DE2709725A1

DE2709725A1 - Verfahren zur thermischen anregung von ultraschallwellen in lichtabsorbierenden oberflaechen von pruefstuecken

Info

Publication number: DE2709725A1
Application number: DE19772709725
Authority: DE
Inventors: Erik Dr Primbsch
Original assignee: Krautkraemer GmbH
Current assignee: Krautkraemer GmbH
Priority date: 1977-03-05
Filing date: 1977-03-05
Publication date: 1978-09-07
Also published as: JPS6015021B2; JPS53110589A; US4137778A

Description

25.2.1977 IG/Ilg K 099

KRAUTKRJiMBR GmbH.

Luxemburger Str. 449· 5000 Köln 41 - Klettenberg·

VERFAHREN ZUR THERMISCHEN ANREGUNG VON ULTRA SCHALLWELLEN IV LICHTABSORBIERENDEN OBERFLÄCHEN TON PRÜFSTÜCKEN.

Sie Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Anregung von Ultraschallwellen in lichtabsorbierenden Oberflächen von Prüfstücken, in deirdurch den an sich bekannten thermischen Effekt durch Absorption von Laserimpulsen Schallwellen zum Zwecke der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung angeregt werden.

Es ist bekannt, durch eine plötzliche Erwärmung eines Oberfläohenanteils der Prüfstückoberfläche Schallschwingungen zu erzeugen (siehe Werkstoffprüfung mit Ultraschall, J. u. H. Krautkrämer, 3. Auflage, Seite 148 bis 149» Springerverlag, Berlin/Heidelberg).

Sie Schwingungsamplitude der thermisch angeregten Ultraschall-

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welle ist abhängig von der absorbierten Energie des Laser-Impulses. Das Frequenzspektrum der Schallwelle wird von der Laserimpulsform bestimmt. In der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit Ultraschall werden diese thermischen Anregungsverfahren benutzt, wenn die Schallwelle nicht über ein Ankoppelmittel in das Prüfstück eingeleitet werden kann· Zur Ortung von üngänzen im Prüfstück muß das Prüfstückvolumen mit begrenzten Schallbündeln, deren Bündelquerschnitt allgemein in der ßrössenordnung von Quadratzentimetern liegt, von der Oberfläche aus abgetastet werden. Benutzt man die kontaktlose Anregung von Schallwellen über die von Laserimpulsen erzeugten thermischen Effekte, bedingen örtlich unterschiedliche AbsorptionsVerhältnisse der Oberfläche des Prüfstückes auch örtlich unterschiedliche Schallschwingungsamplituden·

In der Prüfpraxis sind allerdings die Prüfstücke auf ihrer Oberfläche oft ungleichmäßig verunreinigt. Eine Reinigung der Oberfläche ist aber gerade bei den Prüfstücken, die nach der kontaktlosen Methode geprüft werden sollen wegen der Unzulänglichkeit der Prüfstückoberfläche nicht oder nur schwer möglich. Schwankende Schalldruckamplituden als Folge der ungleiohmäßigenAbsorption der Laser-Impulse erschweren die quantitative Auswertung der Prüfung, weil eine gleichmäßige Schalldruckerzeugung von Anregungsort zu Anregungsort

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Toraussetzung !Ist·

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der berührungslosen Schallanregung mit Laserimpulsen von Anregungsort zu Anregungsort eine gleichbleibende Laserimpulsabsorption zu gewährleisten, so daß konstante Schällanregung über die gesamte Prüfstüekoberflache erhalten werden kann .

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß von einem Laser für jeden SchallanregungsVorgang zwei oder mehr Lichtimpulse auf die zu Schallschwingungen anzuregende Oberfläche eines Prüfstückes aufgestrahlt werden, wobei nur die vom letzten Laserimpuls angeregte Schallwelle für die Ultraschallprüfung benutzt wird, während durch die vorher aufgestrahlten Laserimpulse die Oberflächenvarunreinigungen beseitigt werden. Erfindungsgemäß wird die Erkenntnis ausgenutzt, daß durch die Laserbestrahlung die Fremdschicht verdampft·

Es ist vorteilhaft, die Oberflächenreinigung partiell und unmittelbar vor der Schallanregung vorzunehmen, um NeuVerschmutzungen in der Zeit zwischen der Reinigung und der Schallanregung zu vermeiden und weiter ist es vorteilhaft, denselben Laser sowohl zur Reinigung als auch zur Schallanregung zu verwenden·

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-Λ -

Wird auf eine oxidierte oder verschmutzte Oberfläche eines Metalles Laserlicht aufgestrahlt, so wird je nach dem Absorptionsvermögen der Oberfläche ein Teil der Laserenergie absorbiert, der Rest reflektiert.

Es ist nach Kenntnis der erfindungsgemäßen Überlegung einleuchtend, daß metallisch blanke Flächen stärker reflektieren und weniger absorbieren, als metallisch nicht blanke, also verschmutzte Flächen: Die in der oxidierten oder verschmutzten Oberfläche absorbierte Lichtenergie führt zur örtlichen Erwärmung und schliesslich zum Verdampfen der Fremdschicht· Hierbei ist es vorteilhaft, daß diese Fremdschichten allgemein eine geringere Wärmeleitung und geringere spezifische Wärmekapazität haben als das Grundmaterial. Wird dagegen das metallisch blanke Material von Laserimpulsen gleicher Energie getroffen, tritt keine oder nur eine unwesentliche Verdampfung auf, da wegen des höheren Reflexionsvermögen weniger Energie absorbiert wird, die ausserdem noch wegen der höheren Wärmeleitfähigkeit und der höheren spezifischen Wärmekapazität des Grundmaterials eine wesentlich geringere Erwärmung erzeugt. Es ist also unschädlich, wenn die Laser-Impulsenergie für die Beseitigung der grössten Verunreinigung bzw. Fremdschicht bemessen ist, da die Materialabtragung, sobald die metallisch blanke Oberfläche offenliegt, sich selbst begrenzt.

