DE102014007337A1 - Method for the X-ray intrinsic voltage measurement on a component and apparatus for carrying out the method - Google Patents
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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
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
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:
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.
Im hier dargestellten Beispiel wird der Materialabtrag vollständig oder teilweise mittels Laserstrahlung durchgeführt. Hierfür werden im dargestellten Beispiel zwei Laserabtragseinheiten
Alternativ oder zusätzlich zum Einsatz einer solchen mindestens zweiten Laserabtragseinheit
Im in
Vorteilhafterweise weisen die beiden Laserabtragseinheiten
In
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
Anschließend wird in einem zweiten Verfahrensschritt S2 auf die oben beschriebene Weise mittels der ersten Laserabtragseinheit
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
Bei der hier dargestellten Verwendung mehrerer Laserabtragseinheiten
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
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
Anschließend wird in einem vierten Verfahrensschritt S4 erneut auf die oben, insbesondere zum zweiten Verfahrensschritt S2, beschriebene Weise mittels der ersten Laserabtragseinheit
In einem fünften Verfahrensschritt S5 wird dann mittels der röntgenografischen Eigenspannungsmesseinheit
Wie in
Zudem umfasst die Vorrichtung
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
Mittels des beschriebenen Verfahrens und der Vorrichtung
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
Das beschriebene Verfahren und die Vorrichtung
Ein weiterer Vorteil des beschriebenen Verfahrens und der Vorrichtung
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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