DE3137973A1

DE3137973A1 - Einrichtung zum zerstoerungsfreien pruefen von werkstoffen mit hilfe von akustischen oberflaechenwellen

Info

Publication number: DE3137973A1
Application number: DE19813137973
Authority: DE
Inventors: Kenneth Jassby; Aharon Herzlia Zeiger
Original assignee: Ramot at Tel Aviv University Ltd
Current assignee: Ramot at Tel Aviv University Ltd
Priority date: 1980-09-25
Filing date: 1981-09-24
Publication date: 1982-05-13
Also published as: GB2084731A; US4338820A; GB2084731B

Description

β · 6 β α ή «

Off 4 fr * «

4 «.ti« «4 O 0

- ο β W ti

κ οβ «α *««

EINRICHTUNG ZUM ZERSTOERUNGSFREIEN PRUEFEN VON WERKSTOFFEN MIT HILFE VON AKUSTISCHEN OBERFLAECHENWELLEN.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum zerstörungsfreien Prüfen von Werkstoffen mit Hilfe von akustischen Oberflächenwellen, basierend auf dem Prinzip der Messung der Wellenlaufzeit entlang der Oberfläche des zu prüfenden Werkstückes. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auch auf die Ausbildung einer neuartigen Sonde zur Verwendung mit der erfindungsgemässen Einrichtung.

Akustische Oberflächenwellen werden als nützliches Untersuchunsmedium in verschiedener Hinsicht bei der zerstörungsfreien Prüfung von Materialien, insbesondere von Metallen, verwendet; diese Untersuchungen umfassen die Messung des Dämpfungskoeffizienten, des Reflexionskoeffizienten und der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Oberflächenwelle.

In diesem Zusammenhang soll beispielsweise erwähnt werden, dass der Ausfall eines Werkstückes infolge Ermüdung oder Ueberbeanspruchung im allgemeinen mit mikrostrukturellen Aenderungen des Materialgefüges einhergeht, und es hat sich gezeigt, dass solche Aenderungen mit zu beobachtenden Aenderungen in der Dämpfung von akustischen Oberflächenwellen verknüpft sind. Äusserdem wurde empirisch erkannt, dass die beobachtete Därapfungsänderung der Oberflächenwellen bei den verschiedensten Materialien in einem Zusammenhang zur Korngrösse stehen muss. Oerflächenwellen wurden auch dazu benutzt, Beschädigungen der Oberfläche festzustellen und zu messen, indem eine partielle Reflexion der Wellen erkannt werden konnte. Schliesslich wurde auch festgestellt₉ dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Oberflächenwellen in verschiedenen Richtungen abhängig ist von der Kornstruktur des Materials. Nicht zuletzt muss darauf hingewiesen werden, dass Aenderungen in der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Oberflächenwellen in der Grössenordnung von Prozent-Bruchteilen durch Oberflächenspannungen bewirkt werden; dies ist als "akusto-elastischer" Effekt

I O / Ό I O

bekannt geworden.

Aenderungen in der Dämpfung der akustischen Oberflächenwellen u Variationen in deren Ausbreitungsgeschwindigkeit, verursacht durch die vorstehend beschriebenen Effekte, bewegen sich im all gemeinen in sehr kleinem Rahmen. Damit überhaupt aussagekräftig Messwerte über Dämpfungs- und Ausbreitungsgeschwindigkeitsänderungen in Abhängigkeit der vorstehend geschilderten Einflüsse gemacht werden können, muss eine Abtast- und Registriervorrichtung mit hoher Wiederholgenauigkeit und feiner Auflösung zur Verfügung stehen. Eine weitere Forderung an eine solche Einrich tung besteht darin, dass sie während der Messung die Eigenschaften des zu untersuchenden Materials in keiner Weise beeinflussen darf.

Das gebräuchlichste Verfahren, bekannt als "Messung bei kritischem Winkel", für das Erzeugen und das Abtasten von akustischen Oberflächenwellen auf der Oberfläche eines Materialmusters wird mit Hilfe von Kunststoffkeilen durchgeführt und gründet auf dem sogenannten "Gesetz von Snell".Bei diesem Verfahren wird eine Druckwelle, die mittels eines Senders über einen Kunststoffkeil an die Oberfläche des Materialmusters abgegeben wird, unter dem "kritischen Winkel" in die Oberfläche des Materials eingebracht, so dass entlang dieser Oberfläche eine akustische Oberflächenwelle entsteht. Das Abtasten dieser Oberflächenwelle geschieht dabei in analoger Weise. Als Koppelungsmedium zwischen Kunststoffkeil und Oberfläche des Materialmusters dient OeI oder eine andere geeignete Flüssigkeit, um den ungehinderten Uebergang der Welle zu gewährleisten.

