DE19601788C1

DE19601788C1 - Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung von Bruchparametern bei einer Hochtemperaturwerkstoffprüfung

Info

Publication number: DE19601788C1
Application number: DE1996101788
Authority: DE
Inventors: Otto Schack
Original assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Current assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Priority date: 1996-01-19
Filing date: 1996-01-19
Publication date: 1997-07-24
Anticipated expiration: 2016-01-20

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungs losen Erfassung von Bruchparametern wie der Lastpunkt verschiebung V_LL und der Rißspitzenverschiebung δ bei einer Hochtemperaturwerkstoffprüfung, bei der eine in einer beheizbaren Kammer angeordnete, mit Markierungs stiften versehbare Werkstoffprobe mittels die Kammer durchquerenden Laserlichts beaufschlagt wird, wobei die Markierungsstifte, die sich im Laufe der mechanischen Beaufschlagung der Werkstoffprobe verschieben, eine Unterbrechung des Lichts erzeugen, deren zeitliche Länge ein Maß zur Bestimmung der Bruchparameter ist.

Eine Vorrichtung ähnlicher Art ist bekannt (JP 3-144343 (A) In: Pat. Abstr. of Japan, Sect. P, Vol. 15 (1991) Nr. 368 (P-1253)). Mit der bekannten Vorrichtung soll eine wärmebeständige Substanz in einem erwärmten Zustand präzise gemessen und untersucht werden. Dabei wird die Substanz in einen elektrisch beheizbaren Ofen überführt, der mittels einer Vakuumpumpe evakuiert wird, wobei dann ein Argongas in den Innenraum des Ofens gegeben wird. Das Vorsehen von Argongas im Innenraum des Ofens nach seiner Evakuierung soll der Verschlechterung der Meßge nauigkeit des Laserlichtstrahles entgegenwirken. Eine Verschiebung der Substanz bzw. der Meßprobe aufgrund einer von außen zugeführten Kraft wird durch einen Laserlichtstrahl ermittelt, der durch zwei gegenüber liegende Fenster aus wärmebeständigem Glas, die im Ofen gegenüberliegend ausgebildet sind, hindurchgeleitet wird, wobei die Ablenkung bzw. Störung des Laserlicht strahls in Abhängigkeit der Substanz bzw. der Probe erfaßt wird.

Bekannte Meßglieder von Wegmeßsystemen, wie sie bei spielsweise für den Einsatz in Bruchmechanikversuchen im Zusammenhang mit einer Werkstoffprüfung verwendet werden, sind regelmäßig nur in einem eingeschränkten Temperaturbereich einsetzbar. Bei der Hochtemperatur werkstoffprüfung ist es deshalb nötig, die zu messenden Wege von der warmen Werkstoffprobe, die sich in einer Wärmekammer befindet, durch die Kammerwand hindurch in einen Bereich mit Raumtemperatur zu übertragen und dort zu messen. Diese Übertragung der zu messenden Wege erfolgt, wie erwähnt, mittels Laserlichts bei einer bekannten Vorrichtung gemäß der eingangs genannten Art.

Dabei werden an der zu untersuchenden Werkstoffprobe in der sogenannten Lastlinie und an der sogenannten Ermü dungsanrißspitze kleine Stifte als Meßpunkte befestigt, und zwar ähnlich dem Prinzip, wie es für Normaltempera turmeßaufnehmer in Normaltemperaturumgebung der Fall ist. Derartige Normaltemperaturmeßgeber sind beispiels weise in der DE-Gbm 88 03 392 oder DE-Gbm 89 06 973 beschrieben.

Bei der Hochtemperaturwerkstoffprüfung befindet sich die Werkstoffprobe in der erwärmbaren Kammer, wobei das Laserlicht durch das besagte eine Fenster der Kammer streifend an der Werkstoffprobe entlanggeführt wird und ein Teil des Laserlichts wiederum durch das besagte weitere Fenster in der Kammer austritt und auf einen Laserempfänger gelangt. Durch Parallelverschiebung des Laserlichts bzw. Laserstrahls entlang der Probenseite erzeugen die Stifte der Probe einen entsprechenden Schatten. Aus der benötigten Zeit für die Verschiebung zwischen den Schatten der Stifte wird mit einer be kannten Geschwindigkeit der Parallelverschiebung des Laserstrahls der Abstandschatten und somit der Abstand der Meßpunkte an der Probe bestimmt.

