Componente de conexión con elemento sensor resistente a la temperatura.

Componente de conexión (1) con sensor de ultrasonido (5) integrado para determinar la fuerza de tensión previa ola fuerza de tensión del componente de conexión (1),

en donde el sensor de ultrasonido (5) presenta una estructurade capas (20) con una capa de electrodos (21), por lo menos una capa protectora mecánica (22) y por lo menos unacapa (23) de un material con propiedades piezoeléctricas y la por lo menos una capa de electrodos (21), la por lomenos una capa protectora mecánica (22) y la por lo menos una capa (23) de un material con propiedadespiezoeléctricas están dispuestas aplicadas por pulverización catódica en un extremo de acceso libre (25, 27) delcomponente de conexión (1), caracterizado porque la estructura de capas (20) se realiza de manera compacta ylibre de poros, el sensor de ultrasonido (5) está configurado para resistir sin daños un paso múltiple por un ciclo detemperaturas con un período de calentamiento corto, un período en el que rige un nivel de temperatura aumentada yun período de enfriamiento, gracias a que la por lo menos una capa protectora mecánica (22) separa la capa (23) deun material con propiedades piezoeléctricas de la capa de electrodos (21).

Componente de conexión con elemento sensor resistente a la temperatura

Campo técnico

Los componentes mecánicos de conexión, tales como por ejemplo tornillos o pernos se comprueban mediante procesos de medición de ultrasonido en cuanto a su fuerza de tensión previa o su fuerza de tensión. Para este propósito se mide el tiempo de propagación de señal de ondas de sonido que se acoplan con una o más frecuencias de trabajo separadas, definidas con frecuencia previamente, en el componente de conexión respectivo. Como parte del avance de las ciencias de los materiales se ha introducido en los últimos años una gran variedad de materiales compuestos y de gradientes al igual que aleaciones especiales a partir de los cuales es posible fabricar componentes de conexión tales como pernos o tornillos, cuyas características de materiales presentan exigencias mayores para un procedimiento de medición para determinar la fuerza de tensión previa.

Estado actual de la técnica Por el documento DE 42 25 035 A1 y DE 42 32 254 A1 se conocen procedimientos de comprobación de ultrasonido. De acuerdo con este procedimiento, para el control de un transductor de ultrasonido dispuesto en un trayecto de transmisión está prevista una señal de chirrido de frecuencia modulada x (t) cuya frecuencia instantánea f no se modula de manera lineal con el tiempo t. El curso en el tiempo f (t) de la frecuencia instantánea de la señal de chirrido de frecuencia modulada x (t) a una función de transmisión H (f) se adapta al trayecto de transmisión predeterminado. El cambio temporal de la frecuencia instantánea f de la señal de chirrido de frecuencia modulada x (t) se correlaciona con el valor correspondiente a esta frecuencia f de la función de transmisión H (f) del trayecto de transmisión de tal manera que en frecuencias f con un valor correspondiente reducido de la función de transmisión H (f) la velocidad del cambio de frecuencia es menor que en frecuencias f con un valor correspondiente elevado de la función de transmisión H (f) .

Una señal de chirrido rectangular x’ (t) sirve para el control del transductor de ultrasonido. Se propone además un dispositivo para la comprobación de ultrasonido con un generador de señales para controlar un transductor de ultrasonido con una señal de chirrido de frecuencia modulada x (t) cuya frecuencia instantánea f no depende linealmente del tiempo y un filtro de compresión de impulsos para la transformación de la señal de chirrido recibida de este o de otro transductor de ultrasonido y (t) en un impulso corto de recepción z (t) .

Por el documento DE 10 2004 038 638 se conoce un procedimiento para determinar la fuerza de tensión previa de componentes de conexión a través de la excitación de ultrasonido. Con este sonido se mide la fuerza de tensión de componentes de conexión, por ejemplo tornillos o pernos, a través de una excitación de ultrasonido de banda ancha. Para este propósito de usa un generador de impulsos que genera un impulso de ultrasonido mediante una posición de fase distribuida estadísticamente de componentes de frecuencia usados y/o resolubles con un ancho de impulso predeterminable. El ancho de impulso se adapta a las distancias del eco de los impulsos de ultrasonido de manera que no se presenta una superposición de reflejos variables individuales y se alcanza la duración máxima posible de impulso. El eco de impulso de ultrasonido recibido se selecciona en relación con el tiempo en cuanto a por lo menos un reflejo y se somete a un procedimiento de transformación de manera que para un momento definido relacionado con el ultrasonido se desplazan todos los aportes de frecuencia en relación con el tiempo o con respecto a la fase.

