DE102018200514A1 - Method and device for determining a pressure load of a sample caused by a shock wave - Google Patents

Method and device for determining a pressure load of a sample caused by a shock wave Download PDF

Info

Publication number
DE102018200514A1
DE102018200514A1 DE102018200514.1A DE102018200514A DE102018200514A1 DE 102018200514 A1 DE102018200514 A1 DE 102018200514A1 DE 102018200514 A DE102018200514 A DE 102018200514A DE 102018200514 A1 DE102018200514 A1 DE 102018200514A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
sample
cavitation
deformation
load
pressure load
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102018200514.1A
Other languages
German (de)
Inventor
Felix Jaegle
Ronny Leonhardt
Matthias Pascal Uhrig
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE102018200514.1A priority Critical patent/DE102018200514A1/en
Publication of DE102018200514A1 publication Critical patent/DE102018200514A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/30Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying a single impulsive force, e.g. by falling weight
    • G01N3/317Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying a single impulsive force, e.g. by falling weight generated by electromagnetic means
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/28Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q
    • G01N1/32Polishing; Etching
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/003Generation of the force
    • G01N2203/005Electromagnetic means
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/0058Kind of property studied
    • G01N2203/0076Hardness, compressibility or resistance to crushing
    • G01N2203/0085Compressibility
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/02Details not specific for a particular testing method
    • G01N2203/06Indicating or recording means; Sensing means
    • G01N2203/067Parameter measured for estimating the property
    • G01N2203/0682Spatial dimension, e.g. length, area, angle

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer durch eine Schockwelle hervorgerufenen Druckbelastung einer Probe (114). Dabei wird eine Probenoberfläche der Probe (114) mit einem Laserstrahl (104) durch eine transparente Deckschicht (116) und eine zwischen der Probenoberfläche und der Deckschicht (116) angeordnete Absorptionsschicht (118) bestrahlt, um unter Ablation von Material der Absorptionsschicht (118) ein Plasma (204) zu erzeugen, durch das die Probe (114) mit der Schockwelle (202) beaufschlagt wird. Anschließend wird eine durch die Schockwelle hervorgerufene plastische Verformung der Probenoberfläche erfasst, um zumindest einen Verformungsparameter (122) zu erhalten. Schließlich wird der Verformungsparameter (122) unter Verwendung zumindest eines den Laserstrahl (104) charakterisierenden Laserparameters ausgewertet, um die Druckbelastung zu bestimmen.The invention relates to a method for determining a pressure load of a sample (114) caused by a shock wave. In this case, a sample surface of the sample (114) is irradiated with a laser beam (104) through a transparent cover layer (116) and an absorption layer (118) arranged between the sample surface and the cover layer (116) in order to ablate material of the absorption layer (118). to generate a plasma (204) by which the sample (114) is exposed to the shock wave (202). Subsequently, a plastic deformation of the sample surface caused by the shock wave is detected to obtain at least one deformation parameter (122). Finally, the deformation parameter (122) is evaluated using at least one laser parameter characterizing the laser beam (104) in order to determine the pressure load.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren oder einer Vorrichtung nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.The invention is based on a method or a device according to the category of the independent claims. The subject of the present invention is also a computer program.

Bei Injektoren, Pumpen oder Ventilen können lokale Schockwellenbelastungen, etwa durch Kavitation, die Lebensdauer begrenzen. Hochdynamische, schockartige Belastungen können zu einem starken Beanspruchungsfall in der Größenordnung von Gigapascal über die Zeitdauer weniger Nanosekunden führen und in einer lokalen Werkstoffplastifizierung resultieren. Bei weiterem Fortschreiten kann eine Werkstoffschädigung, etwa in Form von Kavitationserosion, auftreten. Das jeweilige Verhalten und die Grenzen sind materialabhängig.In the case of injectors, pumps or valves, local shockwave loads, such as cavitation, can limit the service life. Highly dynamic, shock-like loads can lead to a heavy load on the order of gigapascals over a period of a few nanoseconds and result in local material plastification. As the process progresses, material damage, such as cavitation erosion, may occur. The respective behavior and the limits are material-dependent.

Für die Charakterisierung von Werkstoffen unter Schockwellenbelastung und die Bestimmung charakteristischer Kenndaten sind verlässliche, standarisierte Prüfmethoden und -anlagen erforderlich, die Dehnraten des Materials im gesamten für Schockwellen relevanten Beanspruchungsbereich für Einzelereignisse prüfen können.For the characterization of materials under shockwave loading and the determination of characteristic characteristics, reliable, standardized test methods and equipment are required that can test the strain rates of the material throughout the entire shockwave load range for individual events.

Zur Untersuchung von Schockwellenereignissen können beispielsweise folgende Prüfverfahren verwendet werden.For example, the following test methods can be used to investigate shockwave events.

Beim Split-Hopkinson-Bar-Versuch wird ein Stab auf eine Probe beschleunigt und mit Beschleunigungsaufnehmern die Wellenausbreitung der Kompressions- und Expansionsanteile der Spannungswelle im Stab ermittelt. Diese lassen Rückschlüsse auf die dynamischen Materialeigenschaften zu. Hierbei handelt es sich um einen Einzelereignis-Test.In the Split-Hopkinson-Bar experiment, a rod is accelerated to a sample and accelerometers are used to determine the wave propagation of the compression and expansion components of the stress wave in the rod. These allow conclusions to be drawn about the dynamic material properties. This is a single event test.

Eine weitere Möglichkeit, Schockwellen in Materialen einzubringen, ist es, Kavitationsblasenkollapse in Material- und Probennähe zu untersuchen. Hierfür werden Blasen mit einem gepulsten Laser erzeugt, die beim Entstehen und Kollabieren Druckwellen erzeugen, die auf die Oberfläche treffen und das Material belasten. Es handelt sich um einen Quasi-Einzelereignis-Test.Another way to introduce shock waves in materials is to investigate cavitation bubble collapse in terms of material and sample proximity. For this purpose, bubbles are generated with a pulsed laser, which generate pressure waves during formation and collapse, which strike the surface and stress the material. It is a quasi-single-event test.

Zur Untersuchung von Kavitationserosion, deren Ursache Schockwellenbelastungen sind, können Prüflinge ferner über eine definierte Zeit einer stochastischen Belastung ausgesetzt werden. Dabei können durch Kavitationserosion entstehende Massenverluste registriert werden. Die Belastung wird typischerweise mit Kavitationskanälen (z.B. Kavitationstunnel nach Franc), Sonotroden oder Strahlkavitationsprüfständen erzeugt. Hierbei handelt es sich um einen stochastischen Mehrfachereignis-Test. In Kombination mit der Pitting-Methode zur Auswertung und Analyse lokaler Schockwelleneindrücke in der Materialoberfläche eines duktilen Metalls, auch Pits genannt, lassen sich mit diesen Tests Materialgesetze parametrisieren. (Materialgesetze wurden bis dato noch nicht parametrisiert sondern vielmehr wurde ein Materialgesetz angewendet, um simulativ auf die Schockwellendrücke schließen zu können.) Beispielsweise kann bei der Pitting-Methode eine polierte Metalloberfläche über einen kurzen Zeitraum der Kavitationsbelastung in einem Mehrfachtest-Prüfstand ausgesetzt werden. Somit können Abdrücke oder Pits von Einzelergebnissen in der Metalloberfläche erfasst werden. Die Oberflächenverformungen lassen sich durch optische oder taktile Verfahren quantifizieren. Durch einen einfachen, inversen Simulationsansatz können beispielsweise Rückschlüsse von der Pitgeometrie auf die einwirkende Schockwellenbelastung gezogen werden. (Hierfür muss ein Materialmodell angenommen werden für das bis dato noch keine übertragbaren Testverfahren existieren.)In order to investigate cavitation erosion, the cause of which is shock wave loading, specimens may also be subjected to a stochastic load for a defined period of time. In this case, mass losses resulting from cavitation erosion can be registered. The load is typically generated with cavitation channels (e.g., Franc cavitation tunnels), sonotrodes, or jet cavitation test rigs. This is a stochastic multiple event test. In combination with the pitting method for the evaluation and analysis of local shockwave impressions in the material surface of a ductile metal, also called pits, material laws can be parametrised with these tests. (Material laws have not yet been parameterized, but rather a material law was used to simulatively infer the shockwave pressures.) For example, in the pitting method, a polished metal surface can be subjected to cavitation loading in a multiple test bench for a short period of time. Thus, impressions or pits of individual results in the metal surface can be detected. The surface deformations can be quantified by optical or tactile methods. By a simple, inverse simulation approach, for example, conclusions can be drawn from the pit geometry to the acting shock wave load. (For this, a material model must be adopted for which there are no transferable test procedures yet.)

Um Mehrphasensimulationen zu validieren, ist es erforderlich, belastbare Aussagen über die Größenordnung der einwirkenden Schockwellen zu treffen. Auch sollte geklärt werden, wie sich die Stochastik der Belastung genau auf den Erosionsfortschritt auswirkt. Um Simulationsergebnisse aus der numerischen Strömungsmechanik, auch Computational Fluid Dynamics oder kurz CFD genannt, zielführend interpretieren zu können, bedarf es neben der Information über die Amplitude der einwirkenden Schockwellen auch einer Aussage über die Anzahl von Ereignissen je Fläche bis zum Einsetzen einer nachweisbaren Schädigung.In order to validate multi-phase simulations, it is necessary to make reliable statements about the magnitude of the impacting shockwaves. It was also to be clarified how the stochastic effect of the strain affects the erosion progress. In order to be able to interpret simulation results from numerical fluid mechanics, also called Computational Fluid Dynamics or CFD for short, in addition to the information about the amplitude of the acting shockwaves, a statement about the number of events per area up to the onset of detectable damage is required.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zum Bestimmen einer durch eine Schockwelle hervorgerufenen Druckbelastung einer Probe, eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, und ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.Against this background, with the approach presented here, a method for determining a pressure load of a sample caused by a shock wave, a device using this method, and a corresponding computer program according to the main claims are presented. The measures listed in the dependent claims advantageous refinements and improvements of the independent claim device are possible.

Der hier vorgestellte Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass zum Beispiel bei Kavitation auftretende Schockwellendrücke an einer Probe experimentell bestimmt werden können, indem die Probe mittels eines oder mehrerer Laserpulse gezielt mit einer oder mehreren Schockwellen beaufschlagt wird und anschließend eine durch die Schockwellenbelastung hervorgerufene plastische Verformung der Probenoberfläche in geeigneter Weise ausgewertet wird, um die Schockwellendrücke bzw. Druckbelastungen zu bestimmen. Auf der Basis dieser experimentellen Bestimmung können beispielsweise CFD-Ergebnisse zur Kavitationserosion validiert werden.The approach presented here is based on the finding that, for example, shockwave pressures occurring in cavitation on a sample can be experimentally determined by selectively applying one or more shock waves to one or more laser pulses and then causing a plastic deformation caused by the shock wave loading Sample surface is evaluated in a suitable manner to the shock wave pressures or pressure loads to determine. On the basis of this experimental determination, CFD results for cavitation erosion, for example, can be validated.

