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Die Erfindung betrifft einen Probenhalter, eine Probenpräparationsvorrichtung und ein metallographisches Präparationsverfahren.
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In der Werkstoffkunde, insbesondere in der Metallographie, ist es oft notwendig, Längs-, Quer- oder Schrägschliffe von Proben anzufertigen, da sich dadurch das Gefüge mit entsprechenden Mikroskopen oder anderen geeigneten Vorrichtungen untersuchen lässt, wobei die Gefüge vorher zur besseren Sichtbarkeit nach Bedarf angeätzt oder eingefärbt werden können.
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Insbesondere ist es interessant, Zonen von Bauteilen, die unter Wärmeeinfluss standen oder stehen werden bzw. hohen Schwingbelastungen ausgesetzt sein werden, einer Gefügeuntersuchung zu unterziehen. Hierbei stehen vor Allem Schweißnähte im Mittelpunkt des Interesses, da Schweißen eines der wichtigsten thermischen Fügeverfahren ist, mit dem sehr viele Bauteile gefertigt werden. Die genaue Kenntnis der vom Schweißen hervorgerufenen Gefügeveränderungen hilft dabei, geschweißte Bauteile effektiver dimensionieren zu können, Kosten zu sparen und die Betriebssicherheit von geschweißten Bauteilen zu erhöhen. Bei der Untersuchung von Schweißnähten ist es sowohl interessant, das Gefüge in Querrichtung als auch in Längsrichtung zur Schweißnaht zu untersuchen.
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Querschliffe von Schweißnähten können auf einfache und unproblematische Weise mit den bekannten Vorrichtungen und Verfahren zur metallographischen Präparation angefertigt werden, wohingegen Längsschliffe bisher nur mit erhöhtem Aufwand anfertigbar sind. Dies gilt vor Allem für Längsschliffe von langen und schmalen Schweißnähten, wie sie beispielsweise beim Elektrodenstrahl oder Laserschweißen erzeugt werden. Um Gefügeveränderungen in Abhängigkeit einer Radial-Position der Schweißnaht untersuchen zu können, müssen mitunter mehrere Längsschliffe in verschiedenen Ebenen der Schweißnaht angefertigt werden, was auf Grund der genauen notwendigen Positionierung außerordentlich schwierig ist.
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Gemäß dem Stand der Technik wird für solche Untersuchungen eine dünne Probe der zu untersuchenden Schweißnaht in einen Probenträger eingespannt und dieser Probenträger parallel zu einer zu präparierenden Ebene an eine Schleifvorrichtung angepresst. Da die Probe sehr dünn ist, ist die Abtragsrate in der Regel vergleichsweise hoch, was es schwierig macht die gewünschte Lage der zu präparierenden Ebene genau zu „treffen”.
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Die Patentschrift
DD 294 893 A5 beschreibt einen Probenhalter für die Schrägschliffpräparation, der einen Probenteller mit Führungen, in die Probenhalter-Kassetten eingeführt sind, aufweist. Der Probenteller mit Probenhalter-Kassetten wird dann an eine Schleifvorrichtung angepresst. In die Probenhalter-Kassetten wird eine zu präparierende dünne Probe eingespannt und die Kassette weist an ihrer Oberseite eine verschleißfeste Keramik-Fläche auf, die aber nicht über die Probe hinausragt, sie dient also nur als Endanschlag für den Schleifvorgang. Ferner ist der Einspannwinkel der Probe in der Probenhalter-Kassette einstellbar. So kann eine zu präparierende Ebene nur mit begrenzter Genauigkeit angenähert werden, da sich selbst bei geringem Anpressdruck und geringer Geschwindigkeit der Schleifvorrichtung eine vergleichsweise hohe Abtragsrate ergibt, wobei die übermäßige Reduktion von Anpressdruck und Geschwindigkeit der Schleifvorrichtung zu einem nicht zufriedenstellenden Schliffergebnis führt.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Probenhalter bereitzustellen, der günstig herstellbar ist, mit dem sich Längsschliffe von Schweißnähten genauer als bisher positionieren lassen und der die Kosten für die Schliffherstellung reduziert.
