DE102014007337A1 - Method for the X-ray intrinsic voltage measurement on a component and apparatus for carrying out the method - Google Patents

Method for the X-ray intrinsic voltage measurement on a component and apparatus for carrying out the method Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur röntgenografischen Eigenspannungsmessung an einem Bauteil, einem Bauteilabschnitt oder einem Probenkörper (B), wobei zur Ermittlung der Eigenspannung in zumindest einer vorgegebenen Messtiefe Material des Bauteils, des Bauteilabschnittes oder des Probenkörpers (B) bis zur vorgegebene Messtiefe abgetragen wird und dann die röntgenografische Eigenspannungsmessung in dieser vorgegebenen Messtiefe durchgeführt wird. Erfindungsgemäß wird der Materialabtrag zumindest bereichsweise mittels Laserstrahlung durchgeführt. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung (5) zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for radiographic measurement of residual stresses on a component, a component section or a test body (B), with material of the component, the component section or the test body (B) being removed up to the given measurement depth in order to determine the internal stress in at least one predetermined measurement depth, and then the radiographic residual stress measurement is carried out at this specified measurement depth. According to the invention, the material removal is carried out at least in regions by means of laser radiation. The invention also relates to a device (5) for performing the method.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur röntgenografischen Eigenspannungsmessung an einem Bauteil nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for X-ray internal stress measurement on a component according to the features of the preamble of claim 1 and an apparatus for carrying out the method.

Aus dem Stand der Technik ist es allgemein bekannt, eine röntgenografische Eigenspannungsmessung an Bauteilen durchzuführen. Dabei wird die Verspannung des Metallgitters infolge der herrschenden Spannung ermittelt. Dieses Verfahren ist zunächst nur auf sehr oberflächennahe Bereiche begrenzt. Durch verformungsfreies Abtragen dünner Schichten, insbesondere durch elektrochemisches Abtragen, können jedoch auch Eigenspannungs-Tiefenverläufe ermittelt werden. Das elektrochemische Abtragen ist jedoch sehr aufwendig.From the prior art, it is generally known to carry out a roentgenographic intrinsic voltage measurement on components. In this case, the strain of the metal grid is determined as a result of the prevailing voltage. Initially, this method is limited only to very shallow areas. By deformation-free removal of thin layers, in particular by electrochemical removal, but also residual stress depth profiles can be determined. The electrochemical removal is very expensive.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur röntgenografischen Eigenspannungsmessung an einem Bauteil und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.The invention is based on the object to provide a comparison with the prior art improved method for X-ray internal stress measurement on a component and an apparatus for performing the method.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur röntgenografischen Eigenspannungsmessung an einem Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 9.The object is achieved by a method for X-ray diffraction measurement on a component with the features of claim 1 and an apparatus for performing the method with the features of claim. 9

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

In einem Verfahren zur röntgenografischen Eigenspannungsmessung an einem Bauteil wird zur Ermittlung der Eigenspannung in zumindest einer vorgegebenen Messtiefe Material des Bauteils bis zur vorgegebene Messtiefe abgetragen und dann die röntgenografische Eigenspannungsmessung in dieser vorgegebenen Messtiefe durchgeführt.In a method for X-ray internal stress measurement on a component, material of the component is removed up to the predetermined measurement depth to determine the residual stress in at least one predetermined measurement depth and then the X-ray internal stress measurement is performed at this predetermined measurement depth.

Erfindungsgemäß wird der Materialabtrag zumindest bereichsweise mittels Laserstrahlung durchgeführt.According to the invention, the removal of material is carried out at least in regions by means of laser radiation.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht auf einfache Weise röntgenografische Eigenspannungstiefenmessungen, d. h. nicht nur röntgenografische Eigenspannungsmessungen an einer Oberfläche des Bauteils, sondern auch in einer vorgegebenen Messtiefe oder bevorzugt in mehreren vorgegebenen Messtiefen im Bauteil. Dadurch wird beispielsweise auch eine Erstellung von röntgenografischen Eigenspannungstiefenverläufen ermöglicht. Unter dem allgemeinen Begriff „Bauteil” soll dabei insbesondere auch ein Bauteilabschnitt oder ein Probenkörper verstanden werden.The inventive method allows in a simple way X-ray residual stress depth measurements, d. H. not only X-ray residual stress measurements on a surface of the component, but also in a given measurement depth or preferably in several predetermined measurement depths in the component. As a result, it is also possible, for example, to generate X-ray residual stress gradients. The general term "component" is intended to mean, in particular, a component section or a specimen.

