DE60100410T2

DE60100410T2 - Methode zur Messung der Festigkeit einer geschweissten Anordnung sowie hierauf beruhende Geräte zur Messung der Geschwindigkeit von Ultraschall-Oberflächenwellen

Info

Publication number: DE60100410T2
Application number: DE60100410T
Authority: DE
Inventors: Jean-Yves Chatellier; Daniel Ramahefasolo
Original assignee: SNECMA Moteurs SA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2000-03-23
Filing date: 2001-03-22
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2021-03-23
Also published as: JP4160755B2; DE60100410D1; FR2806801B1; ES2195981T3; WO2001071339A1; US20020134157A1; CA2374218A1; EP1136821A1; EP1136821B1; US6681632B2; CA2374218C; RU2249815C2; FR2806801A1; UA72515C2; JP2003528316A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Festigkeit einer geschweißten Anordnung sowie ein Meßgerät, das an dieses Verfahren angepaßt und für die Geschwindigkeitsmessung von Ultraschall-Oberflächenwellen bestimmt ist.
Die Festigkeit eines mechanischen Werkstücks ist die Energie, die aufgewendet werden muß, um das Werkstück zu zerbrechen. Sie kann in speziellen Apparaturen, wie der Charpy-Fallapparatur, durch Versuche bestimmt werden, die an Probekörpern durchgeführt werden, die für die Anordnung repräsentativ sind und gewisse Normen berücksichtigen. Es ist offensichtlich, daß die Herstellung von Probekörpern und die Benutzung einer Apparatur lästig sind und daß andere, leichter anzuwendende Verfahren und insbesondere zerstörungsfreie Prüfungen vorteilhaft wären, die eine indirekte Bestimmung der Festigkeit ermöglichen.
Ein solches Verfahren zur indirekten Bestimmung der Festigkeit wurde konzipiert und bildet den Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Es beruht auf der Auswertung von Ultraschall-Oberflächenwellen und wird bei einer speziellen Gruppe von Werkstücken angewendet, nämlich die namentlich ohne Materialauftrag durch Diffusionschweißen hergestellten Verbindungen eines vergleichsweise dünnen Blechs und einem Substrat, das ein anderes Blech oder ein dickeres Teil sein kann.
Ultraschallprüfungen werden normalerweise durchgeführt, nachdem das zu analysierende Werkstück in eine Flüssigkeit eingetaucht wurde. Die Ultraschallwellen werden in der Flüssigkeit in Richtung auf das Werkstück ausgesendet und können von diesem reflektiert oder absorbiert werden, wenn sie es erreichen. Unter bestimmten günstigen Umständen können sie auch eine Umwandlung der Ausbreitungsmode erfahren und sich an der Oberfläche des Werkstücks ausbreiten, ohne über eine geringe Tiefe hinaus einzudringen, wobei Oberflächenwellen entstehen, die als Rayleigh-Wellen bezeichnet werden.
Ein Beispiel für den Einsatz von Ultraschallwellen für eine Schweißfunktionsprüfung mit Hilfe eines geneigten Sendekopfes und eines geneigten Empfangskopfes, dessen Neigung derjenigen des Sendekopfs entgegengesetzt ist, findet sich in US-A-5 920 014.
Bei diesem Verfahren wird im Verlauf des Schweißvorgangs der Zeitpunkt bestimmt, in dem die Schmelztemperatur erreicht wird, und das Volumen der Schweißverbindung wird als Funktion der Schweißdauer bestimmt.
Die Untersuchungen der Erfinder haben gezeigt, daß diese Oberflächenwellen mit der Schweißqualität der oben definierten Anordnungen korreliert sein könnten, und genauer, daß ein mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit dieser Wellen in den Verbindungen verknüpfter Parameter mit der Festigkeit der Anordnungen korreliert sein könnte, da die Schweißstelle in Abhängigkeit von ihrer Qualität die Ausbreitung der Wellen und diesen Parameter beeinträchtigt.
