DE19549233A1 - Method of destruction-free testing of surfaces using the reflected light pattern - Google Patents
Method of destruction-free testing of surfaces using the reflected light patternInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mittels Gefügeabdruck an einem zeitstandsbeanspruchten Bauteils unter vorzugswei se Vor-Ort-Bedingungen, z. B. in einem Kraftwerk.The invention relates to a method and an arrangement for non-destructive testing of materials by means of a structural impression on a component subject to creep stress, preferably se on-site conditions, e.g. B. in a power plant.
Für die Gefügeabdrucknahme, z. B. an einem zeitstandsbean spruchten Bauteil in einem Kraftwerk im Rahmen einer zerstö rungsfreien Werkstoffprüfung, ist es erforderlich, vor Ort das Bauteil an der für die Abdrucknahme geeigneten Stelle durch Abisolierung und Grobreinigung des Zunderansatzes vor zubereiten. Danach wird der Bereich der Abdrucknahme ge schliffen und solange poliert, bis einfallendes Umgebungs licht auf der Werkstoffoberfläche kaum noch gestreut wird. Der anschließende Ätzvorgang zur Sichtbarmachung des Gefü ges läßt die polierte Werkstoffoberfläche des Bauteilbe reiches matt erscheinen, d. h., es beginnen sich zuerst die Korngrenzen freizulegen, und es heben sich anschließend ganze Gefügebestandteile aus ihrer Umgebung hervor. Einfal lendes und reflektiertes Umgebungslicht wird dadurch ge streut, es erfolgt eine "Eintrübung" der Werkstoffoberflä che. Danach wird der angeätzte Bereich von Ätzmittel be freit und getrocknet und mittels geeigneter Abdruckmateria lien der "Negativ"-Abdruck genommen (Richtreihen zur Bewer tung der Gefügeausbildung und -schädigung zeitstandbean spruchter Werkstoffe von Hochdruckrohrleitungen VGB-TW 507 Gefügerichtreihen, Ausgabe 1992; Trück, Bendick, Maile, Weber: "Nachweis von Zeitstandschädigung im Stahl X 20 CrXoV 12 1 mittels metallographischer Untersuchungen", Verein Deutscher Eisenhüttenleute, 12. Vortrags- und Diskussionstagung Werkstoffprüfung 1994).For taking the microstructure, e.g. B. on a creep bean wanted component in a power plant as part of a maintenance-free material testing, it is necessary on site the component at the location suitable for taking the impression by stripping and roughly cleaning the scalp prepare. Then the area of the impression is taken grind and polish until incident environment light is hardly scattered on the material surface. The subsequent etching process to visualize the structure ges leaves the polished material surface of the component appear rich matte, d. that is, the first begins To uncover grain boundaries, and it then lift up whole structural components emerge from their environment. Easy Luminous and reflected ambient light is thereby scatters, there is a "clouding" of the material surface che. Then the etched area of etchant is free and dried and by means of suitable impression material lien the "negative" -print taken (guideline series for evaluators development of the structure formation and damage materials of high pressure piping VGB-TW 507 Gefügerichtreihen, edition 1992; Trück, Bendick, Maile, Weber: "Evidence of creep damage in steel X 20 CrXoV 12 1 by means of metallographic examinations ", Association of German Ironworkers, 12th Lecture and Discussion meeting materials testing 1994).
Die Feststellung der "Eintrübung" des angeätzten Bereichs ist jedoch von der Ätzmittelkonzentration, des Ätzmittelal ters, der Umgebungstemperatur, der Bauteiltemperatur, vom Werkstoffzustand des Bauteils (Charge), vom Einfallwinkel des Lichts und von der Erfahrung des den Ätzvorgang Ausfüh renden abhängig. The determination of the "clouding" of the etched area is however of the etchant concentration, the etchant al ters, the ambient temperature, the component temperature, from Material condition of the component (batch), from the angle of incidence of light and experience of the etching process render dependent.
