DE1904864A1 - Ultraschall-Pruefvorrichtung fuer Materialermuedung - Google Patents

Description

• betreffend Ultraschall-Prüfvorrichtung für Materialermüdung Die Erfindung bezieht sich auf eine Ultraschall-Prüfvorrichtung für Materialermüdung Es ist bekannt, ein Prüfteil eines zu prüfenden Materials mit der Eigenfrequenz der Längsvibration des Prüfteils schwingen zu lassen.
• Diese Eigenfrequenz von beispielsweise 20 kHz ist eine Ultraschallfrequenz, und die zur Bildung eines Risses notwendige Zeit ist auf einige Stunden oder Minuten reduziert, während bei den herkömmlichen Verfahren, bei denen das Prüfteil mechanisch zum Schwingen mit sehr geringer Frequenz gebracht wird, oftmals mehrere Wochen erforderlich sind. Es ißt üblich, ein Prüfteil mit einer Einschnrung in der Mitte zu verwenden, wodurch eine maximale Amplitude bei der Beanspruchung des Materals in diesem Bereich hervorgerufen wird0 Die Ultraschallprüfung für Materialermüdung ist jedoch bisher nur in Laboratorien angewendet worden, und es gibt keine Vorrichtung, die es ermöglichen würde, in der Industrie alle wünschenswerten Ergebnisse daraus abzuleiten.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die dieses Verfahren anwendet als Ermüdungsversuch durch Erregung des Prüfteils bei seiner Eigenfrequenz der Längsvibration, -wobei diese Vorrichtung so konstruiert und beschaffen sein soll, daß das neue Verfahren ständig in der Industrie angewandt werden kann und neue und interessante Ergebnisse erzielt werden können, insbesondere genaue Angaben über das Auftauchen von Rissen und die Geschwindigkeit, mit der sich Risse bilden Die Vorrichtung nach der Erfindung geht aus von einem Ultraschallgenerator und einem Ultraschallverdichtungs- und ßbertragungsstück (Horn) und ist gekennzeichnet durch eine Rd.ckführungseinrichtung zum Einstellen der Generatorfrequenz auf die Eigenfrequenz der Längsvibration des zu prüfenden Teils und durch eine Registriervorrichtung für den zeitlichen Ablauf der Frequenz, so daß die Veränderung in Abhängigkeit von der Zeit, insbesondere zum Zeit punkt des Auftauchens des Risses nachgewiesen werden kann.
• Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an einem Auführungsbeispiel ergänzend beschrieben.
• Fig, 1 zeigt den schematischen Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform ber Vorrichtung nach der Erfindung; Fig. 2 zeigt die Frequenzveränderung in Abhängigkeit von der Zeit.
• Fig. 1 zeigt einen aus einem elektronischen Oszillator 1 und einemelektro-akustischen Wandler 2 bestehenden Generator, eine Ultraschallverdichtungs- und Transmissions-worrichtung 3, an die das Prüfteil E angeschlossen ist, einen Schwingungsfühler 4, , eine Amplitudeurückführung 5, einen Frequenzschreiber 6, einen Verstärker 7, eine Registriervorrichtung für die Schwingungsamplitude 8 sowie eine Frequenzrückführung 9.
• Die Vorrichtung 9 stellt die Frequenz der mittels der Verdichtungsvorrichtung 3 auf das Prüfteil E gebrachtenUltraschallschwingung auf einen Wert ein, der immer gleich der Eigenfrequenz der L!ngsvibration des Prfifteils ist, beispielsweise 20 kHz. Die eingestellte Frequenz wird vom Frequenzmeßgerät 6 gemessen.
• Fig. 2 zeigt als Funktion der Zeit T die Anderung der Eigenschwingungsfrequenz F des Prüfteils für ein erstes Material (durchgezogene Linie) und für ein zweites Material (gestrichelte Linie)0 Man sieht, daß beim ersten Material die Frequenz F konstant bleibt bis zur Zeit T1, die dem Auftauchen des Risses entspricht. Von T1 an nimmt die Frequenz relativ langsam ab bis zum endgültigen Bruch des Prüfteils. Beim zweiten Material liegt die Zeit T2, , bei der der Riß auftaucht, deutlich später als T1, aber die Frequenz F nimmt danach sehr schnell ab. Bei der Anwendung in der Luftfahrt z.B. kann man daraus -schließen, daß das zweite Material viel weniger interessant ist .als das erste, während ein nach den herkömmlichen Verfahren durchgeführter Ermüdungsversuch, bei dem die Geschwindigkeit, mit der der Riß entsteht> nicht festgestellt werden kann, zu entgegengesetzten Folgerungen führen würde.
