DE2030953A1 - Material Prüfgerät - Google Patents

Description

Dr. O. Dittaiifl* .".L, Schiff D.. A. ν. Föner Dipl. Iijg. P. Strahl 8 München 90, MariaW.f platz 2&3, Telefon 454040

Automation Industries, Ine, 23-Juni-197O Unsere Akte DA-K582 (A-720} PS/KLS/*i

Material-Prüfgerät Priorität: 24. Juni 1969 USA« 836 002

Die Erfindung bezieht sich auf zerstörungsfrei arbeitende Ultraschall-Prüfgeräte und betrifft insbesondere eine Punktkontakt-Untersuchungseinheit, die das Ultraschallprüfgerät mit dem Werkstück oder dergleichen akustisch koppelt·

Bekannt ist eine zerstörungsfrei arbeitende elektrische Prüfeinrichtung, die Ultraschal!schwingungen unter Verwendung von Kristallwandlern erzeugt. Die Schwin- g gungen für den Wandler «erden dann in Form eines akustischen Xmpulsetrahls in das zu untersuchende Werkstück geschickt. Der Strahl durchsetzt grosse Metallteile ungehindert und wird an deren Sndflachen reflektiert. Risse, Fehler oder sonstige Unstetigkeiten in dem Werkstück verursachen ebenfalls RefIe χionen des akustischen Strahls auf das Instrument zurück, das Ort und Gross· der Unstetigkeit auf einem SichtgerSt, etwa einem Oszilloskop,

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darstellt. Die Schwingungaimpula· werden dabei von der Untersuchungeeinheit in das Werkstück geleitet. Ein Teil der Impulse wird durch den gegebenenfalls vorhandenen Riss oder Fehler und der Rest von den Endflächen reflektiert. Die rücklauf ende Bnergie wird auf dem Ossilloskop als vertikale Nadeln sichtbar gemacht. Dar Bildschirm des Ossilloskops stellt elektrische Wellenformen in Vorn von Nadeln des Initialiopulses, des Fehlers sowie der Reflexionen an den Rück- und Vorderflachen dar. Die rSumliche Verteilung der Radeln auf dem Schirmbild steht im Verhältnis zu der Entfernung* die der Strahl in dem untersuchten Material zurücklegt, wobei die Lage etwa eines Risses durch in usiregelmtissigen, Abständen auftretenden Nadeln lokalisiert wird. -. - .

Bin solches Prüfgerät dient ferner dazu, die Dicke des Werkstücks an Haac3 dar regolraäsoig auftretenden Nadeln dar von den Rück-» und Vorderflächen 2urückk«hren« den Impulse zu bestimmen. Sine etwa auftretende Dickenabweichung liest sich durch die relative Xraderung der auf dem Ossilloakop sichtbar gemachten Nadelnfeststellen. - ' · ' ' '■ «Λ '^s ■ *.?----vj- ■*--■ ''

Bei diesen Geräten nach u®m Stand .der Technik ist.-ν -'-

zwischen der Untersuehungseinteit und den' Werkstück -- ' stets ein Kopplungsmittol'torfottäavlleli-o' wailüdl®. Ultra«·- --' ~ achallenergie bei des? übertragung dttreh dirt· fiteft**üediuei; :

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stark gedampft wird. Die« trifft insbesondere dann zu, wenn auf hoher Frequenz gearbeitet wird« wie es für die ordnungsgemässe Betriebsweise der bekannten zerstörungsfrei arbeitenden Prüfgeräte nötig ist. im all- gemeinen werden dazu die übertrager, die Untersuchungeeinheiten und die zu prüfenden Werkstücke in einen manch- toi mit Wasser gefüllten Tank eingetaucht. Die Untersuchungseinheit ist dann mit den Werkstück über das Wasser-Medium gekoppelt; zur Fehlersuche wird sie über das Werkstück getastet.

Andere Gerste nach dem Stand der Technik arbeiten mit einem Wasserweg «wischen der Untereuchungseinheit und dem Werkstück» wobei ein ständiger Wasserstro« die -.-; Schallwellen in die Werkstücke einkoppelt. Wieder andere Kopplungsarten verwenden Glycerin oder dergleichen« das zuerst auf der Werkstückoberfläche aufgetragen wird. Die Untersuchungseinheit ist dann durch dieses Glycerin-Medium mit dem Werkstück gekoppelt.

