DE19513312C1 - Verfahren und Vorrichtung zur zerstörungsfreien Ermittlung von Eigenschaften eines Werkstückes aus Metall - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Ermittlung von Eigenschaften eines Werkstückes aus Metall, insbesondere Blech.

Die Überwachung der mechanisch-technologischen Eigenschaften beispielsweise von Großrohrblechen erfolgt derzeit zerstörend, indem Proben entnommen, bearbeitet und untersucht werden, z. B. Zerreißproben. Diese Untersuchungen sind, da sie das Material zerstören, nur punktuell durchführbar. Sie sind kostenintensiv, da eine sorgfältige Probenfertigung erforderlich ist und die Ergebnisse sind erst nach einer gewissen Zeitspanne verfügbar. Demzufolge sind zerstörungsfreie Verfahren sehr wünschenswert, da bereits eine Verringerung der Anzahl zu entnehmender Proben deutliche Einsparungen erbringen würde. Darüber hinaus erlauben sie eine schnellere Beurteilung des Werkstückes und damit eine Rückkopplung auf den Herstellungsprozeß.

Die mechanisch-technologischen Eigenschaften insbesondere Streckgrenze sind jedoch nicht unmittelbar einer zerstörungsfreien Ermittlung zugänglich. Fig. 1 verdeutlicht die Problematik. Die "Struktur" des verwendeten Materials wird durch den Herstellungsprozeß aufgrund vorliegender Erfahrungen eingestellt, z. B. durch geeignete Wahl der Legierungszusammensetzung, Verformungsbedingungen und Wärmebehandlung. Die technischen Eigenschaften des Materials werden von den Strukturparametern bestimmt, wobei jedoch in der Regel mehrere Elemente Einfluß auf die jeweils interessierende Größe haben. Auf der anderen Seite existieren zerstörungsfreie Verfahren, die an einem unpräparierten Werkstück eingesetzt werden können, deren physikalische Meßgrößen durch die Materialstruktur beeinflußt werden. Grob sind hier Ultraschallverfahren und magnetische sowie elektromagnetische Verfahren zu unterscheiden. Auch die einer Messung zugänglichen physikalischen Größen sind nicht nur von einem Strukturelement abhängig, sondern allgemein von einer Kombination. Eine einfache Verknüpfung der technischen Eigenschaften des Materials und der physikalischen Meßgrößen ist im allgemeinen Fall somit nicht möglich.

Aus der US 45 22 071 sowie der US-Z: Ultrasonics, Vol. 25. September 1987; S. 288-294 ist ein Verfahren zur zerstörungs­ freien Ermittlung von Eigenschaften eines Werkstückes aus Metall, insbesondere Blech, bekannt, bei dem koppelmittelfrei linear polarisierte, parallel zur Oberflache sich ausbreitende Ultra­ schallwellen im Werkstück angeregt werden, am gleichen Prüfort die Laufzeiten der Ultraschallwellen in einer Hauptverformungs­ richtung (T1) und senkrecht (T2) dazu in einem definierten Abstand zwischen den zwei Ultraschall-Wandlern bestimmt werden und die Differenzen der Meßwerte der Laufzeitmessungen jeweils für die Messung der beiden Richtungen zur Bestimmung der (tech­ nischen) Materialeigenschaften ausgewertet werden.

Eine Kombination von unterschiedlichen Meßverfahren für Ober­ flächenwellen bzw. Transversalwellen ist durch die EP 0 330 735 A2 bekannt. Bei diesem Meßverfahren wird jedoch die Dämpfung von Ultraschallwellen ausgewertet. Die elektromagnetische Er­ zeugung von Oberflächenwellen ist ferner durch die DE 26 23 266 A1 bekannt.

Schließlich zeigt die US-Z.: J. Acoust Soc. Am. 91(6); June 1992, S. 3303-3312 die Bestimmung von Materialeigenschaften mittels des Meßobjekts durchlaufender Ultraschallwellen auf.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur zerstörungsfreien Ermittlung von Eigenschaften eines Werkstückes aus Metall insbesondere Blech anzugeben, mit dem in einfacher Weise eine das Werkstück charakterisierende technische Eigenschaft, insbesondere Streckgrenze, ermittelbar ist.

Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind Bestandteile von Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß werden unabhängig voneinander linear polarisierte Ultraschall- Transversalwellen und Ultraschall-Oberflächenwellen im Werkstück erzeugt. Gemessen werden die Laufzeiten der Ultraschall-Oberflächenwellen einmal in Hauptverformungsrichtung und senkrecht dazu in einem definierten Abstand zwischen zwei US-Wandlern sowie die Laufzeiten von linear polarisierten Transversalwellen über die Dicke des Werkstückes, wobei die Polarisationsrichtung einmal in Hauptverformungsrichtung und einmal senkrecht dazu gewählt wird. Die Meßwerte der Laufzeitmessung werden mindestens mit einer bekannten werkstoffspezifischen Kenngröße des Werkstückes korreliert. Was die Korrelation der Meßwerte der Laufzeitmessung betrifft, so wird vorzugsweise die prozentuale Differenz zwischen den Meßwerten in Hauptverformungsrichtung und senkrecht dazu berücksichtigt. Wesentlich für das erfindungsgemäße Verfahren ist, daß die Messungen an einem einzigen Meßort erfolgen unabhängig davon in welche Richtung gemessen wird.

Versuche haben ergeben, daß die Korrelation der Meßwerte dann zu einer guten Übereinstimmung der aus den Meßdaten der zerstörungsfreien Prüfung ermittelten Streckgrenze mit denen über einen Zerreißversuch ermittelten führen, wenn die Nennanalyse und die nominale Dicke des Werkstückes in die Korrelation eingebracht werden. Bei thermomechanisch gewalzten Blechen ist es darüber hinaus zweckmäßig, auch die Endwalztemperatur mit einzubeziehen. Fig. 2 zeigt ein Beispiel der guten Übereinstimmung zwischen ermittelter Streckgrenze unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und gemessenen Streckgrenzwerten auf der Basis von 48 Proben.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Prüfkopfanordnung von drei Wandlern gewählt. Für die linear polarisierten Ultraschall-Transversalwellen wird ein Kombiwandler eingesetzt, bei dem Sende- und Empfangsspulen in einem Gehäuse untergebracht sind und für die Ultraschall-Oberflächenwellen sind zwei Wandler vorgesehen, die abstandsmäßig voneinander getrennt sind und wovon der eine als Sender und der andere als Empfänger ausgebildet ist. Bei den geradlinig in einem gemeinsamen Halter angeordneten drei Wandlern ist der Kombiwandler mittig angeordnet. Alle drei Wandler weisen zur Erzeugung des Magnetfeldes einen Permanentmagneten auf. Dies vereinfacht die Gesamtanordnung, da die für das Betreiben eines Elektromagneten erforderliche Stromversorgung und die meistenteils notwendige Kühlung der Spulen entfallen. Der Einsatz von Permanentmagneten ermöglicht auch eine kompakte Bauweise der Gesamtanordnung. Zur Erzeugung der Sendeströme für die jeweiligen Sendewandler und zur Verstärkung der Empfangssignale der Empfangswandler ist eine Vorortelektronik vorgesehen, die über ein Kabel von möglichst kurzer Länge mit dem Wandler verbunden ist.

Vorzugsweise werden die Oberflächenwandler mit einer Prüffrequenz von 1 MHz bei einer Pulsfolgefrequenz von =< 400 Hz und der Transversalwellenwandler vorzugsweise mit einer Prüffrequenz von 6 MHz und einer Pulsfolgefrequenz von =< 2 KHz betrieben.

Bei ferromagnetischen Werkstücken werden die mit Permanentmagneten versehenen Wandler stark angezogen. Damit die Prüfkopfanordnung sanft auf die Oberfläche des Werkstückes aufgesetzt und gedreht werden kann, wird quasi als Gegenkraft ein Pneumatikzylinder angeordnet.