Bei Verfahren nach dem Stand der Technik wird dies nur durch ein sehr aufwändiges elektrochemisches Abtragen ermöglicht. Dieses elektrochemische Abtragen muss beispielsweise in einer separaten Arbeitsstation durchgeführt werden und erfordert manuelle Demontage-, Montage-, Mess- und Präparationsschritte. Diese manuellen Eingriffe sind bei röntgenografischen Eigenspannungsmessungen in verschiedenen Messtiefen des Bauteils in jeder Messtiefe erforderlich. Des Weiteren ist das elektrochemische Abtragen nur anwendbar, wenn ein jeweiliger Prüfort am Bauteil mit der Vorrichtung für den elektrochemischen Abtrag hinreichend gut zugänglich ist und eine prozesssichere elektrochemische Abtragung möglich ist. Eine Abtragtiefe und eine genaue Form des Abtrags sind zudem nicht exakt steuerbar.In the prior art, this is only possible by a very complex electrochemical removal. This electrochemical removal, for example, must be carried out in a separate workstation and requires manual disassembly, assembly, measurement and preparation steps. These manual interventions are required for radiographic residual stress measurements at various depths of the component at any depth. Furthermore, the electrochemical removal is only applicable if a respective test location on the component with the device for the electrochemical removal is sufficiently accessible and a process-safe electrochemical removal is possible. A removal depth and an exact form of the removal are also not exactly controllable.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist im Gegensatz dazu wesentlich einfacher und genauer und zudem prozesssicher durchführbar. Das gesamte Verfahren oder einzelne Verfahrensschritte können beispielsweise halbautomatisch oder vollautomatisch durchgeführt werden. Insbesondere wird durch das Verfahren ein automatisierter Materialabtrag mittels der Laserstrahlung ermöglicht, wodurch die Präparationstechnik wesentlich vereinfacht wird. Durch das automatisierte Materialabtragen mittels der Laserstrahlung, vorteilhafterweise in einer Messaufspannung, in welcher auch die röntgenografischen Eigenspannungsmessungen durchgeführt werden, können Eigenspannungstiefenverläufe mit wesentlich geringeren Durchlaufzeiten und ohne manuellen Eingriff erhalten werden. Des Weiteren ist jedoch auch eine manuelle Durchführung des Verfahrens oder einzelner Verfahrensschritte möglich. Der Materialabtrag mittels der Laserstrahlung kann beispielsweise mit einem Laser oder mit einer Mehrzahl gleicher oder unterschiedlicher Laser erfolgen, welche gleichzeitig oder nacheinander eingesetzt werden.In contrast, the method according to the invention is much simpler and more accurate and, moreover, reliable in terms of process. The entire process or individual process steps can be carried out semi-automatically or fully automatically, for example. In particular, an automated material removal by means of the laser radiation is made possible by the method, whereby the preparation technique is considerably simplified. Due to the automated removal of material by means of the laser radiation, advantageously in a measurement setup, in which the X-ray residual stress measurements are also carried out, residual stress depth profiles can be obtained with substantially shorter processing times and without manual intervention. Furthermore, however, a manual implementation of the method or individual method steps is possible. The material removal by means of the laser radiation can be carried out, for example, with a laser or with a plurality of identical or different lasers, which are used simultaneously or successively.

Die Automatisierung des Abtragens wird vorteilhafterweise ermöglicht durch eine Integration zumindest einer Laserabtragseinheit und zumindest einer röntgenografischen Eigenspannungsmesseinheit in einer gemeinsamen Vorrichtung. Dadurch wird eine vollautomatische Erstellung eines Eigenspannungstiefenverlaufes ohne einen manuellen Eingriff ermöglicht.The automation of the removal is advantageously made possible by integrating at least one laser ablation unit and at least one X-ray internal residual stress measuring unit in a common device. This allows a fully automatic creation of a residual stress depth curve without manual intervention.

Der Materialabtrag mittels der Laserstrahlung ist zudem auch an solchen Prüforten möglich, die aus Präparationsgründen mittels des aus dem Stand der Technik bekannten elektrochemischen Abtragens nicht zu realisieren sind. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird somit eine Erweiterung des Prüfspektrums ermöglicht.The removal of material by means of the laser radiation is also possible at such test locations, which can not be realized for reasons of preparation by means of the electrochemical removal known from the prior art. By means of the method according to the invention thus an extension of the test spectrum is made possible.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.

Dabei zeigen:Showing:

1 schematisch ein Abtragen von Material eines Bauteils, 1 schematically a removal of material of a component,

2 schematisch ein Verfahrensablauf eines Verfahrens zur röntgenografischen Eigenspannungsmessung an einer Oberfläche und in mehreren Messtiefen eines Bauteils, 2 1 schematically shows a method sequence of a method for the X-ray intrinsic-voltage measurement on a surface and in several measuring depths of a component,

3 schematisch ein Bauteil in einer Messaufspannung während eines Materialabtragens, und 3 schematically a component in a measuring clamping during a material removal, and

4 schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur röntgenografischen Eigenspannungsmessung an einem Bauteil. 4 schematically a device for performing a method for X-ray internal stress measurement on a component.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.

1 zeigt ein Abtragen von Material eines Bauteils B bis zu einer vorgegebenen Messtiefe, um nachfolgend eine röntgenografische Eigenspannungsmessung in dieser vorgegebenen Messtiefe durchführen zu können. Dieser Materialabtrag wird zumindest bereichsweise mittels Laserstrahlung durchgeführt, wobei hierfür zumindest eine Laserabtragseinheit 1, 2 verwendet wird. Ein solches Abtragen von Material mittels Laserstrahlung wird beispielsweise in der DE 10 2012 023 864 A1 der Anmelderin beschrieben, deren vollständiger Inhalt hiermit durch Referenz aufgenommen wird. 1 shows a removal of material of a component B up to a predetermined measurement depth in order to subsequently perform a roentgenographic intrinsic voltage measurement in this predetermined measurement depth can. This material removal is carried out at least in regions by means of laser radiation, for which purpose at least one laser ablation unit 1 . 2 is used. Such removal of material by means of laser radiation, for example, in the DE 10 2012 023 864 A1 by the assignee, the entire contents of which are hereby incorporated by reference.

Im hier dargestellten Beispiel wird der Materialabtrag vollständig oder teilweise mittels Laserstrahlung durchgeführt. Hierfür werden im dargestellten Beispiel zwei Laserabtragseinheiten 1, 2 verwendet, wobei die Verwendung der zweiten Laserabtragseinheit 2 optional ist. Dies wird in 1 wie auch in den nachfolgenden 2 bis 4 verdeutlicht durch ihre gestrichelte Darstellung. Diese zweite Laserabtragseinheit 2 dient beispielsweise einem Nacharbeiten, um die vorgegebene Messtiefe mit hoher Genauigkeit zu erreichen und/oder eine Prüffläche derart zu bearbeiten, dass ein vorgegebener Prüfflächenzustand erreicht wird. Das Materialabtragen mittels Laserstrahlung kann auch mittels mehr als einem oder zwei Lasern und/oder Laserabtragseinheiten 1, 2 erfolgen.In the example shown here, the material removal is carried out completely or partially by means of laser radiation. For this purpose, in the example shown, two laser ablation units 1 . 2 used, the use of the second laser ablation unit 2 is optional. This will be in 1 as well as in the following 2 to 4 clarified by their dashed representation. This second laser ablation unit 2 is used, for example, a reworking to achieve the predetermined measurement depth with high accuracy and / or to edit a test surface such that a predetermined Prüfflächenzustand is achieved. The material removal by means of laser radiation can also be achieved by means of more than one or two lasers and / or laser ablation units 1 . 2 respectively.

