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Die
Erfindung betrifft Qualitätssicherungsverfahren,
die zur Qualitätssicherung
von Laserschockverfestigung (Laserschockhämmern) und insbesondere für Ultraschallprüfverfahren
und statistisch Analysen von mit Laserschock verfestigten Oberflächen zur
Qualitätssicherung
eines Laserschockverfestigung verwendenden Produktionsverfahrens
verwendet werden.
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Die
auch als Laserschockverfahren bezeichnete Laserschockverfestigung
ist ein Verfahren, das dazu dient, einen Bereich von tiefen Druckeigenspannungen
zu erzeugen, die vermittelt werden, indem eine Oberfläche eines
Werkstück
mit Laserschockverfestigung behandelt wird. Laserschockverfestigung
nutzt gewöhnlich
mehrere von mit Hochleistung gepulsten Lasern ausgehende Laserpulse,
um ähnlich
wie in den Verfahren, wie sie in der US-Patentschrift 3 850 698
mit dem Titel "Altering
Material Properties",
der US-Patentschrift 4 401 477 mit dem Titel "Laser Shock Processing"; und der US-Patentschrift 5 131
957 mit dem Titel "Material Properties" offenbart sind,
auf der Oberfläche
eines Werkstücks
Stoßwellen
hervorzubringen. Laserschockverfestigung bedeutet im herkömmlichen
und hier verwendeten Sinne ein Verwenden eines von einer Laserstrahlquelle
abgegebenen Laserstrahls, um auf einem Abschnitt einer Oberfläche eine örtlich begrenzte
starke Druckkraft auszuüben,
indem durch plötzliches
Abtragen oder Verdampfen einer lackierten oder beschichteten oder
einer unbeschichteten Oberfläche
eine explosive Kraft erzeugt wird. Laserschockverfestigung wurde dazu
genutzt, um an der Außenfläche eines
Werkstücks
eine unter Verwendung von Druck vor gespannte Schutzschicht zu erzeugen, über die
bekannt ist, dass diese die Beständigkeit
des Werkstücks
gegen einen Ausfall durch Ermüdung
beträchtlich
steigert, wie in der US-Patentschrift
4 937 421 mit dem Titel "Laser
Peening System and Method" offenbart
ist. Diese Verfahren nutzen gewöhnlich
einen über
das Werkstück
strömenden
Vorhang aus Wasser oder ein sonstiges Verfahren, um ein Begrenzungsmedium
vorzusehen, um die durch das Verfahren erzeugten Stoßwellen
zu begrenzen und in die Hauptmasse des Materials einer mit Laserschock
zu behandelnden Komponente zu reflektieren, um die vorteilhaften
Druckeigenspannungen zu erzeugen.
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Zur
Zeit wird die Laserschockverfestigung für viele das Gebiet der Gasturbinen
betreffende Anwendungen weiterentwickelt, von denen einige in den
folgenden US-Patenten offenbart sind: 5 756 965 mit dem Titel "ON THE FLY LASER
SHOCK PEENING";
5 591 009 mit dem Titel "Laser
shock peened gas turbine engine fan blade edges"; 5 569 018 mit dem Titel "Technique to prevent
or divert cracks";
5 531 570 mit dem Titel "Distortion
control for laser shock peened gas turbine engine compressor blade
edges"; 5 492 447
mit dem Titel "Laser
shock peened rotor components for turbomachinery"; 5 674 329 mit dem Titel "Adhesive tape covered
laser shock peening";
und 5 674 328 mit dem Titel "Dry
tape covered laser shock peening",
die sämtliche dem
Inhaber der vorliegenden Erfindung gehören. Diese Anwendungen verlangen,
wie auch andere, eine effiziente Qualitätssicherungsüberprüfung während der
Produktionsabläufe,
die Laserschockverfestigung nutzen.
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LSP
(Laser Shock Peening = Laserschockverfestigung) bezeichnet eine
Tiefenbehandlung des Materials und es ist erwünscht, über einen Qualitätssicherungstest
zu verfügen,
der eine volumetrische Wirkung des LSP kennzeichnet. Es besteht
außerdem
ein Bedarf nach einem Qualitätssicherungsverfahren,
das mit einem doppelseitigen oder einem simultanen doppelseitigen
LSP-Verfahren kompatibel ist, bei dem im Wesentlichen übereinstimmende
Druckeigenspannungen auf beide Seiten eines Werkstücks, beispielsweise
entlang der Anströmkante
einer Rotorschaufel einer Gasturbine, ausgeübt werden.
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Eine
der bisher verwendeten Qualitätssicherungstechniken
für Laserschockverfestigung
ist der Hochleistungsermüdungs-(HCF)-Test von Schaufeln
dar, die mit laserschockbehandelte Anströmkanten aufweisen und in dem
laserschockbehandelten Bereich vor dem Testen gekerbt werden. Dieses
Verfahren führt
zur Zerstörung
des Prüfstücks, erfordert
für die
Ausführung
einen verhältnismäßig großen Kosten-
und Zeitaufwand und verzögert
die Herstellung und den Vorgang der Qualitätssicherung von laserschockbehandelten
Komponenten erheblich. Ein verbessertes Qualitätssicherungsverfahren zum Messen
und Steuern des LSP-Verfahrens, das eine zerstörungsfreie Prüfung (NDE
= Non-Destructive Evaluation) ermöglicht, kostengünstig ist
und sich präzise
und rasch durchführen
lässt,
ist sehr erwünscht.
