DE2245322A1

DE2245322A1 - Verfahren und einrichtung zur zerstoerungsfreien messung der schichtdicke von oberflaechenschichten

Info

Publication number: DE2245322A1
Application number: DE2245322A
Authority: DE
Inventors: Christian Flambard; Alain Lambert
Original assignee: Centre Technique des Industries Mecaniques CETIM
Current assignee: Centre Technique des Industries Mecaniques CETIM
Priority date: 1971-09-24
Filing date: 1972-09-15
Publication date: 1973-03-29
Also published as: GB1368864A; SE383416B; FR2153791A5; JPS4842762A; DE2245322C3; CA954621A; IT967708B; DE2245322B2; JPS52389B2; US3837218A

Description

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KESSLERPLATZ 1 2245322

CENTRE TECHNIQUE DES INDUSTRIES MECANIQUES, SENLIS,Frankreich.

Verfahren und Einrichtung zur zerstörungsfreien Messung der Schichtdicke von Oberflächenschichten

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien Messung der Schichtdicke einer durch eine oberflächliche Werkstoffstrukturveränderung eines Teils betroffenen Schicht, insbesondere zur Messung der Tiefenwirkung einer thermischen und/oder thermochemischen und/oder galvanischen Behandlung des Teils, wobei auf die Oberfläche einer zu untersuchenden Werkstoffprobe ein Ultraschallwellenbündel gerichtet und

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die Energie des reflektierten Bündels bei unterschiedlichen Einfallwinkeln des Ultraschallwellenbündels gemessen wird; Die Erfindung betrifft weiterhin eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die bekannten Verfahren dieser Art dahingehend zu verbessern, dass man in bestimmten Fällen genauere Messungen erhält. Dies wird dadurch erreicht, dass erfindungsgemäss vor der Messung der Energie das reflektierte Bündel mindestens ein weiteres Mal von einer weiteren reflektierenden Oberfläche auf die Probenoberfläche gerichtet wird.

Auf diese Weise können sich die ausgewerteten Erscheinungen der Oberflächenwellen mindestens einmal wiederholen, so dass folglich die Messempfindlichkeit für die Energie des reflektierten Bündels nach der letzten Reflexion an der Oberfläche der Probe entsprechend gesteigert wird.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, auf eine solche Weise vorzugehen, dass daraus eine beträchtliche Vereinfachung der zur Durchführung des Verfahrens verwendeten Einrichtung folgt. Bis heute werden nämlich eine Sonde zur Ausstrahlung der Ultraschallwellen sowie eine Empfängersonde verwendet, die symmetrisch zueinander auf der halbzylindrischen Oberfläche eines auf der zu untersuchenden Probenoberfläche aufgesetzten Verbindungsblockes angeordnet

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sind. Da die Position der Empfängersonde einem Energieminimum des reflektierten Bündels entspricht, misst man folglich den Winkel des einfallenden Well'enbündels. Dieser Winkel ist der-kritische"Einfallwinkel, der zu dem Auftreten der Oberflächenwellen an dem zu untersuchenden Teil führt.

Erfindungsgemäss wird daher eine einheitliche Sender- und Empfängersonde verwendet und es werden die eine oder mehrere weitere reflektierende Oberflächen so angeordnet, dass das zurückgestrahlte Wellenbündel im umgekehrten Sinne, im wesentlichen jedoch längs der gleichen Bahn wie das ankommende Ultraschallwellenbundel verläuft, gleichgültig, wie der Einfallwinkel des Ultraschallwellenbündels isti ^

Auf diese Weise erhält die Sonde, die das Ultraschallwellenbundel ausstrahlt, stets eine günstige Lage zur Aufnahme des letzten zurückgestrahlten Wellenbündels, unabhängig vom Einfallwinkel des ursprünglich abgestrahlten Ultraschallwellenbündels/

Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der beiliegenden Zeichnungen sowie aus weiteren Unteransprüchen.Es zeigt:

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Figur 1 schematisch, eine erste Ausfuhrungsform der Erfindung;

Figur 2 in perspektivischer Darstellung, teilweise aufgebrochen den wesentlichen Teil der Einrichtung gemäss Figur 1,· nämlich den Sondenkopf;

Figur 3 in grösserem Massstab einen Schnitt länge der Linie III-III in Figur 2, und

Figuren Ausführungsvarianten des Sondenkopfes. 4- bis 6

Die in Figur 1 dargestellte Einrichtung ist insbesondere zur zerstörungsfreien Messung der Tiefenwirkung einer thermischen und/oder thermochemischen und/oder galvanischen Oberflächenbehandlung eines beispielsweise aus Stahl "bestehenden Teiles 1 bestimmt. Sie besteht im wesentlichen aus einem Generator 2, einer Messanordnung 5 und einem Sondenkopf 4. Der Generator 2 liefert elektrische Ultraschallsignale, beispielsweise in Form von Impulsen kurzer Dauer oder auch in Form von Wellenzügen mit regelbarer Wellenlänge. Zu diesem Zweck können unterschiedliche Frequenzen verwendet werden.