Ein weiteres, bekanntes Verfahren, das allerdings nicht sehr häufig angewandt wird, zur Erzeugung von akustischen Oberflächf wellen, basiert auf der Tatsache, dass ein zugespitzter Metall· keil, aufgesetzt auf die Oberfläche des zu prüfenden Materialmusters, zu Schwingungen angeregt wird und so in zwei entgegen· gesetzt verlaufenden Richtungen entlang der Oberfläche des Materialmusters akustische Oberflächenwellen erzeugt. Zum Antrieb des Keiles kann ein Sender vorgesehen sein, welcher

am oberen Ende des Keiles ist und eine Druckwelle erzeugt} die innerhalb des Keiles in Richtung zu seiner Spitze hin verläuft« Die Abtastung der sich ausbreitenden Oberflächenwelle kann mit Hilfe eines weiteren, identischen Keiles erfolgen, der sich in Kontakt mit der zu untersuchenden Oberfläche befindet.

Bei beiden der vorstehend erläuterten Verfahren wird zur Erzeugung und zur Abtastung der Oberflächenwelle ein im wesentlichen gleiches Element, nämlich ein Metallkeil verwendet. Bei den . Untersuchungen, die von der Anmelderin durchgeführt worden sind_f hat es sich aber gezeigt, dass diese Verfahren eine Anzahl von ernstzunehmenden Nachteilen mit sich bringen. Insbesondere ist in beiden Fällen keine zuverlässig wiederholbare Messung möglich, bei denen es darauf ankommt, mittels einer zerstörungsfreien Prüfung des Werkstückes die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Oberflächenwellen in Abhängigkeit von willkürlich zugefügten Oberflächenspannungen des Werkstückes zu bestimmen.

Als Beispiel sei erwähnt, dass bei der Verwendung des Verfahrens mit dem sogenannten "kritischen Winkel" eine beträchtliche Temperaturabhängigkeit beobachtet werden kann; die Temperatur*· empfindlichkeit des Materials, die sich auf die Äusbreitungsgeschwindigkeit akustischer Wellen auswirkt^ ist so ausgeprägt, dass Temperaturschwankungen von 0.1 grad C bereits eine solche Auswirkung haben können, um die durch Aenderungen der Spannungen innerhalb des Werkstückes bewirkten Aenderungen der Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Oberflächenwelle zu maskieren.

Beim bekannten Verfahren mit durch einen Sender angeregten Keilen hat sich gezeigt, dass die erzeugte Welle sich ungerichtet ausbreitet, mit der Folge, dass der grösste Teil der Weilenenergie durch Reflexionen innerhalb des Keils verloren geht. Bei diesem Verfahren wird ein Signal erhalten, welches nur einen sehr geringen Störabstand aufweist.

Es ist demzufolge ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Erzeugung und Abtastung von akustischen Oberflächenwellen₉ insbesondere zur zerstörungsfreien Materialprüfung vor-

• «ο I * -■»«.#

ο » « ti * * W » β-

It Mtt I t te W Υ** « V ο «

»β** 4 a« ·» χ* *ο·

zuschlagen, welche die den vorstehend geschilderten Verfahren anhaftenden Nachteile vermeidet.

Demzufolge bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Erzeugung und Abtastung von akustischen Oberflächenwellen bei der zerstörungsfreien Prüfung von Werkstoffen, wobei die Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Oberflächenwelle innerhalb eines Materialmusters gemessen wird. Im wesentichen ist die Einrichtung durch folgende Merkmale charakterisiert:

a) Die akustische Oberflächenwelle wird durch eine an das Materialmuster angekoppelte Generatoreinheit erzeugt,um im erforderlichen kritischen Winkel eine solche Welle in das Muster einzuleiten, sodass sich diese entlang dessen Oberfläche ausbreitet;

b) Die akustische Oberflächenwelle wird mit Hilfe einer Detektoreinheit abgetastet, welche mindestens einen Empfänger umfasst, der mittels eines keilförmigen Aufnehmer! mit der Oberfläche des Materialmusters gekoppelt ist, wobei die Spitze des Keils auf die Oberfläche des Materiamusters aufliegt und die Längsachse des Keils rechtwinklii zu dieser Oberfläche verläuft, sodass die Oberflächenwell von der Spitze aufgenommen und als Raumwelle durch den Keil hindurch zum Empfänger wandert, der am entgegengesetzten Ende des Keiles angeordnet ist.

