DE2707914A1

DE2707914A1 - Verfahren zur anregung impulsfoermiger ultraschallwellen in der oberflaeche stark licht absorbierender werkstoffe

Info

Publication number: DE2707914A1
Application number: DE19772707914
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl Ing Kaule; Erik Dr Primbsch
Original assignee: Krautkraemer GmbH
Current assignee: Krautkraemer GmbH
Priority date: 1977-02-24
Filing date: 1977-02-24
Publication date: 1978-08-31
Also published as: JPS5745339B2; JPS53134487A; US4121469A

Description

27079U

18. Februar 1977 IG/Rö

K 096

KHAUTKRJiMEH GMBH

5000 Köln 41 - Klettenberg, Luxemburger Straße 449

Verfahren zur Anregung impulsförmiger Ultraachallwellen in der Oberfläche stark Licht absorbierender Werkstoffe.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anregung impulsförmiger Ultraachallwellen in der überfläche stark Licht absorbierender Werkstoffe mit vorbestiminter Ausbreitungsrichtung der Schallwelle, insbesondere zur Anwendung in der zerstörungsfreien Materialprüfung mit Ultraschall ohne körperlichen Kontakt des Lasers mit dem Prüfstück.

In der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit Ultraschall an nicht oder schlecht zugänglichen Prüfstücken, einschließlich solcher mit heißer Oberfläche, ist es notwendig, die Schallwellen, die aus Gründen der Anpassung der Materialimpedanzen aneinander nicht über Gasstrecken in das Prüfstück eingeleitet werden können, direkt in der Oberfläche oder den oberflächennahen Schichten des Prüfstückes zu erzeugen. Diese EnergieWandlung im Prüfstück selbst ist auch bei hohen Relativgeschwindigkeiten zwischen dein Prüfstück und der Prüf-

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anordnung vorteilhaft.

Als Verfahren zur Erzeugung der Ultraschallwelle im Prüfstück selbst sind elektrodynamische bzw. magnetische und thermische Verfahren bekannt. Die thermischen Verfahren verwenden oft Lichtstrahlung, vorzugsweise aus Lasern, als Anregungsenergie· Bei den magnetischen Verfahren ist eine Anregung über größere Entfernungen allgemein nicht möglich. Die Beschränkung liegt gewöhnlich bei Abständen von einigen zehntel Millimetern, Jedoch lassen die thermischen bzw. optischen Verfahren größere Abstände zwischen dem Lichtenergie erzeugenden Teil und der Prüfstückoberfläche zu. Sowohl die magnetischen als auch die thermischen Verfahren sind in dem Buch J. Krautkrämer und H. Krautkrämer, Werkstoffprüfung mit Ultraschall, 3. Auflage 1975, Springer Verlag Berlin/Heidelberg, auf den Seiten 148 bis 151 und 153 bis 162 beschrieben. Bei der Verwendung von gut bündlungsfähigem Laserlicht sind Abstände bis zu einigen Metern möglich.

Ee ist Aufgabe der Erfindung, eine optische Ultraschallanregung über thermische Effekte ohne Berührung mit der Oberfläche des Prüfstückes zu erreichen, wobei die Schallausbreitung im Prüfstück unter einem vorbestimmten (bzw. definierten) Winkel erfolgt.

Erfindungsgemäß wird hierfür vorgeschlagen, daß eine streifenförmige Teilfläche der anzuregenden Fläche auf dem Prüfstück

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durch einen Laserstrahl entsprechenden Strahlenquerschnittes aufbelichtet wird. Die anzuregende Fläche ist der Teil der Prüfstücksoberfläche, in dem die Ultraschallwelle angeregt werden soll. Diese anzuregende Fläche ergibt sich in ihrer geometrischen Form aus den Prüfproblemen. Sie iat allgemein bei der Ultraschallprüfung einige Quadratzentimeter groß. Die streifenförmige Teilfläche, die durch den Laserstrahl gebildet wird, wird quer zu ihrer Längsausdehnung gleichförmig über die anzuregende Fläche bewegt. Die Impulsdauer des Laserstrahls muß gleich seiner Bewegungsdauer sein. Die Bewegungsdauer ergibt sich aus der Ausdehnung der anzuregenden Gesamtfläche in Bewegungsrichtung und der Bewegungsgeschwindigkeit. Die Bewegungsgeschwindigkeit ist abhängig von der Ausbreitungsrichtung der anzuregenden Ultraschallwelle und ihrer Auebreitungsgeschwindigkeit.

Die vom Laserstrahl getroffenen Oberflächenelemente dee Prüfstückes erfahren durch die Absorption der Strahlenenergie eine lokale thermische Ausdehnung, wodurch lokale mechanische Materialspannungen entstehen, die sich elastisch als Schallwelle ausbreiten. Die Eindringtiefe des Laser-Strahls muß vernachlässigbar klein sein gegen die erzeugte Ultraschallwellenlänge und die Dauer dee Laser-Impulses klein gegen die Periodendauer der Ultraschallwelle.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

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'*£ 27079H

Fig. 1 auf der Prüfstückoberfläche die von den aufbelichteten Teilflächen angeregte Fläche,

Fig. 2 daa Gleiche im Querschnitt des Prüfstückes, einschließlich der sich ausbreitenden Ultraschallwelle.