Por el documento DE 10 2004 038 638 se conoce además un componente de conexión en cuya área superior se encuentra un transductor de ultrasonido cuya estructura está configurada como estructura de capas.

Como transductores de ultrasonido que se denominan también como sensores de ultrasonido se usan hoy en día, por ejemplo, sensores adheridos con láminas de PVDF. Los sensores de ultrasonido realizados con láminas de PVDF son muy sensibles y se aplican, por ejemplo, sobre las cabezas de tornillos de componentes de conexión configurados como tornillos. La aplicación y la fijación en una cabeza de tornillo se realizan por lo general por medio de una capa de adhesivo. Las láminas de PVDF tienen la desventaja de que no son resistentes a la temperatura. A partir de una temperatura de aproximadamente 70 ºC se presenta en la lámina de PVDF un proceso de envejecimiento que en el caso extremo puede llevar a la desintegración de la lámina de PVDF. El problema básico de las láminas de PVDF es la desintegración de la lámina en vista del tiempo de funcionamiento o un desprendimiento parcial del material de lámina. Si se mide ahora una fuerza de tensión previa o la fuerza de tensión de un componente de conexión configurado en forma de tornillo con ayuda de un sensor de ultrasonido que se fabrica a partir de la lámina de PVDF, entonces no son visibles, por ejemplo los desprendimientos parciales que se presentan debido a una exposición de temperatura elevada por debajo de la lámina de PVDF. Debido a los desprendimientos parciales y de la posición local desconocida de los desprendimientos parciales con la medición de ultrasonido con tal sensor de ultrasonido previamente dañado se obtiene un resultado erróneo de la medición, puesto que se distorsionan los tiempos de propagación de las señales debido a que se alarga la señal de ultrasonido por los desprendimientos parciales. Con una desintegración completa de la lámina de PVDF en el caso extremo ya no es posible una medición de ultrasonido. Las distorsiones que se presentan pueden llevar a errores de hasta 40 % que por lo tanto distorsionan considerablemente un resultado basado en una medición del tiempo de propagación de la señal, si es que no lo hacen del todo inservible.

Además, en las mediciones de ultrasonido se conoce el uso de un gel de acoplamiento que para la determinación de una fuerza de tensión previa es, sin embargo, inapropiado en un componente de conexión en forma de tornillo, puesto que a través de las más mínimas diferencias durante el posicionamiento del cabezal de comprobación se producen diferencias de los tiempos de propagación previa de acoplamiento de ultrasonido que son mayores que el parámetro medido propiamente dicho. Con las mediciones de ultrasonido en las que se emplea un gel de acoplamiento por lo general no es posible alcanzar las clases de exactitud requeridas.

Por el documento WO 92/03665 se conoce un elemento de conexión con indicación de carga en el que se mide la carga mediante ultrasonido. Para la generación de ultrasonido se aplican dos electrodos en el elemento de conexión, en donde se forma una película con propiedades piezoeléctricas con la ayuda de un proceso de evaporación en uno de los electrodos.

Descripción de la invención En vista de las desventajas esbozadas de las soluciones del estado anterior de la técnica, la invención tiene como objetivo proveer un componente de conexión con sensor de ultrasonido integrado que puede ser usado en particular en temperaturas más altas de > 350 ºC y que es estable durante un largo tiempo de funcionamiento, Además, el sensor de ultrasonido se debe configurar resistente a la oxidación.

De acuerdo con la invención se propone un componente de conexión configurado en particular en forma de tornillo que comprende un sensor de ultrasonido que presenta una estructura por capas en un extremo de acceso libre. El sensor de ultrasonido forma parte del componente de conexión configurado en forma de tornillo y está asignado a una superficie frontal en la cabezal de tornillo y el extremo de tornillo opuesto a este último con acceso libre, es decir, una superficie frontal del componente de conexión después del fin de la rosca. Tanto el lado frontal que representa la cabeza de tornillo como también el extremo de tornillo opuesto a este último representa un lugar de libre acceso en la que se puede acoplar una señal de ultrasonido en el componente de conexión.

