WO2014056775A1 - System und ein verfahren für eine gefügeuntersuchung eines metallischen bauteils - Google Patents

System und ein verfahren für eine gefügeuntersuchung eines metallischen bauteils Download PDF

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WO2014056775A1
WO2014056775A1 PCT/EP2013/070517 EP2013070517W WO2014056775A1 WO 2014056775 A1 WO2014056775 A1 WO 2014056775A1 EP 2013070517 W EP2013070517 W EP 2013070517W WO 2014056775 A1 WO2014056775 A1 WO 2014056775A1
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component
etching
impression
manipulator arm
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Stefanie ALBRECHT
Christian Lang
Naeel MUHAMAD ALI
Florian Raab
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Areva Gmbh
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    • G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
    • G01N2203/0202—Control of the test
    • G01N2203/0206—Means for supplying or positioning specimens or exchangeable parts of the machine such as indenters...

Definitions

  • the invention relates to a system and a method for sample preparation for a structural analysis of a metallic component.
  • Metallographic microstructural investigations of components or technical components are a useful instrument to investigate the microstructure of the materials used and to obtain, for example, knowledge about their production, aging, processing, defects, wear and damage. Based on this information, the component can then be analyzed, categorized and evaluated in a damage analysis so that, for example, repair intervals or intervals for the complete replacement of the components can be determined from this.
  • component metallography in such an examination, usually the components are ground, polished and etched directly on site, in which case the thus-prepared part is either examined directly under the microscope or an impression (replica) is taken of it.
  • microstructural investigations are usually carried out by a team of specialists who, under heavy breathing protection and with suitable protective clothing, carry out the work to be performed, such as grinding, polishing, etching and impression taking, with high physical effort in areas with high local dose rates or temperatures. This allows for the team members high physical and health burdens arise. However, in certain areas of a plant such investigations are not possible at all due to dangerous environmental conditions, such as high local dose rate, too high temperature or person-damaging atmosphere or lack of accessibility such as a steam generator in a nuclear facility.
  • a controllable manipulator arm having a receiving device for processing tools at a receiving end and with a tool group of processing tools, which comprises a grinding and polishing tool, an etching tool and a sampling tool.
  • the invention is based on the consideration that structural investigations of metallic components are particularly important in those plants in which these components are exposed to extreme conditions, since they are there on the one hand heavily stressed and on the other a high reliability must be required.
  • a component designates any type of mechanical or plant component. Through findings from these investigations, repair intervals can then be planned so that the costs resulting from a complete replacement can be reduced. In addition, these findings can lead to the development of new materials for the components.
  • microstructural investigations can also be carried out in the described scenarios by realizing the individual work steps by means of a manipulator arm or robotic arm and the tools required for this purpose. If necessary, the system only has to be brought to the appropriate position by a human at the component to be examined. The actual work or process steps necessary for microstructure examination can then be carried out by controlling the robot arm and / or the machining tools in a material-saving manner. In this way an automated component metallography is realized.
  • the tool group comprises a grinding and polishing tool.
  • This tool is used to prepare the metal surface in several stages (grain size when grinding from 80 to 500, then polishing to 3 ⁇ ) and prepare for the next step.
  • the etching tool has an open on one side of the etching chamber or tub, which forms a closed space when pressed against the component, wherein in the etching chamber leads a supply line through which an etching liquid can be introduced, wherein within the etching chamber, a first electrode and on the open side for contacting the component, a second electrode is arranged.
  • the two electrodes can be used with different poles. be bound, so that a voltage or potential difference between the metallic component and the electrode of the etching tool is formed.
  • the electrode contacting the component forms the anode.
  • the sampling tool is designed as an impression-taking tool. That is, no material is taken as a sample from the component itself, which is then examined later, but it is taken from the machined component surface an impression, which then contains the structures and properties / the microstructure of the component surface. This impression can then be examined, whereby the microstructures of the component can be determined.
  • the impression-taking tool has an impression chamber open to one side, which forms a closed space when it is pressed against the component.
  • Self-curing two-component material is forced out of a cartridge into the impression chamber.
  • a self-curing material is particularly suitable two-component silicone material. Particular preference is given to (addition-crosslinked) polyvinylsiloxane materials.
  • the sampling tool advantageously comprises means for generating spark erosion and for taking boat samples. It can also be provided a separate test tool, which fulfills this functionality.
  • the tool group preferably comprises a cleaning tool. This is advantageously used between the individual steps in order to free the metal surface from the traces of the previous step.
  • the manipulator arm advantageously has at least six degrees of freedom of the translatory and / or rotational movement, whereby a high mobility and flexibility are achieved.
  • the processing tools can be positioned quickly and precisely at the desired location.
  • this also allows their positioning in hard to reach places.
  • the system advantageously has a magazine from which the processing tools can be removed from the manipulator arm and into which they can be inserted.
  • the manipulator arm preferably picks up the tools automatically and loads them back into the magazine without the intervention of a human being being necessary.
  • the receiving device is designed for a reliable and, if necessary, releasable connection between the manipulator arm and the machining tool.
  • the steps of grinding, etching and sampling - possibly with intermediate steps - can be carried out without the interactions of a human being being necessary. This is particularly advantageous in environments and situations with extreme conditions of radioactivity level, temperature and atmosphere.
  • a plurality of cameras are mounted on the manipulator arm for generating live images.
  • live images With the help of these live images, the position of the respective machining tool in relation to the component to be machined as well as the positioning or spatial position of the arm can be accurately observed, so that a precise preparation and machining of the component is made possible.
  • the receiving device is advantageously designed for quick clamping of the machining tool with the manipulator. Such a design is particularly advantageous in cases in which a person changes the machining tool on the manipulator and should spend as little time as possible in the area of the system.
