EP1877766A2 - Verfahren und vorrichtung zur ermittlung des gefügezustandes eines metallischen werkstückes bei der erwärmung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur ermittlung des gefügezustandes eines metallischen werkstückes bei der erwärmung

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EP1877766A2
EP1877766A2 EP06753432A EP06753432A EP1877766A2 EP 1877766 A2 EP1877766 A2 EP 1877766A2 EP 06753432 A EP06753432 A EP 06753432A EP 06753432 A EP06753432 A EP 06753432A EP 1877766 A2 EP1877766 A2 EP 1877766A2
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
workpiece
induction coil
voltage
current
determining
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06753432A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Daniele Marcello Borrelli
Alexander Brenner
Günther PRITSCHOW
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Universitaet Stuttgart
Original Assignee
Universitaet Stuttgart
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universitaet Stuttgart filed Critical Universitaet Stuttgart
Publication of EP1877766A2 publication Critical patent/EP1877766A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/10—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications
    • H05B6/101—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications for local heating of metal pieces
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/72—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/72—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables
    • G01N27/80—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating mechanical hardness, e.g. by investigating saturation or remanence of ferromagnetic material

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the structural state of a metallic workpiece during heating, in particular for a subsequent Thixoforming, according to the closer defined in the preamble of claim 1.
  • Art Furthermore, the invention relates to a device for determining the microstructural state of a metallic workpiece during heating , in particular for a subsequent thixoforming, according to the preamble of claim 7.
  • thixoforming As part of the efforts to increasingly use light metal materials in both automotive and aerospace technology, a new forming process has recently been created, referred to as thixoforming or thixoforging.
  • the material to be reshaped is in a semi-liquid or thixotropic state.
  • One of the boundary conditions of thixoforming is namely that at least for certain materials at the time of forming a uniform material structure should form with fine-grained, globular solid phase skeleton in a defined proportion of a molten matrix in the entire blank.
  • the heating of the components is usually carried out in induction heating systems during thixoforming.
  • the energy-saving heating in a very short time enabling inductive heating leads to the fact that primarily the edge regions of the component are heated, whereas the heating of the core can only be done by the material-dependent heat diffusion. To achieve this, compensating diffusion phases with reduced supplied power are required, which leads to a not inconsiderable prolongation of the heating time.
  • the desired thixotropic region is often determined empirically by means of iterative methods via heating experiments and a subsequent Schuffsent analyses in the laboratory.
  • relationships between the temperature of the component and the transition region from solid to liquid state of the desired microstructure is reproduced in series parts.
  • these are a very complex and extremely inaccurate procedure, since the micrograph analysis can only be used for blanks with exactly the same alloy composition.
  • the relationship between the thixotropic region and device temperature is significantly altered by variations in the alloy composition, which can be as much as one or more percent within a batch of material due to the manufacturing process. A secure process control in series production can not be guaranteed in this way.
  • the temperature measurement fails due to the fact that with some alloys an accuracy of less than one Kelvin has to be achieved in order to be able to draw conclusions about the structural condition.
  • this accuracy can not be achieved with measurements in different surface layers with realistic effort.
  • the inventors have found that there is a direct relationship between the resistivity or the magnetic permeability of the workpiece and its microstructure, in particular in the region of the transition between the solid and liquid phases, which is determined by the invention.
  • the method according to the invention is utilized in a manner with which the microstructure state of the workpiece can be determined very precisely. In this way, the heating process for the workpiece to be formed can be controlled very precisely to a certain required ratio between solid and liquid phase, whereby the problems of the prior art can be circumvented and significantly better processing results with a lower reject rate can be expected in the subsequent Thixoforming. In particular, neither a 100% test nor a destructive test of the workpieces is required.
  • Another advantage of the method according to the invention is that the heating process does not have to be substantially interrupted and no disturbances thereof are to be expected.
  • a particularly suitable method according to the invention for determining the specific resistance or the magnetic permeability of the workpiece is to determine one of these values by determining the time constant or the form of the drop in the current in the induction coil after a voltage pulse.
  • the existing relationship between the time constant and the resistivity or the magnetic permeability is utilized.
  • the applied voltage is interrupted for a certain time, it is advantageously possible to record the decay process and thus the time constant to be determined longer and thus more accurately.
  • the frequency of the voltage at the induction coil during the heating of the workpiece at least once, but advantageously modulated in short successive intervals, where is particularly advantageous if, in at least two different frequencies of the voltage across the induction coil in this context, the time constant of the drop of the current in the induction coil and the difference and change is determined. In this way it is possible to deduce the degree of homogeneity of the heating through the cross section of the workpiece. Such a procedure is not possible with systems which operate according to the resonant circuit principle, since they do not permit rapid successive frequency switching.
