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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Wanddicke eines eine gerichtete Gefügestruktur aufweisenden Bauteils, insbesondere eines monokristallinen Bauteils, an einer vorbestimmten Bauteilposition mittels Ultraschall. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein System zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
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Hochwertige Produkte, wie beispielsweise mit Kühlluftkanälen versehene Turbinenschaufeln, werden mit großem Aufwand produziert. Turbinenschaufelrohlinge werden normalerweise mittels Feinguss hergestellt, wobei zur Ausbildung der Kühlluftkanäle entsprechend gestaltete Gießkerne verwendet werden. Durch die Herbeiführung einer so genannten gerichteten Erstarrung können während der Bauteilabkühlung beträchtliche Festigkeitssteigerungen erzielt werden, indem die sich dabei einstellende Gefügestruktur optimal in Bezug auf die zu erwartenden Betriebsbelastungen ausgerichtet wird. Zur Erzeugung der vorbestimmten Endabmessungen werden die Turbinenschaufelrohlinge nach ihrer Abkühlung weiteren mechanischen Bearbeitungen unterzogen. Auch können sich weitere thermische Bearbeitungsschritte anschließen.
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Die Funktion und Lebensdauer von Turbinenschaufeln kann durch herstellungsbedingte Wanddicken- und Geometrieschwankungen stark beeinträchtigt werden. Aus diesem Grund unterliegen Turbinenschaufeln engen Toleranzen, deren Einhaltung vor der Inbetriebnahme der Bauteile zu überprüfen ist.
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In diesem Zusammenhang ist es bekannt, die Wanddicke eines Bauteils an einer vorbestimmten Bauteilposition unter Verwendung eines Ultraschallmessverfahrens zu überprüfen. Hierzu wird die vorbestimmte Bauteilposition in einem ersten Schritt markiert, was meist unter Verwendung einer zu diesem Zweck hergestellten Schablone erfolgt. In einem weiteren Schritt wird die Ultraschallmesseinrichtung kalibriert, beispielsweise unter Einsatz eines homogenen Stufenkeils, der zum Beispiel aus dem gleichen Material wie die Turbinenschaufel hergestellt sein kann. Anschließend wird der Ultraschallprüfkopf manuell auf die Markierung aufgesetzt und die Wanddickenmessung durchgeführt. Hierbei werden Ultraschallwellen über den Ultraschallprüfkopf in das Bauteil eingeleitet, die sich im Bauteil ausbreiten und an der gegenüberliegenden Bauteilseite entlang der Grenzfläche zwischen dem Bauteilmaterial und der das Bauteil umgebenden Luft nahezu vollständig reflektiert werden. Auf Basis der Schallgeschwindigkeit, die als Materialkonstante berücksichtigt wird, und der Laufzeit der Ultraschallwellen durch das Bauteil erfolgt dann die Berechnung der Wanddicke des Bauteils an der Messposition.
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Ein Problem, das mit dem Einsatz herkömmlicher Ultraschallverfahren zur Bestimmung der Wanddicke von Bauteilen einhergeht, besteht darin, dass die mit solchen Verfahren erzielbaren Messergebnisse insbesondere bei eine gerichtete Gefügestruktur aufweisenden Bauteilen unzuverlässig und schlecht reproduzierbar sind.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein alternatives Verfahren der eingangs genannten Art sowie ein alternatives System zur Durchführung eines solchen Verfahrens zu schaffen, mit denen verlässliche und reproduzierbare Wanddickenmessungen durchgeführt werden können.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren der eingangs genannten Art, bei dem in einem ersten Schritt die Schallgeschwindigkeit ermittelt wird, mit der sich Schall an der vorbestimmten Bauteilposition in dem Bauteil ausbreitet, und in einem zweiten Schritt die Wanddicke des Bauteils an der vorbestimmten Bauteilposition mittels Ultraschall unter Berücksichtigung der ermittelten Schallgeschwindigkeit bestimmt wird. Mit anderen Worten zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren dadurch aus, dass der Ultraschall-Wanddickenmessung keine Schallgeschwindigkeit in Form einer Materialkonstante sondern die im ersten Verfahrensschritt