Der hier vorgestellte Ansatz kann als eine Erweiterung des Oberflächenbearbeitungsverfahrens Laser Shock Peening, kurz LSP, betrachtet werden. Dieses kann genutzt werden, um Druckeigenspannungen in Werkstoffe einzubringen und dadurch die mechanischen Eigenschaften positiv zu beeinflussen.The approach presented here can be regarded as an extension of the surface treatment method Laser Shock Peening, or LSP for short. This can be used to introduce compressive stresses into materials and thereby positively influence the mechanical properties.

Beispielsweise kann durch lokal wiederholt einwirkende Schockwellen auch die Werkstoffermüdung unter wiederholter Schockbelastung der Probe untersucht werden.For example, it is also possible to examine the material fatigue under repeated shock loading of the sample by means of locally repeated shock waves.

Insbesondere wird vorliegend ein Prüfverfahren vorgestellt, mit dem lokale Schockwellenbeanspruchungen unter definierten Bedingungen erzeugt und untersucht werden können. Das Prüfverfahren beinhaltet beispielsweise die Erzeugung der Belastungsereignisse, die Steuerung und Justage der Einstellparameter und die Traversierung der Materialprobe, die untersucht werden soll. Mit einer entsprechenden Prüfanlage sind definierte Einzel- und Mehrfachbelastungen mit örtlicher und zeitlicher Varianz auf die Probe aufprägbar. Der Prüfaufbau kann beispielsweise verwendet werden, um charakteristische Kenndaten für Problematiken der Kavitationserosion zu untersuchen oder Drucksensoren für hochdynamische Ereignisse zu kalibrieren.In particular, a test method is presented in the present case with which local shockwave stresses can be generated and investigated under defined conditions. The test method includes, for example, the generation of the load events, the control and adjustment of the set parameters, and the traversal of the material sample to be tested. With a corresponding test facility, defined single and multiple loads with local and temporal variance on the sample can be imprinted. The test setup can be used, for example, to study characteristic characteristics for problems of cavitation erosion or to calibrate pressure sensors for highly dynamic events.

Wesentliche Fragestellungen bei der Material- und Schockwellenuntersuchung sind, welche Drücke oder Belastungen tatsächlich auf das Material einwirken und wie viele Ereignisse einer Druck- bzw. Belastungsamplitude notwendig sind, um eine lokale Materialschädigung zu verursachen.Essential questions in material and shockwave investigations are which pressures or strains actually affect the material and how many events of a pressure or load amplitude are necessary to cause a local material damage.

Beim Split-Hopkinson-Bar-Versuch ist in erster Linie die Dynamik problematisch. In der Literatur wird angenommen, dass bei Schockwellenbelastung unter Kavitation Dehnraten im Bereich 1061/s (bis 10^6 1/s) auftreten. Beim Split-Hopkinson-Bar-Versuch werden nur Dehnraten bis zu einer Größenordnung von 104 1/s (eher 4×103 1/s) erzielt, was für viele Anwendungen den Messbereich nicht vollständig abdeckt.In the case of the Split-Hopkinson-Bar attempt, the dynamics are problematic in the first place. In the literature, it is assumed that strain rates in the range 10 6 1 / s (up to 10 ^ 6 1 / s) occur under shock wave loading under cavitation. In the split-Hopkinson bar experiment, only strain rates of up to 10 4 1 / s (more like 4 × 10∧ 3 1 / s) are achieved, which for many applications does not fully cover the measurement range.

Beim experimentellen Prüfstandsaufbau der laserinduzierten Einzelblase, bei dem eine kavitationsnahe Schockwellenbelastung auf eine Materialoberfläche aufgebracht werden soll, werden pro Ereignis immer zwei Schockwellen verursacht, nämlich beim optischen Durchbruch und beim Blasenkollaps. Ferner ist die räumliche Ausdehnung des einwirkenden Belastungsereignisses im Millimeterbereich wesentlich größer als bei realen Kavitationsbelastungsereignissen im Mikrometerbereich. Die Belastung kann ferner nicht reproduzierbar auf eine Stelle aufgebracht werden, da Keime in der Flüssigkeit zu einem dreidimensionalen Wandern der Lokalität des optischen Durchbruchs führen. Schließlich sind die erzeugten Schockwellen zu schwach und können nicht ausreichend große Amplituden erzielen, um das Material durch die Schockwellenbelastung zu schädigen. Dies liegt ursächlich daran, dass es durch den Versuchsaufbau kaum möglich ist, die Blasen in Wandnähe zu induzieren, ohne eine thermische Schädigung der Oberfläche zu verursachen. Es konnte gezeigt werden, dass die Amplitude der Schockwellen bereits 100 um nach dem Initiierungsort durch den Laser um zwei Größenordnungen abfällt, etwa von 10 GPa auf 100 MPa.In the experimental test rig structure of the laser-induced single bubble, in which a cavitation near shock wave load is to be applied to a material surface, two shock waves are always caused per event, namely the optical breakthrough and bladder collapse. Furthermore, the spatial extent of the acting load event in the millimeter range is significantly greater than in the case of real cavitation load events in the micrometer range. Furthermore, the stress can not be reproducibly applied to a site, as nuclei in the liquid lead to a three-dimensional migration of the location of the optical breakthrough. Finally, the generated shock waves are too weak and can not achieve sufficiently large amplitudes to damage the material by the shock wave loading. This is due to the fact that it is hardly possible by the experimental design to induce the bubbles near the wall, without causing thermal damage to the surface. It could be shown that the amplitude of the shock waves drops by two orders of magnitude, for example from 10 GPa to 100 MPa, already 100 μm after the point of initiation by the laser.

Wird der Werkstoff in Mehrfachereignis-Tests, beispielsweise mittels einer Sonotrode oder eines Strahlprüfstands, einer Schockwellenbelastung ausgesetzt, so ergibt sich ein gemitteltes, globales Bild, das in der Regel nicht auf eine definierte Anzahl an Einzelereignissen zurückgeführt werden kann. Es überlagert sich immer eine Vielzahl an Einzelereignissen verschiedener Amplituden und Größen. Des Weiteren existiert keine Information über die Belastungsgröße und die Amplitude der einwirkenden Schockwelle.If the material is subjected to shock wave loading in multiple-event tests, for example by means of a sonotrode or a dynamometer, an averaged, global image results, which as a rule can not be traced back to a defined number of individual events. It is always superimposed on a variety of individual events of different amplitudes and sizes. Furthermore, there is no information about the load size and the amplitude of the acting shockwave.

Der hier vorgestellte Ansatz schlägt nun eine Lösung für die genannten technischen und methodischen Probleme vor. Spezifisch formuliert ergeben sich die folgenden Kernvorteile.The approach presented here proposes a solution to the technical and methodological problems mentioned above. Specifically formulated, the following core advantages result.

Zum einen kann der Ansatz für die Grundlagenuntersuchung des Materialverhaltens von Festkörpern bei höchst dynamischen Belastungen verwendet werden. Es ist möglich, eine sehr gezielte und definierte Schockwellenbelastung auf den Werkstoff aufzubringen, da die Genauigkeit nur durch die Justiergenauigkeit des Probenhalters limitiert ist. Hierbei sind die Belastungszeit (Größenordnung der Laserpulsdauer), die Belastungsamplitude (proportional zur eingebrachten Intensität I der Laserstrahlung) sowie die Ausdehnung der Belastung (Größe des Laserspots) exakt definiert. Durch eine Modifikation der aufgeführten Parameter ist eine sehr genaue Einflussnahme auf die Charakteristik der generierten Schockwellen möglich. Dadurch ist es möglich, das lokale Materialverhalten unter für Schockwellen relevanten Dehnraten, etwa von 1061/s, zu untersuchen und zu beschreiben.On the one hand, the approach can be used for the fundamental investigation of the material behavior of solids at highly dynamic loads. It is possible to apply a very targeted and defined shock wave load on the material, since the accuracy is limited only by the alignment accuracy of the sample holder. Here, the load time (magnitude of the laser pulse duration), the load amplitude (proportional to the introduced intensity I of the laser radiation) and the extent of the load (size of the laser spot) are exactly defined. By modifying the listed parameters, a very precise influence on the characteristics of the generated shockwaves is possible. This makes it possible to investigate and describe the local material behavior under shock rates relevant to shock waves, for example of 10 6 1 / s.

Zum anderen bietet der Ansatz die Möglichkeit, Einzelereignisse zu erzeugen und eine wiederholte Einwirkung von Schockwellen gleicher Amplitude auf eine Stelle zu untersuchen. Somit kann neben einer Aussage über die einwirkenden Drücke auch eine anzahlbezogene Aussage über die Schockwellenresistenz eines Materials generiert werden. Beispielsweise kann in Kombination mit einer traversengesteuerten Probehalterung, mit der die Probe relativ zur Belastung beweglich ist, auch stochastisches Pitting untersucht werden, was beispielsweise in Richtung Lebensdauervorhersage als Basis für ein Post-Processing-Tool von CFD-Ergebnissen verwendet werden kann.On the other hand, the approach offers the possibility to generate individual events and to investigate the repeated effects of shock waves of the same amplitude on a single site. Thus, in addition to a statement about the acting pressures, a number-related statement about the shockwave resistance of a material can be generated. For example, in combination with a Truss-controlled sample retention, which allows the sample to move relative to the load, also examines stochastic pitting, which can be used, for example, in life prediction prediction as the basis for a post-processing tool of CFD results.

Vorteilhaft ist auch, dass Materialkalibrierungen und -charakterisierungen für verschiedenste metallische Werkstoffe möglich sind, unter anderem für den hochfesten Wälzlagerstahl 100Cr6 (vergütet auf 62HRC).It is also advantageous that material calibrations and characterizations are possible for a wide variety of metallic materials, including those for the high-strength bearing steel 100Cr6 (annealed at 62HRC).

Die Variabilität der einstellbaren Belastungsereignisse erlaubt es zudem, mittels einer Parameterstudie ein duktiles Material als Schockwellensensor zu kalibrieren. Hierfür können beispielsweise Schockwellen verschiedener Amplitude und Ausdehnung auf eine polierte Probe aufgebracht werden. Die Größe der plastischen Verformung fungiert als sofortige Rückmeldung über die Amplitude des Belastungsereignisses. Somit ist eine zerstörungsfreie Analyse möglich. Hierbei lässt sich durch eine Korrelation von Pittiefe und Pitvolumen oder dem Verhältnis von Pittiefe zu Pitdurchmesser mit dem rechnerisch erzeugten Druck eine zielführende Aussage über das Materialverhalten treffen.The variability of the adjustable load events also makes it possible to use a parameter study to calibrate a ductile material as a shockwave sensor. For this example, shock waves of different amplitude and extent can be applied to a polished sample. The amount of plastic deformation acts as an immediate feedback on the amplitude of the stress event. Thus, a nondestructive analysis is possible. By correlating pit depth and pit volume or the ratio of pit depth to pit diameter with the computationally generated pressure, a purposeful statement about the material behavior can be made.