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Der Ablauf des Verfahrens ist an einem Beispiel verdeutlicht. Es soll z.B. ein Prüfstück mit teilweise oxidierter Oberfläche mit Ultraschall kontaktlos geprüft werden. Die Schallanregung erfolgt durch Laserimpulse und der Schallempfang, dessen Erörterung nicht Gegenstand der Erfindung ist, beispielsweise mit einem an sich bekannten Laufzeit interferometer· Sie Schallwellen sollen mit einem Laserimpuls von ca. 30 ns Dauer angeregt werden. Die Unterschiede der Schalldruckamplituden bei der thermischen Schallanregung im oxidierten Bereich und im metallisch blanken Bereich der Prüfstückoberfläche haben störende Ausmaße ,z.B. sei die Schalldruckamplitude im oxidierten Bereich um 20 dB grosser als im metallisch blanken Bereich des Prüfstückes.

Im Bereich der stärksten Oxidschicht wird durch Versuch ermittelt, wie viele Laserimpulse dem für die Schallerzeugung zu benutzenden Laserimpuls vorangehen müssen, um eine gleiche Schallanregung zu erzeugen, wie in den metallisch blanken Bereichen. Die so gefundene Einstellung bzw. Festlegung der Anzahl der Laserimpulse kann für die Prüfung eines Stückes beibehalten werden. Selbstverständlich wird bei jedes Laserimpuls, auch bei den nur zur Reinigung benutzten, eine Schallwelle angeregt. Es wird

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jedoch nur die Schallwelle zur Prüfung verwendet, die durch den letzten Laserimpuls angeregt wird· Das kann 8.B. dadurch erreicht werden, daß alt der Auslösung dieses Impulses, dessen zeitliche Stellung in der Impulsfolge bekannt ist, die Empfangseinrichtung, ggfs. mit einer durch die Schallaufzeit im Prüfstück gegebenen Yerzögerung, frei- ' gegeben wird· Die hierfür benötigten elektronischen Hilfsmittel sind in der Elektronik an sich bekannt und in verschiedenen Ausführungsformen handelsüblich·

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann,statt der Torgabe einer konstanten Anzahl von Laserimpulsen but Reinigung, die Oberfläche mit einem fotodetektor an derjenigen Stelle wo gereinigt und angeregt wird, kontrolliert werden, wobei der ReinigungsVorgang durch Laserimpulse 4anm abgebrochen wird» : wenn der Signalwert des Fotodetektors einen Soll-Wert erj reicht hat _f der der metallischen Reflektlon entspricht oder : wenn eich die Signalwerte des Fotodetektor zwischen zwei aufeinanderfolgenden Laser impulsen nicht mehr ändern.

' Durch die Reinigung der Oberfläche eines PrüfStückes mit

j Laserstrahlen, vorteilhaft aus dem selbem Laser» der auch

• zur Sohallanregung dient» an den Steilem an denen auoa Al·

J Schallwelle angeregt wird, erreicht man eine glelohatttlfe Laserstrahlabsorption uad Aamlt eine Über dl· Prüfsttiok-

! oberfläche gleichbleibende SchallwelleBanregung. .

-A

Sie Erfindung ist nicht auf die Yerwendung nur eines Lasers eingeschränkt· Is kHnnen auch «stirere Laser verwendet werden, wobei es Torteilhaft ist, für die Reinigung sowie die Sehallanregung getrennte Laser su benutsen. Hierbei soll 1« , ^ Slnselfall der bsw. die Schallanregungslaser «it do« Sapfinger elektrisch gekoppelt sein, d.h. durch ihn wird der Empfänger geöffnet·

Unter eine« Laser wird in dieser Anmeldung, la Einself all, auch ein· Kombination einseiner Laser verstanden·

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Claims

25.2.1977 IG/Ilg K 099 Ansprüche

1.) Verfahren zur thermischen Anregung von Ultraschallwellen in lichtabeorbierenden Oberflächen von Prüfstücken, in denen durch den an sioh bekannten thermischen Effekt durch Absorption von Laserimpulsen Schallwellen zum Zwecke der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung angeregt werden, dadurch gekennzeichnet, daß von einem Laser für jeden Schallanregungsvorgang zwei oder mehr Lichtimpulse auf die zu Schallschwingungen anzuregende Oberfläche eines Prüfstückes aufgestrahlt werden, wobei nur die vom letzten Laserimpuls angeregte Schallwelle für die Ultraschallprüfliqgbenutzt wird, während durch die vorher ausgestrahlten Laserimpulse die Oberflächen verunreinigungen beseitigt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Laserimpulse pro Meßvorgang in Abhängigkeit von der Größe der Oberflächenverunreinigung als konstanter Wert vorgegeben wird.

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ORDINAL INSPECTED

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Laserimpulse durch photometrische Eontrolle der anzuregenden Oberfläche geregelt wird.

4· Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Laser nur zur Reinigung der Prüfstttckoberflache verwendet werden.

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