DE102015211328A1

DE102015211328A1 - Method and device for non-destructive determination of mechanical material properties of a workpiece by means of ultrasound

Info

Publication number: DE102015211328A1
Application number: DE102015211328.0A
Authority: DE
Inventors: Tamara Gusarova; Stephan Schulze
Original assignee: SMS Group GmbH
Current assignee: SMS Group GmbH
Priority date: 2014-06-30
Filing date: 2015-06-19
Publication date: 2015-12-31

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur zerstörungsfreien Bestimmung einer oder mehrerer mechanischer Materialeigenschaften eines Werkstücks (1) unter Verwendung von Piezo- und/oder EMAT-Ultraschall, wobei das Verfahren aufweist: Anregen einer oder mehrerer Ultraschallwellen im Werkstück (1); Messen eines oder mehrerer Interaktionssignale mittels eines oder mehrerer Ultraschallsensoren (10); Bestimmung von Laufzeiten und Intensitäten auch in Abhängigkeit der Frequenz der angeregten Ultraschallwellen aus den gemessenen Interaktionssignalen; Ermitteln der gewünschten mechanischen Materialeigenschaft auf Grundlage einer Kombination aus den ermittelten Laufzeiten und Intensitäten.A method and apparatus for nondestructive determination of one or more mechanical material properties of a workpiece (1) using piezo and / or EMAT ultrasound, the method comprising: exciting one or more ultrasonic waves in the workpiece (1); Measuring one or more interaction signals by means of one or more ultrasonic sensors (10); Determination of propagation times and intensities also as a function of the frequency of the excited ultrasonic waves from the measured interaction signals; Determining the desired mechanical material property based on a combination of the determined durations and intensities.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Bestimmung einer oder mehrerer mechanischer Materialeigenschaften eines Werkstücks, vorzugsweise eines Werkstücks aus Metall, unter Verwendung von Ultraschall.The invention relates to a method and a device for nondestructive determination of one or more mechanical material properties of a workpiece, preferably a workpiece made of metal, using ultrasound.

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention

Es ist bekannt, metallische Werkstücke mittels Ultraschall auf Produktfehler und andere Qualitätsmängel zu untersuchen. Konkret findet etwa eine Prüfung auf Innenfehler beim Walzen von Blechen oder eine Dickenmessung mittels Ultraschall statt. Diesbezüglich sei auf die US 6,057,927 A hingewiesen, in der zur Bestimmung der Dicke und anderer Struktureigenschaften eines Werkstücks Resonanzeigenschaften von Ultraschall im Material verwendet werden.It is known to examine metallic workpieces by ultrasound for product defects and other quality defects. Concretely, for example, there is an examination for internal defects during the rolling of sheets or a thickness measurement by means of ultrasound. In this regard, be on the US 6,057,927 A reference is made to be used in determining the thickness and other structural properties of a workpiece resonance properties of ultrasound in the material.

Die Bestimmung mechanischer Eigenschaften eines Materials, worunter beispielsweise die Streckgrenze, Zugfestigkeit und Dehnung fallen, erfolgt hingegen zumeist noch immer zerstörend. Der hohe Aufwand einer zerstörenden Prüfung, die Zeit zur Entnahme und Untersuchung einer Probe, der Materialverlust usw. lassen eine bessere Lösung wünschen.The determination of mechanical properties of a material, which includes, for example, the yield strength, tensile strength and elongation, however, is still mostly destructive. The high cost of a destructive test, the time to take and examine a sample, the loss of material, etc., can be a better solution.

Für kalte ferromagnetische Metalle wurde eine Inline-Prüfung, d.h. eine Prüfung innerhalb von Produktionslinien, mit magnetischen Verfahren realisiert. Allerdings kann diese Prüfung bei größeren Dicken, ab etwa 3 mm, keine genauen Messwerte liefern, da das Messsignal für oberflächennahe Materialschichten charakteristisch ist. Neben allgemeinen Materialbeschränkungen können magnetische Systeme ferner bei höheren Temperaturen nicht eingesetzt werden, da ferromagnetische Eigenschaften des Materials sich mit steigenden Temperaturen verschlechtern.For cold ferromagnetic metals, an in-line test, i. an examination within production lines, realized with magnetic methods. However, for larger thicknesses, starting at about 3 mm, this test can not provide accurate measured values, since the measurement signal is characteristic for near-surface material layers. Further, in addition to general material limitations, magnetic systems can not be used at higher temperatures because ferromagnetic properties of the material degrade with increasing temperatures.

Gerade für Fälle großer Materialdicken und/oder steigender Temperaturen sind Ultraschalltechniken magnetischen Verfahren überlegen. Mit Ultraschall können Dicken bis zu mehreren hundert Millimetern erfasst und Messungen bei hohen Temperaturen realisiert werden. Außerdem sind der Ultraschallprüfung auch nicht-magnetische Materialgruppen zugänglich.Especially for cases of high material thicknesses and / or rising temperatures, ultrasonic techniques are superior to magnetic methods. With ultrasound thicknesses up to several hundred millimeters can be recorded and measurements at high temperatures can be realized. In addition, the ultrasonic testing and non-magnetic material groups are accessible.

