EP3234580A1 - Verfahren zum zerstörungsfreien ermitteln von werkstoffkennwerten - Google Patents

Verfahren zum zerstörungsfreien ermitteln von werkstoffkennwerten

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EP3234580A1
EP3234580A1 EP15798419.6A EP15798419A EP3234580A1 EP 3234580 A1 EP3234580 A1 EP 3234580A1 EP 15798419 A EP15798419 A EP 15798419A EP 3234580 A1 EP3234580 A1 EP 3234580A1
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EP
European Patent Office
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cast
alloy
sample
crash
measurement
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EP15798419.6A
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Inventor
Alexander AIGNER
Manuel Anasenzl
Franz-Josef Klinkenberg
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Bayerische Motoren Werke AG
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Bayerische Motoren Werke AG
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Publication date
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    • G01N33/20—Metals
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    • G01N33/2045—Defects
    • G—PHYSICS
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    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
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    • G01N27/82—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws
    • G01N27/90—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws using eddy currents
    • G01N27/9046—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws using eddy currents by analysing electrical signals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C21/02—Alloys based on aluminium with silicon as the next major constituent
    • G—PHYSICS
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    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M5/00—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings
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    • G—PHYSICS
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    • G01N27/90—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws using eddy currents

Definitions

  • the invention relates to a method for non-destructive determination of material characteristics of electrically conductive components by means of electromagnetic eddy current testing.
  • crash tests In the automotive industry, light metals are increasingly being used to save weight.
  • the structural components used in this case are regularly produced as aluminum castings. It is desirable to be able to easily and quickly assess these for their ductility / molding properties. So far, crash tests, bending angle tests, ductility testing by means of punch rivet tests and drop tower tests for test bodies have been used. All of these test methods have considerable disadvantages. Thus, the crash test is a destructive, extremely costly and time-consuming test method with often difficult statements and conclusions. The bending angle measurement is also destructive and does not allow a real examination of the material properties.
  • the eddy current test As a non-destructive testing method for determining mechanical material properties of electrically conductive materials, the eddy current test is known. Here, the effect is used that most impurities and damage in an electrically conductive material also have a different electrical conductivity or a different permeability than the actual material.
  • the object of the present invention is to replace the known destructive test methods in structural components made of cast iron.
  • the term sample does not only mean cast samples, but also finished cast components, in particular structural components for vehicle construction.
  • the development according to claim 3 increases the comparability of the measurement results.
  • the method according to the invention can be used particularly advantageously for structural components, such as side members in motor vehicles, of an AISiMg alloy.
  • Fig. 2 is a measurement display of a first alloy composition
  • Fig. 3 is a measurement display of a second alloy composition.
  • FIG. 1 shows a measurement display of a reference measurement on a measurement screen.
  • This cast sample is subjected to the eddy current test in a manner known per se, the measuring sensor used being a high-resolution measuring coil tuned to the cast-specific conductivity.
  • This measuring coil is moved with a variable distance, tilting back and forth over the casting sample, so that there is a changing magnetic field.
  • the measured values generated in this way are clustered piles of dots which, as shown in FIG. 1, form a straight line 1 rising from left to right. This forms the reference straight line for the subsequent measurements.
  • the gain of the measured values of the reference straight line 1 is set so that the straight line passes through the center 2 of the crosshairs of the display in FIG.
  • Point clusters are again generated which form a straight line 3 and 4 in FIG. 2.
  • it is a heat-treated alloy consisting of 0.2% by weight AISM OMnMg, with the cast sample on the basis of the measuring line 3 having a lower test temperature than that of the measuring line 4.
  • the casting sample producing the measuring line 3 had the same test temperature as the reference sample. from that It can be seen that the cast sample from this AISil OMn alloy with 0.2 wt.% Mg has a better crash behavior than the reference sample.
  • the result is the measuring straight line 4. From this, one could conclude that the ductility in the event of a crash has deteriorated compared with the sample generating the straight line 3, but this is actually due solely to the different test temperature of one and the same cast sample.
  • FIG. 3 two more measuring lines 5 and 6 are shown. These are one cast sample each of a heat treated AISM OMn alloy containing 0.4 wt% Mg, with the casting sample that gave the measurement line 5 the same test temperature as the reference sample and the casting sample assigned to measurement line 3. From this it can be seen that the casting sample according to the measuring line 5 shows almost the same crash behavior as the reference sample, but a deteriorated behavior compared to the cast sample of the AISiMg alloy with 0.2 wt .-% Mg.
  • An increased test temperature corresponding to the measuring line 6 does not change the material result, but rather the temperature-dependent measurement result in the direction of a deteriorated crash behavior.

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Abstract

Um das crashdynamische Verhalten von Strukturgussteilen aus einer AlSi10MnMg Legierung schnell und kostengünstig zu ermitteln, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, eine Wirbelstromprüfung mit einer auf die gussspezifische Leitfähigkeit abgestimmten, hochauflösenden Messspule durchzuführen.

