DE4015847A1 - Ultraschall-pruefkopfanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ultraschall-Prüfkopf­ anordnung zur zerstörungsfreien Prüfung von Haft- oder Klebeverbindungen zwischen schalleitenden Platten, insbe­ sondere Blechen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zur Qualitätskontrolle von Haft- oder Klebeschichten zwischen schalleitenden Platten, etwa einfach oder mehr­ fach gedoppelten Blechen von Flugzeug-Rumpfschalen, sind zahlreiche Ultraschall-Prüfgeräte und -Methoden bekannt. Dabei lassen sich mit den Prüfkopfanordnungen der eingangs genannten Art, welche aufgrund einer berührungsfreien Schallankoppelung mit Hilfe eines longitudinalwellenüber­ tragenden Flüssigkeits-Freistrahls Abstandsvariationen zwischen Prüfkopf und Prüflingsoberfläche zulassen und somit ein rasches, kontinuierliches Abtasten auch groß­ flächiger Klebe- (oder Haft-) Schicht-Prüflinge ermöglichen, selbst bei Verwendung von Schallschwingern, die im Hinblick auf eine empfindliche Fehlerdetektion eine hohe Schallfre­ quenz von 10 Mhz oder mehr besitzen, allenfalls grobe Klebe- oder Haftfehler und auch diese nur mit relativ geringer Bewertungssicherheit ermitteln, während die einzige bekannte Prüfmethode, die eine hochwertige Qualitäts­ beurteilung von Klebeverbindungen liefert und sogar noch auf feinporig verteilte oder ähnlich schwer feststellbare, die Klebequalität nur geringfügig, nämlich um etwa 20%, mindernde Klebe-Inhomogenitäten signifikant anspricht, der sogenannte Fokker-Bond-Test ist, bei dem der Prüfkopf in innigen Kontakt auf die Blechoberfläche aufgesetzt und der Prüfling im Wege der Doppeldurchschallung guer zur Klebeschicht nit Transversalwellenimpulsen durchschallt wird und die Dämpfung und Frequenzband-Verschiebung des Schwingquarzes zum Nachweis einer verminderten Klebequalität dient. Nachteilig an der Fokker-Bond-Methode ist jedoch, daß sie keine kontinuierliche Werkstückprüfung zuläßt, sondern vielmehr die gesamte Werkstückoberfläche Punkt für Punkt und jeweils unter Sicherstellung eines innigen Schallkontaktes abgetastet und die einzelnen Meßergebnisse rasterförmig in ein entsprechendes Prüflingsschema über­ tragen werden müssen, um einen Überblick über Lage und Ausmaß der Klebeinhomogenitäten des Werkstücks zu erhalten, was ein sehr mühsamer und äußerst zeitaufwendiger Vorgang ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Ultraschall-Prüfkopf­ anordnung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sie eine rasche, hochempfindliche und zuverlässige Qualitäts­ beurteilung der im Prüflingsinneren vorhandenen Haft- oder Klebeschicht(en) garantiert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentan­ spruch 1 gekennzeichnete Prüfkopfanordnung gelöst.

Mit der erfindungsgemäßen Prüfkopfanordnung ergibt sich trotz einer berührungsfreien Longitudinalwellenankoppelung erstaunlicherweise durch eine relativ niedrige, gegensinnig zur Platten- oder Blech-Gesamtdicke gewählte Schallfrequenz, in Kombination mit einer hohen Prüfkopf-Bedämpfung, ein so stark klebequalitätsabhängiger und eindeutiger Durch­ schallungssignalabfall, daß sich selbst mikrofeine Klebeinhomogenitäten oder andere örtliche Fehlerstellen, an denen die Klebefestigkeit nur um etwa 20% gemindert ist, nach Lage und Größe sicher erkennen lassen, ohne daß das Prüfergebnis durch äußere Störeinflüsse, insbesondere Abstandsvariationen zwischen Prüfkopf und Prüflingsober­ fläche, unzulässig verfälscht wird. Die erfindungsgemäße Prüfkopfanordnung eignet sich daher in hervorragender Weise für eine kostengünstige, differenzierte Qualitäts­ kontrolle vor allem von großflächigen Klebe- oder Haftver­ bindungen an ein- oder mehrfach gedoppelten Blech- oder Plattenteilen, wie sie etwa im Flugzeugbau in großen Stückzahlen jeweils einzeln überprüft werden müssen.