Die Materialkalibrierung bietet neben der direkten Korrelation mit Einzelereignissen aus den stochastischen Prüfständen auch die Möglichkeit, die Ergebnisse als Basis für ein schockwellenrelevantes Materialgesetz in eine FEM-Berechnung zu implementieren. Es handelt sich bei dem Prüfstand um eine rein mechanische Schockwellenbelastung ohne undefinierte, dissipative Reibeffekte. Dadurch können die verfügbaren Materialgesetze um eine Facette erweitert werden.In addition to the direct correlation with individual events from the stochastic test benches, material calibration also offers the possibility of implementing the results as the basis for a shockwave-relevant material law in an FEM calculation. The test stand is a purely mechanical shockwave load without undefined, dissipative friction effects. As a result, the available material laws can be extended by one facet.

Der hier vorgestellte Ansatz kann ebenfalls verwendet werden, um Drucksensoren, insbesondere deren Anstiegsverhalten, zu kalibrieren und die Reaktionszeiten zu untersuchen. Um die Reaktions- und Anstiegszeit von Drucksensoren zur ermitteln, kann beispielsweise ein Druckpuls auf der aktiven Fläche des Drucksensors initiiert werden und das Signal an einem Oszilloskop abgegriffen werden. Beginn und Dauer des Laserpulses können etwa durch eine Fotodiode ermittelt werden. Aus der Literatur geht hervor, dass der Druckpuls in etwa der doppelten Laserpulsdauer entspricht. Durch den Vergleich von Dioden- und Drucksignal können Informationen über die Reaktionszeit und die Anstiegszeit des Drucksensors gewonnen werden. Wird die Energie des Laserpulses erhöht, werden größere Drücke auf der aktiven Fläche des Drucksensors initiiert. Die Progression der Spannungssignale kann beispielsweise im Folgenden als Input für eine Kalibrierkurve verwendet werden.The approach presented here can also be used to calibrate pressure sensors, in particular their rise behavior, and to investigate the reaction times. In order to determine the reaction and rise time of pressure sensors, for example, a pressure pulse on the active surface of the pressure sensor can be initiated and the signal can be tapped on an oscilloscope. The beginning and duration of the laser pulse can be determined, for example, by a photodiode. The literature shows that the pressure pulse corresponds approximately to twice the laser pulse duration. By comparing the diode and pressure signal information about the reaction time and the rise time of the pressure sensor can be obtained. As the energy of the laser pulse increases, greater pressures are initiated on the active surface of the pressure sensor. The progression of the voltage signals can for example be used below as input for a calibration curve.

Der Einsatz von Drucksensoren ist in der Regel durch deren physikalische Grenzen limitiert. Da die Kavitationsbelastungsereignisse die Größenordnung von Gigapascal über die Zeitdauer weniger Nanosekunden haben, können derzeit verfügbare Drucksensoren diese Ereignisse nicht auflösen. Zum einen ist in der Regel die Eigenfrequenz der Drucksensoren zu niedrig, zum anderen sind die Druckamplituden zu groß. Folglich können die Drucksensoren die Belastungen in der Regel zeitlich nicht in einem adäquaten Maß auflösen. Eine weitere Problematik beim Einsatz von Drucksensoren mit geeigneter Anstiegszeit ist die spezifische Kalibrierung. Des Weiteren mitteln Drucksensoren die Belastungsereignisse über ihre aktive Fläche. Somit wird ein oder mehrere Kavitationsblasenkollapse mit einem Belastungsdurchmesser von ca. 10 bis 100 um über die aktive Fläche integriert.The use of pressure sensors is usually limited by their physical limits. Since the cavitation load events are on the order of gigapascals over the duration of a few nanoseconds, currently available pressure sensors can not resolve these events. On the one hand, the natural frequency of the pressure sensors is usually too low, on the other hand, the pressure amplitudes are too large. Consequently, the pressure sensors usually can not resolve the loads in time to an adequate degree. Another problem with the use of pressure sensors with a suitable rise time is the specific calibration. Furthermore, pressure sensors average the load events across their active area. Thus, one or more cavitation bubble collapses with a loading diameter of about 10 to 100 microns are integrated over the active area.

Der hier vorgestellte Ansatz schafft nun eine Methode, bei der definierte Einzel- und Mehrfachbelastungen mit örtlicher und zeitlicher Varianz auf einer Werkstoffprobe betrachtet werden. Dadurch kann eine zielführende, hochdynamische Kalibrierung des Drucksensors vorgenommen werden. Ein entsprechender Prüfaufbau kann verwendet werden, um charakteristische Kenndaten für Problematiken der Kavitationserosion zu untersuchen. Die so erzielten Ergebnisse können verwenden werden, um den Werkstoff als eine Art kalibrierten Drucksensor in realen Kavitationsprüfständen einzusetzen. Zusammengefasst besteht der Grundgedanke des hier vorgestellten Ansatzes in der Kombination der Pitting-Methode mit dem Verfahren des Laser Shock Peening. Damit können experimentell exakt Bedingungen für einen physikalisch fundierten Ansatz eingestellt werden, durch den Kavitationserosion zuverlässig vorhergesagt werden kann. Das plastische Deformationsverhalten eines Materials unter Einwirkung eines Schockwellenereignisses bestimmter Amplitude und Ausdehnung kann als Information genutzt werden, um die mit der Pitting-Methode erfassten Deformationen mit dem dafür erforderlichen Druck zu korrelieren.The approach presented here now creates a method in which defined single and multiple loads with local and temporal variance on a material sample are considered. As a result, a targeted, highly dynamic calibration of the pressure sensor can be carried out. An appropriate test setup can be used to investigate characteristic characteristics for problems of cavitation erosion. The results obtained can be used to apply the material as a kind of calibrated pressure sensor in real cavitation test benches. In summary, the basic idea of the approach presented here is the combination of the pitting method with the laser shock peening method. In this way, conditions can be set experimentally for a physics-based approach, by means of which cavitation erosion can be reliably predicted. The plastic deformation behavior of a material under the action of a shockwave event of specific amplitude and extent can be used as information to correlate the deformations detected by the pitting method with the pressure required for this purpose.

Es wird ein Verfahren zum Bestimmen einer durch eine Schockwelle hervorgerufenen Druckbelastung einer Probe vorgestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

  • Bestrahlen einer Probenoberfläche der Probe mit einem Laserstrahl durch eine transparente Deckschicht und eine zwischen der Probenoberfläche und der Deckschicht angeordnete Absorptionsschicht, um unter Ablation von Material der Absorptionsschicht ein Plasma zu erzeugen, durch das die Probe mit der Schockwelle beaufschlagt wird;
  • Erfassen einer durch die Schockwelle hervorgerufenen plastischen Verformung der Probenoberfläche, um zumindest einen Verformungsparameter zu erhalten; und
  • Auswerten des Verformungsparameters unter Verwendung zumindest eines den Laserstrahl charakterisierenden Laserparameters, um die Druckbelastung zu bestimmen.
A method is provided for determining a pressure load of a sample caused by a shock wave, the method comprising the following steps:
  • Irradiating a sample surface of the sample with a laser beam through a transparent cover layer and an absorption layer disposed between the sample surface and the cover layer to produce a plasma by ablation of material of the absorption layer by which the sample is exposed to the shock wave;
  • Detecting a caused by the shock wave plastic deformation of the Sample surface to obtain at least one deformation parameter; and
  • Evaluating the deformation parameter using at least one laser parameter characterizing the laser beam to determine the pressure loading.

Unter einer Schockwelle, auch Stoßwelle genannt, kann eine starke Druckwelle verstanden werden. Bei der Probe kann es sich insbesondere um einen Festkörper handeln. Unter einer Deckschicht kann beispielsweise eine Glas- oder Kunststoffschicht oder eine klare Flüssigkeit wie etwa Wasser verstanden werden. Unter einer Absorptionsschicht kann beispielsweise eine schwarze Folie oder Farbschicht verstanden werden. Unter Ablation kann das Abtragen von Material durch Erhitzung verstanden werden. Unter einer plastischen Verformung kann zumindest eine dauerhaft verbleibende Verformungsstelle in Form einer kleinen Vertiefung in der Probe verstanden werden. Eine solche Verformungsstelle kann auch als Pit bezeichnet werden. Unter einem Verformungsparameter kann ein eine Geometrie der plastischen Verformung charakterisierender Parameter verstanden werden, beispielsweise eine Tiefe, ein Durchmesser, ein Volumen oder ein sonstiger, davon abgeleiteter Parameter. Unter einem Laserparameter kann beispielsweise eine Intensität, eine Pulsdauer, eine Wellenlänge oder ein Strahldurchmesser des Laserstrahls verstanden werden. Unter einem Plasma kann insbesondere ein Hochdruckplasma, dessen Druck deutlich höher als der Druck der umgebenden Atmosphäre ist, verstanden werden.Under a shock wave, also called shock wave, a strong pressure wave can be understood. The sample may in particular be a solid. Under a cover layer can be understood, for example, a glass or plastic layer or a clear liquid such as water. By an absorption layer, for example, a black film or color layer can be understood. Ablation can be understood as the removal of material by heating. A plastic deformation can be understood as meaning at least one permanently remaining deformation point in the form of a small depression in the sample. Such a deformation point can also be referred to as a pit. A deformation parameter may be understood as meaning a parameter characterizing a geometry of the plastic deformation, for example a depth, a diameter, a volume or another parameter derived therefrom. By a laser parameter, for example, an intensity, a pulse duration, a wavelength or a beam diameter of the laser beam can be understood. A plasma can in particular be understood as meaning a high-pressure plasma whose pressure is significantly higher than the pressure of the surrounding atmosphere.

Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Erfassens eine Tiefe, ein Volumen, ein Durchmesser oder eine Anzahl von Verformungsstellen, an denen die Probe plastisch verformt ist, oder ein zeitlicher Verlauf der Verformung oder eine Kombination aus zumindest zwei der genannten Größen als Verformungsparameter erfasst werden. Unter einem zeitlichen Verlauf kann beispielsweise ein mittels eines Oszilloskops gemessener Druckverlauf verstanden werden. Dadurch kann der Verformungsparameter einfach bereitgestellt werden.According to one embodiment, in the step of detecting, a depth, a volume, a diameter or a number of deformation points on which the sample is plastically deformed, or a time course of the deformation or a combination of at least two of said quantities can be detected as deformation parameters. By a time course, for example, a pressure curve measured by means of an oscilloscope can be understood. Thereby, the deformation parameter can be easily provided.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Schritt des Auswertens unter Verwendung des Laserparameters eine theoretische Druckbelastung der Probe ermittelt werden. Die theoretische Druckbelastung und der Verformungsparameter können miteinander verknüpft werden, um die Druckbelastung zu bestimmen. Dadurch kann die Druckbelastung zuverlässig bestimmt werden.According to a further embodiment, a theoretical pressure load of the sample can be determined in the step of the evaluation using the laser parameter. The theoretical pressure load and the deformation parameter can be linked together to determine the pressure load. As a result, the pressure load can be reliably determined.

Beispielsweise kann die theoretische Druckbelastung unter Verwendung der folgenden Formel berechnet werden: p [ G P a ] = 0,01 α 2 α + 3 Z [ g c m 2 s ] I [ G W c m 2 ] ,

Figure DE102018200514A1_0001
wobei α ein Maß für die Absorption der Laserenergie ist, Z für den Wellenwiderstand (komplexe akustische Impedanz von transparenter Deckschicht und Covermaterial) und I für die Intensität steht.For example, the theoretical pressure load can be calculated using the following formula: p [ G P a ] = 0.01 α 2 α + 3 Z [ G c m 2 s ] I [ G W c m 2 ] .
Figure DE102018200514A1_0001
where α is a measure of the absorption of the laser energy, Z is the characteristic impedance (complex acoustic impedance of transparent cover layer and cover material) and I stands for the intensity.

