DE102009059092B4 - Method for distinguishing and identifying workpieces made of ferromagnetic material by means of nondestructive testing - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Unterscheidung und Identifikation von Werkstücken aus ferromagnetischem Werkstoff, insbesondere Stahl, bei dem das Werkstück mittels einer Spule in ein magnetisches Wechselfeld gebracht wird, wodurch in einer zweiten Spule eine Spannung induziert und bezüglich ihrer Amplitude und Phase ausgewertet wird und das Prüfergebnis mit in einem vorher durchgeführten Kalibrierprozess festgelegten Sortiergrenzen für Prüfteile jeweils gleichen Werkstoffs und gleicher Wärmebehandlung verglichen wird, wobei die Kalibrierung mit festgelegten Prüfparametersätzen aus Erreger- und Messfrequenz vorgenommen und für jeden Prüfparametersatz das Antwortsignal nach Amplitude und Phase ausgewertet und Klassen zugeordnet wird dadurch gekennzeichnet, dass bei der Kalibrierung die Messergebnisse aller verwendeten Prüfparametersätze über einen multivariaten Optimierungsalgorithmus in einem 2xn-dimensionalen Raum (n: Anzahl der Prüfparametersätze und n ≥ 2) simultan bewertet und die Zugehörigkeit zu einer Klasse über eine aus den Messwerten errechnete n-1 dimensionale Hyperfläche als Trennfläche zwischen den Klassen angezeigt wird.Method for differentiating and identifying workpieces made of ferromagnetic material, in particular steel, in which the workpiece is brought into an alternating magnetic field by means of a coil, which induces a voltage in a second coil and evaluates its amplitude and phase and the test result in one previously performed calibration process, the sorting limits for test parts of the same material and the same heat treatment are compared, the calibration being carried out with defined test parameter sets consisting of the excitation and measurement frequency and the response signal for each test parameter set evaluated according to amplitude and phase and assigned to classes characterized in that during calibration the measurement results of all test parameter sets used are evaluated simultaneously using a multivariate optimization algorithm in a 2xn-dimensional space (n: number of test parameter sets and n ≥ 2) and the affiliation to e in a class is displayed as a dividing surface between the classes via an n-1 dimensional hypersurface calculated from the measured values.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Unterscheidung und Identifikation von Werkstücken aus ferromagnetischem Werkstoff, insbesondere von Stahl, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a method for distinguishing and identifying workpieces made of ferromagnetic material, in particular steel, according to the preamble of
Die Erfindung wird im Folgenden an Rundblöcken aus Stahl für die Herstellung nahtloser Rohre beschrieben, sie ist jedoch auf alle zu unterscheidenden oder zu identifizierenden Bauteile oder Werkstücke-, wie Bleche, Stangen usw., aus ferromagnetischem Werkstoff anwendbar.The invention will be described below on steel blocks for the production of seamless tubes, but it is applicable to all distinguishable or identifiable components or Werkstücke-, such as sheets, rods, etc., of ferromagnetic material.
Für die Qualitätssicherungs- und Kosten-Optimierung bei der Herstellung warmgefertigter Rohre aus Stahl ist die Rückverfolgbarkeit und eindeutige Unterscheidung bzw. Identifikation der gefertigten Produkte, d. h. wann ist was wo wie gefertigt worden, von maßgebender Bedeutung. Mit großem Erfolg wird beispielsweise die Rückverfolgung von Rohren mittels Data-Matrix-codes nach der
Die Verwendung multivarianter Algorithmen ist darüber hinaus auch aus der
Unmittelbar verknüpft mit einer lückenlosen Qualitätssicherung in der Fertigung ist aber auch die eindeutige Identifikation bzw. Unterscheidung des zur Fertigung eingesetzten Vormaterials.Directly linked to a complete quality assurance in the production but also the unique identification or distinction of the input material used for manufacturing.
