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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Materialeigenschaft
eines elektrisch leitfähigen Bauteils, bei welchem an dem
Bauteil ein Wert einer elektrischen Messgröße
erfasst wird. Der Wert der elektrischen Messgröße
wird mit wenigstens einem Vergleichswert verglichen. Auf der Basis eines
zuvor ermittelten Zusammenhangs zwischen dem wenigstens einen Vergleichswert
und der wenigstens einen Materialeigenschaft wird dann auf die wenigstens
eine Materialeigenschaft rückgeschlossen. Des Weiteren
betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Materialeigenschaft
eines elektrisch leitfähigen Bauteils.
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Die
DE 199 40 843 A1 beschreibt
ein Verfahren zum Bestimmen der elektrischen Leitfähigkeit
eines elektrisch leitfähigen Materials mittels eines Wirbelstromverfahrens.
Ein solches Wirbelstromverfahren ist beispielsweise für
die zerstörungsfreie Materialuntersuchung auf Risse, Lunker
und dergleichen Defekte hin einsetzbar.
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Aus
der Stand der Technik ist es des Weiteren allgemein bekannt, ein
Wirbelstromverfahren bei der Gefügeprüfung eines
Bauteils einzusetzen. Hierbei wird der Umstand ausgenutzt, dass
Unterschiede im Gefüge eines Bauteils, welche sich beispielsweise in
einer bereichsweise unterschiedlichen Härte äußern
können, mit unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeiten
einhergehen, Diese unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeiten
sind mittels des Wirbelstromverfahrens erfassbar. Beispielsweise
kann bei einer Sortierprüfung von Bauteilen unterschiedlichen Gefüges
anhand der elektrischen Leitfähigkeit auf das Gefüge
des zu prüfenden Bauteils rückgeschlossen werden.
Hierbei ist ein Zusammenhang zwischen der elektrischen Leitfähigkeit
und der in der Gefügeprüfung zu ermittelnden Materialeigenschaft des
zu prüfenden Bauteils, etwa dessen Härte, bekannt.
Bei der Sortierprüfung wird der Wert der elektrischen Messgröße
mit einem Vergleichswert verglichen, wobei der Zusammenhang zwischen
dem Vergleichswert und der zu prüfenden Materialeigenschaft
bekannt ist. Dadurch können bei der Sortierprüfung
Bauteile aussortiert werden, deren Gefüge nicht vorgegebenen
Anforderungen entspricht.
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Als
nachteilig bei einem derartigen Verfahren zum Bestimmen einer Materialeigenschaft
eines elektrisch leitfähigen Bauteils ist der Umstand anzusehen,
dass die über die Gefügeprüfung erfassbaren Materialeigenschaften
nur begrenzte Aussagen über die Beschaffenheit des Bauteils
ermöglichen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine
Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welches beziehungsweise
welche erweiterte Aussagen über die Beschaffenheit des
Bauteils zulässt.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst. Des Weiteren wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit
den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen
der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen
angegeben.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Bestimmen
einer Materialeigenschaft eines elektrisch leitfähigen
Bauteils wird an dem Bauteil ein Wert einer elektrischen Messgröße
erfasst. Der Wert der elektrischen Messgröße wird
mit wenigstens einem Vergleichswert verglichen. Auf der Basis eines zuvor
ermittelten Zusammenhangs zwischen dem wenigstens einen Vergleichswert
und der wenigstens einen Materialeigenschaft wird auf die wenigstens eine
Materialeigenschaft rückgeschlossen. Als die wenigstens
eine Materialeigenschaft wird hierbei ein mittels eines Zugversuchs
messbarer Kennwert bestimmt. Es können also zerstörungsfrei
Zugversuchskennwerte des Bauteils bestimmt werden. Dadurch lässt
sich dieses Verfahren vorteilhaft in einen Fertigungsprozess des
Bauteils und/oder in einen Fertigungsprozess, in welchem das Bauteil
Verwendung findet, etwa in die Fahrzeugfertigung, mit aufnehmen.
