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betreffend Ultraschall-Prüfvorrichtung für Materialermüdung Die Erfindung
bezieht sich auf eine Ultraschall-Prüfvorrichtung für Materialermüdung Es ist bekannt,
ein Prüfteil eines zu prüfenden Materials mit der Eigenfrequenz der Längsvibration
des Prüfteils schwingen zu lassen.
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Diese Eigenfrequenz von beispielsweise 20 kHz ist eine Ultraschallfrequenz,
und die zur Bildung eines Risses notwendige Zeit ist auf einige Stunden oder Minuten
reduziert, während bei den herkömmlichen Verfahren, bei denen das Prüfteil mechanisch
zum Schwingen mit sehr geringer Frequenz gebracht wird, oftmals mehrere Wochen erforderlich
sind. Es ißt üblich, ein Prüfteil mit einer Einschnrung in der Mitte zu verwenden,
wodurch eine maximale Amplitude bei der Beanspruchung des Materals in diesem Bereich
hervorgerufen wird0 Die Ultraschallprüfung für Materialermüdung ist jedoch
bisher
nur in Laboratorien angewendet worden, und es gibt keine Vorrichtung, die es ermöglichen
würde, in der Industrie alle wünschenswerten Ergebnisse daraus abzuleiten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen,
die dieses Verfahren anwendet als Ermüdungsversuch durch Erregung des Prüfteils
bei seiner Eigenfrequenz der Längsvibration, -wobei diese Vorrichtung so konstruiert
und beschaffen sein soll, daß das neue Verfahren ständig in der Industrie angewandt
werden kann und neue und interessante Ergebnisse erzielt werden können, insbesondere
genaue Angaben über das Auftauchen von Rissen und die Geschwindigkeit, mit der sich
Risse bilden Die Vorrichtung nach der Erfindung geht aus von einem Ultraschallgenerator
und einem Ultraschallverdichtungs- und ßbertragungsstück (Horn) und ist gekennzeichnet
durch eine Rd.ckführungseinrichtung zum Einstellen der Generatorfrequenz auf die
Eigenfrequenz der Längsvibration des zu prüfenden Teils und durch eine Registriervorrichtung
für den zeitlichen Ablauf der Frequenz, so daß die Veränderung in Abhängigkeit von
der Zeit, insbesondere zum Zeit punkt des Auftauchens des Risses nachgewiesen werden
kann.
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Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an
einem Auführungsbeispiel ergänzend beschrieben.
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Fig, 1 zeigt den schematischen Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform
ber Vorrichtung nach der Erfindung; Fig. 2 zeigt die Frequenzveränderung in Abhängigkeit
von der Zeit.
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Fig. 1 zeigt einen aus einem elektronischen Oszillator 1 und einemelektro-akustischen
Wandler 2 bestehenden Generator, eine Ultraschallverdichtungs- und Transmissions-worrichtung
3, an die das Prüfteil E angeschlossen ist, einen Schwingungsfühler 4, , eine
Amplitudeurückführung
5, einen Frequenzschreiber 6, einen Verstärker 7, eine Registriervorrichtung für
die Schwingungsamplitude 8 sowie eine Frequenzrückführung 9.
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Die Vorrichtung 9 stellt die Frequenz der mittels der Verdichtungsvorrichtung
3 auf das Prüfteil E gebrachtenUltraschallschwingung auf einen Wert ein, der immer
gleich der Eigenfrequenz der L!ngsvibration des Prfifteils ist, beispielsweise 20
kHz. Die eingestellte Frequenz wird vom Frequenzmeßgerät 6 gemessen.
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Fig. 2 zeigt als Funktion der Zeit T die Anderung der Eigenschwingungsfrequenz
F des Prüfteils für ein erstes Material (durchgezogene Linie) und für ein zweites
Material (gestrichelte Linie)0 Man sieht, daß beim ersten Material die Frequenz
F konstant bleibt bis zur Zeit T1, die dem Auftauchen des Risses entspricht. Von
T1 an nimmt die Frequenz relativ langsam ab bis zum endgültigen Bruch des Prüfteils.
Beim zweiten Material liegt die Zeit T2, , bei der der Riß auftaucht, deutlich später
als T1, aber die Frequenz F nimmt danach sehr schnell ab. Bei der Anwendung in der
Luftfahrt z.B. kann man daraus -schließen, daß das zweite Material viel weniger
interessant ist .als das erste, während ein nach den herkömmlichen Verfahren durchgeführter
Ermüdungsversuch, bei dem die Geschwindigkeit, mit der der Riß entsteht> nicht
festgestellt werden kann, zu entgegengesetzten Folgerungen führen würde.