Es besteht außerdem
ein Bedarf nach einem NDE-Qualitätssicherungsverfahren,
das verhältnismäßig kostengünstig und
ausreichend wirtschaftlich ist, um eine Anwendung auf sämtliche
Werkstücke
und nicht nur auf Stichproben zu ermöglichen. Wie jede Herstellungstechnik
ist LSP ein Verfahren, das Werkzeugmaschinen verwendet und zeitaufwendig
und kostspielig ist. Folglich ist jedes Verfahren willkommen, das
in der Lage ist, den Aufwand an Produktionsmaschinenanlagen oder
deren Komplexität
und/oder die Herstellungszeit zu reduzieren.
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Interferometrische
Profilometrieverfahren und diesbezügliche Vorrichtungen zum Gewinnen
volumetrischer Daten eines einzelnen mit Laserschock verfestigten
Testkraters, der mit einem einzelnen in dem Laserschockverfestigungsverfahren
verwendeten Laserpuls erzeugt wird, ist in der US-Patentschrift
5 948 293 "Laser
shock peening quality assurance by volumetric analysis of laser
shock peened dimple" offenbart.
Andere Qualitätssicherungsverfahren
sind in der US-Patentschrift 5 987 991 "Determination of Rayleigh wave critical angle"; der US-Patentschrift
5 974 889 "Ultrasonic
multitransducer rotatable scanning apparatus and method of use thereof"; und der US-Patentschrift
5 951 790 "Method
of monitoring and controlling laser shock peening using an in plane
deflection test coupon" offenbart.
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Das
US-Patent 5 974 889 offenbart ein Verfahren zum zerstörungsfreien
Testen von Material mittels Ultraschallwellen und insbesondere eine
Vorrichtung mit mehreren Paaren von um einen Winkel von 180 Grad voneinander
beabstandeten Pitch-and-Catch-Transducern,
mit dem Ziel, eine Qualitätskontrolle
für ein
Laserschockverfestigungsverfahren zu erhalten. Jedes Paar Transducer
weist zwischen diesen einen anderen zentralen Winkel auf und die
Transducer sind in Umfangsrichtung zueinander um 180 Grad entgegengesetzt
versetzt um ein Zentralachse CL angebracht, um die sich der Abtastkopf 20 rotieren
lässt.
Der Transducerkopf wird abtastend über die Oberfläche des
Testmaterials geführt
und in jedem Punkt wird eine Kurve einer empfangenen Intensität gegen
den Einfallswinkel erzeugt, so dass sich durch polynomisches Anpassen
das Minimum ermitteln lässt,
das für
den kritischen Winkel und folglich für die mechanischen Oberflächeneigenschaften kennzeichnend
ist.
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Erfindungsgemäß gehören zu einem
Verfahren zum Qualitätssicherungstesten
eines Laserschockverfestigungsverfahrens eines Fertigungswerkstücks die
Schritte: (a) Scannen wenigstens eines Abschnitts einer mit Laserschock
verfestigten Oberfläche
auf dem Werkstück
mittels Ultraschall, wobei ein Bereich, der tiefe Druckeigenspannungen
aufweist, die durch das Laserschockverfestigungsverfahren eingebracht
wurden, sich von der laserschockverfestigten Oberfläche ausgehend
in das Werkstück
hinein erstreckt, (b) Digitalisieren eines anhand des Scanvorgangs
abgeleiteten Signals und Erstellen eines digitalisierten Bildes
der anhand des Scanvorgangs gewonnenen Intensitätswerte, (c) Berechnen wenigstens
eines Statistikfunktionswerts für
eine Anzahl von Punkten des digitalisierten Bildes des Werkstücks basierend
auf den Intensitätswerten
und (d) Vergleichen des Statistikfunktionswerts mit einem Gut-Schlecht-Kriterium
für eine
Qualitätssicherung
des Laserschockverfestigungsverfahrens oder ein Akzeptieren oder
Verwerfen des Werkstücks.
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In
einem exemplarischen Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird die Anzahl von Punkten des digitalisierten Bilds
(44) durch eine Gruppe von Kreisen gekennzeichnet, die
laserschockverfestigten Kratern innerhalb des Abschnitts der mit Laserschock
verfestigten Oberfläche
entsprechen. Die Statistikfunktion beinhaltet mindestens eine von
vier statistischen Eigenschaften des digitalisierten Bildes, die
durch vier Gleichungen definiert sind, nämlich eine Mittelwertmatrix
MM(k) für
jeden k-ten Krater, eine Kraterstandardabweichungsmatrix SDM(k),
einen Mittelwertvektor MV(x) sämtlicher
Punkte in der Gruppe von Kreisen, mit x gleich der Anzahl von Pixeln
in jedem Krater, und einen Standardabweichungsvektor SDV(x) jeder
Gruppe von Kreisen. Drei Arten der Statistikfunktion sind beispielsweise
eine gemittelte Kratermittelwertmatrix F1, eine gemittelte Standardabweichungsmatrix
F2 und ein gemittelter Standardabweichungsvektor F3.
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In
einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung
werden die vielen Punkte des digitalisierten Bildes durch ein Rechteck
gekennzeichnet, das innerhalb eines Abschnitts der mit Laserschock verfestigten
Oberfläche
um laserschockverfestigte Krater gezogen ist, und die Statistikfunktion
ist eine Sobel-Funktion F4 mit einem Sobel-Operator.
