DE2030953B2 - Werkstueckpruefeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Werkstückprüfeinrichtuüg, bei der ein Schall-Wandler in der Öffnung eines Gehäuses montiert und über eine Membran an das zu prüfende Werkstück koppelbar ibt.

Bei der zerstörungsfreien Werkstückprüfung mit Ultraschall wird der beispielsweise von einem Kristallwandler erzeugte akustische Impuls in das zu untersuchende Werkstück geleitet. Risse, Fehler oder sonstige Unstetigkeiten in dem Werkstück verursachen Reflexionen des Impulses auf das Instrument zurück, an dem sich Ort und Größe der Unstetigkeil etwa mittels eines Oszilloskops darstellen lassen. Aus den Reflexionen von den Rück- und Vorderflächen des Werkstücks läßt sich ferner die Werkstückdicke bestimmen.

Bei derartigen Geräten ist zwischen der Untersuchungseinheit und dem Werkstück ein Kopplungsniedium erforderiich, weil die Ultraschallenergie bei der Übertragung durch Luft stark gedämpft wird. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn mit hoher Frequenz gearbeitet wird, wie es für den ordnungsgemäß?n Betrieb der bekannten Einrichtungen zur zerstörungsfreien Werkstückprüfung in der Regel nötig ist. Im allgemeinen werden dazu die Übertrager, die Untersuchungseinheiien und die zu prüfenden Werkstücke in einen mit Wasser gefüllten Tank eingetaucht. Bei anderen Geräten werden die Schallwellen über einen kontinuierlichen Wasserstrahl in das Werkstück eingekoppclt. Bei wieder anderen Verfahren wird Glyzerin od. dgl. als Kopplungsmittel für die Ultraschallwellen auf der Werkstückoberfläche aufgetragen. Die Verwendung derartiger Kopplungsmedien ist jedoch mit Schwierigkeiten verbunden. Die mit einem Wassertank oder einem Wasserstrahl arbeitenden Geräte sind schwierig und unbequem zu handhaben, während die Glyzerinpasten-Technik nach jeder Untersuchung eine gründliche Reinigung erfordert.

Demgegenüber befaßt sich die Erfindung mit einer Werkstückprüfeinrichtung, bei der der Wandler körperlich an das zu prüfende Werkstück koppelbar ist und die daher auch ohne zusätzliches Kopplungsmedium auskommt.

Aus der Zeitschrift »Feingerätetechnik«, 12. Jahrgang, Heft 3/1963, Seiten 110 und III, ist zwar ein Gerät bekannt, bei dem in bestimmten Fällen auch eine Ultraschallankopplung auf trockenem Wege möglich ist. Zur Erzeugung der dabei erforderlichen hohen Andruckkräfte zwischen Wandler und Werkstück wird jedoch eine Pneumatik-Einrichtung benötigt, wodurch das Gerät aufwendig und in semer Benutzung umständlich wird.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1005 758 ist eine Werkstückprüfehirichtung der eingangs bezeichneten Art bekannt, bei der ein Kristall wandler flach auf die Oberseite einer Membran aufgeklebt ist und die Membran mit ihrer Unterseite an das zu prüfende Werkstück angekoppelt wird. Um mit einer solchen Anordnung ausreichend große mechanische Schwingungen zu erzeugen bzw. die empfangenen mechanischen Schwingungen in genügend große elektrische Schwingungen umzuwandeln, ist ein Kristall erforderlich, der ebenso wie die Membran mechanische Schwingungen in Axialrichtung ausführt. Andere Kristallwandler sind in der bekannten Materialprüfeinrichtung nicht verwen'ibar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schall-Werkstückprüfeinrichtung derart zu gestalten, daß auch Kristalle verwendbar sind, die vorzugsweise im Radialmodus schwingen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Membran Teil eines in der Gehäuseöffnung befestigten Einsatzes bildet, der einen im Verhältnis zu dem Membranteil dickeren, diesen umgebenden Ringteil aufweist, in den der Wandler im Abstand vom Membranteil eingesetzt ist, so daß Radialmodus-Schwingungen des Wandlers in Axialmodus-Schwingungen des Membrantfcils überführt werden.