Es hat sich gezeigt, dass das oben erwähnte Verfahren zur Erzeugung und Abtastung von akustischen Oberflächenwellen dem bekannten Verfahren in Bezug auf Empfindlichkeit und Wiederholgenauig keit weit überlegen ist.

Besonders gute Resultate konnten erreicht werden, wenn zwei Empfänger verwendet wurden, die je an einen keilförmigen Aufnehmer angeschlossen waren. Diese beiden Aufnehmer waren dabei i Abstand voneinander in Richtung der Ausbreitung der akustischen Oberflächenwelle nebeneinander angeordnet.

Vorzugsweise ist die Kontaktfläche der Aufnehmer mit der Oberfläche des Materialmusters, in Ausbreitungsrichtung der Welle gesehen, kleiner als die Wellenlänge der akustischen Oberflächen

t? ft *

welle, jedoch gross genug um einen wesentlichen Teil der Energie der akustischen Oberflächenwelle aufzunehmen, die die Raumwelle innerhalb des Keiles zum Empfänger hin erzeugt. Als Beispiel kann angegeben werden dass ©in Verrundungsradius von 0,2 mm der Keilspitze bei einer Wellenlänge von 0.6 mm besonders gute Resultate gezeigt hat.

Im Rahmen der Erfindung ist auch eine neuartige Sonde vorgesehen, die besonders gute Resultate bei der Erzeugung und Abtastung der akustischen Oberflächenwelle liefert.

Bei den beiden, im folgenden näher beschriebenen Ausführungsbeispielen, handelt es sich um zwei verschiedene Ausführungsformen: Beim ersten Ausführungsbeispiel besitzt jeder der als Aufnehmer dienende Kunststoffkeile eine schmale langgezogene Spitze,, die in Kontakt mit der Oberfläche des zu prüfenden Werkstückes steht. Bei der zweiten Ausführungsform besitzen die Keile im wesentlichen punktförmige Kontaktflächen zum Werkstück,wobei innerhalb der Sonde ein dritter Auflagepunkt auf das Werkstück vorgesehen ist; bei dieser zweiten Ausführungsform konnten noch bessere Resultate in Bezug auf Empfindlichkeit und Wiederholgenauigkeit erzielt werden.

Im folgenden wird das erfindungsgemässa Verfahren an Hand eines Äusführungsbeispieles der Vorrichtung näher beschrieben. Diese ist in den beiliegenden Zeichnungen näher dargestellt, und es zeigen :

Fig₉ 1 Eine schematische Darstellung eines Äusführungsbeispieles der erfindungsgemässen Vorrichtung;

Fig. 2 Eine perspektivische Darstellung eines ersten Äusführungsbeispieles einer Sonde zur Verwendung mit der Vorrichtung nach Fig. Ij

Fig. 3 Eine perspektivische Darstellung des Empfä'ngerteils einer zweiten Ausführung einer Sonde zur Verwendung mit der Vorrichtung nach Fig. 111

v3 I 0 / 3 / O

β O O ftttOQ »β

♦ O β B V * ft OO

• α*» Φ *■· ** a»

Fig. 4 Eine perspektivische Darstellung der Oberfläche des Empfängerteils der Sonde nach Fig. 3_f welche auf das Prüfobjekt aufgesetzt wird, und

Fig. 5 Eine perspektivische Ansicht einer vollständigen Sonde mit den Empfängerteilen gemäss den Fig. 3 und 4, einer Halterung und einem wegnehmbar angeordneten Generator.

In der Fig. 1 ist eine generell mit 2 bezeichnete Sonde dargestellt welche auf eine ebene Fache eines zu untersuchenden Materialmusters TS aufgesetzt wird, um die Durchtrittsgeschwindigkeit einer akustischen Oberflächenwelle durch das Muster zu bestimmen. Die Sonde 2 umfasst eine generell mit 4 bezeichnete Generatoreinheit, welche die akustische Oberflächenwelle im Materialmuster TS erzeugt, sowie eine generell mit 6 bezeichnete Detektoreinheit, welche die akustische Oberflächenwelle auffängt. Auf diese Weise kann die Laufzeit zwischen zwei vorbestimmten parallelen Linien genau gemessen.werden,, und daraus kann die Durchtrittsgeschwindigkeit durch das Materialmuster TS bestimmt werden,

Im Einzelnen umfasst die Generatoreinheit 4 einen Sender 10, welcher mittels eines dünnen OeIfilms unter einem bestimmten Winkel an einen Kunststoffkeil 12 angekoppelt ist. Der Winkel hängt dabei vom Material des Muster TS ab, das untersucht werden soll. Auf diese Weise bewirkt der Sender 10, dass eine von ihm erzeugte akustische Welle unter einem solchen Winkel in die Oberfläche des Materialmusters TS eindringt, dass entlang seiner Oberfläche eine sogenannte akustische Oberflächenwelle entsteht. Der Kunststoffkeil 12 dient dabei als Koppelungselement zwischen dem Sender 10 und der Oberfläche des Materialmusters TS, um auf dieser im erforderlichen kritischen Winkel eine akustische Welle zu erzeugen.

