-
Verfahren zur zerstörungsfreien Materialprüfung mittels holographischer
Interferometrie.
-
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur zerstörungsfreien
Materialprüfung mittels holographischer Interferometrie.
-
Es ist beispielsweise durch Karl Gürs, Laser, Grundlagen, Eigenschaften
und Anwendungen in-Wissenschaft und Technik", Umschau Verlag, Frankfurt am Main,
1970, bekannt, die sogenannte holographische Interferometrie zur Materialprüfung
anzuwenden, indem geringe unter Belastung des zu prüfenden Objektes erfolgende Veränderungen
sichtbar gemacht werden. Zu diesem Zweck werden die vom Objekt im unbelasteten und
belasteten Zustand reflektierten Lichtwellen nach Amplituden- und Phasenverteilung
auf einer Fotoplatte holographisch aufgezeichnet. Dabei werden die räumliche Anordnung
des Objektes - abgesehen vorder Deformation infolge Belastung - und der Fotoplatte
nicht geändert. Die sosrhaltenen beiden Hologramme des Objektes ergeben nach der
Rekonstruktion der vom Objekt reflektierten Wellenfelder zwei Bilder, die wegen
der geringfUgigen änderungen nicht voreinnnder tuiterscheidbar sind, deren gegenseitige
Interferenz aber zu einem deutlich sichtbaren Interferenzlinienmuster führt, das
dem Objektbild überlagert ist. Dichte und Verlauf der Interferenzlinien, die eine
Art Höhenlinien darstellen, hängen von der Zustandsänderung bzw. räumlichen Verschiebung
des Objektes ab und lassen so dessen Deformation leicht erkennen.
-
Laminate aus mit Faden, Fasern, Rovings, Bändern od. dgl. verstärkten
Kunststoffen werden vielfach für Druckbehälter wie Reaktionsgefäße, Treibstofftanks,
Rohrleitungen od. dgl. eingesetzt. Beispielsweise kann es sich dabei um Glas-, Asbest-,
Stahl-, Graphit-,( Bor-, Textil-, Nylon- oder Perlonfäden, -fasern, -rovings, -bänder
od. dgl. handeln, die in duro- oder
thermoplastischen Kunststoffen
wie etwa Epoxydharz, Polyesterharz Polyvinylchlorid oder Polyäthylen eingebracht
werden. Je nach den speziellen Festigkeitsanforderungen an die Laminate kann dabei
vorgesehen sein, diese Verstärkungseinlagen gerichtet anzuordnen, z.B. in Quer-
oder Längsrichtug des Laminats sich erstreckend oder auch unter einem bestimmten
Winkel in wenigstens zwei Lagen sich kreuzend. Im Hinblick auf das günstige Verhältnis
zwischen Gewicht und Festigkeitseigenschaften dieser Laminate werden sie in starkem
Maße in der Raketentechnik beispielsweise für das Brennkammergehäuse der Triebwerke
angewandt. Da dabei gewährleistet sein muß, daß das Brennkammergehäuse den beim
Abbrand des Treibstoffs auftretenden mechanischen und thermischen Belastungen standhält,
ist es üblich, derartige Bauteile einer zerstörungsEreien Materialprüfung etwa mittels
Ultraschall zu unterziehen.
-
Wie nun erkannt wurde, genügt es aber insbesondere bei Raketenbrennkammern
nicht, daß sie sich unter Belastung beim Abbrand nur nichtzerlegen, sondern es ist
darüber hinaus zu fordern, daß sie auch möglichst gleichmäßig deformiert werden,
um eine eventuelle ungleiche Gewichtsverlagerung und dadurch -bedingte Beeinträchtigung
des Flugverhaltens und der Zielgenaugigkeit der Rakete möglichst gering zu halten.
Die bisher angewandten Verfahren zur zerstörungsfreien Materialprüfung sind jedoch
zu ungenau, als daß sie über das Deformationsverhalten eine auch nur annähernd zuverlässige
Aussage erlauben würden.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Mangel zu beseitigen.
Wie gefunden wurde, läßt sich dem in vorteilhafter Weise dadurch abhelfen, daß erfindungsgemäß
das bekannte Verfahren zur zerstörungsfreien Materialprüfung mittels holographischer
Interferometrie bei Laminaten aus mit Fasern, Fäden, Rovings, Bändern od dgl. verstärkten
Kunststoffen für Druckbehälter, insbesondere für Brennkammer-Rohre von Raktentriebwerken,
angewandt wird. Damit ist es in einfacher Weise möglich, zuverlässige und dennoch
äußerst präzise Angaben nicht nur über die Festigkeit der jeweiligen Laminate, sondern
auch über deren Defornatioiisverhalten
zu erhalten, so daß bei
einer fortlaufenden Kontrolle der Produktion die ein ungünstiges Dehnungsverhalten
aufweisenden Laminate zuverlässig ausgesondert werden können.