Bekannte Ansätze zur Bestimmung mechanischer Materialeigenschaften mittels Ultraschall verwenden die Laufzeit oder die Dämpfung des Ultraschallsignals. So beschreibt die EP 0 737 861 B1 ein Verfahren zur zerstörungsfreien Ermittlung der Streckgrenze eines metallischen Werkstücks. Hierzu werden linear polarisierte Transversalwellen und Ultraschall-Oberflächenwellen im Werkstück angeregt und die Laufzeiten der Wellen in der Hauptverformungsrichtung und senkrecht dazu, sowie die Laufzeiten linear polarisierter Transversalwellen entlang der Dicke des Werkstückes bestimmt. Zur Ermittlung der gewünschten Materialeigenschaft aus den Laufzeitmessungen wird die Differenz zwischen den Messwerten in der Hauptverformungsrichtung und senkrecht dazu berücksichtigt.Known approaches for determining mechanical material properties by means of ultrasound use the transit time or the attenuation of the ultrasonic signal. That's how it describes EP 0 737 861 B1 a method for nondestructive determination of the yield strength of a metallic workpiece. For this purpose, linearly polarized transverse waves and ultrasonic surface waves in the workpiece are excited and the propagation times of the waves in the main deformation direction and perpendicular thereto, as well as the transit times of linearly polarized transverse waves along the thickness of the workpiece determined. To determine the desired material property from the transit time measurements, the difference between the measured values in the main deformation direction and perpendicular thereto is taken into account.

Ein weiteres auf Laufzeiten von Ultraschallsignalen basierendes Messverfahren geht aus der US 4,522,071 A hervor.Another measuring method based on transit times of ultrasound signals comes from the US 4,522,071 A out.

Die DE 11 2006 001 786 T5 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung von Materialeigenschaften unter Berücksichtigung der Dämpfung von Ultraschallwellen im Material. Hierzu wird ein Vergleich des Amplitudenspektrums des Interaktionssignals eines Ultraschallimpulses mit einem dämpfungsfreien Referenzamplitudenspektrum angestellt.The DE 11 2006 001 786 T5 describes a method for determining material properties taking into account the attenuation of ultrasonic waves in the material. For this purpose, a comparison of the amplitude spectrum of the interaction signal of an ultrasonic pulse is made with a damping-free reference amplitude spectrum.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen eine zerstörungsfreie Bestimmung mechanischer Materialeigenschaften eines Werkstücks mittels Ultraschall mit hoher Genauigkeit und/oder für eine große Gruppe von Materialien und/oder Messbedingungen realisiert wird.An object of the invention is to provide a method and an apparatus with which a non-destructive determination of mechanical material properties of a workpiece by means of ultrasound with high accuracy and / or for a large group of materials and / or measurement conditions is realized.

Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen folgen aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Darstellung der Erfindung sowie der Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen.The object is achieved by a method having the features of claim 1 and by a device having the features of claim 12. Advantageous developments follow from the subclaims, the following description of the invention and the description of preferred embodiments.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur zerstörungsfreien Bestimmung einer oder mehrerer mechanischer Materialeigenschaften eines Werkstücks unter Verwendung von Ultraschall werden zunächst Ultraschallwellen im Werkstück angeregt. Dies kann beispielsweise durch Einstrahlen von Ultraschallwellen mittels eines oder mehrerer Ultraschallköpfe, beispielsweise von den konventionellen Ultraschallanlagen für Innenqualitätsprüfung, erfolgen. Alternativ kann eine Anregung auch über EMAT-sensoren (auch EMUS für Elektro-Magnetischer UltraschallSensor genannt) realisiert werden. Allgemein wird das Mittel, über das die Anregung der Ultraschallwellen erfolgt, im Folgenden als Ultraschallquelle bezeichnet. Die über die Ultraschallquelle angeregten Ultraschallwellen weisen vorzugsweise eine Frequenz von 0,01 bis 50 MHZ auf. Die Ultraschallquelle kann stationär oder beweglich, um beispielsweise das Werkstück entlang der Oberfläche abfahren zu können, vorgesehen sein. Eine besonders günstige Ausführung der Erfindung sieht vor, dass das Werkstück an der Ultraschallquelle vorbeigeführt wird, z.B. auf seiner ursprünglichen (natürlichen) Route in dem Produktionsprozess. Alternativ oder zusätzlich können mehrere Ultraschallquellen vorgesehen sein.According to the inventive method for nondestructive determination of one or more mechanical material properties of a workpiece using ultrasound ultrasonic waves are first excited in the workpiece. This can be done for example by irradiation of ultrasonic waves by means of one or more ultrasonic heads, for example, from the conventional ultrasonic systems for indoor quality testing. Alternatively, excitation can also be realized via EMAT sensors (also called EMUS for Electro Magnetic Ultrasonic Sensor). In general, the means by which the excitation of the ultrasonic waves takes place is referred to below as the ultrasonic source. The ultrasonic waves excited via the ultrasound source preferably have a frequency of 0.01 to 50 MHz. The ultrasonic source may be stationary or movable, for example, the workpiece along the surface be able to depart. A particularly favorable embodiment of the invention provides that the workpiece is guided past the ultrasound source, for example on its original (natural) route in the production process. Alternatively or additionally, a plurality of ultrasound sources may be provided.