Description

Verfahren zum zerstörungsfreien Ermitteln von Werkstoffkennwerten
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum zerstörungsfreien Ermitteln von Werkstoffkennwerten von elektrisch leitenden Bauteilen mittels elektromagnetischer Wirbelstromprüfung.
Im Fahrzeugbau werden zunehmend Leichtmetalle eingesetzt, um Gewicht zu sparen. Die hierbei verwendeten Strukturbauteile werden regelmäßig als Aluminiumgussteile hergestellt. Wünschenswert ist es, diese einfach und schnell bezüglich ihrer Duktilitäts- Λ/erformungseigenschaften beurteilen zu können. Bisher verwendete man hierzu Crashtests, Biegewinkeltests, Duktilitätsprüfung mittels Stanzniettests und Fallturmtests für Versuchskörper. Alle diese Testverfahren haben erhebliche Nachteile. So ist der Crashtest ein zerstörendes, extrem kosten- und zeitintensives Prüfverfahren mit oft schwierigen Aussagen und Schlussfolgerungen. Die Biegewinkelmessung ist ebenfalls zerstörend und erlaubt keine wirkliche Prüfung der Werkstoffeigenschaften.
Als zerstörungsfreies Prüfverfahren zur Ermittlung von mechanischen Werkstoffeigenschaften von elektrisch leitenden Materialien ist die Wirbelstromprüfung bekannt. Hierbei wird der Effekt genutzt, dass die meisten Verunreinigungen und Beschädigungen in einem elektrisch leitfähigen Material auch eine andere elektrische Leitfähigkeit oder eine andere Permeabilität als das eigentliche Material haben.
So wird beispielsweise in der Dissertation von Mock„Qualitätsbewertung und
-regelung für die Fertigung von Karosserieteilen in Presswerken auf Basis neuronaler Netze" vom 30 05.201 1 , erschienen im Herbert Utz Verlag, München, Forschungsberichte IWB, Band 251 , auf den Seiten 19 bis 21 das Wirbelstromprinzip bei der zerstörungsfreien Ermittlung mechanischer Werkstoffkennwerte beschrieben. Hierzu zählen Zugfestigkeit, Streckgrenze, Dehnung und andere. Elektrisch leitende Materialien können durch Anlegen eines zeitlich sich ändernden magnetischen Feldes berührungslos und innerhalb kürzester Zeit vermessen werden. Sowohl mechanische als auch elektrische Eigenschaften hängen vom Werkstoffzustand und damit vom Gefüge, Legierungsbestandteilen, der Korngröße, der Versetzungsdichte, der Anisotropie usw. ab. Damit existiert ein Korrelationsverhalten zwischen elektromagnetischen und mechanischen Eigenschaften eines Werkstoffs. In dieser Dissertation wird das Wirbelstromprüfverfahren zum Ermitteln von mechanischen, sprich statischen Werkstoff ken n we rte n , im Presswerk bei der Herstellung von Karosseriebauteilen beschrieben, um Produktionsfehler möglichst vollautomatisch und rechtzeitig zu erkennen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die bekannten zerstörenden Prüfverfahren bei Strukturbauteilen aus Guss zu ersetzen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Es hat sich überraschender Weise herausgestellt, dass sich mit der Wirbelstromprüfung neben den bekannten statischen Werkstoffkennwerten auch das stoßdynamische Verformungsverhalten von Gussproben, insbesondere ihr Verhalten im Crashfall, sicher und zuverlässig ermitteln lässt, wenn man einen auf die gussspezifische Leitfähigkeit angepass- ten, hochauflösende Wirbelstromsensor verwendet. Damit steht ein kostengünstiges, schnelles und reproduzierbares Messverfahren mit objektiven Crash-Bewertungskriterien für Gussteile zur Verfügung. Unter dem Begriff Probe im Sinne dieser Erfindung werden nicht nur Gussproben verstanden, sondern auch fertig gegossene Bauteile, insbesondere Strukturbauteile für den Fahrzeugbau.
Um schnell objektive und verlässliche Aussagen über das Crashverhalten der Proben zu erhalten, hat sich die Vorgehensweise nach Patentanspruch 2 als sinnvoll erwiesen.
Die Weiterbildung nach Patentanspruch 3 erhöht die Vergleichbarkeit der Messergebnisse.
Besonders vorteilhaft lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren bei Strukturbauteilen, wie Längsträger in Kraftfahrzeugen, aus einer AISiMg Legierung anwenden.
Im Folgenden wird die Erfindung an Hand eines schematisierten Beispiels näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Messanzeige einer Referenzmessung;
Fig. 2 eine Messanzeige einer ersten Legierungszusammensetzung; und
Fig. 3 eine Messanzeige einer zweiten Legierungszusammensetzung.
In Fig. 1 ist eine Messanzeige einer Referenzmessung auf einem Messbildschirm dargestellt. Hierzu verwendet man eine Gussprobe einer Legierung, deren Crashverhalten durch andere Prüfverfahren, beispielsweise durch ein Verfahren der eingangs zum Stand der Technik genannten Art, bekannt ist.
Diese Gussprobe wird in an sich bekannter Weise der Wirbelstromprüfung unterzogen, wobei der verwendete Messsensor eine auf die gussspezifische Leitfähigkeit abgestimmte, hochauflösende Messspule ist.
Diese Messspule wird mit einem variablen Abstand, hin und her kippend über die Gussprobe bewegt, damit sich ein sich änderndes Magnetfeld ergibt. Die so erzeugten Messwerte sind aneinander gereihte Punkthaufen, die, wie Fig. 1 zeigt, eine von links nach rechts ansteigende Messgerade 1 bilden. Diese bildet für die nachfolgenden Messungen die Referenzgerade.
Die Verstärkung der Messwerte der Referenzgeraden 1 wird so eingestellt, dass die Messgerade durch die Mitte 2 des Fadenkreuzes der Anzeige in Fig 1 verläuft.
Anschließend wird eine neue Gussprobe mit einem unbekannten Crashverhalten der Wirbelstromprüfung unterzogen, wobei die Verstärkung der Messwerte, die bei der Referenzmessung angewandt wurde, beibehalten wird.
Es werden wieder Punkthaufen erzeugt, die eine Messgerade 3 und 4 in Fig. 2 bilden. In beiden Fällen handelt es sich um eine wärmebehandelte, aus AISM OMnMg mit 0,2 Gew.- % bestehende Legierung, wobei die der Messgeraden 3 zugrunde liegende Gussprobe eine niedrigere Prüftemperatur aufwies als die der Messgeraden 4. Die die Messgeraden 3 erzeugende Gussprobe hatte die gleichen Prüftemperatur wie die Referenzprobe. Daraus ist ersichtlich, dass die Gussprobe aus dieser AISil OMn- Legierung mit 0,2 Gew.-% Mg ein besseres Crashverhalten aufweist als die Referenzprobe.
Wird eine erhöhte Prüftemperatur gewählt, so ergibt sich die Messgerade 4. Daraus könnte man auf eine verschlechterte Duktilität im Crashfall gegenüber der die Messgerade 3 erzeugenden Probe schließen, was aber tatsächlich einzig und allein auf die unterschiedliche Prüftemperatur ein und derselben Gussprobe zurückzuführen ist.
In Fig. 3 sind zwei weitere Messgeraden 5 und 6 dargestellt. Hierbei handelt es sich um jeweils eine Gussprobe aus einer wärmebehandelten AISM OMn-Legierung mit 0,4 Gew - % Mg, wobei die Gussprobe, die die Messgerade 5 ergab, die gleiche Prüftemperatur aufwies wie die Referenzprobe sowie die der Messgeraden 3 zugeordnete Gussprobe. Hieraus sieht man, dass die Gussprobe gemäß der Messgeraden 5 nahezu das gleiche Crashverhalten zeigt wie die Referenzprobe, aber ein verschlechtertes Verhalten gegenüber der Gussprobe aus der AISiMg Legierung mit 0,2 Gew.-% Mg.
Eine erhöhte Prüftemperatur entsprechend der Messgeraden 6 verändert wiederum nicht material-, sondern rein temperaturbedingt das Messergebnis in Richtung eines verschlechterten Crashverhaltens.
Bei den Gussproben ist es unerheblich, ob es sich um Proben aus der Schmelze handelt oder um bereits fertig gegossene Bauteile.
Klassische Zugversuche an den gleichen Gussproben zeigten keinerlei unterschiedliche Ergebnisse, gleichgültig, wie hoch oder niedrig die Probentemperatur lag. Hierbei kann also nicht auf ein crashdynamisches Verhalten geschlossen werden bzw. es werden die falschen Schlussfolgerungen aus derartigen Ergebnissen gezogen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum zerstörungsfreien Ermitteln von Werkstoffkennwerten von elektrisch leitenden Bauteilen mittels elektromagnetischer Wirbelstromprüfung, dadurch gekennzeichnet, dass
zur Ermittlung des stoß- und/oder crashdynamischen Verformungsvermögens einer Gussprobe eine an die gussspezifische Leitfähigkeit angepasste, hochauflösende Wirbelstrommessung verwendet wird.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
zuerst eine Gussprobe bekannten stoß- und/oder crashdynamischen Verformungsvermögens als Referenzprobe gemessen, deren Messsignal aufgezeichnet und die Verstärkung des Messsignals so gewählt wird, dass die Referenzkurve in der Mitte des Messfeldes liegt und dass die Messkurven der zu untersuchenden Gussproben an Hand ihrer Lage in diesem Messfeld beurteilt werden.
3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
zur Ermittlung des stoß- und/oder crashdynamischen Verformungsvermögens die zu messenden Gussproben die gleiche Prüftemperatur aufweisen.
4. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Patentansprüche bei Strukturbauteilen in Kraftfahrzeugen aus einer AISil OMnMg Legierung, wobei der Magnesiumgehalt zwischen 0,05 und 0,60 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 0,14 und 0,45 und insbesondere zwischen 0,14 und 0,30 Gew.-% liegt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass als Gussprobe eine Legierung im Gusszustand ohne vorherige aktive Wärmebehandlung oder eine Legierung nach einer einstufigen Wärmebehandlung oder eine Legierung nach einer zweistufigen Wärmebehandlung mit Wasser-/Luftabschreckung geprüft wird.
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