Auf einem Prüfstück 5 aus Stahl mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Longitudinalwelle von 6000 m/s und mit einer Schallgeschwindigkeit für die Oberflächenwelle mit 2987 m/s soll eine Fläche von 2 cm χ 2 cm zur Erzeugung einer Ultraschall-Stoßwelle mit Laserlicht angeregt werden, wobei einmal eine Longitudinalwelle mit der Ausbreitungsrichtung von 45 Grad zur Lotrechten und im anderen Beispiel eine Oberflächenwelle angeregt werden soll.

Der nicht gezeichnete Laser erzeugt zunächst die schmale Teilfläche 2 in Fig. 1, die bei der Bewegung mit der Geschwindigkeit ν in Richtung der Flächenkante 1 mit der Bewegungsdauer t die Fläche 3 auf der Prüfstückoberfläche 4 aufbelichtet. In der Fig. 2 stellt es sich so dar, daß die schmale ijuerschnittsflache des Laserstrahls 2, die hier aus Daratellungsgründen erhaben gezeichnet ist, mit der Geschwindigkeit ν bis in die Endstellung 2a bewegt wird. Dadurch werden kontinuierlich nacheinander sämtliche V/egelemente nach dem bekannten Huygeni sehen Prinzip zur Auasenriung von Elementarwellen angeregt. Die Anregung erfolgt über den bereits beschriebenen lokalen thermischen Ausdehnungsei'fekt. Durch Interferenzen, angedeutet durch

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~*l 27079U

die Kennziffer 6, entsteht nach an sich physikalisch bekannten Prinzipien eine resultierende ebene V/ellenfront 7, die sich in Richtung 8 unter deia Winkel λ, ausbreitet. Die im Bereich 6 gezeichneten Zwischenkreise sollen nicht gleichzeitig vorhandene ,/eilenfronten symbolisieren, sondern stellen die sich zeitlich ausbreitenden l/ellenfronten, also in einem Zeitraster dar, da es sich in diesem Beispiel um eine Ultraschallstoßwelle und nicht um eine Welle aus mehreren Wellenzügen handelt.

Die Bedingungen zwischen den einzelnen Größen ergeben sich aus den an sich bekannten physikalischen Gesetzen. ν ist die Geschwindigkeit des Laseriichtstreifens, c die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwelle, d ist die Länge der Kante 1 in Fig. 1 bzw. der Abstand 2 bis 2a in Pig. 2. t itit die Dauer der 3trahlbewegun,j; des Streifens 2, also

Am i^ndä der Strahlbewegung, wenn alao aia ürregungszentruw 2a gerade die V/ellenfront 7 entsteht, hat diese Wellenfront vom Srregungszentrum 2 den Weg c · t zurückgelegt. Damit wird

c · t = d. alnoC und t = d sinoc

mit v = χ wird ν =

bei vorgegebenem Winkel oc ist ν errechenbar. In unserem Bei-

spiel sollte Ot- = 45⁰ aein. Bei

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d = 2 cm ergibt aich

^{v =} ⁶ * 10³ m/s = 8485 m/s sin 45°

und damit die Impulsdauer (gleich Bewegungsdauer) zu t= 2,4 M. s

Wollte man eine Oberflächenwelle erzeugen, muß oC = weiven, also

ν = 2987 m/s

und t = 6,7 /ve s

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Z Leerseite

Claims

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1β. Februar 1977 IG/Rö

K 096 GMliil

PATENTANJiRUCH

Verfahren zur Anregung iuipulaförmiger Ultraachallwellen in der Überfläche atark Licht abaorbierender V/erkatoffe mit vorbestimuiter Auabreitungarichtung der schallwelle, inabeaondere zur Anwendung in der zoratorungafriiien Katorialprüfung mit Ultraachall ohne Körperlichen Kontakt dee laaera mit dem Prüfet UcJc, gekennzeichnet dadurch, daß eine atreifenförmige Teilflache durch einen Laserstrahl entsprechenden Strahlenquerachnittea erzeugt und alt einer ita tfeeentlichen vom Winkel der vorbeatiiamten Auubreitui^arichtung der Schallwelle und der AuBbreitungagKaohwindigkeit der Schallwelle abhängigen (IeachwindigKeit über die anzuregende Fläche kontinuierlich bewegt wird und von dieser angeregten Fläche durch an bich begehende
kannte thermische Effekte aus- utoiiföriaige Schallwelle, die eich aua der überlagerung von Kleinentarwellen ergibt, empfangen, gemessen und/oder registriert wird.

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ORtQJNAL INSPECTED