DE3427145A1

DE3427145A1 - Verfahren zur pruefung von werkstuecken

Info

Publication number: DE3427145A1
Application number: DE19843427145
Authority: DE
Inventors: Trever James Mickleover Derby Holroyd; John Richard Littleover Derby Webster
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1983-08-10
Filing date: 1984-07-24
Publication date: 1985-02-28
Also published as: GB2144853A; GB8321479D0; FR2550627B1; FR2550627A1; JPH0354792B2; DE3427145C2; GB2144853B; JPS6055259A; US4584879A

Description

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Die Erfindung befaßt sich mit der überprüfung von Werkstücken durch selbsterzeugte Wanderwellenerfassung .

Wenn gewisse Werkstücke beaufschlagt oder in sonstiger Weise mechanisch erregt werden, um sie zu Vibrationen zu veranlassen, erzeugen sie akustische Emissionen, die für den betreffenden Teil spezifisch sind. Änderungen der akustischen Emission von Bauteilen, die allgemein gleich sind, treten jedoch dann auf, wenn ein Bauteil einen Fehler beispielsweise einen Riß, aufweist. Da dies so ist, wird es möglich, fehlerhafte Werkstücke dadurch zu identifizieren, daß ihre akustischen Emissionen unter Erregung bestimmt und mit den akustischen Emissionen eines Werkstücks verglichen werden, welches mit Bestimmtheit nicht mit Fehlern behaftet ist.

Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß, obgleich hiermit Fehler in Werkstücken aufgedeckt werden können, eine Schwierigkeit darin besteht, die Lage und das Ausmaß der Fehlstellen zu bestimmen. Gewöhnlich müssen andere Techniken, beispielsweise Röntgenphotographie oder Ultraschallprüfungen benutzt werden, um diese Information zu erlangen. Röntgenphotographie ist im Hinblick auf die Gesundheit gefährlich und sowohl Röntgenphotographie als auch Ultraschallprüfung gestalten sich schwierig bei gewissen Bauteilen, die überprüft werden müssen, während sie an anderen Bauteilen festgelegt sind.

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Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die zur mechanischen Erregung des Werkstücks benutzten Mittel selbst akustische Emissionen erzeugen, die die akustischen Emissionen maskieren, welche innerhalb des Werkstücks erzeugt werden. Derartige Emissionen könnten beispielsweise erzeugt werden durch Reibung zwischen dem Werkstück und dem Schwingungserreger.

Ein Beispiel eines Werkstücks, dessen überprüfung diese Schwierigkeiten nach sich zieht, stellt eine Fanschaufel eines Fan-Gasturbinentriebwerks dar, die entweder als Schichtenkörper ausgeführt ist oder eine Metallhaut aufweist, die einen Kern aus einem geeigneten von Gewicht leichtem Material umgibt. Bei beiden Konstruktionen müssen die Fanschaufeln überprüft werden, um irgendwelche Fehlstellen der Bindung zwischen den Schichten oder zwischen dem Kern und der Haut aufzudecken. Da diese Fehlstellen während des Betriebes auftreten können, ist es notwendig, eine Technik zur Verfugung zu haben, die angewandt werden kann, während die Fanschaufeln im Triebwerk verbleiben. Röntgenphotographie und Ultraschal 1 inspektion sind für eine solche überprüfung in situ auf einfache Weise nicht anwendbar.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Prüfung eines Werkstücks auf Fehlstellen zu schaffen, welches an Stellen benutzt werden kann, an denen andere Prüfverfahren unzweckmäßig oder sogar unmöglich sind, und das bei gewissen Ausführungsbeispielen in der Lage ist, die Lage der Fehlstellen zu ermitteln .