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Das
Gut-Schlecht-Kriterium basiert auf einer vorherbestimmten Korrelation
zwischen Statistikfunktionsdaten des Prüfstücks und einer Hochleistungsermüdungsausfallrate,
die basierend auf Hochleistunsbeanspruchungstests von Prüfstücken ermittelt
wurde, die in derselben oder in einer ähnlichen Laserschockverfestigungsvorrichtung
laserschockverfestigt wurden. Jedes der Prüfstücke weist innerhalb eines laserschockverfestigten
Bereichs eine einen Ausfall begünstigende
Schwachstelle an dem Prüfstück auf,
das in derselben oder ei ner ähnlichen
Laserschockverfestigungsvorrichtung laserschockverfestigt wurde.
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Die
vorausgehenden Aspekte und andere Merkmale der Erfindung werden
in der folgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert:
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1 veranschaulicht
schematisch den Aufbau eines Ultraschallsystems, das dazu dient,
einen Abschnitt eines mit Laserschock verfestigten Flecks einer
für den
Einsatz in einem exemplarischen Ausführungsbeispiel des Verfahrens
der vorliegenden Erfindung verwendeten Bläser- oder Rotorschaufel mittels
Ultraschall zu scannen und ein Ultraschallintensitätsbild dieses
Abschnitts zu erzeugen.
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2 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer Fertigungsrotorschaufel, die
als Beispiel für
einen mit Laserschock verfestigten Fertigungswerkstücks dient,
das in einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
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3 veranschaulicht
die Rotorschaufel in einer Schnittansicht entlang der Schnittlinie
3-3 in 2.
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4 veranschaulicht
einen Rechnermonitor, der Ultraschallintensitätsdaten, die anhand eines Scanvorgangs
an einem in 2 gezeigten mit Laserschock
verfestigten Fleck gewonnen wurden, und virtuelle Kreise wiedergibt,
die Daten kennzeichnen, die in einigen der Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung verwendet werden.
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5 veranschaulicht
Punkte in einem der in 4 gezeigten virtuellen Kreise
der Intensitätsdaten, die
dazu dienen, einige Statistikfunktionen zu berechnen.
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6 zeigt
den Rechnerschirm nach 4, wobei ein virtuelles Rechteck
einen Satz Ultraschallintensitätsdaten
umgibt, die in einer einen Sobel-Operator aufweisenden Statistikfunktion
verwendet werden.
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7 veranschaulicht
Punkte in dem virtuellen Rechteck der Intensitätsdaten nach 6,
das im Zusammenhang mit einer Sobel-Operatorstatistikfunktion verwendet
wird.
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8 zeigt
vier statistische Eigenschaften, die verwendet werden, um die Intensitätsdaten
der Punkte in 4 zu analysieren.
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9 zeigt
vier exemplarische Statistikfunktionen, die verwendet werden, um
die Intensitätsdaten
der Punkte in 4 und 6 zu analysieren.
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10 zeigt
den in der Sobel-Statistikfunktion F4 in 9 verwendeten
Sobel-Operator.
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11 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer Versuchsrotorschaufel, die als
Beispiel für
ein Prüfstück dient,
das verwendet wird, um eine Korrelation zwischen einem Hochleistungsermüdungsausfall
und den exemplarischen Statistikfunktionen zu ermitteln.
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12 veranschaulicht
in einer schematischen perspektivischen Ansicht die in einem Laserschockverfestigungssystem
eingespannte Schaufel nach 1 und 2.
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Qualitätssicherung
ist ihrem Wesen nach gewöhnlich
eine Analyse mit Blick auf die Kriterien Brauchbar oder Unbrauchbar,
Gut oder Schlecht, Akzeptieren oder Verwerfen. Das Verfahren und
die Techniken der vorliegenden Erfindung verwenden Qualitätssicherung
des Laserschockverfestigungsverfahrens an einem Fertigungswerkstück, beispielsweise
einer in 1, 2, und 3 gezeigten
exemplarischen Fertigungsrotorschaufel 108 für ein Zweikreisturbinentriebwerk
eines Flugzeugs. 1 veranschaulicht schematisch
ein Ultraschallscannersystem 10, das verwendet wird, um
ein Qualitätssicherungsverfahren
für eine
Qualitätskontrolle
eines Laserschockverfestigungsverfahrens durchzuführen. Das
Verfahren und die Techniken der vorliegenden Erfindung nutzen Qualitätssicherung
eines Laserschockverfestigungsverfahrens an einem Fertigungswerkstück, beispielsweise
einer exemplarischen Rotorschaufel einer Zweikreisgasturbine 108 eines
Flugzeugs oder eines anderen aus einem metallischen Werkstoff hergestellten
Objekts, wie in den US-Patenten 5 492 447, 5 674 329, 5 674 328
und 5 591 009 offenbart. Die vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahren
sind Tests, die während
oder nach einer Laserschockverfestigung eines jeden einzelnen Werkstücks, oder
nach oder vor der Laserschockverfestigung einer Charge von Werkstücken ausgeführt werden.
Während
Produktionsabläufen
werden eine oder mehrere Funktionen der Ultraschallintensitätsdaten
mit vorherbestimmten Gut/Schlecht-Kriterien verglichen, beispielsweise
mit ei ner Hochleistungsermüdungs-Korrelation
hinsichtlich des Akzeptierens oder Verwerfens der Werkstücke.
