DE8302775U1

DE8302775U1 - Ultrasonic probe

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Publication number: DE8302775U1
Application number: DE8302775U
Authority: DE
Original assignee: Krautkraemer GmbH and Co
Current assignee: Krautkraemer GmbH and Co
Priority date: 1983-02-02
Publication date: 1984-09-20

Description

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■ · · · · · .. Kw/ClKw / Cl - 2 -- 2 - K-169K-169 Krautkrämer GmbHKrautkrämer GmbH Luxemburger Str. 449Luxemburger Str. 449 5000 Köln 415000 Cologne 41

ULTRASONIC PROFESSIONAL HEAD

Die Erfindung betrifft einen Ul traschall prüfkopf mit mindestens einem elektroakustisehen Wandler und mindestens einem Schallvor-1 aufkörper für die Messung an heißen Prüfstücken.The invention relates to an Ul traschall probe with at least an electroacoustic transducer and at least one sound device body for measurements on hot test pieces.

Bei der Ultraschallprüfung von heißen Prüfstücken ohne Zwangskühlung des Ultraschall prüfkopfes nimmt im Dauerbetrieb der elektroakustische Wandler im Ultraschall prüfkopf im Grenzfall die Temperatur des Prüfstückes an.During the ultrasonic testing of hot test pieces without forced cooling of the ultrasonic probe, the electroacoustic Transducer in the ultrasonic probe, in borderline cases, the temperature of the test piece.

Als Ul traschall prüfkopf wird im folgenden die Anordnung, bestehend aus dem elektroakustisehen Wandler, einem eventuell notwendigen akustischen Dämpfungskörper, der elektrischen Kontaktierung des Wandlers und gegebenenfalls einem Schall vorlaufkörper in einem Gehäuse verstanden (J. Krautkrämer und H. Krautkrämer, " Werkstoffprüfung mit Ultraschall", 4. Auflage 1980, Springer-Verlag, Seiten 217-227).As an Ul traschall test head, the following is the arrangement, consisting from the electroacoustic transducer, a possibly necessary one acoustic damping body, the electrical contacting of the transducer and possibly a sound leading body in one Housing understood (J. Krautkrämer and H. Krautkrämer, "materials testing with ultrasound ", 4th edition 1980, Springer-Verlag, pages 217-227).

Bei der Verwendung piezoelektrischer Wandler mit entspre hend hoher Curie-Temperatur ist es zwar möglich, einen Prüfkopf ohne Schall vorlaufkörper direkt unter Verwendung eines Ankoppelmittels, z.B. einer hitzebeständigen Paste, an das heiße Prüfstück anzukoppeln. Bei der Verwendung hoher Ultraschallfrequenzen wird aber die Dicke dieses piezoelektrischen Wandlers so gering, daß aus Gründen der Materialfestigkeit dieses direkte Ankoppeln nicht mehr möglich ist. AusWhen using piezoelectric transducers with accordingly high Curie temperature it is possible to use a probe without a sound leading body directly to the hot test piece using a coupling agent, e.g. a heat-resistant paste. However, when using high ultrasonic frequencies, the thickness this piezoelectric transducer is so small that, for reasons of material strength, this direct coupling is no longer possible. the end