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Die Messeinrichtung 3 besteht in der Hauptsache aus einem Oszilloskop und gegebenenfalls einer Registriervorrichtung zur Analyse der Signale.

Der Sondenkopf 4 schliesslich besteht im wesentlichen aus einer kombinierten Sender- und Empfängersonde 7 und einem ■Verbindungsblock 8 zwischen der Sonde und dem zu untersuchenden Teil 1.

In dem dargestellen Ausführungsbeispiel besteht der Yerbindungsblock 8 aus Polymethyl-Methacrylat und besitzt die Form eines HalbZylinders, dessen plane Fläche auf die ebenfalls plane Oberfläche des zu untersuchenden Teiles 1 aufgesetzt wird. Die Sender- und Empfängersonde 7 ist ein Wandler oder Überträger, der auf die zylindrische Oberfläche des Verbindungsblockes- 8 aufgesetzt wird. Die Sonde lässt sich in Umfangsrichtung auf der Blockoberfläche so verschieben, dass dadurch die Richtung des von ihr ausgesandten und auf die Oberfläche des zu analysierenden Teiles 1 auftreffenden Strahlenbündels 11 verändert wird.

Der Generator 2 liefert elektrische Signale zur Sonde 7» so dass diese ein Wellenbündel 11 ausstrahlt, das auf die fragliche Oberfläche des Teiles 1 am Punkb A auftrifft und dort in Form eines reflektierten Bündels 12 reflektiert wird. Das roflektierte Bündel 12 trifft somit radial (oder weitgehend radial) auf die zylindrische Trennfläche zwischen

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dem Verbindungsblock 8 und der umgebenden Atmosphäre, so dass sich ein weiteres reflektiertes Bündel 13 ausbildet, das in umgekehrten Sinne jedoch weitgehend auf der gleichen Bahn wie das reflektierte Bündel 12 zurückgestrahlt wird. Es wird ebenfalls von neuem am Punkt A auf der Oberfläche des Teiles 1 reflektiert und folgt somit im umgekehrten Sinne der gleichen Strahlenbahn wie das ursprüngliche Ultraschallwellenbündel 11. Es bildet dort ein zweites reflektiertes Bündel 14, das in die Sonde 7 eintritt. Die Sonde 7 arbeitet somit auch als Empfängersonde.

Um zu verhindern,dass in der Sonde 7 zwischen dem ausgestrahlten und dem empfangenen Wellenbündel Interferenz auftritt, erfolgt die Ausstrahlung in Perioden, die durch

Intervalle voneinander getrennt sind, in denen nicht gesendet wird und in deren Verlauf empfangen wird.

Das einfallende Wellenbündel 11 erfährt somit auf der zu untersuchenden Oberfläche des Teiles 1 zwei aufeinanderfolgende Reflexionen, bevor es in Form des reflektierten Bündels 14 zur Empfängersonde 7 zurückkehrt.

Der Werkstoff des Verbindungsblockes 8 ist so gewählt, dass die Veränderung des Grenzwinkels Tr relativ zu einer Veränderung der Geschwindigkeit vr so gross wie möglich ' ist. Die Beziehung zwischen dem Grenzwinkel Tr und der Portpflanzungsgeschwindigkeit vr der Oberflächenwellen

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lautet:

ein TH

wobei ν die Fortpflanzungsgescliwindigkeit der Längswellen in dem Verbindungsraum "Sonde-Teil" ist.

Für eine gegebene Veränderung von vr erhält man also eine Veränderung des Winkels Tr, die umso grosser ist, je grosser die Geschwindigkeit ν in dem Verbindungsmilieu ist. Aus diesem Grund verwendet man in der Anordnung Werkstoffe, in welchen die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Ultraschall-Längswellen so gross wie möglich ist. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, dass diese Geschwindigkeit kleiner als die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Oberflächenwellen in dem zu untersuchenden Material bleiben muss. Andernfalls, d.h. wenn ν grosser als vr ist, wäre , es unmöglich, Oberflächenwellen zu erzeugen. Als Beispiel sei erwähnt, dass in einem zu untersuchenden Medium,, das

«ι

aus Stahl besteht, vr in der Grössenordnung von 3·000 m/s liegt. Die Geschwindigkeit ν muss also in der Nähe dieses Wertes, jedoch darunter gewählt werden. Man erhält gute Resultate, wenn man als Werkstoff für den Verbindungsblock Polymethyl-Methacrylat einsetzt, für das ein Wert von ν in der Grössenordnung von 2.700 m/s gilt.