Es kann im Schritt des Auswertens durch Auftragen der theoretischen Druckbelastung über einem Quotienten aus der Tiefe und dem Durchmesser der Verformungsstellen eine Kalibrierkurve generiert werden. Diese kann mit Verformungswerten, die eine kavitationsbedingte plastische Verformung einer in einem Kavitationsverfahren mit Schockwellen beaufschlagten Kavitationsprobe repräsentieren, verknüpft werden, um eine kalibrierte Druckbelastung zu bestimmen. Unter einem Quotienten kann eine Ähnlichkeitszahl verstanden werden. Die Kavitationsprobe kann beispielsweise das gleiche Material und/oder die gleiche Oberflächenbeschaffenheit wie die Probe aufweisen. Alternativ kann es sich bei der Probe und der Kavitationsprobe um ein und dieselbe Probe handeln. Unter einem Kavitationsverfahren kann ein Verfahren verstanden werden, in dem eine Probe beispielsweise mittels Ultraschall oder Fluidstrahl mit einer Schockwelle beaufschlagt wird, um eine Kavitationserosion, auch Pitting genannt, zu bewirken. Das Kavitationsverfahren kann deshalb auch als Pitting-Verfahren bezeichnet werden. Durch diese Ausführungsform können Ergebnisse, die im Kontext eines Kavitationsverfahrens gewonnen wurden, experimentell überprüft oder korrigiert werden. Alternativ können auch andere Parameter der Oberflächendeformation für die Kalibrierung verwendet werden. So zeigt sich, dass die Energie des Lasershots sehr gut mit dem Volumen eines Pits korreliert und dieser Zusammenhang sich ebenfalls für die Kalibrierung verschiedener Werkstoffe eignet (Verformungswiderstand gegenüber akustischer Energie).It can be generated in the step of the evaluation by applying the theoretical pressure load on a quotient of the depth and the diameter of the deformation points, a calibration curve. This can be linked to deformation values representing a cavitation-related plastic deformation of a cavitation sample subjected to shock waves in a cavitation method in order to determine a calibrated pressure load. A quotient can be understood as meaning a similarity number. For example, the cavitation sample may have the same material and / or surface texture as the sample. Alternatively, the sample and the cavitation sample may be the same sample. A cavitation method can be understood as meaning a method in which a sample is subjected to a shock wave, for example by means of ultrasound or fluid jet, in order to bring about cavitation erosion, also called pitting. The cavitation method can therefore also be referred to as a pitting method. By this embodiment, results obtained in the context of a cavitation process can be experimentally verified or corrected. Alternatively, other surface deformation parameters may be used for the calibration. This shows that the energy of the laser shot correlates very well with the volume of a pit, and this correlation is also suitable for the calibration of different materials (deformation resistance to acoustic energy).

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Kalibrierkurve im Schritt des Auswertens mit einer Kavitationskurve verrechnet werden, um die kalibrierte Druckbelastung zu bestimmen. Die Kavitationskurve kann einen Zusammenhang zwischen einer Anzahl kavitationsbedingter Verformungsstellen, an denen die Kavitationsprobe kavitationsbedingt plastisch verformt ist, und einem Quotienten aus einer Tiefe und einem Durchmesser der kavitationsbedingten Verformungsstellen als den Verformungswerten repräsentieren. Unter dem Quotienten der Kavitationskurve kann analog zum Quotienten der Kalibrierkurve eine Ähnlichkeitszahl verstanden werden. Dadurch wird eine genaue experimentelle Bestimmung der Druckbelastung ermöglicht.According to a further embodiment, in the step of the evaluation, the calibration curve can be offset with a cavitation curve in order to determine the calibrated pressure load. The cavitation curve can represent a relationship between a number of cavitation-related deformation sites where the cavitation sample is plastically deformed due to cavitation and a quotient of a depth and a diameter of the cavitation-related deformation sites as the deformation values. The quotient of the cavitation curve can be understood as meaning a similarity number analogous to the quotient of the calibration curve. This allows a precise experimental determination of the pressure load.

Vorteilhafterweise kann im Schritt des Auswertens eine Lastkurve generiert werden, die einen Zusammenhang zwischen der kalibrierten Druckbelastung und der Anzahl der kavitationsbedingten Verformungsstellen repräsentiert. Dadurch kann die kalibrierte Druckbelastung mit der Anzahl der kavitationsbedingten Verformungsstellen korreliert werden.Advantageously, in the step of evaluating a load curve can be generated, the one Represents the relationship between the calibrated pressure load and the number of cavitation deformation points. As a result, the calibrated pressure load can be correlated with the number of cavitation-related deformation points.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Schritt des Bestrahlens die Probenoberfläche an zumindest zwei unterschiedlichen Stellen bestrahlt werden. Dadurch kann die Genauigkeit des Verfahrens erhöht werden.According to a further embodiment, in the step of irradiating, the sample surface can be irradiated at at least two different locations. As a result, the accuracy of the method can be increased.

Das Verfahren kann ferner einen Schritt des Bildens eines Schichtverbunds aus der Deckschicht und der Absorptionsschicht umfassen. Dabei kann im Schritt des Bestrahlens die Probenoberfläche durch den Schichtverbund hindurch bestrahlt werden. Beispielsweise kann die Absorptionsschicht auf die Deckschicht aufgeklebt oder auflackiert sein. Dadurch kann die Handhabung der beiden Schichten vereinfacht werden. Insbesondere wird dadurch ein einfaches Verschieben der Probe relativ zu den beiden Schichten ermöglicht, etwa um die Probe an mehreren Stellen zu bestrahlen.The method may further comprise a step of forming a composite layer of the cover layer and the absorption layer. In this case, in the step of irradiation, the sample surface can be irradiated through the layer composite. For example, the absorption layer may be glued or painted onto the cover layer. As a result, the handling of the two layers can be simplified. In particular, this allows a simple displacement of the sample relative to the two layers, for example to irradiate the sample at several points.

Vorteilhafterweise kann im Schritt des Bestrahlens die Probenoberfläche wiederholt bestrahlt werden, um die Probe mit mehreren Schockwellen zu beaufschlagen. Dabei kann die Probe durch Variieren des Laserstrahls auch mit unterschiedlichen Schockwellen beaufschlagt werden. Dadurch können zuverlässige Aussagen über eine schockwellenbedingte Materialermüdung der Probe getroffen werden.Advantageously, in the step of irradiating, the sample surface may be repeatedly irradiated to subject the sample to multiple shock waves. In this case, the sample can be acted upon by varying the laser beam with different shock waves. This makes it possible to make reliable statements about a shockwave induced material fatigue of the sample.

Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware, beispielsweise in einem Steuergerät, implementiert sein.This method can be implemented, for example, in software or hardware or in a mixed form of software and hardware, for example in a control unit.

Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Unter einer Vorrichtung kann beispielsweise ein entsprechender Prüfstand oder Versuchsaufbau verstanden werden. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.The approach presented here also creates a device that is designed to perform the steps of a variant of a method presented here in appropriate facilities to drive or implement. By a device, for example, a corresponding test stand or experimental setup can be understood. Also by this embodiment of the invention in the form of a device, the object underlying the invention can be solved quickly and efficiently.

Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.Also of advantage is a computer program product or computer program with program code which can be stored on a machine-readable carrier or storage medium such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and for carrying out, implementing and / or controlling the steps of the method according to one of the embodiments described above is used, especially when the program product or program is executed on a computer or a device.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

  • 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 2 eine schematische Darstellung einer Probe in Kombination mit einem Schichtverbund gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 3 ein Diagramm zur Darstellung zweier Druckverläufe zur Verwendung in einem Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 4 einen realen Laserscan einer Oberfläche einer bestrahlten Probe mit Auswertung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 5 ein Diagramm zur Darstellung eines beispielhaften Verlaufs einer Materialkalibrierung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 6 ein Diagramm zur Darstellung von Signalverläufen bei einer Drucksensorkalibrierung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 7 eine schematische Darstellung einer Oberfläche einer Kupferprobe nach dem Beaufschlagen mit Schockwellen in einem Kavitationsverfahren;
  • 8 eine schematische Darstellung einer Oberfläche einer austenitischen Stahlprobe nach dem Beaufschlagen mit Schockwellen in einem Kavitationsverfah ren;
  • 9 eine schematische Darstellung einer Oberfläche einer ferritischen Stahlprobe nach dem Beaufschlagen mit Schockwellen in einem Kavitationsverfah ren;
  • 10 ein Diagramm zur Darstellung dreier Kavitationskurven zur Verwendung in einem Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 11 ein Diagramm zur Darstellung dreier Kalibrierkurven zur Verwendung in einem Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 12 ein Diagramm zur Darstellung dreier Lastkurven, generiert in einem Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
  • 13 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and explained in more detail in the following description. It shows:
  • 1 a schematic representation of a device according to an embodiment;
  • 2 a schematic representation of a sample in combination with a layer composite according to an embodiment;
  • 3 a diagram showing two pressure curves for use in a method according to an embodiment;
  • 4 a real laser scan of a surface of an irradiated sample with evaluation according to an embodiment;
  • 5 a diagram illustrating an exemplary course of a material calibration according to an embodiment;
  • 6 a diagram illustrating waveforms in a pressure sensor calibration according to an embodiment;
  • 7 a schematic representation of a surface of a copper sample after the application of shock waves in a cavitation process;
  • 8th a schematic representation of a surface of an austenitic steel sample after exposure to shock waves in a Kavitationsverfah ren;
  • 9 a schematic representation of a surface of a ferritic steel sample after exposure to shock waves in a Kavitationsverfah ren;
  • 10 a diagram showing three Kavitationskurven for use in a method according to an embodiment;
  • 11 a diagram showing three calibration curves for use in a method according to an embodiment;
  • 12 a diagram showing three load curves generated in a method according to an embodiment; and
  • 13 a flowchart of a method according to an embodiment.