Zur Herstellung nahtloser Rohre werden als Ausgangsmaterial Rundblöcke unterschiedlicher Legierungszusammensetzung eingesetzt. Diese Blöcke lagern auf einem sogenannten Blockplatz. Dort kann es fallweise zu Verwechslungen der zur Fertigung einzusetzenden Rundblöcke kommen, wenn z B. Rundblöcke unterschiedlicher Legierungs-zusammensetzung zum Einsatz kommen.For the production of seamless tubes round blocks of different alloy composition are used as starting material. These blocks are stored on a so-called block space. There may occasionally be confusions of the round blocks to be used for production, for example when round blocks of different alloy composition are used.
Um Verwechselungen zu erkennen wird deshalb üblicherweise eine Verwechselungsprüfung der fertigen Rohre vorgenommen. Hierzu kann z. B. ein Emissionsspektrometer eingesetzt werden, mit dem jedoch nicht alle Werkstoffe sicher unterschieden werden können. Insbesondere ist es schwierig Werkstoffe, die sich im Wesentlichen im Kohlenstoffgehalt unterscheiden, zu trennen. Deshalb wird fallweise zusätzlich noch der sogenannte Funkenflugtest angewandt. Für diesen Test werden mit einer Schleifmaschine Funken erzeugt und deren Flug und Ausprägung mit Augenschein bewertet.To detect confusion, therefore, a confounding test of the finished tubes is usually made. For this purpose, z. B. an emission spectrometer can be used with which, however, not all materials can be safely distinguished. In particular, it is difficult to separate materials that differ substantially in carbon content. Therefore, in some cases additionally the so-called spark test is applied. For this test, sparks are generated with a grinding machine and their flight and characteristics are evaluated visually.
Mit diesen Verfahren kann jedoch keine Unterscheidung von Rohren gleicher Stahlsorten mit vorgenommen werden, die z. B. unterschiedlicher Wärmenachbehandlungen unterzogen wurden. Zudem ist dieses Verfahren nicht automatisierbar und von der Erfahrung des Prüfers abhängig. Zur sicheren Identifikation unter Qualitätssicherungs- und Kostenaspekten ist dieses Verfahren daher nicht brauchbar.With these methods, however, no distinction between pipes of the same steel types can be made with, z. B. different heat post-treatments have been subjected. In addition, this method is not automatable and depends on the experience of the examiner. For safe identification under quality assurance and cost aspects, this method is therefore not useful.
Bekannt ist auch ein automatisiertes Online-Messverfahren zur Identifizierung von Werkstücken aus ferromagnetischem Werkstoff unter dem Namen Magnatest® (www.foerstergroup.de), das kommerziell zur Identifizierung bzw. Sortierung in Klassen von ferromagnetischen Werkstoffen eingesetzt werden kann Nach diesem bekannten Verfahren werden die Werkstücke zur Prüfung in ein magnetisches Wechselfeld gebracht, das in einer Durchlaufspule erzeugt wird. Durch die relative Permeabilität und die elektrische Leitfähigkeit des Werkstoffs des Prüflings wird das Magnetfeld beeinflusst, so dass in einer zweiten Spule eine Spannung induziert wird. Diese wird bezüglich ihrer Amplitude und Phase ausgewertet und das Ergebnis mit in einem Kalibrierprozess festgelegten Grenzen als Schwellwert für die Prüfgruppe verglichen. Mit diesem Verfahren sind im Prinzip verschiedene metallische Werkstoffe, sowie gleiche Metalle mit unterschiedlicher Legierungszusammensetzung oder unterschiedlichen Gefügezuständen unterscheidbar.Also known is an automated online measuring method for the identification of workpieces made of ferromagnetic material under the name Magnatest ® (www.foerstergroup.de), which can be used commercially for the identification or sorting in classes of ferromagnetic materials According to this known method, the workpieces placed in an alternating magnetic field for testing, which is generated in a continuous coil. Due to the relative permeability and the electrical conductivity of the material of the specimen, the magnetic field is influenced, so that in a second coil, a voltage is induced. This is evaluated with regard to its amplitude and phase and the result is compared with limits defined in a calibration process as a threshold value for the test group. With this method, in principle, different metallic materials, as well as the same metals with different alloy composition or different structural states distinguishable.