Gemäß der Erfindung wird das Verfahren zur Prüfung eines Werkstücks in der Weise durchgeführt, daß die Oberfläche des Werkstücks dem Schal lausgang eines Schallwandlers ausgesetzt wird, dessen Schallausgang eine solche Frequenz oder solche Frequenzen besitzt, daß benachbarte, aneinanderstoßende Oberflächen innerhalb des Werkstücks sich relativ zueinander bewegen und dadurch Übergangs- Breitband-Beanspruchungswellen erzeugen, die durch einen Detektor feststellbar sind, wodurch das Vorhandensein von derartigen benachbarten aneinanderstoßenden Oberflächen festgestellt werden kann.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht der Prüfvorrichtung, die in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Anwendung findet;

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Schaltung, die in Verbindung mit der Vorrichtung nach Fig. 1 benutzbar ist.

Gemäß Figur 1 ist ein Lautsprecher 10 mit Hochtonausgang vorgesehen, wie dieser allgemein unter der Bezeichnung "Tweeter" bekannt ist. Dieser ist mit einer im Querschnitt kreisförmigen Führung 11 ausgestattet. Die Führung 11 gewährleistet, daß der Schallausgang 12 des Lautsprechers 10 gerichtet wird und auf einen geschichteten Honigwabenaufbau 13 auftrifft, der überprüft werden soll, und der in der Nähe der Schallführung 11 angeordnet wird.

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Der geschichtete Honigwabenaufbau 13 wird von offenzel1igem Honigwabenmaterial 14 gebildet, das zwischen zwei ungelochten Deckplatten 15 angeordnet und mit diesen verbunden ist. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel bildet der Honigwabenaufbau 13 einen Teil einer Fanschaufel für ein Gasturbinentriebwerk mit Fan. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch nicht auf die Prüfung derartiger geschichteter Honigwabenaufbauten beschränkt. So können Bauteile überprüft werden, die dünne Wände besitzen, beispielsweise Flugzeugwände, Flugkörper, Vorratstanks, Sonnenbatterien und so weiter. Außerdem brauchen die Werkstücke nicht aus Metall zu bestehen, sondern sie könnten auch aus Verbundmaterial hergestellt sein, beispielsweise aus faserverstärktem Plastikmaterial, welches geschichtet ist oder auch nicht.

Der Lautsprecher 10 kann, wie aus dem Blockschaltbild gemäß Fig. 2 erkennbar ist, durch einen Oszillator 16 über einen Verstärker 17 erregt werden. Der Oszillator 16 treibt außerdem ein XY-AufZeichnungsgerät 18, welches seinerseits durch einen akustisch emittierenden Wandler 19 über einen Vorverstärker 20 und ein Effektivwert-Meßgerät 21 gespeist wird. Der Vorverstärker 20 speist außerdem einen Audio-Monitor 22 über einen Verstärker 23.

Der akustisch emittierende Wandler 19 ist auf der Oberfläche des geschichteten Honigwabenaufbaus 13 befestigt, wie dies aus Fig. 1 erkennbar ist. Der Zweck besteht darin, irgendwelche selbst erzeugten Übergangs-Breitband-Beanspruchungswellen festzustellen, die aus dem geschieh-

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teten Honigwabenaufbau 13 austreten. Derartige Emissionen rühren von einer Relativbewegung zwischen benachbarten, aneinanderstoßenden Oberflächen innerhalb des geschichteten Honigwabenaufbaus 13 her, die durch den Schallausgang 12 des Lautsprechers 10 verursacht wird.

Im Betrieb wird der Lautsprecher 10 über dem Bereich des geschichteten Honigwabenaufbaus 13 angeordnet, der untersucht werden soll, und es wird der Oszillator 16 eingeschaltet, um einen sinusförmigen Ausgang mit stetig sich erhöhender Frequenz zu liefern, die beispielsweise von 5 kHz auf 25 kHz ansteigt. Der Ausgang wird dem XY-Aufzeichnungsgerät 18 und dem Lautsprecher 10 über den Verstärker 17 zugeführt.

Der Ausgang des Lautsprechers 10 wirkt auf irgendwelche benachbarten, aneinanderstoßenden Oberflächen des geschichteten Honigwabenaufbaus 13 so ein, daß bei gewissen Vibrationsfrequenzen diese aneinanderstoßenden benachbarten Oberflächen sich relativ zueinander bewegen und selbsterzeugte Übergangs-Breitband-Beanspruchungswellen liefern.