In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.In the following description of favorable embodiments of the present invention, the same or similar reference numerals are used for the elements shown in the various figures and similar acting, with a repeated description of these elements is omitted.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Beispielhaft gezeigt ist ein schematischer Versuchsaufbau für eine Werkstoffprüfung unter dem Einwirken einzelner und wiederholter Schockwellen. Die Vorrichtung 100 weist eine Laserquelle 102 zum Ausstrahlen eines Laserstrahls 104 auf, hier beispielhaft einen Nd:YAG-Laser. Beispielhaft wird der Laserstrahl 104 über eine Abschwächereinheit 106 zur Energieeinstellung, etwa über eine Mikrometerschraube, eine Strahlverkleinerungseinheit 108, eine Mehrzahl von Spiegelelementen 110 und eine Fokuslinse 112 auf eine Oberfläche einer Probe 114 gelenkt. Gegenüber der Oberfläche der Probe 114 befindet sich ein Verbund aus einer transparenten Deckschicht 116, hier in Form einer Glasscheibe, und einer schwarzen Absorptionsschicht 118, die zwischen der Deckschicht 116 und der Oberfläche der Probe 114 angeordnet ist. Dadurch, dass die Oberfläche der Probe 114 durch die Deckschicht 116 und die Absorptionsschicht 118 hindurch mit dem Laserstrahl 104 bestrahlt wird, wird ein Hochdruckplasma erzeugt, durch das die Oberfläche der Probe 114 mit einer Schockwelle beaufschlagt wird. Dabei wird ein Teil der Energie des Laserstrahls 104 durch die Absorptionsschicht 118 absorbiert. 1 shows a schematic representation of a device 100 according to an embodiment. By way of example, a schematic experimental setup for a material test under the action of individual and repeated shock waves is shown. The device 100 has a laser source 102 for emitting a laser beam 104 on, here for example a Nd: YAG laser. The laser beam becomes exemplary 104 via an attenuator unit 106 for energy adjustment, about a micrometer screw, a beam reduction unit 108 , a plurality of mirror elements 110 and a focus lens 112 on a surface of a sample 114 directed. Opposite the surface of the sample 114 there is a composite of a transparent cover layer 116 , here in the form of a glass pane, and a black absorption layer 118 that is between the topcoat 116 and the surface of the sample 114 is arranged. This causes the surface of the sample 114 through the cover layer 116 and the absorption layer 118 through with the laser beam 104 is irradiated, a high pressure plasma is generated, through which the surface of the sample 114 is acted upon by a shock wave. This will be part of the energy of the laser beam 104 through the absorption layer 118 absorbed.

Eine Erfassungseinheit 120, beispielsweise in Form eines Laserscanners, ist ausgebildet, um eine beim Beaufschlagen mit der Schockwelle hervorgerufene plastische Verformung der Oberfläche der Probe 114 zu erfassen und zumindest einen die Verformung charakterisierenden Verformungsparameter 122 auszugeben. Die Verformung kann auch als Pit bezeichnet werden. Eine Auswerteeinheit 124 ist ausgebildet, um den Verformungsparameter 122 unter Verwendung zumindest eines Parameters des Laserstrahls 104 auszuwerten und so eine durch die Schockwelle auf die Probe 114 einwirkende Druckbelastung zu bestimmen.A registration unit 120 , for example in the form of a laser scanner, is designed to provide a plastic deformation of the surface of the sample when it is subjected to the shock wave 114 to capture and at least one deformation parameter characterizing the deformation 122 issue. The deformation can also be referred to as a pit. An evaluation unit 124 is designed to be the deformation parameter 122 using at least one parameter of the laser beam 104 evaluate and so one by the shock wave to the test 114 to determine acting pressure load.

Der Laserstrahl 104 weist beispielsweise folgende Parameter auf: M 2 = 1,7 1,9

Figure DE102018200514A1_0002
D = 8,3  mm
Figure DE102018200514A1_0003
FHBW = 10 12  ns
Figure DE102018200514A1_0004
λ = 532  nm
Figure DE102018200514A1_0005
The laser beam 104 has, for example, the following parameters: M 2 = 1.7 - 1.9
Figure DE102018200514A1_0002
D = 8.3 mm
Figure DE102018200514A1_0003
FHBW = 10 - 12 ns
Figure DE102018200514A1_0004
λ = 532 nm
Figure DE102018200514A1_0005

Der Laserstrahl 104 kann auch mit einer Referenzwellenlänge von 1064 nm statt 532 nm oder einer sonstigen geeigneten Referenzwellenlänge erzeugt werden. Die Pulsdauer (im Nanosekundenbereich), M2 und der Ausgangsstrahldurchmesser können ebenfalls variiert werden.The laser beam 104 can also be generated with a reference wavelength of 1064 nm instead of 532 nm or any other suitable reference wavelength. The pulse duration (in the nanosecond range), M 2 and the output beam diameter can also be varied.

Die Fokuslinse 112, hier beispielhaft mit einer Brennweite f = 120 mm, ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel in drei definierten Abständen zur Deckschicht 116 anordenbar, wobei jeder der drei Abstände einen definierten Strahldurchmesser des Laserstrahls 104 repräsentiert. Die entsprechenden drei Strahldurchmesser sind rechts neben der Fokuslinse 112 schematisch dargestellt, wobei ein mittlerer Strahldurchmesser einem Abstand von 10 mm und ein größter Strahldurchmesser einem Abstand von 18,5 mm entspricht. Die Maßangaben sind dabei nur von der Optik abhängig und nicht relevant. Durch Verkleinerung des Abstands der Probe zur Linse (Ausgangspunkt Fokus) können Untersuchungen im defokussierten Laserstrahl durchgeführt und somit größere Spotdurchmeser untersucht werden. Alternativ kann mit einer größeren Brennweite ebenfalls ein größerer Spotdurchmesser erzielt werden.The focus lens 112 , here by way of example with a focal length f = 120 mm, according to this embodiment, in three defined distances to the cover layer 116 can be arranged, wherein each of the three distances a defined beam diameter of the laser beam 104 represents. The corresponding three beam diameters are to the right of the focus lens 112 shown schematically, with a mean beam diameter corresponds to a distance of 10 mm and a maximum beam diameter a distance of 18.5 mm. The dimensions are only dependent on the optics and not relevant. By reducing the distance of the sample to the lens (starting point focus), investigations in the defocused laser beam can be carried out and thus larger spot diameters can be investigated. Alternatively, with a larger focal length also a larger spot diameter can be achieved.

Eine optionale Traversiereinheit 126 ist ausgebildet, um die Probe 114 relativ zum Verbund aus den beiden Schichten 116, 118 zu verschieben. Dadurch kann die Probe 114 an unterschiedlichen Stellen mit der Schockwelle beaufschlagt werden.An optional traversing unit 126 is trained to the sample 114 relative to the composite of the two layers 116 . 118 to move. This allows the sample 114 be acted upon at different points with the shock wave.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes zum besseren Verständnis nochmals mit anderen Worten beschrieben.Hereinafter, embodiments of the approach presented here for better understanding again described in other words.

Ähnlich wie Druckverläufe beim Laser-Shock-Peening-Verfahren wird beispielsweise ein gepulster Laser mit einer Pulsdauer im Nanosekundenbereich verwendet, um Schockwellen im Material der Probe 114 zu erzeugen. Die Schockwellen werden durch Ablation von Material in der Nähe der Oberfläche der Probe 114 generiert. Dieses Material absorbiert die intensive Laserstrahlung. Bei der beschränkten Ablation ist zusätzlich zum Ablationsmaterial in Form der Absorptionsschicht 118 ein transparentes Deckmaterial in Form der Deckschicht 116 aufgebracht. Die Deckschicht 116 ist beispielsweise durch Glas, Plexiglas oder Wasser gebildet. Die Deckschicht 116 behindert die Ausbreitung des Plasmas, wodurch sehr hohe Drücke auf die Werkstoffoberfläche einwirken. Diese Drücke lassen sich beispielsweise mit folgender Formel analytisch berechnen: p [ G P a ] = 0,01 α 2 α + 3 Z [ g c m 2 s ] I [ G W c m 2 ] ,

Figure DE102018200514A1_0006
wobei α ein Maß für die Absorption der Laserenergie ist, Z für den Wellenwiderstand (komplexe akustische Impedanz von transparenter Deckschicht und Covermaterial) und I für die Intensität steht.Similar to laser shock peening pressure curves, for example, a pulsed laser with a nanosecond pulse duration is used to generate shock waves in the material of the sample 114 to create. Shock waves are caused by ablation of material near the surface of the sample 114 generated. This material absorbs the intense laser radiation. In the case of limited ablation, in addition to the ablation material in the form of the absorption layer 118 a transparent cover material in the form of the cover layer 116 applied. The cover layer 116 is formed for example by glass, Plexiglas or water. The cover layer 116 hinders the spread of the plasma, causing very high pressures on the material surface. These pressures can be calculated analytically using, for example, the following formula: p [ G P a ] = 0.01 α 2 α + 3 Z [ G c m 2 s ] I [ G W c m 2 ] .
Figure DE102018200514A1_0006
where α is a measure of the absorption of the laser energy, Z is the characteristic impedance (complex acoustic impedance of transparent cover layer and cover material) and I stands for the intensity.

Der Schockwellendruck ist über die Laserintensität I, d. h. die Laserenergie pro Zeit pro Fläche, die sehr genau gemessen werden kann, modifizierbar. Je nach Abstand zwischen Linse 112 und Probe 114 können verschiedene Spotgrößen realisiert werden. Im Gegensatz zum Laser-Shock-Peening-Verfahren werden hier nicht primär die resultierenden Druckeigenspannungen als Maß für die einwirkenden Drücke angewandt, sondern die plastischen Deformationen, die von der Schockwelle verursacht werden. Somit kann zuverlässig festgestellt werden, wie sich verschiedene Werkstoffe unter dem Einwirken einer definierten Schockwellenamplitude und -anzahl verhalten. The shock wave pressure is modifiable via the laser intensity I, ie the laser energy per time per area, which can be measured very accurately. Depending on the distance between lens 112 and sample 114 Different spot sizes can be realized. In contrast to the laser shock peening process, it is not primarily the resulting residual compressive stresses that are used as a measure of the applied pressures, but the plastic deformations that are caused by the shockwave. Thus, it can be reliably determined how different materials behave under the influence of a defined shock wave amplitude and number.

Wie bei der Pitting-Methode werden beispielsweise Proben eingesetzt, die auf eine sehr glatte Oberfläche, etwa mit einer gemittelten Rautiefe Rz = 0,02 µm, poliert sind. Dadurch ist gewährleistet, dass bereits minimale Plastifizierungen der Oberfläche erfasst werden. Um eine statistische Absicherung vorzunehmen, werden mehrere Laserschüsse pro Energie vorgenommen. Die Probe 114 wird dabei durch ein automatisiertes Justagemotorensystem als Traversiereinheit 126 verfahren.As with the pitting method, for example, samples are used which are polished to a very smooth surface, for example with an average roughness depth Rz = 0.02 μm. This ensures that even minimal plastification of the surface is detected. To make a statistical hedge, several laser shots per energy are made. The sample 114 This is achieved by an automated alignment motor system as traversing unit 126 method.

Zur Auswertung eignen sich verschiedene Parameter. Beispielsweise lässt sich das verdrängte Volumen mit der eingestrahlten Laserenergie korrelieren. In 5 ist beispielhaft das Ergebnis einer Materialkalibrierung für einen austenitischen und einen ferritischen Stahl dargestellt. Dabei wird die erfasste Pittiefe mit den einwirkenden (berechneten) Schockwellendrücken korreliert.Various parameters are suitable for the evaluation. For example, the displaced volume can be correlated with the incident laser energy. In 5 By way of example, the result of a material calibration for an austenitic and a ferritic steel is shown. The recorded pit depth is correlated with the acting (calculated) shock wave pressures.

