DE102007015437B3 - Adding zone change e.g. extension, determining method for use during e.g. health and/or life-cycle-monitoring of adding zone of metallic composite material, involves measuring changes with sensor systems, which are positioned in zone - Google Patents

Adding zone change e.g. extension, determining method for use during e.g. health and/or life-cycle-monitoring of adding zone of metallic composite material, involves measuring changes with sensor systems, which are positioned in zone

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Abstract

The method involves measuring changes e.g. form and/or position change, in an adding zone with sensor systems e.g. fiber bragg grating sensors, which are positioned in the adding zone in combination with a reactive material system. The reactive material system is made of a set of alternatingly carried nano-structured layers that are made of aluminum and nickel. The sensor systems are directly integrated in the reactive material system by coating processes, and are positioned in the adding zone independent of the reactive material system.

Description

  • [0001]
    Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Veränderungen (Form- und/oder Lageänderungen, Dehnungen, Spannungen, Temperaturänderungen) in der Fügezone metallischer Werkstoffe, die stoffschlüssig mittels Schweißen oder Löten unter Verwendung eines reaktiven Werkstoffsystems mit oder ohne Zusatzstoff gefügt werden. The invention relates to a method for the determination of changes (positive and / or changes in position, strain, stress, temperature changes) in the joining zone of metallic materials which are cohesively joined by means of welding or soldering using a reactive material system with or without additive.
  • [0002]
    Stoffschlüssige Fügeverfahren für metallische Werkstoffe und ihre vorteilhaften Ausgestaltungen sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt. The metallurgical joining techniques for metallic materials and its advantageous embodiments are well known in the art.
  • [0003]
    Die Erfindung bezieht sich auf ein in der The invention relates to an in US 6 991 856 B2 US 6,991,856 B2 offengelegtes Verfahren, bei dem zur Erzeugung der an der Fügestelle notwendigen Wärme eine mehrschichtige reaktive Folie verwendet wird. Laid-open method, in which a multilayer reactive foil is used to produce the necessary heat at the joint. Dabei handelt sich um eine aus abwechselnd aufgebrachten 25 bis 90 nm dicken Al bzw. Ni-Schichten (oder Al/Ti, Ni/Si, Nb/Si) hergestellte Folie (d = 40–180 μm), die zwischen zwei zu fügende Bauteile, die aus völlig unterschiedlichen Materialien bestehen können (z. B. SiC und Ti-6-4), eingebracht wird. Here is a thick of alternately applied 25 to 90 nm Al and Ni layers (or Al / Ti, Ni / Si, Nb / Si) prepared foil (d = 40-180 microns), which is to be joined between two components , can consist of completely different materials (eg. as SiC and Ti-6-4), is introduced. Die negative Bildungsenthalpie der entstehenden Al-Ni-Phasen führt bei abgesenkter Schmelztemperatur zum Fortschreiten der Reaktion. The negative enthalpy of formation of the resulting Al-Ni-phase results in a lowered melting temperature for the progress of the reaction. Die entstehende Wärme kann beispielsweise zum Fügen durch Aufschmelzen eines Lotes verwendet werden. The heat can be used for example for joining by melting a solder. Durch die Variation von Dicke und Zusammensetzung der Folien bzw. Schichten kann die Temperatur, die Geschwindigkeit und die absolute Energie des Fügeprozesses gesteuert werden. By varying the thickness and composition of the films or layers, the temperature, the speed and the absolute energy of the joining process can be controlled. Der Vorteil dieses vorgestellten Verfahrens liegt darin, dass auf Grund der hohen Prozessgeschwindigkeit und der niedrigen Wärmekapazität in der Fügezone die Bauteile „kalt" bleiben. The advantage of this method presented is that the components remain due to the high processing speed and low heat capacity in the joint zone "cold".