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Unter
Bezugnahme auf 2 und 3 gehören zu der
Fertigungsrotorschaufel 108 eine Strömungsfläche 134, die sich
ausgehend von einer Schaufelplatte 136 in Richtung einer
Blattspitze 138 radial nach außen erstreckt, und ein Fußpunktabschnitt 140,
der sich ausgehend von der Plattform 136 radial nach innen
erstreckt. Der Fußpunktabschnitt 140 weist
einen Schaufelfußpunkt 142 auf,
der über
einen Schaufelschaft 144 mit der Plattform 136 verbunden
ist. Die Strömungsfläche 134 erstreckt
sich in einer Profilsehnenrichtung zwischen einer Anströmkante LE
(Leading Edge) und eine Abströmkante
TE (Trailing Edge) der Strömungsfläche. Die
Rotorschaufel 108 weist einen Anströmkantenabschnitt 150 auf,
der sich ausgehend von der Schaufelplatte 136 entlang der
Anströmkante
LE der Strömungsfläche 134 in
Richtung der Blattspitze 138 erstreckt. Die Strömungsfläche 134 weist
eine Druckseite 146 und eine Saugseite 148 auf,
die sich zwischen der Anströmkante
und der Abströmkante
LE bzw. TE der Strömungsfläche erstrecken.
Der Anströmkantenabschnitt 150 weist
eine vorherbestimmte erste Breite W auf, die so bemessen ist, dass
der Anströmkantenabschnitt 150 einen
Bereich einschließt,
in dem ein Nicken und Zerren entlang der Anströmkante der Strömungsfläche 134 während des
Triebwerkbetriebs auftreten können.
Die Strömungsfläche 134 ist
aufgrund von Zentrifugalkräften,
die durch die während
des Triebwerkbetriebs rotierende Rotorschaufel 108 erzeugt
werden, einem beträchtlichen
Zugspannungsfeld unterworfen. Die Strömungsfläche 134 ist ebenfalls
Schwingungen ausgesetzt, die während
des Triebwerkbetriebs entstehen, und die Nick- und Zerrbewegungen
wirken sich steigernd auf die Belastung der Hochleistungsermüdung aus,
indem sie um sich herum zusätzliche
Spannungskonzentrationen erzeugen.
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Um
einen Ausfall durch Ermüdung
von Abschnitten der Schaufel entlang möglicher Risse zu begegnen,
die sich aufgrund der Nick- und Zerrbewegungen entwickeln und weiter
ausbreiten können,
ist ein mit Laserschock verfestigter Fleck 145 entlang
eines Abschnitts der Anströmkante
LE dort, wo beginnende Nick- und Zerrbewegungen zu einem Ausfall
der Schaufel aufgrund von Hochleistungsermüdung führen können, angeordnet. Innerhalb
des mit Laserschock verfestigten Flecks 145 wird entweder
die Druckseite 146 oder die Saugseite 148 oder,
wie hier veranschaulicht, beide gleichzeitig mit Laserschock verfestigt,
um laserschockverfestigte Oberflächen 153 und 154 für die Druckseite
und Saugseite, und entsprechende vorgespannte Regionen 155 und 156 der
Druckseite bzw. Saugseite zu erzeugen, die durch die Laserschockverfestigung
(LSP) verliehene tiefe Druckeigenspannungen aufweisen, die sich,
wie in 2 zu sehen, ausgehend von den mit Laserschock
verfestigten Oberflächen
in die Strömungsfläche 134 hinein
erstrecken. Die vorgespannten Regionen sind lediglich entlang einem
Abschnitt des Anströmkantenabschnitts 150 veranschaulicht,
können
sich jedoch, falls gewünscht,
entlang der gesamten Anströmkante
LE oder entlang eines längeren
Abschnitts davon erstrecken.
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Die
vorherbestimmten Kriterien des Ausführungsbeispiels basieren auf
einer Korrelation einer oder mehrerer Funktionen der Ultraschallintensitätsdaten
gegenüber
Hochleistungsermüdungsdaten
von Testversionen der Werkstücke,
die beispielsweise als mit Laserschock verfestigte und gekerbte
Versuchsrotorschaufeln 109 in 11 veranschaulicht
sind. Die Fertigungs- und Versuchsrotorschaufeln 108 bzw. 109 sind
während Produktionsabläufen bzw.
während
der einer Korrelation dienenden HCF-Testläufen auf dieselbe Weise mit Laserschock
verfestigt.
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1 zeigt
in einer schematischen Darstellung ein Ultraschallscannersystem 10,
das verwendet wird, um ein Qualitätssicherungsverfahren für eine Qualitätskontrolle
eines Laserschockverfestigungsverfahrens durchzuführen. Das
System 10 wird zum Herstellen und Testen von Werkstücken verwendet,
die beispielsweise durch die Fertigungsrotorschaufel 108 veranschaulicht
sind, die einen mit Laserschock verfestigten Fleck 145 aufweist,
der detaillierter in 2 dargestellt ist. Das Verfahren
beinhaltet die Schritte: Scannen mittels Ultraschall wenigstens
eines Abschnitts des Flecks 145, Messen eines Ultraschallsignals,
Digitalisieren des Ultraschallsignals und Aufzeichnen der digitalisierten
Ultraschallintensitätsdaten,
Berechnen wenigstens einer Statistikfunktion der anhand der Intensität des Ultraschallsignals
abgeleiteten digitalisierten Ultraschallintensitätsdaten und Vergleichen der
einen oder mehreren Statistikfunktionen mit einer Hochleistungsermüdungskorrelation
desselben Typs einer oder mehrerer Statistikfunktionen, um zu entscheiden,
ob das Laserschockverfahren oder die mit Laserschock verfestigte
Komponente brauchbar ist.