  • a device for determining the structural state of a metallic workpiece during heating, in particular for a subsequent thixoforming, can be taken from the features of claim 7.
  • the induction coil as a sensor coil, it is possible to adapt the strategy for heating the workpiece during operation to the actual state, whereby compared to known devices, the process duration can be reduced and the microstructure can be improved.
  • a voltage source with an impressed or imposed frequency is used, which not only causes significantly lower costs, but also a simple has a better construction and more reliable operation, thus allowing a more flexible use of the entire system.
  • FIG. 1 shows a device for carrying out the method according to the invention
  • Fig. 2 is an equivalent circuit diagram of the device of Fig. 1;
  • Fig. 4 shows the resistivity versus temperature for a particular aluminum alloy
  • 5 shows an exemplary circuit diagram of a voltage source of the device according to the invention.
  • FIG. 6 shows a possible construction of additional resistors of the voltage source from FIG. 5.
  • the device 1 shown in Fig. 1 is used for heating a metallic workpiece 2, which is then to be formed by means of a forging press, not shown, or a similar suitable device.
  • the workpiece 2 is heated to a temperature at which a part of the workpiece 2 in a solid and the other part is in a liquid state and formed in this thixotropic state.
  • This type of forming is called thixoforming or thixoforging.
  • the workpiece 2 the most diverse materials are used, such as aluminum or titanium alloys, but also various magnetic materials such as steel materials and the like.
  • the device 1 has a multi-frequency voltage source 3, which is provided with a controller 4.
  • the workpiece 2 is located within an induction coil 5, which is connected to the voltage source 3 via a transformer 6.
  • an ammeter 7 and a voltmeter 8 for measuring the current or the voltage in this circuit.
  • the respective course of the current and voltage signals is evaluated by a digital signal processing system, not shown, and the control information necessary for carrying out the heating described in more detail below is calculated.
  • the voltage source 3 has a rectifier, a DC link for reactive current compensation and a single-phase inverter in bridge circuit as an output stage in a manner known per se, as explained in greater detail in FIGS. 5 and 6.
  • a voltage source is used with an impressed or imposed frequency, wherein the frequency is variable via a controller, not shown.
  • the energy input into the workpiece 2 can be controlled both by frequency modulation and by pulse width modulation.
  • the voltage source 3 is assigned a voltage source 16 and a resistor 9 and the transformer 6 a transformer 15 and resistors 10 and 13.
  • the induction coil 5, an ohmic resistance 11 and inductors 12 and 14 are assigned.
  • the workpiece 2 can be heated to the desired temperature by inducing an electric current therein, but it is also possible to use the induction coil 5 as a sensor coil and thus to detect the structural condition of the workpiece 2 upon heating thereof.
  • the current induced in the workpiece 2 and generating an electromagnetic alternating field is shaped characteristically by pulses of the applied voltage in the induction coil 5 or coil voltage and the specific resistance of the workpiece 2 is determined by evaluating the current profile of the induction coil. Ie 5, for example, determined by determining the time constant of the drop of the current after one of the voltage pulses, ie in a decay.
  • the phrase "after one of the voltage pulses" means a pulse pause which reduces the highest voltage, ie it is not absolutely necessary that there is no more voltage.This lowering or switching off of the voltage takes place only for a short time up to a few If the workpiece 2 is made of a ferromagnetic material, then in addition to the resistivity and the magnetic permeability or its change can be determined.
  • FIG. 3 An exemplary profile of the voltage and the current at the induction coil 5 is shown in FIG. 3 on the basis of a transient analysis.
  • the voltage is represented by the solid, the current by means of the dashed and the time constant of the current by means of the dotted line.
  • the diagram shows that after a voltage pulse, ie in a pulse pause, the current drops relatively quickly. This drop or decrease of the current is recorded in the present exemplary case by the time constant ⁇ in a measured value. From the change of this time constant ⁇ , which can thus be determined with a standard method well-known from electrical engineering, can now on the change in the property of the workpiece 2, in the present case to the change in the resistivity or on the magnetic permeability of the same and thus be closed to the microstructure state.
  • one or more ohmic or complex resistors can be inserted into the circuits of the freewheeling diodes of the bridge circuit of the single-phase inverter in the voltage source 3. These should be selected to a maximum, but only so large that the switching elements, such as transistors, which are currentless at this time, are not destroyed by the voltage dropping across them.
  • a DC intermediate circuit is connected to the inductors 18 and 19 and a capacitor 20.
