufend gebogen, so dass die Düse 10 auch von oben und von unten erfasst und ausgewertet werden kann.
Wie in 10 zu erkennen ist, ist der Spiegel 62 so angeordnet, dass eine Vorderseite der Düse 10 erfasst werden kann. Durch die Spiegel 62, 64 und die Wärmebildkamera 52 kann dadurch im Wesentlichen die gesamte Außenfläche der Düse 10 während des Prüfverfahrens thermographisch ausgewertet werden, mit Ausnahme einer in 8 dem Betrachter zugewandten Seite des Anschlussflansches 12.
Die Darstellung der 11 zeigt eine Ansicht der erfindungsgemäßen Düse 10 von hinten, also auf den Anschlussflansch 12 mit Blickrichtung in die Drallkammer 14 hinein. Zu erkennen ist die ebene Fläche 38 am Außenumfang des ansonsten kreisrunden Anschlussflansches 12. Wie ausgeführt wurde, ist diese ebene Fläche 38 zum Ansetzen des Stempels 36 der Sonotrode 22 vorgesehen, siehe 2.
Die Darstellung der 12 zeigt die Düse 10 der 11 in einer teilweise geschnittenen Ansicht. Auf der Außenseite der Drallkammer 14 ist eine erste ebene Fläche 70 angeordnet, auf die der Stempel 36 der Sonotrode 22, siehe 3, flächig aufgesetzt und angepresst werden kann. Auf der gegenüberliegenden Innenseite der Drallkammer 14 ist eine zweite ebene Fläche 72 vorgesehen, auf der dann, siehe 3, der Gegenhalter 42 flächig aufgesetzt und angepresst werden kann.
Die Darstellung der 13 lässt die kreisrund ausgebildete ebene Fläche 70 auf der Oberseite der Drallkammer 14 genauer erkennen.
In 12 ist eine Außenseite der Drallkammer 14 noch mit einer Markierung 74 in Form eines Strichcodes versehen. Diese Markierung 74 ist als wärmereflektierende Beschichtung, beispielsweise mit einem Silberlack oder mit einem weichen Bleistift ausgeführt. Während der thermographischen Auswertung des Prüfverfahrens erscheint diese Markierung 74 dadurch auch in dem aufgenommenen Wärmebild. Dies erleichtert die Auswertung und auch die Archivierung der Messergebnisse erheblich.
Die Darstellung der 14 zeigt eine teilweise geschnittene Vorderansicht einer erfindungsgemäßen Düse 80. Die Düse 80 weist einen Anschlussflansch 82 mit einem Außengewinde 84, einen etwa rohrförmigen Einlauf 86, siehe 15, und zwei Drallkammern 86, 88 auf, über den Einlauf 86 mit dem Anschlussflansch 82 verbunden sind. Die Drallkammern 86, 88 öffnen sich über Austrittsöffnungen 90, 92 in einander entgegengesetzte Richtungen. Die abschnittsweise geschnitten dargestellte Innenseite und Außenseite der Drallkammer 88 weisen jeweils eine ebene Fläche zum Anlegen einer Sonotrode bzw. eines Gegenhalters auf.
In der Seitenansicht der Düse 80 in 16 ist eine ebene Fläche 94 am Außenumfang des Anschlussflansches 82 zu erkennen. Im Bereich dieser ebenen Fläche ist das Außengewinde 84 unterbrochen. Die ebene Fläche 94 dient zum Anlegen des Stempels 36 der Sonotrode 22, siehe 1. Auf diese Weise ist auch bei einem Anschlussflansch 82, der mit einem Außengewinde 84 versehen ist, eine wirkungsvolle Einleitung von Ultraschallenergie möglich. Die ebene Fläche 94 kann, wie dargestellt, rechteckförmig, beispielsweise aber auch kreisrund oder oval ausgebildet sein und ist so bemessen, dass sie geringfügig größer als der Stempel 36 ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10059854 A1 [0002]

Claims

Prüfverfahren für Düsen aus keramischen oder keramikartigen Materialien, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Einleiten von Ultraschallschwingungen in die Düse (10; 80), insbesondere mittels einer an die Düse (10; 80) angelegten Sonotrode (22), und – Thermografisches Auswerten einer Wärmeentwicklung in einer Wandung der Düse (10; 80).
Prüfverfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Anlegen der Sonotrode (22) an einen Anschlussbereich oder einen Kammerbereich der Düse (10; 80).
Prüfverfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Anlegen der Sonotrode (22) an einen Anschluss, insbesondere einem Anschlussflansch (12; 82) der Düse.
Prüfverfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Anlegen der Sonotrode (22) an eine Umfangsfläche des Anschlusses, insbesondere des Anschlussflansches (12; 82).
Prüfverfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, gekennzeichnet durch Anlegen der Sonotrode (22) an eine ebene Fläche (38, 70, 72; 94) im Anschlussbereich oder im Kammerbereich der Düse (10; 80).
Prüfverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Anlegen der Sonotrode (22) an eine Außenseite oder eine Innenseite einer Wandung im Kammerbereich der Düse (10; 80).
Prüfverfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Anlegen eines Gegenhalters (24; 42) gegenüber der Sonotrode (22) an die Innenseite beziehungsweise die Außenseite der Wandung.
Prüfverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Anpressen der Sonotrode (22) an die Düse (10; 80) während der Einleitung von Ultraschallschwingungen und Vorsehen wenigstens eines Gegenhalters (24; 42) zum Aufnehmen einer Anpresskraft.
Prüfverfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch Anlegen des Gegenhalters (24) an zwei Anlagepunkten (32, 34) an der Düse (10).
Prüfverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anlagepunkt der Sonotrode (22) und die zwei Anlagepunkte (32, 34) des Gegenhalters (24) auf den Eckpunkten eines symmetrischen, ebenen Dreiecks liegen.
Prüfverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Vorsehen eines elastischen Zwischenstücks (46) zwischen Sonotrode (22) und Düse (10; 80).
Prüfverfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenstück (46) einen Elastizitätsmodul im Bereich von 9000 N/mm² bis 19000 N/mm², insbesondere 14000 N/mm², aufweist.
Prüfverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenstück (46) eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 0,1 W/mK bis 0,2 W/mK aufweist.
Prüfverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Vorsehen wenigstens eines Wärmestrahlung reflektierenden Spiegels (54; 62, 64) im Bereich der Düse (10; 80) und thermografisches Auswerten eines Spiegelbilds der Düse (10; 80).
Prüfverfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch Vorsehen eines gekrümmten oder gebogenen Spiegels (54; 62, 64).
Prüfverfahren nach Anspruch 14 oder 15, gekennzeichnet durch Bewegen des Spiegels und/oder einer Wärmebildkamera während der thermografischen Auswertung.
Prüfverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Einleiten von Ultraschallschwingungen mit einer Frequenz im Bereich von 20 kHz.
Prüfverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Einleiten von Ultraschallschwingungen mit einer Leistung im Bereich von 100 Watt bis 200 Watt, insbesondere 150 Watt.
Prüfverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Markieren der Düse (10) vor der thermografischen Auswertung mit einer wärmereflektierenden Beschichtung oder Markieren mittels einer Wärmequelle.
Prüfvorrichtung für Düsen aus keramischen oder keramikartigen Materialien mit wenigstens einer Sonotrode (22) zum Einleiten von Ultraschallschwingungen in die Düse (10; 80) und wenigstens einer Wärmebildkamera (52) zum thermografischen Auswerten einer Wärmeentwicklung in einer Wandung der Düse (10; 80).
Prüfvorrichtung nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch wärmereflektierende Spiegel (54; 62, 64), wobei mittels der Wärmebildkamera (52) ein Spiegelbild der Düse (10; 80) ausgewertet wird.
Prüfvorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, gekennzeichnet durch wenigstens einen Gegenhalter (24; 42), wobei der Gegenhalter (24; 42) gegenüberliegend der Sonotrode (22) an die Düse (10; 80) angelegt wird.
Prüfvorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenhalter (24) an zwei Anlagepunkten (32, 34) an der Düse (10) anliegt, wobei die beiden Anlagepunkte (32, 34) zusammen mit einem Anlagepunkt der Sonotrode (22) ein symmetrisches, ebenes Dreieck bilden.
Prüfvorrichtung nach einem der vorstehenen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Scheibe (46) aus elastischem Material mit einem Elastizitätsmodul im Bereich von 9000 N/mm² bis 19000 N/mm², insbesondere 14000 N/mm², zwischen Sonotrode und Düse.
Düse aus keramischem oder keramikartigem Material mit wenigstens einer Wandung, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung wenigstens eine erste, ebene Fläche (38; 70) zum Ansetzen einer Sonotrode (22) aufweist.
Düse nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung wenigstens eine zweite ebene Fläche (72) zum Ansetzen eines Gegenhalters aufweist.
Düse nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die erste ebene Fläche (70) auf einer Außenseite oder Innenseite der Wandung und die zweite ebene Fläche (72) gegenüber der ersten ebenen Fläche auf einer Innenseite beziehungsweise Außenseite angeordnet ist.
Düse nach einem der Ansprüche 25 bis 27, gekennzeichnet durch einen Anschlussflansch (12) in Form einer Ringscheibe, wobei ein Außenumfang des Anschlussflansches (12) mit der wenigstens einen ersten ebenen Fläche (38) zum Ansetzen der Sonotrode (22) versehen ist.
Düse nach einem der Ansprüche 25 bis 27, gekennzeichnet durch einen Anschlussflansch (82) mit einem Anschlussgewinde (84), wobei die erste ebene Fläche (94) im Bereich des Anschlussgewindes (84) angeordnet und das Anschlussgewinde (84) abschnittsweise im Bereich der ersten ebenen Fläche (94) unterbrochen ist.
Düse nach einem der Ansprüche 25 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse mit einer wärmereflektierenden Markierung (74) versehen ist.