Bevor die Werkstoffe geprüft werden können, muss das Gerät zuerst eingerichtet und kalibriert werden. Als Basis für einen Prüfauftrag dient die Prüfdefinition, die die Einstellungen für die Prüfung, insbesondere die Prüfparameter, beinhaltet. Zu diesen zählt die Prüffrequenz samt Angabe der Frequenz(en) bei der das Signal ausgewertet wird. Die Kalibrierung dient zur Festlegung der Sortierbereiche. Dazu werden Teile der ersten Klasse, d. h. Klasse von Prüflingen mit gleichem Werkstoff und gleicher Wärmebehandlung, durch die Spule befördert und Messungen vorgenommen. Nach der Prüfung einer bestimmten Anzahl von Teilen (Prüfteilgruppe) mit mindestens 5 und maximal 30 Prüflingen, wird ein Toleranzfeld als Sortiergrenze um die Ergebnisse der jeweiligen Prüfteilgruppe gebildet und zwar separat für jeden Satz von Prüfparametern. Hierbei ist mit geeigneten Mitteln sicherzustellen, dass nur Kalibrierteile aus demselben Werkstoff und mit gleicher Wärmebehandlung verwendet werden.Before the materials can be tested, the device must first be set up and calibrated. The basis for a test order is the test definition, which contains the settings for the test, in particular the test parameters. These include the test frequency including the frequency (s) at which the signal is evaluated. The calibration is used to define the sorting areas. For this, parts of the first class, i. H. Class of test pieces with the same material and heat treatment, transported through the coil and made measurements. After testing a certain number of parts (test part group) with at least 5 and a maximum of 30 test specimens, a tolerance field is formed as a sorting limit around the results of the respective test part group and separately for each set of test parameters. It must be ensured by suitable means that only calibration parts made of the same material and with the same heat treatment are used.
Die Toleranzfelder werden bei dem bekannten Kalibrierverfahren nach festen Vorgaben automatisch erstellt und können danach manuell in Größe und Form verändert werden. Als Auswahl für die Formen stehen Kreise, Ellipsen, Rechtecke und Polygone zur Verfügung.The tolerance fields are created automatically in the known calibration method according to fixed specifications and can then be manually changed in size and shape. As a selection for the shapes circles, ellipses, rectangles and polygons are available.
Nach der Festlegung der ersten Klasse, kann der Vorgang für weitere (insgesamt 6) Klassen wiederholt werden. Damit ist die Kalibrierung beendet und die eigentliche Prüfung der Prüflinge kann gestartet werden.After determining the first class, the process can be repeated for a further (total of 6) classes. This completes the calibration and the actual test of the test items can be started.
Die Handhabung der Prüfkörper bei der Prüfung ist identisch mit der beim Kalibriervorgang. Nach der Messung werden die Messwerte für jeden Prüfparametersatz einzeln mit den jeweiligen Toleranzfeldern verglichen. Liegt ein Prüfkörper bei mindestens einem Parametersatz in keinem der Toleranzfelder, so wird er als verwechselt zurückgewiesen.The handling of the test specimens during the test is identical to that during the calibration process. After the measurement, the measured values for each test parameter set are compared individually with the respective tolerance fields. If a test specimen is not in any of the tolerance fields for at least one parameter set, it is rejected as being confused.