  • a plurality of semiconductor power switches 21, 22, 23 and 24 are arranged in a known manner and are oppositely electrically conductive in pairs. Respective freewheeling diodes 25, 26, 27 and 28 serve the continuous current profile when using an inductive load 31.
  • additional ohmic or complex resistors 29 and 30 are inserted into the circuit of the freewheeling diodes, as exemplified in Fig. 5.
  • Fig. 6 shows the internal structure of these complex resistors 29 and 30 by a real resistor 32, an inductor 33 and a capacitor 34 in an exemplary manner.
  • the frequency of the voltage at the induction coil 5 during the heating of the workpiece at least once, but advantageously at intervals repeatedly modulated. This results in a lower penetration of a deeper penetration of the current-enforced area.
  • the penetration depth of the stream is changed in the workpiece 2, whereby the microstructure state can be determined in different edge volume and closed on the degree of soak.
  • the current microstructure state can be determined at different distances from the edge of the workpiece 2, ie the degree of homogeneous heating, which in turn can be used to heat those layers of the workpiece 2 in each case. which have not yet reached the desired material state or insert suitable diffusion times with a lower power supply and to achieve the target state exactly.

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Ermittlung des Gefügezustandes eines metallischen Werkstücks (2) bei der Erwärmung, insbesondere für ein nachfolgendes Thixoformen, wird das Werkstück (2) mittels Induzieren eines elektrischen Stroms in dasselbe erwärmt. Der in das Werkstück (2) induzierte Strom wird durch Pulsen der angelegten Spannung pulsiert. Der spezifische Widerstand oder die magnetische Permeabilität des Werkstücks (2) wird aus dem Verlauf des Stroms in der Induktionsspule ermittelt. Der spezifische Widerstand oder die magnetische Permeabilität des Werkstücks (2) wird durch Ermitteln der Zeitkonstante oder der Form des Abfalls des Stroms in der Induktionsspule (5) nach einem Spannungspuls ermittelt. Aus dem spezifischen Widerstand oder der magnetischen Permeabilität des Werkstücks (2) wird der Gefügezustandes des Werkstücks (2) ermittelt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung des Gefügezustandes eines metallischen Werkstückes bei der Erwärmung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Gefügezustandes eines metallischen Werkstückes bei der Erwärmung, insbesondere für ein nachfolgendes Thixoformen, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Ermittlung des Gefügezustandes eines metallischen Werkstückes bei der Erwärmung, insbesondere für ein nachfolgendes Thixoformen, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 7.
Im Zuge der Bemühungen, sowohl im Automobilbau als auch in der Luft- und Raumfahrttechnologie vermehrt Leichtmetallwerkstoffe zu verwenden, wurde in jüngster Zeit ein neuartiger Umformungsprozess geschaffen, der als Thixoformen beziehungsweise Thixoschmieden bezeichnet wird. Hierbei befindet sich das umzuformende Material in einem teilflüssigen beziehungsweise thixotropen Zustand. Zwar werden die technologischen Vorteile der durch dieses Verfahren hergestellten Erzeugnisse insbesondere im Hinblick auf die komplizierten herstellbaren Formen bei gleichzeitig sehr hohen Festigkeitswerten, nicht angezweifelt, für die Serienfertigung sind die derzeit bestehenden Prozesse jedoch noch nicht geeignet, was unter anderem auf die ungenügende Prozesssicherheit bei der Erwärmung der Bauteile vor der Umformung zurückzuführen ist. Eine der Randbedingungen des Thixoformens ist nämlich, dass sich zumindest bei bestimmten Werkstoffen zum Zeitpunkt der Umformung im gesamten Rohteil ein gleichmäßiges Werkstoffgefüge mit feinkörnigem, globularem Festphasenskelett in einem definierten Anteil einer schmelzflüssigen Matrix ausbilden sollte. Gemäß dem allgemein bekannten Stand der Technik wird beim Thixoformen die Erwärmung der Bauteile meist in Induktions- Erwärmungsanlagen durchgeführt. Grundsätzlich führt die zwar eine energiesparende Aufheizung in einer sehr kurzen Zeit ermöglichende induktive Erwärmung jedoch dazu, dass vornehmlich die Randbereiche des Bauteils erwärmt werden, wohingegen die Erwärmung des Kerns nur durch die materialabhängige Wärmediffusion erfolgen kann. Um dies zu erreichen, sind ausgleichende Diffusionsphasen mit reduzierter zugeführter Leistung erforderlich, was zu einer nicht unerheblichen Verlängerung der Erwärmungsdauer führt.
