WO2016128118A1 - Prüfverfahren zur erkennung einer schädigung eines bauteils aufgrund wasserstoffversprödung - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Prüfverfahren zur Erkennung einer durch Wasserstoff bedingten Schädigung eines Bauteils, wobei das Bauteil belastet wird und zeitgleich mit der Belastung von dem Bauteil ausgehende Schallemissionen in einem Frequenzbereich von > 10 kHz gemessen werden und wobei die gemessenen Signale einer Signalaufbereitung zugeführt werden, wobei vorgesehen ist, dass die aufbereiteten Daten über eine Parametrierung einer Analyse zugeführt werden.

Description

Liebherr-Aerospace Lindenberg GmbH

D-88161 Lindenberg

PRÜFVERFAHREN ZUR ERKENNUNG EINER SCHÄDIGUNG EINES BAUTEILS AUFGRUND WASSERSTOFFVERSPRÖDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Prüfverfahren zur Erkennung einer durch Wasserstoff bedingten Schädigung eines Bauteils.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dass die Anwesenheit von Wasserstoff in Bauteilen zu Versprödung und zu Mikroschäden durch Wasserstoff- Rekombination zu H2 und den damit einhergehenden Druck führen kann. Dies gilt beispielsweise für z.B. mit einem galvanischen Zn-Ni-Überzug beschichtete bzw. oberflächenbehandelte Bauteile. Bei der Beschichtung bzw. Oberflächenbehandlung kann Wasserstoff in den Werkstoff eindringen. Wasserstoff entsteht als Nebenreaktion zur Schichtbildung z.B. durch Oxidation bzw. Reduktionsreaktionen.

Im Stand der Technik existieren Prüfverfahren, mittels derer eine wasserstoffbedingte Bauteilschädigung feststellbar ist. So werden beispielsweise bei der konventionellen Cd-Beschichtung parallel zur Bauteilbeschichtung Kerbzugproben mitbeschichtet und anschließend einem zerstörenden Prüfverfahren nach ASTM F-519 (200 h bei 75 % maximaler Kerbzugfestigkeit) unterzogen. Eine weitere Prüfmethode für Cd-Beschichtungen ist unter dem Namen„Lawrence Gauge" bekannt. Dabei wird gemessen, wie viel Wasserstoff durch eine Stahlmembran diffundiert. Diese Beschichtung ist für Cd-Beschichtungen geeignet, nicht jedoch für z.B. Zn-Ni-Beschichtungen.

Den bekannten Prüfverfahren liegt der Nachteil zugrunde, dass diese nur für bestimmte Beschichtungen anwendbar sind, dass die Prüfung zerstörend ist und dass auch bei einem Nichtbrechen des Bauteils keine zuverlässige Aussage dazu möglich ist, ob ggf. Schädigungen vorliegen, die nicht zwar nicht zum Bruch geführt haben, aber dennoch in Form von Mirkoschädigungen bestehen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Prüfverfahren bereitzustellen, bei dem auch durch Wasserstoff bedingte Schädigungen, die nicht zu einem Bruch führen, wie z.B. Mikroschädigungen zuverlässig erkennbar sind.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Danach ist vorgesehen, dass das Bauteil belastet wird und dass zeitgleich mit der Belastung von dem Bauteil ausgehende Schallemissionen gemessen werden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zeitgleich mit der Belastung von dem Bauteil ausgehende Schallemissionen in einem Frequenzbereich von > 10 kHz gemessen werden und dass die gemessenen Signale einer Signalaufbereitung zugeführt werden, wobei vorgesehen ist, dass die aufbereiteten Daten über eine Pa- rametrierung einer Analyse zugeführt werden.

Durch die Erfassung und Analyse von Schallemissionen, die von dem Bauteil unter Last ausgehen, kann ermittelt werden, ob eine durch Wasserstoff bedingte Schädigung des Bauteils vorliegt. Somit lassen sich durch Wasserstoff bedingte Schädigungen zeitnah erkennen, z.B. nach Beschichtungsprozessen oder Oberflächenbehandlungen von Bauteilen. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Prüfung von genau einem Bauteil beschränkt, sondern umfasst auch die gleichzeitige Prüfung mehrerer Bauteile. Der Begriff„ein Bauteil" kann sich somit auf genau ein Bauteil oder auch auf eine Mehrzahl von Bauteilen beziehen.

Das erfindungsgemäße Verfahren setzt nicht die Zerstörung des Bauteils voraus, wenngleich nicht ausgeschlossen werden kann, dass im Rahmen der Durchführung des Prüfverfahrens ein Bruch des Bauteils auftritt.

Vorzugsweise handelt es sich bei dem Bauteil, das einer Überprüfung unterzogen wird, um einen hochfesten Werkstoff, insbesondere um ein Bauteil eines Luftfahrzeuges.