  • the system comprises a control unit for controlling the arm and the machining tools.
  • Control of the system is preferably via signals (via electrical or radio) so that the location from which the components of the system are controlled can be located in a non-hazardous location.
  • the spaces in which the system is controlled by a human being and in which the system carries out structural analysis or component metallography are thus separated and functionally abstracted.
  • the system advantageously comprises a laser measuring device which can be controlled by the control unit.
  • a special user interface is advantageously provided, in which all available information can be displayed and precise control commands can be given.
  • the system is advantageously used in power plants and nuclear installations in which many components or components are exposed to extreme conditions, so that these parts, if they are even accessible, only very briefly and in compliance with the prescribed safety precautions. can approach.
  • the system may further comprise a mobile and controllable device, so that it can be moved up to the component to be examined.
  • a mobile industrial robot can be used for the manipulator arm.
  • the abovementioned object is achieved according to the invention by a plurality of machining tools, in particular a grinding and polishing tool, an etching tool and an impression-taking tool being successively brought to the component and controlled by a manipulator arm.
  • machining tools in particular a grinding and polishing tool, an etching tool and an impression-taking tool being successively brought to the component and controlled by a manipulator arm.
  • the advantages of the invention are, in particular, that the system allows microstructural investigations even in inaccessible and / or extremely dangerous environments.
  • the necessary tools and operations can be performed by external control of the arm and the tools from a safe distance by the tools provided.
  • a tool for taking impressions By using a tool for taking impressions, the removal of a part of the component is not required.
  • a control unit allows the system to be controlled from a safe distance so that risks to team members can be minimized.
  • FIG. 1 shows a system for structural analysis of a metallic component in a preferred embodiment
  • FIG. 2 is a sampling tool of the system in a first side view
  • FIG. 3 shows the sampling tool of FIG. 2 in an adjacent page representation
  • FIGS. 2 and 3 are perspective views of the sampling tool according to FIGS. 2 and 3,
  • FIG. 6 shows the etching tool according to FIG. 5 in a side view
  • FIG. 7 shows the etching tool according to FIGS. 5 and 6 in a frontal view
  • FIG. 8 shows a section through an etching chamber of the etching tool according to FIG.
  • Fig. 10 is a microscopic image of an impression made on the same component.
  • a system 2 for microstructural analysis of a metallic component shown in FIG. 1 comprises a manipulator arm 8 and a tool group of machining tools, of which a grinding tool 14 is shown. For receiving and fastening the respective tool on the manipulator arm, this has at a receiving end 16 a receiving device 20, which allows a quick clamping with the respective tool.
  • the system 2 is shown mounted on a table 26 for demonstration purposes. Attached to the table 26 by way of example is a component 32 which is modeled on the drainage nozzle of a steam generator.
  • the manipulator arm 8 has an azimuthal mount with a pivot 38 which is mounted on a base 44 and through which the manipulator arm 8 can rotate about a horizontal axis. Also provides a hinge 48 that allows vertical movement of an arm member 54. Another pivot 60 allows rotational movement of an arm portion 66 to which the receiver 20 is mounted relative to the arm portion 54.
  • the illustrated grinding tool 14 is controlled by compressed air and, if necessary, set a rotatable shaft 72 in rotation.
  • a fan grinder 78 or polishing felt is attached to the shaft.
  • a control unit 84 is connected to the system 2 by electrical lines or by radio (for example WLAN) such that both the manipulator arm 8 and the grinding tool 14 can be controlled in a targeted manner.
  • a further control unit may be provided on the manipulator arm 8, which receives the commands of the control unit 84 and converts them into control voltages or currents.
  • cameras are installed on the manipulator arm 8, which are designed for the transmission of live images that can be displayed on one or more monitors .
  • the cameras can also be equipped with electric motors or servomotors, via which their position relative to the manipulator arm 8 can be changed, the control of the cameras is then advantageously carried out via the control unit 84.
  • the controller 84 may include a plurality of separate hardware and / or software modules that are assigned to different control tasks. Thus, for example, a module for the control of the tools and a further module for the control of the manipulator arm 8 may be provided.
  • the system 2 also includes an etching tool 160 and a sampling tool 90.
  • the system 2 in a normal operation, first with the aid of Grinding tool 14 grind the component in several stages and then polish. Thereafter, the grinding / polishing tool 14 is exchanged with the etching tool 160, and an electric etching is applied to the processed surface. Thereafter, an impression of the machined component surface is taken with the aid of the sampling tool. This impression then contains the desired information about the structure of the component, which can then be analyzed, classified and evaluated. Fields of application are, for example, alloyed and unalloyed steel with an austenitic or ferritic-pearlitic structure, from which influences of heat, material tensions and damage in the form of cracks can be detected.
  • a sampling tool 90 shown in FIG. 2 is configured as an impression-taking tool and comprises a connection device 96, which is connected to or received by the receiving device 20 designed as a quick-clamping system in order to fix the trial tool 90 to the arm part 66.
  • a stamp defined in a commercially available two-component cartridge 1 10 (the chambers 102 and 108 correspond to a cartridge) is pressed. Both components are mixed via the nozzle belonging to the cartridge 10 and pressed into the impression receiving chamber (132).
  • a first 102 and a second chamber 108 of the cartridge 1 10 each contain a component of a two-component silicone material which hardens when the two components are mixed.
  • the silicone material is such that when it hardens, structures in the micrometer range can be imaged or replicated.
  • this is 2-component silicone "Putty Soft.”
  • the two components are needed, with the aid of a controllable by the control unit 84 electric motor, which has two intermeshing (toothed) wheels a carriage 140, which is rigidly attached to two rods 120, 126, pushed out of the respective chamber 102, 108 into an impression chamber 132 in which they mix.
