DE2030953C - Werkstuckprufeinnchtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Werkstückprüfeinrichtung. bei der ein Schall-Wandler in cct öffnung eines Gehäuses montiert und über eine: Membran an das zu prüfende Werkstück koppelbar ist.

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 Unstetigkeit ^o etwa mittels eines Oszilloskops darstellen lassen. Aus den Reflexionen von den Rück- und Vorderflächen des Werkstücks laßt sich ferner dir Werkstückdicke bestimmen.

Bei derartigen Geräten ist zwischen der Untersuchungseinheit und dem Werkstück ein Kopplungsmedium erforderlich, 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 ordnungsgemäßen Betrieb der bekannten Einrichtungen zur zerstörungsfreien Werkstückprüfung in der Regel nötig ist. Im allgemeinen werden dazu die Übertrager, die Untersuchungseiniieiten und die zu prüfenden Werkstücke in einen mit Wasser gefüllten Tank eingetaucht. Bei anderen Geräten werden die SchallwelFen über einen kontinuierlichen Wasserstrahl in das Werkstück eingekoppelt. 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.

Demeecenüber befaßt sich die Erfindung mit einer Werkstückpriifeinrichtung. 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 1 Κ) und 111, ist zwar ein Gerät bekannt, bei dem in bestimmten Fällen auch e^:ne 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 seiner Benutzung umständlich w^;rd.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1005 758 ist eine Werks'.ückprtifeinrichtung der eingangs bezeichneten Art bekannt, bei der ein Kristallwandler 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 !n der bekannter. Materialprüfeinrichtung nicht verwendbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schall-Werkstückprüfeinrichtung derart zu gestalten, daß auch Kristalle verwendbar sind, die vorzugsweise im Radialmodus schwingen. Frfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Membran Teil eines in der Gehäuseftffnung 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-Achwingungen des Wandlers in Axialmodus-Schwingungen des Membranteils überführt werden.

Bei der erfir.dungsgemäßen Werkstückprüfeinrichlung ist also einerseits keinerlei flüssiges oder sonstiges Kopplungsmedium zwischen dem Wandler und dem Werkstück erforderlich: andererseits ist der Wandler nicht auf die das Material durchsetzende Ultraschallenergie angewiesen, sundern 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,

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

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

F i g. 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 t 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 F i g. 1 umfaßt das zerstörungsfrei arbei-

!ende Prufinsirument IO 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 Untersuchungseinheit 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 Schwingungen ein ähnliches elektrisches Signal erzeugt wird. Dieses elektrische Signal wird einem Empfänger 18 zugeführt, der seinerseits an einen Vertikal-Abienkgenerator 20 angeschlossen ist; über diesen wird das Signal den Vertikal-Ablenkplatten einer Kathodenstrahlröhre 22 zugeführt. Der Sender 12 wird von cT.em Impulsgenerator 24 angesteuert, der außerdem inen Honzontal-Ablenkgenerator 26 aussteuert, der seinerseits mit den Horizontal-Ablenkplatten der Karl:, 'denstrahlröhre 22 verbunden ist.

Die Ergebnisse des von dem hmpfanger 18 und ι τ, Horizontal-Ablenke eraior 26 empfangenen Sinais werden in einem Schirmbild 28 auf dem SJiirrr. der Kathodenstrahlröhre 22 sichtbar gereicht. Der Bildschirm de^c Osz:lloskopen 22 »ibt die empfangene Energie in Form von Nadeln des Initialirrsrulses wieder. Außerdem werden Nadeln dargeiL.llt. die Fehler und Reflexionen von dem untersuchten Material anzc'gen. Die Rückkehrzeir Η<τ Nadeln steht im Verhältnis zur Dicke des untersuchten Materials. Eine räumliche Verschiebuni; in der Rückkehrzeit des von dem Empfänger aufgenomme- :un Signals zeigt an. daß in dem Material ein Riß 11er Fehler vorhanden ist.