Ein weiteres prinzipielles Problem bei der Erwärmung der Bauteile besteht darin, dass der Anteil von festen und flüssigen Gefügebestandteilen nicht direkt gemessen werden kann. Allerdings ist aufgrund der oben beschriebenen Erfordernisse an das Gefüge während der Umformung die Kenntnis dieses Verhältnisses erforderlich, da bei einem Überschreiten des flüssigen Anteils ungewünschte Gefügeveränderungen eintreten und bei einem Unterschreiten des flüssigen Anteils die Thi- xoforming-Verfahren nicht erfolgreich durchgeführt werden können.
Bei den Verfahren gemäß dem Stand der Technik wird der gewünschte thixotrope Bereich häufig mit Hilfe von iterativen Verfahren über Erwärmungsversuche und einer anschließenden Schuffbildanalyse im Labor empirisch ermittelt. Durch die auf diese Weise erhaltenen Zusammenhänge zwischen der Temperatur des Bauteils und dem Übergangsbereich vom festen zum flüssigen Zustand wird der angestrebte Gefügezustand bei Serienteilen reproduziert. Hierbei handelt es sich jedoch um eine sehr aufwendige und äußerst ungenaue Vorgehensweise, da die Schliffbildanalyse jeweils nur für Rohteile mit exakt derselben Legierungszusammensetzung verwendbar ist. Der Zusammenhang zwischen thixotropem Bereich und Bauteiltemperatur wird durch Schwankungen in der Legierungszusammensetzung, die herstellungsbedingt sogar innerhalb einer Materialcharge im Bereich von einem oder mehreren Prozent liegen kann, erheblich verändert. Eine sichere Prozessregelung in der Serienfertigung kann auf diese Weise nicht gewährleistet werden.
Die Temperaturmessung scheitert unter anderem auch daran, dass bei einigen Legierungen eine Genauigkeit von weniger als einem Kelvin erreicht werden muss, um Rückschlüsse auf den Gefügezustand ziehen zu können. Diese Genauigkeit ist jedoch bei Messungen in unterschiedlichen Randschichten mit realistischem Aufwand nicht zu erreichen.
Aus der EP 0 728 304 Bl ist es bekannt, mittels einer zusätzlichen Sensorspule Widerstandsveränderungen im Rohteil zu detektieren. Eine solche zusätzliche Sensorspule reagiert jedoch empfindlich auf externe Störungen oder Streufelder, die sehr leicht zu einer Verfälschung der Messwerte führen können. Des weiteren kann mit einer zusätzlichen Sensorspule die Homogenität der Durchwärmung nicht bestimmt werden, da nur die Stirn- oder Mantelfläche des Rohteils gemessen werden kann.
In der DE 199 21 827 Al wird der Einsatz eines Mikrofons mit angeschlossener Schallanalyse zur Ermittlung des Gefügezu- stands vorgeschlagen. Auch dieses Verfahren ist jedoch ange- sichts des sehr engen Bereichs, in dem das Thixoschmieden eingesetzt werden kann, nicht zielführend.
Gleiches gilt auch für den Vorschlag, den Gefügezustand anhand der alleinigen Messung des Effektivstroms im Kreis der Induktionsspule, wie in der DE 199 48 843 Al vorgeschlagen, zu ermitteln.
J. Baur beschreibt in „Werkstattstechnik online" ein gattungsgemäßes Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Ermittlung des Gefügezustandes eines metallischen Werkstückes bei der Erwärmung. Auch hiermit lässt sich jedoch noch keine ausreichend genaue Aussage über den Gefügezustand treffen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Ermittlung des Gefügezustandes eines metallischen Werkstückes bei der Erwärmung, insbesondere für ein nachfolgendes Thixoformen, zu schaffen, welches in der Lage ist, den aktuellen Gefügezustand während der Erwärmung des Werkstücks sehr exakt zu ermitteln und somit die Erwärmung des Werkstücks auf ein bestimmtes Verhältnis zwischen fester und flüssiger Phase zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Die Erfinder haben festgestellt, dass zwischen dem spezifischen Widerstand oder der magnetischen Permeabilität des Werkstücks und seinem Gefügezustand insbesondere in dem Bereich des Übergangs zwischen fester und flüssiger Phase ein unmittelbarer Zusammenhang besteht, der durch das erfin- dungsgemäße Verfahren in einer Weise ausgenutzt wird, mit der der Gefügezustand des Werkstücks sehr exakt ermittelt werden kann. Auf diese Weise kann der Erwärmungsprozess für das umzuformende Werkstück sehr exakt auf ein bestimmtes erforderliches Verhältnis zwischen fester und flüssiger Phase geregelt werden, wodurch die Probleme des Standes der Technik umgangen werden können und erheblich bessere Bearbeitungsergebnisse mit einem geringeren Ausschussanteil beim nachfolgenden Thixoformen zu erwarten sind. Insbesondere ist weder eine 100%-Prüfung noch eine zerstörende Prüfung der Werkstücke erforderlich.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass der Erwärmungsvorgang nicht wesentlich unterbrochen werden muss und keine Störungen desselben zu erwarten sind.