Dabei hat es sich im Hinblick auf besonders signifikante Durchschallungssignaländerungen bei der praktischen Erprobung der Erfindung als äußerst zweckmäßig erwiesen, gemäß Anspruch 2 nach Maßgabe einer Platten-Gesamtdicke zwischen 1,5 mm und 5,0 mm eine Schallfrequenz zwischen 1 MHz und 0,5 MHz zu wählen und gem. Anspruch 3 einen aperiodisch gedämpften Schallkopf zu verwenden.

Gemäß Anspruch 4 sind die Sende- und Empfangsteile der Prüfkopfanordnung vorzugsweise auf verschiedenen Seiten des zu prüfenden Werkstücks positioniert d. h. die Prüfung erfolgt im Wege der Einfach-Durchschallung, so daß sich bei einem festen gegenseitigen Abstand von Sende- und Empfangsteilen - anders als bei einer Doppel- Durchschallung mit Schallreflexion an der Werkstück-Rück­ wand - keine Laufzeitänderungen ergeben, wenn der Prüfkopf aufgrund er oben erwähnten Abstandsvariationen Querbewe­ gungen relativ zur Werkstückoberfläche ausführt.

Im Hinblick auf eine besonders einfache und zielgenaue, berührungsfreie Schallankoppelung ist gem. Anspruch 5 zweckmäßigerweise eine Flüssigkeits-Freistrahlankoppelung vorgesehen, und aus Gründen einer raschen, vollflächigen Prüfung der Klebe- oder Haftschicht wird die Prüfkopfan­ ordnung nach Anspruch 6 vorzugseise kontinuierlich längs einer mäanderförmig verlaufenden Prüfspur über die Werkstück­ oberfläche bewegt.

Um die Empfangssignale auf baulich einfache Weise automatisch auszuwerten, empfiehlt es sich ferner gemäß Anspruch 7 zur Anzeige von Haft- oder Klebeinhomogenitäten einen oberhalb eines vorgegebenen Durchschallungssignalabfalls ansprechenden Schwellwert-Detektor vorzusehen, und nach Anspruch 8 schließlich ist die Prüfkopfanordnung nicht nur für einfach, sondern gleichermaßen auch für mehrfach verklebte Werkstücke verwendbar.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbei­ spieles in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:

Fig. 1 die perspektivische Ansicht einer Prüfkopfan­ ordnung während der Werkstückprüfung; und

Fig. 2 die Prüfkopfanordnung gemäß Fig. 1 mit zuge­ ordnetem Registriergerät.

Die in den Fig. gezeigte Prüfkopfanordnung dient zur Klebschichtprüfung eines ebenen oder gebogenen Werkstücks 2, welches aus zwei (Fig. 1) oder mehreren (Fig. 2), durch Klebschicht(en) 4 miteinander verbundenen Blechplatten 6 besteht und mit Durchbrüchen 8 (Fig. 1) von der Werkstückoberfläche vorstehenden Verstärkungspro­ filen 10 (Fig. 2) oder dgl. versehen sein kann. Die Prüf­ kopfanordnung enthält jeweils auf einer Seite des Werk­ stücks 2 angeordnete Sende- und Empfangs-Prüfköpfe 12, 14, die durch einen das Werkstück 2 C-förmig umgreifenden Prüfkopfträger 16 in festem gegenseitigen Abstand und koaxial zueinander positioniert sind. Die Prüfköpfe 12, 14 sind jeweils als aperiodisch bedämpfte Stoßwellen-Schall­ köpfe mit einer niedrigen Schallfrequenz ausgebildet, welche im umgekehrten Verhältnis zur Gesamtdicke der Blechplatten 6 vorgewählt wird. So hat sich für eine Platten-Gesamtdicke zwischen 1,2 und 2,8 mm eine Prüffre­ quenz der Stoßwellen-Prüfköpfe 12, 14 von 1 MHz und für eine Gesamtdicke zwischen 2,6 und 5,6 mm eine Prüffrequenz von 0,5 MHz als besonders wirksam erwiesen.

Die Schallankoppelung der Prüfköpfe 12, 14 an das Werk­ stück 2 erfolgt mit Hilfe eines Flüssigkeits-Freistrahls 17, der von einer den Prüfköpfen 12, 14 jeweils zugeordneten Squirter-Düse 18 erzeugt wird.

Das Werkstück 2 wird mit Hilfe der Prüfköpfe 12, 14 im Wege der Einfach-Durchschallung senkrecht zur Werkstück-Ober­ fläche mit Longitudinalwellenimpulsen durchschallt, und der Durchschallungssignalabfall wird zum Nachweis von Klebschichtinhomogenitäten benutzt, wobei sich bei der praktischen Erprobung der beschriebenen Prüfkopfanordnung gezeigt hat, daß selbst mikrofeine Klebeinhomogenitäten, die eine relativ geringe Minderung der Klebequalität von nur etwa 20% verursachen, sicher und mit einem signifikanten Durchschallungssignalabfall von etwa 6 dB erfaßt werden.

