DE69412829T2 - Ermüdungsbestimmung metallischen Materials oder Verbindungsbeurteilung durch Messung von Dämpfungskonstanten - Google Patents

Description

• Es gibt zahlreiche Anwendungen, bei welchen metallische Materialien wegen ihrer Festigkeit und Beständigkeit verwendet werden und daher Belastungen, (mechanische) Beanspruchungen und mechanischen Sparinnungen bzw. Verformungen sowie anderen Kräften ausgesetzt werden, die im Verlaufe der Zeit dazu tendieren können, das Material zu ermüden und für das Risiko eines katastrophalen Versagens zu sorgen. Es wäre höchst wünschenswert, wenn man diese diskreten metallischen Teile in situ auf ihren Ermüdungszustand hin überprüfen könnte, so daß sie vor einem derartigen katastrophalen Versagen ersetzt oder erneuert werden könnten. In noch anderen Fällen, und insbesondere für kritische Anwendungen, die die Gesundheit und Sicherheit betreffen, wurden Normen für das routinemäßige Testen bestimmter metallischer Teile aufgestellt, bevor diese in Betrieb genommen wurden, um sich gegen ein solches Versagen des Teils abzusichern. Bei diesen Anwendungen wurden Verfahren entwickelt und sind auch im Stand der Technik verfügbar, um solche Tests durchzuführen. Diese schließen etwa die Durchleuchtung mit Röntgenstrahlen, zerstörende Prüfverfahren aus einem Ganzen bzw. aus einer Charge ausgewählter Teile, etc. ein, Maßnahmen, die alle ebenso im Stand der Technik bekannt ist. Allerdings sind diese Verfahren alle mit gewissen Nachteilen verbunden, wie die Kosten, die Unvorteilhaftigkeit und in einigen Fällen das Versagen, völlig die Möglichkeit eines vorzeitigen Versagens des Teils auszuschalten. Noch ein weitere Situation, in welcher diese Arten von Ermüdungstests durchgeführt werden, betreffen zahlreiche Fälle, wo Materialien oder Teile geschweißt werden und die Unversehrtheit der Schweißstelle geprüft werden muß, bevor die Gerätschaft in Betrieb genommen wird. Eine spezielle Anwendung, unter vielen, beinhaltet die staatlichen Sicherheitsstandards, die den Bau von Kernkraftwerken regeln. Bestimmte Schweißstellen bei bestimmter kritischer Gerätschaft, die sich innerhalb der Anlage befindet, werden Röntgenstrahlen und anderen Arten von Tests unterworfen, um deren Unversehrtheit zu überprüfen, bevor die Anlage in Betrieb genommen wird. Ein Kernkraftwerk stellt vielleicht ein extremes Beispiel eines möglichen Schadens dar, welcher nicht nur die dabei betroffenen Menschen treffen könnte, sondern die gesamte Öffent lichkeit, sollte ein kritisches Gerätschaftsteil vorzeitig Schaden nehmen bzw. versagen. Es gibt unzählige andere Anwendungen, die vielleicht nicht als so kritisch angesehen werden, die aber ebenfalls in bezug auf die Gesundheit und Sicherheit zahlreicher Menschen von Bedeutung sind, einschließlich der gesamten Öffentlichkeit.
• Trotz der Tatsache, daß Ermüdungstests schon einige Zeit lang durchgeführt wurden und das Verhältnis der Dämpfung zu der Ermüdung schon einige Zeit bekannt ist, sind dem Erfinder keine weiteren Bemühungen im Stand der Technik bekannt, sich das Verhältnis der Dämpfung zu der Ermüdung auf dem Sektor der Ermüdungstests zunutze zu machen. Zum Beispiel wurde in einer Abhandlung von B. J. Lazan, "Energy Dissipation Mechanismus in Structures, with Particular Reference to Material Damping", Seiten 1-34 (siehe insbesondere Seite 27), vorgestellt auf einem Colloquium über Strukturdämpfung auf der jährlichen ASME-Versammlung in Atlantic City, New Jersey im Dezember 1959, das