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Ein
in 1 veranschaulichtes exemplarisches Ausführungsbeispiel
der Erfindung verwendet Ultraschallscannen, und das Ultraschallscannersystem 10 enthält einen
Ultraschallsendetransducer 30, der dazu dient, den Ultraschallstrahl 28 innerhalb
der Grenzen des mit Laserschock verfestigten Flecks 145 durch
die Rotorschaufel 108 hindurch zu einem Ultraschallempfangstransducer 32 zu
senden. Die Rotorschaufel 108 ist an einem Träger 70 befestigt
und ein Abschnitt der mit dem laserschockverfestigten Fleck 145 versehenen Schaufel
ist in ein Ultraschallmedium 40, beispielsweise Wasser
getaucht. Der Träger 70 wird
betätigt,
um die Rotorschaufel 108 so zu bewegen, dass der von dem
Ultraschallsendetransducer 30 abgestrahlte Ultraschallstrahl 28 den
mit Laserschock verfestigten Fleck 145 in Richtung eines
Ultraschallempfangstransducers 32 durchstrahlt, während ein
Rechner 42 oder eine sonstige Aufzeichnungsvorrichtung
von dem Empfangstransducer erzeugte elektronische Signale als Funktion
der Stoffdichte und der Morphologie der durch den Aufprall der Laserschockverfestigung
auf den Fleck hervorgerufenen Krater aufzeichnet. Zu dem Träger 70 gehören ein
um mehrere Achsen bewegliches Mittel, das dazu dient, die Rotorschaufel 108 in
der X-, Y- und Z-Richtung zu bewegen, sowie, wie angedeutet, um
Achsen A und B rotieren zu lassen, um die Schaufel bezüglich dem stationären Ultraschallstrahl 28 zu
positionieren, und Ultraschallsendetransducer und Ultraschallempfangstransducer 30 und 32.
Die Bewegung des Trägers 70 kann
durch einen Controller 74 unter Verwendung einer Tastatur 76,
die von einem Benutzer bedient wird, gesteuert werden.
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Die
aufgezeichneten elektronischen Signale werden in ein Ultraschallintensitätsbild 44 umgewandelt, das
in einem Rechner 42 gespeichert wird und auf einem Bildschirm 48 des
Rechners 42 in der in 4 veranschaulichten
Weise abgebildet werden kann. Die Erfindung kann in ihren allgemeineren
Aspekten unterschiedliche Arten von Emissionen benutzen, die mittels
des Rechners verarbeitet werden und in einer rechnergestützten Wertematrix
oder in dem digitalisierten Ultraschallintensitätsbild 44 als eine
in 4 veranschaulichte Anzahl von Pixeln 46 aufgezeichnet
und danach mittels Statistikfunktionen analysiert werden.
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Das
hier veranschaulichte Ausführungsbeispiel
verwendet Pixeldaten, die von aufgezeichneten Intensitätsdaten
abgeleitet sind, die mittels Scannen des Flecks 145 mit
dem Ultraschallstrahl 20 gewonnen wurden. 4 zeigt
ein digitales Bild, das Ultraschallintensitätsdaten in Pixelformat veranschaulicht,
die anhand eines Scandurchgangs an dem mit Laserschock verfestigten
Fleck 145 in 1 und 2 gewonnen
wurden. Acht virtuelle Kreise 80, die einen Abschnitt der
Anzahl Pixel 46 umgeben sind ausgewählt, um die Pixeldaten zu bezeichnen,
die in einem Ausführungsbeispiel
der statistischen Analyse der vorliegenden Erfindung verwendet wurden.
Jeder der virtuellen Kreise 80 entspricht einem der mit
Laserschock verfestigten kreisförmigen
Krater 158. Falls die Krater nicht kreisförmig sind,
können
anstelle der virtuellen Kreise auch andere virtuelle Formen verwendet
werden. Es kann eine größere oder
kleinere Zahl als acht virtuelle Formen oder Kreise verwendet werden.
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5 veranschaulicht
eine Matrix 112 von Punkten 114 in dem virtuellem
Kreis 80, die dazu verwendet werden, um die aus 4 erhaltenen
Intensitätsdaten
zu analysieren und anhand der in 4 veranschaulichten
Intensitätsdaten
Statistikfunktionen zu berechnen. Die Ergebnisse der anhand der
Intensitätsdaten
berechneten Statistikfunktionen werden mit einer Hochleistungsermüdungskorrelation
desselben Typs einer oder mehrerer Statistikfunktionen verglichen,
um zu entscheiden, ob das Laserschockverfahren oder die mit Laserschock
verfestigte Komponente brauchbar ist.
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Die
hier als Beispiele veranschaulichten Statistikfunktionen benutzen
vier statistische Eigenschaften der digitalisierten Ultraschallintensitätsbilder 44.
Gleichungen in 8 definieren diese statistischen
Eigenschaften wie folgt: eine Mittelwertmatrix MM(k) für jeden
k-ten Krater (veranschaulicht für
K=8 Krater pro Schaufel); eine Kraterstandardabweichungsmatrix SDM(k);
ein Mittelwertvektor MV(x) für
jedes x-te Pixel
in jedem Krater und wobei x gleich der Gesamtzahl von Punkten oder
Pixeln in jedem Krater ist (hier mit 377 Pixeln veranschaulicht);
und einen Standardabweichungsvektor SDV(x).
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Gleichungen
in 9 definieren vier alternative Statistikfunktionen
(F1-F4), von denen jede für
den Einsatz in der Analyse der vorliegenden Erfindung geeignet ist.