Diese Übergangsbeanspruchungswellen-Emissionen werden durch den akustischen Emissionswandler 19 festgestellt, der einen Ausgang liefert, welcher für jene Emissionen repräsentativ ist. Jener Ausgang wird dem Vorverstärker

20 zugeführt, der seinerseits einen Ausgang liefert, der zwischen dem Verstärker 23 und dem Effektivwert-Meßgerät

21 aufgeteilt wird. Der Verstärker 23 liefert dem Audio-

Monitor 22 einen Ausgang, der eine hörbare Anzeige des Ausgangs des akustischen Emissionswandlers 19 ist. Das Effektivwert-Meßgerät 21 wandelt den Ausgang des Akustik-Emission-Wandlers 19 in eine Form um, die für den Eingang des XY-AufZeichnungsgerätes 18 geeignet ist. Das XY-Aufzeichnungsgerät liefert so eine Darstellung von Emissionen des geschichteten Honigwabenaufbaus 13 gegenüber den Frequenzen des Lautsprechers 10, die Ursache sind für jene Übergangs-Beanspruchungswellen-Emissionen.

Diese Wanderwellen-Emissionen von dem geschichteten Honigwabenaufbau 13 sind von der Integretät jenes Aufbaus abhängig, und sie sind insbesondere davon abhängig, ob irgendwelche benachbarte aneinanderstoßende Oberflächen vorhanden sind, beispielsweise jene, die durch Risse oder Brüche im Aufbau oder in Bereichen vorhanden sind, in denen eine unvollständige Verbindung zwischen dem Honigwabenmaterial 14 und den Deckplatten 15 vorhanden ist. Demgemäß unterscheiden sich die Wanderwellen-Emissionen von dem beschallten Honigwabenaufbau 13 von denen des unbeschallten Aufbaus 13. Es gilt allgemein, daß diese Unterschiede leichter bei gewissen Ausgangsfrequenzen des Lautsprechers 10 erkennbar sind als bei anderen Frequenzen. Da dies so ist, liefert ein Vergleich der Aufzeichnungen des XY-AufZeichnungsgerätes bei unbeschalItem Honigwabenaufbau 13 mit Aufzeichnungen des beschallten Aufbaus 13 eine Anzeige der Frequenzen, die die größten Unterschiede in der Wanderwellen-Emission ergeben. Wenn eine Frequenz, die den größten Unterschied der Wanderwellen-Emission liefert, dann gewählt wird, braucht die überprüfung nachfolgender Werkstücke mit

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Honigwabenaufbau 13 nur bei dieser gewählten Frequenz durchgeführt zu werden, und nicht über dem gesamten Frequenzbereich.

Wie erwähnt, wird das erfindungsgemäße Verfahren benutzt, um einen einzigen Bereich eines geschichteten Honigwabenaufbaus 13 zu überprüfen. Da dies so ist, kann die Schallführung 13 in gewissen Fällen wegfallen, in denen eine lokalisierte überprüfung des Werkstücks nicht erforderlich ist.

Nachdem einmal die optimale Frequenz für die Wanderwellen-Emission festgestellt ist, kann der Lautsprecher 10 mit der ihm zugeordneten Schallführung 11 benutzt werden, um die gesamte Oberfläche des geschichteten Honigwabenaufbaus 13 abzutasten, damit Risse, Brüche oder mangelnde Verbindungsstellen lokalisiert werden können. Dies kann dadurch geschehen, daß die Oberfläche manuell abgetastet wird und dabei auf den Audio-Monitor 22 gehört wird, wobei die Bereiche notiert werden, die Wanderwellen-Emissionen erzeugen, welche sich von jenen anderer Bereiche unterscheiden, von denen bekannt ist, daß es Schallwellen sind. Eine Alternative zu einer solchen manuellen Arbeitsweise besteht darin, den Lautsprecher 10 und die zugeordnete Schallführung 11 auf einer geeigneten mechanischen Abtastvorrichtung zu montieren und eine geeignete Aufzeichnungsvorrichtung anstelle des Audio-Monitors 22 vorzusehen, um zu gewährleisten, daß die Stelle unbeschallter Flächen des zu prüfenden Aufbaus 13 lokalisiert werden. In beiden Fällen besteht tatsächlich