Die Detektoreinheit 6 der Sonde 2 umfasst zwei Empfänger 20 und 22,die beide über einen dünnen Oelfilm an Aufnehmer 24 und 26 ge koppelt sind. Letztere sind in Richtung der Fortpflanzung der akustischen Oberflächenwelle innerhalb eines vorbestimmten Ab-

η α (.

Standes d in Kontakt mit der Oberfläche des Materialmusters TS angeordnet. Ein jeder der Aufnehmer 24 und 26 besitzt keilförmige Gestalt und ist innerhalb eines Tragkörpers 28 so angeordnet, dass die Enden 24a und 26a der Keile 24 und 26 etwas über die untere Fläche des Tragkörpers 28 hinausragen, so dass sie mit der Oberfläche des Materialrousters TS in Kontakt gebracht werden können. Die Spitzen 2Mb und 26b der Enden 24a und 26a sind leicht abgerundet, wie im folgenden noch näher erklärt werden wird. Die Kunststoffkeile 24 und 26 sind so innerhalb des Tragkörpers 28 angeordnet, dass die ßerührungslinien der Spitzen 24b und 26b mit der Oberfläche des Materialmusters TS im Abstand d voneinander entfernt liegen, wobei die Längsachsen der Keile rechtwinklig zu einer durch die beiden Berührungslinien gelegten Ebene verlaufen. Ein jeder der beiden Empfänger 20 und 22 ist an der breiteren Oberfläche der entsprechenden K^j.. l^l\ und 26 befestigt.

Der Sender 10 wie auch die beiden Empfänger 20 und 22 sind vorzugsweise piezoelektrische Elemente. Der Kunststoffkeil 12 der Generatoreinheit 4 besteht aus einem geeignetem Kunststoffmaterial, wie z.B. aus einem Methyl-Methacrylatharz. Die Keile 24 und 26 der Detektoreinheit bestehen aus massivem, gehärtetem Stahl, und der Tragkörper 28, in welchem diese Keile eingebettet sind, besteht vorzugsweise aus einer Mischung von Kunstharz mit Partikeln, die eine grosse akustische Impedanz pro Volumeneinheit besitzen. Eine Mischung aus Epoxydharz mit eingebetteten Wolframpartikeln hat sich als besonders geeignet erwiesen. Die Generatoreinheit 4 ist ebenfalls mit Hilfe eines Oelfilmes an die Oberfläche des Materialmusters TS angekoppelt.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung arbeitet wie folgt:

ι j/a

MIf ♦ «· β· β· *··

- 10 -

Der Sender 10 ist an einen Hochspannungsgenerator 30 angeschlossen, der Impulse von z.B. - 300 V erzeugt. Aus diesen Impulsen erzeugt der Sender 10 eine akustische Welle, welche mit Hilfe des Kunststoffkeils 12 in die Obeflä'che des Materialmustes TS eingespeist wird. Durch die Wahl des kritischen Winkels, gegeben durch die Ausbildung des Kunststoffkeiles 12,wird erreicht, dass sich diese Welle als akustische Oberflächenwelle entlang des Materialmusters zu den beiden Stahlkeilen 24 und 26 hin ausbreitet. Sobald die Welle die Kontaktstelle des näheren Stahlkeiles 24, d.h. die Berührungslinie zwischen abgerundeter Spitze 24b und Materialoberfläche, erreicht hat, wird der Keil 2\ das Eintreffen der Welle erkennen.Dadurch wird innerhalb des Keiles 24 eine Raumwelle erzeugt, die sich von der Spitze 24b des Keils in vertikaler Richtung aufwärts zum Empfänger 20 fortpflanzt, so dass dieser ein elektronisches Ausgangssignal erzeugt. Sobald die akustische Oberflächenwelle die Berührungsstelle des zweiten Stahlkeiles 26 mit der Oberfläche des Materialmusters TS, nämlich die abgerundete Spitze 26b, erreicht hat, erkennt dieser zweite Keil 26 in entsprechender Weise das Eintreffen der Oberflächenwelle und erzeugt eine Raumwelle in Richtung des Empfängers 22, der seinerseits ein zweites elektronisches Ausgangssignal erzeugt. Da die beiden Stahlkeile 24 und 26 gleiche Länge besitzen und den gleichen Umgebungsbedingungen (z.B. Temperatur) unterworfen sind, ist es klar, dass das Zeitintervall zwischen der Erzeugung der beiden elektonischen Signale durch die Empfänger 20 und 22 ein Mass für die Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Oberflächenwelle entlang der Distanz d ist, d.h. entlang der Distanz zwischen den Berührungslinien der Spitzen 24b und 26b mit dem Materialmuster. Da diese Distanz bekannt ist, stellt das gemessene Zeitintervall ein Mass dar für die Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Oberflächenwelle innerhalb des zu untersuchenden Materialmusters TS.

