DE8306015U1

DE8306015U1 - Schallvorlaufkörper für Ultraschallprüfkopf

Info

Publication number: DE8306015U1
Application number: DE8306015U
Authority: DE
Original assignee: Krautkraemer GmbH and Co
Current assignee: Krautkraemer GmbH and Co
Priority date: 1983-03-03
Publication date: 1984-09-20

Description

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Krautkrämer GmbH 28. Februar 1983

Luxemburger Str. 449 Kw/Cl

5000 Köln 41 K-171

SCHALLVORLAUFKÖRPER FÜR ULTRASCHALLPRÜFKÖPFE

öie Erfindung betrifft einen Schall Vorlaufkörper aus einem mechanisch gut bearbeitbaren festen Stoff mit vorgegebenem Wärmeausdehnungsverhalten für Ultraschall prüfköpfe zur übertragung von Ultraschallwellen von einem elektroakustischen Wandler in ein Prüfstück und/oder vom Prüfstück zum elektroakustischen Wandler, wobei der Schallvorlaufkörper Temperaturen bis zum Curie-Punkt des elektroakustischen Wandlers ausgesetzt ist.

Bei Ultraschallmessungen an heißen Körpern oder bei der Ultraschallprüfung heißer Prüfstücke ist eine Kühlung des Prüfkopfes oder des Scha11 vorlaufkörpers des Prüfkopfes dann nicht erforderlich, wenn die Temperatur des Prüfstückes unterhalb der Curie-Temperatur des piezoelektrischen Wandlers bleibt. Hierbei ist natürlich vorausgesetzt, daß die anderen in einem Prüfkopf vorhandenen Bauelemente, wie Dämpfungskörper, elektrische Anschlußelemente usw. genügend temperaturbeständig sind. Der Aufbau von Ultraschallprüfköpfen ist in J. Krautkrämer und H. Krautkrämer, Werkstoffprüfung mit Ultraschall, 4. Auflage 1980, Springer-Verlag, auf den Seiten 217 bis 222 beschrieben. Diese Prüfköpfe weisen für die Prüfung heißer Prüfstücke einen Schallvorlaufkörper auf, durch den der direkte Kontakt des mechanisch sehr empfindlichen elektroakustischen Wandlers mit dem Prüfstück vermieden wird. Für derartige Schallvorlaufkörper werden

hitzebeständige Kunststoffe, Metalle oder Quarzglas benutzt (vgl. auch Seite 296 und Seite 579 des vorstehend erwähnten Buches von J. und H. Krautkrämer).

Die Schall vorlaufkörper aus Kunststoff haben den Nachteil, daß bei den verwendeten Ultraschallfrequenzen im Megahertzbereich, die Dämpfung des zu übertragenden Ultraschalls und die Schallausbreitungsgeschwindigkeit stark von der Temperatur abhängen und dabei oft ein nichtlineares oder gar sprunghaftes Verhalten auftritt. Außerdem haben derartige Kunststoffe einen nachteilig großen Wärmeausdehnungskoeffizienten, so daß bei Temperaturschwankungen die akustische Verbindung zwischen Schal!vorlaufkörper und elektroakustischem Wandler zerstört wird. Schal!vorlaufkörper aus Metall haben allgemein auch einen nachteilig großen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der ca. 2-4 mal größer ist als der des elektroakustisehen Wandlers. Auch ist es bei Schall vorlaufkörpern aus Metall nachteilig, daß die Ul traschall Verluste bei Erwärmung stark ansteigen.

Die Verwendung von Quarzglas für derartige Schal Ivor!aufkörper scheitert allgemein an dem mechanischen Verhalten dieses Materials.

Bei diesem Material ist es besonders nachteilig, daß es nicht ge-ι nügend auf Druck beanspruchbar ist und insbesondere bei größeren

{ Temperaturen unter Druckbeanspruchung zerbröckelt, daß es infolge j

des spröden Verhaltens sehr leicht beschädigt werden kann und daß eine Bearbeitung sehr aufwendig ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schallvorlauf körper der eingangs erwähnten Art anzugeben, dessen akustische öbertragungseigenschaften im Ultraschallbereich auch bei starken Temperaturwechsel erhalten bleiben, dessen Wärmeausdehnungsverhalten dem Material des elektroakustisehen Wandlers angepaßt ist und der sich mechanisch gut bearbeiten läßt.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Schall-Vorlaufkörper aus einer Glaskeramik besteht.