Für den Anwendungsfall der Prüfung eines Bleches ist folgender Ablauf vorgesehen:

• - Anhalten des Bleches in Prüfposition
• - Aufsetzen der Wandler auf das Blech
• - Messung mit einer Meßdauer von weniger als 10 sec
• - Abheben der Wandler
• - Drehung um 90°
• - erneutes Aufsetzen der Wandler
• - erneute Messung mit einer Meßdauer von weniger als 10 sec
• - Abheben der Wandler
• - Wegfahren des Bleches
• - Zurückdrehen des Halters auf die Ausgangsposition.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind darin zu sehen, daß der Probenaufwand reduziert wird. Das gilt insbesondere für die Probenahme, die für die interne Qualitätssicherung erforderlich ist. Die Werte stehen sofort zur Verfügung und können on-line mit den Herstellparametern im Sinne der Optimierung des Fertigungsprozesses genutzt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine 100%-Prüfung möglich, d. h. jedes einzelne Werkstück wird geprüft. Bei der konventionellen Prüfung per Probenahme sind immer nur Stichproben möglich, meistens pro Walzlos. Darüber hinaus können mit dem vorgeschlagenen Verfahren auch andere Bereiche, z. B. der Mittenbereich, geprüft werden, während die Probenahme immer nur am Rand erfolgt. Als weiterer Vorteil ist zu nennen, daß zur Überprüfung der Gleichmäßigkeit der Eigenschaften stichprobenweise beispielsweise ein Blech über die gesamte Fläche geprüft werden kann. Weiterhin ist von Bedeutung, daß das jeweils verkaufte Erzeugnis geprüft wird und die Prüfung zu einem späteren Zeitpunkt an gleicher Stelle wiederholt werden kann. Demgegenüber ist die Probenahme für die zerstörende Prüfung nur einmal möglich.

Bei Anwendung des Verfahrens auf das fertige Rohr, insbesondere Großrohr, erfaßt die vorgeschlagene zerstörungsfreie Prüfung den Ist-Zustand einschl. der Inhomogenitäten, die durch den Biegeprozeß mittels des mechanischen Expanders hervorgerufen werden. Außerdem kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die gesamte Fläche geprüft werden und nicht nur der Randbereich, in dem die Probe für die zerstörende Prüfung entnommen wurde. Außerdem wird der ermittelte Streckgrenzenwert nicht durch den Bauschinger-Effekt verfälscht, der beim Zurückbiegen der Proben auftritt.

In der Zeichnung wird das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung des Zusammenhanges zwischen Herstellungsparametern, der erzeugten Struktur sowie den technischen Eigenschaften und den physikalischen Meßgrößen.

Fig. 2 ein Beispiel der guten Übereinstimmung zwischen ermittelter Streckgrenze unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und gemessenen Streckgrenzenwerten auf der Basis von 48 Proben.

Fig. 3 Eine Prinzipdarstellung der Prüfelektronik.

Fig. 4 Einen Blick von unten auf die Anordnung der Prüfkopfwandler.

In Fig. 3 ist in einer Prinzipdarstellung die Prüfelektronik dargestellt. Mit Bezugszeichen 1 ist der Oberflächen-Sendewandler gekennzeichnet zur Erzeugung der Ultraschall-Oberflächenwellen. Mit Bezugszeichen 2 der Oberflächen- Empfangswandler für den Empfang der Ultraschall-Oberflächenwellen. Der Transversalwellenwandler 3 in Form eines Kombiwandlers sendet und empfängt linear polarisierte Transversalwellen. Die Vorortelektronik 4, 5 erzeugt die Sendeströme für den Sendewandler 1 und die Sendespule des Transversalwellenwandlers 3. Die Vorortelektronik 4, 5 beinhaltet auch den Vorverstärker zur Verstärkung der Empfangssignale des Empfangswandlers 2 und der Empfangsspule des Transversalwellenwandlers 3. Alternativ kann die Vorverstärkung im jeweiligen Prüfkopf 2, 3 selbst integriert sein. Die Kabel 11 bis 14 zur Verbindung der Wandler 1 bis 3 mit der Vorortelektronik 4, 5 sind aus Gründen der Dämpfung möglichst kurz. Die Prüf- und Auswerteelektronik 6 beinhaltet neben den Komponenten Signalquelle 7, Digitaloszilloskop 8, Rechner 9 mit angeschlossenem Drucker 10 einen hier nicht dargestellten Konstanter. Sie erzeugt die Sendesignale, die in der Vorortelektronik 4, 5 verstärkt werden und verarbeitet die vorverstärkten Empfangssignale und führt die Auswertung durch. Ferner dient sie zur Dokumentation, zur Elektroniksteuerung und zur Kommunikation mit der Prüfmechanik und mit dem Benutzer.