Bei der erfindungsgemäßen Werkstückprüfeinrichtung ist also einerseits keinerlei flüssiges oder sonstiges Kopplungsmedium zwischen dem Wandler und dem Werkstück erforderiich; andererseits ist der Wandler nicht auf die das Material durchsetzende Ultraschallenergie angewiesen, sondern arbeitet mit den körperlichen Schwingungen des Werkstücks und der Fähigkeit, Änderungen im Schwingungsmodus festzustellen.

Die Erfindung wird in der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels an Hand der Zeichnung erläutert; in der Zeichnung zeigt

Fig. 1 das elektrische Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen zerstörungsfrei arbeitenden Material-Prüfgeräts,

F i g. 2 eine Seitenansicht der in dem Material-Prüfgerät nach F i g. 1 verwendeten Untersuchungseinheit,

Fig. 3 eine Unteransicht der Untersuchungseinheit, gesehen von der Linie 3-3 der F i g. 2 aus,

Fig.4 einen Schnitt durch eine der Wandlereinheiten längs der Linie 4-4 der F i g. 2,

Fig. 5 einen Schnitt durch ein Kontaktstück längs der Linie 5-5 der F i g. 4 und

Fig. 6 eine halbschematische Ansicht der Anordnung von Kontaktstücken auf einem Werkstück, wobei die körperlichen Schwingungen des Werkstücks in übertriebener Form dargestellt sind.

Gemäß Fig. 1 umfaßt das zerstörungsfrei arbei-

tende P ruf instrument 10 einen Sender 12, der eine Folge intermittierend auftretender Impulse erzeugt. Der Sender 12 ist mit einer Untersuchungseinheit 14 verbunden, wobei die von dem Sender 12 ausgesandten Impulse einen Wandler in der Untersuchungsoin- heit 14 erregen.

Die durch diese Impulse hervorgerufenen Schwingungen werden durch ein Werkstück 32 hindurch von einem weiteren Wandler in der Untersuchungseinheit 14 empfangen, wobei aus diesen Schwingun- gen ein ähnliches elektrisches Signal erzeugt wird. Dieses elektrische Signal wird einem Empfänger 18 zugeführt, der seinerseits an einen Vertikal-Ablenkgenerator 20 angeschlossen ist; über diesen wird das Signal den Vertikal-Ablenkplatten einer Kathodenstrahl röhre 22 zugeführt. Der Sender 12 wird von einem Impulsgenerator 24 angesteuert, der außerdem einen Horizontal-Ablenkgenerator 26 aussteuert, der seinerseits mit den Horizontal-Ablenkplatten der Kathodenstrahlröhre 22 verbunden ist.

Die Ergebnisse des von dem Empfänger 18 und dem 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 von Nadeln des Initialimpulses wieder. Außerdem werden Nadeln dargestellt, die Fehler und Reflexionen von dem untersuchten Material anzeigen. Die Rückkehrzeit der Nadeln steht im Verhältnis zur Dicke des untersuchten Materials. Eine räumliche Verschiebung in der Rückkehrzeit des von dem Empfänger aufgenommenen Signals zeigt an, daß in dem Material ein Riß oder Fehler vorhanden ist.

In Fig. 2 und 3 ist eine Untersuchungseinheit 14 gezeigt, die ein Gestell oder einen Träger 102 mit einem Paar von Kontaktstücken 104 und 106 umfaßt. Durch den Träger 102 hindurch führt ein Kabel 108 an die Untersuchungseinheit 14, das mit den Kontaktstücken 104 und 106 verbunden ist. Die Kontaktstücke 104 und 106 der Untersuchungseinheit stehen in körperlicher Berührung mit dem Werkstück 11. Der Träger 102 hält die Kontaktstücke 104 und 106 in festem Abstand voneinander.