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Diese Aufgabe wird durch einen Probenhalter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Ferner ergibt sich die Aufgabe, eine Probenpräparationsvorrichtung bereitzustellen, die es erlaubt, mit einer Schleifvorrichtung Längsschliffe von Schweißnähten an einer genau definierten Position anzufertigen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Probenpräparationsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
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Schließlich ergibt sich noch die Aufgabe ein metallographisches Präparationsverfahren bereitzustellen, das die Erstellung von genau positionierten Längsschliffen von Schweißnähten mittels einer Schleifvorrichtung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch ein metallographisches Präparationsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
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Weiterbildungen der Vorrichtungen und des Verfahrens sind jeweils in den Unteransprüchen ausgeführt.
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Eine erste Ausführungsform bezieht sich auf einen Probenhalter für eine Schleifvorrichtung mit einem Grundkörper, der einen zu einer Oberseite geöffneten Probeaufnahme-Spalt aufweist, und mit einer Spannvorrichtung zum Verspannen einer Probe in dem Probeaufnahme-Spalt. An der Oberseite des Grundkörpers sind mehrere auswechselbare Opfer-Anschlagelemente angeordnet, die in Bezug zur Oberseite in Normalenrichtung höhenverstellbar sind. Ferner verläuft eine Schleifebene parallel zu der durch die durch die Opfer-Anschlagelemente gebildete Ebene.
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Durch die höhenverstellbaren Opfer-Anschlagelemente kann die Ebene, die zu präparieren ist, genau positioniert werden. Die Opfer-Anschlagelemente werden während des Präparationsprozesses zumindest teilweise abgetragen und sind deswegen auswechselbar. Damit kann nunmehr eine zu präparierende Ebene genau getroffen werden, da sich die Abtragsrate nahezu unbegrenzt reduzieren lässt und es nicht zu einer übermäßigen Reduktion von Anpressdruck und/oder Geschwindigkeit der Schleifvorrichtung kommt. Mit dem erfindungsgemäßen Probenhalter ergibt sich daher ein zufriedenstellendes Schliffergebnis.
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Mit dem Probenhalter der vorliegenden Erfindung wird die Abtragsrate dadurch reduziert, dass die Opfer-Anschlagelemente zusammen mit der Probe abgetragen werden, wodurch sich sehr niedrige Abtragsraten realisieren lassen und somit genügend Zeit zur Kontrolle der aktuellen Position der Schliffebene bleibt. Durch die geringere Abtragsrate muss die Position der Schliffebene weniger häufig kontrolliert werden, wodurch sich die Kosten der Schliffherstellung deutlich reduzieren. Ferner lässt sich ein erfindungsgemäßer Probenhalter aufgrund seiner Einfachheit auch kostengünstig herstellen.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die Opfer-Anschlagelemente in Randbereichen des Grundkörpers angeordnet. Für ein gleichmäßiges Ergebnis beim Schleifen wird vorgeschlagen, die Opfer-Anschlagelemente paarweise jeweils beidseitig des Spalts vorzusehen. Es ist vorteilhaft, wenn die Opfer-Anschlagelemente zumindest in den Randbereichen angeordnet sind, da so eine bestmögliche Führung des Probenhalters im Betrieb mit einer Material-Abtragsvorrichtung, die möglichem Kippen entgegen wirkt, und somit eine gute Schliffqualität erreicht werden kann. „Paarweise beidseitig des Spalts” soll dabei bedeuten, dass ein Opfer-Anschlagelemente-Paar jeweils durch zwei Opfer-Anschlagelemente gebildet wird, von denen je eines auf einer Seite des Spaltes und das andere auf der anderen Seite des Spaltes vorliegt.
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In einer noch weiteren Ausführungsform sind die auswechselbaren Opfer-Anschlagelemente Schrauben, die in Gewinde, insbesondere in Feingewinde, die eine besonders gute Justierung erlauben, von der Oberseite aus in den Grundkörper eingeschraubt sind.
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Schrauben sind als Massenbauteil in vielen Ausgestaltungen, Härtegraden und zu günstigen Kosten verfügbar, wodurch ein erfindungsgemäßer Probenhalter auch geringe Betriebskosten aufweist. Die Verwendung von Schrauben und korrespondierenden Gewinden mit Feingewinde, d. h., Gewinden mit einer kleinen Gewindesteigung, stellt eine sehr genaue Positionierbarkeit der Opfer-Anschlagelemente sicher. Im Betrieb mit einer Schleifvorrichtung werden die Schrauben als Opfer-Anschlagelemente teilweise abgetragen, wobei die Schrauben nur im Bereich des Kopfes abgetragen werden, so dass diese nach dem Abtragen noch ausdrehbar sind.