Bei einer erwärmten Werkstoffprobe innerhalb der Kammer beispielsweise auf 1000°C gerät der Laserstrahl inner halb der Kammer sehr stark ins Schwingen, beispielsweise bei der vorgenannten Innentemperatur der Kammer um ca. 100 Mikrometer. Dehnungsgeregelte Versuche von Werk stoffproben bei diesem oder ähnlichem Hochtemperaturni veau werden derart durchgeführt, daß dabei Dehnungsge schwindigkeiten 1 Mikrometer pro Stunde eingestellt werden. Der durch den Temperatureinfluß im Inneren der Kammer stark ins Schwingen geratene Laserstrahl wird durch diesen durch die erwärmten Luftmoleküle bedingten Effekt abgelenkt, was zu erheblichen, nicht tolerablen Meßungenauigkeiten führt.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der das Schwingen des Laserstrahls im Inneren der Kammer weitgehend vermieden wird, so daß die Messung der Bruchparameter mit hoher Präzision und guter Reprodu zierbarkeit bei Temperaturen bis zu 1000°C und höher in der unmittelbaren Umgebung der Werkstoffprobe erfolgen kann, wobei die Vorrichtung einfach und kostengünstig realisierbar sein soll.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß das die Kammer durchquerende Laserlicht bis unmittelbar in den Bereich der Werkstoffprobe in einem rohrförmigen Element mit lichttransparenter Lichteintrittsfläche und lichttransparenter Lichtaustrittsfläche geführt wird, wobei im rohrförmigen Element ein Vakuum ausgebildet ist.

Der wesentliche Vorteil ist der, daß bekannte Vorrich tungen zum berührungslosen Erfassen von Bruchparametern bei der Hochtemperaturwerkstoffprüfung lediglich dahin gehend modifiziert werden müssen, daß Sorge dafür getragen wird, daß das Laserlicht bzw. der Laserstrahl in der Kammer bis unmittelbar in den Bereich der Werk stoffprobe im Vakuum geführt wird, d. h. wenig Luftmole küle in diesem Bereich vorhanden sind, die durch den Temperaturgradienten ins Schwingen geraten und dadurch den Laserstrahl ablenken, wobei die Führung des Laser lichts im Vakuum unmittelbar bis in den Bereich der Probe in der Kammer vorteilhafterweise dadurch erfolgt, daß das Laserlicht in dem rohrförmigen Element mit lichttransparenter Lichtaustrittsfläche und lichttrans parenter Lichteintrittsfläche geführt wird, d. h. das notwendige Vakuum wird lediglich in dem rohrförmigen Element erzeugt bzw. ausgebildet.

Grundsätzlich kann das rohrförmige Element aus belie bigen geeigneten Werkstoffen bestehen, so lange die Lichttransparenz der Lichteintrittsfläche und der Lichtaustrittsfläche gewährleistet ist. Vorteilhafter weise ist dabei des rohrförmige Element aus Quarzglas ausgebildet, das hochtemperaturstabil ist und verhält nismäßig einfach und kostengünstig bereitstellbar ist.

Die lichttransparenten Lichteintritts- und Lichtaus trittsflächen können ebenfalls aus beliebigen geeigneten Werkstoffen hergestellt sein, die eine hohe Licht transparenz gewährleisten. Es hat sich jedoch als vorteilhaft herausgestellt, dafür ein Quarzglas zu verwenden, das unter dem Markennamen bzw. der Produkt bezeichnung "Herasil" bekannt ist. Dieses Quarzglas ist auch bei den hohen Temperaturen, wie sie für die hier beschriebenen Hochtemperaturwerkstoffprüfungsversuche im Inneren der Kammer herrschen, für Laserlicht in hohem Maße lichttransparent, so daß dadurch keine Ablenkungen des Laserstrahls und nur eine geringe Durchtrittsdämpfung zu erwarten ist.