Neben der eindeutigen Zuordnung eines Teils zu einer Klasse kann ein Prüfwert in unterschiedlichen Parametersätzen allerdings auch in verschiedene Klassen fallen und somit nicht eindeutig zugeordnet werden. Gerade bei Materialien ähnlicher Legierungszusammensetzung mit unterschiedlicher Wärmebehandlung, z. B. Vergütung, kann diese Auswertemethode eine genaue Identifizierung bzw. Unterscheidung nicht sicher gewährleisten und daher zu Fehlanzeigen führen.In addition to the unambiguous assignment of a part to a class, however, a test value in different parameter sets can also fall into different classes and thus can not be assigned unambiguously. Especially with materials similar alloy composition with different heat treatment, z. As remuneration, this evaluation method can not ensure an accurate identification or distinction and therefore lead to false positives.
Aufgabe der Erfindung ist es, das bekannte Verfahren zur Identifikation bzw. Unterscheidung ferromagnetischer Werkstoffe so zu verbessern, dass eine höhere Trennschärfe zwischen den ermittelten Klassen erreicht wird und damit eine Identifikation bzw. Unterscheidung auch bei ähnlicher Legierungszusammensetzung und unterschiedlicher Wärmebehandlung möglich ist.The object of the invention is to improve the known method for identification or differentiation of ferromagnetic materials so that a higher selectivity between the determined classes is achieved and thus an identification or distinction is possible even with similar alloy composition and different heat treatment.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass bei der Kalibrierung die Messergebnisse aller verwendeten Prüfparametersätze über einen multivariaten Optimierungsalgorithmus in einem 2xn-dimensionalen Raum (n: Anzahl der Prüfparametersätze und n ≥ 2) simultan bewertet und die Zugehörigkeit zu einer Klasse über eine aus den Messwerten errechneten n-1 dimensionalen Hyperfläche als Trennfläche zwischen den Klassen angezeigt wird.According to the invention, this object is achieved in that during calibration the measurement results of all test parameter sets used are evaluated simultaneously via a multivariate optimization algorithm in a 2xn-dimensional space (n: number of test parameter sets and n≥2) and the membership of a class via one of the measured values calculated n-1 dimensional hypersurface is displayed as the interface between the classes.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Verlauf der Trennfläche zwischen den unterschiedlichen Klassen so optimiert, dass der Abstand der zur Trennfläche am nächsten liegenden Ergebniswerte der verschiedenen Klassen am größten ist. Die n-1 dimensionale Trennfläche kann dabei eine Hyperebene sein.In an advantageous embodiment of the invention, the profile of the separating surface between the different classes is optimized such that the distance between the result values of the different classes closest to the separating surface is greatest. The n-1 dimensional separation surface can be a hyperplane.
Die Erfindung überwindet die Nachteile des bekannten Magnatest®-Kalibrierverfahrens, und bringt insbesondere Vorteile im Hinblick auf eine exaktere Klassifikation (Unterscheidung) ferromagnetischer Werkstoffe. Statt des bekannten Verfahrens zur Kalibrierung und Auswertung in einem zweidimensionalen Raum, wird bei der vorliegenden Erfindung ein multivariater Algorithmus (Data Mining) in einem 2xn-dimensionalen Raum mit n ≥ 2 verwendet, der die Trennung der Klassen optimiert. Insbesondere ergeben sich folgende Vorzüge der Erfindung:
- • Beim Kalibrieren (Lernen) werden die Klassen unter gleichzeitiger Berücksichtigung der Messergebnisse aller Prüfparametersätze unterschieden. Damit ist prinzipiell eine bessere Trennung der Messergebnisse möglich. Es kann außerdem eine Bewertungsskala der für die Klassifikation wichtigsten Prüfparametersätze erstellt werden, um damit gezielt die Prüfung zu verbessern. Die einzelnen Prüfparametersätze einer Prüfdefinition werden dabei im Zuge der Auswertung der Messergebnisse einer Bewertung im Hinblick auf ihre Eignung zur Unterscheidung der Klassen unterzogen, wobei entsprechend der Bewertung eine Auswahl an geeigneten Prüfparametersätzen vorgenommen wird.