  • the test tool 90 is shown in FIG. 3 in the viewing direction 142 from FIG. 2.
  • a cavity 144 in the impression chamber 132 can be seen, in which the impression material for impression taking from the chambers 102, 108 is moved.
  • An etching tool 160 is shown in Fig. 5 in a perspective view.
  • a second fastening part 172 or a second holder is rigidly fixed to a first fastening part 166 or a first holder, to which an etching chamber 184 surrounded by a housing 196 is adjustably mounted in a longitudinal direction 178 of the fastening part 172.
  • the etching chamber 184 which is open to one side, has a first electrode 190 configured as a screen (cathode).
  • a bore in the wall of the etching chamber forms the passage of the second electrode 202, the contact element, for contacting the component.
  • the screen is inside the rim of a sealing ring 208, e.g. an O-ring, framed from, preferably slightly elastic, non-etchable material, which seals the etching chamber 184 on the component, so that no etching liquid leaves the space formed by the etching chamber 184 and the component surface.
  • the etching chamber 184 is brought to the surface of the component to be etched so that the sealing ring 208 forms a closed space together with the surface of the component.
  • the contact element or the second electrode 202 also touches the component surface.
  • Etching fluid electrolyte
  • the first electrode 190 is located inside the electrolyte.
  • a voltage is then applied.
  • the first electrode 190 is connected via the contact or the contact 220 with the negative pole of a voltage source, the second electrode 202 is connected via the contact 226 with the corresponding positive pole.
  • the etching liquid is again sucked out of the etching chamber 184 through the supply line 214.
  • FIG. 9 shows an illustration of the microstructure of the original component under a microscope. The area was prepared using automated component metallography and then recorded directly under the microscope. This shows a typical structure of an austenitic material.
  • FIG. 10 shows, on the same scale, a microscopic image of the same microstructure in the impression compound.
  • the impression was taken on the prepared original component and corresponds to the same position as FIG. 9. It can be clearly seen that the impression made by the test tool 90 has the same resolution of microstructures, so that a precise analysis of the component based on the impression possible is.

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Abstract

Ein System (2) zur Gefügeuntersuchung eines metallischen Bauteils (32) soll unter widrigen Bedingungen Gefügeuntersuchungen zu ermöglichen und die Risiken und Beeinträchtigungen für beteiligte Menschen deutlich zu senken. Dazu ist ein steuerbarer Manipulatorarm (8) vorgesehen, der an einem Aufnahmeende (16) eine Aufnahmevorrichtung (20) für Bearbeitungswerkzeuge aufweist, und mit einer Werkzeuggruppe von Bearbeitungswerkzeugen, welche umfasst ein Schleif- und Polierwerkzeug (14), ein Ätzwerkzeug (160) und ein Probenahmewerkzeug (90).

Description

Beschreibung
System und ein Verfahren für eine
Gefügeuntersuchung eines metallischen Bauteils
Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Probenherstellung für eine Gefügeuntersuchung eines metallischen Bauteils.
Metallographische Gefügeuntersuchungen von Bauteilen bzw. technischen Komponenten sind ein nützliches Instrument, um die Gefügestruktur der verwendeten Materialien zu untersuchen und daraus beispielsweise Kenntnisse über deren Herstellung, Alterung, Verarbeitung, Fehler, Verschleiß und Beschädigungen zu erhalten. Aufgrund dieser Informationen kann dann in einer Schadensanalyse das Bauteil analysiert, kategorisiert und bewertet werden, so dass sich daraus beispielsweise Reparaturintervalle oder Intervalle zum vollständigen Austausch der Komponenten bestimmen lassen.
In der Bauteilmetallographie werden bei einer derartigen Untersuchung gewöhnlich die Bauteile direkt vor Ort beschliffen, poliert und geätzt, wobei dann das so präparierte Teil entweder direkt unter dem Mikroskop untersucht wird oder ein Abdruck (Replica) davon genommen wird.
Diese Untersuchungen spielen auch in der Kraftwerkstechnik, insbesondere auch bei Kernkraftwerken, eine große Rolle, da deren Komponenten oftmals sehr extremen Bedingungen ausgesetzt sind wie beispielsweise starker Radioaktivität, hohen Temperaturen und starken mechanischen Belastungen.
Die Gefügeuntersuchungen werden gewöhnlich durch ein Team von Spezialisten durchgeführt, welches unter schwerem Atemschutz und mit geeigneter Schutzkleidung die durchzuführenden Arbeitsschritte wie Schleifen, Polieren, Ätzen und Abdrucknahme unter hohem körperlichen Einsatz in Bereichen mit hohen Ortsdosisleistungen bzw. Temperaturen leistet. Dadurch können für die Teammitglieder hohe körperliche und gesundheitliche Belastungen entstehen. In bestimmten Bereichen einer Anlage sind derartige Untersuchungen jedoch überhaupt nicht möglich aufgrund zu gefährlicher Umgebungsbedingungen, z.B. zu hoher Ortsdosisleistung, zu hoher Temperatur oder personenschädigender Atmosphäre oder aufgrund mangelnder Zugänglichkeit wie beispielsweise bei einem Dampferzeuger in einer kerntechnischen Anlage.
Die Personen vor Ort in Kraftwerken bzw. Kernkraftwerken unterliegen dabei strengen Arbeits- und Strahlenschutzvorschriften. Sind die Arbeitsbedingungen gemäß Arbeitsschutz und /oder Strahlenschutz nicht oder nur für begrenzte Zeit gegeben, wird dies eingehalten. Aus diesem Grund werden zum Teil sehr viele Personen für einzelne Einsätze benötigt, wodurch hohe Kosten entstehen können.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, durch die Bereitstellung eines geeigneten Systems auch unter derart widrigen Bedingungen Gefügeuntersuchungen zu ermöglichen und die Risiken und Beeinträchtigungen für beteiligte Menschen deutlich zu senken. Weiterhin soll ein entsprechendes Verfahren bereitgestellt werden.
