DE3303412C2

DE3303412C2 - Ultraschallprüfkopf

Info

Publication number: DE3303412C2
Application number: DE19833303412
Authority: DE
Inventors: Willi Ing.(grad.) 5000 Köln Warkowski
Original assignee: Krautkraemer GmbH and Co
Current assignee: Krautkraemer GmbH
Priority date: 1983-02-02
Filing date: 1983-02-02
Publication date: 1984-11-22
Also published as: DE3303412A1

Description

2. Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallprüfkopfes nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet,

— daß vor der Verwendung des Ultraschallprüfkopfes zur Messung an heißen Prüfstücken der Prüfkopf auf eine Temperatur von mindestens 250⁰C erhitzt wird, wobei die Feder (43) den elektroakustischen Wandler (2) und den Schallvorlaufkörper (3) über die dazwischenliegende Polycarbonat-Folie (1) mit einem Druck von mindestens 3 · 10⁵ N/m² gegeneinander preßt.

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallprüfkopf mit mindestens einem elektroakustischen Wandler und mindestens einem Schallvorlaufkörper für die Messung an heißen Prüfstücken.

Bei der Ultraschallprüfung von heißen Prüfstücken ohne Zwangskühlung des Ultraschallprüfkopfes nimmt im Dauerbetrieb der elektroakustische Wandler im Ultraschallprüfkopf im Grenzfall die Temperatur des Prüfstückes an.

Als Ultraschallprüfkopf wird im folgenden die Anordnung, bestehend aus dem elektroakustischen Wandler, einem eventuell notwendigen akustischen Dämpfungskörper, der elektrischen Kontaktierung des Wandlers und gegebenenfalls einem Schallvorlaufkörper in einem Gehäuse verstanden (J. Krautkrämer und H. Krautkrämer, »Werkstoffprüfung mit Ultraschall«, 4. Auflage 1980, Springer-Verlag, Sei ten 217—227).

Bei der Verwendung piezoelektrischer Wandler mit entsprechend hoher Curie-Temperatur ist es zwar möglich, einen Prüfkopf ohne Schallvorlaufkörper 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. Aus diesem Grunde wird oft zwischen dem piezoelektrischen Wandler und dem Prüfstück ein Schallvorlaufkörper mit geeigneten akustischen Eigenschaften innerhalb des in Frage kommenden Temperaturbereiches verwendet. Hierdurch entsteht die Forderung, sowohl den piezoelektrischen Wandler an den Schallvorlaufkörper als auch diesen an das Prüfstück akustisch anzukoppeln. Bei Raumtemperaturen entstehen hier nur in Sonderfällen Probleme; Bei heißen Prüfstücken, z. B. bei Temperaturen um 300° C wird diese Ankopplung problematisch. Wird, wie es allgemein üblich ist. der piezoelektrische Wandler auf den Schallvorlaufkörper aufgekittet, dann kommt es bei den auftretenden Temperaturwechseln schnell zur Ablösung des Wandlers vom Schallvorlaufkörper. Es ist ein Nachteil von Klebe- oder Kittverbindungen, daß sie das stark unterschiedliche Wärmeausdehnungsverhalten der mit einander verklebten Stoffe nicht ausgleichen können.

Akustische Ankoppelprobleme treten auch bei der Ankopplung des Schallvorlaufkörpers 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). Wolke man, wie es auch aus der US-PS 33 93 331 bekannt ist, solche Flüssigkeiten zur Ankopplung des Wandlers an den Schallvorlaufkörper verwenden, müßte man zur Vermeidung der genannten Nachteile den Vorlaufkörper kühlen und damit die Ankoppelflüssigkeit auf niedriger Temperatur halten.

Eine andere Ankoppelmethode ist aus der US-PS 26 97 936 bekannt. Hier wird vorgeschlagen, zur Ankopplung zwischen Schallvorlaufkörper tind heißem Prüfstück sin 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 dieses Verfahren ebenfalls nicht, den Wandler an den Schallvorlaufkörper anzukoppeln, da das Silikat bei schnellem Temperaturwechsel, wie andere Kittverbindungen auch, zu Ablösungen führt.

Aus der US-PS 37 63 694 ist es bekannt, zur Ankopplung eines Prüfkopfes an ein heißes Prüfstück zwischen beiden streifenförmige Kunststoffolien, z. B. Polymerisatfolien, zu legen, die sich bei der Oberflächentemperatur des Prüfstückes deformieren. Diese Ankoppelmethode läßt sich aber nicht zur Ankopplung eines Wandlers an den Schallvorlaufkörper anwenden. Es führt nicht zu einer Schallübertragung vom Wandler in den Vorlaufkörper, wenn z. B. die übliche Flüssigkeitsschicht durch eine Polymerisatfolie ersetzt wird. Die Schallübertragung ist nur im Bereich der geeigneten hohen Temperatur möglich und auch nur dann, wenn von Hand der bei der Prüfung übliche Andruck des Schallvorlaufkörpers an den Wandler vorhanden ist Ohne Andruck und bei niedrigen Temperaturen ist keine Schallübertragung möglich, da sich die Polymerisatfolie sowohl vom Schallvorlaufkörper als auch vom Wandler löst.

Es ist Aufgabe der Erfindung einen Prüfkopf anzugeben, bei dem die mechanische und akustische Verbindung des elektroakustischen Wandlers mit dem Schallvorlaufkörper bleibend und sowohl hitzebeständig als auch temperaturwechselbeständig ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

Der Anspruch 2 gibt ein besonders vorteilhaftes Ver-

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fahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Ultraschallprüfkopfes für Arbeitstemperaturen bis 300° C an.