Jede der Statistikfunktionen (F1-F4) wird für jedes Werkstück oder
jede Schaufel berechnet. Die erste Statistikfunktion stellt eine
gemittelte Kratermittelwertmatrix F1 dar, und wird mittels einer
oder mehrerer Zeilen der Krater bis hin zu sämtlichen Kratern und diese
sämtliche
einschließend
berechnet. Das hier verwendet Ausführungsbeispiel verwendet vier
der Krater pro Zeile, und es sind 2 der Zeilen von Kratern pro Schaufel
vorhanden. Es sind somit 8 Krater pro Schaufel und 377 Pixelpunkte
innerhalb jedes der Krater vorhanden, und die Funktion wird daher über k=1-8
und x=1-377 aufsummiert. Eine gemessene Variable ist dk(x) ist eine
Pixelintensität
innerhalb eines k-ten Kraters. Als Erstes werden 377 Pixelintensitätswerte
dk(x) für
jeden Krater (x) aufsummiert und die sich ergebenden acht Kratersummen
werden aufsummiert, wonach sich eine Gesamtsumme ergibt. Die gemittelte
Kratermittelwertmatrix F1 wird anschließend für jede Schaufel berechnet,
indem die Gesamtsumme durch K, nämlich
die Anzahl der Krater (x) geteilt wird.
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Die
zweite Statistikfunktion stellt eine gemittelte Standardabweichungsmatrix
F2 dar und wird mittels einer oder mehrerer Zeilen der Krater bis
hin zu sämtlichen
Kratern und diese sämtliche
einschließend
berechnet. Das hier verwendet Ausführungsbeispiel verwendet vier
der Krater pro Zeile, und es sind 2 der Zeilen von Kratern pro Schaufel
vorhanden. Auch in diesem Fall sind hier vier Krater pro Zeile veranschaulicht,
und es sind 2 Zeilen pro Schaufel vorhanden, und jeder Krater weist
377 Pixelpunkte auf. Für
jeden der K Krater wird für
377 Pixel eine Standardabweichung (SD) berechnet, anschließend werden
die K Standardabweichungen aufsummiert und die Summe durch die Gesamtzahl
der Krater K geteilt.
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Die
dritte Statistikfunktion stellt einen gemittelten Standardabweichungsvektor
F3 dar und wird mittels einer oder mehrerer Zeilen der Krater bis
hin zu sämtlichen
Kratern und diese sämtliche
einschließend
berechnet. Das hier verwendet Ausführungsbeispiel verwendet vier
der Krater pro Zeile, und es sind 2 der Zeilen von Kratern pro Schaufel
vorhanden. Es geht davon aus, dass vier Krater pro Zeile und 2 Zeilen
pro Schaufel, d.h. 8 Krater, vorhanden sind. Jeder Krater weist
377 Pixelpunkte auf. Als Erstes wird für die 8 Krater für jedes
der 377 Pixel ein Standardabweichungsvektor (SDV = Standard Deviation
Vector) berechnet, anschließend
werden die 377 SDVs aufsummiert und die Summe durch 377, nämlich die
Gesamtanzahl von Punkten, geteilt.
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6 zeigt
das digitale Bild, das die anhand eines Scandurchgangs des mit Laserschock
verfestigten Flecks 145 in 1 und 2 gewonnenen
Ultraschallintensitätsdaten
in Pixelformat, einen Teil der Anzahl von Pixeln 46, die
durch eine virtuelles Rechteck 84 begrenzten virtuellen
Kreise 80 veranschaulicht. Das virtuelle Rechteck 84 wird
dazu verwendet, um Pixeldaten zu bezeichnen, die im Zusammenhang
mit einer vierten Statistikfunktion, nämlich einer in 9 veranschaulichten
Sobel-Funktion F4 verwendet wird. Das Ausführungsbeispiel, wie es hier
veranschaulicht ist, verwendet ein virtuelles Rechteck 84,
das drei der Krater pro Zeile einschließt, und es sind drei der Zeilen
von Kratern pro Schaufel vorhanden. In der Gleichung der Sobel-Funktion
F4, sind i und j Punkte in x- und y-Richtung innerhalb des Rechtecks 84 in 6.
Eine exemplarische Fläche
des in 6 gezeigten Rechtecks beträgt 5 cm (2 Zoll) mal 1,3 cm
(1/2 Zoll). Das Rechteck 84 ist in der x-Richtung 5 cm
(zwei Zoll) lang und in der y-Richtung 1,3 cm (1/2 Zoll) hoch. Pixelintensitäten in dem Rechteck
wurden in 250X50 Punkte aufgeteilt, so dass i = 1... 250 und j =
1... 50.
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Die
Funktion du,v ist gleich dem Pixelwert an den neun Punkten u,v für jeden
Punkt i,j, und die Funktion wu,v ist gleich der Sobel-Operator bei
u,v, der in 10 veranschaulicht ist. In dem
hier verwendeten exemplarischen Ausführungsbeispiel, nämlich einem
3×3-Sobel-Operator
W, sind die Variablen u,v Positionen in einer Matrix, die den Punkt
i,j und die 8 umgebenden Punkte in der Matrix von Pixeln in dem
Bild enthält,
so dass u = 1 bis 3 und v = 1 bis 3 ist. Ein Skalierungsfaktor N
(in dem Ausführungsbeispiel
wurde 10.000 verwendet) dient dazu, F4 in eine kleine Zahl zu konvertieren,
die problemlos zu handhaben ist. Sobel-Operatoren sind im Zusammenhang
mit dem Einsatz in Pixelintensitätsdaten
verwendenden Randdetektions- und Bildverfeinerungstechniken hinlänglich bekannt.