In Bezug auf das System wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst mit einem steuerbaren Manipulatorarm, der an einem Aufnahmeende eine Aufnahmevorrichtung für Bearbeitungswerkzeuge aufweist, und mit einer Werkzeuggruppe von Bearbeitungswerkzeugen, welche umfasst ein Schleif- und Polierwerkzeug, ein Ätzwerkzeug und ein Probenahmewerkzeug.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass Gefügeuntersuchungen von metallischen Bauteilen insbesondere in denjenigen Anlagen wichtig sind, in denen diese Bauteile extremen Bedingungen ausgesetzt sind, da sie dort zum einen stark beansprucht werden und zum anderen eine hohe Verlässlichkeit gefordert werden muss. Im Rahmen dieser Anmeldung bezeichnet ein Bauteil jegliche Art von maschineller oder anlagentechnischer Komponente. Durch Erkenntnisse aus diesen Untersuchungen können dann Reparaturintervalle geplant werden, so dass die durch einen Komplettaustausch entstehenden Kosten reduziert werden können. Zudem können diese Erkenntnisse in die Entwicklung neuer Materialien für die Bauteile münden.
Gerade aber sind oft auch diese Bedingungen für Menschen widrig, so dass Untersuchungen nicht oder nur durch Einsatz einer Vielzahl an Mitarbeitern (Auswechslung der Mitarbeiter in widrigen Bedingungen hinsichtlich Arbeitsschutz (Temperatur, beschränkte Einsatzzeit im Vollschutz), Strahlenschutz (begrenzte Dosisleistung pro Mann pro Tag), etc.) durchführbar sind. Dazu kommt, dass manche Bauteile für Menschen gar nicht zugänglich sind, bei denen aber Erkenntnisse über die Materialentwicklung überaus wertvoll sind.
Wie nunmehr erkannt wurde, lassen sich auch in den beschriebenen Szenarien Gefügeuntersuchungen durchführen, indem die einzelnen Arbeitsschritte durch einen Manipulatorarm bzw. Roboterarm und die damit verbindbaren benötigten Werkzeuge realisiert werden. Das System muss von einem Menschen gegebenenfalls nur noch an die entsprechende Position an den zu untersuchenden Bauteil gebracht werden. Die eigentlichen zur Gefügeuntersuchung notwendigen Arbeits- bzw. Verfahrensschritte können dann durch Steuerung des Roboterarms und/oder der Bearbeitungswerkzeuge in materialschonender Weise durchgeführt werden. Auf diese Weise wird eine automatisierte Bauteilmetallographie realisiert.
Erfindungsgemäß umfasst die Werkzeuggruppe ein Schleif- und Polierwerkzeug. Dieses Werkzeug wird eingesetzt, um die Metalloberfläche in mehreren Stufen (Körnung beim Schleifen von 80 bis 500, anschließendes Polieren bis 3μιη) zu präparieren und für den nächsten Arbeitsschritt vorzubereiten.
Vorteilhafterweise weist das Ätzwerkzeug eine an einer Seite offene Ätzkammer bzw. Wanne auf, die beim Andrücken an das Bauteil einen geschlossenen Raum bildet, wobei in die Ätzkammer eine Zufuhrleitung führt, durch die eine Ätzflüssigkeit eingeleitet werden kann, wobei innerhalb der Ätzkammer eine erste Elektrode und an der offenen Seite zur Kontaktierung des Bauteils eine zweite Elektrode angeordnet ist. Die beiden Elektroden können mit unterschiedlichen Polen ver- bunden werden, so dass eine Spannungs- bzw. Potenzialdifferenz zwischen dem metallischen Bauteil und der Elektrode des Ätzwerkzeuges entsteht. Dabei bildet vorzugsweise die das Bauteil kontaktierende Elektrode die Anode. Nach Einleitung der Ätzflüssigkeit in die Kammer kann durch Elektroätzen das Bauteil kontrolliert bearbeitet werden. Nach dem Ätzvorgang kann die Ätzflüssigkeit wieder aus der Ätzkammer abgesaugt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Systems ist das Probenahmewerkzeug als Abdrucknahmewerkzeug ausgestaltet. Das heißt, dem Bauteil selbst wird kein Material als Probe entnommen, welches dann später untersucht wird, sondern es wird von der bearbeiteten Bauteiloberfläche ein Abdruck genommen, welcher dann die Strukturen und Eigenschaften/ das Mikrogefüge der Bauteiloberfläche enthält. Dieser Abdruck kann dann untersucht werden, wodurch die Gefügestrukturen des Bauteils bestimmt werden können.
Vorteilhafterweise weist das Abdrucknahmewerkzeug eine zur einen Seite offenen Abdruckkammer auf, die beim Andrücken an das Bauteil einen geschlossenen Raum bildet. Aus einer Kartusche wird selbstaushärtendes Zwei-Komponenten- Material in die Abdruckkammer gedrückt wird. Als selbsthärtendes Material eignet sich insbesondere zwei-komponentiges Silikonmaterial. Besonders bevorzugt sind (additionsvernetzte) Polyvinylsiloxan-Materialien.