Des Weiteren erlaubt es der in 1 gezeigte Versuchsaufbau, dass auch das Werkstoffverhalten nach einer beliebig großen Anzahl einwirkender Schockwellen untersucht werden kann. Hierfür wird das schwarze Absorptionsmedium nach jedem Schuss erneuert. Dies wird durch eine Relativbewegung zwischen Probe 114 und Deckmaterial erreicht. Beispielsweise ist eine schwarze Kunststofffolie als Absorptionsschicht 118 adhäsiv mit einer Glasscheibe als Deckschicht 116 verbunden. Diese fungiert folglich als transparentes Trägermaterial. Somit ist es möglich, kavitationsrelevante Wöhlerkurven zu erzeugen, bei denen der Schockwellendruck mit derjenigen Anzahl an Ereignissen korreliert wird, die erforderlich ist, um lokal Schäden zu verursachen.Furthermore, it allows in 1 shown experimental setup that the material behavior can be examined after an arbitrary large number of acting shock waves. For this purpose, the black absorption medium is renewed after each shot. This is done by a relative movement between sample 114 and cover material achieved. For example, a black plastic film as the absorption layer 118 adhesive with a glass sheet as cover layer 116 connected. This consequently acts as a transparent carrier material. Thus, it is possible to generate cavitation-relevant Wöhler curves in which shockwave pressure is correlated with the number of events required to cause local damage.

2 zeigt eine schematische Darstellung einer Probe 114 in Kombination mit einem Schichtverbund 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel, etwa einer Probe, wie sie vorangehend anhand von 1 beschrieben ist. Gezeigt ist eine schematische Darstellung der Erzeugung lasergenerierter Schockwellen 202. Dabei ist die Deckschicht 116 mit der Absorptionsschicht 118 zum Schichtverbund 200 verbunden. Die Deckschicht 116 führt zur Verstärkung des Pulses. Die Schockwelle 202 führt zur plastischen Verformung der Materialoberfläche. Der Schichtverbund 200 ist dabei relativ zur Probe 114 verschiebbar. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass die Absorptionsschicht 118 auf eine der Probe 114 zugewandte Oberfläche der Deckschicht 116 aufgebracht ist. Bei der Absorptionsschicht 118 handelt es sich etwa um eine Farbschicht oder eine Klebefolie. Eingezeichnet ist ferner das durch den Laserstrahl 104 erzeugte Hochdruckplasma 204. 2 shows a schematic representation of a sample 114 in combination with a layer composite 200 according to an embodiment, such as a sample, as described above with reference to 1 is described. Shown is a schematic representation of the generation of laser-generated shock waves 202 , The cover layer is here 116 with the absorption layer 118 to the layer composite 200 connected. The cover layer 116 leads to the amplification of the pulse. The shockwave 202 leads to plastic deformation of the material surface. The layer composite 200 is relative to the sample 114 displaceable. This is achieved, for example, by the absorption layer 118 to one of the sample 114 facing surface of the cover layer 116 is applied. At the absorption layer 118 it is about a color layer or an adhesive film. Also marked is the laser beam 104 generated high pressure plasma 204 ,

3 zeigt ein Diagramm zur Darstellung zweier Druckverläufe 300, 302 zur Verwendung in einem Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel. Gezeigt sind die Verläufe von Drücken der Laserschockwellen bei verschiedenen Intensitäten und Deckmaterialien, wobei der erste Druckverlauf 300 einem ersten Deckmaterial zugeordnet ist und der zweite Druckverlauf 302 einem zweiten Deckmaterial zugeordnet ist. Die Drücke wurden mittels der vorangehend anhand von 1 beschriebenen Formel berechnet und können auch als theoretische Druckbelastung bezeichnet werden. Die Intensität I ist auf der Abszisse abgetragen. Die theoretische Druckbelastung p ist auf der Ordinate aufgetragen. 3 shows a diagram illustrating two pressure gradients 300 . 302 for use in a method according to an embodiment. Shown are the progressions of pressing the laser shock waves at different intensities and cover materials, wherein the first pressure curve 300 associated with a first cover material and the second pressure profile 302 associated with a second cover material. The pressures were determined by means of the above with reference to 1 calculated formula and can also be referred to as theoretical pressure load. The intensity I is plotted on the abscissa. The theoretical pressure load p is plotted on the ordinate.

4 zeigt einen realen Laserscan einer Oberfläche einer bestrahlten Probe 114 mit Auswertung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Gezeigt ist das Ergebnis eines 3-D-Laserscans von Verformungsstellen 400, auch Pits genannt, die auf der Oberfläche durch Verschieben der Probe relativ zum Verbund aus Deck- und Absorptionsschicht nach jedem Laserschuss erzeugt wurden. Höhe und Breite der Verformungsstellen 400 sind in Mikrometern ablesbar. Gezeigt sind ferner ein erstes Diagramm 402 zur Darstellung eines jeweiligen Volumens der Verformungsstellen 400 in µm3, ein zweites Diagramm 404 zur Darstellung einer jeweiligen Tiefe der Verformungsstellen 400 in µm und ein drittes Diagramm 406 zur Darstellung eines jeweiligen Quotienten aus Tiefe und Äquivalentdurchmesser bei halber Tiefe. 4 shows a real laser scan of a surface of an irradiated sample 114 with evaluation according to an embodiment. Shown is the result of a 3-D laser scan of deformation points 400 , also called pits, which were generated on the surface by moving the sample relative to the composite of cover and absorption layer after each laser shot. Height and width of the deformation points 400 are readable in microns. Shown are also a first diagram 402 for representing a respective volume of the deformation points 400 in μm 3 , a second diagram 404 to represent a respective depth of the deformation points 400 in μm and a third diagram 406 to represent a respective quotient of depth and equivalent diameter at half depth.

5 zeigt ein Diagramm zur Darstellung eines beispielhaften Verlaufs einer Materialkalibrierung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Gezeigt sind ein erster Verlauf 500 einer Pittiefe bei Verwendung einer Probe aus austenitischem Stahl und ein zweiter Verlauf 502 einer Pittiefe bei Verwendung einer Probe aus ferritischem Stahl. Die Pittiefen in µm sind über dem berechneten Druck in GPa aufgetragen. Ein Druckbereich, innerhalb dessen ein optischer Durchbruch in einer Deckschicht aus Glas erfolgt, ist mit einem Kreis markiert. 5 shows a diagram illustrating an exemplary course of a material calibration according to an embodiment. Shown are a first course 500 a pit depth using a sample of austenitic steel and a second course 502 a pit depth when using a sample of ferritic steel. The pit depths in μm are plotted against the calculated pressure in GPa. A print area within which an optical breakthrough takes place in a cover layer of glass is marked with a circle.

6 zeigt ein Diagramm zur Darstellung von Signalverläufen 600, 602 bei einer Drucksensorkalibrierung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei ist eine Spannung in V über der Zeit in s aufgetragen. Beispielhaft sind die Signalverläufe 600 eines Müller-Sensors einem Signalverlauf 602 einer hochempfindlichen Fotodiode zur Erfassung der plastischen Verformung der Sensoroberfläche gegenübergestellt. Durch Vergleich der Signalverläufe kann die Reaktions- und Anstiegszeit des Drucksensors ermittelt werden. 6 shows a diagram illustrating waveforms 600 . 602 in a pressure sensor calibration according to an embodiment. In this case, a voltage in V over time in s is plotted. Exemplary are the waveforms 600 one Müller sensor a waveform 602 a highly sensitive photodiode for detecting the plastic deformation of the sensor surface faced. By comparing the signal curves, the reaction and rise time of the pressure sensor can be determined.

7 zeigt eine schematische Darstellung einer Oberfläche einer Kupferprobe 700 nach dem Beaufschlagen mit Schockwellen in einem Kavitationsverfahren. 7 shows a schematic representation of a surface of a copper sample 700 after exposure to shock waves in a cavitation process.

8 zeigt eine schematische Darstellung einer Oberfläche einer austenitischen Stahlprobe 800 aus austenitischem Stahl 1.4401 nach dem Beaufschlagen mit Schockwellen in einem Kavitationsverfahren. 8th shows a schematic representation of a surface of an austenitic steel sample 800 of austenitic steel 1.4401 after exposure to shock waves in a cavitation process.

9 zeigt eine schematische Darstellung einer Oberfläche einer ferritischen Stahlprobe 900 aus ferritischem Stahl 1.4511 nach dem Beaufschlagen mit Schockwellen in einem Kavitationsverfahren. 9 shows a schematic representation of a surface of a ferritic steel sample 900 of ferritic steel 1.4511 after exposure to shock waves in a cavitation process.

Bei den in den 7 bis 9 zu erkennenden dunklen Stellen handelt es sich um kavitationsbedingte Verformungsstellen, so genannte Pits.In the in the 7 to 9 dark areas to be recognized are cavitation-related deformation points, so-called pits.

10 zeigt ein Diagramm zur Darstellung dreier Kavitationskurven 1000, 1002, 1004 zur Verwendung in einem Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel, wobei die erste Kavitationskurve 1000 der in 7 gezeigten Kupferprobe, die zweite Kavitationskurve 1002 der in 8 gezeigten austenitischen Stahlprobe und die dritte Kavitationskurve 1004 der in 9 gezeigten ferritischen Stahlprobe zugeordnet ist. Die drei Kurven repräsentieren jeweils einen Zusammenhang zwischen einer Anzahl kavitationsbedingter Verformungsstellen, an denen die jeweiligen Proben kavitationsbedingt plastisch verformt wurden, und einem Quotienten h/d aus einer Tiefe h und einem Durchmesser d der kavitationsbedingten Verformungsstellen. Der Quotient kann auch als Ähnlichkeitszahl bezeichnet werden. 10 shows a diagram showing three cavitation curves 1000 . 1002 . 1004 for use in a method according to an embodiment, wherein the first cavitation curve 1000 the in 7 copper sample shown, the second cavitation curve 1002 the in 8th shown austenitic steel sample and the third cavitation curve 1004 the in 9 associated ferritic steel sample is assigned. The three curves each represent a relationship between a number of cavitation-induced deformation points at which the respective samples were plastically deformed due to cavitation, and a quotient h / d from a depth h and a diameter d of the cavitation-related deformation points. The quotient can also be referred to as a similarity number.

11 zeigt ein Diagramm zur Darstellung dreier Kalibrierkurven 1100, 1102, 1104 zur Verwendung in einem Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Kalibrierkurven repräsentieren jeweils einen Zusammenhang zwischen einer etwa unter Verwendung der anhand von 1 beschriebenen Formel berechneten theoretischen Druckbelastung und einem Quotienten H/D aus einer Tiefe H und einem Durchmesser D von Verformungsstellen, an denen eine mittels der Vorrichtung aus 1 mit Schockwellen beaufschlagte Kupferprobe, austenitische Stahlprobe bzw. ferritische Stahlprobe plastisch verformt wurde. Dabei ist die erste Kalibrierkurve 1100 der Kupferprobe, die zweite Kalibrierkurve 1102 der austenitischen Stahlprobe und die dritte Kalibrierkurve 1104 der ferritischen Stahlprobe zugeordnet. Jeweilige Linearisierungen sind mit gestrichelten Linien gekennzeichnet. Die theoretische oder berechnete Druckbelastung ist in GPa auf der Ordinate aufgetragen. 11 shows a diagram showing three calibration curves 1100 . 1102 . 1104 for use in a method according to an embodiment. The calibration curves each represent a relationship between an approximately using the basis of 1 described formula calculated theoretical pressure load and a quotient H / D from a depth H and a diameter D of deformation points, where one by means of the device 1 Shockwave copper sample, austenitic steel sample or ferritic steel sample was plastically deformed. Here is the first calibration curve 1100 the copper sample, the second calibration curve 1102 the austenitic steel sample and the third calibration curve 1104 assigned to the ferritic steel sample. Respective linearizations are indicated by dashed lines. The theoretical or calculated pressure load is plotted in GPa on the ordinate.