ermittelte Ist-Schallgeschwindig- keit an der vorbestimmten Bauteilposition zugrunde gelegt wird, was zu sehr verlässlichen und reproduzierbaren Messergebnissen führt. Im Rahmen von seitens der Siemens AG durchgeführten Untersuchungen zur Verlässlichkeit und Reproduzierbarkeit von Wanddickenmessungen mittels Ultraschall wurde nämlich festgestellt, dass die Messergebnisse bei zum Beispiel monokristallinen Bauteilen von der horizontalen Ausrichtung bzw. Sekundärorientierung des Einkristalls zur vertikalen und zur horizontalen Hauptachse des Bauteils wesentlich beeinflusst werden. Vergleiche von Ultraschallmessungen und von an der gleichen Messposition durchgeführten mechanischen Messungen ergaben Wanddickenabweichungen von bis zu 20 %, was bei entsprechend engen Toleranzen inakzeptabel ist. Die Ursache dieser Abweichungen wird darin gesehen, dass sich Ultraschall in kubisch flächenzentrierten Kristallgittern mit unterschiedlicher Geschwindigkeit entlang der kristallografischen Hauptorientierungen ausbreitet und damit entgegen bisheriger Annahmen keine Materialkonstante darstellt. Indem der Wanddickenmessung erfindungsgemäß die vorab an der Messposition ermittelte Ist-Schallgeschwin- digkeit zugrunde gelegt wird, wird der den bekannten Ultraschall-Wanddickenmessungen inhärente Fehler beseitigt, weshalb sich verlässliche und reproduzierbare Messergebnisse erzielen lassen.
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Bevorzugt erfolgt vor jeder Wanddickenbestimmung eine Ermittlung der Schallgeschwindigkeit. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass jeder Ultraschallmessung die tatsächliche Schallgeschwindigkeit an der vorbestimmten Messposition zugrunde gelegt wird.
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Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird zur Ermittlung der Schallgeschwindigkeit die Kristallorientierung des Bauteils an der vorbestimmten Bauteilposition erfasst und basierend auf der erfassten Kristallorientierung die Schallgeschwindigkeit ermittelt.
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Vorteilhaft wird zur Erfassung der Kristallorientierung ein Röntgen-Laue-Verfahren eingesetzt. Hierbei wird beispielsweise ein Röntgen-Nadelstrahl auf die vorbestimmte Bauteilposition gerichtet. Die Kristallstruktur führt zu punktförmigen Reflexionen des Röntgen-Nadelstrahls auf einem Detektor. Anhand der Position der Reflexe auf dem Detektor kann dann die Orientierung des Kristallits bestimmt werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Schallgeschwindigkeit basierend auf der erfassten Kristallorientierung berechnet.
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Gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Berechnung der Schallgeschwindigkeit basierend auf Referenzmessungen an einem Referenzbauteil eine Funktionsgleichung erstellt, mit der sich die Schallgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der erfassten Kristallorientierung berechnen lässt, insbesondere in Abhängigkeit von einem erfassten Sekundärwinkel (α), der die Ausrichtung der sekundären Arme der dentritisch erstarrten Kristalle repräsentiert. Der Sekundärwinkel ist der Rotationswinkel um die geometrische Bezugsachse. Er wird gegen den Winkel zwischen der Nord-Süd-Achse der Laue-Aufnahme und der vertikalen Achse z.B. einer Greninger-Karte gemessen. Dieser Winkel ist positiv, wenn die Messung im Uhrzeigersinn von der Nord-Süd-Achse der Laue-Aufnahme zur vertikalen Achse z.B. der Greninger-Karte erfolgt. Der Winkel ist negativ, wenn er gegen den Uhrzeigersinn gemessen wird. Bei Verwendung eines filmlosen Automatiksystems ist die gemessene sekundäre Orientierung positiv. Die Funktionsgleichung kann derart definiert sein, dass sie die Schallgeschwindigkeit direkt ermittelt, die der sich anschließenden Ultraschallmessung zur Wanddickenbestimmung zugrunde gelegt werden soll. Alternativ kann sie aber auch derart definiert sein, dass durch sie ein Korrekturfaktor bestimmt wird, der diejenige Schallgeschwindigkeit korrigiert, mit der die zur Wanddickenbestimmung verwendete Ultraschallmesseinrichtung üblicherweise misst.