  • [0004]
    Daneben ist aus der Next to it is from the DE 102 10 787 B4 DE 102 10 787 B4 eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung von Deformationen und Schallwellen in Festkörpern mit einem oder mehreren an oder im Festkörper angeordneten Lichtwellenleitern mit mindestens einem eingeschriebenen Faser-Bragg-Gitter und einer Kontrolleinheit bekannt, wobei als Festkörper hier Faserverbundwerkstoffe bezeichnet werden. an apparatus and method for measuring deformations and acoustic waves in solids with one or more on or in the solid state are arranged optical waveguides with at least one written fiber Bragg grating and a control unit is known, where fiber composite materials are referred to as solid state here. Auch aus der Also from the DE 102 149 84 B4 DE 102 149 84 B4 ist ein Aktorik- und Sensoriksystem für Verbundstrukturen, insbesondere CFK-Strukturen, bekannt, bei dem Faser-Bragg-Gitter-Sensoren als Dehnungsmesssensoren zur aktiven Schwingungsdämpfung und/oder Formkontrolle zumindest teilweise in piezokeramische Fasern integriert sind. is an actuator and sensor system for composite structures, in particular CFRP structures, known are at least partially integrated in the fiber Bragg grating sensors as strain measurement sensors for active vibration damping and / or shape control in piezoceramic fibers.
  • [0005]
    Faser-Bragg-Gitter sind optische Sensoren, die sich zur Messung von Dehnungen und Temperaturänderungen (durch Dehnung) eignen. Fiber Bragg gratings are optical sensors, suitable for measuring strain and temperature changes (by stretching). Das Prinzip der Faser-Bragg-Gitter beruht darauf, dass die Eigenschaften des durch eine optische Faser geführten Lichts durch die zu messende physikalische Größe moduliert werden. The principle of the fiber Bragg grating based on the fact that the properties of the guided through an optical fiber light are modulated by the physical quantity to be measured. Die in einer Faser integrierten Bragg-Gitter haben die Eigenschaft, Licht einer bestimmten Wellenlänge, die durch die Gitterparameter festgelegt wird, zu reflektieren ( The built in one fiber Bragg grating to reflect have the property that light of a specific wavelength which is determined by the grating parameters ( DE 699 12 301 T2 DE 699 12 301 T2 ). ). Faser-Bragg-Gitter wirken als schmalbandige spektraloptische Filter, die Licht einer bestimmten Wellenlänge in der Faser reflektieren. Fiber Bragg grating acting as a narrow-band filter spektraloptische that reflect light of a specific wavelength in the fiber. Die Bragg-Wellenlänge wird durch die Gitterperiode und den optischen Brechungsindex des Lichtwellenleiters bestimmt und ist demzufolge von der Dehnung und der Temperatur des Fasergitters abhängig. The Bragg wavelength is determined by the grating period and the optical refractive index of the optical waveguide and is therefore dependent on the strain and temperature of the fiber grating. Auf Grund ihres unterschiedlichen Brechungsverhaltens können mehrere Gitter entlang einer Einzelphase erzeugt werden, so dass Dehnungen in gewünschten Bereichen bestimmt werden können (Kaskadieren). Due to their different refractive behavior of a plurality of gratings along a single phase may be generated, so that stretching may be determined in desired regions (cascading). Faser-Bragg-Gitter-Sensoren können direkt am Bauteil angebracht werden. Fiber Bragg grating sensors can be mounted directly on the component. Der Faserkern beträgt etwa 10 μm. The fiber core is about 10 microns.
  • [0006]
    Beim konventionellen stoffschlüssigen Fügen von metallischen Werkstoffen durch Schweißen und Löten ist die Verwendung von Faser-Bragg-Gittern für die Überwachung von Form- und/oder Lageänderungen, Dehnungen, Spannungen, Temperaturänderungen in der Fügezone der zu fügenden Werkstoffe jedoch problematisch, da für eine relativ lange Zeit im Schmelz- und/oder Lötbad und somit in der Fügezone hohe Temperaturen wirken. In the conventional cohesive joining of metallic materials by means of welding and soldering, the use of fiber Bragg gratings for the monitoring of shape and / or position changes, strains, stresses, changes in temperature in the joining zone of the materials to be joined, however, is problematic because relatively for a long time in the melting and / or solder bath and thus counteract high temperatures in the joint zone. Dies würde zu einer irreversiblen Beschädigung der optischen Faser führen. This would result in irreversible damage to the optical fiber. Darüber hinaus werden Faser-Bragg-Gitter bei direkter Belichtung durch den Laserstrahl oder durch den Lichtbogen beschädigt. In addition, fiber Bragg gratings are in direct exposure damaged by the laser beam or by the arc.