12 zeigt ein Diagramm zur Darstellung dreier Lastkurven 1200, 1202, 1204, generiert in einem Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei repräsentiert die erste Lastkurve 1200 das Ergebnis einer Verknüpfung der ersten Kavitationskurve 1000 aus 10 mit der ersten Kalibrierkurve 1100 aus 11, die zweite Lastkurve 1202 das Ergebnis einer Verknüpfung der zweiten Kavitationskurve 1002 aus 10 mit der zweiten Kalibrierkurve 1102 aus 11 und die dritte Lastkurve 1204 das Ergebnis einer Verknüpfung der dritten Kavitationskurve 1004 aus 10 mit der dritten Kalibrierkurve 1104 aus 11. 12 shows a diagram showing three load curves 1200 . 1202 . 1204 generated in a method according to an embodiment. The first load curve represents this 1200 the result of a combination of the first cavitation curve 1000 out 10 with the first calibration curve 1100 out 11 , the second load curve 1202 the result of a linkage of the second cavitation curve 1002 out 10 with the second calibration curve 1102 out 11 and the third load curve 1204 the result of a combination of the third cavitation curve 1004 out 10 with the third calibration curve 1104 out 11 ,

Die drei Lastkurven stellen jeweils einen Zusammenhang zwischen einer kalibrierten Druckbelastung, aufgetragen in GPa auf der Ordinate, mit einer jeweiligen Anzahl kavitationsbedingter Verformungsstellen der in den 7 bis 9 gezeigten Proben her.The three load curves each represent a relationship between a calibrated pressure load, plotted in GPa on the ordinate, with a respective number of cavitation-induced deformation points in the 7 to 9 shown samples ago.

Nachfolgend wird beispielhaft ein Ablauf eines Verfahrens zur Ermittlung von Druckbelastungen, die bei einer Kavitationserosion herrschen, anhand der 7 bis 12 erläutert. Insbesondere können dadurch CFD-Ergebnisse experimentell validiert werden.The following is an example of a sequence of a method for determining pressure loads that prevail in a Kavitationserosion, based on 7 to 12 explained. In particular, CFD results can be validated experimentally.

Dazu werden über eine automatisierte Auswertung von Verformungsstellen oder Pits, die auf einem realen Kavitationsprüfstand, etwa einem Strahlprüfstand, generiert wurden, sogenannte Spektren generiert. 10 zeigt beispielhaft die erfassten Spektren für Kupfer, den austenitischen korrosionsbeständigen Stahl 1.4401 und den ferritischen korrosionsbeständigen Stahl 1.4511. Dabei ist eine sogenannte Ähnlichkeitszahl h/d, d. h. der Quotient aus Pittiefe und Pitdurchmesser, über der erfassten Anzahl der Pits aufgetragen. Die Ähnlichkeitszahl h/d wird aus den gemessenen Deformationen einer polierten Materialoberfläche, wie sie beispielhaft in den 7 bis 9 gezeigt ist, berechnet. Die Ähnlichkeitszahl h/d dient als Maß für den einwirkenden Schockwellendruck, was durch den Schockwellenprüfstand experimentell nachgewiesen werden kann. Unter einem Schockwellenprüfstand ist dabei eine Vorrichtung zu verstehen, wie sie vorangehend anhand von 1 beispielhaft beschrieben ist.For this purpose, so-called spectra are generated via an automated evaluation of deformation points or pits which were generated on a real cavitation test stand, for example a beam test stand. 10 shows by way of example the spectra recorded for copper, the austenitic stainless steel 1.4401 and the ferritic stainless steel 1.4511. In this case, a so-called similarity number h / d, ie the quotient of pit depth and pit diameter, is plotted over the recorded number of pits. The similarity number h / d is calculated from the measured deformations of a polished material surface, as exemplified in US Pat 7 to 9 shown is calculated. The similarity number h / d serves as a measure of the acting shock wave pressure, which can be demonstrated experimentally by the shock wave test rig. Under a shock wave test stand is a device to understand, as described above with reference to 1 is described by way of example.

Um von der Ähnlichkeitszahl h/d auf den real einwirkenden Schockwellendruck zu kommen, werden nun mittels des Schockwellenprüfstands entsprechende Kalibrierkurven erzeugt. Die Kalibrierkurven für die drei betrachteten Materialien sind in 11 dargestellt. Der berechnete Schockwellendruck ist hier über der Ähnlichkeitszahl h/d aufgetragen. Es ist ein linearer Zusammenhang zu erkennen, wobei der Zusammenhang nicht zwingend linear zu sein braucht. Die Beziehung wird mit den Spektren aus 10 verrechnet. Somit ist es möglich, mit einem rein experimentellen Ansatz reale Lastspektren zu generieren, wie sie in 12 dargestellt sind. Der Schockwellendruck wird direkt mit der Anzahl der Pits korreliert. Als Validierung des hier vorgestellten Verfahrens kann bereits die Tatsache gewertet werden, dass die Lastspektren der drei unterschiedlichen Materialien sehr nah zusammenliegen. Dies geht in logischer Konsequenz aus der Annahme hervor, dass alle Werkstoffe im Prüfstand die gleiche Belastung erfahren haben.In order to get from the similarity number h / d to the real acting shock wave pressure, corresponding calibration curves are now generated by means of the shock wave test stand. The calibration curves for the three materials considered are in 11 shown. The calculated shockwave pressure is plotted here over the similarity number h / d. It is a linear relationship to recognize, the context need not necessarily be linear. The relationship is with the spectra 10 charged. Thus, it is possible to generate real load spectra with a purely experimental approach, as they are used in 12 are shown. The shock wave pressure is directly correlated with the number of pits. As a validation of the method presented here, the fact that the load spectra of the three different materials are very close together can already be considered. This is logically consistent with the assumption that all materials in the test bench have experienced the same load.

13 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1300 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 1300 zum Bestimmen einer durch eine Schockwelle hervorgerufenen Druckbelastung einer Probe kann beispielsweise mittels einer vorangehend anhand von 1 beschriebenen Vorrichtung durchgeführt werden. Dabei wird in einem Schritt 1310 die Oberfläche der Probe mit dem Laserstrahl bestrahlt, um die Probe an einer oder mehreren Stellen einmal oder mehrmals mit einer Schockwelle zu beaufschlagen. Beispielsweise kann die Stärke der Schockwelle beim Bestrahlen variiert werden. In einem weiteren Schritt 1320 wird die durch die Schockwelle hervorgerufene plastische Verformung an der Oberfläche der Probe erfasst, um zumindest einen Verformungsparameter zu erhalten. Schließlich wird in einem Schritt 1330 der Verformungsparameter unter Verwendung zumindest eines Parameters bezüglich des Laserstrahls ausgewertet, um die durch die Schockwelle hervorgerufene Druckbelastung zu bestimmen. 13 shows a flowchart of a method 1300 according to an embodiment. The procedure 1300 for determining a pressure load of a sample caused by a shock wave, for example, by means of a previously described with reference to 1 described device are performed. It is in one step 1310 the surface of the sample is irradiated with the laser beam in order to apply a shock wave once or several times to the sample at one or more points. For example, the strength of the shockwave during irradiation can be varied. In a further step 1320 For example, the plastic deformation caused by the shock wave is detected on the surface of the sample to obtain at least one deformation parameter. Finally, in one step 1330 the deformation parameter is evaluated using at least one parameter with respect to the laser beam to determine the compressive stress caused by the shockwave.

Somit liefert der hier vorgestellte Ansatz essenzielles Grundlagenwissen für alle Werkstoffe, die in diversen technischen Komponenten einer Schockwellenbelastung ausgesetzt sind. Diese entsteht zum Beispiel durch den Kollaps von Kavitationsblasen in Wandnähe. Durch die Laserschockwellen lassen sich wichtige und grundlegende Informationen über das Werkstoffverhalten unter hochdynamischer Belastung generieren. Somit kann die Lücke zwischen CFD-Simulationsergebnissen und den daraus resultierenden Belastungszuständen mit einem lokalen Werkstoffverhalten korreliert werden. Wie bereits beschrieben, kann das Verfahren auch eingesetzt werden, um die Anstiegszeit von verschiedenen Drucksensoren zu ermitteln.Thus, the approach presented here provides essential basic knowledge for all materials that are exposed to shockwave loading in various technical components. This arises, for example, from the collapse of cavitation bubbles near the wall. The laser shock waves can generate important and basic information about the material behavior under high dynamic load. Thus, the gap between CFD simulation results and the resulting load conditions can be correlated with a local material behavior. As already described, the method can also be used to determine the rise time of various pressure sensors.

Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.If an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature, then this is to be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment either only first feature or only the second feature.

Claims (12)

Verfahren (1300) zum Bestimmen einer durch eine Schockwelle (202) hervorgerufenen Druckbelastung einer Probe (114), wobei das Verfahren (1300) folgende Schritte umfasst: Bestrahlen (1310) einer Probenoberfläche der Probe (114) mit einem Laserstrahl (104) durch eine transparente Deckschicht (116) und eine zwischen der Probenoberfläche und der Deckschicht (116) angeordnete Absorptionsschicht (118), um unter Ablation von Material der Absorptionsschicht (118) ein Plasma (204) zu erzeugen, durch das die Probe (114) mit der Schockwelle (202) beaufschlagt wird; Erfassen (1320) einer durch die Schockwelle (202) hervorgerufenen plastischen Verformung der Probenoberfläche, um zumindest einen Verformungsparameter (122) zu erhalten; und Auswerten (1330) des Verformungsparameters (122) unter Verwendung zumindest eines den Laserstrahl (104) charakterisierenden Laserparameters, um die Druckbelastung zu bestimmen.A method (1300) for determining a compressive load of a sample (114) caused by a shock wave (202), the method (1300) comprising the steps of: Irradiating (1310) a sample surface of the sample (114) with a laser beam (104) through a transparent cover layer (116) and an absorption layer (118) disposed between the sample surface and the cover layer (116) to remove material from the absorption layer (118 ) to generate a plasma (204) by which the sample (114) is exposed to the shock wave (202); Detecting (1320) a plastic deformation of the sample surface caused by the shockwave (202) to obtain at least one deformation parameter (122); and Evaluating (1330) the deformation parameter (122) using at least one laser parameter characterizing the laser beam (104) to determine the pressure loading. Verfahren (1300) gemäß Anspruch 1, bei dem im Schritt des Erfassens (1320) eine Tiefe und/oder ein Volumen und/oder ein Durchmesser und/oder eine Anzahl von Verformungsstellen (400), an denen die Probe (114) plastisch verformt ist, und/oder ein zeitlicher Verlauf der Verformung als Verformungsparameter (122) erfasst wird.Method (1300) according to Claim 1 in which, in the step of detecting (1320), a depth and / or a volume and / or a diameter and / or a number of deformation points (400) on which the sample (114) is plastically deformed, and / or a time course the deformation is detected as a deformation parameter (122). Verfahren (1300) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Auswertens (1330) unter Verwendung des Laserparameters eine theoretische Druckbelastung der Probe (114) ermittelt wird, wobei die theoretische Druckbelastung und der Verformungsparameter (122) miteinander verknüpft werden, um die Druckbelastung zu bestimmen.A method (1300) according to any one of the preceding claims, wherein in the step of evaluating (1330) using the laser parameter, a theoretical pressure load of the sample (114) is determined, linking the theoretical pressure load and the deformation parameter (122) to each other To determine pressure load. Verfahren (1300) gemäß Anspruch 3, bei dem im Schritt des Auswertens (1330) eine Kalibrierkurve (1100, 1102, 1104) durch Auftragen der theoretischen Druckbelastung über einem Quotienten aus der Tiefe und dem Durchmesser der Verformungsstellen (400) generiert wird, wobei die Kalibrierkurve (1100, 1102, 1104) mit Verformungswerten, die eine kavitationsbedingte plastische Verformung einer in einem Kavitationsverfahren mit Schockwellen beaufschlagten Kavitationsprobe (700, 800, 900) repräsentieren, verknüpft wird, um eine kalibrierte Druckbelastung zu bestimmen.Method (1300) according to Claim 3 in which, in the step of evaluating (1330), a calibration curve (1100, 1102, 1104) is generated by plotting the theoretical pressure load over a quotient of the depth and the diameter of the deformation points (400), the calibration curve (1100, 1102, 1104 ) is associated with deformation values representing a cavitation-related plastic deformation of a cavitation sample (700, 800, 900) subjected to shock waves in a cavitation process in order to determine a calibrated pressure load. Verfahren (1300) gemäß Anspruch 4, bei dem im Schritt des Auswertens (1330) die Kalibrierkurve (1100, 1102, 1104) mit einer Kavitationskurve (1000, 1002, 1004) verrechnet wird, um die kalibrierte Druckbelastung zu bestimmen, wobei die Kavitationskurve (1000, 1002, 1004) einen Zusammenhang zwischen einer Anzahl kavitationsbedingter Verformungsstellen, an denen die Kavitationsprobe (700, 800, 900) kavitationsbedingt plastisch verformt ist, und einem Quotienten aus einer Tiefe und einem Durchmesser der kavitationsbedingten Verformungsstellen als den Verformungswerten repräsentiert.Method (1300) according to Claim 4 in which in the step of evaluating (1330) the calibration curve (1100, 1102, 1104) is compared with a cavitation curve (1000, 1002, 1004) to calibrate the calibration curve To determine pressure load, wherein the cavitation curve (1000, 1002, 1004) has a relationship between a number of cavitation deformation sites where the cavitation sample (700, 800, 900) is plastically deformed due to cavitation, and a quotient of a depth and a diameter of the cavitation deformation points represented as the deformation values. Verfahren (1300) gemäß Anspruch 5, bei dem im Schritt des Auswertens (1330) eine Lastkurve (1200, 1202, 1204) generiert wird, die einen Zusammenhang zwischen der Anzahl der kavitationsbedingten Verformungsstellen und der kalibrierten Druckbelastung repräsentiert.Method (1300) according to Claim 5 in which, in the step of evaluating (1330), a load curve (1200, 1202, 1204) is generated which represents a relationship between the number of cavitation-related deformation points and the calibrated pressure load. Verfahren (1300) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Bestrahlens (1310) die Probenoberfläche an zumindest zwei unterschiedlichen Stellen bestrahlt wird.A method (1300) according to any one of the preceding claims, wherein in the step of irradiating (1310), the sample surface is irradiated at at least two different locations. Verfahren (1300) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Schritt des Bildens eines Schichtverbunds (200) aus der Deckschicht (116) und der Absorptionsschicht (118), wobei im Schritt des Bestrahlens (1310) die Probenoberfläche durch den Schichtverbund (200) hindurch bestrahlt wird.The method (1300) according to one of the preceding claims, comprising a step of forming a composite layer (200) of the cover layer (116) and the absorption layer (118), wherein in the step of irradiating (1310) the sample surface passes through the layer composite (200) is irradiated. Verfahren (1300) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Bestrahlens (1310) die Probenoberfläche wiederholt bestrahlt wird, um die Probe (114) mit mehreren Schockwellen (202) zu beaufschlagen.A method (1300) according to any one of the preceding claims, wherein in the step of irradiating (1310), the sample surface is repeatedly irradiated to provide the sample (114) with a plurality of shock waves (202). Vorrichtung (100) mit Einheiten (102, 106, 108, 110, 112, 120, 124, 126), die ausgebildet sind, um das Verfahren (1300) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche auszuführen und/oder anzusteuern.Apparatus (100) comprising units (102, 106, 108, 110, 112, 120, 124, 126) adapted to execute and / or drive the method (1300) according to any one of the preceding claims. Computerprogramm, das ausgebildet ist, um das Verfahren (1300) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen und/oder anzusteuern.A computer program configured to execute the method (1300) according to one of Claims 1 to 9 execute and / or control. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 11 gespeichert ist.Machine-readable storage medium on which the computer program is based Claim 11 is stored.
DE102018200514.1A 2018-01-15 2018-01-15 Method and device for determining a pressure load of a sample caused by a shock wave Withdrawn DE102018200514A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102018200514.1A DE102018200514A1 (en) 2018-01-15 2018-01-15 Method and device for determining a pressure load of a sample caused by a shock wave

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102018200514.1A DE102018200514A1 (en) 2018-01-15 2018-01-15 Method and device for determining a pressure load of a sample caused by a shock wave

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102018200514A1 true DE102018200514A1 (en) 2019-07-18

Family

ID=67068692

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102018200514.1A Withdrawn DE102018200514A1 (en) 2018-01-15 2018-01-15 Method and device for determining a pressure load of a sample caused by a shock wave

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102018200514A1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113967797A (en) * 2021-10-26 2022-01-25 江苏大学 Method and device for detecting pressure of laser shock liquid micro-forming shock wave
CN114509384A (en) * 2022-02-18 2022-05-17 重庆交通大学 Laser shock wave detection device for interface bonding force of different composite materials and optimal laser shock distance calculation method thereof
CN116539732A (en) * 2023-06-27 2023-08-04 北京航空航天大学 Device and method for detecting external shock wave loading process and attenuation rule

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5592283A (en) * 1995-04-03 1997-01-07 Westinghouse Hanford Company Testing of concrete by laser ablation
DE19950310A1 (en) * 1999-10-14 2001-04-19 Gfe Ges Fuer Fertigungstechnik Adhesion test unit for thin CVD substrates monitors probe wear avoids substrate damage
DE102008048618B3 (en) * 2008-09-23 2009-12-10 Universität Zu Lübeck Method for the laser-induced transport of materials from a transparent carrier substrate
DE102011005074A1 (en) * 2011-03-03 2012-09-06 Linde Aktiengesellschaft Method for determining the porosity of layers
DE102015006697A1 (en) * 2015-05-21 2016-11-24 Universität Stuttgart Optical method and arrangement for measuring residual stress, in particular on coated objects

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5592283A (en) * 1995-04-03 1997-01-07 Westinghouse Hanford Company Testing of concrete by laser ablation
DE19950310A1 (en) * 1999-10-14 2001-04-19 Gfe Ges Fuer Fertigungstechnik Adhesion test unit for thin CVD substrates monitors probe wear avoids substrate damage
DE102008048618B3 (en) * 2008-09-23 2009-12-10 Universität Zu Lübeck Method for the laser-induced transport of materials from a transparent carrier substrate
DE102011005074A1 (en) * 2011-03-03 2012-09-06 Linde Aktiengesellschaft Method for determining the porosity of layers
DE102015006697A1 (en) * 2015-05-21 2016-11-24 Universität Stuttgart Optical method and arrangement for measuring residual stress, in particular on coated objects

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113967797A (en) * 2021-10-26 2022-01-25 江苏大学 Method and device for detecting pressure of laser shock liquid micro-forming shock wave
CN114509384A (en) * 2022-02-18 2022-05-17 重庆交通大学 Laser shock wave detection device for interface bonding force of different composite materials and optimal laser shock distance calculation method thereof
CN116539732A (en) * 2023-06-27 2023-08-04 北京航空航天大学 Device and method for detecting external shock wave loading process and attenuation rule
CN116539732B (en) * 2023-06-27 2023-10-03 北京航空航天大学 Device and method for detecting external shock wave loading process and attenuation rule

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102018200514A1 (en) Method and device for determining a pressure load of a sample caused by a shock wave
DE3820862A1 (en) METHOD AND DEVICE FOR CONTACTLESS EXAMINATION OF SURFACES AND INTERNAL STRUCTURES OF A FIXED TEST BODY
DE102007026540A1 (en) Sample surface testing method, involves comparing data obtained for test sample with sample data, and testing condition of internal stress produced in test sample based on condition of internal stress of test sample
DE112010005289T5 (en) Method for calibrating or testing a detector surface of a device for the detection of hydrometeors and a calibration and test device
DE10150633C5 (en) Method and device for non-contact, non-destructive automatic testing of material connections, in particular the quality control of welded joints
DE102010023727A1 (en) Method for low-vibration optical force measurement, especially at high temperatures
EP4082755A1 (en) Method for producing a three-dimensional structure in a lithographic material by means of a laser lithography device
DE102009056584A1 (en) Component, method for introducing information into a component and method for determining a load history of a component
DE102007001464A1 (en) Method for determining the remaining service life and / or the fatigue state of components
EP2773933B1 (en) Method for determining a machining result during surface machining of components
EP3473997B1 (en) Method and device for dynamic load testing
EP2623952B1 (en) Method and device for detecting surface cracks
DE102014212402A1 (en) Method for producing a component element
DE102021118888B4 (en) Device and method for determining the thermal shock resistance of a test specimen
EP1857813A2 (en) Method for judging bodies
DE102018219231A1 (en) Method for checking the adhesive properties of a layer, in particular a wear protection layer
DE10207692B4 (en) Method for checking the quality of an adhesive or adhesive connection in a multilayer arrangement
DE102020108956B4 (en) Determination procedure for quality parameters and determination system
DE102007056554A1 (en) Method for adjusting and/or controlling the optimum working conditions of a laser used in laser welding comprises superimposing an intensity pattern on the radiation throat and determining the focusing position by evaluating the pattern
DE102021006627A1 (en) Device and method for determining the thermal shock resistance of a test specimen
DE102018004878B4 (en) Testing device and method for checking the quality of a surface coating of a workpiece
DE102020206906A1 (en) Method for monitoring the residual compressive stresses of components in a shot peening process
DE3129998C2 (en) "Method and device for the non-destructive measurement of the response pressure of reversing bursting discs"
DE102015114855A1 (en) Method for detecting damage to a plastic-metal or metal-metal composite component
DE10053481C2 (en) Process for quality inspection of an electrical component

Legal Events

Date Code Title Description
R079 Amendment of ipc main class

Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: G01N0003080000

Ipc: G01N0003300000

R163 Identified publications notified
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee