DE4244004A1 - Verfahren zum Messen der Eigenspannungen in einem Bauteil und Einrichtung zum Einbringen einer Vertiefung dafür - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen der Eigenspannungen in einem Bauteil, wobei zunächst zu­ mindest ein Dehnungsmeßstreifen an der Oberfläche des Bau­ teils angebracht wird, dann ein Loch oder eine Ringnut in die Oberfläche des Bauteils eingebracht wird, und wobei im Bereich dieses Loches bzw. dieser Ringnut mit dem Dehnungs­ meßstreifen Dehnungen ermittelt werden. Sie bezieht sich weiter auf eine Einrichtung zum Einbringen eines Loches oder einer Ringnut in ein Bauteil, wobei das Loch bzw. die Ringnut so bemessen ist, daß durch Anbringen mindestens eines Dehnungsmeßstreifens an der Oberfläche im Bereich dieses Loches bzw. dieser Ringnut Dehnungen im Bauteil er­ mittelbar sind.

In immer größerem Umfang wird die Kenntnis des Eigenspan­ nungszustandes in Sicherheitsbauteilen nach Bearbeitungs-, Wärmebehandlungs- und Beschichtungsverfahren wichtig. Bei­ spiele für solche Bauteile oder Prüfobjekte sind Wellen, Panzerungen, Oberflächen-Beschichtungen, Schweißverbin­ dungen und Schweißnähte. Von Bedeutung ist die Kenntnis des Eigenspannungszustandes auch für die Schadensanalyse, beispielsweise wenn sich in einem Bauteil ein Riß gebil­ det hat. Es bieten sich eine Reihe von Prüfverfahren an, mit denen der Eigenspannungszustand an der Oberfläche und im Werkstoffinneren ermittelt werden kann.

Bisher wird zur Messung von Eigenspannungen an der Ober­ fläche häufig die röntgenographische Eigenspannungsmes­ sung eingesetzt. Ihr apparativer Aufwand ist jedoch groß, und es stehen fast ausschließlich stationäre Einrichtun­ gen zur Verfügung. Häufig ist es erwünscht, eine mobile Einrichtung zur Verfügung zu haben, weil das Prüfobjekt nicht oder nur schwer und mit großem Aufwand beweglich ist.

Im oberflächennahen Bereich, und zwar bis in eine Tiefe von ca. 20 mm, wird das Ring-Kern-Verfahren und bis zu einer Tiefe von ca. 2 mm wird das Bohrloch-Verfahren ein­ gesetzt. Die Ringnut wird dabei mit einem Ringfräser in die Oberfläche gefräst, und das Bohrloch wird dabei mit einem schnell rotierenden Bohrer in die Oberfläche hinein­ gebohrt.

Das Ring-Nut- oder Ring-Kern-Verfahren und das Bohrloch- Verfahren sind von der eingangs genannten Art. Sie sind beispielsweise in einem Vortrag von G. König und S. Dember ("Optimierung der Meßmethodik und -verfahren zur Messung von Eigenspannungen in ebenen Bauteilen mit und ohne Plat­ tierung"), 13. GESA-Symposium, 10. bis 11. Mai 1990, Bremen (Deutschland), einander gegenübergestellt worden. In der Meßanordnung nach dem Ring-Kern-Verfahren befindet sich auf der Oberfläche im Zentralbereich der Ringnut eine An­ ordnung von drei Dehnungsmeßstreifen in Form einer Rosette, und zwar bei 0°, 45° und 90°. Bei der Meßanordnung nach dem Bohrloch-Verfahren dagegen sind drei Dehnungsmeßstrei­ fen um das Bohrloch herum angeordnet, und zwar bei 0°, 90° und 135°. Einzelheiten zum Ring-Kern-Verfahren und zur Er­ mittlung der Eigenspannung aus den gemessenen Dehnungen ergeben sich auch aus dem Aufsatz "Das Ring-Kern-Verfahren zur Messung von Eigenspannungen und seine Anwendung bei Turbinen und Generatorwellen", Archiv für das Eisenhütten­ wesen, 42. Jahrgang, Heft 3, März 1971, Seiten 195 bis 200, und aus dem Aufsatz "Mehr Sicherheit mit neuen Prüf­ verfahren", Technische Rundschau 33/89, Seiten 20 bis 23.

Die Vorgehensweise soll kurz beispielhaft am Bohrloch-Ver­ fahren verdeutlicht werden. Auf einem Bauteil, zum Beispiel auf einer Turbinenschaufel, sind die besagten Dehnungsmeß­ streifen angeordnet, insbesondere aufgeklebt. Das Bauteil steht unter mechanischer Spannung. Zum Testen des Bauteils auf Zuverlässigkeit wird zentral zwischen den Dehnungsmeß­ streifen ein kleines Loch gebohrt. Dadurch gibt es Span­ nungsentlastungen, die von den Dehnungsmeßstreifen erfaßt werden. Ihr Signal gibt einen Hinweis auf den Zustand des Bauteils. Auch hier wird das kleine Loch, das nach der Untersuchung verschliffen werden kann, mit einem schnell drehenden Bohrer erzeugt. Dabei sind Erschütterungen nicht auszuschließen; das kann wiederum zu nicht ganz gleich­ mäßigen Materialabtragungen führen. Der Tiefenvorschub ist relativ grob.