Bei einer noch anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist wenigstens ein außerhalb der Kammer liegender Bereich des rohrförmigen Elementes temperier bar ausgebildet, so daß sich dieser Bereich des rohrförmigen Elementes nicht über eine vorbestimmbare Temperatur hinaus erwärmen kann. Als Temperierungsmittel eignen sich grundsätzlich beliebige geeignete Stoffe, das Temperierungsmittel ist jedoch vorteilhafterweise ein Fluid und dieses insbesondere vorteilhafterweise Wasser.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die nach folgenden schematischen Zeichnungen anhand eines Aus führungsbeispieles eingehend beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Darstellung eines schematischen Aufbaus der Vorrichtung,

Fig. 2 den Verlauf einer Messung einer Werkstoffprobe zur Ermittlung von Bruchparametern über die Zeit mit einer über die Dehnung von 10 µm/h geregelten Prüfgeschwindigkeit bei einer Temperatur von 700°C im Inneren der Kammer ohne Führung des Laserlichts im Vakuum bis unmittelbar in den Bereich der Probe und

Fig. 3 den Verlauf einer Messung einer Werkstoffprobe zur Ermittlung von Bruchparametern über die Zeit mit einer über die Dehnung von 10 µm/h geregelten Prüfgeschwindigkeit bei einer Temperatur von 700°C im Inneren der Kammer mit Führung des Laserlichts im Vakuum bis unmit telbar in den Bereich der Probe.

Die Vorrichtung 10 besteht im wesentlichen aus einer Kammer 11, in der auf an sich bekannte Weise eine Werkstoffprobe 12 angeordnet ist, die von Außen über hier nicht dargestellte Mittel auf bekannte Weise zur Ermittlung der Bruchparameter wie beispielsweise der Lastpunktverschiebung V_LL und der Rißspitzenverschiebung δ gedehnt wird. Auf der Werkstoffprobe 12 sind auf ebenfalls an sich bekannte Weise Markierungsstifte 13 angeordnet, die bei Nicht-Hochtemperaturwerkstoffprü fungsuntersuchungen Angriffspunkte für mechanische Wegaufnehmer sind, und hier ebenfalls Bezugspunkte für die durchzuführende Messung sind, hier allerdings mittels Laserlicht 14, was im einzelnen noch weiter unten beschrieben wird.

Die Kammer 11, vielfach in diesem Zusammenhang auch als Ofen bezeichnet, wird durch hier nicht gesondert darge stellte Mittel beheizt, so daß im Innenraum 110 der Kammer 11 Temperaturen bis zu 1000°C, aber auch darüber hinaus erzeugt werden können. Gemäß der Darstellung von Fig. 1 an den gegenüberliegenden Seitenwänden ist die Kammer 110 mit Öffnungen versehen, in die auf beiden Seiten jeweils rohrförmige Elemente 17 im wesentlichen gegenüber dem Innenraum der Kammer 110 eingesetzt sind, wobei die beiden rohrförmigen Elemente 17 in wesent lichen einen gleichen Aufbau haben. Der Mantel des rohrförmigen Elements 17 besteht hier aus Quarzglas wohingegen die beiden Stirnflächen des rohrförmigen Elementes, die jeweils eine Lichtaustrittsfläche 19 und eine Lichteintrittsfläche 18 bilden, durch einen laserlichttransparenten Werkstoff, beispielsweise Quarzglas, verschlossen sind. Dieses Quarzglas, das unter dem Handelsnamen oder dem Markennamen "Herasil" bekannt ist, ist auch bei hohen Umgebungstemperaturen für Laserlicht uneingeschränkt lichttransparent. Beide Seiten der Lichteintrittsflächen 18 bzw. der Lichtaus trittsflächen 19 sind normalerweise poliert. Im Innen raum des rohrförmigen Elementes 17 herrscht Vakuum. In den jeweiligen Achsverlängerungen der beiden rohrförmigen Elemente 17, die selbst wiederum axial zueinander in der Kammer 11 angeordnet sind, befinden sich auf der einen Seite ein Lasersender 15 und auf der anderen Seite der Kammer ein Laserempfänger 16. Wenig stens der außerhalb der Kammer 11 jeweils liegende Bereich 20 der rohrförmigen Elemente 17 kann temperiert werden, und zwar beispielsweise mittels eines flüssigen Temperierungsmittels 20 in Form von Wasser oder mittels eines beliebigen anderen Temperierungsmittels. Dadurch können die außerhalb der Kammer 11 liegenden Bereiche 20 der rohrförmigen Elemente 17 auf einer vorbestimmbaren niedrigeren Temperatur gehalten werden, als der im Inneren der Kammer 11 des liegenden Bereichs der rohrförmigen Elemente 17.