• Bei näherer Betrachtung der Funktionsweise der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung nach der Erfindung sieht man, daß die Schwingungsamplitude an einer Endseite des Prüfteils von der elektrischen Registriervorrichtung 8 an sich bekannter Bauart registriert wird. Diese Registrierung ermöglicht einerseits die Kontrolle, daß die Amplitude während der Prüfung bis zum Auftauchen des Risses konstant bleibt, d.h. daß die Amplitudenservoeinrichtung 5 richtig funktioniert und andererseits durch Berechnung die Feststellung der Belastung des Prflfteils in seiner Mitte. Wie in Fig. 1 zu sehen ist, ist das Prüfteil in der Mitte zusammengeschnürt und die Be lastung an der Stelle also am höchsten, was einem Schwingungsknoten entspricht. Die Endseite hingegen, an der sich der Schwingungsfühler 4 befindet, entspricht einem Schwingungsbauch. Ausgehend von der Amplitude dieses Schwingungsbauches, die von der Registriervorrichtung 7 gemessen wird, kann man durch Berechnung die Belastung des Prüfteils in seinem mittleren zusammengeschnürten Bereich feststellen.
• Der Schwingungsfühler 4, der in Fig. 1 nur symbolisch dargestellt ist, ist eine Vorrichtung an sich bekannter Art und erzeugt eine Spannung, die proportional zur Amplitude der Verschiebung der Endseite des Prüfteils ist, Die Vorrichtung 5 mißt die Veränderungen dieser Spannung und gebraucht sie in bekannter Weise, um die Schwingungsamplitude des Oszillators 1 zu steuern und sie auf einem konstanten Wert zu halten.
• Der Schwingungsfühler 4 kann beispielsweise aus einem elektrosstaw tischen Schwingkondensatorwandler bestehen.
• Die Vorrichtung 9 steuert die Schwingungsfrequenz mit einem Wert, der gleich der Eigenfrequenz des Komplexes 2-3-E ist, die prak:tisc'i mit der Eigenfrequenz des Prüfteils identisch ist, da die Teile 2 und 3 hiernach gewählt sind. Die Vorrichtung ist ebenfalls an sich bekannt.
• Eine derartige Vorrichtung kann beispielsweise einen an den Wandler angeschlossenen Reaktionsschaltkreis umfassen, der dem Oszillator eine von dem Wandler abgenommene elektrische Spannung zuführt und somit eine Rückführschleife bildet, deren Gesamtimpedanz ein reiner Widerstand ist, wenn der Wandler bei seiner Eigenfrequenz erregt wird. Schaltkreise dieser Art sind z.B. in den englischen Patenten Nr. 1.026.085 (Philips Electronic and Associated Industries Limited) und Nr. 985.444 (Peter BEER) beschrieben.
• Die Vorrichtungen 4 und 5 können selbstverständlich anders ausgebildet sein als in den erwähnten Patentanmeldungen, und es sind verschiedene änderungen und Ergänzungen denkbar, ohne sich vom Gedanken der Erfindung zu entfernen.
• Der Frequenzmesser 6 kann als Registriervorrichtung oder Zahlenablesegerät ausgebildet sein. Vorzugsweise kann man in die Vorrichtung einen Schaltkreis einbauen, der sie-automatisch anhält, wenn die Frequenzänderung einen vorbestimmten Wert erreicht, zOBo bei Beginn der Rißbildung, wobei der Schaltkreis Vorrichtungen enthalten kann, die die Anzahl der Zyklen von Beginn- des Versuches an anzeigt.
• Mit einer solchen Vorrichtung wird die Registriervorrichtung nur während der der Entwicklung der Rißbildung entsprechenden Phase der Prüfung betätigt. Hierdurch wird bei langdauernden Prüfungen mit geringer Belastung eine unnötige Papierverschwendung und die Anhäufung von platzraubendem Registriermaterial vermieden, von dem nur ein kleiner Teil die interessanten Informationen enthalt Es kann auch -ein Schaltkreis vorgesehen sein, mit dem der akustische Verlust im Prüfteil festgestellt wird, z.B. durch Messung der Änderungen der vom Wandler aufgenommenen elektrischen Energie.
• Ein weiterer möglicher Zusatz ist eine Vorrichtung, bei der eine statische Belastung verwendet werden kann, wobei die Vorrichtung aus einem Kolben von halber Wellenlänge besteht, dessen eine stirnseite am freien Ende-des Prüfteils befestigt und dessen andere Stirnseite frei ist, wobei die statische Belastung in der Knotenebene angreifen soll.
• Schließlich kann z.B. an der Stelle der maximalen Belastung ein Thermometer vorgesehen sein, wobei die Temperatur durch Infrarot-Strahlen gemessen wird.

Claims (3)

1. Patentansprüche

   lo Prüfvorrichtung für Materialermüdung, mit einem Utraschallgenerator und einem Ultraschallvendichtungs- und Übertragungsstück (Horn), g e k e n n z e i zu c h n e t durch eine Rückführungseinrichtung zum Einstellen der Generatorfrequenz auf die Eigenfrequenz der Längsvibration des zu prüfenden Teils, und durch eine Registriervorrichtung für den zeitlichen Verlauf der Frequenz.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, g e k e n n z e X c h n e t durch eine Regelschleife zum Konstanthalten der Amplitude des Generators und durch eine Meßeinrichtung für die amplitude.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Regelschleife einen Schwingungsfühler umfaßt, der an das eine Ende des zu prüfenden Teils angekoppelt ist.