Diese Abdrucknahmetechnik hat insbesondere folgende Vorteile:
• einfache, automatisierte Applikation des Abdruckmaterials in einem Schritt mit einem einzigen Werkzeug
• gute Dosierbarkeit des Abdruckmaterials
• relativ großes Zeitfenster für die Verarbeitbarkeit des Abdruckmaterials
• geringe Fehlerquote
• Abdruckmaterial verbleibt in der Abdruckkammer
• rückstandsloses Abdrücken auf der Bauteiloberfläche aufgrund hoher Reißfestigkeit des Abdruckmaterials
• hohe Formbeständigkeit des Abdrucks
• breites Oberflächenspektrum erfassbar • geometrische Vermessung des Abdrucks möglich
Um eine alternative Art der Probenahme zu ermöglichen, umfasst das Probenahmewerkzeug vorteilhafterweise Mittel zur Erzeugung von Funkenerosion und zur Entnahme von Schiffchenproben. Es kann auch ein separates Probewerkzeug vorgesehen sein, welches diese Funktionalität erfüllt.
Die Werkzeuggruppe umfasst vorzugsweise ein Reinigungswerkzeug. Dieses wird vorteilhafterweise zwischen den einzelnen Arbeitsschritten eingesetzt, um die Metalloberfläche jeweils von den Spuren des vorhergegangenen Arbeitsschrittes zu befreien.
Der Manipulatorarm weist vorteilhafterweise wenigstens sechs Freiheitsgrade der translatorischen und/oder rotatorischen Bewegung auf, wodurch eine hohe Beweglichkeit und Flexibilität erreicht werden. Auf diese Weise können einerseits die Bearbeitungswerkzeuge schnell und präzise an der gewünschten Stelle positioniert werden. Andererseits wird dadurch auch deren Positionierung in schwer zugänglichen Stellen ermöglicht.
Um ein automatisches Wechseln der Bearbeitungswerkzeuge komfortabel und schnell zu ermöglichen, weist das System vorteilhafterweise ein Magazin auf, aus dem die Bearbeitungswerkzeuge von dem Manipulatorarm entnommen und in das sie zurück eingesetzt werden können. Der Manipulatorarm nimmt dabei vorzugsweise die Werkzeuge automatisch auf und lädt sie wieder im Magazin ab, ohne dass das Eingreifen eines Menschen notwendig ist. Dies wird vorzugsweise dadurch unterstützt, dass die Aufnahmevorrichtung für eine zuverlässige und bei Bedarf lösbare Verbindung zwischen Manipulatorarm und Bearbeitungswerkzeug ausgelegt ist. Bei einer derartigen Ausgestaltung des Systems können die Arbeitsschritte Schleifen, Ätzen und Probenahme - ggf. mit Zwischenschritten - ausgeführt werden, ohne dass die Interaktionen eines Menschen notwendig sind. Dies ist besonders vorteilhaft in Umgebungen und Situationen mit extremen Bedingungen hinsichtlich des Radioaktivitätslevels, der Temperatur und der Atmosphäre. Vorteilhafterweise sind an dem Manipulatorarm zur Erzeugung von Livebildern eine Mehrzahl von Kameras montiert. Mit Hilfe dieser Livebilder können die Position des jeweiligen Bearbeitungswerkzeuges in Relation zu dem zu bearbeitenden Bauteil sowie auch die Positionierung bzw. räumliche Lage des Arms genau beobachtet werden, so dass eine Präzise Präparierung und Bearbeitung des Bauteils ermöglicht wird.
Die Aufnahmevorrichtung ist vorteilhafterweise zur Schnellverspannung des Bearbeitungswerkzeuges mit dem Manipulatorarm ausgelegt. Eine derartige Auslegung ist insbesondere in den Fällen vorteilhaft, in denen ein Mensch die Bearbeitungswerkzeug am Manipulatorarm wechselt und möglichst nur kurze Zeit im Bereich des Systems verbringen sollte.
Vorteilhafterweise umfasst das System eine Steuereinheit zur Steuerung des Arms und der Bearbeitungswerkzeuge. Die Steuerung des Systems geschieht bevorzugt über Signale (via elektrischer Leitungen oder Funk), so dass der Ort, von dem aus die Komponenten des Systems gesteuert werden an einem ungefährlichen Ort untergebracht werden kann. Die Räume, in denen das System von einem Menschen gesteuert wird und in dem das System die Gefügeuntersuchung bzw. Bauteilmetallographie durchführt, werden auf diese Weise separiert und funktionell gesehen abstrahiert.
Insbesondere zur Präparation und Abdrucknahme, aber gegebenenfalls auch zur Unterstützung der Positionierung des jeweiligen Werkzeugs mit Hilfe der Livebilder umfasst das System vorteilhafterweise eine Laservermessungseinrichtung, welche von der Steuereinheit angesteuert werden kann. Dazu ist vorteilhafterweise eine spezielle Bedienoberfläche vorgesehen, in der alle verfügbaren Informationen dargestellt werden und präzise Steuerbefehle gegeben werden können.
Das System wird vorteilhafterweise in Kraftwerken und nukleare Anlagen eingesetzt, in denen viele Komponenten bzw. Bauteile extremen Bedingungen ausgesetzt sind, so dass sich Menschen diesen Teilen - falls sie überhaupt zugänglich sind - nur sehr kurz und unter Wahrung der vorgegebenen Sicherheitsvorkehrun- gen nähern können. Das System kann weiterhin eine fahrbare und steuerbare Vorrichtung umfassen, so dass es an das zu untersuchende Bauteil herangefahren werden kann. Für den Manipulatorarm kann ein mobiler Industrieroboter verwendet werden.
In Bezug auf das Verfahren wird die oben genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst , indem durch einen Manipulatorarm eine Mehrzahl von Bearbeitungswerkzeugen, insbesondere ein Schleif- und Polierwerkzeug, ein Ätzwerkzeug und ein Abdrucknahmewerkzeug nacheinander zur Bearbeitung an das Bauteil herangeführt und angesteuert werden.
Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass das System Gefügeuntersuchungen auch in für einen Menschen unzugänglichen und/oder extrem gefährlichen Umgebungen erlaubt. Durch die vorgesehenen Werkzeuge können die notwendigen Arbeitsschritte bzw. Vorgänge durch externe Ansteuerung des Arms und der Werkzeuge aus sicherer Entfernung durchgeführt werden. Durch die Verwendung eines Werkzeugs zur Abdrucknahme ist die Entnahme eines Teils des Bauteils nicht erforderlich. Mit einer Mehrzahl von Kameras, die an dem Manipulatorarm montiert sind, ist eine genaue Beobachtung der einzelnen Vorgänge möglich, so dass eine präzise Durchführung der Arbeitsschritte erfolgen kann. Über eine Steuereinheit kann das System aus sicherer Entfernung angesteuert werden, so dass Risiken für Teammitglieder minimiert werden können.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in stark schematisierter Darstellung
Fig. 1 ein System zu Gefügeuntersuchung eines metallischen Bauteils in einer bevorzugten Ausführungsform,
Fig. 2 ein Probenahmewerkzeug des Systems in einer ersten seitlichen Darstellung, Fig. 3 das Probenahmewerkzeug aus Fig. 2 in einer benachbarten Seitendarstellung,
Fig. 4 eine perspektivische Darstellung des Probenahmewerkzeugs gemäß der Fig. 2 und 3,
Fig. 5 ein Ätzwerkzeug des Systems in einer perspektivischen Darstellung,
Fig. 6 das Ätzwerkzeug nach Fig. 5 in einer seitlichen Darstellung,
Fig. 7 das Ätzwerkzeug gemäß Fig. 5 und 6 in einer Frontalsicht,
Fig. 8 einen Schnitt durch eine Ätzkammer des Ätzwerkzeuges gemäß der Fig.
5, 6 und 7,
Fig. 9 ein mikroskopisches Bild einer Gefügestruktur eines Bauteils, und
Fig. 10 ein mikroskopisches Bild eines Abdruckes, welcher an demselben Bauteil vorgenommen wurde.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Ein in Fig. 1 dargestelltes System 2 zur Gefügeuntersuchung eines metallischen Bauteils umfasst einen Manipulatorarm 8 sowie eine Werkzeuggruppe von Bearbeitungswerkzeugen, von denen ein Schleifwerkzeug 14 gezeigt ist. Zur Aufnahme und Befestigung des jeweiligen Werkzeugs am Manipulatorarm weist dieser an einem Aufnahmeende 16 eine Aufnahmevorrichtung 20 auf, welche eine Schnellverspannung mit dem jeweiligen Werkzeug ermöglicht. In der vorliegenden Figur ist zu Demonstrationszwecken das System 2 auf einem Tisch 26 montiert gezeigt. An dem Tisch 26 ist beispielhaft ein Bauteil 32 befestigt, welches dem Entleerungsstutzen („drain nozzle") eines Dampferzeugers nachgebildet ist. Der Manipulatorarm 8 weist eine azimutale Montierung auf mit einem Drehgelenk 38, welches auf einem Sockel 44 montiert ist und durch welches sich der Manipulatorarm 8 um eine horizontale Achse drehen kann. Erweist weiterhin ein Gelenk 48 auf, durch das eine vertikale Bewegung eines Armteils 54 ermöglicht wird. Ein weiteres Drehgelenk 60 ermöglicht eine Drehbewegung eines Armteils 66, an dem die Aufnahmevorrichtung 20 angebracht ist, im Verhältnis zu dem Armteil 54.
Das dargestellte Schleifwerkzeug 14 ist druckluftgesteuert und kann bedarfsweise eine drehbare Welle 72 in Rotation versetzten. An der Welle ist ein Fächerschleifer 78 oder Polierfilz angebracht.
Eine Steuereinheit 84 ist mit elektrischen Leitungen oder über Funk (beispielsweise WLAN) mit dem System 2 derart verbunden, dass sowohl der Manipulatorarm 8 als auch das Schleifwerkzeug 14 gezielt gesteuert werden kann. Dazu kann beispielsweise eine weitere Steuereinheit am Manipulatorarm 8 vorgesehen sein, welche die Befehle der Steuereinheit 84 empfängt und in Steuerspannungen oder -ströme umwandelt. Um räumliche Lage des Manipulatorarms 8 bzw. Roboterarms im Verhältnis zum Bauteil 32 aus nächster Nähe erkennen zu können, sind an dem Manipulatorarm 8 Kameras installiert (nicht dargestellt), welche zur Übertragung von Livebildern ausgelegt sind, die auf einem oder mehreren Monitoren dargestellt werden können. Die Kameras können darüber hinaus auch mit Elektromotoren bzw. Servomotoren ausgestattet sein, über welche ihre Lage relativ zum Manipulatorarm 8 verändert werden kann, wobei die Steuerung der Kameras dann auch vorteilhafterweise über die Steuereinheit 84 erfolgt.
Die Steuereinheit 84 kann mehrere getrennte Hardware- und/oder Softwaremodule umfassen, die unterschiedlichen Steuerungsaufgaben zugewiesen sind. So kann beispielsweise ein Modul für die Steuerung der Werkzeuge und ein weiteres Modul für die Steuerung des Manipulatorarms 8 vorgesehen sein.