Der Grad der Eintrübung (optimaler Ätzgrad) und damit die Kenntnis des Werkstoffoberflächenzustandes kann daher nur grob abgeschätzt werden, so daß Unter- oder Überätzungen eintreten. Eine Qualifizierung des augenblicklichen Werk stoffoberflächenzustandes ist somit unsicher. Diese Unkennt nis führt dann in Folge zu Fehleinschätzungen bei der Gefü gebewertung und kann unerwünschte Folgen heraufbeschwören, z. B. den Wiederholungsprüfzyklus für überwachungspflichti ge Anlagen zu groß zu wählen.The degree of clouding (optimal degree of etching) and thus the Knowledge of the material surface condition can therefore only can be roughly estimated so that under- or over-etchings enter. A qualification of the current work fabric surface condition is therefore uncertain. This ignorance nis then leads to misjudgments of the feeling assessment and can conjure up undesirable consequences, e.g. B. the retest cycle for surveillance systems too large.
Die anschließende Bewertung des Gefüges (bzw. des Gefügeab druckes) auf seinen Zustand hin, daß theoretisch genau das Gefügebild des zu untersuchenden Bauteils ist, kann deswe gen nur sicher mit Hilfe eines Verfahrens erfolgen, das ei ne vertikale Auflösung (Tiefenauflösung) von der Werkstoff oberfläche zuläßt, z. B. REM oder AFM. Für die optimale Be wertung und Vergleichbarkeit von Gefügen ist ein einheit licher Ätzzustand nötig bzw. anzustreben.The subsequent evaluation of the structure (or the structure from pressure) to its state that theoretically that is exactly Structural picture of the component to be examined can therefore only safe with the help of a procedure that egg ne vertical resolution (depth resolution) of the material Allows surface, e.g. B. REM or AFM. For the optimal loading The evaluation and comparability of structures is one etching condition necessary or to be aimed for.
Versuche, vor Ort die Werkstoffoberfläche des angeätzten Bereichs mit einem Mikroskop einzuschätzen, erweisen sich als schwierig und aufwendig, da o. g. Tiefenauflösung nicht darzustellen ist. Vor jeder Begutachtung mit dem Mikroskop ist die Probenoberfläche zu reinigen und zu trocknen, d. h. der Ätzvorgang muß unterbrochen werden. Schwingungen der ge samten Anlage machen sich stark störend bemerkbar bzw. die Begutachtung unmöglich.Try to spot the material surface of the etched To assess the area with a microscope, turn out to be as difficult and expensive because the above-mentioned Depth resolution not is to be presented. Before each inspection with the microscope the sample surface must be cleaned and dried, d. H. the etching process must be interrupted. Vibrations of the ge The entire system is very annoying or noticeable Assessment impossible.
Bei der Herstellung von Halbleitern, Druckplatten oder Werk stücken ist es zwar bekannt, über die Ermittlung der Werk stoffoberflächenbeschaffenheit mittels Lichtstrahlen den Herstellungsprozeß oder Ätzvorgang zu steuern (DD 3 01 503, 283 212, 270 365, 223 822; DE 40 35 084, DE 37 03 505, 22 56 736, 20 08 979) jedoch ist eine bloße Anwendung auf das Gebiet der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung nicht ohne weiteres möglich, da damit eine gesicherte, d. h. eine qualifizierte, Gefügebewertung auf grund der erzielbaren Aussagen nicht erreichbar ist, sich die Arbeiten vor Ort aufgrund der ständig wechselnden Ört lichkeit nicht automatisieren lassen und keine den gefor derten mobilen Einsatz entsprechende Technik mit minimaler Gerätemasse (ohne Computereinsatz), hoher Robustheit und einfachste sowie schnelle Anwendung vorhanden ist.In the manufacture of semiconductors, printing plates or works pieces it is known about the determination of the work surface of the fabric by means of light rays Control manufacturing process or etching process (DD 3 01 503, 283 212, 270 365, 223 822; DE 40 35 084, DE 37 03 505, 22 56 736, 20 08 979), however, is a mere one Application in the field of non-destructive Material testing is not easily possible because it is a secured, d. H. a qualified, micro assessment cannot be reached due to the achievable statements the work on site due to the constantly changing location not automated and none of the required technology with minimal technology Device dimensions (without computer use), high robustness and simplest and quick application is available.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, an sich be kannte Maßnahmen für die Ermittlung der Werkstoffoberflä chenbeschaffenheit so anzuwenden, daß eine sichere Gefüge bewertung möglich wird.The invention is therefore based on the object itself Known measures for the determination of the material surface Chen texture so that a secure structure evaluation becomes possible.