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diesem Grunde wird oft zwischen dem piezoelektrischen Wandler und dem Prüfstück ein Schall vorlaufkörper mit geeigneten akustischen Eigenschaften innerhalb des infrage kommenden Temperaturbereiches verwendet. Hierdurch entsteht die Forderung, sowohl den piezoelektischen Wandler an den Schall vorlaufkörper als auch diesen an das Prüfstück akustisch anzukoppeln. Bei Raumtemperaturen entstehen hier nur in Sonderfällen Probleme. Bei heißen Prüfstücken, z.B. bei Temperaturen um 300⁰C wird diese Ankopplung problematisch. Wird, wie es allgemein üblich ist, der piezoelektrische Wandler auf den Schall vorlaufkörper aufgekittet, dann kommt es bei den auftretenden Temperaturwechseln schnell zur Ablösung des Wandlers vom Schall vorlaufkörper. Es ist ein Nachteil von Klebe- oder Kittverbindungen, daS sie das stark unterschiedliche Wärmeausdehnungsverhalten der mit einander verklebten Stoffe nicht ausgleichen können.For this reason, a sound lead body with suitable acoustic properties within the temperature range in question is often used between the piezoelectric transducer and the test piece. This creates the requirement to acoustically couple both the piezoelectric transducer to the sound leading body and this to the test piece. Problems arise here only in special cases at room temperatures. In the case of hot test pieces, for example at temperatures around 300 ^° C., this coupling becomes problematic. If, as is common practice, the piezoelectric transducer is cemented onto the sound leading body, the transducer is quickly detached from the sound leading body when the temperature changes occur. It is a disadvantage of adhesive or cement connections that they cannot compensate for the widely differing thermal expansion behavior of the materials that are bonded to one another.

Akustische Ankoppelprobleme treten auch bei der Ankopplung des Schall vorlaufkörpers an das heiße Prüfstück auf. Die Verwendung hochsiedender Flüssigkeiten oder Pasten hat den Nachteil, daß nur für eine kurze Zeit eine Ankopplung und damit auch nur ein kurzzeitiger Prüfvorgang möglich ist. (J. Krautkrämer und H. Krautkrämer, "Werkstoffprüfung mit Ultraschall", 4. Auflage 1980, Springer-Verlag, Seiten 295-296).Acoustic coupling problems also occur when coupling the Sound leading body to the hot test piece. The usage High-boiling liquids or pastes has the disadvantage that a coupling and thus only one for a short time short-term testing is possible. (J. Krautkrämer and H. Krautkrämer, "Material testing with ultrasound", 4th edition 1980, Springer-Verlag, pages 295-296).

Aus der US-PS 2.697.936 ist weiterhin ein Verfahren bekannt, zur Ankopplung zwischen Schal!vorlaufkörper und heißem Prüfstück ein bei Temperaturen oberhalb 1000⁰C schmelzendes Silikat aufzustäuben oder als Schicht aufzubringen. Hierbei ist es jedoch nachteilig, daß dieses Silikat bei Raumtemperatur sehr spröde ist, daß diese Ankopplung nur bei Temperaturen oberhalb 1000⁰C anwendbar ist, wodurch nur elektroakustische Wandler mit entsprechend hohem Curie-Punkt (Lithiumniobat) verwendbar sind. Außerdem hat insbesondere Lithiumniobat den Nachteil eines sehr ungünstigen elektromechanischen Kopplungsfaktors. Auch eignet sich diesesFrom US-PS 2,697,936 a process is further known sputter leading body and hot test piece a melt at temperatures above 1000 C ⁰ silicate for coupling between scarf! Or applied as a layer. However, it is disadvantageous here that this silicate is very brittle at room temperature, that this coupling can only be used at temperatures above 1000 ^° C., as a result of which only electroacoustic converters with a correspondingly high Curie point (lithium niobate) can be used. In addition, lithium niobate in particular has the disadvantage of a very unfavorable electromechanical coupling factor. This is also suitable

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Verfahren nicht, den Wandler an den Schallvorlaufkörper anzukoppen, da das Silikat bei schnellem Temperaturwechsel, wie andere Kittverbindungen auch, zu Ablösungen führt.Procedure not to couple the transducer to the sound forerunner, because the silicate, like other cement compounds, leads to detachment with rapid temperature changes.

Es ist Aufgabe der Erfindung einen Prüfkopf anzugeben, bei dem die mechanische und akustische Verbindung des elektroakustischen Wandlers mit dem Schallvorlaufkörper sowohl hitzebeständig als auch temperaturwechselbeständig ist.It is the object of the invention to provide a test head in which the mechanical and acoustic connection of the electroacoustic transducer with the sound lead body is both heat-resistant and is also resistant to temperature changes.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.According to the invention, this object is achieved by the features of the characterizing part of claim 1.