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Das
Verfahren kann besonders einfach in einen zumindest weitgehend automatisierten
Fertigungsprozess integriert werden, wobei auch das Verfahren zumindest
weitgehend automatisierbar ist. Durch das Bestimmen wenigstens eines
mittels eines Zugversuchs messbaren Kennwerts des Bauteils ist es möglich,
erweiterte Aussagen über die Beschaffenheit des Bauteils
zu treffen.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird als Kennwert
eine Dehngrenze und/oder eine Zugfestigkeit und/oder eine Streckgrenze
des Bauteils bestimmt. Anhand eines, oder gegebenenfalls mehrerer,
dieser Kennwerte lässt sich eine Aussage über
die Festigkeit des Bauteils treffen, also über dessen Widerstandsfähigkeit
gegenüber einer Verformung unter Zug und/oder gegenüber
einer Trennung. Dies kann vorteilhaft dazu eingesetzt werden, um
zerstörungsfrei festzustellen, ob das Bauteil die für
dessen Verwendung, insbesondere im Rahmen der Fahrzeugfertigung,
geforderte Festigkeit aufweist.
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Als
weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn das Verfahren an einem
ein Nichteisenmetall, insbesondere eine Aluminiumlegierung, bevorzugt eine
Aluminiumgusslegierung, aufweisenden Bauteil durchgeführt
wird. Solche Nichteisenmetallbauteile finden nämlich in
der Fahrzeugfertigung vielfache Verwendung.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird anhand des
Kennwerts auf ein Erfolgtsein und/oder auf eine Art einer Wärmebehandlung
des Bauteils geschlossen. Es kann also einerseits qualitativ bestimmt
werden, ob eine Wärmebehandlung des Bauteils überhaupt
erfolgt ist. In dem Falle, dass wenigstens eine Wärmebehandlung
erfolgt ist, kann erfasst werden, um welche Art der Wärmebehandlung
es sich gehandelt hat. Unterschiedliche Arten der Wärmebehandlung
können sich hierbei insbesondere in ihren Temperaturprofilen und/oder
Zeitprofilen unterscheiden. Dies kann vorteilhaft insbesondere zur
Qualitätskontrolle der Bauteile eingesetzt werden.
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Als
weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn der wenigstens eine
Vergleichswert in einer für das Bauteil spezifischen Kennlinie
hinterlegt ist. Dadurch ist ein besonders rasches und genaues Rückschließen
auf den wenigstens einen Zugversuchskennwert ermöglicht.
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Die
Kennlinie kann hierbei aus Mittelwerten der elektrischen Messgröße
gebildet sein, welche jeweils mit einem bei einem Zugversuch an
einem Referenzbauteil gemessenen Kennwert korrelieren. Jeder Mittelwert,
welcher zum Bilden der Kennlinie herangezogen wird, beruht hierbei
bevorzugt auf einer großen Zahl von gemessenen Werten der
elektrischen Messgröße an eben so vielen Referenzbauteilen,
an welchen mittels des Zugversuchs die interessierenden, die Festigkeit
des Bauteils kennzeichnenden Kennwerte bestimmt wurden. Die Kennlinie
ist so besonders verlässlich zum Bestimmen des wenigstens
einen Zugversuchskennwerts heranziehbar.
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Die
Kennlinie kann insbesondere durch Annähern eines Polynoms
an die Mittelwerte gebildet sein. Es sind jedoch auch andere Annäherungsverfahren
vorstellbar.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zum Erfassen
des Werts der elektrischen Messgröße ein, insbesondere
mehr als eine Prüffrequenz nutzendes, Wirbelstromverfahren
eingesetzt. Durch ein solches Wirbelstromverfahren ist der Wert
der zu erfassenden elektrischen Messgröße, beispielsweise
der elektrischen Leitfähigkeit des Bauteils, besonders
genau und rasch erhältlich. Durch Nutzen mehrerer Prüffrequenzen kann
die Genauigkeit der Werterfassung erhöht werden.