Wesentlicher Nachteil der beiden Verfahren, die sich des Bohrens und Fräsens bedienen, ist der eingeschränkte Ein­ satzbereich. Sonderwerkstoffe, inklusive Beschichtungen, können aufgrund ihrer großen Härte mechanisch nur schwer bearbeitbar sein. Zusätzlich werden bei der mechanischen Bearbeitung zum Teil erhebliche Eigenspannungen in das Bau­ teil eingebracht.

Ein weiterer Nachteil beim Ring-Kern-Verfahren mit Fräsen der Ringnut ist darin zu sehen, daß während des Ausarbei­ tens der Ringnut die dünnen Anschlußdrähte für die Deh­ nungsmeßstreifen-Rosette durch die Hohlwelle des Fräskopfes geführt sind. Beim Fräsen sind daher die Anschlußdrähte me­ chanisch beansprucht; sie können abreißen. Außerdem können die beim Ausarbeiten erzeugten Späne die empfindlichen Drahtverbindungen zur Rosette zerstören. Ziel muß es sein, diese Nachteile zu beseitigen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das einen feineren Tiefenvor­ schub, das heißt ein kleineres Raster, und damit eine empfindlichere Messung ermöglicht. Weiterhin soll eine Einrichtung der eingangs genannten Art angegeben werden, bei der das Einbringen von erheblichen Eingangsspannungen während des Herausarbeitens der Vertiefung (Loch, Ringnut) weitgehend vermieden ist.

Bezüglich des Verfahrens wird die genannte Aufgabe erfin­ dungsgemäß dadurch gelöst, daß das Loch oder die Ringnut durch Erodieren in die Oberfläche des Bauteils eingebracht wird.

Steht hierfür ein kleines und handliches Erodiergerät zur Verfügung, so kann die Bearbeitung des Loches bzw. der Ringnut in Tiefen-Schritten von etwa 5 bis 10 µm erfolgen. Steht indessen ein Werkstatt-Erodiergerät zur Verfügung, so kann sogar in Tiefen-Schritten von etwa 1 µm gearbeitet werden.

Dabei ist festzuhalten, daß beim mechanischen Bohren und Fräsen ein Tiefenvorschub von 0,1 mm in vier Stufen nicht möglich ist. Durch das Erodieren sind diese Werte aber er­ reichbar, was zu einem vergleichsweise hohen Meßempfind­ lichkeit führt. Das Erodieren ist vibrationsfrei, was eben­ falls dazu beiträgt.

Auch ist anzumerken, daß oberflächennahe Messungen möglich sind. Messungen mit einer Ringnut haben ergeben, daß durch­ aus im Bereich von 25 µ sehr gute Ergebnisse erzielt werden können. Auf diese Weise kann das Verhalten dünner Schich­ ten an einem Substrat untersucht werden.

Die Gefahr des Abreißens der Anschlußdrähte oder Rosette ist beim Erodieren gegenüber dem mechanischen Verfahren deutlich reduziert. Es fallen keine Späne an, und die Dräh­ te können sich nicht an drehenden Teilen reiben.

Beim Erodieren wird - wie konventionell auch - mit einem Dielektrikum gearbeitet, das gleichzeitig auch als Kühl­ mittel wirkt. Während man nach dem Fräsen oder Bohren in der Regel etwa 10 Minuten zum Temperaturausgleich warten muß, bis man weiterarbeiten kann, ergibt sich vorliegend eine rasche Abkühlung. Dadurch ist eine schnellere Bear­ beitung möglich, was sich bei einer Vielzahl von Probemes­ sungen auszahlt. Außerdem ist eine Verfälschung der Meß­ werte durch Aufheizen des Bauteils - im Gegensatz zum Bohren oder Fräsen - nicht zu befürchten.

Das Erodierverfahren ermöglicht die Eigenspannungsmessung grundsätzlich an allen Bauteilen, die elektrisch leitend sind, zum Beispiel auch an SiC-Keramik oder an Stelliten.

Das Erodieren läßt sich für das Ausarbeiten von Löchern bis zu einer Tiefe von etwa 2 mm und von Ringnuten bis zu einer Tiefe von etwa 20 mm mit besonderem Vorteil einset­ zen.

Die genannte Aufgabe wird bei der eingangs genannten Ein­ richtung erfindungsgemäß gelöst durch eine Erodierelek­ trode und durch Mittel, um die Erodierelektrode nach dem Erodierverfahren in die Oberfläche des Bauteils einzusen­ ken. Bevorzugt ist die Erodierelektrode dabei eine Röhr­ chenelektrode (für Ringnuten) oder eine Stiftelektrode (für Löcher).