Nach der Anregung der Ultraschallwellen erfolgt die Messung eines oder mehrerer Interaktionssignale mittels eines oder mehrerer Ultraschallsensoren. Die Ultraschallquelle und der detektierende Ultraschallsensor können als ein Bauteil, etwa in Form eines Prüfkopfs, integriert sein. Die angeregten Ultraschallwellen pflanzen sich mit einer materialspezifischen Schallgeschwindigkeit im Werkstück fort und werden dabei gedämpft, d.h. sie unterliegen einer ebenfalls materialspezifischen Verringerung der Intensität. An Grenzflächen des Werkstücks werden die Ultraschallwellen wenigstens teilweise reflektiert. All diese material- und werkstückspezifischen Einflüsse auf die Ultraschallwellen (Schallgeschwindigkeit, Dämpfung, Reflexion usw.) wirken sich auf das Detektionssignal des Ultraschallsensors aus. Allgemein wird daher im Folgenden von einem Interaktionssignal gesprochen, um deutlich zu machen, dass es sich um jene Ultraschallsignale handelt, welche, im Vergleich zu den eingestrahlten Ultraschallwellen, durch Interaktion mit dem Werkstück verändert sind. Aus der verstrichenen Zeit zwischen dem Senden und Empfang des Ultraschallsignals lässt sich, bei Kenntnis der Materialeigenschaften, der Laufweg bestimmen. Umgekehrt lassen sich bei Kenntnis des Laufwegs Rückschlüsse auf Materialeigenschaften, insbesondere auf mechanische Eigenschaften des Materials ziehen. Auch die Dämpfung der Ultraschallwellen, d.h. die Verringerung der Intensität während der Interaktion mit dem Werkstück, lässt Rückschlüsse auf mechanische Eigenschaften des Materials zu. Dies wird weiter unten genauer besprochen.After the excitation of the ultrasonic waves, the measurement of one or more interaction signals by means of one or more ultrasonic sensors. The ultrasound source and the detecting ultrasound sensor can be integrated as one component, for instance in the form of a test head. The excited ultrasonic waves propagate at a material-specific speed of sound in the workpiece and are thereby attenuated, i. they are also subject to a material-specific reduction in intensity. At interfaces of the workpiece, the ultrasonic waves are at least partially reflected. All of these material- and workpiece-specific influences on the ultrasonic waves (sound velocity, damping, reflection, etc.) have an effect on the detection signal of the ultrasonic sensor. In general, therefore, an interaction signal will be referred to below in order to make it clear that these are those ultrasonic signals which, as compared to the incident ultrasonic waves, are changed by interaction with the workpiece. From the elapsed time between the transmission and reception of the ultrasonic signal can, with knowledge of the material properties, determine the path. Conversely, if the running path is known, it is possible to draw conclusions about material properties, in particular mechanical properties of the material. Also, the attenuation of the ultrasonic waves, i. The reduction in intensity during the interaction with the workpiece allows conclusions to be drawn about the mechanical properties of the material. This will be discussed in more detail below.

Erfindungsgemäß werden die Laufzeit und Intensität einer oder mehrerer Ultraschallwellen aus den gemessenen Interaktionssignalen bestimmt. Vorzugsweise werden daraus die Schallgeschwindigkeit und die Dämpfung auch in Abhängigkeit der Frequenz im Werkstück berechnet. Schließlich wird die gewünschte mechanische Materialeigenschaft, beispielsweise die Streckgrenze oder die Dehnung oder die Zugfestigkeit, auf Grundlage einer Kombination aus den ermittelten Laufzeiten und Intensitäten bestimmt.According to the invention, the transit time and intensity of one or more ultrasonic waves are determined from the measured interaction signals. Preferably, the speed of sound and the attenuation are also calculated as a function of the frequency in the workpiece. Finally, the desired mechanical material property, for example the yield strength or the elongation or the tensile strength, is determined on the basis of a combination of the determined transit times and intensities.

Mit dem oben beschriebenen Verfahren lassen sich mechanische Eigenschaften des Materials mit hoher Genauigkeit und zerstörungsfrei bestimmen. Durch Einbeziehung sowohl der Laufzeit als auch der Intensität ist das Verfahren für eine große Gruppe von Materialien und unter vielerlei Messbedingen durchführbar. Darüber hinaus können für das vorgeschlagene Verfahren konventionelle Ultraschallanlagen, beispielsweise solche, die zur Prüfung auf Innenfehler beim Walzen oder zur Dickenmessung ausgelegt sind, nutzbringend verwendet und für den vorliegenden Zweck angepasst bzw. abgewandelt werden. Somit ist das Verfahren kosten- und ressourcengünstig realisierbar. Die ermittelten mechanischen Materialeigenschaften lassen sich beispielsweise zur Verbesserung des Herstellungsprozesses einsetzen. Insofern ist die Erfindung besonders bevorzugt zur zerstörungsfreien Prüfung in Produktionslinien, d.h. "Inline", anwendbar. Das Verfahren lässt sich computergestützt implementieren und ist somit flexibel einsetzbar und hochgradig individualisierbar.With the method described above, mechanical properties of the material can be determined with high accuracy and non-destructive. By incorporating both run time and intensity, the process is feasible for a large group of materials and under a variety of measurement conditions. In addition, for the proposed method, conventional ultrasonic systems, for example those designed for testing for internal defects during rolling or for thickness measurement, can be usefully used and adapted or modified for the present purpose. Thus, the method is cost and resource feasible. The determined mechanical material properties can be used, for example, to improve the production process. In this respect, the invention is particularly preferred for nondestructive testing in production lines, i. "Inline", applicable. The method can be implemented computer-aided and is therefore flexible and highly customizable.