Um eine optimale Übertragung der Schwingungen in der ganzen

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Anordnung zu erhalten, wird die Sonde 7 auf die zylindrische Oberfläche des Verbindungsblockes 8 vorzugsweise mittels eines Öl- oder Fettfilmes aufgesetzt. Die akustische Koppelung zwischen dem Verbindungblock 8 und dem zu untersuchenden Teil 1 wird gleichfalls mittels eines öl- oder Fettfilmes hergestellt, der zwischen diesen beiden Teilen liegt. Die Koppelung lässt sich auch mittels einer flüssigkeitsgefüllten Kammer herstellen, wobei als Flüssigkeit z.B. Wasser oder ül dient, und deren Druckbeaufechlagung durch leichten Druck zu einer Deformation einer Membran führt, die exakt der Form der zu untersuchenden Oberfläche entspricht und an dieser anliegt.

In Figur 4· ist ein Verbindungsblock 8A mit einer insofern abweichenden Gestaltung dargestellt, als eine Hälfte seiner planen Oberfläche, wie bei 21 angedeutet, leicht hochgezogen ist. Dies erleichtert die vollkommene Auslösung der Ultraschallwellen.

In Figur 5 ist eine weitere modifizierte Ausführungsform für den Verbindungsblock 8B dargestellt, bei der eine Hälfte des Blockes einen kleineren Krümmungsradius r aufweist als die andere Hälfte mit dem Krümmungsradius R, auf der die Sonde 7 aufgesetzt ist. Man erhält dadurch einen Block kleineren Volumens.

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Die Figur 6 zeigt ein Aüsführungsbeispiel für einen Verbindungsblock 8C von noch stärker verringertem Volumen, der beispielsweise den Zugang zu Winkeln oder Ecken erlaubt, wie sie z.B. in Schwalbenschwanzführungen 23 gebildet werden. Der Einfallswinkel T kann somit bei diesem Ausführungsbeispiel nur zwischen engen Grenzen verändert werden, während er bei den Ausführungsformen gemäss den voranstehenden Figuren zwischen 0 und 90 veränderbar ist.

Zur Untersuchung und Überwachung der Oberfläche von Teilen besonderer Gestaltung, beispielsweise von zylindrischer oder kugelförmiger Ausbildung, braucht lediglich die Tragfläche des Verbindungsblockes, mit der dieser an dem zu untersuchenden Teil anliegt, in die entsprechende Form gebracht zu werden.

In den Figuren 2 und 3 isb im einzelnen der Aufbau der Einrichtung gemäss Figur 1 dargestellt. In diesen Figuren finden sich der Verbindungsblock 8 und die Sender- und Empfängersonde 7· Der Verbindung«block 8 besitzt auf seinen beiden Stirnseiten Radialnuten» 31> 32 mit Schwalbenschwanzquerschnitt, mit denen er längs zweier entsprechend geformter fester Zungen 33, 34 gleiten kann. Die Schwalbenschwanz ziuigen 33, 34 3ind beispielsweise mittels Schrauben, von denen lediglich die Achnon 35 angedeutet sind, an den Innenflächen zweier Wangen 38, 39 befestigt. Die Wangen 38, 39 besitzen HalbkreiuforiiT und liegen koaxial zum Ver-

bindungsblock 8. Sie sind durch Traversen 41, 42 miteinander

verbunden.

Die Sender- und Empfängersonde 7 ist in einer Radialführung 44 verschiebbar und wird an die zylindrische Oberfläche des Verbindungsblockes 8 durch eine Feder 45 angedrückt, deren eines Ende sich auf einer vorspringenden Schulter •46 der Sonde abstützt, während ihr anderes Ende an der Innenfläche einer Ringscheibe 48 anliegt, die beispielsweise mittels Schrauben 49 an der Radialführung 44 befestigt ist. Die Radialführung 44 weist zwei kreisbogenförmige Seitennuten 51» 52 auf, in die entsprechend bogenförmig gestaltete Vorsprünge 53» 5^ an den Innenflächen der beiden Seitenwangen 38, 39 hineinragen.