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gegeben, daß die Erodierelektrode an einem Halter befestigt ist, und daß die Erodierelektrode und der Halter in einem vorgegebenen Winkel zueinander angeordnet sind. Diese Aus­ führungsform eignet sich zum Versehen von Innenbereichen oder sonst unzugänglichen Stellen mit Löchern und/oder Ringnuten zum Zwecke der Eigenspannungsmessung. Auf diese Weise können nun auch Rohre und Krümmer innen untersucht werden.

Die Dehnungsmeßstreifen können in der bekannten Form einer Rosette angeordnet sein. Auf diese Weise kann auf die be­ kannten Auswertesysteme für die Meßwerte zurückgegriffen werden.

Die Einrichtung zum Erodieren der Löcher und/oder Ringnu­ ten kann stationär, aber auch mobil aufgebaut sein.

Der Einsatz einer mobilen oder stationären Erodiereinrich­ tung bei der Messung von Eigenspannungen mit dem Bohrloch- oder Ring-Kern-Verfahren hat gegenüber einer mechanischen Abtrageinrichtung eine ganze Anzahl von Vorteilen. Eine solche Erodiereinrichtung ist relativ preiswert käuflich als Standardgerät, allerdings für andere Zwecke, zu erwer­ ben.

Zusammenfassend läßt sich feststellen:
Die Verwendung einer stationären oder tragbaren, handels­ üblichen Erodiereinrichtung mit kleinen Modifikationen er­ laubt die exakte Bearbeitung der Ringnut oder des Bohrlo­ ches in 10 µm- oder kleineren Tiefen-Schritten, was zu we­ sentlich genaueren Meßergebnissen gegenüber der mechani­ schen Bearbeitung führt. Eine quantitative Bestimmung von Eigenspannungen im oberflächennahen Bereich ist ab etwa 25 µm möglich. Das Verfahren ist bei Messungen im ober­ flächennahen Bereich als quasi zerstörungsfrei anzusehen. Bei vielen Anwendungen ist es möglich, die aufwendige, röntgenographische Eigenspannungsmessung durch dieses Ver­ fahren zu ersetzen.

Für das Erodieren kann sowohl eine stationäre als auch eine transportable Einrichtung eingesetzt werden. Die transportable Erodiereinrichtung ermöglicht Baustellen­ einsätze mit geringem apparativen Aufwand; sie kann von einem Meßtechniker installiert sowie bedient werden.

Gegenüber dem mechanischen Bearbeiten bietet das Erodier­ verfahren eine höhere Genauigkeit und bessere Einstellbar­ keit der Bearbeitungsschritte. Die einfachere Handhabbar­ keit - vor allem auf Baustellen - war ein wesentlicher Aspekt für die Wahl des vorliegenden Bearbeitungsverfah­ rens.

Claims (10)

1. Verfahren zum Messen der Eigenspannungen in einem Bau­ teil, wobei zunächst zumindest ein Dehnungsmeßstreifen an der Oberfläche des Bauteils angebracht wird, dann ein Loch oder eine Ringnut in die Oberfläche des Bauteils einge­ bracht wird, und wobei im Bereich dieses Loches bzw. die­ ser Ringnut mit dem Dehnungsmeßstreifen Dehnungen ermit­ telt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Loch oder die Ringnut durch Erodieren in die Ober­ fläche des Bauteils eingebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Bearbeitung des Loches bzw. der Ringnut in Tiefen-Schritten von etwa 5 bis 10 µm erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Loch auf eine Tiefe etwa bis 2 mm erodiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringnut auf eine Tiefe etwa bis 20 mm erodiert wird.

5. Einrichtung zum Einbringen eines Loches oder einer Ringnut in ein Bauteil, wobei das Loch bzw. die Ringnut so bemessen ist, daß durch Anbringen mindestens eines Deh­ nungsmeßstreifens an der Oberfläche im Bereich dieses Lo­ ches bzw. dieser Ringnut Dehnungen im Bauteil ermittelbar sind, gekennzeichnet durch eine Erodier­ elektrode und durch Mittel, um die Erodierelektrode nach dem Erodierverfahren in die Oberfläche des Bauteils einzu­ senken.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Erodierelektrode eine Röhrchenelektrode oder eine Stiftelektrode ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erodierelektrode an einem Halter befestigt ist, und daß die Erodierelek­ trode und der Halter in einem vorgegebenen Winkel zueinan­ der angeordnet sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der vorgegebene Winkel etwa 90° beträgt.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ring­ nut so bemessen ist, daß durch Anbringen von drei Deh­ nungsmeßstreifen in Form einer Rosette auf dem Zentralbe­ reich der Ringnut die Dehnungen ermittelbar sind.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß sie mobil ausgeführt ist.