Phänomen der "bleibenden Dehnung" bzw. des "Dehnungsrestes" untersucht. Insbesondere wurde das Dämpfen als ein Parameter zur Bestimmung der gegenseitigen Beziehung zwischen der Beanspruchungsvorgeschichte und der, Beanspruchungsamplitude als Mechanismen für die Beeinflussung der bleibenden Dehnung bei einem Material verwendet. In der Abhandlung kam man zu der Schlußfolgerung, daß bei geringen Beanspruchungen und mittleren Beanspruchungen, innerhalb einer 1-50%igen Ermüdungsgrenze, das Dämpfen nicht durch die Beanspruchungsvorgeschichte des Materials beeinflußt wurde. Demgegenüber spielte bei hohen Beanspruchungen, typischerweise oberhalb der 50%igen Ermüdungsgrenze, wo eine starke Dämpfung der bleibenden Dehnung festgestellt werden kann, die Beanspruchungsvorgeschichte eine gewisse Rolle, was den Einfluß auf die bleibende Dehnung angeht, wie durch den Dämpfungsfaktor gemessen. Anderes ausgedrückt, es wurden Daten präsentiert, die ein Indiz dafür sind, daß bei geringer und mittlerer Beanspruchung der Dämpfungsfaktor sich nicht mit der Zahl an Ermüdungszyklen verändert. Allerdings nimmt oberhalb einer kritischen Beanspruchung die Dämpfung mit der Zahl der Ermüdungszyklen zu, womit gezeigt ist, daß die Beanspruchungsvorgeschichte in bezug auf die bleibende Dehnung eine Rolle unter diesen Bedingungen spielt. Obwohl dieser Artikel sich mit der wechselseitigen Beziehung zwischen der Beanspruchungsvorgeschichte und der Beanspruchungsamplitude und deren Auswirkung auf die Dämpfung (bleibende Dehnung) befaßte, gab es keine Beschreibung oder einen Vorschlag zur Verwendung eines gemessenen Dämpfungsfaktors als Indikator für den Ermüdungszustand eines Materials. Wie hierin erwähnt, konzentrierte sich der Artikel darauf, wie die Bean spruchungsvorgeschichte und die Amplitude einen spezifischen Dämpfungsfaktor liefern könnten, aber nicht darauf, wie ein gemessener Dämpfungsfaktor zur Vorhersage einer relativen Ermüdung in einem Teil verwendet werden könnte; siehe Structural Damping, herausgegeben von Jerome E. Ruzicka, AS-ME-Proceedings (Sitzungsbericht), 1959, Seite 27, wie obenstehend erwähnt.
• Um diese und andere Probleme des Stands der Technik zu lösen, und in Abweichung von den Ausführungen im Stand der Technik, gelang dem Erfinder der vorliegenden Erfindung die Entwicklung eines Verfahrens zur Bestimmung der Ermüdung eines metallischen Materials, einer Vorrichtung zur Bestimmung der Ermüdung eines metallischen Materials und einer Errichtung zum Bestimmen der Unversehrtheit metallischer Verbindungen - Ansprüche 1, 8, 11. Das Verfahren besteht darin, den Dämpfungsfaktor eines Einzelteils aus metallischem Material, wie einem Teil in einem Zusammenbau oder dergleichen, zu messen und den Dämpfungsfaktor für die Bestimmung der Ermüdungsunversehrtheit des Teils entweder durch Vergleich mit einem genormten Dämpfungsfaktor oder mit zuvor gemessenen Dämpfungsfaktoren für das gleiche Teil zu verwenden. Das Teil kann ein einzelnes Materialstück sein, oder es kann geschweißt oder ein auf andere Weise verbundenes Materialstück sein, und der Test kann auf die Unversehrtheit, d. h. die Rißbildung, Hohlraumbildung oder dergleichen, ausgelegt sein, wie dies für ein neues Teil erforderlich sein könnte, oder der Test könnte zur Bestimmung der Ermüdung in dem Teil durchgeführt werden, nachdem es montiert und über einen bestimmten Zeitraum eingesetzt wurde. Für das Testen eines neuen Teils wird vorausgesetzt, daß genormte Dämpfungsfaktoren