Das Verfahren wird vorzugsweise an beschichteten und/oder oberflächenbehandelten Bauteilen durchgeführt, da - wie oben ausgeführt - bei einer Be- schichtung und/oder Oberflächenbehandlung Wasserstoff entstehen und zu einer Schädigung führen kann. Die Beschichtung kann beispielsweise eine Zn-Ni- Beschichtung sein.

Bei dem Bauteil handelt es sich vorzugsweise um ein Bauteil eines Luftfahrzeuges.

Vorzugsweise werden bei dem Verfahren Schallemissionen in einem Frequenzbereich von mindestens 10 kHz und vorzugsweise von > 20 kHz gemessen.

Denkbar ist es, dass als Sensor ein Beschleunigungssensor auf Piezobasis verwendet wird. Auch andere Sensoren, die zur Erfassung von Schallwellen geeignet sind, sind von der Erfindung mit umfasst.

Vorzugsweist wird das Verfahren derart durchgeführt, dass das oder die Bauteile z.B. auf Zug belastet werden. Auch andere Belastungsformen (Torsion, Biegung, Druck, Scherung) sind denkbar und mit umfasst. Von der Erfindung ist je- doch auch der Fall eingeschlossen, dass die Belastung durch Eigenspannung des Bauteils entsteht und keine zusätzliche äußere Belastung aufgebracht wird.

Denkbar ist es, dass das Prüfverfahren bei einer Belastung für wenigstens 200 h bei wenigstens 75 % der maximalen Kerbzugfestigkeit des Bauteils durchgeführt wird.

Vorzugsweise werden die Bauteile im Rahmen des Prüfverfahrens als Kerbzugproben eingesetzt.

Die erfassten Schallemissionen werden gemessen und die gemessenen Signale werden einer Signalaufbereitung, insbesondere einer Zerlegung in ein Zeit- Frequenzspektrum zugeführt. Anschließend ist vorgesehen, dass die aufbereiteten Daten über eine Parametrierung einer Analyse zugeführt werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Summe der emittierten Energie erfasst wird und dass diese Summe mit einem Grenzwert verglichen wird. Wird der Grenzwert überschritten oder erreicht, kann auf eine Schädigung des Bauteils geschlossen werden. Das Ergebnis kann an einer geeigneten Ausgabeeinrichtung, wie z.B. auf einem Bildschirm ausgegeben werden.

Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren eine Vorrichtung zur Durchführung eines Prüfverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Vorrichtung zumindest einen Sensor aufweist, der in Reihe mit einem oder mehreren Bauteilen oder auf einem oder mehreren Bauteilen angeordnet ist, die auf durch Wasserstoff bedingte Schädigungen zu prüfen sind.

Um die auf das wenigstens eine Bauteil wirkende Kraft zu messen, kann die Vorrichtung wenigstens eine Kraftmessdose aufweisen. Die auf diese Weise gemessene Kraft kann über die Zeit aufgetragen werden. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Kraftmessdose, das wenigstens eine Bauteil und/oder der Sensor in Reihe angeordnet sind.

Denkbar ist es weiterhin, dass der Sensor derart angeordnet ist, dass bei einem Bruch eines Bauteils keine Sensorbeschädigung auftritt.

Vorzugsweise ist der Sensor nicht unmittelbar an dem Bauteil angeordnet.

Grundsätzlich kann die Vorrichtung genau einen Sensor oder eine Mehrzahl von Sensoren aufweisen.

Denkbare Varianten des Verfahrens sind im Folgenden aufgeführt:

1. Es werden Kerbzugproben verwendet, wie sie auch bei einem Test nach ASTM verwendet werden. An den Bauteilen bzw. Proben werden zusätzlich Sensoren angebracht. Dabei können Beschleunigungssensoren in Form von Piezoelementen verwendet werden. Der oder die Sensoren sind geeignet, Frequenzen von > 20 kHz zu messen. Bei der Entstehung von Mikroschädi- gungen unter Last entstehen hochfrequente Schallimpulse, die durch den wenigstens einen Sensor gemessen werden. Durch eine Korrelation der gemessenen Schallimpulse mit Grenzwerten bzw. durch deren Auswertung kann auf eine Schädigung des Bauteils geschlossen werden. Auch kann über eine Energieskala der Schädigungsgrad quantifiziert werden. So ist es möglich, Grenzwerte festzulegen, bei deren Erreichen oder Überschreitung mit unzulässigen Schädigungen zu rechnen ist.