In ihrer allgemeinsten Form stellt die Erfindung ein Verfahren dar zum Bestimmen der Festigkeit einer durch Diffusionsschweißen hergestellten Schweißverbindung eines Substrats auf einem Blech und ist dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht, auf dem Substrat Ultraschall-Oberflächenwellen zu erzeugen, eine Geschwindigkeit der Wellen zu messen und dann daraus einen Geschwindigkeitsparameter abzuleiten und die Festigkeit der Verbindung nach einer zuvor an Probekörpern mit einer ähnlichen Schweißverbindung gewonnenen Korrelationsfunktion herzuleiten, die die Festigkeit der Probekörper mit dem Geschwindigkeitsparameter der Probekörper verknüpft.
Wegen der Anisotropie des Substrats werden auf der geschweißten Anordnung vorzugsweise zwei Wellengeschwindigkeiten in zwei Hauptrichtungen des Substrats gemessen. Die Erfinder sind der Meinung, daß der Geschwindigkeitsparameter vorzugsweise aus den niedrigsten der beiden Geschwindigkeiten hergeleitet werden sollte. Dieser Parameter kann die Differenz der Geschwindigkeiten der Ultraschallwellen sein, die auf dem Blech der geschweißten Anordnung bzw. auf einem aus dem Grundmaterial des Blechs hergestellten Referenzstück, das jedoch keine Schweißverbindung aufweist, oder auf dem gleichen Blech mit den beiden Frequenzen 1 MHz und 5 MHz gemessen werden. Es empfiehlt sich dann, die Geschwindigkeiten, auf denen die Rechnung beruht, unter den gleichen Bedingungen zu messen, d.h. daß sie die gleiche Meßrichtung auf dem Blech der geschweißten Anordnung und dem Blech des Referenzstücks betreffen.
Ein anderer Aspekt der Erfindung ist ein Meßgerät, das für dieses Verfahren geeignet ist. Es handelt sich um ein Gerät zum Messen der Geschwindigkeit von Ultraschall-Oberflächenwellen auf einem Werkstück mit einem Sendekopf zum Aussenden von Wellen, der unter einer Neigung auf das Werkstück gerichtet ist, und einem zweiten Kopf, der entweder einen Anteil der von dem Werkstück gestreuten Wellen aufnimmt oder diesen Anteil in einem Echo zu dem Sendekopf zurückschickt, wobei der zweite Kopf unter einer der Neigung des Sendekopfs entgegengesetzten Neigung auf das Werkstück gerichtet ist, wobei das Gerät dadurch gekennzeichnet ist, daß der zweite Kopf zwei aktive Flächen zum Empfangen oder zum Zurückschicken des genannten Wellenanteils aufweist, die in Stufen und in identischem Abstand zu dem Werkstück angeordnet sind.
Es weist vorteilhafterweise ein Gestell auf sowie Haltemechanismen zum Halten der Köpfe an dem Gestell, die so ausgebildet sind, daß sie ein Justieren der Neigungen der Köpfe ermöglichen. Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Gerät nach Anspruch 9, bei dem die aktiven Flächen zylindrisch sind und gleichen Radius haben, wobei der zweite Kopf orthogonal zur Oberfläche des Werkstücks angeordnet ist.
Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.
1 zeigt eine generelle Ansicht der benutzten Apparatur,
2 zeigt eine Darstellung von aufgenommenen Messwerten,
3 zeigt ein Referenzstück oder einen Probekörper,
4 zeigt ein konkretes Beispiel für eine gewonnene Korrelationsfunktion,
5 zeigt eine Verbesserung für die Apparatur.
