DD233197A1

DD233197A1 - Verfahren zur erkennung der aeusseren schichten von verbundwerkstoffen

Info

Publication number: DD233197A1
Application number: DD26533984A
Authority: DD
Inventors: Gerd Roedel; Gerd Baer
Original assignee: Bergbau U Huettenkomb Albert F
Priority date: 1984-07-17
Filing date: 1984-07-17
Publication date: 1986-02-19

Abstract

Das Verfahren dient der Erkennung der aeusseren, optisch schwer unterscheidbarer Schichten von Verbundwerkstoffen, insbesondere solcher aus Edelmetallen und Nichteisenmetallen, wobei die lagerichtige Kennzeichnung und Weiterverarbeitung solcher Schichten mit niedrigem apparativem und personellem Aufwand bezweckt wird. Aufgabe ist die Entwicklung eines Verfahrens und einer Anordnung zur zerstoerungsfreien Erkennung, die sich direkt in den technologischen Fluss des Produktionsprozesses einordnen lassen. Das Verfahren beruht darauf, dass ein eine Pruefspule einschliessender Oszillator mit konstanter Kapazitaet bei einer solchen Messfrequenz betrieben wird, dass die Eindringtiefe der Wirbelstroeme in der gleichen Groessenordnung wie die Staerke der zu erkennenden Schicht gehalten wird und die Schwingungen des Oszillators gedaempft oder voellig aufgehoben werden.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien Erkennung optisch nicht oder nur schwer unterscheidbarer äußerer Schichten von Verbundwerkstoffen aus Edel- und/oder Nichteisenmetallen sowie deren Legierungen und den daraus hergestellten Halbzeugen und Bauelementen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bekanntlich sind bei Verbundwerkstoffen, wie Bi- und Trimetallen, die einzelnen Schichten auf Grund oftmals sehr geringer farblicher Unterschiede optisch schwer zu erkennen, so daß bereits vor deren Kennzeichnung durch Gravieren, Riffelungen u. a. die Gefahr der Verwechslung der Schichten besteht. Dadurch sind Fehlkennzeichnungen nicht auszuschließen, die bei der Weiterverarbeitung unvermeidlich Ausschuß verursachen.

Zum Erkennen der jeweiligen Schicht, als Voraussetzung für die lagerichtige Weiterverarbeitung, sind Oberflächenanalysenverfahren, naßchemische oder spektralanalytische Verfahren sowie metallographische Untersuchungsmethoden allgemein bekannt, die auf der Untersuchung der materialtypischen physikalischen oder chemischen Eigenschaften der zu unterscheidenden Schichten des Verbundwerkstoffes beruhen.

Alle diese bekannten Verfahren besitzen den Mangel, daß die zur Bestimmung der jeweiligen Schicht erforderliche Analyse unter Laborbedingungen mit hohem apparativem Aufwand durchgeführt werden muß, wodurch sie sich nicht in den technologischen Fluß des Produktionsprozesses einordnen lassen. Auf Grund des erforderlichen Zeitaufwandes für die Durchführung der Analyse und des zeitlichen Abstandes zwischen Probenahme, Analyse und dem Vorliegen der Analysenergebnisse ist eine wirkungsvolle Erkennung der Schichten von Verbundwerkstoffen vor der Kennzeichnung oder anderweitigen Verarbeitung ohne Unterbrechung des Produktionsprozesses nicht möglich.

Außerdem wird bei den naßchemischen, spektralanalytischen und metallographischen Verfahren der zu prüfende Werkstoff beschädigt oder zerstört, wodurch Materialverluste entstehen, die bei Edelmetallen oder deren Legierungen besonders nachteilig sind.