2. In einer Variante können ein oder mehrere Sensoren an dem oder den Bauteilen nach deren Beschichtung oder Oberflächenbehandlung angebracht werden. Das Bauteil wird betriebsähnlich belastet, d.h. einer Belastung ausgesetzt, wir diese beim üblichen Gebrauch des Bauteils, z.B. in einem Luftfahrzeug auftreten. Die Auswertung der gemessenen Schallsignale erfolgt entsprechend Variante 1. 3. Auch ist eine Variante denkbar, bei der ein oder mehrere Sensoren an einem oder mehreren Bauteilen angebracht werden, und zwar vorzugsweise an durch Eigenspannung belasteten Zonen. Eine zusätzliche Belastung der Bauteile erfolgt nicht. Es werden Schallemissionen über einen Zeitraum von ca. 200 h oder mehr aufgenommen und es erfolgt eine Auswertung der gemessenen Schallsignale entsprechend Variante 1.

4. In einer weiteren Variante werden beliebige Proben bzw. Bauteile, wie z.B.

Zugstäbe, Biegeproben, Scherproben etc. Verwendet und unter entsprechende Belastung gesetzt. Analog zu Variante 1 werden Schallemissionen aufgezeichnet und ausgewertet.

Auch können Referenzkurven erstellt werden sowie Resonanzkurven bei Schädigung des Bauteils.

Anhand des Vergleichs mit Referenzkurven nicht beschädigter Bauteile kann auf den Schädigungsgrad des gemessenen Bauteils geschlossen werden.

Weitere Einzelheiten und Vorteile werden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 : einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Durchführung des Prüfverfahrens und

Figur 2: die Gesamtenergie über die Zeit bei der Belastung von Bauteilen.

In Figur 1 ist in schematischer Ansicht eine Anordnung zur Feststellung von durch Wasserstoff bedingten Schäden an Bauteilen gezeigt.

Wie aus der Figur ersichtlich, sind vier Bauteile (Proben 1 bis 4) in Reihe angeordnet und durch geeignete Verbindungselemente miteinander verbunden. Diese werden auf Zug belastet, wir dies durch die Pfeile F symbolisiert ist. Anstatt on vier Proben kann beispielsweise auch nur eine einzige Probe angeordnet sein oder jede beliebige andere Anzahl als vier.

Das Bezugszeichen KMD kennzeichnet eine Kraftmessdose, d.h. eine Einrichtung zur Messung der auf die Bauteile wirkenden Zugkraft.

Der Sensor erfasst die Schallemissionen, die von den Bauteilen ausgehen. Bei dem Sensor handelt es sich um ein piezoelektrisches Element bzw. um einen Beschleunigungssensor auf Piezobasis, der ausgebildet ist, um in einem hochfrequenten Bereich, vorzugsweise in einem Bereich von > 20 kHz zu messen.

Wie dies weiter aus der Figur hervorgeht, ist der Sensor mit den Bauteilen, d.h. mit den Proben in Reihe angeordnet. Dies gilt für die Kraftmessdose entsprechend.

Der Sensor befindet sich nicht direkt an einer der Proben, sondern steht über ein Verbindungselement mit einer der Proben in Verbindung. Der Sensor kann sich anschließend an die letzte Probe oder auch zwischen zwei Proben befinden.

Der Sensor ist derart angeordnet, dass beim Bruch einer oder mehrerer Proben keine hohen Beschleunigungen auf den Sensor wirken, um dessen Beschädigung möglichst zu vermeiden.

Im Rahmen des Prüfverfahrens werden die Proben mit einer Kraft F auf Zug belastet. Die dabei in den Proben entstehenden Schallemissionen werden mit dem Sensor über die Zeit gemessen. Der Messwert ist als S(t) angegeben.

Das Sensorsignal, d.h. der Messwert wird analysiert und das Ergebnis der Analyse wird z.B. an einem Bildschirm ausgegeben. Denkbar ist es, das Prüfverfahren als Zeitstandversuch mit 200 h bei 75 % nach ASTM F-519 durchzuführen. Grundsätzlich sind auch andere parametrierte, d.h. kürzere oder längere Zeiten und höhere oder geringere Zugwerte denkbar.

Die Rohdaten, d.h. die Schallemissionen werden erfasst und z.B. durch eine Zerlegung in einem Zeit-Frequenzspektrum aufbereitet. Über einer Parametrie- rung kann eine Analyse der aufbereiteten Daten erfolgen.

Das Ergebnis kann aus einer Summen-Zeit-Kurve der emittierten Energie bestehen, d.h. es wird aufgezeichnet, wie viel Schallemissionen über die Zeit aufgenommen werden konnten.

Dies Summen-Zeit-Kurve kann für jede Probe einzeln oder auch für eine Mehrzahl an Proben gleichzeitig aufgenommen werden.

Figur 2 zeigt eine derartige Summen-Zeit-Kurve für 10 Proben (#1 bis #10) bzw. Bauteile. Auf der Ordinate ist logarithmisch die Summe der Schallemissionen, d.h. die Gesamtenergie aufgetragen, ohne dass es zu einem Bruch kam.