Der hier verwendete Sobel-Operator ist eine nicht lineare 3×3-Randverdeutlichung.
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Der
wie in 10 veranschaulichte Sobel-Operator
W ist in Form einer drei mal drei Operatormatrix dargestellt, die
eine spezielle Pixelintensität
D mit Null multipliziert, d.h. mit der mit Bezugszeichen 51 bezeichneten
zentralen Zahl in der Matrix. Anschließend multipliziert der Operator
von links nach rechts im Uhrzeigersinn sämtliche umgebenden Pixelintensitäten mit –1, –2, –1, 0, 1,
2, 1 bzw. 0, wie in 10 gezeigt. Die Summe sämtlicher
dieser multiplizierten Werte ist der neue Austauschwert für diese
spezielle interessierende Pixelintensität. Falls von oben bis unten
keine räumliche
Unregelmäßigkeiten
vorhanden sind, wird das obige Pixel, näm lich das interessierende Pixel,
mit einer negativen Zahl multipliziert, die den unterhalb des interessierenden
Pixels befindlichen Multiplikatoren äquivalent ist. Falls die Pixelzahlen
im Wesentlichen übereinstimmen,
wird die Summe daher annähernd
Null sein.
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Die
Hochleistungsermüdungs-(HCF)-Korrelation
der hier veranschaulichten Versuchsrotorschaufeln 109 basiert
auf Ermüdungstests
an, wie in 11 veranschaulicht, mit Laserschock
verfestigten und gekerbten Versuchsrotorschaufeln 109,
die Originalgröße aufweisen
und gekerbt sind, um einen Ausfall zu provozieren. Die Prüfstücke oder
Versuchsrotorschaufeln 109 werden in derselben Weise hergestellt
wie die tatsächlich Fertigungsrotorschaufeln 108,
wobei eine Kerbe 152 hinzugefügt wird, nachdem die Versuchsschaufel 109 mit Laserschock
verfestigt ist, um den Fleck 145 zu bilden.
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Die
laserschockverfestigten Versuchsrotorschaufeln 109 werden
mittels Ultraschall gescannt, und die digitalisierten Ultraschallintensitätsdaten
werden für
eine statistische Analyse gespeichert. Der HCF-Test kann verwendet
werden, um Gut/Schlecht-Kriterien zu erstellen, die dazu dienen,
während
Produktionsabläufen
mit den Ergebnissen der anhand des Ultraschallscannens erfolgten
statistischen Analyse und der statistischen Analyse der digitalisierten
Ultraschallintensitätsdaten,
die anhand des Scannens gewonnenen wurden, verglichen zu werden.
Die digitalisierten Ultraschallintensitätsdaten werden aufgezeichnet
und mit Blick auf eine Korrelation analysiert. Die mit Laserschock
verfestigten Versuchsrotorschaufeln 109 werden an deren
Hauptfrequenz in Schwingungen versetzt, bis sie ausfallen. Mehrere
Versuchsschaufeln 109 oder lediglich eine einzige kann
gekerbt und Hochleistunsbeanspruchungstests unterworfen werden,
um die Korrelation aufzustellen. Für die Hochleistungsermüdung weist
jede mit Laserschock verfestigte Versuchsrotorschaufel 109 eine Kerbe 152 auf,
die eine in dem laserschockverfestigten Fleck 145 angeordnete
fehlerhafte Stelle repräsentiert, die
einen Ausfall provoziert. Die Kerbe 52 wird an einer vorherbestimmten
Position der vorgespannten Regionen 155 und 156 angebracht,
nachdem die Schaufel mit Laserschock verfestigt wurde. Die Kerbe 152 kann um
eine vorbestimmte Moduslinie zentriert sein, beispielsweise um eine
erste Moduslinie LM. Falls die Versuchsschaufel den Standardanforderungen
oder Untersuchungskriterien hinsichtlich der Zeitdauer und der Amplitude
der Beanspruchungsfunktion genügt,
mit der die Schaufel belastet wird, wird sie für brauchbar befunden. Diese
Ergebnisse lassen sich später
während
Produktionsabläufen
verwenden, um das Laserschockverfestigungsverfahren zu qualifizieren.
Es wird in Betracht gezogen, dass es möglich ist, eine Kalibrierung
für einen
gesamten Produktionsablauf zu verwenden, solange sich die Parameter
der Laserschockverfestigung in der Herstellung nicht ändern.
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12 zeigt
eine Laserschockverfestigungsvorrichtung und ein System 101 zum
Verfestigen der Rotorschaufel 108 mittels Laserschock.
Die Rotorschaufel 108 ist in der Aufspannvorrichtung 15 eingespannt,
die an einem fünf
Freiheitsgrade aufweisenden numerisch rechnergesteuerten (CNC-)
Manipulator 127 angebracht ist. Die in dem Ausführungsbeispiel
veranschaulichten fünf
Freiheitsgrade sind herkömmliche
Translati onsachsen X, Y und Z, und herkömmliche Rotationsachsen A und
C, die in der CNC-Bearbeitung wohlbekannt sind. Der Manipulator 127 bewegt
und positioniert die zur Herstellung bzw. zum Versuch bestimmten
Rotorschaufeln 108 und 109, um eine laufende Laserschockverfestigung
zu bewirken. Die Laserschockverfestigung kann auf mehrere unterschiedliche
Weisen, unter Verwendung von Lack oder Band als ablatives Medium durchgeführt werden
(siehe die US-Patentschrift 5 674 329 mit dem Titel "Adhesive Tape Covered
Laser Shock Peening").
