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2005
Diploma Thesis
Title
Charakterisierung geklebter Bauteile durch nichtlineare Ultraschallübertragung
Abstract
Ziel dieser Arbeit war die Anwendbarkeit der am IZFP entwickelten Methode zur zerstörungsfreien Prüfung von Materialverbunden an Aluminiumproben zu untersuchen und die damit verbundene Messtechnik zu verbessern. Die Methode beruht darauf, dass eine monochromatische Ultraschallwelle durch den Materialverbund nichtlinear übertragen wird. Es entstehen höhere Harmonische der Grundfrequenz. Es wird angenommen, dass bei schwacher Haftung der Fügeschicht höhere Nichtlinearitäten als bei starker Haftung auftreten, wodurch eine Einordnung unterschiedlicher Haftfestigkeiten möglich sein sollte. Bei den ersten Messungen wurde an einer geklebten Probe ein Bereich mit erhöhten Anteilen der dritten Harmonischen festgestellt. Es wurde zuerst angenommen, dass dieser Bereich durch eine geschwächte Fügeschicht hervorgerufen wird. Nach weiteren Untersuchungen wurde aber festgestellt, dass dieser Bereich nicht fehlerhaft ist, sondern nur durch das lineare Übertragungsverhalten der Klebung verursacht wurde, weil diese schief geklebt wurde. Die Auswertung der ersten Messungen brachte die Erkenntnis, dass das gesendete Ultraschallsignal nicht monochromatisch ist. Es wurde festgestellt, dass alle Nichtlinearitäten in der geklebten Aluminiumprobe kleiner sind als in der nur aus Aluminium bestehenden Probe, wodurch nachgewiesen wurde, dass kein wesentlicher Anteil an den gemessenen Nichtlinearitäten aus der Klebung kam. Die Nichtlinearitäten aus der Klebung sind viel kleiner als die Beiträge aus der restlichen Messkette (RF-Generator, Prüfkopf, Aluminium etc...). Deswegen wurde systematisch nach deren Ursachen gesucht. Ein wesentlicher Anteil der Nichtlinearität kam dabei aus dem Panametrics-Prüfkopf A 133S, der insbesondere eine sehr große dritte Harmonische produziert. Deswegen wurde in den weiteren Messungen ein einkristalliner Lithiumniobat-Prüfkopf benutzt. Auch das zur Anregung der Prüfköpfe benutzte Sendesignal enthielt nicht vernachlässigbare Anteile an höheren Harmonischen. Ein Tiefpassfilter und der Ordnungsgemäße Abschluss des Rf-Generators brachte hier eine wesentliche Verbesserung. Mit dem verbesserten Messaufbau wurde die Messung an der geklebten Probe wiederholt. Ein Bereich mit erhöhten Anteilen der dritten Harmonischen war hier nicht mehr zu erkennen. Die Amplituden der transmittierten Harmonischen waren in der geklebten Probe wieder kleiner als in der ungeklebten Probe. Des Weiteren wurden auch die Proben, E1, E2, F1, und F3 untersucht. Dabei sollen nach Herstellerangaben die Proben der Serie F eine kleinere Scherfestigkeit haben. Es wurde keine Korrelation zwischen den nichtlinearen Kennwerten und der angegebenen Scherfestigkeit gefunden. Auch bei diesen Proben waren die Nichtlinearitäten kleiner als in der ungeklebten Aluminiumprobe. Ein möglicher Grund dafür ist, dass die Verzerrung von maximal 3,7x10-4 nicht ausreicht, um in den nichtlinearen Bereich der Spannungs-Dehnungs-Kurve des Klebers zu gelangen. Er ist nicht zu erwarten, das der hier benutzte Kleber sich bei dieser Verzerrung, der Dehnrate von 4650 s-1, und bei einer Temperatur weit unterhalb seines Glasübergangs sich merklich nichtlinear verhält. Bei den mechanischen Versuchen spielen Effekte wie beispielsweise Kriechen und Fließen des Klebers eine wichtige Rolle /8.1/. Diese zeitabhängigen Effekte treten bei der Ultraschallprüfung kaum auf. Um dieses Verfahren weiter zu entwickeln, könnte versucht werden mit kleineren Frequenzen im kHz-Bereich zu arbeiten. Dadurch sind zwar keine höheren Verzerrungen zu erwarten, da die Prüfköpfe Ultraschallamplituden produzieren die sich mit 1/k verhalten und die Verzerrung proportional der Wellenzahl k ist, nur wären die Dehnraten welche proportional der Kreisfrequenz ? sind, kleiner und deshalb wäre hier eher ein nichtlineares Verhalten der Klebung zu erwarten. Um höhere Verzerrungen zu erhalte könnte ein akustisches Horn benutzt werden welches in der Dissertation von A. Koka beschrieben ist. Es könnte auch versucht werden die Proben mit einer statischen Zugspannung zu belasten. Durch diese Belastung kann der Kleber in den nichtlinearen Bereich der Spannungs-Dehnungs- Kurve gebracht werden. Dieser Belastung würde die Belastung durch den Ultraschall überlagert, wodurch starke nichtlineare Wechselwirkungen des Ultraschalls mit der Fügeschicht zu erwarten sind /3.1/. Hier könnte dann systematisch die Frequenzabhängigkeit von nichtlinearem Spannungs-Dehnungs-Verhalten von Klebern studiert werden. Es könnte auch gezielt ein sehr weicher Kleber hergestellt werden, der schon bei kleinen Dehnungen nichtlineares Verhalten im Zugversuch zeigt. Dadurch bräuchte man an dem jetzigen Messaufbau keine Veränderungen durchführen, da die erreichten Verzerrungen für den benutzten Kleber auf Epoxid-Basis nicht ausreichen um nichtlineares Verhalten zu sehen. Ein weicher Kleber bringt auch den Vorteil, dass durch niedrigere elastische Konstanten höhere Dehnungen im Kleber erreicht werden. Mit diesem Kleber könnten dann systematische Untersuchungen gemacht werden, welche auch in eine Modellierung des nichtlinearen Verhaltens integriert werden könnten.
Thesis Note
Saarbrücken, Univ., Dipl.-Arb., 2005
Publishing Place
Saarbrücken