Eine erfindungsgemäß besonders gut geeignete Möglichkeit zur Ermittlung des spezifischen Widerstands oder der magnetischen Permeabilität des Werkstücks besteht darin, einen dieser Werte durch Ermitteln der Zeitkonstante oder der Form des Abfalls des Stroms in der Induktionsspule nach einem Spannungspuls zu ermitteln. Hierbei wird der bestehende Zusammenhang zwischen der Zeitkonstante und dem spezifischen Widerstand bzw. der magnetischen Permeabilität ausgenutzt.
Wenn in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die angelegte Spannung für eine bestimmte Zeit unterbrochen wird, so ist es vorteilhafterweise möglich, den Ausschwingvorgang und damit die zu ermittelnde Zeitkonstante länger und somit genauer zu erfassen. Um eine Messung der Durchwärmung des Werkstücks zu erreichen, kann in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Frequenz der Spannung an der Induktionsspule während des Erwärmens des Werkstücks wenigstens einmal, in vorteilhafter Weise jedoch in kurz aufeinander folgenden Intervallen moduliert wird, wobei es besonders vorteilhaft ist, wenn in diesem Zusammenhang bei wenigstens zwei unterschiedlichen Frequenzen der Spannung an der Induktionsspule die Zeitkonstante des Abfalls des Stroms in der Induktionsspule und deren Unterschied und Veränderung ermittelt wird. Auf diese Weise lässt sich auf den Grad der Homogenität der Durchwärmung über den Querschnitt des Werkstücks schließen. Eine derartige Vorgehensweise ist mit Anlagen, die nach dem Schwingkreis-Prinzip arbeiten, nicht möglich, da sie keine schnell aufeinander folgende Frequenzumschal- tung ermöglichen.
Eine Vorrichtung zur Ermittlung des Gefügezustandes eines metallischen Werkstückes bei der Erwärmung, insbesondere für ein nachfolgendes Thixoformen, ist den Merkmalen von Anspruch 7 zu entnehmen.
Durch die erfindungsgemäße Nutzung der Induktionsspule als Sensorspule ist es möglich, die Strategie zur Erwärmung des Werkstücks im laufenden Betrieb an den tatsächlichen Zustand anzupassen, wodurch gegenüber bekannten Vorrichtungen die Prozessdauer verringert und die Gefügestruktur verbessert werden kann.
Hierbei wird eine Spannungsquelle mit einer eingeprägten bzw. aufgezwungenen Frequenz verwendet, die nicht nur erheblich geringere Kosten verursacht, sondern auch einen einfa- cheren Aufbau und einen zuverlässigeren Betrieb aufweist und damit eine flexiblere Nutzung der gesamten Anlage ermöglicht.
Durch einen oder mehrere zusätzliche ohmsche oder komplexe Widerstände im Stromkreis der Rücklaufdioden ergibt sich eine maximale Abhängigkeit der Zeitkonstanten des Abfalls des Stroms in der Induktionsspule von der Änderung des spezifischen Widerstands bzw. der Permeabilität des Werkstücks, so dass die erfindungsgemäße Vorrichtung eine sehr genaue Bestimmung des Gefügezustands des erwärmten Werkstücks ermöglicht.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen. Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt.
Es zeigt:
Fig. 1 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 2 ein Ersatzschaltbild der Vorrichtung aus Fig. 1;
Fig. 3 den Verlauf der Spannung und des Stroms bei dem erfindungsgemäßen Verfahren;
Fig. 4 den spezifischen Widerstand über der Temperatur bei einer speziellen Aluminiumlegierung; Fig. 5 ein beispielhaftes Schaltbild einer Spannungsquelle der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
Fig. 6 ein möglicher Aufbau zusätzlicher Widerstände der Spannungsquelle aus Fig. 5.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung 1 dient zum Erwärmen eines metallischen Werkstücks 2, welches anschließend mittels einer nicht dargestellten Schmiedepresse oder einer ähnlichen geeigneten Vorrichtung umgeformt werden soll. Dabei wird das Werkstück 2 auf eine Temperatur aufgewärmt, bei welcher ein Teil des Werkstücks 2 in einem festen und der andere Teil in einem flüssigen Zustand vorliegt und in diesem thixotropen Zustand umgeformt. Diese Art der Umformung wird als Thixoformen oder Thixoschmieden bezeichnet. Hierbei können für das Werkstück 2 die verschiedensten Materialien zum Einsatz kommen, wie zum Beispiel Aluminium- oder Titanlegierungen, jedoch auch verschiedene magnetische Materialien wie Stahlwerkstoffe und dergleichen.