Für das
Laserschockverfestigungsverfahren des Anströmkantenabschnitts 150 der
Fertigungsrotorschaufel 108 und der Versuchsrotorschaufeln 109 (die
die Prüfstücke bzw.
Werkstücke
repräsentieren)
wird die gleiche Laserschockverfestigungsvorrichtung und dasselbe
System 101 verwendet.
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Der
mit Laserschock zu verfestigende Bereich, der auch bestimmt ist,
um den mit Laserschock verfestigten Fleck 145 zu bilden,
und die mit Laserschock verfestigten Oberflächen 153 und 154 der
Druck- bzw. Saugseite werden mit einer ablativen Beschichtung, beispielsweise
einem Farbanstrich oder Klebeband, bedeckt, um, wie in den US-Patenten
5 674 329 und 5 674 328 offenbart, eine beschichtete Oberfläche zu bilden. Die
Beschichtung stellt ein ablatives Medium bereit, über dem
ein durchsichtiges Einschlussmedium angeordnet ist, das ein durchsichtiger
Fluidvorhang sein kann, beispielsweise ein Vorhang aus fließendem Wasser 121.
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Die
durch Laserstrahlschock induzierten tiefen Druckeigenspannungen
können
durch wiederholtes Abfeuern von zwei Hochleistungslaserstrahlen 102 erzeugt
werden, die um jeweils ± einige
25 mils (Tausendstel Zoll) gegenüber
den beschichteten mit Laserschock verfestigten Druck- und Saugseitenoberflächen 153 und 154 der
Druckseite 146 und der Saugseite 148 der Fertigungsrotorschaufel 108 defokussiert
sind. Jeder der Laserstrahlen wird durch den Vorhang aus fließendem Wasser 121 geschickt,
der durch eine herkömmliche
Wasserdüse 123 an
dem Ende eines herkömmlichen
Wasserzufuhrrohrs 119 gespeist wird. Der Vorhang aus fließendem Wasser 121 wird über die
beschichtete Oberflächen
ausgebracht. Die Beschichtung wird abgetragen, wobei Plasma entsteht,
das auf der Oberfläche
des Materials Stoßwellen
hervorruft. Andere ablative Materialien können als geeignete Alternative
zu einer Lackierung verwendet werden, um die Oberfläche zu beschichten.
Diese Beschichtungsstoffe umfassen Metallfolie oder Kunststoffklebeband,
wie sie in den US-Patenten 5 674 329 und 5 674 328 offenbart sind.
Die Stoßwellen
werden durch den Vorhang aus fließendem Wasser 121 gegen
die beschichteten Oberflächen
zurückgeworfen,
um in dem Material unterhalb der beschichteten Oberflächen sich
fortbewegende Stoßwellen
(Druckwellen) zu erzeugen. Die Amplitude und Menge dieser Stoßwellen
bestimmen die Tiefe und Intensität
der Druckspannungen. Die ablative Beschichtung dient dazu, die Zielfläche zu schützen und
außerdem
ein Plasma zu erzeugen. Die ablative Beschichtung dient dazu, die
Zielfläche
zu schützen
und außerdem
ein Plasma zu erzeugen. Die durch Laserstrahlschock induzierten
tiefen Druckeigenspannungen in den vorgespannten Druckregionen betragen
im Allgemeinen etwa 3,4 × 108 – 10,3 × 108 N/m2 (50–150 KPSI (Kilopfund pro Quadratzoll))
und erstrecken sich ausgehend von den mit Laserschock verfestigten
Oberflächen
in eine Tiefe von etwa 0,51–1,27
mm (20–50
Tausendstel Zoll) in die vorgespannten Regionen.
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Die
Fertigungsrotorschaufel 108 wird fortlaufend bewegt, während die
stationären
Hochleistungslaserstrahlen 102 kontinuierlich durch den
Vorhang aus fließendem
Wasser 121 auf die beschichteten mit Laserschock verfestigten
Oberflächen 153 und 154 der
Druck- und Saugseiten abgegeben werden und voneinander beabstandete
laserschockverfestigte kreisförmige
Flecken oder Krater 158 bilden. Die Fertigungsrotorschaufeln 108 werden
während
der Produktionsabläufe
und der HCF-Testläufe für die Korrelation
auf dieselbe Weise mit Laserschock verfestigt. Ein Controller 124 dient
dazu, das Laserschockverfestigungssystem 101 zu modulieren
und zu steuern, um die Laserstrahlen 102 in einer gesteuerten
Weise auf die beschichteten Oberflächen abzufeuern. Abgetragenes
Beschichtungsmaterial wird durch den Vorhang aus fließendem Wasser 121 ausgespült.
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Das
hier veranschaulichte Ausführungsbeispiel
des Verfahrens der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein fortlaufendes
Bewegen der Schaufel, während
der Laserstrahl fortlaufend auf die mit Band versehene Oberfläche abgefeuert
wird, und es können
benachbarte mit Laserschock verfestigte kreisförmige Flecken in unterschiedlichen
Abfolgen getroffen werden. Allerdings kann der Laserstrahl statt
dessen gerade so lange bewegt werden, wie eine Relativbewegung zwischen
dem Strahl und der Oberfläche
bewirkt wird.
die vierte Gleichung ein Standard-Abweichungs-Vektor
von jeder Gruppe von Kreisen ist.