Die verwendete Apparatur weist ein Gestellt 1 auf, das aus einer vertikalen Säule 2 zur Aufhängung in einem festen Punkt 3 und einer Gleitschiene 4 bestehen kann, die mit der Säule 2 über einen Schieber 5 verbunden ist, der mit einer Klemmschraube 6 an einer bestimmten Stelle der Säule 2 fixiert werden kann. Auf den entgegengesetzten Seiten der Gleitschiene 4 sind zwei Läufer 7 und 8 angeordnet, die durch Klemmschrauben 9 und 10 an ihrer Stelle gehalten werden können. Sie tragen jeweils einen Meßkopf 11 bzw. 12, deren wesentliches Element ein Ultraschallsensor 13 für den ersten bzw. ein Reflektor 14 für den zweiten ist. Die Köpfe 11 und 12 sind an den Läufern 7 und 8 mit horizontalen Drehgelenken 15 und 16 montiert, die parallel zueinander und senkrecht zur Richtung der Gleitschiene 4 angeordnet und mit Zahnsektoren 17 und 18 ausgestattet sind. Diese bilden Zahnstangen, die mit Schnecken 19 und 20 kämmen, die durch Einstellknöpfe 21 und 22 betätigt werden, welche an den Läufern 7 und 8 so angeordnet sind, daß die Köpfe 11 und 12 in beliebige, jedoch zueinander entgegengesetzte Neigungen gebracht werden können, so daß der Sensor 13 und der Reflektor 14 in abwärtsgerichtete und konvergente Richtungen orientiert sind. Wenn die gewünschte Neigung erreicht ist, können ungewollte Drehungen der Zahnsektoren 17 und 18 relativ zu den Läufern 7 und 8 mit Hilfe von weiteren Fixierschrauben 23 und 24 zum Blockieren der Köpfe 11 und 12 auf den Läufern 7 und 8 verhindert werden. Ein Stellrad 43, das unter dem Schieber 5 angeordnet ist, ermöglicht das Drehen der Gleitschiene 4 in einer horizontalen Ebene.
Bei der hier dargestellten Ausführungsform dient der Sensor 13 sowohl zum Senden von Ultraschallwellen als auch zum Empfangen der Echos, wie dies bei dieser Technik häufig der Fall ist, und der Reflektor 14 hat die Aufgabe, Echos zu erzeugen. Es wäre jedoch auch möglich, den Reflektor 14 in der weiter unten beschriebenen Weise durch ein Paar von Sensoren zu ersetzen, ohne daß dadurch das Meßprinzip geändert wird.
Die Apparatur ragt über eine teilweise mit Wasser gefüllte Meßwanne 25, so daß der Sensor 13 und der Reflektor 14 teilweise eingetaucht sind und die benutzten Ultraschallwellen nicht aus der Flüssigkeit heraustreten. Das Untersuchungsobjekt der Apparatur ist eine geschweißte Anordnung 26, bestehend aus einem vergleichsweise dünnen Blech 28 und einem Substrat 27, das ein anderes Blech oder ein dickeres Teil sein kann, das darüber gegenüber dem Sensor 13 und dem Reflektor 14 angeordnet ist. Die geschweißte Anordnung 26 ist auf Blöcke 29 aufgelegt, die auf dem Boden der Wanne 25 angeordnet sind.
Der Sensor 13 ist über ein Oszilloskop 31 zur Anzeige der Resultate und einen Impulsgenerator 32 mit einem Steuergerät 30 verbunden. Der Sensor 13 sendet eine Ultraschallwelle schräg in das Wasser, bis diese das Substrat 27 erreicht. Wenn die Neigung θ des Kopfes 11 und der Wellenrichtung passend gewählt ist (etwa 30°), wird die Welle auf der Oberseite des Substrats 27 in Form einer Rayleigh-Oberflächenwelle und mit geringer Eindringtiefe übertragen, wobei sie jedoch die Schweißstelle zwischen dem Substrat 27 und dem Blech 28 erreicht. Die Welle verläuft in Richtung auf den Rand des Substrats 27, ein Teil streut jedoch nach oben mit einer dem oben angegebenen Wert θ entsprechenden Neigung und symmetrisch zur Einfallsrichtung der Wellen relativ zur Vertikalen.
