I N H A L T

Einleitung Örtliche Verteilung und Volumenkonzentration an zweiten Phasen Lokalisierung und Charakterisierung von Preßnähten in Aluminiumhohlprofilen Textur und Zipfligkeitskennwerte Elastische Materialkonstanten und mechanisch-technologische Kenngrößen Last- und Eigenspannungen Fazit Schrifttum

Einleitung

Moderne Konzepte des Leichtbaus setzen auf Aluminiumlegierungen und Aluminium-Keramik-Verbundwerkstoffe mit maßgeschneiderten mechanischen und thermomechanischen Eigenschaften. Moderne und kostengünstige Formgebungsverfahren und die Technologie des Aluminiumschweißens erfahren kontinuierliche Verbesserungen. Die zerstörungsfreie Prüfung hat dabei die Nachweise hinsichtlich der Qualität, der Materialeigenschaften und der Lebensdauer des Bauteils zu erbringen. Die zerstörungsfreie Werkstoff- und Bauteilprüfung wird weiterentwickelt, um den neuen Herausforderungen an die ZfP zu entsprechen:

Die Material- und Bauteilzustände müssen genauer bestimmt werden, auch in den kleinsten Bereichen einer Konstruktion. Zur Kostenminimierung muß es möglich sein, unbeabsichtigte Materialveränderungen schon im Prozeß, also bei der Herstellung oder Weiterverarbeitung, festzustellen und zu beheben. Während des Aluminium Tages am 26.1.99 in Saarbrücken konnte das Fraunhofer Institut Zerstörungsfreie Prüfverfahren (IZFP) den bisher erreichten Stand der zerstörungsfreien Werkstoff- und Bauteilprüfung den interessierten Vertretern der aluminiumherstellenden und -verarbeitenden Industrie vorstellen.

In zwei Folgen werden Ergebnisse der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten des IZFP zusammengefaßt wiedergegeben. Zunächst geht es um die Charakterisierung des Materialzustandes und der Eigenschaften von Al-Materialproben und Al-Bauteilen; im zweiten Teil wird über die Entwicklungen der Ultraschall- und Röntgenverfahren zur Detektion und Analyse von Fehlstellen in Bauteilen berichtet.

Örtliche Verteilung und Volumenkonzentration an zweiten Phasen

Zur Verbesserung der thermomechanischen Eigenschaften und zur Nutzung von Leichtbaulösungen auch bei höheren Betriebstemperaturen werden Al-Legierungen mit keramischen Partikeln oder Kurzfasern verstärkt. Die Herstellung dieser Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe (MMC) erfolgt sintermetallurgisch oder im Preß-Gießverfahren (squeeze casting). Die mechanischen und thermischen Eigenschaften werden ganz entscheidend vom Volumengehalt und der Verteilung der verstärkenden Phase bestimmt.

Durch Aufnahme der zum Schallempfänger zurückgestreuten Schallwellen über dem Meßort, lassen sich prinzipiell Bereiche mit Verunreinigungen oder mit zweiten Phasen oder mit veränderten Korngrößen visualisieren. Die Ultraschallfrequenz, die Pulslänge und der Durchmesser des fokussierten Schallfeldes sind die zu optimierenden Prüfparameter.

Abb. 1: Mittels Ultraschall-Rückstreuverfahren ermittelte Verteilung von Al2O3 Kurzfasern in der oberflächennahen Schicht bis 2 mm Dicke eines Motorkolbens.

Abb. 2: Änderung des Volumengehaltes an Al2O3 Kurzfasern im Kopf eines Motorkolbens.

Mit Ultraschallrückstreuverfahren wurde die örtliche Verteilung zweiter Phasen in Automobilkolben und Pleueln dargestellt. Die lokale Verteilung von Al2O3 Kurzfasern in der Al-Matrix eines Zylinderkopfes zeigt die Abbildung 1. Hellere Farben zeigen die Gebiete mit höherer Volumenkonzentration von Kurzfasern an. Aus der inhomogenen Verteilung wird sofort deutlich, daß dieser Kolben allein durch unterschiedliche thermische Ausdehnung der Bereich mit hoher und weniger hohen Konzentration von Kurzfasern nicht verwendbar ist.

Über der dargestellten Fläche von 100 x 100 mm2 wurden 480 x 350 Messpunkte gelegt; Die Frequenz der Longitudinalwelle war 50 MHz, der Fokusdurchmesser etwa 1 mm. Der Einfluß dieser zweiten Phasen auf die Ausbreitungsgeschwindigkeiten läßt sich aus den elastischen Werkstoffkonstanten und der Dichte berechnen oder unter Nutzung entsprechend abgestufter Materialproben kalibrieren. Damit wird die örtliche Änderung des Volumengehaltes quantitativ bestimmt; die Abbildung 2 zeigt ein typisches Ergebnis für Kolben guter Qualität.