Durch die Verwendung der Generatoreinheit 4 mit einem Kunststoff· keil mit kritischem Eintrittswinkel kann eine akustische Oberflächenwelle mit hoher Amplitude erzeugt werden, die stark gedämpft ist. Durch die Verwendung von Stahlkeilen 24 und 26 als

Aufnehmer, die in einem Wolfram-Epoxydharz-Körper eingebettet sind, der einen hohen Dämpfungskoeffizienten besitzt, können unerwünschte Reflektionen der Welle innerhalb der Stahlkeile weitgehend reduziert oder vollständig verhindert werden. Dadurch können die Stahlkeile zu ihren zugeordneten Empfängern 20 und 22 ein Signal mit hohem Störabstand übertragen, welches genau dem stark gedämpften Originalsignal der akustischen Welle entspricht, die durch die Generatoreinheit 4 erzeugt wurde.

Die elektronischen Signale von den Empfängern 20 und 22 werden über einen Verstärker 32 einem Mikroprozessor-gesteuerten Zähler 34 zugeführt, welcher den zeilichen Abstand des zeitlichen Eintreffens der beiden Signale misst. Ausserdem werden diese beiden Signal von den beiden Empfängern 20 und 22 den beiden Kanälen eines Zweistrahl-Speicheroszilloskopes 36 zugeleitet, welches von den Impulsen des Hochspannungsgenerators 30 getriggert wird. So erhält man eine Bildschirm-Darstellung der elektronischen Signale der Empfänger 20 und 22.

Wie bereits erwähnt, sind die Enden 24a und 26a der beiden Stahlkeile 24 und 26 vorzugsweise abgerundet und nicht zugespitzt. Der Verrundungsradius der Spitzen sollte dabei kleiner sein als die Wellenlänge der im Materialmuster TS erzeugten akustischen Oberflächenwelle. Anderseits sollte dieser Radius genügend gross sein damit die Aufnehmer einen genügenden Betrag an Energie der Oberflächenwelle aufzunehmen imstande sind.

Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel erzeugt der Generator 30 Hochspannungsimpulse mit schneller Anstiegzeit bei einer Frequenz von 5 kHz« Jeder der Impulse hat eine Wellenlänge von ca. 0.6mm und die Enden 24a und 26a der Stahlkeile sind zu Spitzen mit einem Verrundungsradius von 0,2mm ausgebildet. Die beiden Seitenflächen der Keile 24 und 26 schliessen einen Winkel von 30 Grad

I W / - W /

· a «v

- 12 -

ein.Der Tragkörper 28, in welchen die Teile eingebettet sind, besteht aus einer Wolfram-Epoxydharz-Mischung, die 30g Wolfram auf 10Og Harz enthält. Die Spitzen 24b und 26b der beiden Keile sind 1,1cm voneinander entfernt (Distanz d ) und stehen 2mm über die untere Fläche des Tragkörpers 28 vor.

Die oben beschriebene Vorrichtung wurde zum Untersuchen von Aluminiumlegierungen verwendet. Es wurde dabei festgestellt, dass das gemessene Zeitintervall zwischen dem Auftreten der elektronischen Signale, d.h. die Ausbreitungszeit der Welle entlang der Distanz d, in der Grössenordnung von 3|8usec lag und mit einer Auflösung von 0,1 nsec gemessen werden konnte.