Der erfindungsgemäße Schal!vorlaufkörper aus Glaskeramik hat
folgende Vorteile gegenüber bekannten Schall vorlaufkörpern:

a) Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Schall vorlaufkörpers aus Glaskeramik ist durch die Wahl der möglichen Zusammensetzung derart einstellbar, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient des erfindungsgemäßen Schall vorlaufkörpers in der Nähe des

arithmetischen Mittels aus dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des elektroakustischen Wandlers, allgemein auch ein keramischer Stoff und aus dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Prüfstückes, allgemein Stahl, liegt.

b) Schall vorlaufkörper aus Glaskeramik sind mit den herkömmlichen Metallbearbeitungsmaschinen, einschließlich ihrer Werkzeuge, auf Präzisionstoleranzen bearbeitbar.

c) Die mechanische Festigkeit der Schall vorlaufkörper aus Glaskeramik ist sehr gut. So tritt bei plötzlichen Temperaturwechseln, z.B. durch plötzliches Abschrecken von einer Temperatur bei 800⁰C auf O⁰C keine Beeinträchtigung der Verwendungsmöglichkeit auf.

d) Die Ultraschall Schwächung dieser Schall vor!aufkörper ist sehr gering und sie bleibt ebenso wie die Schallausbreitungsgeschwindigkeit im Bereich der Anwendungstemperaturen genügend konstant.

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Die Unteransprüche geben eine besonders geeignete Glaskeramik an. Wählt man vorzugsweise eine Phlogopit-Festlösuhg der Summenformel

Κ,._χ Mg₃ (Al^_x Si_3+X Q₁₀) F₂ ; 0^x^0,5 ,

kann man duch geeignete Wahl von χ eine Glaskeramik herstellen, deren Wärmeausdehnungskoeffizient einen Zwischenwert zwischen dem des verwendeten elektroakustischen Wandlers und dem des Prüfstücks aus z.B. Stahl aufweist. Das ist wichtig, wenn der Schal 1 vorlaufkörper über eine spröde Ankoppelschicht mit dem Prüfstück akustisch verbunden wird, um eine Zerstörung der akustischen Ankopplung infolge stark unterschiedlicher Wärmeausdehnung zu vermeiden.

Ein weiterer Vorteil der SchalIvor!aufkörper aus einer geeigneten Glaskeramik ist die günstige Größe des Schallwellenwiderstandes, so daß die ReflektionsVerluste an der Grenzfläche zum elektroakustischem Wandler geringer sind als bei Kunststoffen. Kunststoffe haben Schallwellenwiderstände in der Größenordnung von 3 ■ 10 ° pa · s/m und Glaskeramiken aus Phlogopit-Festlösung Schallwellenwiderstände in der Größenordnung von 15 · 10 ^ pa · s/m und die elektroakustischen Wandler Schallwellenwiderstände von 25 · 10 ⁶ pa · s/m
bei Pb-Metaniobat.

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25 · 10 pa · s/m bei Bariumtitanat und 30 · 10 pa · s/m

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe der einzigen Figur erläutert.

Die Figur zeigt einen Ul traschall prüfkopf der sowohl zum Senden als auch zum Empfangen geeignet ist. Der elektroakustisch^ Wandler ist mit 1, der erfindungsgemäße Schall vorlaufkörper aus Glaskeramik mit 2 und der üblicherweise in derartigen Prüfköpfen vorhandene Dänipfungskörper mit 3 bezeichnet. Das Gehäuse des Prüfkopfes das den Dämpfungs-

körper 3, den elektroakustischer! Wandler 1_S den erfindungsgemäßen SchalIvor!aufkörper 2 und die nicht näher bezeichneten elektrischen Bauteile und Anschlüsse enthält, trägt die Bezugsziffer 4. Das zu prüfende Prüfstück ist mit der Bezugsziffer 5 und die akustischen Ankoppelschichten zwischen elektroakustischem Wandler 1 und Schallvorlauf körper 2 bzw. Schal Ivor!aufkörper 2 und Prüfstück 5 sind mit 6 bzw. 6a bezeichnet. Die Ankoppelschichten gewährleisten durch ihren geeigneten Schal!wellenwiderstand, daß ein brauchbarer Anteil des Ultraschal!drucks bzw. der Ultraschallenergie in das Prüfstück und von dort als reflektierter Schall wieder zum elektroakustisehen Wandler gelangt.

Glaskeramische Werkstoffe, wie sie gemäß der vorliegenden Erfindung als Schall vorlaufkörper verwendet werden, sind an sich aus der Elektrotechnik bekannt. Sie werden dort üblicherweise als mechanisch gut bearbeitbare Isolierstoffe und Dielektrika verwendet. Diese Werkstoffe werden aus ihrem ursprünglich nichtkristallinen Zustand dm ch Keimbildner und einer Wärmebehandlung in kristallisierte keramische Werkstoffe umgewandelt. Eine derartige Glaskeramik-Gruppe ist die Phlogopit-Festlösung. Die mechanische Bearbeitbarkeit ist vergleichbar mit Messing, Aluminium oder kaltgewalztem Stahl,. Die Wärmeausdehnungszahlen liegen im Bereich von 35 · 10 "^ bis 150 · 10 "^ pro Grad Celsius. Die Wärmeeigenschaften sind, wie auch andere Parameter, durch die ursprüngliche Zusammensetzung des Glases und der Wärmebehandlung beeinflußbar. Derartige Glaskeramiken sind von G.H. Beall et. al.,"Bearbeitbare Glaskeramik, feinwerktechnik und micronic 76" (1972), H.3, S.107 - 111, beschrieben.

Besteht z.B. der elektroakustische Wandler 1 aus Pb-Metaniobat, Wärmeausdehnungskoeffizient = 6,3 ■ 10 "⁶ / ⁰C, dann kann man eine Glaskaramik mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 9,4 ■ 10 / ⁰C verwenden und liegt beim angenäherten Mittelwert zu Stahl mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 12 · 10 ""/⁰C

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Eine Phlogopit-Festlösung mit diesen Wärmeausdehnungskoeffizienten im Temperaturbereich von 25⁰C bis 400⁰C wird unter der Kennziffer 9658 von Corning Glas GmbH, 7000 Stuttgart-80, Ernsthaldenstr. 17 propagiert.
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Ist die akustische Ankopplung an das Prüfstück 5 nicht kritisch, wenn z.B. die Ankoppelschicht 6a aus einer verformbaren Masse besteht, dann wird man für den erfindungsgemäßen Schal 1 vorlaufkörper 2 eine Glaskeramik aus einer Phlogopit-Festlösung wählen, mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten der dem des elektroakustischen Wandlers, in diesem Beispiel 6,3 · 10 ~ /⁰C, gleich ist. Eine derartige Phlogopit-Festlösung wird von der genannten Corning Glas GmbH unter der Kennziffer 9656 propagiert.

Claims

• ■ ···· * * · ·* •28.Februar 1983■ a *■ · * · ■■ · *Kw/ClKrautkrämer GmbHK-171Luxemburger Str. 4495000 Köln 41 - Ansprüche

1. Schal!vorlaufkörper aus einem mechanisch gut bearbeitbaren festen Stoff mit vorgegebenem Wärmeausdehnungsverhalten für Ul traschall prüfköpfe zur übertragung von Ultraschallwellen von einem elektroakustisehen Wandler in ein Prüfstück und/oder vom Prüfstück zum elektroakustisehen Wandler, wobei der Schallvorlaufkörper Temperaturen bis zum Cuvie-Punkt des elektroakustischen Wandlers ausgesetzt ist,
dadurch gekennzeichnet, daß der Schal!vorlaufkörper (2) aus einer Glaskeramik besteht.

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2. Schallvorlaufkörper nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Glaskeramik eine Phlogopit-Fastlösung der Summenformel
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10> ^F2

^F2 ist, wobei x Werte zwischen 0 und 0,5 annimmt.

3. Schallvorlaufkörper nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß der Wert χ so gewählt wird, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient des Schall vorlaufkörpers in der Mitte zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten des eleketroakustisehen Wandlers (1) und des Prüfstückes (5) liegt.

4. Schallvorlaufkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet* daß der Wert χ so gewählt wird, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient des Schall vorlaufkörpers angenähert gleich dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des elektroakustischen Wandlers ist.