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Bevorzugt werden die Ermittlung der Schallgeschwindigkeit und die Bestimmung der Wanddicke automatisch durchgeführt. Mit einer solchen automatischen Durchführung der einzelnen Verfahrensschritte kann die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse weiter verbessert werden.
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Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ferner ein System zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, umfassend eine zur Ermittlung der Schallgeschwindigkeit eingerichtete erste Einrichtung und eine zur Bestimmung der Wanddicke eingerichtete zweite Einrichtung, die datentechnisch miteinander verbunden sind.
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Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems ist die erste Einrichtung dazu ausgelegt, die Kristallorientierung des Bauteils an einer vorbestimmten Bauteilposition zu erfassen und basierend auf der erfassten Kristallorientierung die Schallgeschwindigkeit, mit der sich Schall an der vorbestimmten Bauteilposition in dem Bauteil ausbreitet, oder einen Schallgeschwindigkeitskorrekturfaktor zu ermitteln. So kann die erste Einrichtung beispielsweise zur Durchführung eines Röntgen-Laue-Verfahrens und zur Berechnung einer Schallgeschwindigkeit oder eines Schallgeschwindigkeitskorrekturfaktors basierend auf einem Messergebnis einer Laue-Messung eingerichtet sein.
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Bevorzugt sind die beiden Einrichtungen getrennt voneinander als einzelne Systemstationen angeordnet, wobei zumindest ein Bauteilhandhabungsroboter vorgesehen ist, der die zu überprüfenden Bauteile zwischen den Systemstationen bewegt. So kann der Bauteilhandhabungsroboter beispielsweise einen fünfachsigen Roboterarm mit einer zum Halten von zu prüfenden Bauteile oder von Bauteilaufnahmeeinrichtungen eingerichteten Greifeinrichtung aufweisen.
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Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist als eine weitere Systemstation eine Bauteilbeschickungsstation vorgesehen, die insbesondere mit einem Drehtisch ausgestattet ist. Unter Verwendung einer solchen Bauteilbeschickungsstation können sehr gute Taktzeichen erzielt werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems sowie eines erfindungsgemäßen Verfahrens unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist
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1 eine schematische perspektivische Ansicht, die ein System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt, wobei sich ein Bauteilhandhabungsrobotor in einer ersten Stellung befindet;
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2 eine schematische perspektivische Ansicht der in 1 dargestellten Anordnung, wobei sich der Bauteilhandhabungsroboter in einer zweiten Stellung befindet;
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3 eine tabellarische Ansicht von Messergebnissen von an einem Referenzbauteil durchgeführten Referenzmessungen und
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4 graphische Ansicht, welche die in 3 dargestellten Messergebnisse als Funktion darstellt.
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Die 1 und 2 zeigen ein System 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das zur Wanddickenbestimmung von eine gerichtete Gefügestruktur aufweisenden Bauteilen 2 dient, bei denen es sich vorliegend um monokristalline Turbinenschaufeln handelt. Das System 1 umfasst insgesamt drei Systemstationen in Form einer zur Schallgeschwindigkeitsermittlung eingerichteten ersten Einrichtung 3, einer zur Wanddickenbestimmung mittels Ultraschall eingerichteten zweiten Einrichtung 4, die datentechnisch mit der ersten Einrichtung 3 verbunden ist, und einer Bauteilbeschickungsstation 5. Ferner umfasst das System 1 einen Bauteilhandhabungsroboter 6, der Bauteile 2 zwischen den einzelnen Systemstationen bewegt.