- • Der erfindungsgemäß verwendete multivariate Algorithmus optimiert automatisch die Trennung der Klassen. Ein manueller Eingriff ist nicht nötig. Die Form der Trennfläche ist flexibel und wird ebenfalls automatisch optimiert.
- • Da erfindungsgemäß für jeden Messwert ein Vertrauenswert für die Zugehörigkeit zu einer Klasse angegeben wird, ergibt sich als Ergebnis der Teileprüfung auf Basis der simultanen Bewertung der Messergebnisse aller Prüfparameter eine genauere Beurteilung der Klassenzugehörigkeit, als bei einem festen Schwellenwert.
- • During calibration (learning), the classes are distinguished by taking into account the measurement results of all test parameter sets. Thus, a better separation of the measurement results is possible in principle. In addition, a rating scale of the most important test parameter sets for the classification can be created in order to improve the test in a targeted manner. In the course of evaluating the measurement results, the individual test parameter sets of a test definition are subjected to an evaluation with regard to their suitability for distinguishing the classes, with a selection of suitable test parameter sets being made according to the evaluation.
- The multivariate algorithm used according to the invention automatically optimizes the separation of the classes. A manual intervention is not necessary. The shape of the interface is flexible and is also automatically optimized.
- • Since, according to the invention, a confidence value for belonging to a class is given for each measured value, the result of the parts test based on the simultaneous evaluation of the measurement results of all test parameters is a more accurate assessment of the class membership than for a fixed threshold value.
Tests mit im Labor gewonnen Messdaten von Rohrstücken aus unterschiedlichem Vormaterial ergaben hervorragende Resultate. So konnten nahezu alle zur Verfügung gestellten Materialien richtig sortiert werden. Selbst eine Verwechslungsprüfung zwischen Rohren aus demselben Werkstoff aber mit unterschiedlichen Vergütungen war möglich.Tests with data obtained in the laboratory from pipe sections made of different starting material gave excellent results. This meant that almost all materials made available could be sorted correctly. Even a confusion test between pipes made of the same material but with different remuneration was possible.
Für eine Kalibrierung muss sichergestellt sein, dass sich bei den für die Kalibrierung verwendeten Prüfkörpern keine mit unterschiedlichem Werkstoff oder unterschiedlicher Vergütung befinden.For a calibration it must be ensured that the test specimens used for the calibration are not of different material or different temper.
In einem ersten Schritt werden für die Kalibrierung z. B. 5 Rohre gleichen Werkstoffs verwendet. So können die nachfolgend zu prüfenden Rohre aus anderen Werkstoffen unterschieden werden, für deren Prüfung bislang der Funkentest eingesetzt wurde, der damit überflüssig wird.In a first step, for the calibration z. B. 5 tubes of the same material used. Thus, the tubes to be tested below can be distinguished from other materials for whose testing the spark test has hitherto been used, which is therefore superfluous.
In einem zweiten Schritt wird die Kalibrierung mit einer größeren Anzahl von Rohren durchgeführt, um so auch Rohre mit lediglich unterschiedlichen Wärmebehandlungen, wie beispielsweise Vergütungen, unterscheiden zu können. Dies wird nach dem bekannten Kalibrierverfahren mit der Magnatest®-Software mittels eines „klassischen” Ausreißertests gemacht, wobei wiederum jeder Parametersatz separat untersucht wird.In a second step, the calibration is carried out with a larger number of tubes, so as to be able to distinguish pipes with only different heat treatments, such as, for example, tempering. This is done outlier tests according to the known calibration procedure with the Magnatest ® software by means of a "classic", again each set of parameters is examined separately.