Die Unteransprüche geben besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung für Arbeitstemperaturen bis 300⁰C bzw. für die akustische Ankopplung des Schall vor!aufkörpers an das Prüfstück an.The dependent claims particularly advantageous embodiments of the invention for working temperatures up to 300 ⁰ C and for the acoustic coupling of the sound before! Aufkörpers of the test piece to.

Einzelheiten und weitere Vorteile der Erfindung werden anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe aer Figuren 1 bis 3 erläutert.Details and further advantages of the invention are explained using an exemplary embodiment with the aid of FIGS. 1 to 3.

Es zeigt:It shows:

Fig. 1: einen erfindungsgemäßen Prüfkopf mit einer thermoplastischen Folie zwischen dem piezoelektrischen Wandler und dem Schallvorlaufkörper und mit einer Druckfeder, 25Fig. 1: a test head according to the invention with a thermoplastic Foil between the piezoelectric transducer and the sound lead body and with a compression spring, 25th

Fig. 2: die Ankopplung eines erfindungsgemäßen Prüfkopfes mittels einer weiteren thermoplastischen Folie an ein heißes Prüfstück,2: the coupling of a test head according to the invention to a hot one by means of a further thermoplastic film Test piece,

Fig. 3: einen erfindungsgemäßen S/E-Prüfkopf, der mit dem heißen Prüfstück fest verbunden ist.Fig. 3: a S / E test head according to the invention, which with the hot Test piece is firmly connected.

-δ-Ι Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Prüfkopf. In einem Gehäuse-δ-Ι Figure 1 shows a test head according to the invention. In one housing

p befinden sich ein piezoelektrischer Wandler 2, der den Ultraschallp there is a piezoelectric transducer 2, the ultrasound

erzeugt und/oder empfängt und ein Schal!vorlaufkörper 3. Zwischen diesen beiden Teilen ist erfindungsgemäß eine thermoplastische ₍·,, 5 Folie 1, für den Temperaturbereich bis 300⁰C vorteilhafterweise i', eine Folie aus Polycarbonat, vorhanden. Eine Feder 43 preßt dengenerates and / or receives and a scarf! leading body 3. Between these two parts according to the invention a thermoplastic _(* ,, 5 film 1, for the temperature range up to 300 ⁰ C i advantageously ', a film of polycarbonate present. A spring 43 presses the

·; piezoelektrischen Wandler 2 über diese Folie 1 gegen den Schal 1·-·; piezoelectric transducer 2 over this film 1 against the scarf 1 · -

J lead body 3. A pressure piece 6, which in this example is a

akustischer Dämpfungskörper ist, verteilt die Druckkraft der Feder J. 10 gleichmäßig über die Wandlerfläche. Die Feder 43 stützt sich am I Prüfkopfgehäuse 4 ab. Dieses Prüfkopfgehäuse ist hier zweiteiligis an acoustic damping body, distributes the compressive force of the spring J. 10 evenly over the transducer surface. The spring 43 is supported on the I. Probe housing 4 from. This probe housing is in two parts here

I and consists in this example of a housing part I with stop for the sound lead body 42 and a cover part 41,

j$ die miteinander verbunden, z.B. verschraubt, sind. Elektrischej $ that are connected to each other, e.g. screwed. Electric

15 Kontaktmittel und Mittel zur Anpassung der elektrischen Impedanzen ;Y sind nicht gezeigt, über die elektrische Leitung 5 ist der piezo15 contact means and means for adapting the electrical impedances ; Y are not shown, via the electrical line 5 is the piezo

elektrische Wandler 2 mit dem nicht dargestellten Ultraschallgerät verbunden.electrical transducer 2 with the ultrasonic device, not shown tied together.