  • [0007]
    Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die genannten Nachteile zu überwinden und ein Verfahren bereitzustellen, mit dem bereits während des eigentlichen stoffschlüssigen Fügeverfahrens und auch beim Health- und/oder Life-Cycle-Monitoring die Veränderungen (Form- und/oder Lageänderungen, Dehnungen, Spannungen, Temperaturänderungen) in der Fügezone metallischer Werkstoffe, die stoffschlüssig mittels Schweißen oder Löten unter Verwendung eines reaktiven Werkstoffsystems mit oder ohne Zusatzstoff gefügt werden, bestimmt werden können. Object of the present invention is therefore to overcome the aforementioned disadvantages and provide a method by which the changes (already during the actual integral joining process and also in the health and / or life-cycle monitoring positive and / or changes in position, expansion voltages, temperature changes) in the joining zone of metallic materials which are cohesively joined by means of welding or soldering using a reactive material system with or without the additive can be determined.
  • [0008]
    Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches. According to the invention the solution of this problem with the features of the first claim succeeds. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung sind in den Unteransprüchen angegeben. Advantageous embodiments of the inventive solution are given in the dependent claims.
  • [0009]
    Der in der Erfindung verfolgte Ansatz stellt das stoffschlüssige Fügen metallischer Werkstoffe mit der so genannten „reaktiven Nanotechnologie" dar. In Folge einer selbst fortschreitenden Hochtemperatursynthese eines nanostrukturierten reaktiven Werkstoffsystems wird die zum Fügen erforderliche Wärme direkt in der Fügezone freigesetzt. Das reaktive Werkstoffsystem kann z. B. eine Multilayerfolie, bestehend aus einer Vielzahl von 10–30 nm starken Einzelschichten (Folien oder Pasten mit nanostrukturierten Partikeln, die exotherm reagieren) aus Aluminium und Nickel, die alternierend zu einer Gesamtdicke von 10–500 μm aufgetragen wurden, sein. The approach taken in the invention approach provides the firm joining of metallic materials with the so-called "reactive nanotechnology". In consequence of a self-advancing high-temperature synthesis of nanostructured reactive material system required for joining heat is released directly into the joint zone. The reactive material system can for. from a variety of 10-30 nm thick individual layers (films or pastes with nanostructured particles which react exothermically) made of aluminum and nickel, which were applied alternately to a total thickness of 10-500 microns, for example be a multilayer film composed.
  • [0010]
    Nach dem Starten der exothermen Reaktion, beispielsweise durch eine punktuelle Erwärmung mit Hilfe eines Funken, einer Flamme, einer Widerstanderwärmung oder einem Laserstrahl des reaktiven Werkstoffsystems, tritt eine Selbstfortschreitung auf. After the start of the exothermic reaction, for example by a selective heating by means of a spark, a flame, a resistance heating or a laser beam of the reactive material system, there occurs a self progression. Die bei der exothermen Reaktion entstehende Wärme führt entweder zum Aufschmelzen des in der Fügezone vorhandenen Zusatzwerkstoffes (Lot) oder zum Aufschmelzen des zu fügenden Werkstoffes bzw. zu einer Diffusionsverbindung ohne flüssige Phase. The resulting during the exothermic heat of reaction leads either to melt the joining zone present in the filler material (solder) or to melt the material to be joined, or to a diffusion bonding without a liquid phase. Aufgrund der hohen Prozessgeschwindigkeit von bis zu 30 m/s und der geringen insgesamt freigesetzten Energie werden die zu fügenden Werkstoffe in der Fügezone nur kurzzeitig erwärmt. Due to the high process speeds of up to 30 m / s and the low total energy released, the materials to be joined in the joining zone are heated only briefly. Ungefähr 20 ms nach Reaktionsstart sind sie dann wieder auf Raumtemperatur abgekühlt. Approximately 20 ms after start of the reaction are then cooled to room temperature. Folglich unterliegen die zu fügenden Werkstoffe einer minimalen Temperaturbelastung und einem minimierten Eigenspannungsniveau. Consequently, the materials to be joined a minimum temperature load and a minimized residual stress level subject.
  • [0011]
    Über die jeweilige stöchiometrische Zusammensetzung des reaktiven Werkstoffsystems, die Dicke der Einzelschichten bzw. der Partikelgröße und die Gesamtdicke bzw. Partikelmasse, kann die Reaktionsgeschwindigkeit, die freigesetzte Energiemenge und die Fügetemperatur eingestellt und somit der Fügeprozess gesteuert werden. Via the respective stoichiometric composition of the reactive material system, the thickness of the individual layers or the particle size and the total thickness and particle mass, the reaction rate, the amount of energy released, and the bonding temperature can be set and thus the joining process can be controlled. Entsprechend den Anforderungen gilt es, das Design des reaktiven Werkstoffsystems an die jeweilige Materialkombination der zu fügenden Werkstoffe anzupassen. According to the requirements, it is important to adapt the design of the reactive material system to the specific material combination of the materials to be joined.