Das dargelegte Verfahren kann auf existierenden Fehlerprüfanlagen aufbauen. Die gemessenen Interaktionssignale werden mittels einer Steuer-/Auswerteeinheit in die gewünschte mechanische Eigenschaft umgerechnet. Damit können beispielsweise Verteilungsbilder von mechanischen Materialeigenschaften über die ganze Fläche des Werkstücks erstellt werden, vergleichbar mit den Fehlerverteilungsbildern herkömmlicher Anlagen. Anhand eines solchen Verteilungsbilds können Entscheidungen über den Zuschnitt des Werkstücks und/oder andere Entscheidungen zum weiteren Prozessverlauf getroffen werden. Stark abweichende Werte der mechanischen Materialeigenschaften können auf etwaige Prozessfehler, deren Art, Ursache und Position hindeuten. Dies hilft, Prozessstörungen, wie beispielsweise einen etwaigen Düsenausfall in der Kühlstrecke, zu lokalisieren. The method set out can be based on existing error checking systems. The measured interaction signals are converted by means of a control / evaluation unit into the desired mechanical property. Thus, for example, distribution images of mechanical material properties can be created over the entire surface of the workpiece, comparable to the error distribution images of conventional systems. On the basis of such a distribution image, decisions about the cutting of the workpiece and / or other decisions about the further course of the process can be made. Strongly deviating values of the mechanical material properties can indicate possible process errors, their type, cause and position. This helps to locate process disturbances, such as any nozzle failure in the cooling line.

Zur Vermeidung von Missverständnissen sei an dieser Stelle explizit darauf hingewiesen, dass die hier vorgestellten Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung mechanischer Eigenschaften des Materials – nicht des Werkstücks – ausgelegt und vorgesehen sind. Innenfehler, Risse, Abweichungen der Dicke und andere Qualitätsmängel des Werkstücks, die bei der herkömmlichen Qualitätsprüfung eine Rolle spielen, zählen nicht zu den mechanischen Materialeigenschaften und sind nicht Bestimmungsziel der Erfindung, obwohl sie teilweise mit der gleichen Messanordnung bestimmt werden können. Dies ist auch insofern wichtig, als dass die Ermittlung mechanischer Materialeigenschaften Grundlage für Entscheidungen zum weiteren Prozessverlauf bei der Herstellung des Werkstücks, etwa den Zuschnitt des Werkstücks, sein können, während die herkömmliche Qualitätsprüfung am fertigen Werkstück stattfindet. To avoid misunderstandings, it should be explicitly stated here that the methods and devices presented here are designed and provided for determining the mechanical properties of the material, not the workpiece. Internal imperfections, cracks, thickness variations and other quality defects of the workpiece which are involved in conventional quality inspection are not among the mechanical material properties and are not an aim of the invention, although they may be determined in part with the same measuring arrangement. This is also important insofar as the determination of mechanical material properties can form the basis for decisions on the further course of the process during the production of the workpiece, for example the cutting of the workpiece, while the conventional quality inspection takes place on the finished workpiece.

Die Bezeichnung "Werkstück" wird im vorliegenden Text allgemein gebraucht und kann sowohl das fertige Werkstück als auch Halbzeuge verschiedener Prozessstufen bezeichnen.The term "workpiece" is generally used herein and may refer to both the finished workpiece and semi-finished products of various process stages.

Vorzugsweise erfolgt die Ermittlung der gewünschten Materialeigenschaft mithilfe einer Korrelationsgleichung, die neben Termen der Laufzeit und Intensität des Interaktionssignals auch einen oder mehrere materialspezifische und/oder werkstückspezifische Parameter enthält. Ein oder mehrere der materialspezifischen Parameter können Koeffizienten sein. Werkstückspezifische Parameter können z.B. Dicke und/oder Temperatur des Werkstücks sein. Wenn hier und im Folgenden von "Gleichung" die Rede ist, dann sind Gleichungssysteme mitumfasst. Indem die Laufzeiten und Intensitäten auch in Abhängigkeit der Frequenz eines oder mehrerer Interaktionssignale, und/oder die daraus ermittelten Geschwindigkeiten und Dämpfungen, in einer Korrelationsgleichung in Beziehung gesetzt werden, lässt sich die gewünschte mechanische Materialeigenschaft auf einfache, schnelle und zuverlässige Weise bestimmen. The determination of the desired material property preferably takes place by means of a correlation equation which, in addition to terms of the transit time and intensity of the interaction signal, also contains one or more material-specific and / or workpiece-specific parameters. One or more of the material specific parameters may be coefficients. Workpiece-specific parameters can be eg thickness and / or temperature of the workpiece. If here and in the following "equation" is mentioned, then systems of equations are included. By correlating the transit times and intensities also in dependence of the frequency of one or more interaction signals, and / or the speeds and attenuations determined therefrom, in a correlation equation, the desired mechanical material property can be determined in a simple, fast and reliable manner.

Zur Berechnung der Geschwindigkeit wird der Laufweg des Interaktionssignals zwischen den beiden Echos berücksichtigt, der vorzugsweise das Zweifache der Dicke des Werkstücks ist. In diesem Fall wird also eine Ultraschallwelle entlang der Dickenrichtung des Werkstücks angeregt, die Welle wird an der von der Ultraschallquelle entfernten Grenzfläche reflektiert und wird auf der Seite der Anregung, etwa durch einen Prüfkopf, der die Ultraschallquelle und den Sensor vereint, als Interaktionssignal detektiert. In diesem Sinne erfolgt die Messung vorzugsweise im sogenannten "Impuls-Echo-Mode." Alternativ können sich Anregungs- und Messsensor auch auf den gegenüberliegenden Seiten des Werkstücks befinden. Vorzugsweise werden als mechanische Materialeigenschaften die Streckgrenze und/oder die Dehnung und/oder die Zugfestigkeit ermittelt. Es handelt sich hierbei um physikalische Eigenschaften des Werkstoffes, die aus vielerlei Hinsicht von besonderem Interesse sind. Eine genaue Kenntnis der physikalischen Eigenschaften und des Verhaltens des Werkstoffes ist für Prozessentscheidungen bei der Weiterverarbeitung von Bedeutung, etwa im Hinblick auf eine ressourcenoptimierte Weiterverwertung, Sicherstellung interner und/oder gesetzlicher Sicherheits- und Qualitätsstandards usw.. Die vorliegende Erfindung ist besonders gut zur präzisen Bestimmung der obigen genannten mechanischen Materialeigenschaften geeignet.To calculate the speed, the path of the interaction signal between the two echoes, which is preferably twice the thickness of the workpiece, is taken into account. In this case, therefore, an ultrasonic wave is excited along the thickness direction of the workpiece, the wave is reflected at the interface remote from the ultrasonic source, and is detected on the exciting side, such as a probe combining the ultrasonic source and the sensor, as an interaction signal. In this sense, the measurement is preferably carried out in the so-called "pulse-echo mode." Alternatively, the excitation and measurement sensor can also be located on the opposite sides of the workpiece. Preferably, the yield strength and / or the elongation and / or the tensile strength are determined as mechanical material properties. These are physical properties of the material that are of particular interest for many reasons. An exact knowledge of the physical properties and behavior of the material is important for process decisions in further processing, such as in terms of resource-optimized reuse, ensuring internal and / or legal safety and quality standards, etc. The present invention is particularly well suited for precise determination the above-mentioned mechanical material properties suitable.