Weiter sind Verfahren und Anordnungen zur Identifizierung von Einmetallwerkstoffen bekannt, bei denen die Identifizierung des Werkstoffes unter Ausnutzung seiner elektrischen Eigenschaften erfolgt. Diese beruhen auf der Ausnutzung der elektrischen Leitfähigkeit und des Wirbelstromeffektes, wo bei mit entsprechenden Schaltungen Spannungswerte angezeigt werden, die Aufschluß über den jeweils vorliegenden Werkstoff geben. Ein solches bekanntes Verfahren und eine Anordnung sind in der DD-PS 107142 beschrieben. Gemäß diesem Verfahren wird eine hochfrequente Wechselspannung hohen Potentials über eine Drossel an die Primärwicklung einer Prüfspule gelegt und die durch die induzierten Wirbelströme in einer Sekundärwicklung der Prüfspule erzeugte Spannung über einen Übertrager einem Anzeigeinstrument zugeführt. Die Anordnung besteht aus einem hochfrequenten Sender, dessen Ausgang über einen Verstärker, eine Drossel und eine Kapazität mit der Primärwicklung der Prüfspule und die Sekundärwicklung der Prüfspule über einen Übertrager mit dem Anzeigeinstrument verbunden ist. Diese bekannten Lösungen gestatten es nicht, Schichten auf Verbundwerkstoffen zu identifizieren, da sie nach dem Durchstrahlungsprinzip arbeiten, wodurch die in der Regel unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften zweier oder dreier miteinander stoffschlüssig verbundener metallischer Schichten nicht getrennt voneinander erfaßbar sind, So ist es nicht möglich, einzelne Schichten durch Spannungsänderungen zu identifizieren, da die durch die Verluste bei der Wirbelstrombildung in der Prüfspule hervorgerufene Spannungsänderung durch den gesamten Prüfkörper bewirkt wird. Ferner ist ein Verfahren, das u.a. zur Dickenmessung von Schichten verwendet wird, bekannt, das durch Aufsetzen einer Tastspule unmittelbar die elektrische Leitfähigkeit des unter der Tastspule befindlichen Metalle abzulesen gestattet. Dieses Verfahren arbeitet nach dem Prinzip des anschwingenden Senders. Dabei wird der Sender durch Rückkopplung so stark erregt, daß er mit dem Bruchteil der Amplitude, wie sie sich bei fester Rückkopplung einstellt, schwingt (Handbuch der Werkstoffprüfung, Bd. I „Prüf- und Meßeinrichtungen", 2. Auflage, Springer-Verlag Be iin/Göttingen/Heidelberg, 1958). Dieses Verfahren eignet sich nicht für die Erkennung der äußeren Schichten von Verbundwerkstoffen, da nur ein Summeneffekt hinsichtlich der Leitfähigkeit der Dicke u.a. Parameter erreichbar ist.

Ein Verfahren und eine Anordnung zur Erkennung optisch schwer unterscheidbarer Schichten von Verbundwerkstoffen, das sich in den technologischen Fluß des Produktionsprozesses einordnen läßt, ist bisher nicht bekannt geworden.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die lagerichtige Kennzeichnung und Weiterverarbeitung von aus optisch schwer unterscheidbaren Schichten gebildeten Verbundwerkstoffen sowie daraus hergestellten Halbzeugen mit niedrigem apparativem und personellem Aufwand sicher zu gewährleisten.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die bekannten auf der Untersuchung materialtypischer physikalischer Eigenschaften beruhenden Verfahren zur Erkennung der Schichten von Verbundwerkstoffen erfordern meist werkstoffzerstörende Analysen unter Laborbedingungen, so daß sie sich nicht direkt in den technologischen Fluß des Produktionsprozesses einordnen lassen, während die bekannten auf die Untersuchung elektrischer Eigenschaften des Werkstoffes gerichteten Verfahren und Anordnungen lediglich die Sortierung von Einmetallen gestatten.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein nach dem Wirbelstromprinzip arbeitendes Verfahren zur zerstörungsfreien Erkennung der äußeren Schichten von Verbundwerkstoffen sowie daraus hergestellten Halbzeugen, die sich direkt in den technologischen Fluß des Produktionsprozesses einordnen lassen, zu entwickeln.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein eine Prüfspule einschließender Oszillator mit konstanter Kapazität bei einer solchen Meßfrequenz betrieben wird, daß die Eindringtiefe der Wirbelströme im Metall in der gleichen Größenordnung wie die Stärke der zu erkennenden äußeren Schicht des Verbundwerkstoffes gehalten wird und die Schwingung des Oszillators infolge einer durch die Rückwirkung eines magnetischen Wechselfeldes auf die Prüfspule entstehenden Änderung des ohmschen Anteiles eines Scheinwiderstandes der Prüfspule gedämpft oder völlig aufgehoben wird. Die Schwingung des Oszillators wird über einen Schwellwertschalter und eine Treiberstufe in eine Ja/Nein-Aussage als Erkennungsmerkmal für die Schicht umgesetzt. Die Stabilitätsgrenze des Oszillators wird über einen Abgleichwiderstand derart eingestellt, daß der Oszillator beim Auftreten auf eine erste der äußeren Schichten des Verbundwerkstoffes schwingt und beim Aufsetzen auf eine zweite äußere Schicht nicht schwingt.