-
Die erfindungsgemäße Anwendung der holographischen Interferometrie
ist in der Zeichnung in einem Ausführungsbeispiel gezeigt und wird anhand dieses
nachstehend noch näher erläutert.
-
Es zeigen Fig. 1 eine schematische Darstellung der Prüfanordnung und
Fig. 2 ein Interferenzlinienmuster eines unter geringem inneren Überdruck verformten
Brennkammer-Rohres.
-
Gemäß Fig. 1 wird als räumlich und zeitlich kohärente Lichtquelle
ein Laser 1 benutzt, dessen Strahlenbündel 2 mittels des halbdurchlässigen Spiegels
3 in zwei Teilbündel, den Referenzstrahl 4 und den Objektstrahl 5 aufgespalten wird.
Der Referenzstrahl 4 beleuchtet riach Strahlaufweitung mittels Linse 6 und Lochblende
7 sowie Reflektion am Spiegel 8 direkt die Fotoplatte 9, während der Objektstrahl
5 nach Reflektion am Spiegel 10 und Aufweitung mittels Linse 11 und Lochblende 12
auf das zu prüfende Objekt 13, hier ein Brennkammer-Rohr aus glasfaserverstärktem
Kunststoff, trifft. Vom Objekt 13 wird die einfallende Strahlung diffus reflektiert,
so daß ein Teil dieser Strahlen in nicht gezeigter Weise auch auf die Fotoplatte
9 trifft und dort durch Interferenz mit der Referenzstrahlung das Hologramm erzeugt.
Nachdem das Brennkammer-Rohr im unbelasteten Zustand holographiert worden ist, wird
es durch inneren Uberdruck geringfügig aufgeweitet und in gleicher Weise nochmals
auf dieselbe Fotoplatte 9 holographiert. Zur Erzeugung des Innendrucks ist das Brennkammer-Rohr
an seinen Stirnenden mit besonderen nicht gezeigten Einsatzstücken hinreichend dicht
verschlossen und mit seinem Innenraum über die Rohrleitung 14 an den z.B. Druckluft
enthaltenden Behalter 15 ang@schlossen, wobei der jeweils optimale Uberdruck mittels
des Ventils 16 und des Manometers 17 eingestellt wird.
-
Nach dieser Doppelbelichtung wird die Fotoplatte 9 entwickelt, fixiert
und getrocknet. Wird die Fotoplatte 9 dann wieder an ihren ursprünglichen Ort gebracht
und mit dem Referenzstrahl 4 beleuchtet, so erzeugen die beiden Hologramme ein Bild
des Objektes 13, dem ein Interfer@nzlinienmuster - beispielsweise entsprechend Fig.
2 - überlagert und das mittels der iaicia 18 fotografierbar ist.
-
Das in Fig. 2 gezeigte Interferonzlinienmuster wurde von rund einem
Drittel der Oberfläche des Brennkammer-Rohres aufgenommen. Das aus Polyesterharz
mit Glasfaserverstärkung hergestellte zylindrische Rohr wies eine Länge von etwa
1 .200 mm, einen Aussendurchmesser von 109 mm und eine mittlere Wanddicke von 2,7
mm auf und war für einen Berstdruck von etwa 250 atü ausgelegt.
-
Als Lichtquelle wurde ein Argon-Ionen-Laser mit einer Lichtwellenlänge
von 514 nm und einer Lichtleistung von etwa 200 mW benutzt. Für die Aufnahme der
Hologramme wurden von der Firma Agfa Gevaert AG, Leverkusen, unter der Dezeichnung
10E56 vertriebene Fotoplatten benutzt. Die Belichtungsdauer für ein Hologramm betrug
dabei jeweils 5 s.
-
Das Brennkammer-Rohr wurde mit einem Innendruck von o,5 atü aufgeweitet.
Dieser Innendruck wurde so bemessen, daß die einzelnen Interferenzlinien deutlich
erkennbar sind, d.h.
-
hinreichend intensiv und entsprechend dem Auflösungsvermögen der Fotoplatte
9 ausreichend gegeneinander abgegrenzt sind.