Ausserdem ist an der zylindrischen Aussenfläche des Vorsprunges 5^ an der Seitenwange 39 eine Skala 55 angebracht, um die Position der Radialführung 44 auf der Oberfläche des Verbindungsblockes 8 und somit den Winkelwert des Einfallwinkels T des Ultraschallwellenbündels zu markieren.

Bei der Verwendung der Einrichtung wird die Winkelposition der Sonda aufgesucht, bei der die Energie des reflektierten Wellenbündelfr M- ein Minimum ist. Dies gibt gleichzeitig den Wert des kritischen Winkels T des einfallenden Ultraschallwellenbündels 11 an, der zur Erzeugung von Oberflächenwellen auf dem zu untersuchenden Teil führt.

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Die erfindungsgemässe Einrichtung ermöglicht generell sehr schnelle Messungen in industriellem Massstab, erlaubt eine sehr einfache Handhabung, ist tragbar und kann auf Teilen gleich welcher Abmessungen angesetzt werden.Sie lässt sich darüberhinaus an die Form solcher Teile anpassen und besitzt schliesslich einen sehr einfachen Aufbau und eine ° einfache Konstruktion·

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Claims

Patent- (Schutz-) Ansprüche

1« Verfahren zur zerstörungsfreien Messung der Schichtdicke einer durch eine oberflächliche Werkstoffstrukturveränderung eines Teils betroffenen Schicht, insbesondere zur Ilessung der Tiefenwirkung einer thermischen und/oder thermochemisehen und/oder galvanischen Behandlung des Teils, wobei auf die Oberfläche einer zu untersuchenden Werkstoffprobe ein Ultraschallwellenbündel gerichtet und die Energie des reflektierten Bündels bei unterschiedlichen Einfallwinkeln des Ultraschallwellenbündels gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Messung der Energie das reflektierte Bündel mindestens ein weiteres Mal von einer weiteren reflektierenden Oberfläche auf die Probenoberfläche gerichtet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder mehrere reflektierende Oberflächen so angeordnet werden, dass das zurückgestrahlte Wellenbündel unabhängig vom Einfallwinkel des eingestrahlten Ultraschallwellenbündels im umgekehrten Sinne im wesent-

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lichen auf der gleichen Bahn wie das eingestrahlte Ultraschallwellenbündel verläuft.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als weitere reflektierende Oberfläche eine feste Oberfläche mit gekrümmtem Profil verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das einfallende Ultraschallwellenbündel und das reflektierte Wellenbündel mittels derselben Sender- und Empfängersonde ausgestrahlt bzw. empfangen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausstrahlung des Ultraschallwellenbündels während Perioden erfolgt, die durch Intervalle voneinander getrennt sind, in denen nicht gesendet, sondern nur empfangen wird. -
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschallwellenbündel in Impulsform ausgesendet wird.
7. Verfahren nach dnera oder mehreren dor Ansprüche 1 bis 5> dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschall-

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wellenbündel in Form von Wellenzügen mit regelbarer Wellenlänge ausgestrahlt wird.
8. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, gekennzeichnet durch einen Wandler in Form einer Sender- und Empfängersonde (7) für Ultraschallwellen, einen Verbindungsblock (8) zwischen dem Wandler und einer zu untersuchenden Probe (1) und durch eine Einrichtung zur Halterung, Einstellung und Messung von Position und Richtung des Wandlers (7) auf dem Verbindungsblock (8), wobei der Verbindungsblock (8) mindestens eine Stützfläche zur Abstützung auf der Probe (1), eine zylindrische Stützfläche zur Aufnahme des Wandlers

(7) sowie eine gekrümmte Oberfläche aufweist, welche als weitere reflektierende Oberfläche dient.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsblock (8) aus Kunststoff besteht.
10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsblock (8) aus Polymethyl-Methacrylat besteht.
11. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 10.zur Untersuchung von Proben mit planer Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungs-

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block (8) harbzylindrisch ist und mit seiner, planen Fläche auf der zu untersuchenden Probe aufliegt, dass

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ein Teil der zylindrischen Fläche als Stützfläche für den Wandler (7) dient, während der andere Teil der , zylindrischen Fläche die reflektierende Oberfläche darstellt, und dass die Halterungseinrichtung für den Wandler (7) um eine Achse verschwenkbar ist, die mit der Zylinderachse des Verbindungsblockes (8) zusammenfällt.
12. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die gekrümmte Oberfläche des Verbindungsblockes (833} ein Teil einer Zylinderfläche ist, die koaxial zur zylindrischen Stützfläche für den Wandler (7) liegt, jedoch einen kleineren Krümmungsradius (r) als diese aufweist.

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