;; 20 Die thermoplastische Folie muß nun nach der Montage unter Feder-K druck erwärmt werden, so daß diese thermisch verformbar wird, bei;; 20 After assembly, the thermoplastic film must now be placed under spring K pressure are heated, so that this is thermally deformable, at

ΐ Polycarbonat auf Temperaturen oberhalb von 25O⁰C. Hierbei trittΐ Polycarbonate at temperatures above 25O ⁰ C. This occurs

r eine bleibende oberflächenhafte Verbindung zwischen dem piezo-r a permanent surface connection between the piezo

I electrical converter 2 and the film 1 on the one hand and between the

ρ 25 Folie 1 und dem Schallvorlaufkörper 3 andererseits auf, die auch nach der Abkühlung erhalten bleibt.ρ 25 film 1 and the sound leading body 3 on the other hand, which also remains after cooling.

Eine Anwendung der erfindungsgemäßen Lehre zur Ultraschall übertragung von der Schallaustrittsfläche des Schall vor!aufkörpers 30 in ein Prüfstück 8 ist ebenfalls möglich und in Fig. 2 dargestellt. Hierin ist eine zweite thermoplastische Folie mit 13 bezeichnet. Der Anpreßdruck des SchalIvor!aufkörpers 3 an das Prüfstück 8 kann je nach Anwendungsfall durch eine Federspannvorrichtung, eine Gewichtsbelastung u.a. erzeugt werden. Ein derartiger mit einerAn application of the teaching according to the invention for ultrasound transmission from the sound exit surface of the sound in front of the body 30 in a test piece 8 is also possible and is shown in FIG. 2. A second thermoplastic film is denoted here by 13. The contact pressure of the formwork body 3 on the test piece 8 can, depending on the application, by a spring tensioning device, a Weight load, among other things, are generated. One of those with a

thermoplastischen Folie 13 auf der Schallaustrittsseite des Schal!vorlaufkörpers 3 versehener Prüfkopf ist nur für eine ortsfeste Position des Prüfkopfes geeignet. Es ist aber ein Vorteil der Erfindung, daß in diesem Fall die thermoplastische Folie bei Positionswechsel des Prüfkopfes ausgewechselt werden kann.thermoplastic film 13 on the sound outlet side of the shell! leading body 3 provided test head is only for one fixed position of the test head suitable. But it is an advantage of the invention that in this case the thermoplastic Foil can be replaced when changing the position of the test head can.

Die erfindungsgemäße Lehre eignet sich vorteilhafterweise auch für SE-Prüfköpfe. Bei SE-Prüfköpfen sind entsprechend Fig. 3 für die Erzeugung eines Schall impulses ein erster piezoelektrischer Wandler 21 mit Schall vorlaufkörper 31 und für den Empfang ein anderer Schall vorlaufkörper 32 mit einem zweiten piezoelektrischen Wandler 22, in der Regel aus dem selben Material wie der schallerzeugende Wandler, vorhanden. Die Wandler 21,22 sind über die thermoplastischen Folien 11,12 mit den Schal !vorlaufkörpern 31,32 akustisch verbunden. Die Schal!erzeugenden und schal!empfangenen Teile sind durch eine Entkopplungsschicht 7 akustisch voneinander isoliert.The teaching according to the invention is also advantageously suitable for SE probes. In the case of SE probes, as shown in FIG. 3 for the generation of a sound pulse, a first piezoelectric transducer 21 with sound leading body 31 and for receiving a another sound leading body 32 with a second piezoelectric Transducer 22, usually made of the same material as the sound generating Converter, available. The transducers 21, 22 are connected to the scarf leading bodies 31, 32 via the thermoplastic films 11, 12 acoustically connected. The scarf! Generating and scarf! Received Parts are acoustically isolated from one another by a decoupling layer 7.