Alternativ oder zusätzlich zum Einsatz einer solchen mindestens zweiten Laserabtragseinheit 2 kann dieses Nacharbeiten beispielsweise auch mittels eines chemischen und/oder elektrochemischen Feinabtragens durchgeführt werden. Dies wird in 1 wie auch in den nachfolgenden 2 bis 3 verdeutlicht durch die gestrichelte Darstellung der Einheit 7 für ein chemisches und/oder elektrochemisches Abtragen. Im Falle eines chemischen Abtragens ist beispielsweise vorstellbar, auf der mit mindestens einem Laserabtragsschritt erzeugte Oberfläche punktuell eine Substanz aufzubringen, die zu einem weiteren Feinabtrag und/oder einer Konditionierung der erzeugten Oberflächenstruktur führt. Gegebenenfalls muss im Nachgang eine Reinigung der Oberfläche erfolgen, um ein weiteres Tiefen zu unterbinden.Alternatively or in addition to the use of such at least a second laser ablation unit 2 This reworking can be carried out, for example, by means of a chemical and / or electrochemical fine abrasion. This will be in 1 as well as in the following 2 to 3 illustrated by the dashed representation of the unit 7 for a chemical and / or electrochemical removal. In the case of a chemical removal, for example, it is conceivable to selectively apply a substance to the surface produced with at least one laser removal step, which leads to a further fine removal and / or conditioning of the surface structure produced. If necessary, subsequent cleaning of the surface must take place in order to prevent further depths.

Im in 1 dargestellten Beispiel wird zunächst mittels der Laserstrahlung der ersten Laserabtragseinheit 1 das Material des Bauteils B bis zu einer Laserabtragstiefe abgetragen und danach optional durch ein Nacharbeiten das Material des Bauteils B bis zur vorgegebenen Messtiefe abgetragen, wobei dieses Nacharbeiten im hier dargestellten Beispiel, wie bereits beschrieben, mittels der Laserstrahlung der zweiten Laserabtragseinheit 2 durchgeführt wird. Laser der beiden Laserabtragseinheiten 1, 2 können beispielsweise jeweils als Kurzpulslaser oder als Ultrakurzpulslaser ausgebildet sein. Zusätzlich oder alternativ zum zweiten Laserabtragsschritt kann, wie in 1 dargestellt, ein weiterer Feinabtrag und/oder eine Konditionierung der erzeugten Oberflächen mit Hilfe einer Einheit 7 zum chemischen und/oder elektrochemischen Abtragen erfolgen.Im in 1 Example shown is first by means of the laser radiation of the first laser ablation unit 1 the material of the component B is removed to a laser ablation depth and then optionally removed by reworking the material of the component B to the predetermined measurement depth, said reworking in the example shown here, as already described, by means of the laser radiation of the second laser ablation unit 2 is carried out. Laser of the two laser ablation units 1 . 2 For example, each may be designed as a short-pulse laser or as an ultra-short pulse laser. In addition or as an alternative to the second laser removal step, as shown in FIG 1 illustrated, a further Feinabtrag and / or a conditioning of the surfaces produced by means of a unit 7 carried out for chemical and / or electrochemical removal.

Vorteilhafterweise weisen die beiden Laserabtragseinheiten 1, 2 unterschiedliche Laser auf. Auf diese Weise kann zum Beispiel der Materialabtrag bis zur Laserabtragstiefe mittels eines Lasers der ersten Laserabtragseinheit 1 erfolgen, welcher einen großen Materialabtrag in kurzer Zeit ermöglicht. Anschließend wird das Nacharbeiten mittels der zweiten Laserabtragseinheit 2 durchgeführt, deren Laser beispielsweise einen geringeren, aber hochpräzisen Materialabtrag ermöglicht, so dass die vorgegebene Messtiefe exakt erreicht wird.Advantageously, the two laser ablation units 1 . 2 different lasers. In this way, for example, the material removal up to the laser ablation depth by means of a laser of the first laser ablation unit 1 take place, which allows a large material removal in a short time. Subsequently, the reworking by means of the second laser ablation unit 2 performed, the laser, for example, allows a lower, but high-precision material removal, so that the predetermined measurement depth is reached exactly.

In 2 ist ein beispielhafter Verfahrensablauf eines Verfahrens zur röntgenografischen Eigenspannungsmessung an einer Oberfläche und in mehreren Messtiefen eines solchen Bauteils B schematisch dargestellt. Bei vielen Aufgabenstellungen interessiert nicht nur ein Eigenspannungszustand direkt an der Oberfläche des Bauteils B, sondern ein Tiefenverlauf in einer Randschicht. Dies gilt beispielsweise, wenn es um eine Charakterisierung einer vorangegangenen Kugelstrahlbehandlung oder einer Bearbeitung wie Schleifen geht. Hierfür ist es erforderlich, dass durch einen in geeigneter Weise vorgenommenen Materialabtrag die in der jeweiligen Messtiefe wirksame Eigenspannung gemessen werden kann.In 2 an exemplary procedure of a method for X-ray internal stress measurement on a surface and in several measuring depths of such a component B is shown schematically. In many tasks, not only an inherent stress state directly on the surface of the component B, but a depth profile in an edge layer is of interest. This applies, for example, when it comes to a characterization of a previous shot peening treatment or a processing such as grinding. For this purpose, it is necessary that the effective residual stress in the respective measuring depth can be measured by a material removal carried out in a suitable manner.