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Bei näherer Betrachtung der Funktionsweise der in Fig. 1 dargestellten
Vorrichtung nach der Erfindung sieht man, daß die Schwingungsamplitude an einer
Endseite des Prüfteils von der elektrischen Registriervorrichtung 8 an sich bekannter
Bauart registriert wird. Diese Registrierung ermöglicht einerseits die Kontrolle,
daß die Amplitude während der Prüfung bis zum Auftauchen des Risses konstant bleibt,
d.h. daß die Amplitudenservoeinrichtung 5 richtig funktioniert und andererseits
durch Berechnung die Feststellung der Belastung des Prflfteils in seiner Mitte.
Wie in Fig. 1 zu sehen
ist, ist das Prüfteil in der Mitte zusammengeschnürt
und die Be lastung an der Stelle also am höchsten, was einem Schwingungsknoten entspricht.
Die Endseite hingegen, an der sich der Schwingungsfühler 4 befindet, entspricht
einem Schwingungsbauch. Ausgehend von der Amplitude dieses Schwingungsbauches, die
von der Registriervorrichtung 7 gemessen wird, kann man durch Berechnung die Belastung
des Prüfteils in seinem mittleren zusammengeschnürten Bereich feststellen.
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Der Schwingungsfühler 4, der in Fig. 1 nur symbolisch dargestellt
ist, ist eine Vorrichtung an sich bekannter Art und erzeugt eine Spannung, die proportional
zur Amplitude der Verschiebung der Endseite des Prüfteils ist, Die Vorrichtung 5
mißt die Veränderungen dieser Spannung und gebraucht sie in bekannter Weise, um
die Schwingungsamplitude des Oszillators 1 zu steuern und sie auf einem konstanten
Wert zu halten.
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Der Schwingungsfühler 4 kann beispielsweise aus einem elektrosstaw
tischen Schwingkondensatorwandler bestehen.
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Die Vorrichtung 9 steuert die Schwingungsfrequenz mit einem Wert,
der gleich der Eigenfrequenz des Komplexes 2-3-E ist, die prak:tisc'i mit der Eigenfrequenz
des Prüfteils identisch ist, da die Teile 2 und 3 hiernach gewählt sind. Die Vorrichtung
ist ebenfalls an sich bekannt.
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Eine derartige Vorrichtung kann beispielsweise einen an den Wandler
angeschlossenen Reaktionsschaltkreis umfassen, der dem Oszillator eine von dem Wandler
abgenommene elektrische Spannung zuführt und somit eine Rückführschleife bildet,
deren Gesamtimpedanz ein reiner Widerstand ist, wenn der Wandler bei seiner Eigenfrequenz
erregt wird. Schaltkreise dieser Art sind z.B. in den englischen Patenten Nr. 1.026.085
(Philips Electronic and Associated Industries Limited) und Nr. 985.444 (Peter BEER)
beschrieben.
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Die Vorrichtungen 4 und 5 können selbstverständlich anders ausgebildet
sein als in den erwähnten Patentanmeldungen, und es sind verschiedene änderungen
und Ergänzungen denkbar, ohne sich vom Gedanken der Erfindung zu entfernen.
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Der Frequenzmesser 6 kann als Registriervorrichtung oder Zahlenablesegerät
ausgebildet sein. Vorzugsweise kann man in die Vorrichtung einen Schaltkreis einbauen,
der sie-automatisch anhält, wenn die Frequenzänderung einen vorbestimmten Wert erreicht,
zOBo bei Beginn der Rißbildung, wobei der Schaltkreis Vorrichtungen enthalten kann,
die die Anzahl der Zyklen von Beginn- des Versuches an anzeigt.
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Mit einer solchen Vorrichtung wird die Registriervorrichtung nur während
der der Entwicklung der Rißbildung entsprechenden Phase der Prüfung betätigt. Hierdurch
wird bei langdauernden Prüfungen mit geringer Belastung eine unnötige Papierverschwendung
und die Anhäufung von platzraubendem Registriermaterial vermieden, von dem nur ein
kleiner Teil die interessanten Informationen enthalt Es kann auch -ein Schaltkreis
vorgesehen sein, mit dem der akustische Verlust im Prüfteil festgestellt wird, z.B.
durch Messung der Änderungen der vom Wandler aufgenommenen elektrischen Energie.
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Ein weiterer möglicher Zusatz ist eine Vorrichtung, bei der eine statische
Belastung verwendet werden kann, wobei die Vorrichtung aus einem Kolben von halber
Wellenlänge besteht, dessen eine stirnseite am freien Ende-des Prüfteils befestigt
und dessen andere Stirnseite frei ist, wobei die statische Belastung in der Knotenebene
angreifen soll.
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Schließlich kann z.B. an der Stelle der maximalen Belastung ein Thermometer
vorgesehen sein, wobei die Temperatur durch Infrarot-Strahlen gemessen wird.