Auch die Sicherstellung sowohl räumlich als auch zeitlich gleichbleibender Materialeigenschaften (Homogenität des Materials) ist von hohem Interesse. Bei streifen- oder bandförmigen Werkstücken lässt sich eine lineare Verteilung der gesuchten Materialeigenschaft ermitteln. Bei flächigen Werkstücken wird vorzugsweise eine zweidimensionale Verteilung der gesuchten Materialeigenschaft über die Fläche des Werkstücks bestimmt. Dieses Prinzip lässt sich im Falle von Werkstücken komplexerer Form auch auf drei Dimensionen erweitern, sodass eine Verteilung nicht nur linear oder flächig, etwa entlang eines Querschnitts, sondern dreidimensional ermittelbar ist.Ensuring both spatial and temporally consistent material properties (homogeneity of the material) is also of great interest. In strip or band-shaped workpieces, a linear distribution of the sought material property can be determined. In the case of flat workpieces, a two-dimensional distribution of the sought material property over the surface of the workpiece is preferably determined. This principle can also be extended to three dimensions in the case of workpieces of more complex shape, so that a distribution can be determined not only linearly or flatly, for example along a cross-section, but three-dimensionally.

Vorzugsweise wird die Messung der Interaktionssignale mittels eines oder mehrerer EMAT- und/oder Piezo-Ultraschallsensoren durchgeführt. Eine wichtige Eigenschaft des hier dargestellten Verfahrens besteht darin, dass es, wie oben beschrieben, auf bereits vorhandenen, herkömmlichen Ultraschallanlagen, die etwa zur Qualitätskontrolle eines Werkstücks ausgelegt sind, aufbauen kann. In gleicher Weise erlaubt die Erfindung den Einsatz neu konstruierter Ultraschallgeräte, worunter Geräte auf der Basis von EMAT- und/oder Piezo-Ultraschallsensoren fallen, ohne dass damit größere technische Anpassungen oder Neuentwicklungen erforderlich wären.The measurement of the interaction signals is preferably carried out by means of one or more EMAT and / or piezoelectric ultrasonic sensors. An important feature of the method presented here is that, as described above, it can build on existing, conventional ultrasonic systems, which are designed for example for the quality control of a workpiece. In the same way, the invention allows the use of newly designed ultrasound devices, including devices based on EMAT and / or piezo-ultrasonic sensors, without requiring major technical adjustments or new developments would be required.

Besonders geeignet ist die Erfindung zur Vermessung metallischer Werkstücke, vorzugsweise von Blechen.The invention is particularly suitable for measuring metallic workpieces, preferably sheets.

Die Erfindung und deren bevorzugte Weiterbildungen wurden oben der Einfachheit halber hauptsächlich in der Terminologie des Verfahrens beschrieben. Allerdings ist ebenso eine Vorrichtung umfasst, die zur zerstörungsfreien Bestimmung einer oder mehrerer mechanischer Materialeigenschaften eines Werkstücks unter Verwendung von Ultraschall vorgesehen ist und eine oder mehrere Ultraschallquellen zur Anregung von Ultraschallwellen im Werkstück, einen oder mehrere Ultraschallsensoren zur Messung von Interaktionssignalen und eine Steuer-/Auswerteeinheit aufweist, die mit den Ultraschallquellen und den Ultraschallsensoren verbunden und aufgebaut ist, um aus den gemessenen Interaktionssignalen die Laufzeit und Intensität einer oder mehrerer Ultraschallwellen zu bestimmen und die gewünschte mechanische Materialeigenschaft auf der Grundlage einer Kombination aus den ermittelten Laufzeiten und Intensitäten auch in Abhängigkeit der Frequenz zu berechnen.The invention and its preferred developments have been described above for the sake of simplicity mainly in the terminology of the process. However, a device is also provided which is provided for non-destructive determination of one or more mechanical material properties of a workpiece using ultrasound and one or more ultrasonic sources for exciting ultrasonic waves in the workpiece, one or more ultrasonic sensors for measuring interaction signals and a control / evaluation unit connected to the ultrasonic sources and the ultrasonic sensors and constructed to determine from the measured interaction signals the transit time and intensity of one or more ultrasonic waves and the desired mechanical material property based on a combination of the determined transit times and intensities also as a function of frequency to calculate.