In Fig. 4 ist mit Blick von unten die grundsätzliche Anordnung der Wandler 1 bis 3 dargestellt. Alle drei Wandler 1 bis 3 sind auf einem gemeinsamen Halter 15 angeordnet, der um den Drehpunkt D schwenkbar ist. Der Transversalwellenwandler 3 ist mittig angeordnet zwischen dem Oberflächenwellensender 1 und dem Oberflächenempfangswandler 2. Durch den festgelegten Drehpunkt D wird sichergestellt, daß die Laufzeitmessungen am gleichen Prüfort durchgeführt werden.

Claims (8)

1. Verfahren zur zerstörungsfreien Ermittlung von Eigenschaften eines Werkstückes aus Metall, insbesondere Blech, bei dem koppelmittelfrei Ultraschallwellen im Werkstück angeregt und die von den elastischen Konstanten des Werkstoffes abhängigen Schallgeschwindigkeiten verschiedener Wellenarten unter Berücksichtigung der Anisotropie des Werkstückes gemessen werden, wobei zur Ermittlung technischer Eigenschaften, insbesondere der Streckgrenze, unabhängig voneinander linear polarisierte Transversalwellen und Ultraschall- Oberflächenwellen im Werkstück angeregt und am gleichen Prüfort die Laufzeiten der Ultraschall-Oberflächenwellen in Hauptverformungsrichtung und senkrecht dazu in einem definierten Abstand zwischen zwei US-Wandlern sowie die Laufzeiten von linear polarisierten Transversalwellen über die Dicke des Werkstückes, wobei die Polarisationsrichtung einmal in Hauptverformungsrichtung und einmal senkrecht dazu gewählt wird, bestimmt werden, und daß die Meßwerte der Laufzeitmessungen mindestens mit einer werkstoffspezifischen Kenngröße des Werkstückes korreliert werden, wobei für die Korrelation der Meßwerte der Laufzeitmessungen die Differenz zwischen den Meßwerten in Hauptverformungsrichtung und senkrecht dazu berücksichtigt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Nennanalyse und die nominale Dicke des Werkstückes in die Korrelation einbezogen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei thermomechanisch gewalzten Blechen zusätzlich die Endwalztemperatur des Werkstückes in die Korrelation einbezogen wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit als Sender und Empfänger ausgebildeten elektromagnetischen Ultraschall-Wandlern (EMUS), die in einem gemeinsamen Wandlerträger angeordnet und über Kabel mit einer Elektronikanlage verbunden sind, zur Erzeugung/zum Empfangen von Ultraschallwellen, wobei für die linear polarisierten Ultraschall-Transversalwellen ein Wandler (3) eingesetzt wird, bei dem Sende- und Empfangsspulen in einem Prüfkopfgehäuse untergebracht sind und für die Ultraschall-Oberflächenwellen abstandsmäßig voneinander getrennt je ein Sender (1) und ein Empfänger (2) vorgesehen sind und alle drei Wandler (1, 2, 3) geradlinig auf dem Halter (15) befestigt sind, wobei der Wandler (3) mittig angeordnet ist und vorzugsweise alle drei Wandler (1, 2, 3) einen Permanentmagneten aufweisen und der Mittelpunkt des Wandlers (3) den Drehpunkt (D) für den Halter (15) bildet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Sendeströme für die jeweiligen Sendewandler (1, 3) und zur Verstärkung der Empfangssignale der Empfangswandler (2, 3) eine Vorortelektronik (4, 5) vorgesehen ist, die über kurze Kabel (11-14) mit den Wandlern (1, 2, 3) verbunden ist.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenwandler (1, 2) vorzugsweise mit einer Prüffrequenz von 1 MHz bei einer Pulsfolgefrequenz =< 400 Hz und der Transversalwellenwandler (3) vorzugsweise mit einer Prüffrequenz von 6 MHz und einer Pulsfolgefrequenz von =< 2 KHz betrieben werden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Drehen des Halters (15) und zum Aufsetzen auf das Werkstück der Halter (15) mit einem steuerbaren Mittel verbunden ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel ein Pneumatikzylinder ist.