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ULTRASCHALLPROFKOPF
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Die Erfindung betrifft einen Ultraschallprüfkopf mit mindestens einem
elektroakustischen Wandler und mindestens einem Schallvorlaufkörper für die Messung
an heißen Prüfstücken.
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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.
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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, Seiten 217-227).
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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.
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einer hitzebeständigen Paste, an das heiße Prüfstück anzukoppeln.
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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 infrage kommenden Temperaturbereiches
verwendet. Hierdurch entsteht die Forderung, sowohl den piezoelektischen 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 300ob wird diese Ankopplung problematisch.
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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.
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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).
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Aus der US-PS 2.697.936 ist weiterhin ein Verfahren bekannt, zur Ankopplung
zwischen Schallvorlaufkörper 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 1000°C 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
nicht, den Wandler an den Schallvorlaufkörper anzukoppeln, da das Silikat bei schnellem
Temperaturwechsel, wie andere Kittverbindungen auch, zu Ablösungen führt.
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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 temperaturwechsel beständig ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden
Teils des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Unteransprüche geben besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung für Arbeitstemperaturen bis 3000C bzw. für die akustische Ankopplung des
Schallvorlaufkörpers an das Prüfstück an.
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Einzelheiten und weitere Vorteile der Erfindung werden anhand eines
Ausführungsbeispiels mit Hilfe der Figuren 1 bis 3 erläutert.
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Es zeigt: Fig. 1: einen erfindungsgemäßen Prüfkopf mit einer thermoplastischen
Folie zwischen dem piezoelektrischen Wandler und dem Schallvorlaufkörper und mit
einer Druckfeder, Fig. 2: die Ankopplung eines erfindungsgemäßen Prüfkopfes mittels
einer weiteren thermoplastischen Folie an ein heißes Prüfstück, Fig. 3: einen erfindungsgemäßen
S/E-Prüfkopf, der mit dem heißen Prüfstück fest verbunden ist.
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Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Prüfkopf. In einem Gehäuse 4
befinden sich ein piezoelektrischer Wandler 2, der den Ultraschall 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 Schallvorlaufkörper 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. Ober die
elektrische Leitung 5 ist der piezoelektrische Wandler 2 mit dem nicht dargestellten
Ultraschall gerät verbunden.
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Die thermoplastische Folie muß nun nach der Montage unter Federdruck
erwärmt werden, so daß diese thermisch verformbar wird, bei Polycarbonat auf Temperaturen
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.
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Eine Anwendung der erfindungsgemäßen Lehre zur Ultraschallübertragung
von der Schallaustrittsfläche des Schallvorlaufkörpers 3 in ein Prüfstück 8 ist
ebenfalls möglich und in Fig. 2 dargestellt.
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Hierin ist eine zweite thermoplastische Folie mit 13 bezeichnet.
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Der Anpreßdruck des Schallvorlaufkörpers 3 an das Prüfstück 8 kann
je nach Anwendungsfall durch eine Federspannvorrichtung, eine Gewichtsbelastung
u.a. erzeugt werden. Ein derartiger mit einer
thermoplastischen
Folie 13 auf der Schallaustrittsseite des Schallvorlaufkörpers 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.
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Die erfindungsgemäße Lehre eignet sich vorteilhafterweise auch für
SE-Prüfköpfe. Bei SE-Prüfköpfen sind entsprechend Fig. 3 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.
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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 Schallvorlaufkörpern
verwendet. Die Feder 43 erzeugt über das Druckstück 6 eine Anpreßkraft von 80 bis
100 N.
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Der Schallvorlaufkörper und der Wandler sind jeweils Halbzylinder,
so daß sie in der zusammengesetzten Form einen Kreiszylinder bilden.
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Der Durchmesser dieses Kreiszylinders beträgt in diesem Beispiel 20
mm. Bei einer Temperatur von 2500C beginnen die Polycarbonatfolien 11,12,13 teigig
zu werden und es findet eine Ultraschallan-
Kopplung statt. Nach
ca. 2 Std. wird die Temperatur auf 3000C erhöht und die Ultraschall übertragung
wird besser, in diesem Beispiel um 5 bis 7 db. Das wird dadurch erklärt, daß die
Andruckkraft die Koppel schicht, also die sich bei dieser Temperatur einstellende
Foliendicke, verringert. Die Ultraschallankopplung bleibt nun auch bei mehrfachen
Abkühlungsvorgängen erhalten, so daß der Prüfkopf auch bei wechselnden Temperaturen
(bei Polycarbonat bis zu 3000C) verwendet werden kann.
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In diesen Beispielen werden Dauerstandzeiten von vielen hundert Stunden
erreicht. Wobei die Schwächung der Ultraschallübertragung bei 3000C nur 15 bis 20
db beträgt. Die Schwächung bei bekannten pastösen Mitteln beträgt dagegen mehr als
40 db.
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