Im Stand der Technik wird hierfür ein elektrochemisches Abtragen verwendet, d. h. es werden elektrochemische Polierverfahren eingesetzt, die einen verformungsfreien Materialabtrag ermöglichen. Wegen des hierfür notwendigen Einsatzes von ätzenden Flüssigkeiten unter einem elektrischen Potenzial werden diese Arbeiten in der Regel abseits der Röntgenmesseinrichtungen zur röntgenografischen Eigenspannungsmessung durchgeführt, insbesondere um in relativ kurzer Zeit eine hinreichend hohe Abtragsleistung zu erzielen Das zu untersuchende Bauteil B muss daher mit Hilfe geeigneter Positionierungsvorrichtungen sowohl in einem Röntgendiffraktometer zur röntgenografischen Eigenspannungsmessung als auch in einer elektrochemischen Poliereinrichtung für den Materialabtrag mit hinreichender Genauigkeit positioniert werden können. Daneben sind erforderliche Montage- und Reinigungsarbeiten vorzunehmen. Des Weiteren muss auch bei jedem Materialabtrag eine Höhe des jeweiligen Materialabtrags gemessen werden. Dies ist relativ personalaufwendig und nicht automatisierbar.In the prior art, an electrochemical ablation is used for this purpose, ie electrochemical polishing processes are used which allow a deformation-free material removal. Because of the necessary use of corrosive liquids under an electrical potential, this work is usually carried out away from the X-ray measuring equipment for X-ray residual stress measurement, in particular to achieve a sufficiently high removal rate in a relatively short time The component B to be examined must therefore both by means of suitable positioning devices can be positioned with sufficient accuracy in an X-ray diffractometer for X-ray internal stress measurement as well as in an electrochemical polishing device for material removal. In addition, necessary assembly and cleaning work must be carried out. Furthermore, a height of the respective material removal must also be measured for every material removal. This is relatively labor intensive and not automatable.

Das hier dargestellte und im Folgenden näher beschriebene Verfahren vermeidet diese Nachteile vollständig oder zumindest weitestgehend. Es ermöglicht eine erhebliche Vereinfachung der Präparationstechnik bei der röntgenografischen Eigenspannungstiefenmessung durch den Ersatz des aus dem Stand der Technik bekannten außerhalb der Röntgenprüfzelle positionierten elektrochemischen Abtragens durch das Materialabtragen mittels Laserstrahlung und optionaler Feinabtragung mit chemischer und/oder elektrochemischer Unterstützung In diesem Verfahren wird in einem ersten Verfahrensschritt S1 mittels einer röntgenografischen Eigenspannungsmesseinheit 3 eine röntgenografische Eigenspannungsmessung an einer Oberfläche des Bauteils B durchgeführt. Die röntgenografischen Eigenspannungsmesseinheit 3 ist in den 2 bis 4 schematisch stark vereinfacht als gestrichelter Pfeil dargestellt.The method shown here and described in more detail below avoids these disadvantages completely or at least largely. It allows a considerable simplification of the preparation technique in the X-ray depth-of-field measurement by replacing the known from the prior art outside the X-ray test cell electrochemical ablation by material removal by laser radiation and optional Feinabtragung with chemical and / or electrochemical support In this method is in a first process step S1 by means of a roentgenographic residual stress measuring unit 3 a roentgenographic intrinsic voltage measurement on a surface of the component B is performed. The X-ray residual stress measuring unit 3 is in the 2 to 4 schematically shown greatly simplified as a dashed arrow.

Anschließend wird in einem zweiten Verfahrensschritt S2 auf die oben beschriebene Weise mittels der ersten Laserabtragseinheit 1 und optional mittels der zweiten Laserabtragseinheit 2 und/oder – zusätzlich oder alternativ zum mindestens zweiten Laserabtragsschritt – mit Hilfe der Einheit 7 zum chemischen oder elektrochemischen Werkstoffabtrag Material des Bauteils B bis in die vorgegebene Messtiefe abgetragen.Subsequently, in a second method step S2 in the manner described above by means of the first laser ablation unit 1 and optionally by means of the second laser ablation unit 2 and / or - additionally or alternatively to the at least second laser removal step - with the aid of the unit 7 for chemical or electrochemical material removal, remove material of component B up to the specified measuring depth.

Eine aus dem Materialabtrag resultierende Prüffläche wird gerade so groß gewählt, dass die röntgenografische Eigenspannungsmessung zielführend erfolgen kann und gleichzeitig ein möglichst geringer Eingriff in den Eigenspannungszustand des zu prüfenden Bauteils B erfolgt. Besonders vorteilhaft erfolgt der Materialabtrag, wie oben bereits beschrieben, mit einem oder mehreren Lasern, wobei einer, mehrere oder alle Laser als Kurz- oder Ultrakurzpulslaser ausgebildet sind. Der oder die Laser werden vorteilhafterweise derart gewählt, dass sie auf der zu erzeugenden Prüffläche keine unzulässigen Oberflächenschädigungen im Hinblick auf Werkstoff- bzw. Gefügeänderungen und/oder Topographie erzeugen. Um dies zu erreichen, wird nicht nur der jeweilige Laser, sondern auch dessen Steuerung und/oder Regelung so gewählt, dass der Werkstoff- und/oder Gefügezustand zumindest im Bereich der Eindringtiefe eines Röntgenstrahls zur Durchführung der röntgenografischen Eigenspannungsmessung keine unzulässigen Veränderungen aufweist. Dies gilt bei einem Nacharbeiten mittels Laserstrahlung zumindest für denjenigen Laser, der für das Nacharbeiten verwendet wird, im hier dargestellten Beispiel also für den Laser der zweiten Laserabtragseinheit 2.A test area resulting from the removal of material is just chosen so large that the X-ray internal stress measurement can be carried out expediently and at the same time the least possible interference with the residual stress state of the component B to be tested takes place. The removal of material, as described above, is particularly advantageously carried out with one or more lasers, one, several or all lasers being designed as short-pulse or ultra-short pulse lasers. The laser or lasers are advantageously chosen such that they do not produce any inadmissible surface damage with respect to material or structural changes and / or topography on the test surface to be generated. To achieve this, not only the respective laser, but also its control and / or regulation is chosen so that the material and / or microstructure state, at least in the region of the penetration depth of an X-ray beam for performing the X-ray residual stress measurement has no impermissible changes. This applies to reworking by means of laser radiation at least for those lasers that are used for reworking, in the example shown here for the laser of the second laser ablation unit 2 ,