  • [0012]
    Erfindungsgemäß werden zusätzlich zum reaktiven Werkstoffsystem oben beschriebene Faser-Bragg-Gitter-Sensoren zur Messung von Form- und/oder Lageänderungen, Dehnungen, Spannungen, Temperaturänderungen in die Fügezone der zu fügenden Werkstoffe eingebracht, wobei die Sensoren bereits während des Fertigungsprozesses des reaktiven Werkstoffsystems direkt in dieses integriert werden können. According to the invention in addition to the reactive material system described above, fiber Bragg grating sensors for the measurement of positive and / or changes in position, strains, stresses introduced changes in temperature in the joining zone of the materials to be joined, wherein the sensors directly already during the manufacturing process of the reactive material system can be integrated into this. Das reaktive Werkstoffsystem auf Folienbasis kann mit Hilfe von Dünnschichtverfahren, wie z. The reactive material system film-based, with the aid of thin film processes such. B. Magnetronsputtern, gefertigt werden. As magnetron sputtering, are manufactured. Dieses Vorkonfektionieren führt zu einem einfacheren Handling und Positionieren. This prefabrication resulting in a simpler handling and positioning.
  • [0013]
    Selbstverständlich ist es aber auch möglich, die Faser-Bragg-Gitter-Sensoren und das reaktive Werkstoffsystem unabhängig voneinander in der Fügezone zu positionieren. but of course it is also possible to position the fiber Bragg grating sensors and the reactive material system independently of one another in the joint zone.
  • [0014]
    Die stoffschlüssige Verbindung zwischen den zu fügenden Werkstoffen wird z. The integral connection between the materials to be joined z. B. durch das Aufschmelzen von Lot (beispielsweise Incusil) erzielt. B. achieved by the melting of solder (e.g., Incusil). Zum Aufschmelzen des Lotes wird die bei der exothermen Reaktion des reaktiven Werkstoffsystems freiwerdende Wärme genutzt. For melting the solder that is released during the exothermic reaction of the reactive material system heat is used.
  • [0015]
    Aufgrund der hohen Prozessgeschwindigkeit von bis zu 30 m/s wird die sich nunmehr in der Fügezone befindliche Sensorik nur kurzzeitig auf Temperaturen größer ihrer Dauereinsatz-Betriebstemperatur erwärmt. Due to the high process speeds of up to 30 m / s, the sensor is located now in the joint zone is heated only briefly greater its constant use operation temperature to temperatures. Eine Beeinträchtigung ihrer Funktionen tritt dabei nicht auf. An impairment of their functions does not occur there. Vorteilhaft bei diesem Verfahren ist, das mit Hilfe der Sensorik bereits während des Fügevorganges auftretende Veränderungen bezüglich Form und/oder Lage bzw. Dehnung detektiert werden können. It is advantageous in this method, which already occurs with the aid of sensors during the joining operation changes shape or position with respect to elongation can be detected and / or.