Beim vorliegenden Ausführüngsbeispiel wird der Tragkörper 28 der Detektoreinheit 6 der Sonde mit einem transversalen Schlitz MO versehen, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Dieser Schlitz 40 erstreckt sich über die ganze Höhe des Tragkörpers 28 und dient zur Aufnahme des Kunststoffkeils 12 der Generatoreinheit . Die Letztere wird in Bezug auf die Detektoreinheit 6 und insbesondere auf die Stahlkeile 24 und 26 genau positioniert und mit Hilfe einer schwachen Feder 42 ( Federkraft ca. 70g) festgehalten, mit der der Kunststoffkeil 12 gegen eine der Seitenwände des Schlitzes 40 gepresst wird. Eine ähnliche schwache Feder 40 hat das Bestreben, den Kunststoffkeil 12 gegen die Oberfläche des Materialmusters TS zu drücken, und eine weitere schwache Feder 46 presst die Detektoreinheit 6 der Sonde 2 gegen die Oberfläche des Materialmusters TS, und zwar mit Hilfe einer Kugel 48, die auf der Oberfläche des Tragkörpers 28 angeordnet ist.

Die Geometrie der Detektoreinheit 6 der Sonde 2, insbesondere det Stahlkeile 24 und 26, die die Empfänger 20 und 22 an die Oberfläche des Materialmusters TS ankoppeln, ist für alle Materialiei dieselbe. So kann die gleiche Sonde zur Untersuchung von verschiedenen Materialien verwendet werden, indem eine geeignete Generatoreinheit 4 mit dem richtigen kritischen Einfallswinkel in den Schlitz 40 der Sonde 2 eingesetzt wird.

Die in Fig. 2 dargestellte Sonde wurde bei einer Mehrzahl von

Untersuchungen von kratzfestem Aluminium 2024-T351 verwendet wie es vom Hersteller geliefert worden ist. Bei diesen Untersuchungen, ergab sich eine Abweichung der Wellenlaufzeit von 1,0 - 1,5 nsec bei einer gesammten Laufzeit in der Grossen-Ordnung von 3,8 usec, was einer mittleren Abweichung von ca 0,04% entspricht. Aehnliche Untersuchungen wurden mit Glasplatten durchgeführt, wobei sich eine Abweichung der Wellenlaufzeit von ca. 0.6 nsec bei einer Gesammtlaufzeit von 3?4usec ergab, entsprechend einer mittleren Abweichung von ca. 0.02%„

In den Fig. 3-5 ist eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung dargestellt, welche dazu geeignet ist, die Wiederholbarkeit der WellenlaufZeitmessungen noch zu steigern. Dies ist zum Beispiel insbesondere dann wichtig, wenn ausgeübte oder verbleibende, biaxiale Oberflächenspannungen gemessen werden sollen; hier ist eine hohe Auflösung der Messwerte unbedingte Voraussetzung. Die in Fig* 3-5 dargestellte Ausführung verbessert die Wiederholbarkeit der WellenlaufZeitmessungen insbesondere dadurch, dass die Stabilität der Sonde erhöht wurde, nicht zuletzt durch Verwendung einer Dreipunktauflage, wie im folgenden noch beschrieben wird.

In den Fig. 3 und 4 sind zwei entgegengesetzte Seitenflächen einer Detektoreinheit 106 der Sonde dargestellt. Insbesondere aus Fig. 4 ist zu erkennen, dass die Enden der beiden Teile 124 und 126 in der Breite reduziert sind, so dass die beiden Kontaktspitzen 124a und 126a gebildet sind, die auf die Oberfläche des zu untersuchenden Materialmusters TS aufliegen. Während bei der Ausführung gemäss Fig. 1 und 2 die Berührungslinie der Keilspitzen 24b und 26b ca 15 mm lang war, besitzen die Kontaktspitzen 124a und 126a der Keile gemäss Fig. 4 und 3 nur eine Länge von ca. 0,5mm.

Die Keilspitzen 124a und 126a bilden zwei Punkte der erwähnten stabilen 3-Punktauflage. Der dritte Auflagepunkt wird durch eine Kugel 150 mit einem Durchmesser von 3mm gebildet, welche am Ende einer langen Madenschraube 152 angebracht ist. Letztere erstreckt sich durch den Tragkörper 128 der Detektor-

einheit 106 symmetrisch zu, aber in gewissem Abstand von den beiden Teilen 124 und 126. Die Schraube 152 kann durch ihr Gewinde in der Position relativ zum Tragkörper 128 verändert werden um die Kugel 150 gegenüber den Keilspitzen 124a und 126a zu justieren. Dadurch können ungefähr gleiche Amplituden bei de beiden von den Keilen aufgenommenen Signalen erzielt werden.