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Darüber hinaus kann sich der Probeaufnahme-Spalt in einer Längsrichtung zumindest bis zu einem Ende des Grundkörpers erstrecken, wobei mit „Längsrichtung” die Längsrichtung des Spalts gemeint ist.
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Dies bedeutet, dass der Probeaufnahme-Spalt zumindest von einer Seitenfläche einsehbar ist, d. h., dass er sich bis zumindest einem Ende des Grundkörpers erstreckt. Es kann sich bei dem Probeaufnahme-Spalt also um eine offene Nut, die in die Oberseite eingebracht ist und die sich beidseitig zu den Enden des Grundkörpers erstreckt, handeln, wobei eine offene Nut besonders vorteilhaft ist, da die Herstellung in diesem Fall sehr einfach und kostengünstig möglich ist.
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Darüber hinaus kann die Spannvorrichtung durch eine Mehrzahl von Spannelementen, insbesondere Schrauben, gebildet werden, die in Bohrungen, die sich von einer Seitenfläche des Grundkörpers aus normal zu einer Seitenfläche des Spalts erstrecken, aufgenommen sind.
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Die Bohrungen bzw. die Gewinde erstrecken sich hierbei von der Seitenfläche des Grundkörpers bis in den Probeaufnahme-Spalt hinein, d. h., sie treten auf einer Seitenfläche des Spalts wieder aus. Die Spannelemente liegen eingeführt in diesen Bohrungen bzw. Gewinden vor und üben in einem verspannten Zustand eine Kraft von dem Grundkörper auf eine in den Probeaufnahme-Spalt des Grundkörpers einsteckbare Probe aus, wodurch diese im Probeaufnahme-Spalt verspannt wird. Als Spannelemente können neben Schrauben sämtliche dem Fachmann bekannte Spannelemente wie z. B. Federelemente verwendet werden, mit denen dieselbe Wirkung erzielt werden kann. Die Gewinde bzw. Bohrungen können selbstverständlich, wenn es sinnvoll erscheint, nicht nur normal, sondern in einem Winkel bezüglich einer Seitenfläche des Probeaufnahme-Spalts verlaufen, wobei ein normaler Verlauf als vorteilhaft angesehen wird, um die Probe zentrisch und mit maximaler Klemmkraft zu verspannen.
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Ferner können die Opfer-Anschlagelemente eine vorbestimmte Härte aufweisen, die größer ist als die Härte vorbestimmter und in dem Probenhalter zu verspannender Proben.
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Es ist also vorgesehenen, dass die Opfer-Anschlagelemente eine größere Härte aufweisen als die in dem Probenhalter zu verspannenden Proben, was vorteilhaft ist, da auf diese Weise die auf die Probe „wirkende” Abtragsrate möglichst effektiv gemindert werden kann und ferner der Verschleiß an Opfer-Anschlagelementen minimiert wird.
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Eine erste Ausführungsform einer Probenpräparationsvorrichtung zur Anfertigung von Längsschliffen umfasst einen erfindungsgemäßen Probenhalter und eine Schleifvorrichtung mit einem Schleifteller. Der Schleifteller liegt hierbei parallel zu der durch die durch die Opfer-Anschlagelemente gebildete Ebene, wobei die Opfer-Anschlagelemente in einer vorbestimmten Höhe derart eingestellt sind, dass sie eine Höhe überragen, die einer Höhe einer zu präparierende Ebene einer in den Probeaufnahme-Spalt einspannbaren Probe entspricht.