Dies wird erfindungsgemäß durch Kombination folgender Merk male erreicht:According to the invention, this is achieved by combining the following notes times reached:
- a) Während des Ätzvorganges wird ein kohärenter Laserstrahl unter einen Winkel von 10° bis 30° auf den polierten Bereich der Werkstoffoberfläche des Bauteils gerichtet.a) During the etching process, a coherent laser beam at an angle of 10 ° to 30 ° on the polished Area of the material surface of the component.
- b) Der von der polierten Werkstoffoberfläche reflektierte Laserstrahl wird auf eine Projektionswand ein Projek tionsbild mit Lichtanteilen projiziert, die der Kohärenz bedingung genügen.b) The one reflected by the polished material surface Laser beam becomes a project on a projection screen projection image projected with light components, that of coherence condition is sufficient.
- c) Der Ätzvorgang wird solange fortgesetzt, bis der Anteil des kohärenten Lichtes des Lasers im Projektionsbild minimal bis aufgehoben wird, d. h. der Kohärenzbedingung nicht mehr genügt.c) The etching process continues until the portion of the coherent light of the laser in the projection image minimal until canceled, d. H. the coherence condition is no longer enough.
- d) Danach wird ein einmaliger Gefügeabdruck zur gesicherten Gefügebewertung für die Lebensdauerbeurteilung des Bauteils genommen.d) Then a one-time structural impression becomes the secured one Microstructure assessment for the lifetime assessment of the Component.
Zur Realisierung ist auf der Werkstoffoberfläche des Bau teils mittels Halter ein Laser, z. B. ein Laserpointer, an geordnet und eine Projektionswand so aufgestellt, daß ein fallender Laserstrahl und reflektierter Laserstrahl unter einem Winkel von 10° bis 30° bezogen auf den polierten Bereich der Werkstoffoberfläche des Bauteils wirksam sind.To implement is on the material surface of the construction partly by means of a laser holder, e.g. B. a laser pointer ordered and set up a projection screen so that a falling laser beam and reflected laser beam below an angle of 10 ° to 30 ° related to the polished Area of the material surface of the component are effective.
Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Die dazugehörige Zeichnung zeigt:The invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment explained. The accompanying drawing shows:
Fig. 1 Die schematische Anordnung von Laser und Projektionswand am Bauteil Fig. 1 The schematic arrangement of laser and projection screen on the component
Fig. 2 Anzeige des Rauhigkeitszustandes während des Ätzvorganges auf der Projektionswand Fig. 2 display of the roughness state during the etching process on the projection screen
Fig. 3 Vergleich von Gefügebildern Fig. 3 Comparison of micrographs
Fig. 4 Anzeige des Rauhigkeitszustandes während des Poliervorganges. Fig. 4 display of the roughness state during the polishing process.
Auf dem Rohrbogen 1 soll vom Bereich 2 im Rahmen der zer störungsfreien Werkstoffprüfung ein Gefügeabdruck genommen werden (Fig. 1).On the pipe bend 1 , a structural impression is to be taken from area 2 in the course of the undisturbed material test ( FIG. 1).
Auf der Werkstoffoberfläche des Rohrbogens 1 wird mittels Halter 3 das Laserpointer 4 angeordnet. Dabei wird der La serpointer 4 in einem Winkel von 10° bis 30° zum Bereich 2 eingestellt. Gegenüber dem Laserpointer 4 ist die Projek tionswand 5 ebenfalls über Halter 6 auf dem Rohrbogen 1 rechtwinklig zum reflektierten Laserstrahl 7 des Laser pointers 4 angeordnet.The laser pointer 4 is arranged on the material surface of the pipe bend 1 by means of a holder 3 . The La serpointer 4 is set at an angle of 10 ° to 30 ° to area 2 . Opposite the laser pointer 4 is the projek tion wall 5 also via holder 6 on the bent pipe 1 at right angles to the reflected laser beam 7 of the laser pointer 4 is disposed.