Lokalisierung und Charakterisierung von Preßnähten in Aluminiumhohlprofilen

Während des Stranggießens von Hohlprofilen entsteht beim Zusammenfließen der Metallströme hinter den Matrizeneinläufen eine Preßnaht, die im idealen Fall die Eigenschaften einer Korngrenze hat. Preßnähte können aber auch Zonen mit deutlich schlechteren mechanisch-technologischen Materialeigenschaften sein. Die Größe und Form der Körner sowie der Anteil und die Ausrichtung der Verunreinigungen in der Preßnaht bestimmen deren Qualität.

Abb. 3: Mittels Ultraschallrückstreuverfahren abgebildeter Verlauf der Preßnaht und die richtungsabhängige Veränderung der Ultraschallaufzeit zur Charakterisierung der Textur im Bereich der Naht.

Die zerstörungsfreie Kontrolle der Preßnaht nutzt Verfahren der Ultraschallstreuung und die Ultraschall-Texturanalyse. Veränderungen der Korngröße und der Kornform, ebenso wie die Anwesenheit von zweiten Phasen, z.B. Aluminiumoxid, verursachen eine erhöhte Ultraschallstreuung, so daß die Ultraschallstreuung zur Lokalisierung der Preßnaht genutzt wird. Der Rekristallisationsprozeß verändert nicht nur die Größe und die Form der Körner in dem Bereich der Preßnaht sondern auch deren Orientierung. Damit wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit der sich über die Wanddicke ausbreitenden Transversalwelle abhängig von der Orientierung der Schwingungsrichtung bezüglich des Preßnahtverlaufs. Durch die Verknüpfung der Ergebnisse der Ultraschall-Rückstreumessung und der Ultraschall-Texturanalyse im Bereich der Preßnaht kann der Verlauf der Preßnaht ortsgetreu nachgezeichnet werden und die Stelle entlang der Länge des Hohlprofils bestimmt werden, wo sich die Preßnaht ideal ausbildet. In der Abbildung 3 sind die Ergebnisse der Untersuchungen an einem Profil einfacher Geometrie gezeigt. Die Prüfparameter für die Darstellung der Naht waren mit den im vorangegangenen Abschnitt erwähnten identisch; der elektromagnetische Normalprüfkopf für die linear polarisierte Transversalwelle hatte eine Mittenfrequenz von 2 MHz /2/.

Textur und Zipfligkeitskennwerte

Insbesondere der Walzprozeß verursacht eine nicht statistisch verteilte Ausrichtung der einzelnen Körner eines vielkristallinen Walzgutes. Durch diese Textur werden die meisten Werkstoffeigenschaften richtungsabhängig. Texturen werden üblicherweise röntgenographisch bestimmt. Von technologischer Bedeutung ist insbesondere die Richtungsabhängigkeit der plastischen Verformung, die im wesentlichen von der Textur bestimmt wird. Eine häufig genutzte Methode zur Charakterisierung der plastischen Verformbarkeit ist die Verformung einer Blechronde zu einem Becher. Bei unterschiedlich stark ausgeprägter Textur bilden sich am Becherrand unterschiedlich hohe Zipfel aus. Die Prozeßführung des Warmwalzens und des späteren Kaltwalzens muß so ausgeführt werden, daß sich eine für die spätere Verwendung des Walzproduktes optimierte Textur einstellt.

Bisher werden zur Bestimmung der Textur und des Zipfligkeitskennwertes Proben vom Anfang oder vom Ende eines Bandes geschnitten. Mögliche Veränderungen der Prozeßparameter während des Walzens haben zur Folge, daß die am Anfang und am Ende des Bandes ermittelten Kennwerte die Qualität des Bandes nicht repräsentieren. Zur ortskontinuierlichen Texturanalyse mit Ultraschall werden Zusammenhänge zwischen der Textur und den Ausbreitungsgeschwindigkeiten verschiedener Ultraschallwellen genutzt. Die Schallgeschwindigkeiten verändern sich in systematischer Weise mit der Ausbreitungs- oder Schwingungsrichtung der Welle im Hinblick auf die Hauptrichtungen der Textur.

Abb. 4: Bestimmung der elastischen Anisotropie und der Zipfligkeit von Al-Warmbandproben mittels Ultraschallverfahren.

Die Abbildung 4 zeigt Änderungen der Laufzeit einer SH-Welle als Funktion der Schallausbreitung in drei Al-Warmbandproben und die Korrelation mit den zerstörend ermittelten Zipfligkeiten. Die Prozeßparameter wurden systematisch geändert, um die Texturentwicklung zu beeinflussen. Um die Homogenität der Textur über die Bandbreite zu beurteilen, wurden bei 50 %, 75 % und 95 % der Bandbreite Messungen durchgeführt. Die relative Differenz der bei Schallwellenausbreitung unter 45° und senkrecht zur Walzrichtung gemessenen Schallaufzeiten ist ein Maß für die Stärke der Textur. Die so bestimmte elastische Anisotropie korreliert mit Zipfligkeit /3/.