Der Reflektor 14 besteht aus zwei Prismen 33 und 34, die mit ihren dem Substrat 27 zugewandten Unterseiten 35 und 36 die Ultraschallwellen reflektieren. Wenn diese Flächen senkrecht zu der nach oben verlaufenden Ausbreitungsrichtung der Oberflächenwellen ausgerichtet sind, wird der gestreute Wellenanteil von den Prismen 33 und 34 als Echo in Richtung auf das Substrat 27 zurückgeschickt und bildet dann eine rückkehrende Rayleigh-Oberflächenwelle, von der ein Teil nach dem gleichen Prinzip in Richtung auf den Sensor 13 gestreut wird. Der Bahnverlauf der Wellen ist für den Hinweg und den Rückweg absolut identisch. Somit registriert der Sensor 13 zwei Echos, die Reflektionen der Wellen an den reflektierenden Flächen 35 und 36 entsprechen, und der zeitliche Abstand t dieser Echos ist die Zeit, die die Welle benötigt, um zweimal den Abstand X (Hinweg und Rückweg) zu durchlaufen, der die Orte des Substrats 27 von einander trennt, von wo aus Wellenanteile zu den Flächen 35 und 36 gestreut werden.
Die beiden Echos sind auf der von dem Oszilloskop 31 gelieferten und in 2 gezeigten Darstellung mit 37 und 38 bezeichnet. Sie lassen sich leicht identifizieren, da sie einander ähnlich sind. Weitere Echos, wie das Echo 39, das durch Reflektion der Welle an dem Rand 40 des Substrats 27 erzeugt wird und das wegen der größeren Wellengeschwindigkeit in den festen Stoffen früher als die oben genannten zurückkehren kann, können ebenfalls beobachtet werden, sind jedoch für das Verfahren ohne Nutzen.
Es werden Vorversuche zur Einstellung unternommen, bei denen die Neigungen der Köpfe 11 und 12 so justiert werden, daß die Echos 37 und 38 die größten werden, indem man die vollständigsten Modeumwandlungen anregt, bevor man in der oben beschriebenen Weise zu den Versuchen übergeht, um die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Oberflächenwellen in dem Substrat 27 nach der Formel V = 2X/t zu berechnen. Die Durchlaufzeit der Wellen in der Flüssigkeit wird nicht berücksichtigt, weil die reflektierenden Flächen 35 und 36 so abgestuft sind, daß sie bei der Neigung θ etwa gleichen Abstand von dem Substrat 27 haben.
In der Praxis kann man die Versuche mit komplexeren Probekörpern vornehmen, wie dem in 3 dargestellten Probekörper 41. Er setzt sich zusammen aus einem Substrat 27', das dem Substrat 27 gleicht (d.h. die gleiche Dicke und die gleiche Zusammensetzung hat und in der gleichen Weise hergestellt ist), ferner einem Blech 28', das in seiner Zusammensetzung dem Blech 28 gleicht, und einer unteren Schicht 42, die aus dem Grundmaterial des Substrats 27 (oder 27') gebildet ist, d.h. daß sie die gleiche Zusammensetzung hat und in der gleichen Weise hergestellt wurde, jedoch sehr viel dicker ist. Sie ist auf die dem Substrat 27' abgewandte Seite des Blechs 28' aufgeschweißt.