El sensor de ultrasonido comprende preferentemente por lo menos una capa de electrodos, en donde electrodos individuales están aislados unos de otros. Además, la estructura de capas del componente de conexión propuesto con su sensor de ultrasonido integrado comprende una capa protectora mecánica y una capa de un material que presenta propiedades piezoeléctricas. Las por lo menos tres capas mencionadas de la estructura de capas del sensor de ultrasonido se aplican en el extremo de acceso libre del componente de conexión configurado preferentemente en forma de tornillo mediante la técnica de pulverización... [Seguir leyendo]

1. Componente de conexión (1) con sensor de ultrasonido (5) integrado para determinar la fuerza de tensión previa o la fuerza de tensión del componente de conexión (1) , en donde el sensor de ultrasonido (5) presenta una estructura de capas (20) con una capa de electrodos (21) , por lo menos una capa protectora mecánica (22) y por lo menos una capa (23) de un material con propiedades piezoeléctricas y la por lo menos una capa de electrodos (21) , la por lo menos una capa protectora mecánica (22) y la por lo menos una capa (23) de un material con propiedades piezoeléctricas están dispuestas aplicadas por pulverización catódica en un extremo de acceso libre (25, 27) del componente de conexión (1) , caracterizado porque la estructura de capas (20) se realiza de manera compacta y libre de poros, el sensor de ultrasonido (5) está configurado para resistir sin daños un paso múltiple por un ciclo de temperaturas con un período de calentamiento corto, un período en el que rige un nivel de temperatura aumentada y un período de enfriamiento, gracias a que la por lo menos una capa protectora mecánica (22) separa la capa (23) de un material con propiedades piezoeléctricas de la capa de electrodos (21) .

2. Componente de conexión de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el componente de conexión

(1) se usa como sensor de alta temperatura en un intervalo de temperaturas entre 200 ºC y 1000 ºC, preferentemente entre 250 ºC y 950 ºC y más preferentemente dentro de un intervalo de temperaturas entre 650 ºC y 900 ºC.

3. Componente de conexión de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque está fabricado a partir del grupo de materiales que se enumeran a continuación: aceros de alta aleación, aceros especiales, titanio y sus aleaciones, TiAl6V4, aluminio y sus aleaciones, aleaciones de níquel (Inconel) , aceros antimagnéticos, tales como A286 o latón.

4. Componente de conexión de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el espesor de capa de la capa protectora mecánica (22) es varias veces menor que el espesor de capa de la capa (23) de material que presenta propiedades piezoeléctricas.

5. Componente de conexión de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque las capas (21, 22, 23) de la estructura de capas (20) están aplicadas con una fuerza de adhesión relativa entre ellas de entre 20 N/mm2 y 80 N/mm2, preferentemente de 50 N/mm2 y más preferentemente de 40 N/mm2.

6. Componente de conexión de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la capa (23) de un material que presenta propiedades piezoeléctricas está aplicada con una fuerza de adhesión de más de 40 Newton por mm2 sobre un primer extremo (25) o un segundo extremo (27) del componente de conexión (1) .

7. Componente de conexión de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el sensor de ultrasonido (5) al estar por debajo de la temperatura de Curie del material con propiedades piezoeléctricas en una capa (23) proporciona ecos de impulso de ultrasonido (8) significativos.

8. Componente de conexión de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el espesor de capa de la capa de electrodos (21) es < 30 μm.

9. Componente de conexión de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el espesor de capa de la capa protectora mecánica (22) es < 20 μm.

10. Componente de conexión de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el espesor de capa de la capa (23) de un material con propiedades piezoeléctricas es < 50 μm.

11. Componente de conexión de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el primer extremo (25) es el lado frontal de una cabeza de tornillo (2) .

12. Componente de conexión de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el segundo extremo (27) es el lado frontal en el extremo de una parte roscada (4) .

13. Componente de conexión de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque está configurado como tornillo, como tornillo hueco, como perno de anclaje, como perno, como remache o como clavija o como componente especial para aplicaciones de aviación.

14. Componente de conexión de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el sensor de ultrasonido (5) integrado está incorporado en el primer extremo de acceso libre (25) del componente de conexión (1) en una cavidad o depresión (28) configurada allí.

15. Componente de conexión de acuerdo con la reivindicación 14, caracterizado porque la estructura de capas (20) del sensor de ultrasonido (5) está incorporada en el primer extremo (25) o el segundo extremo (27) del componente de conexión (1) .