Die Vorrichtung 1 weist eine Mehrfrequenz-Spannungsquelle 3 auf, die mit einer Steuerung 4 versehen ist. Das Werkstück 2 befindet sich innerhalb einer Induktionsspule 5, welche mit der Spannungsquelle 3 über einen Transformator 6 verbunden ist. In dem Stromkreis der Induktionsspule 5 befinden sich ein Amperemeter 7 sowie ein Voltmeter 8 zum Messen des Stroms beziehungsweise der Spannung in diesem Stromkreis. Der jeweilige Verlauf der Strom- und Spannungssignale wird durch eine nicht dargestellte digitale Signalverarbeitungsanlage ausgewertet und es werden die zur Durchführung der nachfolgend detaillierter beschriebenen Erwärmung notwendigen Steuerungsinformationen errechnet. Die Spannungsquelle 3 weist in an sich bekannter, in Fig. 5 und Fig. 6 näher erläuterter Art und Weise einen Gleichrichter, einen Zwischenkreis zur Blindstromkompensation und einen Einphasen-Wechselrichter in Brückenschaltung als Ausgangsstufe auf. Im vorliegenden Fall wird eine Spannungsquelle mit einer eingeprägten bzw. aufgezwungenen Frequenz verwendet, wobei die Frequenz über eine nicht dargestellte Steuerung veränderbar ist. Die Energieeinbringung in das Werkstück 2 kann sowohl über Frequenzmodulation als auch über Pulsweitenmodulation gesteuert werden.
In dem vereinfachten Ersatzschaltbild der Vorrichtung 1 gemäß Fig. 2, in welchem parasitäre Kapazitäten, Induktivitäten und Widerstände nicht dargestellt sind, ist der Spannungsquelle 3 eine Spannungsquelle 16 und ein Widerstand 9 und dem Transformator 6 ein Transformator 15 und Widerstände 10 und 13 zugeordnet. Der Induktionsspule 5 sind ein ohmscher Widerstand 11 und Induktivitäten 12 und 14 zugeordnet .
Mit der beschriebenen Vorrichtung 1 kann nicht nur das Werkstück 2 mittels Induzieren eines elektrischen Stroms in dasselbe auf die gewünschte Temperatur erwärmt werden, sondern es ist auch möglich, die Induktionsspule 5 als Sensorspule einzusetzen und damit den Gefügezustand des Werkstücks 2 bei der Erwärmung desselben festzustellen. Hierbei wird der in das Werkstück 2 induzierte, ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugende Strom durch Pulsen der angelegten Spannung in der Induktionsspule 5 bzw. Spulenspannung charakteristisch geformt und der spezifische Widerstand des Werkstücks 2 wird durch Auswertung des Stromverlaufs der Induktionsspu- Ie 5, beispielsweise durch Ermitteln der Zeitkonstante des Abfalls des Stroms nach einem der Spannungspulse, also in einem Ausschwingvorgang, bestimmt. Mit der Angabe „nach einem der Spannungspulse" ist eine Pulspause gemeint, durch welche die höchste Spannung verringert wird, d.h. es ist nicht unbedingt erforderlich, dass keine Spannung mehr anliegt. Dieses Absenken oder Abschalten der Spannung erfolgt nur für kurze Zeit bis hin zu wenigen Perioden und hat damit keinen wesentlichen Einfluss auf die Erwärmungsdauer des Werkstücks 2. Wenn das Werkstück 2 aus einem ferromagneti- schen Material besteht, so kann neben dem spezifischen Widerstand auch die magnetische Permeabilität bzw. deren Änderung ermittelt werden.
Ein beispielhafter Verlauf der Spannung und des Stroms an der Induktionsspule 5 ist in Fig. 3 anhand einer Transiente- nanalyse dargestellt. Dabei ist die Spannung mittels der durchgezogenen, der Strom mittels der gestrichelten und die Zeitkonstante des Stroms mittels der strichpunktierten Linie dargestellt. Aus dem Diagramm geht hervor, dass nach einem Spannungspuls, also in einer Pulspause, der Strom relativ rasch abfällt. Dieses Abfallen bzw. Absinken des Stroms wird im vorliegenden, beispielhaften Fall durch die Zeitkonstante τ in einem Messwert festgehalten. Aus der Veränderung dieser Zeitkonstanten τ, die also mit einem aus der Elektrotechnik allgemein bekannten Standardverfahren ermittelt werden kann, kann nun auf die Veränderung der Eigenschaft des Werkstücks 2, im vorliegenden Fall auf die Veränderung des spezifischen Widerstands bzw. auf die magnetische Permeabilität desselben und damit auf den Gefügezustand geschlossen werden. Dabei kann zur Berechnung des spezifischen Widerstands eine Gleichung entsprechend τ = L/R verwendet werden. Um den für die nachfolgende Umformung gewünschten Gefügezu- stand einzustellen, wird die Veränderung des Spulenstroms und damit sowohl der ohmsche Widerstand als auch die Induktivität der Anordnung überwacht. Aus dem Änderungsverhalten kann ein Rückschluss nach dem oben dargestellten Zusammenhang zwischen Widerstand bzw. Induktivität und Temperatur bzw. Gefügezustand des Werkstücks hergestellt werden.