Eine das gleiche Meßprinzip nutzende Anlage zur on-line Bestimmung der Tiefzieheigenschaften ferritischer Stahlbänder ist seit Jahren in industrieller Nutzung /4/. Der Einsatz elektromagnetischer Ultraschallwandler bringt den großen Vorteil der berührungslosen Schalleinprägung mit sich, so daß die Oberfläche des Walzgutes nicht berührt und nicht beschädigt wird.

Elastische Materialkonstanten und mechanisch-technologische Kenngrößen

Die Materialeigenschaften und Kennwerte sowie deren Veränderung unter z.B. mechanischer und thermischer Belastung während der Lebenszeit eines Bauteiles sind ein wichtiges Kriterium bei der Wahl eines Werkstoffes für eine konkrete Konstruktion. Die zerstörungsfreien Verfahren bieten allerdings nicht in allen Fällen einen unmittelbaren Zugang zu den Kennwerten. Gemessen werden physikalische Größen, die von den gleichen gefügespezifischen Parametern beeinflußt werden, wie die gesuchten technologischen Kennwerte. Die Zuordnung der Meßgröße zum Kennwert ist selten eindeutig; daher sind in der Regel mehrere Abhängigkeiten z.B. durch Einsatz unterschiedlicher Wellenmoden, durch Frequenz- oder Temperaturänderungen zu nutzen. Elastische Materialeigenschaften beeinflussen die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschallwellen.

Die Zusammenhänge sind seit Jahrzehnten bekannt. Verbesserungen der Meßtechnik, insbesondere zur schnellen und ortskontinuierlichen Messung der Laufzeiten von Schallwellen, eröffnen neue Möglichkeiten. Da die örtliche Änderung der Schallaufzeit mit einer Genauigkeit von besser als 0,1 % bestimmt werden kann, ist die Lokalisierung von strukturellen Veränderungen (z.B. durch Poren, Schädigungen oder plastische Verformungen), die örtliche Veränderung der Textur und der mechanischen Spannungszustände, sowie die quantitative Bestimmung der dadurch verursachten Änderung der elastischen Eigenschaften und Zustände mit hoher Genauigkeit möglich.

Abb. 5: Breite der Zone um die Schweißnaht mit veränderten elastischen Eigenschaften (oberes Teilbild) und die größte relative Änderung der Transversalwellenlaufzeit als Maß für die elastische Anisotropie in der Zone (unteres Teilbild). Abb. 6: Mittels Ultraschall bestimmte E- Moduln von verschweißten Al-Blechen. Abb. 7: Mittels Wirbelstromverfahren zerstörungsfrei ermittelte Zugfestigkeiten von Al-Druckbehältern im Vergleich mit den im Zugversuch bestimmten Werten.

In manchen Anwendungsfällen ist eine Unterscheidung der verschiedenen Einfluß nehmenden Gefüge- oder Zustandsparameter nicht notwendig, um eine Optimierung des Herstellungsverfahrens zu unterstützen. Durch kontinuierliche Messung der Laufzeit einer normal eingeschallten linear polarisierten Transversalwelle entlang einer Spur senkrecht zu einer Schweißnaht läßt sich der Bereich links und rechts der Schweißnaht festlegen in dem die elastischen Eigen-schaften so verändert sind, daß ein vorgegebener Wert der Laufzeitänderung überschritten wird. Die Abbildung 5 zeigt im oberen Teilbild diese Aufweitung der Laufzeit-Ort-Kurve am Beispiel dreier mit unterschiedlichen Parametern verschweißter Bleche gleicher Al-Legierung. Durch systematische Änderung der Schwingungsrichtung der Transversalwelle am gleichen Meßpunkt wird die elastische Anisotropie ermittelt. Die relative Differenz der gemessenen Extremwerte der Laufzeit [‰] ist im unteren Teilbild der Abbildung 5 dargestellt. Es wird deutlich, daß die bei Blech 1 gewählten Schweißparameter einen kleineren Bereich (oberes Bild) mit geringeren Eigenschaftsveränderungen (unteres Bild) um die Schweißnaht verursachen.

Diese elastische Anisotropie wird von der Textur und von den Schweißeigenspannungen hervorgerufen. Eine Unterscheidung beider Einflüsse ist auf der Basis grundlegender Untersuchungen des Gefüge- und Textureinflusses auf die Schallgeschwindigkeiten und deren Veränderungen als Funktion der elastischen Dehnung möglich (siehe nächstes Kapitel).