Vorzugsweise weist die Vorrichtung eine oder mehrere Einrichtungen zur Dickenmessung des Werkstücks und/oder Temperaturmessung, die mit der Steuer-/Auswerteeinheit verbunden sind, auf. Alternativ können diese und/oder weitere Parameter von den schon bestehenden Einrichtungen der Steuer-/Auswerteeinheit mitgeteilt werden. Somit lassen sich weitere Parameter des Werkstücks, die zur Berechnung der mechanischen Materialeigenschaften herangezogen werden können, "Inline" und stets aktuell ermitteln.The device preferably has one or more devices for measuring the thickness of the workpiece and / or temperature measurement, which are connected to the control / evaluation unit. Alternatively, these and / or other parameters of the already existing facilities of the control / evaluation can be communicated. Thus, further parameters of the workpiece, which can be used to calculate the mechanical material properties, can be determined "inline" and always up-to-date.

Die technischen Wirkungen, vorteilhaften Weiterbildungen und andere Aspekte, die im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wurden, gelten analog für die Vorrichtung.The technical effects, advantageous developments and other aspects described in connection with the method apply analogously to the device.

Wenngleich die vorliegende Erfindung vorzugsweise im technischen Umfeld der Inline-Bestimmung mechanischer Materialeigenschaften metallischer Werkstücke zum Einsatz kommt, kann die Erfindung ggf. auch in anderen Bereichen umgesetzt werden. Darüber hinaus sind weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele ersichtlich. Die dort beschriebenen Merkmale können alleinstehend oder in Kombination mit einem oder mehreren der oben erwähnten Merkmale umgesetzt werden, insofern sich die Merkmale nicht widersprechen. Die folgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele erfolgt dabei unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen. Although the present invention is preferably used in the technical environment of the in-line determination of mechanical material properties of metallic workpieces, the invention can if necessary also be implemented in other areas. In addition, other advantages and features of the present invention will become apparent from the following description of preferred embodiments. The features described therein may be implemented alone or in combination with one or more of the above-mentioned features insofar as the features are not contradictory. The following description of preferred embodiments is made with reference to the accompanying drawings.

Kurze Beschreibung der FigurenBrief description of the figures

1 zeigt schematisch eine Draufsicht auf ein Metallblech mit einem auf der Unterseite installierten Ultraschallsensor. 1 schematically shows a plan view of a metal sheet with an installed on the bottom of the ultrasonic sensor.

2 ist eine Grafik, in der die durch Ultraschall ermittelte mechanische Eigenschaft über die Blechlänge aufgetragen ist. 2 is a graph in which the determined by ultrasound mechanical property is plotted on the sheet length.

3 ist eine Grafik, die mittels Grauschattierungen eine zweidimensionale Verteilung der Zugfestigkeit über eine Blechfläche darstellt. 3 is a graph that uses shades of gray to represent a two-dimensional distribution of tensile strength across a sheet surface.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter AusführungsbeispieleDetailed description of preferred embodiments

Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung im Detail mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Es sei darauf hingewiesen, dass die hierin beschriebenen Ausführungsformen nicht dazu beabsichtigt sind, die Erfindung zu beschränken, sondern der Erläuterung der Erfindung dienen, wobei die dargelegten Merkmale oder Merkmalskombinationen der Ausführungsformen nicht immer essentiell für die Erfindung sein müssen.Hereinafter, exemplary embodiments of the invention will be described in detail with reference to the drawings. It should be understood that the embodiments described herein are not intended to limit the invention but to serve to explain the invention, and the features or combinations of features of the embodiments may not always be essential to the invention.

1 zeigt die Draufsicht auf ein streifenförmiges Metallblech 1, das ein Werkstück und/oder Halbzeug ist, mit auf der Unterseite installiertem Prüfkopf 10. Der Prüfkopf 10 ist schematisch in gestrichelten Linien dargestellt und vereint im vorliegenden Beispiel einen Ultraschallsensor und eine Ultraschallquelle. Durch den Prüfkopf 10 werden somit sowohl Ultraschallwellen im Metallblech 1 angeregt als auch Interaktionssignale detektiert. 1 shows the top view of a strip-shaped metal sheet 1 , which is a workpiece and / or semi-finished, with installed on the bottom test head 10 , The test head 10 is shown schematically in dashed lines and combines in the present example, an ultrasonic sensor and an ultrasonic source. Through the test head 10 Thus, both ultrasonic waves in the metal sheet 1 stimulated as well as interaction signals detected.

Das Metallblech 1 wird entlang der Walzrichtung W transportiert. Während des Transports erfolgt im Rahmen einer Inline-Prüfung durch den Prüfkopf 10 eine Anregung von Ultraschallwellen entlang der Dickenrichtung des Werkstücks. Die Ultraschallwellen weisen vorzugsweise eine Frequenz von 0,01 bis 50 MHZ auf. Im vorliegenden Fall ist der Prüfkopf 10, insbesondere die Ultraschallquelle, stationär vorgesehen.The metal sheet 1 is transported along the rolling direction W. During transport, an inline inspection is performed by the test head 10 an excitation of ultrasonic waves along the thickness direction of the workpiece. The ultrasonic waves preferably have a frequency of 0.01 to 50 MHz. In the present case, the test head 10 , in particular the ultrasound source, provided stationary.

Die angeregte Ultraschallwelle pflanzt sich im Metallblech entlang der Dickenrichtung, d.h. im Fall der 1 in der Richtung senkrecht zur Papierebene, fort, wird an der vom Prüfkopf entfernten Grenzfläche reflektiert und kehrt in entgegengesetzter Richtung zurück, wo sie vom Prüfkopf 10 als Interaktionssignal detektiert wird. In diesem Sinne erfolgt die Messung im sogenannten "Impuls-Echo-Mode." Zur Berechnung der Geschwindigkeit wird der Laufweg des Interaktionssignals berücksichtigt, der im vorliegenden Beispiel das Zweifache der Dicke des Werkstücks ist. Der Prüfkopf 10 empfängt ein erstes Echo bei Anregung der Ultraschallwelle, oder äquivalent bei einer Reflektion auf der Oberfläche des Werkstücks, und ein zweites Echo nach Hin- und Rücklauf der Welle. Alternativ können sich Anregungs- und Messprüfkopf auf den gegenüberliegenden Seiten des Werkstücks befinden. In diesem Fall wird nur das Einfache der Werkstücksdicke in die Berechnung der Ultraschallgeschwindigkeit aus der ermittelten Laufzeit einfließen.The excited ultrasonic wave propagates in the metal sheet along the thickness direction, ie in the case of 1 away in the direction perpendicular to the paper plane, is reflected at the interface remote from the test head and returns in the opposite direction from where it exits the test head 10 is detected as an interaction signal. In this sense, the measurement takes place in the so-called "pulse-echo mode." To calculate the speed, account is taken of the path of the interaction signal, which in the present example is twice the thickness of the workpiece. The test head 10 receives a first echo upon excitation of the ultrasonic wave, or equivalently upon reflection on the surface of the workpiece, and a second echo upon forward and reverse of the wave. Alternatively, the excitation and measurement probes may be on opposite sides of the workpiece. In this case, only the simple of the workpiece thickness will be included in the calculation of the ultrasonic velocity from the determined running time.

Aus dem detektierten Interaktionssignal, konkret aus den beiden "benachbarten" Echos, werden die Laufzeit und die Intensität der Ultraschallwelle und ggf. die Schallgeschwindigkeit im Material des Metallblechs 1 und die Intensitätsverringerung, d.h. die Dämpfung auch in Abhängigkeit der Frequenz, durch das Material bestimmt. Daraus wird über eine Korrelationsgleichung die gewünschte mechanische Eigenschaft, die im vorliegenden Beispiel die Zugfestigkeit ist, bestimmt. From the detected interaction signal, specifically from the two "neighboring" echoes, the transit time and the intensity of the ultrasonic wave and possibly the speed of sound in the material of the metal sheet 1 and the intensity reduction, ie the attenuation also as a function of the frequency, determined by the material. From this, the desired mechanical property, which in the present example is the tensile strength, is determined via a correlation equation.

Eine Verteilung der Zugfestigkeit Rm des Metallblechs 1 entlang der Längserstreckung geht aus der 2 hervor. Das Ergebnis der Berechnung der Zugfestigkeit Rm ist gegen die Blechlänge aufgetragen. Ferner ist ein Toleranzbereich max-min in gestrichelten Linien eingetragen. Somit geht aus der Verteilung der 2 (schematisch) hervor welche Blechlänge noch in den Toleranzen liegt und wie viel verwertet werden kann.A distribution of the tensile strength Rm of the metal sheet 1 along the longitudinal extension goes out of the 2 out. The result of calculating the tensile strength Rm is plotted against the sheet length. Furthermore, a tolerance range max-min is entered in dashed lines. Thus, from the distribution of the 2 (schematically) which sheet length is still in the tolerances and how much can be recycled.

Der Prüfkopf 10, insbesondere der oder die Ultraschallsensoren, kann bzw. können auch beweglich vorgesehen sein, beispielsweise entlang der Längserstreckung und/oder in einer Richtung senkrecht zur Längserstreckung und senkrecht zur Dickenrichtung des Werkstücks 1. Alternativ oder zusätzlich können mehrere Ultraschallsensoren vorgesehen sein. Ein Anwendungsbereich besteht dann darin, dass eine zweidimensionale (oder allgemein mehrdimensionale) Verteilung der mechanischen Materialeigenschaften ermittelt werden kann.The test head 10 , in particular the or the ultrasonic sensors, can also be provided movably, for example along the longitudinal extension and / or in a direction perpendicular to the longitudinal extent and perpendicular to the thickness direction of the workpiece 1 , Alternatively or additionally, a plurality of ultrasonic sensors may be provided. One field of application is then that a two-dimensional (or generally multi-dimensional) distribution of the mechanical material properties can be determined.

Die 3 zeigt ein solches zweidimensionales Verteilungsbild der Zugfestigkeit Rm entlang der Breite und Länge eines Blechs, etwa zur Optimierung des Blechzuschnitts und/oder anderer Prozessvariablen. Die Werte der Zugfestigkeit Rm sind als Grauschattierung (allgemein in einer Farbskala) dargestellt. Der schwarzgefärbte Bereich der 3 enthält Werte, die außerhalb zugelassener Toleranzen (Rm, min-max) liegen. Die Strichpunktlinie zeigt einen Vorschlag zum Blechzuschnitt.The 3 shows such a two-dimensional distribution image of the tensile strength Rm along the Width and length of a sheet, for example to optimize the sheet metal blank and / or other process variables. The values of the tensile strength Rm are shown as gray shading (generally in a color scale). The black colored area of the 3 contains values that are outside permitted tolerances (Rm, min-max). The dashed line shows a suggestion for sheet metal cutting.