Bei der hier dargestellten Verwendung mehrerer Laserabtragseinheiten 1, 2 weist beispielsweise der Laser der ersten Laserabtragseinheit 1 eine große Abtragsrate auf, generiert aber unter Umständen eine unzureichende Oberflächengüte. Der Laser der zweiten Laserabtragseinheit 2 erzeugt dann nachfolgend die für die röntgenografische Eigenspannungsmessung erforderliche Prüfflächengüte ohne Werkstoff- oder Gefügeänderungen und mit einer akzeptablen Topographie. Die Laser können sich beispielsweise in der Leistung und/oder in der Pulsrate unterscheiden.In the case of the use of several laser ablation units shown here 1 . 2 For example, the laser of the first laser ablation unit 1 a high erosion rate, but may generate insufficient surface quality. The laser of the second laser ablation unit 2 then generates the test surface quality required for the X-ray internal stress measurement without material or structural changes and with an acceptable topography. The lasers may differ, for example, in terms of power and / or pulse rate.

Zur Erzeugung eines flächigen Materialabtrags wird der jeweilige Laser üblicherweise mittels eines Scanners über die jeweilige Bauteiloberfläche bewegt. Bei geeigneter optischer Auslegung ist es denkbar, mehrere Laser, im hier gezeigten Beispiel den Laser der ersten Laserabtragseinheit 1 und den Laser der zweiten Laserabtragseinheit 2, schaltbar mit dem gleichen Scanner zu betreiben, so dass der apparative Aufwand geringer wird und stets die gleichen Positionen angefahren werden.To produce a flat material removal, the respective laser is usually moved by means of a scanner over the respective component surface. With a suitable optical design, it is conceivable to use a plurality of lasers, in the example shown here, the laser of the first laser ablation unit 1 and the laser of the second laser ablation unit 2 , switchable to operate with the same scanner, so that the expenditure on equipment is reduced and always the same positions are approached.

Grundsätzlich ist auch vorstellbar, dass nach dem Materialabtrag durch die Laserstrahlung mittels einer anderen Methode die erforderliche Prüfflächengüte eingestellt wird, beispielsweise durch einen chemischen und/oder elektrochemischen Feinabtrag, wie oben bereits beschrieben. Dies erfolgt auf besonders vorteilhafte Weise, wie auch der Materialabtrag mittels der Laserstrahlung, in der Messaufspannung für die röntgenografischen Eigenspannungsmessungen, so dass nur eine Messaufspannung benötigt wird. Beispielsweise kann die mit Hilfe des mindestens einen Lasers erzeugte Oberfläche durch ein nachträgliches Beträufeln, Bespritzen oder Betupfen mit einer chemischen Substanz chemisch und/oder elektrochemisch konditioniert werden.In principle, it is also conceivable that after the removal of material by the laser radiation by means of another method, the required Prüfllächengüte is set, for example by a chemical and / or electrochemical Feinabtrag, as already described above. This is done in a particularly advantageous manner, as well as the removal of material by means of the laser radiation, in the measurement setup for the X-ray residual stress measurements, so that only one Meßaufspannung is needed. For example, the surface produced with the aid of the at least one laser can be chemically and / or electrochemically conditioned by a subsequent dribbling, spraying or dabbing with a chemical substance.

Nach diesem im zweiten Verfahrensschritt S2 auf die beschriebene Weise durchgeführten Materialabtrag bis zur vorgegebenen Messtiefe wird dann in einem dritten Verfahrensschritt S3 mittels der röntgenografischen Eigenspannungsmesseinheit 3 die röntgenografische Eigenspannungsmessung in dieser vorgegebenen Messtiefe durchgeführt.After this in the second method step S2 performed in the manner described material removal to the predetermined measurement depth is then in a third method step S3 by means of the X-ray residual-stress measuring unit 3 the roentgenographic intrinsic voltage measurement is carried out at this predetermined measuring depth.

Anschließend wird in einem vierten Verfahrensschritt S4 erneut auf die oben, insbesondere zum zweiten Verfahrensschritt S2, beschriebene Weise mittels der ersten Laserabtragseinheit 1 und optional mittels der zweiten Laserabtragseinheit 2 und zusätzlich oder alternativ zum mindestens zweiten Laserabtragsschritt mit Hilfe der Einheit 7 zum chemischen und/oder elektrochemischen Abtragen Material des Bauteils B bis in eine weitere vorgegebene Messtiefe abgetragen. Dabei wird beispielsweise ebenfalls, wie oben beschrieben, mittels der ersten Laserabtragseinheit 1 Material des Bauteils B bis in eine weitere Laserabtragstiefe abgetragen und anschließend erfolgt optional das Nachbearbeiten mittels der zweiten Laserabtragseinheit 2 oder alternativ oder zusätzlich beispielsweise durch chemisches und/oder elektrochemisches Feinabtragen, wobei Material des Bauteils B bis in die weitere vorgegebene Messtiefe abgetragen wird.Subsequently, in a fourth method step S4, the method described above, in particular for the second method step S2, is repeated by means of the first laser ablation unit 1 and optionally by means of the second laser ablation unit 2 and additionally or alternatively to the at least second laser removal step with the aid of the unit 7 for chemical and / or electrochemical removal material of the component B removed to another predetermined measurement depth. In this case, for example, as described above, by means of the first laser ablation unit 1 Material of the component B is removed to a further Laserabtragstiefe and then optionally carried out the reworking by means of the second Laserabtragseinheit 2 or alternatively or additionally, for example, by chemical and / or electrochemical Feinabtragen, wherein material of the component B is removed to the further predetermined measurement depth.