Die vollständige Sonde ist in Fig. 5 dargestellt und umfasst di Detektoreinheit 106 und eine Generatoreinheit 104. Ausserdem ist bei diesem Ausführungsbeispiel ein T-förmiger Tragrahmen 16 aus Kunststoff vorgesehen, welcher einen langen Schenkel 162 und einen rechtwinklig dazu verlaufenden, kurzen Querschenkel 1 aufweist.Die Detektoreinheit 106 ist zwischen dem langen Schenk 162 und der einen Seitenfläche des Querschenkels 164 angeordnet und kann beispielsweise mittels geeigneten Federn an ihrem Plat gehalten werden . Die Generatoreinheit 104 ist innerhalb eines Schlitzes 166 im Querschenkel 164 aufgenommen und kann auf ähnliche Weise mittels einer weiteren Feder,die· in einer Bohrung 142 angeordnet ist, gegen die eine Seitenfläche des Schlitzes gepresst werden, sodass eine einwandfreie Positionierung der Generatoreinheit gegenüber den Keilen 124 und 126 erreicht ist. Die Detektoreinheit 106 kann mittels einer weiter Feder, die gegen die Kugel 148 aufliegt, gegen die Oberfläche d Materialmusters gedruckt werden, während eine entsprechende Feder, die in einer Bohrung 144 angeordnet ist, für das Anpressen der Generatoreinheit gegen die Oberfläche des Materialmusters sorgt.

Bei Versuchen wurde eine Sonde gemäss dem Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 - 5 gebaut, bei welcher die Stahlkeile 124 t 126 eine Höhe von 20mm aufwiesen und einen Abstand von 11mm zwischen ihren Mittellinien besassen. Die Kugel 150 wurde genai in der Mitte zwischen den Keilen und 20mm seitlich der Mittellinie durch die Keile angeordnet. Die Kugel 148 befand sich im Mittelpunkt des Dreiecks, dass durch die drei Auflagepunkte 12* 126a und 150 gebildet ist. Die Keilspitzen wurden sorgfältig bearbeitet, sodass sie exakt paralell zueinander verliefen und in derselben Ebene lagen (Toleranz ca lOmicron). Im übrigen

jj *■ Λ

»ρ ρ *

- 15 -

war die Konstruktion und die Betriebsart der Sonde gemäss der Fig. 3-5 genau gleich wie es im Zusammenhang mit der Ausführung gemäss Fig. 1-2 beschrieben worden ist.

Die beschriebene Sonde gemäss Fig. 3-5 wurde dazu verwendet, die Wiederholbarkeit von Messungen der Laufzeit von Oberflächenwellen auf Mustern aus Aluminiumlegierung 2024-T351 und aus Glasplatten zu bestimmen.Es wurden 5 Muster der Aluminiumlegierung mit den Abmesungen von ca. 100x100x10mm bereitgestellt, wobei eine der Oberflächen eines jeden Musters mit unterschiedlichen Schleifpapieren der folgenden Körnungen behandelt wurde: Nr.60 (grob); Nr.240; Nr.320; Nr.400; Nr.600 (fein) Mindestens 50 aufeinanderfolgende Messungen wurden auf der behandelten Oberfläche eines jeden der Muster durchgeführt.Man hat dabei gefunden, dass bei allen 5 Mustern, alle mit unterschiedlicher Oberflächenbehandung, die Versuchsergebnisse ähnlich waren und eine durchschnittliche Abweichung in der Wellenlaufzeit von 0,3 - 0,5 nsec ergaben. Entsprechende Versuche wurden mit den Glasplatten durchgeführt; auch hier wurden ähnliche Resultate erhalten, wobei die Abweichungen sogar noch weniger betrugen, nähmlich zwischen 0,2 und 0,5 nsec.

Die kleineren Abweichungen in der Wellenlaufzeit durch ver-Weisung der 3-Punktsonde gemäss Fig. 3-5 sind aus der höheren Stabilität gegenüber der Sonde gemäss Fig. 1 und 2 herzuleiten. Die erstere Sonde ist deshalb besser, geeignet um biaxiale Oberflächenspannungen sowohl in Metall als auch in Glas zu messen. Die niedrigen mittleren Abweichungen, die sich bei Verwendung in der 3-Punktsonde gemäss Fig. 3-5 ergeben, lassen erwarten, dass verbleibende Oberflächenspannungen wie auch äusserlich bewirkte Spannungen in der Grössenordnung von 100kg/cm mit grosser Genauigkeit gemessen werden können.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Sonde, sowohl der Ausführung gemäss Fig. 3-5 als auch derjenigen gemäss Fig. 1 und 2, gegenüber den bisher bekannten Vorrichtungen dieser Art ist darin zu erblicken_p das die Verwendung eines Oelfilmes zwischen den Aufnehmern und dem Materialmustern nicht mehr erforderlich

ist. Ein solcher Oelfilm, der bei bisher bekannten Vorrichtungen verwendet werden musste, kann Fehler und Verzerrungen in den Signalen hervorrufen,insbesondere wegen Ungleichmässigkeiten in der Dicke des Films und wegen Benetzung der Seitenflächen der Keile durch das OeI.