Zur Bewegungssteuerung des Prüfkopfträgers 16 und der daran befestigten Prüfköpfe 12, 14 und Squirterdüsen 18 längs einer das Werkstück 2 mäanderförmig überdeckenden Prüfspur (in Fig. 1 gestrichelt eingezeichnet) ist ein mehrachsig steuerbarer Roboter 20 vorgesehen, an dessen in Richtung der Flächenerstreckung des Werkstücks 2 zweidimen­ sional verstellbarem und zusätzlich noch schwenkbarem und axial, also senkrecht zur Werkstückoberfläche beweglichem Tragarm 22 der Prüfkopfträger 16 gemeinsam mit den erfor­ derlichen, elektrischen und hydraulischen Anschlußleitungen 24, 26 für die Prüfköpfe 12, 14 bzw. die Freistrahldüsen 18 befestigt ist.

Bei der zeilenweisen, automatischen Bewegung der Prüfkopf­ anordnung 12, 14 über die Werkstückoberfläche wird der Prüfvorgang an den Durchbrüchen 8 bzw. den Verstärkungspro­ filen 10 selbsttätig unterbrochen. Das Durchschallungs­ signal der Prüfkopfanordnung 12, 14 wird einem Schwellwert­ detektor 28 zugeführt, dem ein Aufzeichnungsgerät 30 zuge­ ordnet ist, dessen Schreibstift 32 konform zur Bewegung der Prüfkopfanordnung 12, 14 derart gesteuert wird, daß der Schreibstift 32 an den Stellen eines erhöhten Durch­ schallungssignalabfalls von z. B. mehr als 6 dB von der Unterlage abgehoben wird. Es ist auch möglich, mit einem Mehrfarben-Plotter, über digitalisierte Auswertung, zu ar­ beiten, um so die Bereiche eines erhöhten Durchschallungs­ signalabfalls je nach der Grö8e desselben farblich unter­ schiedlich zu kennzeichnen. Nach Beendigung des Prüfvorgangs liefert das Schreibgerät 30 eine maßstabgetreue Gesamtüber­ sicht über evtl. im Werkstück 2 vorhandene Klebeinhomogeni­ täten 34, an denen die Klebequalität um 20% oder mehr ge­ mindert ist.

Claims (8)

1. Ultraschall-Prüfkopfanordnung zur zerstörungsfreien Prüfung von Haft- oder Klebeverbindungen zwischen schalleitenden Platten, insbesondere Blechen, mit mindestens einem die Platten und die dazwischenliegende Haft- oder Klebeschicht(en) in Querrichtung unter berührungsfreier Schallankoppelung durchschallenden, mit einem Schallsender und einem Schallempfänger versehenen Prüfkopf, dadurch gekennzeichnet, daß als Prüfkopf ein hochbedämpfter Niederfrequenz-Stoß­ wellenschallkopf (12, 14) mit einer mit größerer Platten-Gesamtdicke zunehmend niedriger bemessenen Schallfrequenz von höchstens 2 MHz vorgesehen ist.

2. Prüfkopfanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für Platten-Gesamtdicken zwischen 1,5 und 5,0 mm die zugeordnete Schallkopffrequenz von 1 auf 0,5 MHz reduziert ist.

3. Prüfkopfanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallkopf (12, 14) aperiodisch bedämpft ist.

4. Prüfkopfanordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallkopf (12, 14) aus voneinander getrennten, die Haft- oder Klebeverbindung (4) zwischen sich auf­ nehmenden Sende- (12) und Empfangsteilen (14) zur Einfach-Durchschallung des Prüflings (2) besteht.

5. Prüfkopfanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Schallankoppelung des Schallkopfes (12, 14) ein Flüssigkeits-Freistrahl (17) vorgesehen ist.

6. Prüfkopfanordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, gekennzeichnet durch kontinuierliche Verschiebung des Schallkopfes (12, 14) längs einer die Haft- oder Klebeschicht(en) mäander­ förmig überdeckenden Prüfspur.

7. Prüfkopfanordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schallkopf (12, 14) ein den Durchschallungsimpuls­ abfall zur Erkennung von Haft- oder Klebeinhomogenitäten (34) auswertender Schwellwert-Detektor (28) zugeordnet ist.

8. Prüfkopfanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallkopf (12, 14) zur Durchschallung von mehrfach gedoppelten Blechteilen (4, 6) vorgesehen ist (Fig. 2).