In einem fünften Verfahrensschritt S5 wird dann mittels der röntgenografischen Eigenspannungsmesseinheit 3 die röntgenografische Eigenspannungsmessung in dieser weiteren vorgegebenen Messtiefe durchgeführt. Der vierte und fünfte Verfahrensschritt S4, S5 können dabei mehrfach wiederholt werden, um auf diese Weise die röntgenografische Eigenspannungsmessung in verschiedenen vorgegebenen Messtiefen des Bauteils B durchzuführen. Dies ist in 2 schematisch angedeutet durch den letzten gestrichelten Pfeil. Auf diese Weise kann zum Beispiel ein röntgenografischer Eigenspannungstiefenverlauf erstellt werden.In a fifth method step S5 is then by means of the X-ray residual stress measurement unit 3 the X-ray residual stress measurement is performed in this further predetermined measurement depth. The fourth and fifth method steps S4, S5 can be repeated several times in order to carry out the X-ray intrinsic-voltage measurement in various predefined measuring depths of the component B in this way. This is in 2 indicated schematically by the last dashed arrow. In this way, for example, an X-ray residual stress profile can be created.

Wie in 3 gezeigt, werden der Materialabtrag und die röntgenografische Eigenspannungsmessung vorteilhafterweise in derselben Aufspannung 4 durchgeführt, zweckmäßigerweise in der Messaufspannung, in welcher bei Verfahren nach dem Stand der Technik lediglich die röntgenografische Eigenspannungsmessung durchgeführt wird. Die Durchführung auch des Materialabtrags in dieser Messaufspannung wird erst durch die Verwendung von Laserstrahlung für das Materialabtragen vorteilhaft ermöglicht, denn bei dem aus dem Stand der Technik bekannten elektrochemischen Abtragen wird zur Erreichung relativ hoher Abtragsleistung in der Regel in einer manuell bestückten, separaten Apparatur gearbeitet. Die Durchführung des laserstrahlunterstützten Materialabtrags und der röntgenografischen Eigenspannungsmessung in verschiedenen Aufspannungen wäre alternativ jedoch auch möglich.As in 3 shown, the material removal and the X-ray residual stress measurement are advantageously in the same setting 4 carried out expediently in the measurement setup, in which in the method according to the prior art, only the X-ray diffraction measurement is performed. Carrying out the material removal in this measurement setup is made possible only by the use of laser radiation for material removal, because in the known from the prior art electrochemical ablation is to achieve relatively high Abtragsleistung usually worked in a manually populated, separate apparatus. The implementation of the laser-assisted removal of material and the X-ray internal stress measurement in different fixtures would alternatively be possible.

4 zeigt schematisch eine Vorrichtung 5 zur Durchführung des Verfahrens. Die Vorrichtung 5 umfasst mindestens eine Laserabtragseinheit 1, 2 und mindestens eine röntgenografische Eigenspannungsmesseinheit 3. Im hier dargestellten Beispiel umfasst die Vorrichtung 5 neben der ersten Laserabtragseinheit 1 optional zusätzlich die zweite Laserabtragseinheit 2. Weiterhin kann eine (in 4 nicht dargestellte) Einheit zum chemischen und/oder elektrochemischen Feinabtragen und/oder Konditionieren der Oberfläche vorgesehen sein. Des Weiteren umfasst die hier dargestellte Vorrichtung 5 die Aufspannung 4, in welcher das Bauteil B sowohl während des Materialabtragens als auch während der röntgenografischen Eigenspannungsmessung gehalten wird, d. h. bei der Aufspannung 4 handelt es sich vorteilhafterweise um die Messaufspannung. 4 schematically shows a device 5 to carry out the process. The device 5 includes at least one laser ablation unit 1 . 2 and at least one X-ray residual-stress measuring unit 3 , In the example shown here, the device comprises 5 next to the first laser ablation unit 1 optionally additionally the second laser ablation unit 2 , Furthermore, a (in 4 not shown) unit for chemical and / or electrochemical Feinabtragen and / or conditioning of the surface may be provided. Furthermore, the device shown here comprises 5 the stretching 4 in which the component B is held both during the material removal and during the X-ray internal stress measurement, ie during the clamping 4 this is advantageously the measurement setup.

Zudem umfasst die Vorrichtung 5 vorteilhafterweise, wie in 4 beispielhaft dargestellt, eine Tiefenmesseinrichtung 6 zur Ermittlung der jeweils erreichten Tiefe während des jeweiligen Materialabtrags und/oder nach dem jeweiligen Materialabtrag. Diese Tiefenmesseinrichtung 6 ist hier ebenfalls schematisch stark vereinfacht lediglich als ein unterbrochener Pfeil dargestellt. Die Tiefenermittlung mittels dieser Tiefenmesseinrichtung 6 kann beispielsweise optisch und/oder durch ein Laserverfahren erfolgen.In addition, the device includes 5 advantageously, as in 4 exemplified, a depth gauge 6 for determining the respectively achieved depth during the respective material removal and / or after the respective material removal. This depth gauge 6 is here also shown schematically very simplistic only as a broken arrow. The depth determination by means of this depth measuring device 6 can be done for example optically and / or by a laser process.

Die Durchführung des Materialabtrags und der röntgenografischen Eigenspannungsmessung und optional auch der Tiefenermittlung in unterschiedlichen Vorrichtungen wäre alternativ auch möglich. Auch die Durchführung des Materialabtrags und der röntgenografischen Eigenspannungsmessung und optional auch der Tiefenermittlung zwar in derselben Vorrichtung 5, aber in unterschiedlichen Aufspannungen, wäre alternativ möglich.The implementation of the material removal and the X-ray internal stress measurement and optionally also the depth determination in different devices would alternatively also be possible. The execution of the material removal and the X-ray internal stress measurement and optionally also the depth determination, although in the same device 5 but in different setups, would be possible alternatively.