ermittelt werden können und für den Vergleich mit dem gemessenen Dämpfungsfaktor für das neue Teil zur Verfügung stehen können. Alternativ könnte der Dämpfungsfaktor einer Reihe von identischen neuen Teilen gemessen werden und dazu verwendet werden, diese neuen Teile auszusortieren, was ein Zeichen von früher Ermüdung und Versagen oder von Rißbildung, Hohlraumbildung oder anderen Defekten bei der Herstellung ist. Nachdem ein Teil montiert und über einen bestimmten Zeitraum zum Einsatz kam, kann eine Messung des Dämpfungsfaktors periodisch durchgeführt werden, um die zunehmende Ermüdung des Teils zu bestimmen. Dieses Verfahren kann zur Identifizierung von Teilen angewandt werden, die ersetzt werden müssen, bevor die Möglichkeit eines katastrophalen Versagens eintritt. Es gibt andere Anwendungen und Situationen, in welchen die Messung des Dämpfungsfaktors eines Einzelteils aus metallischem Material in vorteilhafter Weise angewandt werden könnte. Diese speziellen Beispiele werden beispielhaft angeführt.
• Was die Durchführung der Dämpfungsfaktormessung angeht, war der Erfinder der vorliegenden Erfindung auch bei der Entwicklung eines einfachen, aber effektiven und präzisen Verfahrens zum Messen des Dämpfungsfaktors auf eine von zwei Methoden erfolgreich. Bei Anwendung einer ersten Methode kann ein Energieimpuls auf das Teil angewandt werden, etwa durch physisches Stoßen gegen dieses mit einem stumpfen Gegenstand oder dergleichen, und die herbeigeführte Schwingung in dem Teil kann durch einen Wandler gemessen werden, welcher die Schwingung in ein elektrisches Signal für die Eingabe in einen Computer umwandelt. Ein Computer kann dann leicht die entsprechende Berechnung anhand der herbeigeführten Schwingung durchführen, um den Dämpfungsfaktor zu bestimmen. Generell, wie in dem Fachbereich bekannt ist, kann der Dämpfungsfaktor eines Teils, welches bei seiner Resonanzfrequenz schwingt, durch Vergleichen der Peakamplituden aufeinanderfolgender Schwingungszyklen bestimmt werden. Bei einem anderen Verfahren kann eine kontinuierliche Zuführung von Energie zu dem Teil an Stelle eines Energieimpulses vorgesehen sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann ein Frequenzgenerator an einen Wandler, wie einen Lautsprecher, ein Rüttelgerät oder eine andere Vorrichtung, angekoppelt sein, und der Frequenzgenerator kann so eingestellt oder geregelt sein, daß er den Bereich der niedrigsten Resonanzfrequenzen des Teils durchläuft. Da die Energiezufuhr konstant bleibt, würde das Teil bei seiner Resonanzfrequenz weiter schwingen, so daß der Dämpfungsfaktor leicht durch Messen der Halbwertsbreite eines Zyklus und durch Teilen durch die Mittelfrequenz berechnet werden kann, wie in dem Fachbereich allgemein bekannt ist. Bei Anwendung jedes dieser Verfahren wird eine Schwingung in dem Teil herbeigeführt, und es wird das Ansprechen darauf gemessen, aus welchem der Dämpfungsfaktor ermittelt wird.
• Einer der Vorteile der Anwendung des Verfahrens des Erfinders zur Herbeiführung einer Schwingung in dem Teil ist, daß man annimmt, daß das Teil nicht isoliert werden muß und an Ort und Stelle getestet werden kann. Dies schließt eine Demontage des Teils von einem größeren Zusammenbau aus, was bei der Anwendung des vorliegenden Verfahrens bei der Bestimmung des Dämpfungsfaktors die in Frage kommenden Kosten dramatisch senkt. Dies bietet große Vorteile gegenüber Verfahren des Stands der Technik, welche eine Demontage und Isolierung des zu testenden Teils erfordern, wie bei dem Röntgenstrahlverfahren. Außerdem kann die zur Umsetzung des hierin beschriebenen Verfahrens verwendete Vorrichtung relativ kompakt, leicht tragbar und ausreichend klein sein, so daß viele Teile unterschiedlicher Größe, die ansonsten relativ schwer Zugang bieten, leicht getestet werden können.