SSmtliche erwXhnten Arten der Kopplung zwischen der Untersuchungseinheit und de« Werkstück haben offensichtliche= Nachteile. Die mit einem Wassertank oder einem Wasserweg arbeitenden CEerXte sind schwierig und unbequem zu handhaben, wShrend die Qlycerinpasten-Technik nach jeder Untersuchung eine gründliehe Reinigung erfordert. Die Aufgabe der Erfindung besteht also darin, zu« Aussenden von Schallschwingungen in ein Werkstück

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eine verbesserte Kontakt-Untersuchungseinheit zu schaffen, die kdrperlich mit dem Werkstück gekoppelt ist und ohne verwendung eines dazwischentretenden Kopplungsinitte Ie für die Ultraschallenergie auskommt.

Zur Lösung dieser Aufgabe vermittelt die vorliegende Erfindung ein Ultrasehall-Material-PrüfgerEt mit einer Einrichtung zur Erzeugung und einer Einrichtung zum Empfang von elektrischen Energieimpulsen. Zur Darstellung der von der Empfängereinrichtung aufgenommenen Signale ist ein Sichtgerät vorgesehen. Mit dem zu prüfenden Werkstück lässt sich eine Untersuchungseinheit koppeln, die einen Sende- und einen Empfangswandler umfasst, wobei die beiden Wandler in festem Abstand voneinander in einem Gestell montiert sind. Jeder der beiden Wandler umfasst ein Gehäuse mit einer in einer Seite vorgesehenen öffnung« in der ein Einsatz fest montiert ist. Der Einsatz weist eine verhälfcnismässig dünneren Metnbranteil und verhältnismSssig dickere seitliche Teile auf. An den dickeren Teilen des Einsatzes ist ein piezoelektrischer Kristall befestigt« der bei Beaufschlagung mit von der Empfängereinrichtung aufgenommenen Signalen Schwingungen des Radialtyps ausführt. Am Membranteil des Einsatzes ist ein Kontaktelement befestigt, das in kdrperlicher Berührung mit dem Werkstück gekoppelt ist.

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Die mechanische Bewegung des schwingenden Kontaktöle raentes versetzt das Werkstück in Schwingungen, das dabei räumliche Verzerrungen zeigt» Sind in dem Werkstück keine Risse, Fehler oder sonstige Unstetigkeiten vorhanden, so ergibt das von dem Kontaktelement empfangene Signal ein konstantes Signal auf dem Sichtgerät. Ist jedoch ein Fehler vorhanden, so nimmt die körperliche Schwingung und damit die körperliche Bewegung des Werkstücke eine unterschiedliche Charakteristik an, die dazu führt, dass das Kontaktelement je nach dem Typ des Fehlers zu einem späteren oder einem früheren Zeitpunkt Impulse empfängt. Die bei dieser Ausführungsform vorgesehenen Untersuchungseinheiten haben gegenüber dem Stand der Technik den grundsätzlichen Vorteil, dass sie auf einem praktisch einzigartigen Prinzip arbeiten. Zum einen ist keinerlei flüssiges oder sonstiges Kopplungsmittel zwischen dem Kontaktelement und dem Werkstück erforderlich. Zum anderen sind die Kontaktelemente nicht auf das Material durchsetzende Ultraschallenergie angewiesen, sondern arbeiten ausschlieeslich mit den körperlichen Schwingungen des Werkstücks und der Fähigkeit, Änderungen in dem Schwingungsraodus festzustellen.

Die;se und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben eich aus der nachstehenden detaillierten ^l Beschreibung eines Ausführungebeispiels an Hand der Zeichnung; darin zeigen

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Fig. 1 das elektrische Blockschaltbild eines erfindungsgamässan zerstörungsfrei arbeitenden Material-Prüfgeräts?