Mittels des beschriebenen Verfahrens und der Vorrichtung 5 zu dessen Durchführung wird das Materialabtragen nicht nur verkürzt, sondern es kann auch automatisiert werden. Dies wird durch Integration der zumindest einen Laserabtragseinheit 1, 2 und der optionalen Einheit 7 zum chemischen und/oder elektrochemischen Feinabtrag und/oder Oberflächenkonditionierung und der zumindest einen röntgenografischen Eigenspannungsmesseinheit 3 in der gemeinsamen Vorrichtung 5 zur Durchführung des Verfahrens ermöglicht. Besonders vorteilhaft wird, wie beschrieben, zum Materialabtragen dieselbe Aufspannung 4 verwendet wie zur Durchführung der röntgenografischen Eigenspannungsmessung, wie in den 3 und 4 gezeigt. Mit anderen Worten: In einer Anlage werden, in zeitlich nacheinander geschalteten Schritten, sowohl Laserstrahlen für den Materialabtrag zur Einstellung der jeweils vorgegebenen Messtiefe als auch Röntgenstrahlen für die röntgenografische Eigenspannungsmessung verwendet.By means of the described method and the device 5 To carry it out, the material removal is not only shortened, but it can also be automated. This is achieved by integration of the at least one laser ablation unit 1 . 2 and the optional unit 7 for chemical and / or electrochemical fine abrasion and / or surface conditioning and the at least one X-ray internal residual stress measuring unit 3 in the common device 5 to carry out the method allows. As described, for material removal the same set-up becomes particularly advantageous 4 used as for performing the X-ray residual stress measurement, as in 3 and 4 shown. In other words: In a system, laser beams are used for the removal of material for setting the respective predetermined measuring depth and also X-rays for the X-ray internal stress measurement, in steps connected in chronological succession.

Durch Entfall des aus dem Stand der Technik bekannten manuellen Zwischenschrittes der Demontage des zu untersuchenden Bauteils B, des elektrochemischen Abtragens in einer separaten Station, der Messung der Abtragtiefe und der Wiedermontage des zu untersuchenden Bauteils B zwischen einzelnen röntgenografischen Eigenspannungsmessungen in verschiedenen Messtiefen werden nicht nur potenzielle Positionierfehler vermieden, sondern es ist auch eine vollautomatisierte Erstellung eines Eigenspannungstiefenverlaufes möglich, wobei, wie oben beschrieben, röntgenografische Eigenspannungsmessungen und Materialabtragungen bis in die jeweils nächste Messtiefe im Wechsel durchgeführt werden. By eliminating the known from the prior art manual intermediate step of disassembly of the component to be examined B, the electrochemical removal in a separate station, the measurement of Abtragtiefe and reassembly of the component to be examined B between individual X-ray measurements at different depths are not only potential Positioning error avoided, but it is also a fully automated creation of a residual stress depth curve possible, which, as described above, X-ray residual stress measurements and material removal are carried out to the next measurement depth in alternation.

Je nach Laserleistung, Pulsrate und Art des Lasers ist mit Abtragzeiten zum Beispiel für ein Feld von 5 × 5 mm und 10 μm Materialabtragtiefe von unter einer Sekunde bis zu mehreren Minuten zu rechnen, üblicherweise einige Sekunden bis Minuten. Dieser Materialabtragprozess ist aber im Verhältnis zum elektrochemischen Abtragprozess einschließlich der beschriebenen für das elektrochemische Abtragen notwendigen Handhabung erheblich kürzer.Depending on the laser power, pulse rate and type of laser, removal times of, for example, a field of 5 × 5 mm and 10 μm material removal depth of less than one second to several minutes are expected, usually several seconds to minutes. However, this material removal process is considerably shorter in relation to the electrochemical removal process including the handling described for electrochemical removal.

Sofern es nicht oder nur unsicher möglich ist, durch Parametereinstellungen beim Materialabtragen mittels der Laserstrahlung die geplante Tiefe, d. h. die jeweils vorgegebene Laserabtragstiefe und/oder Messtiefe, bereits im Vorfeld einzustellen, kann im Zuge dieser verketteten Prozessabfolge die jeweils erreichte Tiefe ermittelt werden. Diese Tiefenermittlung kann beispielsweise optisch und/oder durch ein Laserverfahren erfolgen, besonders bevorzugt in der vorliegenden Messaufspannung, wie in 4 dargestellt und oben bereits beschrieben.If it is not possible or only possible with uncertainty to set the planned depth, ie the respective predetermined laser removal depth and / or measurement depth, in advance by parameter settings during material removal by means of the laser radiation, the respectively achieved depth can be determined in the course of this linked process sequence. This depth determination can be carried out optically and / or by a laser method, for example, particularly preferably in the present measuring setup, as in FIG 4 shown and already described above.

Das beschriebene Verfahren und die Vorrichtung 5 zur Durchführung des Verfahrens bedeuten einen deutlichen Wettbewerbsvorteil bei der Erstellung von Eigenspannungstiefenverläufen durch Verkürzung einer Gesamtversuchsdauer und insbesondere durch eine ermöglichte Vollautomatisierung. So ist beispielsweise auch ein Betrieb ohne Personal möglich, beispielsweise ein Nachtbetrieb. Dadurch wird eine deutlich erweiterte Kapazitätsausnutzung der Vorrichtung 5 erreicht. Das Verfahren kann alternativ aber beispielsweise auch lediglich halbautomatisch oder manuell durchgeführt werden, bevorzugt mit der beschriebenen Vorrichtung 5 zu dessen Durchführung.The described method and the device 5 to carry out the method mean a significant competitive advantage in the creation of residual stress depths by shortening a total trial period and in particular by a fully enabled automation. For example, an operation without personnel is possible, for example, a night operation. This will significantly increase the capacity utilization of the device 5 reached. Alternatively, however, the method can also be carried out only semi-automatically or manually, for example, preferably with the device described 5 for its implementation.