Wie Fig. 3 weiterhin zeigt, ist der Prüfkopf 4 über die Andruckschrauben 91,92 mit dem Prüfstück 81 fest verbunden. Mit dieser Anordnung wird das Temperaturverhalten der thermoplastischen Folie untersucht. Dazu werden 0,1 mm dicke Polycarbonat-Folien 11,12.13 sowohl zwischen piezoelektrischen Wandlern 21,22 und Schallvorlaufkörpern 31,32 als auch zwischen einem das Prüfstück ersetzenden Teststück 81 und den Schal!vorlaufkörpern verwendet. Die Feder erzeugt über das Druckstück 6 eine Anpreßkraft von 80 bis 100 N. Der Schal!vorlaufkörper und der Wandler sind jeweils Halbzylinder, so daß sie in der zusammengesetzten Form einen Kreiszylinder bilden.As FIG. 3 also shows, the test head 4 is on the pressure screws 91, 92 firmly connected to the test piece 81. With this arrangement, the temperature behavior of the thermoplastic film examined. For this purpose, 0.1 mm thick polycarbonate films 11, 12, 13 both between piezoelectric transducers 21,22 and sound leading bodies 31,32 as well as between one that replaces the test piece Test piece 81 and the scarf! Leading bodies used. The feather generates a contact pressure of 80 to 100 N via the pressure piece 6. so that in the assembled form they form a circular cylinder.

Der Durchmessar dieses Kreiszylinders beträgt in diesem Beispiel 20 mm. Bei einer Temperatur von 25O⁰C beginnen die Polycarbonatfolien 11,12,13 teigig zu werden und es findet eine Ultraschallan-The diameter of this circular cylinder is 20 mm in this example. At a temperature of 25O ⁰ C, the polycarbonate films 11,12,13 begin to be doughy and there is a Ultraschallan-

Kopplung statt. Nach ca. 2 Std. wird die Temperatur auf 300⁰C erhöht und die Ul traschall Übertragung wird besser, in diesem Beispiel um 5 bis 7 db. Das wird dadurch erklärt, daß die Andruckkraft die Koppelschicht, also die sich bei dieser Temperatur einstellende Foliendicke, verringert. Die Ultraschall ankopplung bleibt nun auch bei mehrfachen Abkühlungsvorgängen erhalten, so daß der Prüfkopf auch bei wechselnden Temperaturen (bei Polycarbonat bis zu 300⁰C) verwendet werden kann.
10Coupling takes place. After about 2 hrs., The temperature is increased to 300 ⁰ C and the Ul traschall transfer is better db in this example by 5 to 7. This is explained by the fact that the pressure force reduces the coupling layer, i.e. the film thickness that is established at this temperature. The ultrasonic coupling is now retained even with multiple cooling processes, so that the test head can also be used at changing temperatures (up to 300 ^° C. for polycarbonate).
10

In diesen Beispielen werden Dauerstandzeiten von vielen hundert Stunden erreicht. Wobei die Schwächung der Ul traschall Übertragung bei 300⁰C nur 15 bis 20 db beträgt. Die Schwächung bei bekannten pastösen Mitteln beträgt dagegen nehr als 40 db.In these examples, service lives of many hundreds of hours are achieved. The weakening of the ultrasonic transmission at 300 ⁰ C is only 15 to 20 db. In contrast, the attenuation in known pasty agents is more than 40 db.

Claims

Krautkrämer GmbH January 31, 1983

Luxemburger Str. 449 Kw / Cl

5000 Cologne 41 K-169

= t claims

Jf 1. Ultrasonic probe with at least one electroacoustic)

i transducer and at least one sound lead body for the

f measurement on hot test pieces,

Ί characterized by

I 5 that between the electroacoustic transducer (2) and the scarf 1-

Ί leading body (3) a film made of thermoplastic material (1)

and the electroacoustic transducer and the sound in front of the body are pressed against one another via this film with a spring (43). % 10

2. Ultrasonic! Test head according to claim 1,

characterized in that the thermoplastic material of the film (1) Is polycarbonate and 15

: that the electroacoustic transducer (2) and the scarf!

I. body (3) over the polycarbonate ie (1) with a pressure

■ are pressed against each other by 3 · 10 ^ Pa.

20th

3. Ultrasonic probe according to claim 1 or 2, characterized in that that on the surface of the scarf facing the test piece! body (3) a film (11) is arranged, which consists of the same material as the film (1) between electrical

25 acoustic transducer (2) and sound leading body (3).