In Fig. 4 und 5 ist ein typisches Kontaktstück 104 mit einem Gehäuse 112 gezeigt, das aus verhältnismäßig dichtem Mau-rial wie Messing u. dgl. 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 zum Hindurchführen von Leitungsdrähten 119 gebohrt. In der Öffnung 116 ist ein Einsatz 120 dicht befestigt, der an den Zonen 122 in Fig.4 durch ein Epoxyharz befestigt sein kann.

Der Einsatz 120 weist einen mittleren Membranteil 124 auf, wobei der Einsatz in dieser Zone verhältnismäßig dünn ist. Um den Rand des Membranteils 124 weist der Einsatz 120 einen Absatz 126 auf. Um beste Ergebnisse zu erzielen, besteht der Einsatz 120 aus Plexiglas od. dgl. oder einem Material mit guten Festigkeitseigenschaften. Die Dichte des Materials für den Einsatz 1120 kann insofern von Wichtigkeit sein, a!:. die Srhwingfrequenz des Membranteils 124 umso niedriger ist, je schwerer die Masse ist.

An dem Absatz 126 der Einsatzes 120 ist gemäß Fig. 5 ein piezoci''/.Irischer Kristall 130, der zylindrische Form haben kann, dicht befestigt. Der als Wandler arbeitende Kristall 130 ist mit den Drähten 119 verbunden, über die der Sender 12 der F i g. 1 die elektrischen Impulse in den Kristall 130 schickt, der entsprechende mechanische Schwingungen verursacht. Bekanntlich führen die meisten piezoelektrischen Kristalle Dickenschwingungen aus. In einigen Fällen kann jedoch das Material für den Kristall 130 von dem Typ gewählt sein, der Radialschwingungen ausführt. Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf diesen Materialtyp. Werden nun Impulse von dem Sender 12 über die Drähte 119 dem Kristall 130 zugeführt, so schwingt dieser im Radialmodus. Dies hat seinerseits zur Folge, daß die Membran 124 auf Grund der Tatsache, daß der Kristall 130 fest an dem Einsatz 120 angebracht ist, Axialschwingungen ausführt. Die mechanische Bewegung wird dabei über den Einsatz 120 übertragen, der den Membranteil 124 in Schwingungen versetzt.

Vom Zentrum des Membranteils 124 ragt ein Gewindeelement, etwa eine Sc' aube 132, hervor, auf die ein Kontaktelement 136 aufgeschraubt ist. Das Kontaktelement 136 kann eine zylindrische Form haben, die in eine etwas abgerundete Spitze übergeht. Die von dem Kristall 130 erzeugte Schwingbewegung wild dabei über den Membranteil 124 auf das Kontaktelement 136 übertragen.

Wie in F i g. 2 gezeigt, stehen die Kontaktelemente 136 der beiden Kontaktstücke 104 und 106 in körperliche,-Verbindung mit der Vorderfläche des Werkstücks 32. Bei der praktischen Ausführungsform kann das Kontaktstück 104 aen Sendevandler 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 Kontaktstücl 104 in Schwingungen -ersetzt, wodurch es die in F i g. 6 gezeigten körperlichen Verzerrungen annimmt. Zur Darstellung dieser körperlichen Bewegung oder Schwingung ist das Werkstück in F i g. 6 in übertriebener Form dargestellt. Sind in dem Werkstück 32 keine Risse, Fehler oder sonstige Unstetigkeiten vorhanden, so ergibt das von dem Empfangs-Kop.taktstück 106 aufgenommene Signal ein konstantes Signal in dem Schirmbild 28 der Kathodenstrahlröhre" 22 der Fig. 1. Ist jedoch ein Fehler vorhanden, wie er in F i g. 2 und 6 beispielsweise in Form eines Bläschens 138 dargestellt ist, so nimmt die körperliche Scii-.vingung und damit die körperliche Bewegung des Werkstücks eine unterschiedliche Charakteristik an, die zur Folge hat, daß das Kontaktstück 106 Impulssignale je nach dem Typ des Fehlers zu einem späteren oder einem früheren Zeitpunkt empfängt. Dies beeinflußt in der oben beschriebenen Weise die elektronische Schaltung 10, indem das Empfangssignal zu verschiedenen Zeiten empfangen und dies von der Kathodenstrahlröhre 22 direkt wiedergegeben wird.