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Die erste Einrichtung 3 umfasst einen Kollimator 7, mit dem ein Röntgen-Nadelstrahl auf eine vorbestimmte Bauteilposition eines Bauteils 2 gerichtet werden kann. Die Kristallstruktur des Bauteils 2 führt zu punktförmigen Reflexionen des Röntgen-Nadelstrahls auf einem Detektor 8, der vorliegend durch eine Laue-Kamera gebildet wird. Anhand der Position der Reflexe auf dem Detektor 8 kann dann die vorliegend durch den Sekundärwinkel α repräsentierte Orientierung des Kristallits unter Verwendung einer nicht näher dargestellten Auswertungseinheit der ersten Einrichtung 3 bestimmt werden. Der Sekundärwinkel α kennzeichnet hierbei die Ausrichtung der sekundären Arme der dentritisch erstarrten Kristalle. Der Primärwinkel α ist der Rotationswinkel um die geometrische Bezugsachse. Er wird gegen den Winkel zwischen der Nord-Süd-Achse der Laue-Aufnahme und der vertikalen Achse z.B. der Greninger-Karte gemessen. Dieser Winkel ist positiv, wenn die Messung im Uhrzeigersinn von der Nord-Süd-Achse der Laue-Aufnahme zur vertikalen Achse z.B. einer Greninger-Karte erfolgt. Der Winkel ist negativ, wenn er gegen den Uhrzeigersinn gemessen wird. Bei Verwendung eines filmlosen Automatiksystems ist die gemessene sekundäre Orientierung positiv. Die Auswerteeinheit ist ferner derart eingerichtet, dass auf Basis der bestimmten Orientierung unter Verwendung einer Funktionsgleichung die Schallgeschwindigkeit berechnet wird, mit der sich Schall an der vorbestimmten Bauteilposition im Bauteil 2 ausbreitet.
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Die Funktionsgleichung wird wie nachfolgend beschrieben vorab basierend auf Ergebnissen von an einem Referenzbauteil durchgeführten Referenzmessungen erstellt.
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In einem ersten Schritt wird ein Referenzbauteil bereitgestellt, das aus dem gleichen Material wie die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu vermessenden Bauteile hergestellt ist und eine konstante bekannte Wanddicke oder mehrere bekannte Wanddicken aufweist.
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In einem weiteren Schritt werden unter Verwendung eines Laue-Verfahrens die Kristallorientierungen des Referenzbauteils an einer Vielzahl von Messstellen bestimmt. Genauer gesagt wird jeweils der Sekundärwinkel α bestimmt, der die Ausrichtung der sekundären Arme der dendritisch erstarrten Kristalle repräsentiert. Die Messstellen werden dabei derart gewählt, dass Sekundärwinkel αi (mit i = 1, 2...n) über einen breiten Winkelbereich erfasst werden, insbesondere Sekundärwinkel αi von 0 bis 180°.
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An denselben Messstellen werden mittels Ultraschallmessungen ferner die jeweiligen Wanddicken des Referenzbauteils bestimmt und mit den zugehörigen bekannten Wanddicke verglichen. Stimmt eine gemessene Wanddicke nicht mit einer zugehörigen bekannten (Soll-)Wanddicke überein, so wird basierend auf der Abweichung eine korrigierte Schallgeschwindigkeit ermittelt und dem entsprechenden Sekundärwinkel α zugeordnet. Die Sekundärwinkel α
i (i = 1, 2...n) und die zugeordneten Schallgeschwindigkeiten v
i (i = 1, 2...n) bilden dann Wertepaare, wie sie beispielhaft in
3 tabellarisch und in
4 als Funktion dargestellt sind. Basierend auf diesen Wertepaaren wird eine Funktionsgleichung erstellt, anhand derer die Schallgeschwindigkeit basierend auf dem Sekundärwinkel α berechnet werden kann. Die Funktionsgleichung lautet
wobei v die Schallgeschwindigkeit, v
max die maximale Schallgeschwindigkeit aller Wertepaare, v
min die minimale Schallgeschwindigkeit aller Wertepaare und α den Sekundärwinkel repräsentiert.
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Bei der zweiten Einrichtung 4 handelt es sich um eine herkömmliche Ultraschalleinrichtung, die über einen Ultraschallprüfkopf 9 die Wanddicke von Bauteilen 2 an einer vorbestimmten Bauteilposition erfasst, wobei die Berechnung auf Basis der Laufzeit der Ultraschallwellen durch das Bauteil 2 und der unter Verwendung der ersten Einrichtung 3 ermittelten Schallgeschwindigkeit erfolgt, die über eine nicht näher dargestellte datentechnische Verbindung von der ersten Einrichtung 3 an die zweite Einrichtung 4 übermittelt wird.
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Die Bauteilbeschickungsstation 5 umfasst einen mit zwei Positionen A und B ausgestatteten Drehtisch 10, der zur Bereitstellung von Bauteilen 2 dient, deren Wanddicke ermittelt werden soll. Die Bauteile 2 werden an der dem Bauteilhandhabungsroboter 6 abgewandten Position A des Drehtisches 10 von einem Benutzer manuell an Bauteilaufnahmeeinrichtungen 12 fixiert. In der dem Bauteilhandhabungsroboter 6 zugewandten Position B kann der Bauteilhandhabungsroboter 6 die Bauteilaufnahmeeinrichtung 12 mit dem darin gehaltenen Bauteil 2 aufnehmen.