Neben dem dargestellten Schleifwerkzeug 14 umfasst das System 2 auch ein Ätzwerkzeug 160 und eine Probenahmewerkzeug 90. In einer Gefügeuntersuchung wird das System 2 in einem normalen Arbeitsgang zuerst mit Hilfe des Schleifwerkzeugs 14 das Bauteil in mehreren Stufen beschleifen und anschließend polieren. Daraufhin wird das Schleif- / Polierwerkzeug 14 gegen das Ätzwerkzeug 160 ausgetauscht und auf die bearbeitete Fläche wird eine Elektroät- zung angewandt. Danach wird mit Hilfe des Probenahmewerkzeugs ein Abdruck der bearbeiteten Bauteilfläche genommen. Dieser Abdruck enthält dann die gewünschten Informationen über die Gefügestrukturen des Bauteils, die dann im Nachgang analysiert, klassifiziert und bewertet werden können. Einsatzgebiete sind beispielsweise legierter und unlegierter Stahl mit austenitischem bzw. ferritisch- perlitischem Gefüge, an denen Einflüssen von Hitze, Materialspannungen und Beschädigungen in Form von Rissen entdeckt werden können.
Ein in den Fig. 2 dargestelltes Probenahmewerkzeug 90 ist als Abdrucknahmewerkzeug ausgestaltet und umfasst eine Anschlussvorrichtung 96, welche mit der als Schnellspannsystem ausgebildeten Aufnahmevorrichtung 20 verbunden wird bzw. von dieser aufgenommen wird, um das Probewerkzeug 90 an dem Armteil 66 zu fixieren. Mit Hilfe eines Elektromotors und einem entsprechendem Antrieb (1 14, 1 16, 1 18, 120, 126, 140) wird ein Stempel definiert in eine handelsübliche Zwei- Komponenten-Kartusche 1 10 (die Kammern 102 und 108 entsprechen einer Kartusche) gedrückt. Beide Komponenten werden über die zur Kartusche 1 10 gehörende Düse gemischt und in die Abdrucknahmekammer (132) gedrückt.
Eine erste 102 und eine zweite Kammer 108 der Kartusche 1 10 enthalten jeweils eine Komponente eines zwei-komponentigen Silikonmaterials, welches sich bei Mischung der beiden Komponenten verhärtet. Das Silikonmaterial ist derart beschaffen, dass sich bei seiner Verhärtung Strukturen im Mikrometerbereich abbilden bzw. replizieren lassen. Es gibt verschiedene Materialien die je nach Anwendungsfall verwendet werden können, im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist dies 2-Komponentensilikon„Putty Soft". Die beiden Komponenten werden bedarfsweise mit Hilfe eines von der Steuereinheit 84 ansteuerbaren Elektromotors, welcher über zwei ineinander greifende (Zahn-)Räder einen Schlitten 140 bewegt, welcher starr an zwei Stangen 120, 126 befestigt ist, aus der jeweiligen Kammer 102, 108 in eine Abdruckkammer 132 gedrückt, in der sie sich vermischen. Dies geschieht, nachdem die zu einer Vorderseite 138 offene Abdruckkammer 132 an die Stelle des Bauteils 32 herangefahren bzw. gedrückt wurde, die durch vorherige Arbeitsschritte des Schleifens und Ätzens präpariert worden war. An der zum Bauteil offenen Vorderseite 138 trifft das Material in der Abdruckkammer 132 also auf die Fläche des Bauteils. Nachdem das Material aushärtet ist, sind darauf die Gefügestrukturen dieser Fläche abgebildet, wodurch ein präziser Abdruck der Bauteilfläche erzeugt wird. Dieser Abdruck kann dann später, automatisch oder manuell, beispielsweise unter einem Mikroskop, analysiert werden.
Das Probewerkzeug 90 ist in Fig. 3 in Blickrichtung 142 aus Fig. 2 dargestellt. In der perspektivischen Darstellung nach Fig. 4 ist ein Hohlraum 144 in der Abdruckkammer 132 erkennbar, in den das Abdruckmaterial zur Abdrucknahme aus den Kammern 102, 108 verschoben wird.
Ein Ätzwerkzeug 160 ist in Fig. 5 in einer perspektivischen Darstellung dargestellt. An einem ersten Befestigungsteil 166 bzw. einer ersten Halterung ist ein zweites Befestigungsteil 172 bzw. eine zweite Halterung starr fixiert, an welchem in einer Längsrichtung 178 des Befestigungsteil 172 verstellbar eine von einem Gehäuse 196 umgebene Ätzkammer 184 angebracht ist. Die zu einer Seite offenen Ätzkammer 184 weist eine als Sieb ausgestaltete erste Elektrode 190 auf (Kathode). Eine Bohrung in der Wand der Ätzkammer bildet den Durchgang der zweiten Elektrode 202, dem Kontaktelement, zur Kontaktierung des Bauteils. Das Sieb ist im Inneren des Rands von einem Dichtring 208, z.B. einem O-Ring, aus, vorzugsweise leicht elastischem, nicht-ätzbarem Material umrahmt, welcher die Ätzkammer 184 am Bauteil abdichtet, so dass keine Ätzflüssigkeit den von der Ätzkammer 184 und der Bauteilfläche gebildeten Raum verlässt.
Zur Durchführung der Ätzung wird die Ätzkammer 184 an die zu ätzende Fläche des Bauteils herangeführt, so dass der Dichtring 208 zusammen mit der Fläche des Bauteils einen geschlossenen Raum bildet. In diesem Zustand berührt auch das Kontaktelement bzw. die zweite Elektrode 202 die Bauteilfläche. Über eine Zufuhrleitung 214 wird nun Ätzflüssigkeit (Elektrolyt) in die Ätzkammer geführt. Dabei befindet sich die erste Elektrode 190 innerhalb des Elektrolyten. Über die beiden Elektroden 190 und 202 wird anschließend eine Spannung angelegt. Die erste Elektrode 190 wird dazu über den Kontakt bzw. die Kontaktierung 220 mit dem Minuspol einer Spannungsquelle verbunden, die zweite Elektrode 202 wird über den Kontakt 226 mit dem entsprechenden Pluspol verbunden. Nach dem Ätzvorgang wird die Ätzflüssigkeit wieder durch die Zufuhrleitung 214 aus der Ätzkammer 184 gesaugt.