Die hier beschriebene Untersuchungseinheit 14 hat einen grundlegenden Vorteil insofern, als sie auf einem praktisch einzigartigen Prinzip arbeitet. Zum einen erübrigt sich ein flüssiges oder sonstiges Kopplungsmittel zwischen den Kontaktstücken 104 und 106 einerseits und dem Werkstück 32 andererseits. Außerdem ist die Arbeitsweise der Koiitaktstückc 104 und 106 nicht ausschließlich davon abhängig, daß die Ultraschal'energie durch das Material auf einen zweiten Wandler reflektiert wird, wie dies zur Zeit bei den Geräten nach dem Stand der Technik

der Fall ist. Die vorliegende besondere Untersuchungseinheit 14 arbeitet ausschließlich mit der körperlichen Schwingung des Werkstücks, wobei sie Änderungen im Schwingungstyp feststellt. Ein Material-Prüfgerät, das auf diesen Prinzipien arbeitet, eignet sich hervorragend zur Verwendung bei Material mit zellenartigcr Struktur, insbesondere Holz- oder Sperrholz-Strukturen. Änderungen in der Dichte, die irgendwelche Veränderungen der körperlichen Schwingungen zur Folge haben, werden dabei auf das Empfangs-Kontaktstück 106 reflektiert.

Ein anderes Beispiel für die Verwendbarkeit des vorliegenden Wandlers besteht in gewissen Materialien mit zellenartiger Struktur von definierten Eigenschaften. Diese Struktureigenschaften umfassen vertikale Strukturränder, die alle in der gleichen Richtung stehen. Gelegentlich will man die genaue Richtung dieser Ränder innerhalb einer zcllenartigen Struktur kennen. Befinden sich die Sende- und Empfangs-Kontaktstücke 104 und 106 in einer ersten mit den Rändern fluchtenden Ausrichtung, so erkennt man in dem Ausgangssignalmuster ein bestimmtes Signal. Wird die Untersuchungscinheit 14 in eine zweite Richtung gebracht, so wird in dem Muster eine Änderung angezeigt. Auf diese Weise läßt sich die Richtung der Ränder innerhalb einer zellenartigen Struktur leicht bestimmen.

Das Kontaktelement 136 läßt sich von dem Gewindeelement 132 leicht entfernen und durch eir neues Kontaktclement ersetzen. Dies ist äußers zweckmäßig, wenn ein Kontaktelement 136 stark be nutzt wird und seine Abrundungen sich abnutzen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Werkstückprüf einrichtung, bei der ein Schall-Wandler in der öffnung eines Gehäuses montiert und über eine Membran an das zu prüfende Werkstück koppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (124) Teil eines

in der Gehäuseöf&i'iag (116) befestigten Einsatzes (120) bildet, der einen im Verhältnis zu dem Membranteil (124) dickeren, diesen umgebenden Ringteil aufweist, in den der Wandler (130) im Abstand vom Membranteil (124) eingesetzt ist, so daß Radialmodus-Schwingungen des Wandlers in Axialmodus-Schwingungen des Membranteils überführt werden.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (130) an einem Absatz (12*j, des Ringteil eingesetzt ist.

3. Einrichtung nach einem der Ansprüche I und 2, gekennzeichnet durch ein mit dem Membrantei! (124) verbundenes Kontaktelement (136), welches die Schwingungen auf das zu prüfende Werkstück überträgt.

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