Pig» 2 ©ine Seitenansicht der in dem Material-Prüfgerät nach Fig. 1 verwendeten Untersuchungseinheitι

Fig. 3 eine Unteransicht dar Untersuchungseinheit, gesehen von der Linie 3-3 der Fig. 2 aus;

Fig. 4 einen Schnitt durch eine der Wandlereinheiten länge der Linie 4-4 der Flg. 2;

Fig. 5 einen Schnitt durch ©in Kontaktstück längs der Linie 5-5 der Fig. 4; und

Fig. 6 eine halb-seheiaatieehe Ansicht der Anordnung von Kontaktstück©® auf einem Werkstück, wobei die körperlichen Schwingungen des Werkstücks in übertriebener Form, dargestellt sind.

Gemäss Fig. 1 umfasst das zerstörungsfrei arbeitende Prüf instrument 10 «its®« Sender 12, der eine Folge " intermittierend auftretender laptalse; - erzeugt. Oer Sen» '·■ der 12 ~ 1st mit einer ünt€»»iäctoQga®iifihe|.i 14 mstaiden·'. wobei die von dem Sender 12 ausgesaugten Xmp»I©<e einen - ' Wandler in der imtereuchüngseintait 14 erregen« - -'V

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Die durch diese Impulse hervorgerufenen Schwingungen werden durch ein Werkstück 32 hindurch von einem weiteren Wandler in car UntersuchungseinbR.it 14 empfangen, wobei aus diesen Schwingungen ein ähnliches elektrisches Signal erzeugt wird« Dieses elektrische Signal wird einem Empfänger 18 zugeführt, der seinerseits an einen Vertikal^ Ablenkgenerator 20 angeschlossen ist; Ober diesen wird das Signal den Vertikal-Ablenkplatten einer Kathodenstrahlröhre 22 zugeführt· Der Sender 12 wird von einem ä Impulsgenerator 24 angesteuert« der ausserdem einen Horizontal-Äblerikgenerator 26 aussteuert, der seinerseits mit den Horizontal-Ablenkplatten der Kathodenstrahlröhre ?f verbunden ist.

Die Ergebnisse des von dem Empfänger 18 und den Horizontal-Ablenkgenerator 26 empfangenen Signals werden in einem Schirmbild 28 auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre 22 sichtbar gemacht. Der Bildschirm des

Oszilloskopen 22 gibt die empfangene Energie in Form

des

von Nadeln/Eaitialimpulses vieler. Ausserdem werden Nadeln dargestellt, die Fehler und Reflektionen von dem untersuchten Material anzeigen. Die Huckkehrzeit der Nadeln steht im Verhältnis zur Dicke des untersuchten Materials. Sine räumliche verschiebung in der Räckkehrseit des von dem Empfänger aufgenommenen Signals zeigt an, dass in dem Material ein Biss oder Fehler vorhanden ist.

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In Fi.g. 2 χ&\ιά 3 ist eisis Untersueshungseinheit gesaigt«, die «sin Gestell oder ein@n Träger 102 mit einam Paar von Kontaktstücken 304 und 106 umfasst. Durch den TrSgar 102 hindurch führt ein Kabel 108 an dia üRä@rswchtmgseinheit 14, das mit den KontaktstGcken 104 ηηά 1OS verbunden ist. Die Kontaktstüdke 104 und 106 ds.? üntersuchungseinhsit stehen in körperlicher Berührung mit dem Werkstück 32. Der Träger 102 hält die Kontaktstücke 104 und 106 in festem Abstand voneinander.

In Fig« 4 «ßd 5 ist ein typisches Kontaktstück 104 mit einem Gehäuse 112 gezeigt« das aus verhSltnisntässig dichtem Material wie Messing und dergleichen bestehen kann und das auf einer Seite eine Öffnung 114 und auf der anderen Seite eine Öffnung 116 aufweist. , Zwischen den öffnungen 114 und 116 ist ein Loch 118 suoi Hindurchführen von Leitungsdrähten 119 gebohrt. In der Öffnung 116 ist ein Einsatz 120 dicht befestigt* der an den Zo;i@n 122 in Fig. 4 durch ©in Epoxyharz befestigt sein kann.