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Durch die Ausrichtung der zu präparierenden Ebene in einem nicht-präparierten Zustand der Probe unterhalb der Opfer-Anschlagelemente wird erreicht, dass die Abtragsrate vor dem Erreichen der zu präparierenden Ebene rechtzeitig klein genug ist, damit beispielsweise durch regelmäßige Kontrollen des Bedienpersonals ein möglichst genaues „Treffen” besagter zu präparierender Ebene möglich ist. Dies wird dadurch erreicht, dass ab dem Moment in dem die Opfer-Anschlagelemente und die Probe koplanar ausgerichtet sind, nicht nur die Probe, sondern zusätzlich die Opfer-Anschlagelemente abgetragen werden, was bei gleichbleibender Geschwindigkeit der Schleifvorrichtung und gleichbleibendem Anpressdruck eine Reduktion der Abtragsrate der Probe zur Folge hat. Demnach kann die Außenkontur der Probe erfindungsgemäß vor Beginn eines Schleifvorgangs über die Opfer-Anschlagelemente hinausragen, um anschließend zunächst auf die Höhe der Opfer-Anschlagelemente „zurechtgeschliffen zu werden”, was vorteilhaft ist, wenn es sich etwa um eine Probe mit schräger oder zerklüfteter Oberfläche handelt, da so zunächst eine korrekt bezüglich der Opfer-Anschlagelemente positionierte Schliffebene erzeugt werden kann. Außenkontur soll hierbei in Bezug auf eine Seitenansicht auf das Probenpräparationsvorrichtung von einer Seitenfläche des Grundkörpers aus zu verstehen sein.
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Als Schleifvorrichtung kann hierbei der erwähnte Schleifteller oder ein Schleifband zum Einsatz kommen, oder es handelt sich um eine Poliervorrichtung oder eine Läppvorrichtung oder jede andere dem Fachmann bekannte Schleifvorrichtung, die geeignet ist dieselbe Wirkung zu erzielen.
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Das erfindungsgemäße metallographische Präparationsverfahren unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Probenpräparationsvorrichtung umfasst die Schritte:
- a) Bereitstellen und Verspannen einer Probe in den Probenhalter der Probenpräparationsvorrichtung,
- b) Einstellen der Opfer-Anschlagelemente, so dass sie eine zu präparierende Ebene der Probe überragen,
- c) In Gang Setzen der Schleifvorrichtung,
- d) Aufsetzen und Anpressen der Probenpräparationsvorrichtung auf den Schleifteller der Schleifvorrichtung,
- e) Abtragen der Probe unter konstantem Anpressdruck bis die Opfer-Anschlagelemente an dem Schleifteller anliegen,
- f) Weiteres Abtragen der Probe, dabei auch Abtragen der Opfer-Anschlagelemente,
- g) Fortwährende Kontrolle des Abtrags in vorbestimmten Zeitabständen, wobei das Verfahren beendet wird, sobald ein Sollabtrag erreicht ist.
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Die Höhe der zu präparierenden Ebene der Probe hängt im Einzelfall beispielsweise von der radialen Position des Abschnitts der Schweißnaht ab, der präpariert werden soll. Die zu präparierende Oberfläche liegt dabei unterhalb der von der Opfer-Anschlagelementen gebildeten Ebene, um eine langsame Annäherung an diese zu präparierende Ebene zu ermöglichen. Im Schritt e) wird eine Probe mit eventuell schräger oder zerklüfteter Oberfläche so „zurechtgeschliffen”, dass eine brauchbare Schliffebene erzeugt wird, die relativ zu der durch die Opfer-Anschlagelemente vorgegebene Ebene korrekt, d. h., parallel dazu, positioniert ist. Im Schritt f) reduziert sich die Abtragsrate der Probe signifikant, da ab einem Zeitpunkt, an dem die Probe und die Opfer-Anschlagelemente koplanar vorliegen, die Probe und die Opfer-Anschlagelemente gleichzeitig abgetragen werden, was bei einer Beibehaltung der Geschwindigkeit der Schleifvorrichtung und des Anpressdrucks eine reduzierte Abtragsrate der Probe zur Folge hat.
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Alternativ kann die Probenpräparationsvorrichtung zur Kontrolle des Abtrags im Schritt g) aus der Materialabtrags-Vorrichtung entnommen werden und die Kontrolle optisch durch seitliches Einblicken in den Probeaufnahme-Spalt durchgeführt werden.
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Eine Gestaltung des Spalts derart, dass er sich bis zu mindestens einem Ende des Grundkörpers des Probenhalters erstreckt, ermöglicht eine einfache Kontrolle der momentanen Schliffebene und eine Abschätzung der weiteren zur Erreichung der zu präparierenden Ebene notwendigen Schleifdauer.
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Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt. Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
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Dabei zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht eines Probenhalters mit verspannter Probe,
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2 eine Seitenansicht eines Probenhalters mit verspannter Probe.