Ein weiterer Vorteil des beschriebenen Verfahrens und der Vorrichtung 5 zu dessen Durchführung liegt in der Erweiterung der Prüfmöglichkeiten. Mit dem aus dem Stand der Technik beschriebenen Verfahren unter Verwendung des elektrochemischen Abtragens ist die Erstellung eines Eigenspannungstiefenverlaufes nur an solchen Prüforten möglich, die sowohl röntgenografisch als auch in Bezug auf die Präparationsrandbedingungen beim elektrochemischen Abtragen zugänglich sind. Das hier beschriebene Verfahren und die Vorrichtung 5 zu dessen Durchführung erweitern die Einsatzmöglichkeiten der röntgenografischen Eigenspannungsmessung dahingehend, dass nun auch Bauteilzonen prüfbar werden, die nicht durch das aus dem Stand der Technik bekannte elektrochemische Abtragen, sondern nur mit dem Laserstrahl erreichbar und damit auch abtragbar sind.Another advantage of the described method and apparatus 5 its implementation lies in the extension of the testing options. With the method described in the prior art using the electrochemical removal, the creation of a residual stress depth curve is possible only at those test locations which are accessible both by X-ray analysis and with respect to the preparation boundary conditions during electrochemical removal. The method and apparatus described herein 5 In order to carry it out, the possible uses of the X-ray internal stress measurement expand to the extent that component zones can now also be tested which can not be achieved by the electrochemical removal known from the prior art, but only with the laser beam and thus can also be removed.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102012023864 A1 [0020] DE 102012023864 A1 [0020]

Claims (9)

Verfahren zur röntgenografischen Eigenspannungsmessung an einem Bauteil (B), wobei zur Ermittlung der Eigenspannung in zumindest einer vorgegebenen Messtiefe Material des Bauteils (B) bis zur vorgegebene Messtiefe abgetragen wird und dann die röntgenografische Eigenspannungsmessung in dieser vorgegebenen Messtiefe durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialabtrag zumindest bereichsweise mittels Laserstrahlung durchgeführt wird.Method for the X-ray internal stress measurement on a component (B), wherein material of the component (B) is removed to the predetermined measurement depth to determine the residual stress in at least one predetermined measurement depth and then the X-ray internal stress measurement is performed in this predetermined measurement depth, characterized in that the Material removal is carried out at least partially by means of laser radiation. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mittels Laserstrahlung durchgeführte Materialabtrag entweder mit einer Laserabtragseinheit (1) oder alternativ nacheinander mittels mindestens zweier verschiedener Laserabtragseinheiten (1, 2) durchgeführt wird.A method according to claim 1, characterized in that the material carried out by means of laser radiation material removal either with a laser ablation unit ( 1 ) or alternatively successively by means of at least two different laser ablation units ( 1 . 2 ) is carried out. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Laserstrahlung das Material des Bauteils (B) bis zu einer Laserabtragstiefe abgetragen wird und danach durch ein Nacharbeiten das Material des Bauteils (B) bis zur vorgegebenen Messtiefe abgetragen wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that by means of the laser radiation, the material of the component (B) is removed to a Laserabtragstiefe and then removed by reworking the material of the component (B) to the predetermined measurement depth. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Nacharbeiten mittels eines chemischen und/oder elektrochemischen Feinabtragens durchgeführt wird.A method according to claim 3, characterized in that the reworking is carried out by means of a chemical and / or electrochemical Feinabtragens. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialabtrag zumindest bereichsweise mittels zumindest eines Kurzpulslasers oder Ultrakurzpulslasers durchgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the material removal is performed at least in regions by means of at least one short pulse laser or ultrashort pulse laser. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der röntgenografischen Eigenspannungsmessung in der vorgegebenen Messtiefe weiteres Material des Bauteils (B) bis zu mindestens einer weiteren vorgegebenen Messtiefe abgetragen wird und nach dem jeweiligen Materialabtrag jeweils eine weitere röntgenografische Eigenspannungsmessung in der jeweiligen weiteren vorgegebenen Messtiefe durchgeführt wird, wobei dieser weitere Materialabtrag zumindest bereichsweise mittels Laserstrahlung durchgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that according to the X-ray residual stress measurement in the predetermined measurement depth further material of the component (B) is removed to at least one further predetermined measurement depth and after the respective material removal in each case a further X-ray residual stress measurement in the respective further predetermined Measuring depth is performed, this further material removal is carried out at least partially by means of laser radiation. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem ersten Materialabtrag eine röntgenografische Eigenspannungsmessung an einer Oberfläche des Bauteils (B) durchgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that prior to the first material removal, a roentgenographic residual stress measurement is performed on a surface of the component (B). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des jeweiligen Materialabtrags und/oder nach dem jeweiligen Materialabtrag eine jeweils erreichte Tiefe ermittelt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that during the respective removal of material and / or after the respective removal of material a respectively reached depth is determined. Vorrichtung (5) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend mindestens eine Laserabtragseinheit (1, 2) und mindestens eine röntgenografische Eigenspannungsmesseinheit (3).Contraption ( 5 ) for carrying out a method according to one of claims 1 to 8, comprising at least one laser ablation unit ( 1 . 2 ) and at least one X-ray residual stress measuring unit ( 3 ).
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CN114812891A (en) * 2022-05-06 2022-07-29 山东鼎泰昇交通科技有限公司 Automatic measuring device for depth distribution of residual stress of workpiece based on laser material reduction

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DE102012023864A1 (en) 2012-12-06 2013-07-18 Daimler Ag Determining hardness depth of regionally hardened component, comprises removing material of component starting from component surface until predetermined depth in region to be determined and performing hardness test at produced test surface

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