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Der Bauteilhandhabungsroboter 6 umfasst einen fünfachsigen Roboterarm 13 mit einer zum Halten von Bauteilaufnahmeeinrichtungen 12 eingerichteten Greifeinrichtung 14.
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Zur Bestimmung der Wanddicke eines Bauteils 2 wird dieses in einem ersten Schritt an der Position A von dem Benutzer 11 an einer Bauteilaufnahmeeinrichtung 12 des Drehtisches 10 angeordnet. Daraufhin wird der Drehtisch 10 um 180° gedreht, so dass die Bauteilaufnahmeeinrichtungen 12 mit dem daran gehaltenen Bauteil 2 von der Position A in die Position B bewegt wird. In der Position B wird die Bauteilaufnahmeeinrichtung 12 zusammen mit dem daran gehaltenen Bauteil 2 von der Greifeinrichtung 14 des Bauteilhandhabungsroboters 6 aufgenommen, woraufhin der Bauteilhandhabungsroboter 6 das Bauteil 2 relativ zur ersten Einrichtung 3 derart anordnet, dass eine vorbestimmte Messposition, an der die Wanddicke des Bauteils 2 bestimmt werden soll, in einem vorbestimmten Abstand sowie in einer vorbestimmten Ausrichtung zum Kollimator 7 positioniert wird. Nunmehr wird unter Einsatz der ersten Einrichtung 3 die Kristallorientierung des Bauteils 2 in Form des Sekundärwinkels α an der vorbestimmten Bauteilposition erfasst und basierend auf dem erfassten Sekundärwinkels α unter Verwendung der oben aufgeführten Funktionsgleichung die Schallgeschwindigkeit v ermittelt, mit der sich der Schall der vorbestimmten Bauteilposition durch das Bauteil 2 bewegt. Die ermittelte Schallgeschwindigkeit wird dann über die zuvor genannte datentechnische Verbindung an die zweite Einrichtung 4 übermittelt. In einem weiteren Schritt bewegt der Bauteilhandhabungsroboter 6 die Bauteilaufnahmeeinrichtung 12 mit dem daran angeordneten Bauteil 2 zur zweiten Einrichtung 4 und positioniert das Bauteil 2 derart, dass der Ultraschallprüfkopf 9 senkrecht auf die vorbestimmte Bauteilposition des Bauteils 2 aufgesetzt wird, woraufhin die an sich bekannte Ultraschallmessung unter Berücksichtigung der zuvor empfangenen Schallgeschwindigkeit v bestimmt wird. Der Kontakt zwischen dem Ultraschallprüfkopf 9 und dem Bauteil 2 wird dabei normalerweise unter Verwendung eines Kontaktgels erzeugt.
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Anschließend legt der Bauteilhandhabungsroboter 6 das Bauteil 2 ab. Zur Ablage des Bauteils 2 kann eine zusätzliche Bauteilablagestation vorgesehen sein, die vorliegend jedoch nicht dargestellt ist.
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Während der Taktzeit, die zur Bestimmung der Wanddicke eines Bauteils 2 benötigt wird, hat der Benutzer 11 Zeit, ein weiteres Bauteil 2 an der Position A an der Bauteilaufnahmeeinrichtung 12 zu positionieren, so dass unmittelbar im Anschluss das nächste Bauteil 12 den zuvor beschriebenen Zyklus durchlaufen kann.
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Dank der Tatsache, dass gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bei der Wanddickenmessung die vorab an der Messposition mittels der ersten Einrichtung 3 ermittelte tatsächliche Ist-Schallgeschwindigkeit zugrunde gelegt wird, wird der den bekannten Ultraschall-Wanddickenmes- sungen inhärente Fehler beseitigt, die Schallgeschwindigkeit als Materialkonstante zu verwenden, weshalb sich verlässliche und reproduzierbare Messergebnisse erzielen lassen.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sollte klar sein, dass es sich bei dem Bauteil um ein beliebiges Bauteil mit gerichteter bzw. monokristalliner Gefügestruktur handeln kann.
