DE3511329A1 - Verfahren und vorrichtung zur kontaktfreien und zerstoerungsfreien ultraschallfernpruefung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur kontaktfreien und zerstoerungsfreien ultraschallfernpruefung

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Description

1A-5O45
81R85
ROCKWELL INTERNATIONAL CORPORATION El Segundo, California, USA
Verfahren und Vorrichtung zur kontaktfreien und zerstörungsfreien Ultraschallfernprüfung
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Ultraschallwandlung und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontaktfreien und zerstörungsfreien Ultraschallfernprüfung von Testobjekten auf Defekte und akustische Diskontinuitäten, z.B. Fest-Gas-Grenzflächen oder Flüssig-Fe st-Grenzflachen.
Testobjekte, z.B. Düsenmotoren und wiederverwendbare Raketenmotoren, können durch Röntgenstrahlen auf Risse und andere Defekte untersucht werden. Diese Untersuchungsmethode hat jedoch verschiedene Nachteile hinsichtlich der hohen Kosten, der Komplexität und der Gefahr für die menschliche Gesundheit. Darüber hinaus kann man mit einem solchen Verfahren keine Grenzflächen, Trennungen und
Verbindungseffekte erfassen, welche sich senkrecht zum Strahl erstrecken. Zerstörungsfreie Prüfungen können jedoch auch durchgeführt werden, indem man das Testobjekt mittels eines piezoelektrischen Wandlers mit einer Ultraschallwelle beaufschlagt und diese Welle nach dem Durchgang durch das Testobjekt analysiert. Dabei muß der Ultraschallwandler jedoch mit Hilfe von Benetzungsmitteln oder Schmiermitteln in Kontakt mit dem Testobjekt gebracht werden und nach dem Test muß der Wandler naturgemäß wieder gereinigt werden. Dies verursacht Arbeitsaufwand, Zeitaufwand und erhöhte Kosten für das Testverfahren, und in vielen Fällen verbleiben unerwünschte Rückstände. Ferner muß die Vorrichtung zerlegt werden, um ein Innenbauteil, z.B. ein Laufrad oder eine Schaufel, zu prüfen. Andere Arten von Defektprüfungen erfordern das Zerschneiden und anderweitige Zerstörung der zu prüfenden Testobjekte.
Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, mit dem Testobjekte zerstörungsfrei auf Defekte geprüft werden können. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur akustischen Prüfung von Testobjekten mit Hilfe von Ultraschallwellen zu schaffen, welche jedoch nicht mit einem mechanisch anzubringenden Ultraschallwandler in dem Testobjekt induziert werden. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, das Benetzen oder Einfetten des Testobjekts und/oder des Ultraschallwandlers zum Zwecke der Ultraschallprüfung zu eliminieren. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein flexibles Kabel zu schaffen, welches durch eine Maschinenöffnung geführt werden kann und ein zerstörungsfreies Testen ohne eine Zerlegung eines Motors oder dergl. ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man die Bildung von Ultraschallwellen in einem Testob-
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jekt induziert, indem man Spannungszonen erzeugt, die wiederum dazu führen, daß durch das Testobjekt Ultraschallenergie fließt. Die Spannung wird durch intensive Laserimpulse erzeugt und vorzugsweise durch Laserimpulse von einem Laserstrahlfeld, bei dem die Strahlfortpflanzungselemente voneinander durch einen Abstand getrennt sind, welcher gleich der akustischen Wellenlänge ist. Die Laserimpulsrate ist gleich der Frequenz der akustischen Welle.
Nachdem die Ultraschallwelle durch einen Teil des Testobjekts oder das gesamte Testobjekt hindurchgetreten ist oder vom Testobjekt oder einem Teil des Testobjekts reflektiert wurde, wird ein Signal mit Hilfe einer elektro optischen Einrichtung abgeleitet, welch letztere nicht in physischem Kontakt mit dem Testobjekt steht. Somit arbeiten sowohl das Induktionssystem als auch das Ableitungssystem kontaktfreie und zerstörungsfrei.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert; es zeigen
Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm einer Aus führungsform der Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Bündels voneinander beabstandeter, optischer Fasern;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Systems zur Erfassung der in einem Testobjekt erzeugten Ultraschallwellen;
Fig. 4 eine Querschnittsansicht eines Faserbündels, welches sowohl für die Übertragung als auch für den Testempfang von Laserstrahlen dienen kann; und
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Defekt-Erfassungssystems unter Verwendung eines einzigen faseroptischen Kabels, welches durch eine Öffnung in ei-
nem Motorgehäuse geführt wird zum Zwecke der Prüfung einer Turbinenschaufel im Inneren des Gehäuses.