Aus dem Diagramm von Fig. 4, in dem der Bereich der festen Phase des Werkstücks 1 mit A, der Bereich, in dem feste und flüssige Phase nebeneinander vorliegen, mit B und der Bereich der flüssigen Phase mit C bezeichnet sind, wird deutlich, dass sich der spezifische Widerstand gerade in dem Bereich des Übergangs zwischen der festen und der flüssigen Phase sehr stark ändert, so dass bereits geringe Änderungen der Temperatur zu einer starken Änderung des spezifischen Widerstands führen, weshalb der spezifische Widerstand sehr gut für die Ermittlung des Gefügezustands des Werkstücks 2 eingesetzt werden kann.
Damit die Änderung der Zeitkonstanten des Stromverlaufs maximal von der Änderung des spezifischen Widerstands bzw. Permeabilität des Werkstück 2 abhängt, können in die Stromkreise der Freilaufdioden der Brückenschaltung des Einpha- sen-Wechselrichters in der Spannungsquelle 3 ein oder mehrere ohmsche oder komplexe Widerstände eingesetzt werden. Diese sollten maximal gewählt werden, jedoch nur so groß, dass durch die an denselben abfallende Spannung die schaltenden Elemente, wie zum Beispiel Transistoren, die zu diesem Zeitpunkt stromlos sind, nicht zerstört werden. In dem vereinfachten Schaltbild der Spannungsquelle 3 gemäß Fig. 5 folgt nach einem mit einem Netzanschluss versehenen Gleichrichter 17 ein Gleichspannungszwischenkreis dem Induktivitäten 18 und 19 sowie eine Kapazität 20 zugeordnet sind. Mehrere Halbleiter-Leistungsschalter 21, 22, 23 und 24 sind in bekannter Weise angeordnet und werden paarweise gegensätzlich elektrisch leitend. Jeweilige Freilaufdioden 25, 26, 27 und 28 dienen dem stetigen Stromverlauf bei Verwendung einer induktiven Last 31. Für die maximale Abhängigkeit der Zeitkonstanten von den Eigenschaftsveränderungen des Werkstücks während dem Erwärmungsvorgang werden zusätzliche ohmsche oder komplexe Widerstände 29 und 30 in den Stromkreis der Freilaufdioden eingefügt, wie in Fig. 5 beispielhaft ausgeführt. Fig. 6 zeigt den inneren Aufbau dieser komplexen Widerstände 29 bzw. 30 durch einen reellen Widerstand 32, eine Induktivität 33 und eine Kapazität 34 in einer beispielhaften Weise.