• Während die wichtigsten Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung obenstehend beschrieben wurden, kann man ein noch umfassenderes und gründlicheres Verständnis der Erfindung durch Bezugnahme auf die Zeichnungen und die Beschreibung der nachfolgenden bevorzugten Ausführungsform erhalten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Die Fig. 1 ist eine schematische Darstellung des ersten Verfahrens des Erfinders zum Bestimmen der Unversehrtheit des Materials unter Anwendung eines Energieimpulses, um eine Schwingung in dem Material herbeizuführen;
• die Fig. 2 ist eine grafische Darstellung des harmonischen Ansprechens in bezug auf Schwingungen, die in dem Material durch das in Fig. 1 gezeigte Verfahren herbeigeführt wurden;
• die Fig. 3 ist eine schematische Darstellung des zweiten Verfahrens des Erfinders zum Bestimmen der Unversehrtheit des Materials durch Ankoppeln einer kontinuierlichen Energiequelle an das Material; und
• die Fig. 4 ist eine grafische Darstellung des Ansprechens auf Schwingungen, die in dem Material unter Anwendung des Verfahrens von Fig. 3 herbeigeführt wurden.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
• Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, schließt das erste Verfahren des Erfinders zum Messeen der relativen Ermüdung in einem Teil den Schritt des Herbeiführens einer Schwingung in dem zu messenden Teil ein, wie durch physisches Stoßen gegen das Teil 20 mit einem stumpfen Gegenstand, wie einem Stab 22, um dadurch Schwingungen in dem Teil 20 zu herbeizuführen. Der Zweckmäßigkeit halber können die gegenüberliegenden Enden des Teils 20 durch ein Paar von Trägern 24, 26 gestützt werden, obwohl dies als nicht erforderlich gilt. Ein Wandler 28 mißt die herbeigeführte Schwingung und erzeugt einen elektrischen Output, welcher durch einen Verstärker 30 verstärkt wird und anschließend in einen Computer 32 zur Berechnung des Dämpfungsfaktors eingegeben wird. Wie in Fig. 2 gezeigt, kann die durch die Zuführung eines Energieim pulses in das Teil 20 herbeigeführte Schwingung ein variierendes Amplituden- oder Kraftlevel aufweisen. Der Dämpfungsfaktor, wie wohlbekannt ist, kann leicht durch Vergleich der Amplituden aufeinanderfolgender Schwingungszyklen, die durch eines dieser Kraftlevel herbeigeführt wurden, berechnet werden. Wie in Fig. 2 gezeigt, beeinträchtigt die Intensität des Stoßes gegen das Teil nicht die Messung des Dämpfungsfaktors, da der Dämpfungsfaktor durch Vergleich der zweier aufeinanderfolgender Peakamplituden, unabhängig von der Größe davon, bestimmt wird. Ob nun die anfängliche Amplitude eine Stärke a, b oder c aufweist, es kommt zu keiner Abweichung bei dem gemessenen Dämpfungsfaktor. Stattdessen wird der Dämpfungsfaktor einzig durch die Charakteristika des Teils 20 ermittelt.
• Wie in Fig. 1 gezeigt, kann das Teil 20 tatsächlich aus einem Paar von Elementen 34, 36 bestehen, die durch eine Schweißstelle 38 oder dergleichen verbunden sind. Wenn dies der Fall ist, kann die Unversehrtheit der Schweißstelle 38 leicht durch die Messung des Dämpfungsfaktors bestimmt werden. Gleichermaßen kann die Verbindung, die in Fig. 1 als Schweißstelle 38 gezeigt ist, eine beliebige andere Verbindungsnaht oder Verbindung sein, und ihre Unversehrtheit kann in ähnlicher Weise durch die hierin beschriebene Methodologie gemessen werden.
• Wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt, kann ein alternatives Verfahren zum Messen des Dämpfungsfaktors und damit der Materialermüdung angewandt werden. Wie zuvor wird die Schwingung in dem Teil 20 durch einen Wandler 28 aufgenommen, um die sensorisch aufgenommenen Schwingungssignale in ein elektrisches Signal umzuwandeln, welches danach durch einen Verstärker 30 für die Eingabe in einen Computer 32 verstärkt wird. Jedoch wird die anfängliche Energiezufuhr zu dem Teil 20 mittels eines Frequenzgenerators 40 erreicht, welcher einen elektrischen Output bei eines bestimmten Frequenz erzeugt, die danach durch einen Leistungsverstärker 42 verstärkt wird und einem zweiten Wandler 44 zugeführt wird, bei dem es sich um einen Lautsprecher oder ein Rüttelgerät oder eine andere derartige Vorrichtung handelt, die an dem Teil 20 angekoppelt ist. Der Frequenzgenerator 40 wird danach auf Frequenzen eingestellt, die den Bereich der niedrigsten Resonanzfrequenzen des Teils 20 durchläuft, um dadurch ein kontinuierliches Ansprechen auf Schwingungen darin, wie in Fig. 4 gezeigt, herbeizuführen. Eine Peakamplitude Fc von einer der zahlreichen in dem Teil 20 herbeigeführten harmonischen Resonanz- Oberschwingungen wird zur Messung des Dämpfungsfaktors ausgewählt. Wie in dem Fachbereich wohlbekannt ist, ist der Dämpfungsfaktor gleich der Halbwertsbreite ΔF, oder F2 - F1, ge teilt durch die Mittelfrequenz Fc. F1 und F2, die Halbwertfrequenzen, sind die Frequenzen, bei welchen die Amplitude das 0,707-fache der Maximalamplitude ist. Wie in Fig. 3 gezeigt, würde das Vorliegen eines Risses 46 das Ansprechen auf Schwingungen des Teils 20 und damit den Dämpfungsfaktor, der mit dem Verfahren des Erfinders gemessen wird, beeinträchtigen, der hierdurch für eine entsprechende Korrektur festgestellt wird.
• Eines dieser Verfahren oder beide können in geeigneter Weise angewandt werden, um den Dämpfungsfaktor eines spezifischen Teils zu bestimmen. Der Dämpfungsfaktor kann periodisch für ein bestimmtes Teil gemessen werden, um eine Vorgeschichte von diesem zu entwickeln und um dadurch zur Überwachung der der sich entwickelnden Ermüdung in dem Teil als Entscheidungshilfe verwendet zu werden, ob es ersetzt oder repariert werden sollte. Alternativ könnte der durch die hierin beschriebenen und beanspruchten Verfahren gemessene Dämpfungsfaktor durch Vergleich mit genormten Dämpfungsfaktoren für ähnliche Arten von Metallen und Teilen verwendet werden.
• Bei der bevorzugten Ausführungsform, und wie in den Zeichnungen gezeigt, werden alleinstehende PCs dargestellt. Allerdings sind, wie bei Durchschnittsfachleuten auf dem Gebiet wohlbekannt ist, tragbare PCs allgemein bekannt und kommerziell leicht verfügbar, so daß eine geeignete Vorrichtung für den Transportgebrauch und die Anwendung leicht erhalten werden könnte. Außerdem könnte, obwohl der Erfinder keine derartige Vorrichtung entwickelt hat, ein individuell angefertigter "Dämpfungsfaktor-Detektor" leicht unter Verwendung nur dieser benötigten Computerelemente, einschließlich z. B. eines Computerchips, einer individuell angefertigten Ableseeinrichtung und eines Keyboards oder einer anderen Dateneingabeeinrichtung, konstruiert werden. Zusätzlich könnte eine Hardcopy-Ausleseeinrichtung leicht vorgesehen werden.

Claims (12)

1. Verfahren zum Bestimmen der Ermüdung eines metallischen Materials, mit den Schritten:

Messen des Dämpfungsfaktors des metallischen Materials durch Herbeiführen einer Schwingung in dem metallischen Material, und Bestimmen des Dämpfungsfaktors des metallischen Materials aus seinem gemessenen dynamischen Verhalten in Bezug auf die Schwingung; und Vergleichen des gemessenen Dämpfungsfaktors mit einem anderen Dämpfungsfaktor, wobei der Unterschied darin die Ermüdung des metallischen Materials anzeigt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin mit den Schritten:

Wiederholen der Schritte in demselben metallischen Material zu beabstandeten Zeitintervallen, um dadurch eine Mehrzahl von Dämpfungsfaktoren zu bestimmen; und

Vergleichen der Mehrzahl von Dämpfungsfaktoren, um dadurch eine Änderung der Ermüdung des metallischen Materials mit der Zeit zu bestimmen.

3. Verfahren nach Anspruch 2,

bei welchem das metallische Material eine Schweißstelle aufweist und welches des weiteren den Schritt des Bestimmens der Unversehrtheit der Schweißstelle durch Vergleichen der Mehrzahl von Dämpfungsfaktoren aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 1,

bei welchem der andere Dämpfungsfaktor ein genormter Dämpfungsfaktor ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1,

bei welchem der Schritt des Herbeiführens einer Schwingung den Schritt aufweist, durch physisches Stoßen des metallischen Materials einen Energieimpuls zuzuführen.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Schritt des Messens die Schritte aufweist:

Ankoppeln einer Wandlereinrichtung (28) an das metallische Material; Eingeben der Ausgabe der Wandlereinrichtung in einen Computer (32); und bei welchem der Schritt des Vergleichens der Dämpfungsfaktoren den Schritt aufweist, den Computer zu verwenden, um die Vergleiche zu berechnen.

7. Verfahren nach Anspruch 1,

bei welchem der Schritt des Herbeiführens einer Schwingung den Schritt aufweist, das metallische Material kontinuierlich mit Energie anzuregen, welche im wesentlichen bei der Resonanzfrequenz des metallischen Materials oszilliert.

8. Vorrichtung zum Bestimmen der Ermüdung metallischen Materials,

mit einem Wandler (28) zum Ankoppeln an das metallische Material, wobei der Wandler zum Messen des Ansprechens des metallischen Materials auf Schwingungen ausgebildet ist, und mit einer programmierten elektronischen Einrichtung (32), die mit dem Wandler verbunden ist und die zum Berechnen des Dämpfungsfaktors des metallischen Materials aus dessen Ansprechen auf Schwingungen ausgebildet ist, wobei der Dämpfungsfaktor kennzeichnend für dessen Ermüdung ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8,

die des weiteren eine Einrichtung zum Herbeiführen einer Schwingung in dem metallischen Material mit einem harten Gegenstand (22) aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, die des weiteren eine Einrichtung zum Zuführen eines kontinuierlichen Energieflusses in das metallische Material bei im wesentlichen seiner eigenen Resonanzfrequenz mit einem Frequenzgenerator (40) aufweist, dessen Ausgang mit einem Lautsprecher (44) verbunden ist, wobei der Lautsprecher an das metallische Material angekoppelt ist.

11. Vorrichtung zum Bestimmen der Unversehrtheit metallischer Verbindungen

mit einem Wandler (28) zum Ankoppeln an eine Seite der Verbindung (38), wobei der Wandler zum Messen des Ansprechens auf Schwingungen über die Verbindung ausgebildet ist, und mit einer programmierten elektronischen Einrichtung (32), welche mit dem Wandler verbunden ist und welche zur Berechnung des Dämpfungsfaktors der Verbindung aus deren Ansprechen auf Schwingungen ausgebildet ist, wobei der Dämpfungsfaktor für deren Unversehrtheit kennzeichnend ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 11,

des weiteren mit einer Einrichtung (20, 40, 44) zum Herbeiführen einer Schwingung über die Verbindung.