Bei dem Beispiel gemäß den Fig. 1 bis 3 wird ein Lasersender 15 verwendet, der nach dem sogenannten Licht-Scannermeßverfahren arbeitet, wobei das Laserlicht 14 hier beispielsweise durch einen HeNe-Laser mit 1,3 mW Ausgangsleistung und einer Wellenlänge von 632,8 nm arbeitet. Der Lasersender 15 erzeugt mittels eines rotierenden Spiegels und einer speziellen Linse ein Lichtband. Dieses Lichtband ist in Wirklichkeit ein parallel zu sich selbst verschobener Laserstrahl mit einem Durchmesser von 0,8 mm, der sich 125 mal in der Sekunde über den gesamten Meßbereich bewegt, und zwar mit einer Strahlbreite von 55,9 mm.

Eine hier nicht dargestellte elektronische Auswerteein richtung erzeugt den Mittelwert der 125 Messungen als Meßergebnis, vgl. Fig. 2 und 3. Alle Genauig keitsangaben beziehen sich auf 1 Sekunde Meßdauer. Der Meßbereich in der Strahlmitte des Laserlichts bzw. Laserstrahls 14 beträgt 1,0 mm bis 50,8 mm. Der Laser empfänger 16 empfängt das einfallende Licht auf einem Detektor, der es in ein elektrisches Signal umwandelt.

Die in das Lichtband des Laserlichtes bzw. Laserstrahles 14 eingebrachten Markierungsstifte 13 auf der Werk stoffprobe 12 erzeugen einen zeitlich begrenzten Schat ten 21 und dadurch eine Unterbrechung des Signals. Aus der Zeitdauer dieser Unterbrechung wird in der er wähnten, hier nicht dargestellten elektronischen Aus werteeinrichtung das zu bestimmende Maß der zu ermit telnden Bruchparameter ermittelt.

Dadurch, daß das die Kammer 11 in Form eines Strahls ausgebildete Laserlicht 14 bis unmittelbar in den Bereich der Probe 12 im evakuierten rohrförmigen Element 17 im Vakuum geführt wird, im Innenraum der rohrförmigen Elemente 17 somit wenig Luftmoleküle vorhanden sind, die das Laserlicht 14 zum Schwingen bringen können, wird erfindungsgemäß ein hohes Maß an Meßgenauigkeit er reicht.

Bezugszeichenliste

10 Vorrichtung
11 Kammer
110 Innenraum
12 Probe
13 Markierungsstift
14 Laserlicht
15 Lasersender
16 Laserempfänger
17 rohrförmiges Element
18 Lichteintrittsfläche
19 Lichtaustrittsfläche
20 Bereich (außerhalb der Kammer)
21 Schatten
22 Temperierungsmittel

Claims

1. Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung von Bruch parametern wie der Lastpunktverschiebung V_LL und der Rißspitzenverschiebung δ bei einer Hochtemperaturwerk stoffprüfung, bei der eine in einer beheizbaren Kammer angeordnete, mit Markierungsstiften versehbare Werk stoffprobe mittels die Kammer durchquerenden Laserlichts beaufschlagt wird, wobei die Markierungsstifte, die sich im Laufe der mechanischen Beaufschlagung der Werkstoff probe verschieben, eine Unterbrechung des Laserlichts erzeugen, deren zeitliche Länge ein Maß zur Bestimmung der Bruchparameter ist, dadurch gekennzeichnet, daß das die Kammer (11) durchquerende Laserlicht (14) bis unmittelbar in den Bereich der Werkstoffprobe (12) in einem rohrförmigen Element (17) mit lichttransparenter Lichteintrittsfläche (18) und lichttransparenter Licht austrittsfläche (19) geführt wird, wobei im rohrförmigen Element (17) ein Vakuum ausgebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Element (17) aus Quarzglas ausge bildet ist.

3. Vorrichtung nach einem oder beiden der Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die lichttranspa renten Lichteintritts- und Lichtaustrittsflächen (18, 19) aus Quarzglas (Herasil) bestehen.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein außer halb der Kammer (11) liegender Bereich (20) des rohrförmigen Elementes (17) temperierbar ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Temperierungsmittel (22) ein Fluid ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid Wasser ist.