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keine Notwendigkeit, den Akustik-Emissionswandler 19 zu bewegen, obgleich der Lautsprecher 10 und die zugeordnete Schallführung 11 über die Oberfläche des untersuchten Werkstücks geführt werden. Allgemein gesprochen ist es möglich, Wanderwellen-Emissionen festzustellen, die irgendwo innerhalb des Aufbaus 13 erzeugt werden, wobei natürlich der Aufbau nicht so groß sein darf, daß die Wanderwellen-Emissionen unzureichend stark sind, um den Wandler erreichen zu können.

Das Verfahren gemäß vorliegender Erfindung liefert demgemäß eine schnelle und zweckmäßige Möglichkeit, Werkstücke in situ zu überprüfen, ohne daß es erforderlich wäre, aufwendige und teure Röntgenphotographien und Ultraschall-Ausrüstungen vorzusehen. Das Verfahren ist insbesondere zweckmäßig bei der überprüfung von Gasturbinentriebwerks-Fanschaufein, da diese leicht auf strukturelle Fehler überprüft werden können, ohne daß sie vom Triebwerk abgebaut werden müßten, oder das Triebwerk aus dem Flugzeug ausgebaut werden müßte. Wie jedoch oben erwähnt, ist die Erfindung nicht beschränkt auf eine derartige Anwendung, und sie kann auch zur überprüfung anderer Werkstücke benutzt werden, die benachbarte aneinanderstoßende Oberflächen aufweisen können. So sind an dieser Stelle Werkstücke zu erwähnen, die Fehlstellen, Risse, Brüche oder lose Verbindungen aufweisen, oder sich lösende Schichten besitzen, oder auch lose Nieten oder andere Befestigungsmittel .

Claims

Patentanwälte /:.:. · i^ : f " ^jpi-lng. Curt Wallac Europäische Patentvertreter* * Dipf.-Ing. Günther Koc European Patent Attorneys Dlpl.-Phys. Dr.Tino Haibac Dipl.-Ing. Rainer Feldkam D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 2 60 80 78 · Telex 5 29 513 wakai 23 · J"H 1984 Rolls-Royce Limited # Unser Zeichen: 17 947 - K/Ap Buckingham Gate London SW1E 6AT England Verfahren zur Prüfung von Werkstücken Patentansprüche:

1. Verfahren zur Prüfung von Werkstücken, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Werkstücks (13) dem Schallausgang eines Schallwandlers (10) ausgesetzt wird, der einen Schallausgang mit einer solchen Frequenz oder solchen Frequenzen abstrahlt, daß aneinanderstoßende Oberflächen des Werkstücks (13) veranlaßt werden, sich relativ zueinander zu bewegen und dadurch breitbandige Wanderwellen erzeugen, und daß ein Detektor (19) die so erzeugten breitbandigen Wanderwellen feststellt, um so eine Anzeige des Vorhandenseins derartiger aneinanderstoßender Oberflächen zu liefern.

2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der Schallwandler (10) einen gerichteten Schallausgang derart liefert, daß nur benachbarte aneinanderstoßende Oberflächen in Richtung der Schallabstrahlung hierdurch beeinflußt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß der Schallwandler (10) über die Oberfläche des Werkstücks eine Abtastung derart vornimmt, daß sämtliche benachbart aneinanderstoßende Oberflächen des Werkstücks (13) erfaßt werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallwandler (10) ein Lautsprecher ist, der in der Nähe der Oberfläche des Werkstücks (13) angeordnet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (19) einen akustischen Emissionswandler umfaßt, der an der Oberfläche des Werkstücks festgelegt ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (13) von einem geschichteten Honigwabenaufbau gebildet wird, der eine Honigwabenschicht (14) mit offenem Zellenaufbau besitzt, die zwischen zwei Platten aus undurchlässigem Material (.15) eingebaut ist.