Der Wert 100 % auf der Ordinate stellt die Gesamtenergie dar, bei der es zum Bruch der Probe(n) kommt.

Auf der Abszisse ist die Zeit aufgetragen. Während der Zeit kann die auf die Proben aufgebrachte Kraft konstant oder auch variabel sein.

In dem hier dargestellten Beispiel ist bei einer Gesamtenergie von 1 % das Eintreten eines Bruchs aufgrund von durch Wasserstoff bedingten Schäden vorhersagbar. Diese Grenzwertlinie ist mit dem Bezugszeichen G gekennzeichnet.

Bei dem Wert von 1 % handelt es sich um ein Beispiel. Die Grenzwertlinie kann in dem Bereich von 0,1 % bis 5 % liegen. Bei den in Figur 2 dargestellten Messkurven ist bereits nach 40 Minuten (Linie T) eine Überschreitung der kritischen Linie von 1 % zu erkennen, d.h. für diese Proben kann ein Bruch vorhergesagt werden bzw. es wird ein Bruch eintreten und die Proben können als„nicht in Ordnung" bewertet werden.

Die kritische Schädigungslinie ist somit die Summe an gemessenen Signalen, die zum Bruch führt.

Liegt überhaupt keine Schädigung vor, wird über die gesamte Messzeit kein Signal, d.h. der Wert„0" erfasst.

Durch die vorliegende Erfindung lässt sich zeitnah eine Wasserstoffschädigung insbesondere nach Beschichtungsprozessen und/oder Oberflächenbehandlungen mit einem zerstörungsfreien Verfahren erfassen. Es ist eine schnelle Erkennung von Schädigungen möglich und damit eine schnelle Reaktion zur Korrektur auf die laufende Fertigung. Das Ergebnis der Prüfung kann somit dazu herangezogen werden, um auf die laufende Fertigung einzugreifen und deren Betriebsbedingungen so zu verändern, dass die Schädigungen nicht mehr oder nur noch verringert auftreten. Somit kann eine Optimierung des Fertigungsprozesses stattfinden. Der Ausschuss kann entsprechend verringert werden.

Durch die vorliegende Erfindung lassen sich Mikroschäden, die erst bei Betrieb zum frühzeitigen Versagen führen können, erkennen. Es ist eine Erhöhung der Nachweisgrenze realisierbar.

Es ist eine gleichzeitige Messung von mehreren Proben und damit die Anwendung des bestehenden ASTM möglich.

Claims

Liebherr-Aerospace Lindenberg GmbH D-88161 Lindenberg Prüfverfahren Patentansprüche

1. Prüfverfahren zur Erkennung einer durch Wasserstoff bedingten Schädigung eines Bauteils, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil belastet wird und dass zeitgleich mit der Belastung von dem Bauteil ausgehende Schallemissionen in einem Frequenzbereich von > 10 kHz gemessen werden und wobei die gemessenen Signale einer Signalaufbereitung zugeführt werden, wobei vorgesehen ist, dass die aufbereiteten Daten über eine Parametrie- rung einer Analyse zugeführt werden.

2. Prüfverfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Bauteil, das einer Überprüfung unterzogen wird, um einen hochfesten Werkstoff und/oder um ein beschichtetes und/oder oberflächenbehandeltes Bauteil handelt.

3. Prüfverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Verfahren Schallemissionen in einem Frequenzbereich von > 20 kHz gemessen werden und/oder dass genau ein Bauteil oder mehrere Bauteile geprüft werden.

4. Prüfverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil z.B. auf Zug belastet wird und/oder dass die Belastung durch die Eigenspannung des Bauteils bedingt ist und keine zusätzliche Belastung erfolgt und/oder dadurch gekennzeichnet, dass das Prüfverfahren bei einer Belastung für mindestens 200 h bei wenigstens 75 % der maximalen Kerbzugfestigkeit des Bauteils durchgeführt wird.

5. Prüfverfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessenen Signale einer Zerlegung in ein Zeit- Frequenzspektrum zugeführt werden.

6. Prüfverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der emittierten Energie erfasst wird und dass diese Summe mit einem Grenzwert verglichen wird, um auf eine Schädigung schließen zu können.

7. Vorrichtung zur Durchführung eines Prüfverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zumindest einen Sensor aufweist, der in Reihe mit dem Bauteil oder auf dem Bauteil angeordnet ist, das auf durch Wasserstoff bedingte Schädigungen zu prüfen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung wenigstens eine Kraftmessdose aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmessdose in Reihe mit dem Bauteil und/oder dem Sensor angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor nicht unmittelbar an dem Bauteil angeordnet ist und/oder dass der Sensor derart angeordnet ist, dass er bei einer Zerstörung des Bauteils nicht beschädigt wird und/oder keine Beschleunigung erfährt.