In der nachfolgenden Beschreibung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Bauteile, während äquivalente Bauteile durch gestrichene Bezugszeichen bezeichnet sind.
Fig. 1 veranschaulicht die Art und Weise, in der eine Ultraschallwelle 18 in einem Testobjekt 16 induziert und fortgepflanzt wird. Als Testobjekt dient z.B. eine Turbinenschaufel eines Düsenmotors. Durch intensive Laserimpulse wird in dem Testobjekt 16 eine örtliche Aufheizung induziert. Dies erzeugt thermoelastische Wellen durch Photon-Phonon-Wechselwirkungen. Die Ultraschallwelle 18 kann induziert werden durch direkte Beaufschlagung mit einem einzelnen, pulsierenden Laserstrahl 12 einer mit Abstand angeordneten Laserquelle 10. Vorzugsweise wird jedoch eine Reihe von parallelen, beabstandeten Laserstrahlen angewendet. Fig. 1 zeigt eine Vielzahl von teilweise reflektierenden und teilweise die Laserstrahlen durchlassenden Spiegeln 14 bis 14n, welche aus einem einfallenden, intensiven, gepulsten Laserstrahl 12 einer pulsierenden Laserquelle 10 eine Vielzahl von parallelen Laserstrahlen 13 bis 13n erzeugt. Die Spiegel 14 bis I4n haben voneinander jeweils den Abstand d, welcher vorzugsweise gleich der Wellenlänge λ der Ultraschallwelle 18 ist, welche in dem Testobjekt 16 induziert wird, d.h. es gilt d = λ. Dieser Abstand führt dazu, daß jeder Strahl 13 des jeweils nachfolgenden Spiegels 14 die Ultraschallwelle 18 verstärkt oder daß, mit anderen Worten, die Ultraschallwelle auf einer konstanten Amplitude gehalten wird. Dies kann dadurch erreicht werden, daß man die Intensität eines jeden einfallenden Laserstrahls 13 bis 13n gleich derjenigen der anderen Strahlen hält. Die op-
timale Anzahl von Spiegeln 14 beträgt etwa 5 bis 10, obgleich natürlich weniger oder auch mehr Spiegel verwendet werden können. Es ist offensichtlich, daß bei Ultraschallfrequenzen Λ naturgemäß recht klein ist, so daß die gesamte Erstreckung in vertikaler Richtung (Fig. 1) der gewählten Anordnung recht klein ist, relativ zur Größe des Testobjekts, so daß z.B. eine Länge von 0,5/ 1000 Zoll (0,0025 mm) vorliegt.
Ein zweiter und bevorzugter Typus einer Quelle von parallelen Laserstrahlen besteht in einem Bündel 32 von optischen Fasern, welche voneinander durch einen Abstand d (Fig. 2) getrennt sind. In diesem Falle hat der Ausgangsstrahl einer jeden Faser 21 die gleiche Energie. Der Durchmesser des Faserbündels 32 kann in der Größenordnung von 1/16 bis 1/8 Zoll liegen (3,2 bis 1,6 mm).
Die Ultraschallwellen 18 werden vom Testobjekt 16 mittels eines zweckentsprechenden Erfassungssystems abgeleitet, welches schematisch als Ultraschallwellen-Erfassungseinrichtung 34 dargestellt ist. Eine bevorzugte, kontaktfreie Einrichtung dieser Art ist in Fig. 3 gezeigt.