-
Infolge dieses sehr niedrigen inneren Überdruckes ist in vorteilhafter
Weise gewährleistet, daß einerseits die sogenannte Knistergrenze mit Sicherheit
nicht überschritten wird. Unter der Knistergrenze versteht man diejee innere Druckbelastung,
bei welcher die bindung zwischen dem Kunststoff und den darin eingebetteten Verstärkungseinlagen
unter Abgabe eines knisternden Geräusches mehr oder weniger zeratört wird, was u.U.
eine Verschlichterung der Eigenschaften des Laminats zur Folge hat.
-
Diese Druckbelastung beträgt im allgemeinen etwa 10 bis 20 atü.
-
Andererseits gewäh@leistet der sehr @@edrige innere Überdruck,
daß
die Aufweitung des Brennkammer-Rohres ausschließlich im elastischen Bareich erfolgt,
so daß nach Druckentlastung kei@e Deformmtionen zurückbleiben. Erst dadurch ist
es möglich, das Brennkammer-rohr nach erfolgter Prüfung von etwa einem Drittel selner
Oberfläche um 120° um seine lüngsachse in die zweite Prüfstellung zu verschswenken,
dortin vorstehend beschriebener Weise bei dem gleichen inneren Überdruck zu prüfen
und anschliessend daran im gleichen Schwenksinne um mochmals 120° in die dritte
und letste Prüfstellung zu verschwenken, Selbstverständlich könnte abveichend hiervon
die Oberfläche des Brennkammer-Rohres auch in eine andere Anzehl von Prüfstrelfen
untertielt werden, sofern sich das im Einzeifall etwa zur Reduzierung des Arbeitsaufwanles
oder zur Erhöhung der Genaulgkeit als zweckmäßig erweisen sollte, Bei dem in Fig.
2 gezeigten Interferenzlinle@muster wurden die in Wirklichkei@ eine unterschledliche
Breite und Dichte aufweisenden Interferenzlinien aus zeichentechnischen Gründen
durch Linlen konstanter Breite und Schwärze dargestellt. Da eine über Umfang und
Länge des Robres gleichmäßige Aufweitung parallele Interferenzlinien bedingt, folgt
aus dem in Fig. 2 gezeigten Verlauf der Interferenzlinien, daß das Rohr im untersuchten
Prüfstreifen unregelmäßig aufgeweitet ist, Es sind drei Bereiche @rkennbar, in denen
das Rohr unterschiedlich stark ausvon gebeult ist, Diese sogenannten @uellgebiete
werden In sich geschlossenen Interferenzlinien dargesteilt, wobei entsprechend dem
Höhenliniencharakter der Interferenzlinien ihre Anzahl ein maß für die Größe der
Ausbeulung ist, während ihr Abstand voneinander ein Anhait für die "Steilheit" der
Ausbenlung ist.
-
Im linken Teil der Fig. 2 sind drei überlagerte Quellgebiete erkennbar,
die insgesamt nur wenig größer als das Im rechien Teil der Figur ausgebildete einfache
Quellgebiet sind, Der gesamte mittlere Teil der Fig. 2 wird von zwei einender überlagerten
au@geprägten Quellgebielen beherrscht.
-
Diese örtlich u@terschiedlichen Ausbeulungen oder Deformalionen
des
Brennkammer-Rohres können durch vielerlei Material- oder Verarbeltungsfehler bedingt
sein. Beispielswelse kann es sich um Lufteinschlüsse oder um eine mangelhafte Bindung
zwischen einer Verstärkungsei@lage und dem Kunststoff handeln, Es ist aber insbesondere
bei größeren Quellgebieten auch möglich, daß die äußeren Verstärkungseinlagen bei
der spangeb@nden Nachb@@rbeitung der Außenfläche des Brennkammer-Rohres lokal zerschnitten
worden sind oder daß eine Verstärkungseinlage gar völlig fehl@. Ob derartige Deformationen
des Br@nnkammer-Rohres für dessen weitere Verwendung noch zulässig sind, ist unter
Berücksichtigung des Verbaltens in den üb@igen Prüfstreifen nach den jeweils besonderen
Erfordernissen des Einzelfalles zu entscheiden.
-
Die holographische Interferometrie gibt also genauen Aufschluß über
eventuelle ungleichmäßige Deformatienen des geprüften Objektes, Sie ermöglicht aber
darüber hinaus mit nur geringem Mehraufwand auch noch eine Bestimmung des Schwingungsverhaltens
des Prüfgegenstandes.