Weiter ist kennzeichnend, daß ein aus der Prüfspule und einem Kondensator gebildeter Schwingkreis, der mit einem Verstärker zu einem Oszillator geschaltet ist, für die Schichterkennung verwendet wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren wirkt derart, daß die Schwingungen des Schwingkreises mittels des Abgleichwiderstandes in Abhängigkeit von der Leitfähigkeit der zu identifizierenden Schicht an der Stabilitätsgrenze eingestellt werden. Danach wird die Prüfspule auf die zu erkennende Schicht aufgesetzt, so daß im Werkstoff Wirbelströme gebildet werden, die ein auf die Prüfspule zurückwirkendes sekundäres magnetisches Wechselfeld erzeugen. Dadurch wird der ohmsche und der induktive Anteil des Scheinwiderstandes verändert, deren Wert zu einer Dämpfung oder Auf hebung der Schwingungen im Oszillator führt. Die Feststellung, ob der Oszillator „schwingt" oder „nicht schwingt", wird mittels der Ausgangsspannung des Verstärkers auf einen Schwellwertschalter übertragen und von einer Treiberstufe und einer Anzeigeeinheit in eine Ja/Nein-Aussage umgesetzt.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und von Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1: eine Anordnung

Fig. 2: eine Ortskurve der Scheinwiderstandsebene.

Ausführungsbeispiel

Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf die Erkennung eines Verbundwerkstoffes, bestehend aus einer AgCdO und einer AgCd-Schicht. Die eingestellte Meßfrequenz beträgt 1 MHz.

Die Anordnung besteht aus der Prüf spule 1, die zusammen mit einem parallel zu ihr geschalteten Kondensator 2 konstanter Kapazität einen Parallelschwingkreis bildet, der über den Eingang des Verstärkers 3 und dem Abgleichwiderstand 4 zu einem Oszillator 5 geschaltet ist.

Der Verstärker 3 des Oszillators 5 ist über den Schwellwertschalter 6 und die Treiberstufe 7 mit besonders markierten Luminiszenzdioden 8 und 9 gekoppelt. Die Prüfspule 1 wird bei Meßbeginn auf den Prüfling 10 aufgesetzt (Fig. 1).

Vor Meßbeginn wird die konstante Schwingungsamplitude des Schwingkreises 1,2 entsprechend den Prüfbedingungen, z. B.

der unterschiedlichen Leitfähigkeit der zu unterscheidenden Schichten 10 über den Abgleichwiderstand 4 an der Stabilitätsgrenze eingestellt. Danach wird eine der Schichten 10 durch Aufsetzen der Prüfspule 1 auf diese in deren magnetisches Wechselfeld gebracht. Besteht die zu prüfende Schicht 10 aus elektrisch leitendem Werkstoff, werden in einer oberflächennahen Zone, deren Stärke durch die Meßfrequenz festgelegt ist, Wirbelströme und dadurch ein sekundäres magnetisches Wechselfeld erzeugt, das auf die Prüfspule zurückwirkt. Dadurch werden die elektrischen Eigenschaften der Prüfspule 1 in der Weise beeinflußt, daß sich ihr Scheinwiderstand im ohmschen und im induktiven Anteil ändert. Die Änderung des Scheinwiderstandes der Prüfspule 1 nach Betrag und Phasenwinkel hängt unter anderem auch von der elektrischen Leitfähigkeit der zu identifizierenden Schicht ab, so daß in der Scheinwiderstandsebene eine Ortskurve 11 für die Prüfspule 1 erarbeitet werden kann, die die spezifische elektrische Leitfähigkeit als Parameter besitzt. Die gleichen Kurven ergeben sich aber auch, wenn die Meßfrequenz als Parameter dient.

Wie aus Fig. 2 erkennbar ist, ist der Scheinwiderstand der Prüfspule 1 für Luft(l)—also vor dem Aufsetzen der Prüfspule 1 auf die zu identifizierende Schicht—Z₀ = Ro + j oLo· Nach dem Aufsetzen der Prüfspule 1 aufdieerstezuidentifizierendeSchichtiO(ll) mit einer bestimmten spezifischen Leitfähigkeit ändert sich der Scheinwiderstand in Z-i = Ri + j -,L₁.

Bei der zweiten zu prüfenden Schicht 10 (III) mit einer anderen, in diesem Beispiel niedrigeren Leitfähigkeit, hat die Prüfspule 1 den Scheinwiderstand Z2 = R2 + j 2^-1- Wie zu erkennen ist, bedingt die Leitfähigkeitsminderung eine Induktivitätserhöhung der Prüfspule 1 und damit eine Absenkung der Frequenz des Oszillators 5, die nach der Beziehung

f s : ·

2 L . C

festliegt.