Bei dem Verfahren zur Ermittlung des Gefügezustandes des Werkstücks 2 kann des weiteren vorgesehen sein, dass die Frequenz der Spannung an der Induktionsspule 5 während des Erwärmens des Werkstücks wenigstens einmal, vorteilhafterweise jedoch in Intervallen mehrmals moduliert wird. Hierbei ergibt sich bei einer niedrigeren Frequenz eine größere Eindringtiefe des stromdurchsetzten Bereichs. Durch eine solche Frequenzänderung wird die Eindringtiefe des Stroms in das Werkstück 2 verändert, wodurch der Gefügezustand in unterschiedlichen Randvolumen bestimmt und auf den Grad der Durchwärmung geschlossen werden kann. Mit einer nachfolgenden Erwärmungsregelung kann so eine homogene Erwärmung des Werkstücks ermöglicht werden. Wenn bei unterschiedlichen Frequenzen der Spannung die Veränderung und/oder die Geschwindigkeit der Veränderung der Zeitkonstante des Abfalls des Stroms ermittelt wird, so lässt sich der aktuelle Gefügezustand in unterschiedlichen Abständen vom Rand des Werkstücks 2, also der Grad der homogenen Durchwärmung, ermitteln, was wiederum dazu genutzt werden kann, jeweils diejenigen Schichten des Werkstücks 2 zu erwärmen, die den gewünschten Materialzustand noch nicht erreicht haben bzw. geeignete Diffusionszeiten mit geringerer Leistungszufuhr einzufügen und den Zielzustand genau zu erreichen.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Ermittlung des Gefügezustandes eines metallischen Werkstückes bei der Erwärmung, insbesondere für ein nachfolgendes Thixoformen, wobei das Werkstück mittels Induzieren eines elektrischen Stroms in dasselbe erwärmt wird, wobei der in das Werkstück induzierte Strom durch Pulsen der angelegten Spannung pulsiert wird, und wobei der spezifische Widerstand oder die magnetische Permeabilität des Werkstücks aus dem Verlauf des Stroms in der Induktionsspule ermittelt wird, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der spezifische Widerstand oder die magnetische Permeabilität des Werkstücks (2) durch Ermitteln der Zeitkonstante oder der Form des Abfalls des Stroms in der Induktionsspule (5) nach einem Spannungspuls ermittelt wird, und dass aus dem spezifischen Widerstand oder der magnetischen Permeabilität des Werkstücks (2) der Gefügezustandes des Werkstücks (2) ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, da du r c h g e k e n n z e i ch n e t , dass die angelegte Spannung für eine bestimmte Zeit unterbrochen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Spannung im wesentlichen rechteckförmig gepulst wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Frequenz der Spannung an der Induktionsspule (5) während des Erwärmens des Werkstücks (2) wenigstens einmal moduliert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, d a du r c h g e ke n n z e i chn e t , dass die Frequenz der Spannung an der Induktionsspule (5) während des Erwärmens des Werkstücks (2) mehrmals in kurz aufeinander folgenden Intervallen moduliert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass bei wenigstens zwei unterschiedlichen Frequenzen der Spannung an der Induktionsspule (5) die Zeitkonstante des Abfalls des Stroms in der Induktionsspule (5) und deren Unterschied und Veränderung ermittelt wird.
7. Vorrichtung zur Ermittlung des Gefügezustandes eines metallischen Werkstückes bei der Erwärmung, insbesondere für ein nachfolgendes Thixoformen, mit einer mit einer Spannungsquelle verbundenen Induktionsspule zum Induzieren eines elektrischen Stroms in das Werkstück, wobei in dem Stromkreis der Induktionsspule wenigstens eine Strommesseinrichtung vorhanden ist, und wobei die Spannungsquelle einen Wechselrichter in Brückenschaltung aufweist, d a du r c h g e ke nn z e i c h n e t , dass in den Stromkreis der Freilaufdioden der Brückenschaltung wenigstens ein ohmscher oder komplexer Widerstand integriert ist, und dass die Induktionsspule (5) auch als Sensorspule zum Ermitteln eines Verlaufs des in das Werkstück (2) induzierten elektrischen Stroms ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, d a du r c h g e ke n n z e i c h n e t , dass der elektrische Widerstand des wenigstens einen ohmschen oder komplexen Widerstands maximal so hoch ist, dass die daran abfallende Spannung die schaltenden Elemente der
Brückenschaltung nicht zerstört.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE741194C (de) * 1937-04-28 1943-11-06 Kaiser Wilhelm Inst Fuer Eisen Verfahren zum Bestimmen der mechanischen Haerte von ferromagnetischen Werkstoffen auf magnetischem Wege
DE3925047A1 (de) * 1989-07-28 1991-01-31 Paul Dr Ing Braisch Verfahren zur werkstoffabhaengigen steuerung von waermebehandlungsprozessen von metallen und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens
DE4338200A1 (de) * 1993-11-09 1995-05-11 Efu Ges Fuer Ur Umformtechnik Verfahren zur Messung der Temperatur von metallischen Werkstücken oder ihres Feststoffanteils im teilerstarrten Zustand
CH690252A5 (de) * 1995-04-27 2000-06-15 Buehler Ag Vorrichtung zum Bestimmen des Feststoffanteiles.
DE19921827A1 (de) * 1999-05-11 2001-05-10 Aachener Forsch Regelungstech Vorrichtung und Verfahren zur berührungslosen Messung des Fest-/Flüssiganteils eines Werkstückes während der induktiven Erwärmung mittels Schallanalyse
DE19948843C2 (de) * 1999-10-07 2002-02-07 Klaus Siegert Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung des teilflüssigen Gefügezustandes beim induktiven Erwärmen von Werkstücken
DE10225163A1 (de) * 2002-06-06 2003-12-18 Winfried Morgner Verfahren zur zerstörungsfreien Charakterisierung von Randschichten an Bauteilen aus ferromagnetischen Werkstoffen

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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