In Fig. 9 ist ein Abbildung der Gefügestruktur des Originalbauteils unter einem Mikroskop dargestellt. Die Fläche wurde mit Hilfe der automatisierten Bauteilmetallographie präpariert und anschließend direkt unter dem Mikroskop aufgenommen. Darin ist ein typisches Gefüge eines austenitischen Werkstoffes erkennbar.
In Fig. 10 ist - im selben Maßstab - eine mikroskopische Aufnahme der gleichen Gefügestruktur in der Abdruckmasse dargestellt. Der Abdruck wurde an dem präparierten Originalbauteil entnommen und entspricht der gleichen Position wie Fig. 9. Es ist deutlich zu erkennen, dass der durch das Probewerkzeug 90 gemachte Abdruck die gleiche Auflösung von Gefügestrukturen aufweist, so dass eine präzise Analyse des Bauteils anhand des Abdruckes möglich ist.
Bezugszeichenliste
2 System 60 Ätzwerkzeug
8 Manipulatorarm 166 erstes Befestigungsteil
14 Schleifwerkzeug 172 zweites Befestigungsteil
16 Aufnahmeende 178 Längsrichtung
20 Aufnahmevorrichtung 184 Ätzkammer
26 Tisch 190 erste Elektrode
32 Bauteil 196 Gehäuse
38 Drehgelenk 202 zweite Elektrode
44 Sockel 208 Dichtring
48 Gelenk 214 Zufuhrleitung
54 Armteil 220 Kontaktierung zum Anschlie¬
60 Drehgelenk ßen eines Kabels der ersten
66 Armteil Elektrode
72 Welle 226 Kontaktierung zum Anschlie¬
78 Fächerschleifer ßen eines Kabels der zweiten
84 Steuereinheit Elektrode
90 Probenahmewerkzeug
96 Anschlussvorrichtung
102 erste Kammer
108 zweite Kammer
1 10 Kartusche
1 14 Elektromotor
1 16 Rad
1 18 Rad
120 Stange
126 Stange
132 Abdruckkammer
38 Vorderseite
140 Schlitten
142 Blickrichtung
144 Hohlraum

Claims

Ansprüche
System (2) zur Probenherstellung für eine Gefügeuntersuchung eines metallischen Bauteils (32) mit einem steuerbaren Manipulatorarm (8), der an einem Aufnahmeende (16) eine Aufnahmevorrichtung (20) für Bearbeitungswerkzeuge aufweist, und mit einer Werkzeuggruppe von Bearbeitungswerkzeugen, welche umfasst ein Schleif- und Polierwerkzeug (14), ein Ätzwerkzeug (160) und ein Probenahmewerkzeug (90).
System (2) nach Anspruch 1 , wobei das Ätzwerkzeug (160) eine an einer Seite offene Ätzkammer (184) aufweist, die beim Andrücken an das Bauteil (32) einen geschlossenen Raum bildet, und wobei in die Ätzkammer (184) eine Zufuhrleitung (214) führt, durch die eine Ätzflüssigkeit eingeleitet werden kann, wobei innerhalb der Ätzkammer (184) eine erste Elektrode (190) und an der offenen Seite zur Kontaktierung des Bauteils (32) eine zweite Elektrode (202) angeordnet ist.
System (2) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Probenahmewerkzeug (90) als Abdrucknahmewerkzeug ausgestaltet ist.
System (2) nach Anspruch 3, wobei das Abdrucknahmewerkzeug (90) eine zur einen Seite offene Abdruckkammer (132) aufweist, die beim Andrücken an das Bauteil (32) einen geschlossenen Raum bildet, und wobei eine Kartusche (1 10) vorgesehen ist, aus der zur Abdrucknahme selbstaushärtendes Zwei- Komponenten-Material in die Abdruckkammer (132) gedrückt wird.
System (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Probenahmewerkzeug (90) Mittel zur Erzeugung von Funkenerosion und zur Entnahme von Schiffchenproben umfasst.
6. System (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Werkzeuggruppe ein Reinigungswerkzeug umfasst.
7. System (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Manipulatorarm (8) wenigstens sechs Freiheitsgrade der translatorischen und/oder rotatorischen Bewegung aufweist.
8. System (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, welches ein Magazin aufweist, aus dem die Bearbeitungswerkzeuge (14, 90, 160) von dem Manipulatorarm (8) entnommen und in das sie zurück eingesetzt werden können.
9. System (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei an dem Manipulatorarm (8) zur Erzeugung von Livebildern eine Mehrzahl von Kameras montiert ist.
10. System (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Aufnahmevorrichtung (20) zur Schnellverspannung des jeweiligen Bearbeitungswerkzeuges (14, 90, 160) mit dem Manipulatorarm (8) ausgelegt ist.
1 1 . System (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, welches eine Steuereinheit (84) zur Steuerung des Manipulatorarms (8) und der Bearbeitungswerkzeuge (14, 90, 160) umfasst.
12. System (2) nach Anspruch 1 1 , welches eine Laservermessungseinrichtung umfasst, welche von der Steuereinheit (84) angesteuert werden kann.
13. Verfahren zur Probenherstellung für eine Gefügeuntersuchung eines Bauteils (32), wobei durch einen Manipulatorarm (8) eine Mehrzahl von Bearbeitungswerkzeugen (14, 90, 160), insbesondere ein Schleif- und Polierwerkzeug (14), ein Ätzwerkzeug (160) und ein Probewerkzeug (90) nacheinander zur Bearbeitung an das Bauteil (32) herangeführt und angesteuert werden.
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