  • [0016]
    Eine direkt in die Fügezone integrierte Sensorik bietet vielfältige Nutzungsmöglichkeiten. An integrated directly into the joint zone sensor provides a variety of uses. So wird die aktive Überwachung des Fügeprozesses in der eigentlichen Fügezone und eine direkte und zuverlässige Bewertung der Fügequalität ermöglicht. Thus, the active monitoring of the joining process in the actual joining zone and a direct and reliable assessment of joint quality is made possible. Dadurch kann die unter Betriebsbelastung erreichbare Festigkeit genauer als mit bisherigen Überwachungsverfahren bestimmt werden, wodurch die Sicherheitsreserven bei der Auslegung von Bauteilstrukturen reduziert und somit Leichtbaukonzepte effektiver umgesetzt werden können. Characterized the achievable under operating load strength can be determined more accurately than with previous monitoring process whereby the safety reserves reduced in the design of device structures, and thus lightweight designs can be implemented more effectively. Die Überwachung der Bauteilbelastung über den Fügeprozess hinaus, im Sinne eines Life-Cycle-Monitoring in der Fügezone, führt durch die Möglichkeit einer Restlebensdauerabschätzung zu weiteren Synergieeffekten, die sich im Sinne des Leichtbaus bzw. der Ressourcenschonung nutzen lassen. Monitoring the component load on the joining process also, in terms of life-cycle monitoring in the joint zone, through the possibility of a residual life assessment for further synergy effects, which can be used in the sense of lightweight construction and resource conservation. So wird es beispielsweise möglich, das Bauteil in einem zweiten Produktlebenszyklus weiter zu verwerten, ohne dabei sicherheitstechnische Risiken in Kauf nehmen zu müssen. So it is for example possible to use the component in a second product lifecycle further without having to accept safety risks. Die Bauteilbelastungen werden weiterhin über die Sensorik detektiert und können so zuverlässig für die Abschätzung der Restlebensdauer herangezogen werden. The component loads continue to be detected by the sensor and can be reliably used to estimate the remaining service life. Zudem ist über das Erfassen der Form- und/oder Lageänderung bzw. des Dehnungsfeldes eine exakte Vorhersage des Versagensverhaltens und die Detektion von Schädigungen möglich. In addition, regarding the collection of positive and / or change in position or the strain field an accurate prediction of failure behavior and the detection of damage is possible. Die aufgrund des Life-Cycle-Monitoring mögliche Weiterverwertung und die dadurch erreichte maximale Ausnutzung des werkstofflichen Lebensdauerpotenzials führen zu einem optimierten Umgang mit den zur Verfügung stehenden Werkstoffressourcen. The possible because of the life-cycle monitoring further utilization and thus achieved maximum utilization of materials-life potential lead to an optimized use of the available material resources. Diese können zum einen in einer längeren Produktlebenszeit oder durch eine Wieder- oder Weiterverarbeitung in anderen Bauteilen zur Kostenreduktion beitragen. This can contribute to cost reduction on the one hand in a longer product lifetime or by a re- or further processing in other components.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Bestimmung von Veränderungen, insbesondere von Form- und/oder Lageänderungen, Dehnungen, Spannungen, Temperaturänderungen, in der Fügezone metallischer Werkstoffe, die stoffschlüssig mittels Schweißen oder Löten unter Verwendung eines reaktiven Werkstoffsystems mit oder ohne Zusatzstoff gefügt werden, wobei die Veränderungen in der Fügezone mit Sensorsystemen, die in der Fügezone zusammen mit dem reaktiven Werkstoffsystem positioniert sind, gemessen werden. A method for the determination of changes, in particular of shape and / or position changes, strains, stresses, changes in temperature in the joining zone of metallic materials which are cohesively joined by means of welding or soldering using a reactive material system with or without additive, wherein the changes in the joining zone with sensor systems which are positioned in the joining zone together with the reactive material system to be measured.
  2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das reaktive Werkstoffsystem aus einer Vielzahl alternierend aufgetragener nanostrukturierter Schichten hergestellt wird. The method of claim 1, characterized in that the reactive material system is made of a plurality of applied alternately nanostructured layers.
  3. Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die nanostrukturierten Schichten Folien oder Pasten mit nanostrukturierten Partikeln, die exotherm reagieren, sein können. A method according to claim 2 characterized in that the nanostructured layer films or pastes with nanostructured particles which react exothermically, can be.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass die nanostrukturierten Schichten aus Aluminium und Nickel hergestellt werden. A method according to claim 2 or 3 characterized in that the nanostructured layers of aluminum and nickel are prepared.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorsysteme Faser-Bragg-Gitter-Sensoren sind, und mit Hilfe von Beschichtungsprozessen direkt in das reaktive Werkstoffsystem integriert werden. The method of claim 1 to 4 characterized in that the sensor systems Fiber Bragg Grating sensors are, and are integrated by means of coating processes directly in the reactive material system.
  6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorsysteme Faser-Bragg-Gitter-Sensoren sind, und unabhängig vom reaktiven Werkstoffsystem in der Fügezone positioniert werden. The method of claim 1 to 4 characterized in that the sensor systems are fiber Bragg grating sensors, and are positioned independently from the reactive material system in the joining zone.
  7. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 sowohl während des Fügeprozesses der metallischen Werkstoffe als auch beim Health- und/oder Life-Cycle-Monitoring der Fügezone des metallischen Werkstoffverbundes. Use of the method according to any one of claims 1 to 6, both during the joining process of the metallic materials as well as in health and / or life-cycle monitoring of the joining zone of the metallic material composite.
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