Das dargelegte Verfahren kann auf existierenden Fehlerprüfanlagen aufbauen. Die gemessenen Interaktionssignale werden etwa mit einer Auswertesoftware in mechanische Eigenschaften umgerechnet. Es entsteht, wie es in 3 gezeigt ist, ein Verteilungsbild von mechanischen Materialeigenschaften über die Blechfläche, ähnlich wie bei Fehlerverteilungsbildern herkömmlicher Anlagen. Anhand dieses Verteilungsbilds können beispielsweise Entscheidungen über den Zuschnitt des Blechs und/oder andere Entscheidungen zum weiteren Prozessverlauf getroffen werden. Stark abweichende Werte der mechanischen Materialeigenschaften können auf etwaige Prozessfehler, deren Art, Ursache und Position hindeuten. Dies hilft, Prozessstörungen zu lokalisieren. In der 3 kennzeichnet der schwarze Kasten im oberen Bereich Werte deutlich verminderter Zugfestigkeit Rm. Diese, wiederrum, deutet auf einen Düsenausfall in der Kühlstrecke hin. The method set out can be based on existing error checking systems. The measured interaction signals are converted into mechanical properties, for example using evaluation software. It arises as it is in 3 1, a distribution pattern of mechanical material properties across the sheet surface is shown, similar to error distribution patterns of conventional equipment. On the basis of this distribution diagram, for example, decisions can be made about the cutting of the sheet metal and / or other decisions for the further course of the process. Strongly deviating values of the mechanical material properties can indicate possible process errors, their type, cause and position. This helps to locate process disturbances. In the 3 indicates the black box in the upper area values significantly reduced tensile strength Rm. This, in turn, indicates a nozzle failure in the cooling section.

Vorzugsweise weist die Vorrichtung eine oder mehrere (nicht dargestellte) Einrichtungen zur Dickenmessung des Werkstücks und/oder Temperaturmessung, die mit der Steuer-/Auswerteeinheit verbunden sind, auf. Somit lassen sich weitere Parameter des Werkstücks, die zur Berechnung der mechanischen Materialeigenschaften herangezogen werden können, "Inline" und stets aktuell ermitteln.The device preferably has one or more devices (not shown) for measuring the thickness of the workpiece and / or temperature measurement, which are connected to the control / evaluation unit. Thus, further parameters of the workpiece, which can be used to calculate the mechanical material properties, can be determined "inline" and always up-to-date.

Wesentlich für die dargelegten Verfahren und Vorrichtungen ist, dass die Geschwindigkeit und Dämpfung des Interaktionssignals kombinatorisch eingesetzt werden. Anschaulich und vereinfacht gesprochen liefert die Geschwindigkeit Informationen über die Phasenzusammensetzung und die Dämpfung Informationen über die durchschnittliche Korngröße des Materials. Essential for the presented methods and devices is that the speed and attenuation of the interaction signal are used combinatorially. Clearly and simply, the velocity provides information about the phase composition and damping information about the average grain size of the material.

Die dargestellten Verfahren und Vorrichtungen können auf bestehenden Ultraschallsystemen aufbauen und an Neuentwicklungen in der Messtechnik angepasst werden. The illustrated methods and devices can be built on existing ultrasound systems and adapted to new developments in metrology.

Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.Where applicable, all individual features illustrated in the embodiments may be combined and / or interchanged without departing from the scope of the invention.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Werkstück workpiece
1010: Ultraschallsensor ultrasonic sensor
WW: Walzrichtung rolling direction

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 6057927 A [0002]
EP 0737861 B1 [0006]
US 4522071 A [0007]
DE 112006001786 T5 [0008]

Claims

Method for nondestructive determination of one or more mechanical material properties of a workpiece ( 1 ) using piezo and / or EMAT ultrasound, the method comprising: exciting one or more ultrasonic waves in the workpiece ( 1 ); Measuring one or more interaction signals by means of one or more ultrasonic sensors ( 10 ); Determination of propagation times and intensities also as a function of the frequency of the excited ultrasonic waves from the measured interaction signals; Determining the desired mechanical material property based on a combination of the determined durations and intensities.

A method according to claim 1, characterized in that the determination of the desired material property by means of a correlation equation takes place, which contains in addition to terms of running time and intensity and one or more material-specific and / or workpiece-specific parameters.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the yield strength and / or the elongation and / or the tensile strength of the material of the workpiece ( 1 ) is determined.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the workpiece ( 1 ) is a band-shaped and a one-dimensional distribution of the desired material property along the longitudinal extent of the workpiece ( 1 ) is determined.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the workpiece ( 1 ) is a two-dimensional distribution of the desired material property along the flat main directions of extension of the workpiece ( 1 ) is determined.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the method is carried out within a production line.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the results of the determination of mechanical properties of a workpiece with ultrasound are used to increase the quality of the workpiece (eg via optimal cutting) and / or optimization of process parameters.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the workpiece ( 1 ) is a metallic workpiece, preferably a metal sheet.

Device for nondestructive determination of one or more mechanical material properties of a workpiece ( 1 ) using piezo and / or EMAT ultrasound, the device comprising one or more ultrasound sources ( 10 ) for excitation of ultrasonic waves in the workpiece ( 1 ), one or more ultrasonic sensors ( 10 ) for measuring interaction signals, and a control / evaluation unit connected to the ultrasound sources ( 10 ) and the ultrasonic sensors ( 10 ) and configured to determine from the measured interaction signals, the transit time and intensity of one or more ultrasonic waves and to calculate the desired mechanical material property on the basis of a combination of the determined transit times and intensities also as a function of the frequency.

Apparatus according to claim 9, characterized in that it further comprises one or more devices for measuring the thickness of the workpiece ( 1 ) and / or temperature measurement, which are connected to the control / evaluation, has.

Apparatus according to claim 9, characterized in that it also receives one or more signals transmitted from the production line in the control / evaluation unit, which are taken into account in the evaluation.