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In 1 ist ein Probenhalter 1 und eine darin verspannte Probe 2 zu erkennen. Der Probenhalter 1 besteht aus einem Grundkörper 11, Opfer-Anschlagelementen 3 und einer Spannvorrichtung 4. In den Grundkörper 11 ist ein Probeaufnahme-Spalt 111, der sich zu beiden Enden des Grundkörpers 11 erstreckt, eingebracht, in dem die Probe 2 eingesteckt ist. Zum Präparieren der Probe 2 soll der Probenhalter 1 mit der Oberseite 112 auf eine Schleifvorrichtung gepresst werden, wobei die Probe 2 und die Opfer-Anschlagelemente 3 abgetragen werden. Die Probe 2 ist durch eine Spannvorrichtung 4, die aus drei von der Seitenwand 113 aus in den Grundkörper eingeschraubten Schrauben 4' besteht, in dem Probeaufnahme-Spalt 111 verspannt. In den Probeaufnahme-Spalt 111 kann, da er sich zu beiden Enden des Grundkörpers 1 erstreckt, komfortabel eingeblickt werden, um die Position einer aktuellen Schliffebene der Probe und die Lage einer zu präparierenden Ebene P zu sichten und den weiteren Fortgang der Präparation zu planen. Die Gewindebohrungen, in denen die Schrauben 4' eingeschraubt sind verlaufen normal zur Seitenwand 113 und treten auch normal wieder aus der Seitenwand 111' des Spalts 111 aus. An der Oberseite 112 des Grundkörpers sind vier Opfer-Anschlagelemente 3, hier in Form von Schrauben 3, angeordnet, die in Gewindebohrungen, die sich von der Oberseite aus normal in den Grundkörper erstrecken, eingeschraubt sind, wobei die Schraubenköpfe hierbei versenkbar ausgebildet sind. Die Opfer-Anschlagelemente 3 sind paarweise jeweils auf beiden Seiten des Spalts 111 angeordnet, wobei diese zumindest in den Randbereichen 112' der Oberseite 112 angeordnet sind. Es ist grundsätzlich aber auch möglich, dass zwischen den Randbereichen weitere Opfer-Anschlagelemente-Paare 3 angeordnet sein können, was in der Figur nicht dargestellt ist, oder es handelt sich um flächige Opfer-Anschlagelemente 3, die z. B. plattenförmig austauschbar auf der Oberseite angebracht sein können. Ferner ist vorteilhaft, wenn es sich bei den Gewindebohrungen für die Opfer-Anschlagelemente 3 um Feingewinde handelt, da dann die Höheneinstellung sehr genau vorgenommen werden kann.
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Figurativ nicht dargestellt ist, dass der Grundkörper 1 auch nicht-quaderförmig sein kann, wobei dann die Schrauben 4' der Spannvorrichtung nicht zwangsläufig normal in den Grundkörper 1 eintreten, aber vorteilhaft normal aus der Seitenwand 111' des Spalts 111 austreten, um eine zentrische Verspannung der Probe 2 mit maximaler Klemmkraft zu ermöglichen.
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In der 2 ist eine Seitenansicht auf die der Spannvorrichtung 4 abgewandte Seitenfläche 113 des Probenhalters 1 dargestellt. Die Probe 2 ragt hierbei gänzlich über die Opfer-Anschlagelemente 3 hinaus, d. h., sie befindet sich in einem noch nicht präparierten Zustand. Wird der Probenhalter 1 zum Präparieren der Probe 2 auf eine Schleifvorrichtung angepresst, so wird zunächst nur die Probe 2 abgetragen, wobei eine schräge bzw. wellige Oberfläche geglättet wird und sich eine Schliffebene einstellt, die parallel zur zu präparierenden Ebene P liegt, wobei die zu präparierende Ebene P wiederum parallel zu einer durch die Opfer-Anschlagelemente gebildete Ebene liegt. Die zu präparierende Ebene P, die z. B. einen Längsschnitt durch eine Schweißnaht beinhaltet, liegt unter den Opfer-Anschlagelementen 3, was bedeutet, dass zur Erreichung dieser Ebene die Schrauben 3 während des Präparationsvorgangs auch abgetragen werden, wodurch sich die Abtragsrate der Probe 2 verringert und so die zu präparierende Ebene P durch eine Kontrolle in vorbestimmten Zeitabständen sehr genau „getroffen” werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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