Der Bereich 2 des Rohrbogens 1 ist poliert und der reflek tierte Laserstrahl 8 trifft auf die Projektionswand 5. Da bei wird ein kohärenter (ungestörter) Laserstrahl 7 als kreisförmiges Projektionsbild 9 auf die Projektionswand 5 projiziert (Fig. 2a), dessen Lichtanteile der bekannten Ko härenzbedingungen genügen. Danach wird der Ätzvorgang eingeleitet, indem ein Ätzmittel auf den nunmehr polierten Bereich 2 des, Rohrbogens 1 aufgetragen wird und eine bestimmte (endliche) Zeit einwirkt. Dabei wird der kohärente (ungestörte) Laserstrahl 7 an den Korngrenzen des nunmehr angeätzten Bereichs 2 gebrochen und ergibt als reflektierten Laserstrahl 8 das kreisringförmige Projektionsbild 10 auf der Projektionswand 5 mit noch kohärenten Lichtanteilen des Lasers (Fig. 2b).The area 2 of the pipe bend 1 is polished and the reflected laser beam 8 strikes the projection screen 5 . Since a coherent (undisturbed) laser beam 7 is projected onto the projection screen 5 as a circular projection image 9 ( FIG. 2a), the light components of which meet the known coherence conditions. The etching process is then initiated in that an etchant is applied to the now polished area 2 of the pipe bend 1 and acts for a specific (finite) time. The coherent (undisturbed) laser beam 7 is refracted at the grain boundaries of the now etched area 2 and, as the reflected laser beam 8, results in the annular projection image 10 on the projection wall 5 with the light components of the laser still coherent ( FIG. 2b).
Das Projektionsbild 10 zeigt eine auf die Gefügebewertung nicht ausreichend geätzte Werkstoffoberfläche 2, da erst die Korngrenzen angeätzt sind, wie das REM-Bild zeigt (Fig. 3a).The projection image 10 shows a material surface 2 which is not sufficiently etched on the microstructure evaluation, since only the grain boundaries are etched, as the SEM image shows ( FIG. 3a).
Die lichtmikroskopische Aufnahme gestattet diese Aussage nicht (Fig. 3b). Die mittlere Rauhigkeit Ra beträgt im dar gestellten Beispiel beim Werkstoff 12 Ch 1 MF 0,08 µm (Fig. 3c) und hat den Bereich 12 (Fig. 2c) noch nicht erreicht.The light microscope image does not allow this statement ( Fig. 3b). The average roughness Ra in the example shown is 12 Ch 1 MF 0.08 µm ( FIG. 3c) and has not yet reached the region 12 ( FIG. 2c).
Aus diesem Grund wird die Einwirkungszeit des Ätzmittels verlängert, und zwar solange, bis der reflektierte Laser strahl 8 auf der Projektionswand 5 das kreisringförmige Pro jektionsbild 11 ergibt, keine kohärente Lichtanteile mehr aufweist und somit den Bereich 12 (Fig. 2c) erreicht hat.For this reason, the exposure time of the etchant is extended until the reflected laser beam 8 on the projection wall 5 results in the annular projection image 11 , no longer has any coherent light components and thus has reached the region 12 ( FIG. 2c).
Das REM-Bild (Fig. 3d) zeigt deutlich unterschiedlich hohe Körner und Porenketten. Die lichtmikroskopische Aufnahme (Fig. 3e) zeigt nun ebenfalls Porenketten, die bei einer Un terätzung nicht erkannt werden können (Fig. 3b). Die mittle re Rauhigkeit Ra beträgt nun im dargestellten Beispiel beim Werkstoff 12 Ch 1 MF (Fig. 3f) ca. 0,3 µm. Erst bei Kornhö henunterschiede dieser Größenordnung (ca. 0,3 µm) verliert der Laserstrahl 7 vollständig seine kohärenten Lichtantei le, so daß auf der Projektionswand 5 ein erkenn-, ver gleich- und meßbares Bild im Bereich 12 gebildet wird (Fig. 2c). The SEM image ( Fig. 3d) shows grains and pore chains of different heights. The light microscope image ( FIG. 3e) now also shows pore chains that cannot be recognized when underestimated ( FIG. 3b). The average roughness Ra in the example shown for the material 12 Ch 1 MF ( FIG. 3f) is approximately 0.3 µm. Only with grain height differences of this order of magnitude (approx. 0.3 μm) does the laser beam 7 completely lose its coherent light components, so that a recognizable, comparable and measurable image is formed in the region 12 on the projection wall 5 ( FIG. 2c) .
Die sich anschließende Gefügeabdrucknahme ermöglicht eine gesicherte Beurteilung des zu bewertenden Bauteils auf Zeit standschädigungen gemäß VGB-Richtlinie VGB-TW 507. Diese Beurteilung ist nunmehr auch mit nur einer einmaligen Gefügeabdrucknahme erreichbar.The subsequent structural impression allows a reliable assessment of the component to be assessed over time Stand damage according to VGB guideline VGB-TW 507. This Assessment is now also possible with only one time Structure impression can be reached.
Das Verfahren und die Anordnung ist auch ohne weiteres im Laborbetrieb anwendbar.The process and the arrangement is also straightforward Laboratory operation applicable.
Für den praktischen Betrieb ist es günstig, wenn Laser und Projektionswand auf jeweils einen Halter oder auf eine gemeinsame Haltevorrichtung verstellbar und zusammenlegbar angeordnet sind, so daß eine gut handhabbare leichte Baugruppe geschaffen ist.For practical operation, it is beneficial if lasers and Projection screen on a holder or on one common holding device adjustable and collapsible are arranged so that a manageable lightweight Assembly is created.
Das Verfahren und die Anordnung ist ohne weiteres auch für den dem Ätzvorgang vorausgehenden mechanischen Schleif- und Poliervorgang anwendbar, indem der für die Abdrucknahme vor gesehene Bereich 2 auf dem Rohrbogen 1 solange geschliffen und poliert wird, bis die kohärenten Lichtanteile des La serstrahles 7 auf die Projektionswand 5 über die sich bil denden Projektionsbilder 13; 14; 15 maximal werden, d. h. der Kohärenzbedingung genügen (Fig. 4a bis 4c). D. h. bis auf der Projektionswand 5 das erkenn-, vergleich- und meß bare Bild 15 (Bild 9 - Fig. 2a) gebildet wird (Fig. 4c). Danach ist der bereits beschriebene Ätzvorgang auf den so polierten Bereich 2 einzuleiten.The method and the arrangement is also readily applicable to the mechanical grinding and polishing process preceding the etching process, by grinding and polishing the area 2 seen before taking the impression on the pipe bend 1 until the coherent light portions of the laser beam 7 onto the Projection screen 5 via the projection images 13 ; 14 ; 15 become maximum, ie meet the coherence condition ( Fig. 4a to 4c). That is, until the recognizable, comparable and measurable image 15 (image 9 - FIG. 2a) is formed on the projection wall 5 ( FIG. 4c). The etching process already described is then to be initiated on the region 2 polished in this way.
BezugszeichenlisteReference list
1 Rohrbogen
2 Bereich
3 Halter
4 Laserpointer
5 Projektionswand
6 Halter
7 Laserstrahl
8 Laserstrahl
9 Projektionsbild
10 Projektionsbild
11 Projektionsbild
12 Bereich
13 Projektionsbild
14 Projektionsbild
15 Projektionsbild. 1 elbow
2 area
3 holders
4 laser pointers
5 projection screen
6 holders
7 laser beam
8 laser beam
9 projection image
10 projection image
11 projection image
12 area
13 projection image
14 projection image
15 projection image.
Claims (6)
- a) Während des Ätzvorganges wird ein kohärenter Laserstrahl unter einen Winkel von 10° bis 30° auf den polierten Bereich der Werkstoffoberfläche des Bauteils gerichtet.
- b) Durch den von der polierten Werkstoffoberfläche reflek tierte Laserstrahl wird auf eine Projektionswand ein Pro jektionsbild mit Lichtanteilen projiziert, die der Kohä renzbedingung genügen.
- c) Der Ätzvorgang wird solange fortgesetzt, bis der Anteil des kohärenten Lichtes des Lasers im Projektionsbild minimal bis aufgehoben wird, d. h. der Kohärenzbedingung nicht mehr genügt.
- d) Danach wird ein einmaliger Gefügeabdruck zur gesicherten Gefügebewertung für die Lebensdauerbeurteilung des Bau teils genommen.
- a) During the etching process, a coherent laser beam is directed at an angle of 10 ° to 30 ° onto the polished area of the material surface of the component.
- b) The laser beam reflected from the polished surface of the material projects a projection image onto a projection screen with light components that satisfy the coherence condition.
- c) The etching process is continued until the proportion of the coherent light of the laser in the projection image is minimally to zero, ie the coherence condition is no longer sufficient.
- d) Then a unique structural impression is taken for the secured structural assessment for the life assessment of the part.
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|---|---|
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