Bei der im Rahmen der Erfindung entwickelten Java-Software wird dagegen ein multivariater Ausreißertest durchgeführt mit den oben beschriebenen Vorteilen der Auswertung in einem 2xn-dimensionalen Raum mit n: Anzahl der Parametersätze und n ≥ 2.In the case of the Java software developed in the context of the invention, on the other hand, a multivariate outlier test is carried out with the above-described advantages of the evaluation in a 2xn-dimensional space with n: number of parameter sets and n ≥ 2.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der dargestellten FigurFurther features, advantages and details of the invention will become apparent from the following description of the figure shown
Dargestellt ist in einer zweidimensionalen Projektion die erfindungsgemäße simultane Auswertung am Beispiel von zwei zur Prüfung verwendeten Prüfparametersätzen über einen multivariaten Optimierungsalgorithmus und der Auswertung in einem vierdimensionalen Raum.Shown in a two-dimensional projection is the simultaneous evaluation according to the invention using the example of two test parameter sets used for testing via a multivariate optimization algorithm and the evaluation in a four-dimensional space.
Dargestellt sind die Messergebnisse an mehreren Prüfkörpern aus zwei verschiedenen ferromagnetischen Materialien, die mit dem bekannten Magnatest®-Verfahren vermessen wurden.Shown are the measurement results on several test specimens of two different ferromagnetic materials, which were measured by the known Magnatest ® method.
Die Messungen wurden durchgeführt mit zwei Sätzen von Prüfparametern, insbesondere bei zwei unterschiedlichen Frequenzen f1 und f2. Für jede Frequenz liefert das bekannte Auswerteverfahren einen zweikomponentigen Vektor (x, y) in einem zweidimensionalen Raum als Ergebnis. Die Messwerte für die zwei Metallsorten sind im Diagramm mit +/– gekennzeichnet. Die sich ergebenden Klassen sind somit M+ und M–. Die Achsen stellen jeweils den zweidimensionalen Raum der Antwortsignale für die Frequenzen f1 und f2, d. h. die Räume U1 = {x1, y1} und U2 = {x1, y2} dar.The measurements were carried out with two sets of test parameters, in particular at two different frequencies f 1 and f 2 . For each frequency, the known evaluation method yields a two-component vector (x, y) in a two-dimensional space as a result. The measured values for the two metal types are marked with +/- in the diagram. The resulting classes are thus M + and M - . The axes respectively represent the two-dimensional space of the response signals for the frequencies f 1 and f 2 , ie the spaces U 1 = {x 1 , y 1 } and U 2 = {x 1 , y 2 }.
Die Kalibrierung erfolgt mit dem bekannten Verfahren folgendermaßen: Die Toleranzfelder werden für jede Frequenz einzeln festgelegt, d. h. diese Felder ergeben sich aus der Projektion von M+ bzw. M– auf die Achsen und sind in der Abbildung mit P gekennzeichnet. Man erkennt leicht, dass die Projektionen der Klasse M–(R– 1 und P– 2) in den entsprechenden Projektionen der Klasse M+(P+ 1 und P+ 2) enthalten sind. Somit ist eine Trennung dieser beiden Klassen nicht möglich.The calibration is carried out with the known method as follows: The tolerance fields are determined individually for each frequency, ie these fields result from the projection of M + or M - on the axes and are marked with P in the figure. It is easily seen that the projections of the class M - (R - 1 and P - 2) in the corresponding projections of the class M + (P + 1 and P + 2) are included. Thus, a separation of these two classes is not possible.
Berücksichtigt man allerdings erfindungsgemäß beide Frequenzen gleichzeitig, d. h. für dieses Beispiel in einem vierdimensionalen Raum, so lassen sich die Klassen z. B. durch die Trennlinie T eindeutig separieren. Die Trennlinie ist so optimiert, dass der Abstand der nächsten Punkte zur Trennungslinie am größten ist.However, considering both frequencies simultaneously according to the invention, d. H. for this example in a four-dimensional space, the classes z. B. clearly separated by the dividing line T. The dividing line is optimized so that the distance between the next points and the dividing line is greatest.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R016 | Response to examination communication | ||
| R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
| R020 | Patent grant now final |
Effective date: 20120602 |
|
| R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |