DE102018200514A1 - Method and device for determining a pressure load of a sample caused by a shock wave - Google Patents
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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 4×10∧3 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
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.
- 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:
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:
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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.
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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.
Eine Erfassungseinheit
Der Laserstrahl
Der Laserstrahl
Die Fokuslinse
Eine optionale Traversiereinheit
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
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
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
Zur Auswertung eignen sich verschiedene Parameter. Beispielsweise lässt sich das verdrängte Volumen mit der eingestrahlten Laserenergie korrelieren. In
Des Weiteren erlaubt es der in
Bei den in den
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
Nachfolgend wird beispielhaft ein Ablauf eines Verfahrens zur Ermittlung von Druckbelastungen, die bei einer Kavitationserosion herrschen, anhand der
Dazu werden über eine automatisierte Auswertung von Verformungsstellen oder Pits, die auf einem realen Kavitationsprüfstand, etwa einem Strahlprüfstand, generiert wurden, sogenannte Spektren generiert.
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
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.
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