Die Probekörper 41, die anstelle der geschweißten Anordnung 26 unter die Apparatur gelegt werden, ermöglichen es, sukzessiv die Geschwindigkeiten Vl und Vt der Ultraschall-Oberflächenwellen in den beiden longitudinalen und transversalen Hauptrichtungen des Substrats 27' und dann die entsprechenden Geschwindigkeiten Vl0 und Vt0 der unteren Schicht 42 zu messen, nachdem der Probekörper 41 umgedreht wurde. Die Hauptrichtungen werden durch die Laminierungsrichtung des Substrats 27' bestimmt. Die Laminierung erzeugt nämlich eine Anisotropie in den Blechen und damit merkliche Differenzen zwischen Vl und Vt bzw. Vl0 und Vt0. Die Werte Vl und Vt werden durch die Schweißstelle zwischen 27' und 28' beeinflußt, während die Werte Vl0 und Vt0 die typischen Eigenschaften des Grundmaterials der unteren Schicht 42 ausdrücken, deren Dicke so groß ist, daß die Wellen nicht bis zu der Schweißstelle mit dem Blech 28' durchdringen können. Man erhält ein identisches Resultat, wenn man aufeinanderfolgend die Messung der Geschwindigkeiten Vl und Vt der Ultraschall-Oberflächenwellen in den beiden longitudinalen und transversalen Hauptrichtungen des Substrats 27' mit einer höheren Frequenz (5 MHz) durchführt. Bei dieser Frequenz von 5 MHz findet man mit Vl0 und Vt0 identische Geschwindigkeitswerte, die die typischen Eigenschaften des Materials ausdrücken. Es ist noch hinzuzufügen, daß man zu diesen Messungen auch kommen kann, ohne das Blech 28' auf die untere Schicht 42 zu schweißen, man würde dann zusätzlich zu den geschweißten Anordnungen 26 die untere Schicht 42 getrennt verwenden, um Vl0 und Vt0 zu berechnen.
Man wählt dann für jeden Probekörper 41 die jeweils kleinere der Geschwindigkeiten Vl und Vt und die kleinere der Geschwindigkeiten Vl0 und Vt0 und subtrahiert diese kleineren Werte voneinander, um einen Parameter ΔV zu gewinnen, der mit der Festigkeit der Schweißverbindung zwischen dem Substrat 27' und dem Blech 28' sehr gut korreliert ist. Diese Festigkeit wird durch einen mechanischen Versuch gemessen, der mit der Charpy-Fallapparatur oder mit einer anderen geeigneten Apparatur durchgeführt wird. Diese Versuche sind normiert und werden in herkömmlicher Weise durchgeführt, so daß sich eine ausführliche Beschreibung erübrigt. Die für diese Messung benutzten mechanischen Probekörper müssen den geschweißten Anordnungen 26 ähnlich sein, für die man Vl und Vt gemessen hat, d.h., daß das Substrat, das Blech und ihre Schweißbedingungen die gleichen sein müssen.
4 zeigt eine lineare Korrelation, die zwischen der oben definierten Differenz der langsamen Geschwindigkeiten ΔV (in m/s) und der Festigkeit R (in J/cm²) für die geschweißten Verbindungen von Blechen aus Titanlegierung ermittelt wurde.
Wenn die Korrelationsfunktion mit Hilfe der Eichungen gewonnen wurde, die unter verschiedenen Schweißbedingungen mit Probekörpern 41 oder 26 durchgeführt wurden, um mehrere Punkte dieser Funktion zu gewinnen, sind zerstörungsfreie Prüfungen an anderen Probekörpern möglich, für die man ΔV mißt. Die Festigkeit R wird dann auf der Korrelationsgraphik abgelesen.
Zuletzt werde anhand von 5 noch eine Weiterbildung für die Apparatur beschrieben. Es handelt sich um eine verbesserte Konzeption für den für die Reflektion zuständigen zweiten Kopf 12, bei dem die Prismen 33 und 34 durch Prismen 33' und 34' ersetzt sind, deren reflektierende Flächen 35' und 36' nicht eben sondern zylindrisch sind und die zu dem Drehgelenk 16 parallele Achsen und gleiche Radien haben. Die Wellen, die sich zwischen dem Substrat 27 und diesen reflektierenden Flächen 35' und 36' ausbreiten, werden immer in der gleichen Richtung mit der Neigung θ zurückgeschickt, so daß bei diesem modifizierten Reflektor die Neigung nicht reguliert werden muß.
Das Verfahren macht es möglich, Messungen an mehreren Stellen der geschweißten Anordnung durchzuführen und damit deren gleichmäßige Beschaffenheit abzuschätzen.

Claims

Verfahren zum Bestimmen der Festigkeit einer durch Diffusionsschweißen hergestellten Schweißverbindung (26) eines Substrats (27) auf einem Blech (28), wobei das Verfahren darin besteht, auf dem Substrat (27) Ultraschall-Oberflächenwellen zu erzeugen, eine Geschwindigkeit der Wellen zu messen und dann daraus einen Geschwindigkeitsparameter (ΔV) abzuleiten und die Festigkeit der Verbindung nach einer zuvor an Probekörpern mit einer ähnlichen Schweißverbindung gewonnenen Korrelationsfunktion herzuleiten, die die Festigkeit der Probekörper mit dem Geschwindigkeitsparameter der Probekörper verknüpft.
Verfahren zum Bestimmen der Festigkeit einer Schweißverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht, daß zwei Geschwindigkeiten (Vl, Vt) der Wellen auf der Schweißverbindung (26) in zwei Hauptrichtungen des Substrats (27) gemessen werden.
Verfahren zum Bestimmen der Festigkeit einer Schweißverbindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Geschwindigkeitsparameter aus der niedrigsten der beiden Geschwindigkeiten hergeleitet wird.
Verfahren zum Bestimmen der Festigkeit einer Schweißverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Geschwindigkeitsparameter eine Differenz der Geschwindigkeiten der Ultraschall-Oberflächenwellen auf dem Blech der Schweißverbindung und auf einem aus dem Grundmaterial des Blechs hergestellten Werkstücks (42) oder auf dem gleichen Blech mit den beiden Frequenzen 1 MHz und 5 MHz ist.
Verfahren zum Bestimmen der Festigkeit einer Schweißverbindung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß Differenz der Geschwindigkeiten für diejenige der beiden Geschwindigkeiten, die auf der Schweißverbindung die niedrigste ist, und für diejenige der beiden Geschwindigkeiten, die in zwei Hauptrichtungen des aus dem Grundmaterial des Blechs hergestellten Teils, die die niedrigste ist, berechnet wird.
Gerät zum Messen der Geschwindigkeit von Ultraschall-Oberflächenwellen auf einem Werkstück mit einem Sendekopf (11) zum Aussenden von Wellen, der unter einer Neigung auf das Werkstück gerichtet ist, und einem zweiten Kopf (12), der entweder einen Anteil der von dem Werkstück gestreuten Wellen aufnimmt oder diesen Anteil in einem Echo zu dem Sendekopf zurückschickt, wobei der zweite Kopf unter einer der Neigung des Sendekopfes entgegengesetzten Neigung auf das Werkstück gerichtet ist und zwei aktive Flächen (35, 36) zum Empfangen oder zum Zurückschicken des genannten Anteils der Wellen aufweist, die in Stufen und in identischem Abstand zu dem Werkstück angeordnet sind.
Gerät zum Messen der Geschwindigkeit von Ultraschall-Oberflächenwellen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Gestell aufweist sowie Haltemechanismen (4, 17, 18, 19, 20 ,21, 22) zum Halten der Köpfe an dem Gestell, die so ausgebildet sind, daß sie ein Justieren der Neigungen der Köpfe ermöglichen.
Gerät zum Messen der Geschwindigkeit von Ultraschall-Oberflächenwellen nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Köpfe (11, 12) an einem in einer horizontalen Ebene verschwenkbaren Halter (4, 5, 43) montiert sind.
Gerät zum Messen der Geschwindigkeit von Ultraschall-Oberflächenwellen auf einem Werkstück mit einem Sendekopf zum Aussenden von Wellen, der unter einer Neigung auf das Werkstück gerichtet ist, und einem zweiten Kopf (12'), der entweder einen Anteil der von dem Werkstück gestreuten Wellen aufnimmt oder diesen Anteil in einem Echo zu dem Sendekopf zurückschickt, wobei der zweite Kopf (12') orthogonal zur Oberfläche des Werkstücks (7) angeordnet ist und zwei aktive Flächen (35', 36') zum Empfangen oder zum Zurückschicken des genannten Anteils der Wellen aufweist, die zylindrisch sind, parallele Achsen und gleichen Radius haben.