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Schließlich
hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn der Wert der elektrischen
Messgröße als Absolutgröße oder
als Vergleichsgröße erfasst wird, wobei im Falle
des Erfassen als Vergleichsgröße eine Parallelmessung
an einem Referenzbauteil vorgenommen wird. Das Erfassen der Messgröße
als Absolutgröße erleichtert ein Automatisieren
des Verfahrens. Durch Erfassen als Vergleichsgröße
können beispielsweise Einflüsse von Umgebungsbedingungen auf
den zu erfassenden Wert der elektrischen Messgröße
besonders einfach mit berücksichtigt werden.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird die oben genannten Aufgabe gelöst
durch eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Materialeigenschaft eines
elektrisch leitfähigen Bauteils, welche einen Sensor zum
Erfassen eines Werts einer elektrischen Messgröße
an dem Bauteil und eine Auswerteeinheit umfasst. Hierbei ist die
Auswerteeinheit zum Vergleichen des Werts der elektrischen Messgröße
mit wenigstens einem Vergleichswert und auf der Basis eines zuvor
ermittelten Zusammenhangs zwischen dem wenigstens einem Vergleichswert
und der wenigstens einen Materialeigenschaft zum Rückschließen
auf die wenigstens eine Materialeigenschaft ausgelegt. Die Auswerteeinheit
ist des Weiteren dazu ausgelegt, als die wenigstens eine Materialeigenschaft
einen mittels eines Zugversuchs messbaren Kennwert zu bestimmen.
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Mittels
dieser Vorrichtung sind erweiterte Aussagen über die Beschaffenheit
des Bauteils zu treffen. Die für das erfindungsgemäße
Verfahren beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen und Vorteile
gelten auch für die erfindungsgemäße
Vorrichtung.
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Die
vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen
sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder
in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Kombinationen sind nicht
nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen
der Erfindung zu verlassen.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
sowie anhand der Zeichnung.
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Diese
zeigt ein Diagramm mit einer Kennlinie, welche einen Zusammenhang
zwischen der elektrischen Leitfähigkeit eines Bauteils
und einer Dehngrenze des Bauteils veranschaulicht.
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Ein
in der Figur gezeigtes Diagramm 10 veranschaulicht für
ein Bauteil aus einem Material der Werkstoffgruppe AlSi9MnMg den
Zusammenhang zwischen der elektrischen Leitfähigkeit des
Bauteils, welcher auf einer Abszisse 12 in MS/m ausgedrückt aufgetragen
ist. Auf einer Ordinate 14 des Diagramms 10 ist
die Dehngrenze Rp0,2 in MPa aufgetragen.
Die Dehngrenze Rp0,2 beschreibt die Spannung, welche
zum bleibenden Verformen des Bauteils um 0,2% der ursprünglichen
Länge aufgewendet werden muss. Dieser Zusammenhang zwischen
der elektrischen Leitfähigkeit des Bauteils und seiner
Dehngrenze Rp0,2 ist anhand einer Kennlinie 16 beschrieben.
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Der
vorliegend für das Bauteil aus dem Material der Werkstoffgruppe
AlSi9MnMg, welches beispielsweise unter dem Handelsnamen Silafont-36
erhältlich ist, und dessen Dehngrenze Rp0,2 beschriebene
Zusammenhang ist insbesondere auf weitere Nichteisenmetalle, beispielsweise
Aluminiumlegierungen oder Aluminiumgusslegierungen, übertragbar.
Hier beschreiben dann entsprechende Kennlinien den jeweiligen Zusammenhang
zwischen einem im Zugversuch ermittelbaren Kennwert des Bauteils und
dem Wert der elektrischen Messgröße.
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Ebenso
kann das Bestimmen der Materialeigenschaft je nach Material des
Bauteils auf Zusammenhängen zwischen der elektrischen Leitfähigkeit und
der Zugfestigkeit des Bauteils und/oder gegebenenfalls von Streckgrenzen
des Bauteils beruhen.
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Die
Kennlinie 16 entspricht vorliegend einer Gleichung für
ein Polynom 5ten Grades der Form: y = –0,0026x5 + 0,0969x4 – 1,2785x3 + 7,0002x2 – 14,989x
+ 192,22.
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Durch
dieses Polynom sind vorliegend dreizehn Mittelwerte 18 in
dem Diagramm 10 angenähert. Bei der Annäherung
des Polynoms 5ten Grades an die Mittelwerte 18 ergibt sich
vorliegend ein Bestimmtheitsmaß von R2 =
0,9709. In alternativen Ausführungsformen können
materialspezifische Kennlinien ebenfalls durch ein Polynom oder
durch eine andere Funktion angenähert sein.