Während Leitfähigkeitsmeßgeräte vorzugsweise bei solchen Frequenzen arbeiten, wo Leitfähigkeitsänderungen den größten Einfluß auf den induktiven Anteil des Scheinwiderstandes ausüben, ist es in diesem Anwendungsfall notwendig, wesentlich höhere Meßfrequenzen zu verwenden (1 MHz), da dadurch die Eindringtiefe in dem gleichen Größenbereich wie die Schichtstärke liegt und nur so eine zweifelsfreie Unterscheidung möglich ist. Außerdem hat bei diesen Frequenzen die Leitfähigkeitsänderung einen größeren Einfluß auf den ohmschen Anteil des Scheinwiderstandes.

Die Einstellung des Oszillators 5 erfolgt über den Abgleichwiderstand 4 derart, daß der Oszillator 5 beim Scheinwiderstand Zi(II) der Prüfspule 1 gerade noch schwingt und beim Scheinwiderstand Z₂(III) die Schwingungen völlig aussetzen oder eine sehr niedrige Schwingungsamplitude annehmen.

Die Ausgangsspannung des Oszillators 5 wird vom Verstärker 3 zum Schwellwertschalter 6 übertragen. Von diesem aus werden über eine Treiberstufe zwei farblich besonders markierte Luminiszenzdioden 8 und 9 angesteuert. Die Diode 8, z. B. grün, liegt am nichtinvertierten Ausgang der Treiberstufe 7 zur Signalisierung der ersten Schicht 10 mit der höheren Leitfähigkeit (II) und die Diode 9, z. B. rot, liegt am invertierten Ausgang der Treiberstufe 7 zur Signalisierung der zweiten Schicht 10 mit der niedrigeren Leitfähigkeit (III).

Die Erfindung eignet sich für die Erkennung der äußeren Schichten von Verbundwerkstoffen, wie Bi- und Trimetallen aus Edelmetall und Nichteisenmetall sowie deren Legierungen und daraus hergestellten Halbzeugen, Bauelementen und dergleichen. Sie kann aber auch zur Sortierung von Einmetallen verwendet werden. Sie gestattet es, die Schichten auf Verbundwerkstoffen mit geringem apparativem Aufwand direkt im technologischen Fluß des Produktionsprozesses zu identifizieren, so daß solche Werkstoffe mit großer Sicherheit lagerichtig der Kennzeichnung bzw. Weiterverarbeitung zugeführt werden können. Außerdem werden durch die zerstörungsfreie Erkennung Verluste an wertvollen Metallen vermieden. Vorteile sind auch darin zu sehen, daß die Bedienung der Anordnung einfach ist und kein speziell ausgebildetes Personal erfordert, die Herstellung von Eichproben entfällt und der Herstellungsaufwand für die Anordnung niedrig ist.

Claims

Erfindungsanspruch:

1. Verfahren zur Erkennung der äußeren Schichten von Verbundwerkstoffen aus Edel- und Nichteisenmetallen sowie anderen Legierungen und daraus hergestellten Halbzeugen und Bauelementen, das nach dem Wirbelstromprinzip unter Verwendung einer auf die Schicht aufgesetzten Prüfspule arbeitet, wobei in Abhängigkeit von der elektrischen Leitfähigkeit dieser Schicht durch die auftretenden Wirbelströme ein auf die Prüfspule zurückwirkendes Wechselfdeld erzeugt wird, gekennzeichnet dadurch, daß ein die Prüfspule einschließender Oszillator mit konstanter Kapazität bei einer solchen Meßfrequenz betrieben wird, daß die Eindringtiefe der Wirbelströme in der gleichen Größenordnung wie die Stärke der zu erkennenden Schicht liegt und die Schwingung des Oszillators infolge einer durch die Rückwirkung des magnetischen Wechselfeldes auf die Prüfspule entstehenden Änderung insbesondere des ohmschen Anteiles eines Scheinwiderstandes der Prüfspule gedämpft oder völlig aufgehoben wird.
2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Schwingungszustand des Oszillators in eine Ja/Nein-Aussage als Erkennungsmerkmal für die Schicht umgesetzt wird.
3. Verfahren nach den Punkten 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Stabilitätsgrenze des Oszillators über einen Abgleichwiderstand derart eingestellt wird, daß der Oszillator bei Aufsetzen der Prüfspule auf eine erste der äußeren Schichten des Werkstoffes schwingt und bei Aufsetzen auf eine zweite der äußeren Schichten nicht schwingt.
4. Verfahren nach den Punkten 1, gekennzeichnet dadurch, daß ein aus der Prüfspule und einem Kondensator gebildeter Schwingkreis, der mit einem Verstärker zu einem Oszillator geschaltet ist, für die Schichterkennung verwendet wird.

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen