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Verbesserte Erkennung schwacher Haftung an Grenzflächen durch photothermisch modulierte Ultraschallreflexion

 
: Netzelmann, U.; Bruch, D.

Deutsche Gesellschaft für Zerstörungsfreie Prüfung e.V. -DGZfP-, Berlin:
ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung. DGZfP-Jahrestagung 2003. CD-ROM : Zerstörungsfreie Materialprüfung, Mainz, 26.-28. Mai 2003
2003 (DGZfP-Berichtsbände 83-CD)
ISBN: 3-931381-47-1
S.V06
Deutsche Gesellschaft für Zerstörungsfreie Prüfung (Jahrestagung) <2003, Mainz>
Deutsch
Konferenzbeitrag
Fraunhofer IZFP ()
Haftung; photothermisch; Hochfrequenzultraschall; Reflexion

Abstract
Ein neuer Verfahrensansatz zum Nachweis schwacher Haftung geht von einer breitbandigen Hochfrequenz-Ultraschallprüfung mit fokussierten Prüfköpfen im Bereich 10-100 MHz aus. Dabei wird die zu charakterisierende Grenzfläche zusätzlich durch einen modulierten Laserstrahl thermoelastischen Kräften unterworfen. Die dadurch an der Grenzfläche hervorgerufenen periodischen mechanischen Spannungen im Frequenzbereich 5 Hz bis 2 kHz führen zu einer kleinen periodischen Änderung des Ultraschall-Reflexionsvermögens, die über Lock-In Technik aus dem Reflexionssignal extrahiert wird.
Durch die kurzen Ultraschallpulse können auch bei Prüfobjekten mit Mehrfachschichten einzelne Grenzflächen selektiert werden. Experimente wurden an Molybdänfilmen in Kieselglas durchgeführt, bei denen Modulationsgrade von bis zu einigen Prozent in schwach gebundenen Bereichen zu erzielen waren. Geringe Reflexionsänderungen von bis zu -70 dB der unmodulierten Reflexion waren noch nachweisbar. Abbildende Experimente zeigen im Vergleich zu normalen C-Scans eine deutlich differenzierte Wiedergabe der schwach haftenden Bereiche mit Dunkelfeldkontrast. Linienscans und frequenzabhängige Messungen unterstützen die Annahme eines thermoelastischen Prozesses als Signalerzeugungsmechanismus.

 

A new experimental approach is based on a high-frequency pulse-echo technique using broad-band focusing transducers in the range of 10-100 MHz. An intensity modulated laser beam is used to modulate the ultrasound reflection from the interface of interest via thermoelastic forces. The periodic mechanical stresses in the frequency range of 5 Hz to 2 kHz give rise to a periodic change of the ultrasonic reflectivity, which is detected by lock-in technique.
The short ultrasonic pulses allow to select certain interfaces even in multi-layered systems. Experiments were performed on a fused quartz slab with an embedded Mo sheet, where a modulation depth of some percent could be detected in presumably weakly bonded areas. Changes of -70 dB of the unmodulated reflection were detectable. Imaging experiments show a strong dark-field contrast with much more detailed representation of weakly bonded areas compared to conventional C-scans. Line scans of the heating laser beam across the ultrasonic beam and measurements as a function of the laser modulation frequency are in accordance with a thermoelastic process as dominant signal generation mechanism.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-20056.html