Die Ultraschallwellen 18 können dadurch erfaßt werden, daß man einen zweiten Laserstrahl, und zwar vorzugsweise einen kontinuierlichen anstelle eines pulsierenden Laserstrahls, von einer Laserquelle 20 durch eine optische Faser 22 oder eine Gruppe von Fasern 22 auf das Testobjekt 16 richtet. Der zweite Laserstrahl 23 fluchtet vorzugsweise mit den ersten Laserstrahlen 13 bis 13n, falls sie auf entgegengesetzten Seiten des Testobjekts 16 gemäß Fig. 1 angeordnet sind, oder aber der zweite Laserstrahl 23 wird so orientiert, daß er die gleiche Stelle trifft wie die Strahlen des ersten pulsierenden Lasers 10, falls beide Laserstrahlen von der gleichen Seite des
Testobjekts gemäß Pig. 3 auf dieses gerichtet werden. Bei beiden Anordnungen kann ein gewisses Maß an NichtKoinzidenz zwischen den Laserstrahlen bestehen, obgleich die bevorzugte Betriebsweise auf koinzidierenden Strahlen beruht. Der reflektierte Strahl 24 ist ein modulierter Strahl, d.h. die Frequenz Fo des Lasers 20 wird durch die Frequenz Fa der Ultraschallwelle 18 moduliert und enthält somit eine Frequenz Fo +Fa. Der reflektierte, optische Strahl 24 kann von einem Bündel 42 optischer Fasern empfangen werden und einer optischen Heterodyne inrichtung 26 zugeführt werden, welche die Laserfrequenz Fo abtrennt und einen Strahl 28 mit der Ultraschallfrequenz Fa zu einem optischen Detektor 30 schickt. Der optische Detektor 30 kann z. B. ein Photodetektor sein, welcher die Amplitude des Ultraschallfrequenzstrahls angibt. Die Faseroptiken dieses Systems können aus einem Bündel 32 von Fasern gemäß Fig. 5 bestehen, wobei eine oder mehrere zentrale Fasern 22 und 25 zum Zwecke der Weiterleitung des Laserstrahls zur Erzeugung der akustischen Welle angewendet werden und zum Zwecke des Empfangs des Detektorlaserstrahls,und ferner kann eine Gruppe von Fasern 21 vorgesehen sein, welche den Abstand λ /2 voneinander haben und die Fasern 22 und 25 des Detektorsystems umgeben und dazu dienen, den die Ultraschallwelle induzierenden Laserstrahl zu übertragen.
Fig. 5 zeigt, wie das Faseroptik-Kabel 32 mit den Lasern 10 und 20 und mit der Detektoreinrichtung verbunden ist. Das Kabel 32 kann durch ein Loch 44 in einem Motorgehäuse 46 eingeführt werden und somit z.B. zum Abtasten einer Turbinenschaufel 48 auf Fehler dienen.
Es muß bemerkt werden, daß sowohl die Ultraschallwellen induzierenden Eingangsstrahl-Einrichtungen, d.h. die Fasern 21, und die dem Detektorsystem zugeordneten Ein-
gangsstrahl-Einrichtungen, d.h. die optischen Fasern 22, gleichzeitig entlang des Testobjekts 16 geführt werden oder dieses gleichzeitig abtasten. Sie können auch auf entgegengesetzten Seiten des Testobjekts 16 angeordnet sein. Falls ein Defekt 36 (oder eine akustische Diskontinuität, z.B. eine Flüssig-Fest-Grenzflache oder eine Fest-Gas-Grenzfläche) im Objekt 16 bei dieser Betriebsweise (Durchlaßbetriebsweise) erfaßt wird, so ist das Ausgangssignal des optischen Detektors 30 vermindert, da bei der Durchlaßbetriebsweise ein Defekt (oder eine akustische Diskontinuität, z.B. eine Flüssig-Fest-Grenzflache oder eine Fest-Gas-Grenzfläche) die Amplitude der Ultraschallwelle 18 vermindert.
Bekanntermaßen können die Tasteinrichtungen entweder mechanisch oder auch elektrisch sein. Man kann z. B. Bragg-Zellen verwenden, durch welche die Strahlen 13 und 23 geführt werden, bevor sie auf das Testobjekt 16 auftreffen. Eine Änderung der an jede Bragg-Zelle angelegten Spannung führt zu einer Bewegung der Richtung des die Zelle verlassenden Strahls. Ferner kann eine Abtastung mit den Strahlen mit Hilfe mechanischer Mittel 40, 40» bewirkt werden, mit denen Spiegel 14 bis I4n oder optische Faserbündel 32 verbunden sind.
Der Detektorsystem-Eingangsstrahl 23 kann auf der gleichen Seite des Testobjekts 16 liegen, wie dies ii Fig. 3 gezeigt ist, wobei die Laserstrahlen auf eng benachbarte Stellen gerichtet sind und auch gemeinsam tasten. Bei dieser Betriebsweise (Reflexionsbetriebsweise) kommt es im Falle der Reflexion eines Signals von einem Defekt 36 (oder von akustischen Diskontinuitäten, z.B. Flüssig-Fest-Grenzflächen oder Fest-Gas-Grenzflächen) zu einer Erhöhung des Signals gegenüber dem normalerweise vom
Testobjekt 16 reflektierten Signal, so daß das Ausgangssignal des optischen Detektors 30 im Falle der Anwesenheit eines Defekts 36 erhöht ist.
Es wird somit ein neuartiges Opto-Ultraschall-System zur Erfassung von Defekten und akustischen Diskontinuitäten von Testobjekten geschaffen, bei dem ein Wandler nicht in physischen Kontakt mit dem Testobjekt gebracht werden muß. Auf diese Weise kann man alle Probleme vermeiden, welche mit der körperlichen Verbindung eines Wandlers mit dem Testobjekt auftreten, z.B. Probleme des Benetzens oder Einfettens, des Säuberns und unerwünschter Rückstände oder dergl.
- Λ** ' - Leerseite -

Claims (21)

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Induzierung einer Ultraschallwelle in einem Testobjekt, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Erzeugung einer Vielzahl von beabstandeten, parallelen Laserstrahlen, welche auf ein Testobjekt gerichtet sind, wobei jeder Laserstrahl vom benachbarten Laserstrahl einen Abstand aufweist, welcher etwa gleich der Wellenlänge der Ultraschallwelle ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Inipulslasereinrichtung zur Erzeugung einer Reihe von Laserimpulsen und eine Vielzahl von mit Abstand voneinander angeordneten, partiell durchlässigen und partiell reflektierenden Spiegeln, welche durch Reflexion und Transmission des AusgangslaserStrahls der Impulslasereinrichtung die Vielzahl paralleler Laserstrahlen erzeugen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Transmissionsvermögen zu Reflexionsvermögen bei den Spiegeln derart gewählt ist, daß jeder Spiegel dem Testobjekt etwa gleiche Energiemengen zuführt, so daß die Amplitude der akustischen Welle auf einem konstanten Wert gehalten wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Spiegel im Bereich von 5 bis 10 liegt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Impulslasereinrichtung zur Erzeugung einer Reihe von Laserimpulsen und eine Faseroptik, welche die Ausgangslaserimpulse der Impulslasereinrichtung auf das
Testobjekt richtet, wobei die Faseroptik ein Bündel von optischen Fasern umfaßt, wobei der Abstand zwischen jeder Faser und ihrer Nachbarfaser etwa gleich der Hälfte der Wellenlänge der Ultraschallwelle ist.
6. System zur Erfassung von Defekten und akustischen Diskontinuitäten, z.B. Fest-Flüssig-Grenzflächen oder Fest-Gas-Grenzflächen, in Testobjekten, welches die Erzeugung und Fortpflanzung von Ultraschallwellen unterhält, gekennzeichnet durch eine Lichtquelle zur Induzierung von Ultraschallwellen in dem Testobjekt, welche in bezug auf das Testobjekt kopplungsfrei arbeitet,und eine Lichteinrichtung zur Erfassung der Ultraschallwellen in dem Testobjekt, welche in bezug auf dieses Testobjekt ebenfalls kopplungsfrei arbeitet.
7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Induzierung einer Ultraschallwelle eine faseroptische Einrichtung umfaßt, mit der Impulslaserstrahlen auf das zu testende Objekt gerichtet werden können.
8. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erfassung der Ultraschallwellen eine faseroptische Einrichtung umfaßt, mit der ein Laserstrahl auf das zu testende Objekt gerichtet werden kann, so daß der Strahl durch die Ultraschallwellen moduliert wird.
9. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwellen induzierende Einrichtung faseroptische Einrichtungen umfaßt, mit denen Impulslaserstrahlen auf das zu testende Objekt gerichtet werden können, und daß die Einrichtung zur Erfassung der Ultra-
schallwellen faseroptische Einrichtungen umfaßt, mit denen ein Laserstrahl auf das zu testende Objekt gerichtet werden kann, so daß der Strahl durch die Ultraschallwellen moduliert wird.
10. System zur Erfassung von Defekten und akustischen Diskontinuitäten nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Induzierung der Ultraschallwellen intensive Lichtimpulse auf das Testobjekt richtet zum Zwecke der Erzeugung der Ultraschallwellen.
11. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtimpulse Laserimpulse sind.
12. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Induzierung der Ultraschallwellen eine faseroptische Einrichtung umfaßt, welche den Ausgangsstrahl der Impulslasereinrichtung auf das Objekt richtet, wobei die faseroptische Einrichtung ein Bündel optischer Fasern umfaßt, wobei jede Faser von der Nachbarfaser durch einen Abstand getrennt ist, welcher etwa gleich der Weilenlänge der Ultraschallwelle ist.
13. System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Induzierung der Ultraschallwelle eine Einrichtung zur Erzeugung intensiver Laserimpulse umfaßt sowie eine Einrichtung zur Fortpflanzung und Richtung dieser Laserimpulse auf das zu testende Objekt.
14. System nach Anspruch 131 dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Fortpflanzung und Richtung der Laserimpulse eine Vielzahl von mit Abstand angeordneten, parallelen Laserstrahlen erzeugt, welche auf das Testobjekt auftreffen und wobei jeder Strahl vom Nachbar-
strahl durch einen Abstand getrennt ist, welcher etwa gleich der Wellenlänge der Ultraschallwelle ist.
15. System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Fortpflanzungs- und Richteinrichtung eine Einreichung zur Erzeugung von Laserimpulsen umfaßt mit einer Vielzahl von mit Abstand voneinander angeordneten, teilweise durchlässigen und teilweise reflektierenden Spiegeln, welche angeordnet sind, so daß die Ausgangsimpulse der Laserimpulseinrichtung teilweise durchgelassen und teilweise reflektiert werden unter Erzeugung der parallelen Laserstrahlen.
16. System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Durchlässigkeit zum Reflexionsvermögen der Spiegel derart gewählt ist, daß jeder Spiegel eine ausreichende Energiemenge auf das Testobjekt richtet, so daß die Energieverluste kompensiert werden,
/ welche während der Wanderungszeit der vorhergehenden WeI-
lenlänge der Ultraschallwelle eintreten.
17. System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß 5 bis 10 Spiegel vorhanden sind.
18. System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung Einrichtungen zur Erzeugung eines Laserstrahls umfaßt sowie eine zweite Einrichtung zur Fortpflanzung und Richtung des Laserstrahls von der Einrichtung zur Erzeugung des Laserstrahls auf einen Ort des Testobjekts, an dem die Laserstrahlfrequenz durch die Frequenz der Ultraschallwelle moduliert werden kann.
19. System nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch eine optische Heterodyneinrichtung, der der modulierte
Laserstrahl zugeführt wird zum Zwecke der Abtrennung der Ultraschallwellenkomponente von dem modulierten Laserstrahl.
20. System nach Anspruch 19» dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Laserstrahlen, welche auf das Testobjekt gerichtet werden, synchron das Testobjekt abtasten.
21. System nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch einen optischen Detektor, welcher mit der optischen Heterodyneinrichtung gekoppelt ist zum Zwecke der Erzeugung eines Ausgangssignals aus der Ultraschallwellenkomponente, wobei die Amplitude des Ausgangssignals sich ändert, wenn die Ultraschallwelle im Testobjekt auf Defekte trifft.
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