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Jeder
einzelne der dreizehn Mittelwerte 18 in dem Diagramm 10 repräsentiert
hierbei eine spezifische Art der Wärmebehandlung des Bauteils.
Die spezifischen Arten der Wärmebehandlung, welche jeweils
durch einen der Mittelwerte 18 repräsentiert sind,
unterscheiden sich in ihren Zeitprofilen und/oder Temperaturprofilen.
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Für
eine Vielzahl von Bauteilen, welche auf gleiche Art wärmebehandelt
wurden, wurde zum Ermitteln der Mittelwerte 18 die elektrische
Leitfähigkeit mittels eines Wirbelstromverfahrens bestimmt.
Für diese gleichartig wärmebehandelten Bauteile
wurde im Zugversuch die Dehngrenze Rp0,2 bestimmt.
Aus diesen an Referenzbauteilen gemessenen Zugversuchskennwerten
wurde jeder einzelne der dreizehn Mittelwerte 18 ermittelt.
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Für
das vorliegende Beispiel der Kennlinie 16 des Bauteils
aus dem Material der Werkstoffgruppe AlSi9MnMg zeigt sich im Wesentlichen
eine Abnahme der Dehngrenze Rp0,2 mit zunehmender
elektrischer Leitfähigkeit. Für jeden spezifischen
Wert der elektrischen Leitfähigkeit ist die mit diesem
korrelierende Dehngrenze Rp0,2 und somit
die spezifische Art der Wärmebehandlung anhand der Kennlinie 16 eindeutig
bestimmbar.
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Zum
Bestimmen der Dehngrenze Rp0,2 eines noch
ungeprüften Bauteils ist es nun ausreichend, dessen elektrische
Leitfähigkeit zu erfassen und anhand der Kennlinie 16 die
Dehngrenze Rp0,2 zu bestimmen. Das Bauteil
kann so zerstörungsfrei, etwa im Rahmen einer Fahrzeugfertigung,
auf diesen Zugversuchskennwert sowie auf weitere Zugversuchskennwerte
hin untersucht werden.
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Hierbei
wird ein Sensor mit dem Bauteil in Anlage gebracht und die mittels
des Wirbelstromverfahrens bestimmte elektrische Leitfähigkeit
auf einer Anzeigeeinrichtung sichtbar gemacht. Alternativ kann der
Sensor einen definierten Abstand zu dem Bauteil aufweisen, bei welchem
eine Erzeugung von Wirbelströmen in dem Bauteil möglich
ist.
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Das
Bauteil, dessen elektrische Leitfähigkeit bestimmt werden
soll, kann auch in eine Messspule eingeführt sein. Bei
einer Vergleichsmessung wird dann parallel in einer Vergleichsspule
ein Unterschied der elektrischen Leitfähigkeit des zu prüfenden
Bauteils und des Referenzbauteils in der Vergleichsspule bestimmt.
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Anstelle
einer Anzeige des Werts der elektrischen Leitfähigkeit
auf der Anzeigeeinrichtung kann der Wert auch einer digitalen Weiterverarbeitung
zugeführt werden. In einer Auswerteeinheit ist die Kennlinie 16 für
ein Bauteil aus dem Material der Werkstoffgruppe AlSi9MnMg hinterlegt,
so dass für das zu prüfende Bauteil aus dem gleichen
Material die Dehngrenze Rp0,2 aus der Kennlinie 16 ermittelbar ist.
Durch thermische Beanspruchungen und Diffusionsprozesse in dem Material
hervorgerufene Änderungen der Materialeigenschaft können
so mit dem Zugversuchskennwert in Verbindung gebracht werden.
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Das
Erfassen der elektrischen Leitfähigkeit des Bauteils ermöglicht
so ein Feststellen, ob überhaupt eine Wärmebehandlung
des zu prüfenden Bauteils erfolgt ist, und falls diese
erfolgt ist, welcher Art die Wärmebehandlung war.
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Somit
ist ein einfach anwendbares, sowohl qualitativ als auch quantitativ
aussagekräftiges und genaues, zerstörungsfreies
Verfahren bereitgestellt, mittels welchem eindeutige Rückschlüsse
auf mittels eines Zugversuchs messbare Kennwerte für ein
zu prüfendes Bauteil gezogen werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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