Der Einsai-s 120 weist einen mittleren Membranteil 124 auf, wobei der Einsatz in dieser Zone 124 verhSltnienSssig dünn ist. XSm den Rand der Membran 124 weist der Einsatz 120 ©inen abgesetzten Teil 126 auf. Um beet« Er-

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: gebnisse zn erzielen, bosfcöht der Einsatz 120 aus Plexiglas ocksar dergleichen* oder-einem Material mit crat<en Fe&fcigkaitsaigenschaften. Di® Dichte des Ma-: . tsrials für das?. Einsatz 120 kann insofern von Wichtiglseit: &®in_e als die Schwingfröqu-ans der Membran- ■■-zone 124 «nisis niedriger ist, je schwerer.die Masse ist» .' " " ■ ■ . . ■

An dem Absata 126 des Einsatzes 120 ist gemäss Pig. 5 ein piesosslektrischer Kristall 130, der zylindrische F®rm haben kann, dicht befestigt. Der Kristall 130 ist mit den Drähten 119 verbunden, über die der Sender IS fer Fig. 1 die elektrischen Impulse in den Kristall 130 schickt und somit mechanische Schwingungen verursacht. Bekanntlich führen die meisten piezo- w

elektrischen Kristalle Dickenechwingungen aus. In einigen Fällen kann j®doch das Material für den Wandler von dem Typ gewählt sein, der Radialschwingungen ausfuhrt. Die Erfindung beschränkt sich, jedoch nicht auf diesen Materialtyp» Werden nun Impulse von dem Sender 12 Ober die Drähte 119 dea Wandler 130 zugeführt, so schwingt dieser im Radialmodus. Dies hat seinerseits zur Folge, daes die Membran 124 aufgrund der Tatsache, das« der Wandler 130 fest an dem Einsatz 120 angebracht ist, Axialschwingungen ausführt. Di© mechanische Bewegung wird dabai über den Einsatz 120 Übertragen, der die Membranzone 124 in Schwingungen versetzt.

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Vom Zentrum d©r Metnbranzone 124 ragt ein Gewindeelentönt, etwa eins Schraube 132, hervor, auf die ein Kontaktelament 136 aufgeschraubt ist. Das Kontaktelement 136 kann eine zylindrische Form haban, die in eine etwas abgerundete Spitze übergeht. Die von dem Wandler 130 erzeugte Schwingbewegung wird dabei über die Membran 124 auf das Kontaktelement 136 übertragen.

Wie in Fig. 2 gezeigt, stehen die Kontaktelernente 106 der beiden Kontaktstücke 104 und 106 in körperlicher Verbindung mit der Vorderfläche des Werkstücks 32. Bei der praktischen AuafUhrungsform kann das Kontaktstück 104 den Sendewandler und das Kontaktstück 106 den Empfangswandler enthalten, wobei das Kontaktstück 104 Über das Kabel 108 mit dem Sender 12 und das Kontaktstück 106 mit dem Empfänger 18 verbunden ist.

Beim Betrieb wird das Werkstück 32 durch das Kontaktstück 104 in Schwingungen versetzt, wodurch es die in Fig. 6 gezeigten körperlichen Verzerrungen annimmt. Zur Darstellung dieser körperlichen Bewegung oder Schwingung ist das Werkstück in Fig. 6 in übertriebener Form dargestellt. Sind in dem Werkstück 32 keine Risse, Fehler oder sonstige Unstetigkeiten vorhanden, so ergibt das von dem Empfanga-Kontaktstück 106 aufgenommene Signal ein konstantes Signal in dem Schirmbild 28 der

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22 der Fig» 1. Ist jedoch ein Fehler vorhandene wie ear in Pig.- 2 und 6 beispielsweise in Form eines Bläsciians 138 dargestelt ist, so nimmt die körperlich® Schwingimg «nd damit die körperliche Bewegung des Werkstücks ein® unterschiedliche Charakteristik an, die zur Folge hafc_c dass das Kontaktstück 106 Impulssignale je nach dem Typ des Fehlere zu einem späteren oder einem früheren Zeitpunkt empfängt. Dies bsainflusst in der oben beschriebenen Welse die elektronisch« Schaltung 10, in dem das Empfangesignal zu verschiedenem Seiten empfangen ^

und dies von der Kathodenstrahlröhre 22 direkt wiedergegeben wirdc

Die hier beschrieben© Untersuchtsngseinheit 14 hat einen grrmdU©g©riden vorteil insofern,, al« sie auf einem praktisch ®irasigartigen Prinzip arbeitet« Zum einen erübrigt sieh «sin flüssiges odor sonstiges Kupplungsmittel zwischen den Kot&taktstficken 104 und 106 einerseits und dem Werkstück 32 andererseits. Ausserd©m ist die Arbeite- ä weise der Koßtaktetücke 104 und 106 rdcht ausschließlich davon abhängig, dass die UItraachallanargie durch das Material auf ®in<an zweiten Wandler reflektiert wird, wie dies zur Zeit bei den Geräten nach dem Stand der Tech» nik der Fall ist. Die vorliegende besondere Untersuchungseinheit 14 arbeitet ausschliesslich mit derkörperliehen Schwingung des Werkstücks, wohai sie Steuerungen ins

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Schwingungstyp feststellt. Bin Material-Prüfgerät, da* auf diesen Pffiasipien arbeitet, signst sich hervorragend zur Verwendung bsi Material mit ssllesiarfciger Struktur, insbesondere HoIs- oder Sperrholz-Strukturen. änderungen in der Dichte, die irgendwelche Veränderungen dar körperlichen Schwingungen zur Folge haben,, verden dabei auf das Baipfangs~Kontaktstück 106 reflektiert.

Bin anderes Beispiel für die Verwendbarkeit doe vorliegenden Wandlers besteht in gewiesen Materialien mit zellenartiger Struktur von definierten Eigenschaften. Diese Struktureigenschaften umfassen vertikale Strukturrlnder, die alle in der gleichen Richtung stehen. Gelegentlich will man die genau Richtung dieser RSndur innerhalb einer zslltxiartigen Struktur kennen. Befinden sich die Sende- und !impf angs-Kontaktetucke 104 und 106 in einer ersten mit clan Rändern fluchtenden Ausrichtung, so erkennt man in den Aitsgangssignalraueter ein bestimmtes Signal. Wird die Untersuchungaeinheit 14 in eine zweite Richtung gebracht, so wird in dem Muster e:.ne Änderung angezeigt. Auf diese Weise lässt sich die Richtung der Ränder innerhalb einer zellenartigen Struktur leicht bestimmen·

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Das Kontäktölement 136 läset eich von dem Gewinde« element 132 leicht entfernen und durch ein neues Kontaktelement ersetzen· Dies ist äueseret zweckmässig, wenn ein Kontakt« leti&nt 136 stark benutzt wird und seine Abrundungen sich abnutzen·

Ansj rüche

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Claims (5)

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1. Untersuchungseinheit, gekennzeichnet durch ein GehSus© (112) mit einer am einen Ende vorgesehenen öffnung (16), in der ein Sinsats (120) mit «inest Membranteil (124) befestigt ist, wobei mit dem Einsatz ein Wandler (130) in Verbindung steht.

2. Einheit nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein mit dem Membranteil (124) des Einsatzes (120) verbundenes Kontaktelement (136).

3· Einheit nach Anspruch 1« dadurch gek e η η - ζ eich net« dass der Wandler C130) ein piezoelektrischer Kristall ist«

4. Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Prüfung eines Werkstücks« dadurch gekennzeichnet, dass ein Paar von Gehäusen (112) mit jeweils einem Einsatz (120) mit einem Mambranteil (124) und einem Wandler (130) in Abstand voneinander auf einem Träger (102) montiert ist.

5. Einheit nach einem der vortargeheitden Anspruch·« dadurch gekennzeichnet, jiass der Sineats (120) einen relativ dünneren NMbranteil (124) und relativ dickere Seitenteile (126) umfasst «xßä des Wandler (130) an den dickeren Seitenteil« befestigt isfe»

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Zerstörungsfrei arbeitendes Material-PrüfgerSt zur Untersuchung von Werkstücken mit einer Untersuchungsein» he it nach ©ineia der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (12) zur Erzeugung und: eine Einrichtung (18) zum Empfang elek- , trischer Bnergieirapulse sowie ein mit der Empfangseinrichtung gekoppeltes Sichtgerät (22) zur Anzeige der empfangenen Signale. |

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L e e r s e i t