Einzelheiten und weitere Vorteile der Erfindung werden anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe der F i g. 1 und 2 erläutert Es zeigt

F i g. 1 einen erfindungsgemäßen Prüfkopf mit einer Polycarbonat-Folie zwischen dem piezoelektrischen Wandler und dem Schallvorlaufkörper und mit einer Druckfeder,

Fig.2 einen erfindungsgemäßen S/E-Prüfkopf, der mit dem heißen Prüfstück fest verbunden ist

F i g. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Prüfkopf. In einem Gehäuse 4 befinden sich ein piezoelektrischer Wandler 2, der den Uhraschall erzeugt und/oder empfängt und ein Schallvorlaufkörper 3. Zwischen diesen beiden Teilen ist erfindungsgemäß eine thermoplastische Folie 1, für den Temperaturbereich bis 300⁰C vorteilhafterweise eine Folie aus Polycarbonat, vorhanden. Eine Feder 43 preßt den piezoelektrischen Wandler 2 über diese Folie 1 gegen den SchallvorlaufkOrper 3. Ein Druckstück 6, das in diesem Beispiel ein akustischer Dämpfungskörper ist, verteilt die Druckkraft der Feder gleichmäßig über die Wandlerfläche. Die Feder 43 stützt sich am Prüfkopfgehäuse 4 ab. Dieses Prüfkopfgehäuse ist hier zweiteilig dargestellt und besteht in diesem Beispiel aus einem Gehäuseteil mit Anschlag für den Schallvorlaufkörper 42 und einem Deckelteil 41, die miteinander verbunden, z. B. verschraubt sind. Elektrische Kontaktmittel und Mittel zur Anpassung der elektrischen Impedanzen sind nicht gezeigt Über die elektrisehe Leitung 5 ist der piezoelektrische Wandler 2 mit dem nicht dargestellten Ultraschallgerät verbunden.

Die Polycarbonat-Folie muß nun nach der Montage unter Federdruck erwärmt werden, so daß diese thermisch verformbar wird, bei Polycarbonat auf Temperatüren oberhalb von 250⁰C. Hierbei tritt eine bleibende oberflächenhafte Verbindung zwischen dem piezoelektrischen Wandler 2 und der Folie 1 einerseits und zwischen der Folie 1 und dem Schallvorlaufkörper 3 andererseits auf, die auch nach der Abkühlung erhalten bleibt.

Die erfindungsgemäße Lehre eignet sich vorteilhafterweise auch für SE-Prüfköpfe. Bei SE-Prüfköpfen sind entsprechend F i g. 2 für die Erzeugung eines Schallimpulses ein erster piezoelektrischer Wandler 21 mit Schallvorlaufkörper 31 und für den Empfang ein anderer Schallvorlaufkörper 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 Schallvorlaufkörpern 31, 32 akustisch verbunden. Die schallerzeugenden und schallempfangenen Teile sind durch eine Entkopplungsschicht 7 akustisch voneinander isoliert.

Wie F i g. 2 weiterhin zeigt, ist in diesem Beispiel der Prüfkcpf 4 nicht als frei beweglicher Prüfkopf gestaltet, sondern über die Andruckschrauben 91, 92 mit dem Prüfstück 81 fest verbunden. Mit dieser Anordnung kann das Temperaturverhalten der Polycarbonat-Folie untersucht werden. Dazu werden 0,1 mm dicke Polycarbonat-Folien 11, 12, 13 sowohl zwischen piezoelektrischen Wandlers 21, 22 und Schallvorlaufkörpern 31,32 als auch zwischen einem das Prüfstück ersetzenden Teststück 81 und den Schallvorlaufkörpern verwendet. Die Feder 42 erzeugt über das Druckstück 6 eine Anpreßkraft von 80 bis 100 N. Der Schallvorlaufkörper und der Wandler sind jeweils Halbzylinder, so daß sie in der zusammengesetzten Form einen Kreiszylinder bilden. Der Durchmesser dieses Kxeiszylinders beträgt in diesem Beispiel 20 mm. Bei einer Temperatur von 250°C beginnen die Polycarbonat-Folien 11,12,13 teigig zu werden und es findet eine Ultraschallankopplung statt Nach ca. 2Std wird die Temperatur auf 300⁰C erhöht und die Ultraschallübertragung 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 Ultraschailankoppiung bleibt nun auch bei mehrfachen Abkühlungsvorgängen erhalten, so daß erfindungsgemäße Prüfköpfe auch bei wechselnden Temperaturen (bei Polycarbonat bis zu 300° C) verwendet werden können.

In diesen Beispielen werden Dauerstandzeiten von vielen hundert Stunden erreicht Wobei die Schwächung der Ultraschallübertragung bei 300° C nur 15 bis 20 db beträgt Die Schwächung bei bekannten pastösen Mitteln beträgt dagegen mehr als 40 db.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Ultraschallprüfkopf mit mindestens einem elektroakustischen Wandler und mindestens einem Schallvorlaufkörper für die Messung an heißen Prüfstücken, dadurch gekennzeichnet,

— daß zwischen elektroakustischem Wandler (2) und Schallvorlaufkörper (3) eine Polycarbonat-Folie (1) angeordnet ist,

— daß der elektroakustische Wandler (2) mittels einer Feder (43), die sich innerhalb des Prüfkopfgehäuses (4) an einem Deckelteil (41) abstützt, gegen die Polycarbonat-Folie (1) und diese gegen den Schallvorlaufkörper (3) gedrückt wird.