Ein weiterer Vorteil gegenüber den bekannten Vorrichtungen liegt darin, dass die neue Sonde nur sehr geringe Federkräfte benötigt, in der Grössenordnung von einigen Dutzend gramm, mit der sie gegen die Oberfläche des Materialmusters gepresst werden muss. Im Gegensatz dazu benötigen bekannte Sonden einen Anpressdruck von einigen kilogramm, was zu örtlichen Deformierungen des Materialmusters und der Keilspitzen führt, mit der Folge, dass die Wiederholgenauigkeit der Messresultate ernstlich beeinträchtigt ist.

Claims

PATENTANSPRUECHE

1. Einrichtung zum zerstörungsfreien Prüfen von Werkstoffen mit Hilfe von akustischen Oberflächenwellen, gekennzeichnet durch:

a) eine Generatoreinheit mit einem Sender und einem Koppelungsorgan zur akustischen Ankoppelung des Senders an die Oberfläche des zu prüfenden Werkstückes, um die vom Sender erzeugte akustische Welle im erforderlichen kritischen Winkel in das Werkstück einzuleiten, sodass entlang dessen Oberfläche eine akustische Oberflächenwelle entsteht;

b) eine Detektoreinheit, die mindestens einen Empfänger und einen Aufnehmer zur Koppelung des Empfängers an der Ober fläche des zu untersuchenden Werkstückes umfasst, wobei der Aufnehmer keilförmige Gestalt aufweist und so angeordnet ist, dass seine Spitze auf dem zu untesuchenden Werkstück aufliegt und seine Längsachse senkrecht zur Oberfläche des Werkstückes verläuft, sodass dessen Spitze die Oberflächenwelle aufnimmt und eine Raumwelle erzeugt, die sich durch den Keil hindurch von der Spitze zum am entgegengesetzten Ende angeordneten Empfänger ausbreitet.

2. Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet» dass die Detektoreinheit zwei Empfänger umfasst, denen je ein keilförmiger Aufnehmer zugeordnet ist, deren Spitzen in Kontakt mit der Oberfläche des zu untersuchenden Werkstückes stehen, wobei die beiden keilförmigen Aufnehmer in vorbestimmten Abstand nebeneinander in Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle angeordnet sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die beiden keilförmigen Aufnehmer aus Metall bestehen und in einem Tragkörper so angeordnet sind, dass ihre Spitzen zur Berührung der Oberfläche des zu untersuchenden Werkstückes herausragen.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Kontaktfläche der keilförmigen Aufnehmer mit der Oberfläche des zu untersuchenden Werkstückes, in Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle gesehen, geringer ist als die Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle.

5. Einrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass jeder der keilförmigen Aufnehmer entlang einer ausgedehnten Linie mit der Oberfläche des zu untersuchenden Werkstückes in Kontakt steht.

6. Einrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass jeder der keilförmigen Aufnehmer mit einer im wesentlichen punktförmigen Auflagefläche die Oberfläche des zu untersuchenden Werkstückes berührt.

7. Einrichtung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoreinheit eine dritte, im wesentlichen punktförmigen Auflagefläche auf die Oberfläche des zu untersuchenden Werkstückes besitzt.

8. Einrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Generatoreinheit und das Koppelungsorgan in einem Tragkörper angeordnet sind, welcher wegnehmbar an der Detektoreinheit anbringbar ist, sodass selektiv verschiedene Generatoreinheiten mit unterschiedlichem kritischem V/inkel, je nach Art des Werkstückes, verwendbar sind.

9. Einrichtung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoreinheit einen gegossenen Tragkörper aufweiset in welchen die Aufnehmer eingebettet sind, wobei die Generatoreinheit wegnehmbar in einem in diesem Tragkörper ausgebildeten Sockel aufgenommen ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass ein Rahmen vorgesehen ist, der mit einem ersten Sockel zur Aufnahme und Ausrichtung der Detektoreinheit und mit einem zweiten Sockel zur Aufnahme und Ausrichtung der Generatoreinheit versehen ist.