In F i g. 2 und 3 ist eine Untersuchungscinheit 14 gezeigt, die ein Gestell oder einen Trager iÖ2 mit ,•inem Paar von Kontaktstücken 104 und !06 umrißt. 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 Werk-M: ck 32 Der Träger 102 hält die Kontaktstücke 104 '.;..d 106 in festem Abstand voneinander

In F ig. 4 und 5 ist ein typisches Kontaktstück 104 mit einem Gehäuse 112 gezeigt, das aus verhältnismäßig dichtem Material wie Messing u. dgl. bestehen kann und das auf einer Seite eine öffnung 1!4 und au; der anderen Seite eine Öffnung 116 aufweist. Zwischen den öffnungen 114 und 116 ist ein '.oc'i 118 zum Hindurchführen von Leitungsdrähten 119 gebohrt. In der öffnung 116 ist ein Eiinsatz 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 Festigkeitscigenschaften. Die Dichte des Materials tür den Einsatz 120 kann insofern von Wichtigkeit sein, als die Schwingfrequenz des Membranteils 124 umso niedriger ist, je schwerer die Masse ist.

An dem Absatz 126 des Einsatzes 120 ist gemäß F i g. 5 ein piezoelektrischer Kristall 130, der zylindrische Form haben kann, dicht befestigt. Der als Wandler arbeitende Kristall 130 ist mit den Drähten 119 verbunden, über die der bender 12 der F ι l.· ■ die elektrischen Impulse in den Kristall 130 schickt, der entsprechende mechanische Schwingungen verursacht. Bekanntlich führer die meisten piezoelektrisehen 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 ίο 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 Memhranteüs 124 ragt ein Gewindeelement, etwa e- .-.· Schraube 132. hervor, auf die ein Kontaktelement I % aufgeschraubt ist. Da^ Kontaktelement 136 kann eine zylindrische Form haben, die in eine etwas abgerundet Spitze übergeht. Die von dem Kristall 130 erzeugte Schwingbewegung wird dabe über den Membranteil 124 auf das Kontaktelement 136 übertragen.

Wie in F i e. 2 gezeigt, stehen die Komaktelemcnte 136 der beiden Kontalastüekc 104 und 106 in körperlicher Verbindung mit der Vordcrflikhe des Werkstücks 32. Bei der praktischen Ausfiihrungsform kann das Kontaktstück 104 den SendewanJki und das Kontaktstück 106 den Empfangswjiuilet enthalten, wobei das Kontaktstück 104 über das Kabel 108 mit dem Sender 12 und das Kontaktstück 1 Oft mit dem Empfänger 18 verbunden ist. Beim Betrieb wird das Werkstück 32 durch das Kontaktstück 104 in Schwingungen versetzt, wodurch es die in F 1 g. f> gezeigten körperlichen Verzerrungen annimmt. Zur Darstellung dieser körperlichen Bewegung oder Schwingung ist das Werkstück in F ig. 6 in übertriebener Form dargestellt. Sind m dem Werkstück 32 keine Riss..·. Fehler oder sonstig, l'nstctigkeiten vorhanden, so e^rgibt das von dem Empfangs-Kontaktstiick 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 r* beispielsweise in Form eines Bläschens 138 dargestellt ist. so nimm! die körperliche Schwingung 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 Fehler·, zu einem späteren oder einem früheren Zeitpunkt empfängt. Dies beeinflußt in der oben beschriebenen Weise die elektronische Schaltung indem das Empfangssignal zu verschiedenen Zeiten empfangen und dies \on der Kathodenstrahlröhre direkt wiedergegeben wird.

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

tier Fall ist. Die vorliegende besondere Untcrsuchungseinheit 14 arbeitel 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 zcllenartiger 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 zcllenartiger 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 zellenariigen 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 Untcrsuchungscinhcit 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 Gcwindeelement 132 leicht entfernen und durch ein neues Kontaktelement ersetzen. Dies ist äußerst zweckmäßig, wenn ein Kontaktelcmcnt 136 stark benutzt wird und seine Abrundungen sich abnutzen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Werkstückprüfeinrichtung, 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 Gehauseöffnung (116) befestigten Einsatzes (120) bildet, der einen im Verhältnis zu dem Membranteii (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 i$ überführt werden.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (130) an einen· A^- :M. (126) de. Ringteil eingesetzt ist.

3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 in und 2. gekennzeichnet durch ein mit dem Membran'iil (124) verbundenes Kontaktelement (136). welches die Schwingungen auf das zu piüfende Werkstück übeiträüt.