Die aus den Laufzeiten bzw. Geschwindigkeiten von Longitudinal- und Transversalwellen und der Materialdichte berechneten Elastizitätsmodule E sind in der Abbildung 5 entlang einer Spur senkrecht über die Schweißnaht dargestellt. Die mittels Ultraschallverfahren bestimmten elasti-schen Materialkonstanten E- und Schub- Modul stimmen in der Regel innerhalb ± 1-2% mit denen überein, die im Zugversuch ermittelt werden. Der Fehlerbalken von ± 1% ist in der Abbildung 6 dargestellt. Einzelheiten der Meßdatenaufnahme und -auswertung sind in /5/ beschrieben.

Alle mechanisch-technologischen Materialkennwerte ergeben sich aus der Wechselwirkung aller möglichen Mikrostrukturparameter (Art, Anteil der Legierungselemente, Gitterfehler, Ausscheidungen). Durch die Mikrostruktur werden neben den elastischen auch die elektrischen und damit die Wirbelstrommeßgrößen verändert. Aufgrund der Vielzahl der Wechselwirkungen und Einflußparameter ist eine Zuordnung von zerstörungsfrei erzielten Meßwerten zu mechanisch-technologischen Kennwerten in der Regel nur durch Kalibrierung und mehrparametrige Korrelationsanalyse möglich.

Das Mehrfrequenz-Wirbelstromverfahren wurde zur Bestimmung der Zugfestigkeit und zur gleichzeitigen Prüfung auf Fließfehler weiterentwickelt. Die Kalibrierung des Wirbelstromverfahrens erfolgt an repräsentativen Proben mit bekannten Festigkeiten.

Die Abbildung 7 zeigt den Vergleich der mit dem Wirbelstromverfahren festgestellten Werte der Zugfestigkeiten Rm verschiedener Al-Bauteile mit den im Zugversuch bestimmten Werten. Das Spektrum reicht von 20 kpsi für den weichgeglühten Zustand über 30 kpsi für preßharte Teile bis zu Werten von über 45 kpsi für die Bauteile nach der letzten Wärmebehandlung. 1kpsi entspricht rund 7 MPa. /6/.

Last- und Eigenspannungen

In Ergänzung zu den etablierten Verfahren der zerstörungsfreien Spannungsanalyse ermöglichen Ultraschallverfahren die Ermittlung von oberflächennahen Spannungszuständen und von Volumenspannungen. Ein Vorteil der Ultraschallverfahren ist die Möglichkeit der schnellen und ortskontinuierlichen Spannungsanalyse entlang von Meßspuren und damit die Beurteilung von Spannungsverteilungen und das Lokalisieren von Spannungsinhomogenitäten.

Es gibt, abhängig von dem zu analysierenden Spannungszustand und der Zugänglichkeit des Bauteils, verschiedene Ultraschallverfahren, Geräte zur automatischen Datenaufnahme und Auswertung ebenso wie Ultraschallprüfköpfe verschiedener Größen und Typen. Da Schweißeigenspannungen das dynamische und statische Verhalten von verschweißten Komponenten signifikant beeinflussen, ist die Kenntnis des Eigenspannungszustandes nach dem Schweißen und nach den Schweißnachbehandlungen von großem Vorteil. Für zwei im Automobilbau häufig eingesetzte Aluminiumlegierungen wurden die zur quantitativen Ultraschall-Spannungsanalyse notwendigen Materialkennwerte ermittelt und der Eigenspannungszustand in und um eine Schweißnaht mittels Ultraschallverfahren analysiert. Die in Abbildung 8 erkennbare gute Übereinstimmung der mittels Ultraschallverfahren festgestellten Eigenspannungen und der mit einem etablierten teilzerstörenden Verfahren bestimmten Spannungen belegen die zuverlässige Anwendbarkeit der Ultraschalltechniken.

Abb. 8a: Parallel zur Stumpfschweißnaht in einem 4 mm dicken AlCu6Mn Blech wirkende Schweißeigenspannungen. Abb. 8b: Senkrecht zur Stumpfschweißnaht in einem 4 mm dicken AlCu6Mn Blech wirkende Schweißeigenspannungen.

Fazit

Die in den vergangenen 10 Jahren durchgeführten verfahrens- und gerätetechnischen Entwicklungen zur zerstörungsfreie Charakterisierung von Gefügezuständen und zur Bestimmung von Werkstoffeigenschaften und Bauteilzuständen hatten im wesentlichen die Anwendung an Stahlkomponenten des Anlagen- und Maschinenbaus zum Ziel. Der erreichte Stand von Wissenschaft und Technik läßt sich auch zur Anwendung an Al-Bauteilen nutzen.

Es gilt nun, in Kooperation mit den Partnern aus der aluminiumherstellenden und -verarbeitenden Industrie, das Potential der ZfP zu nutzen, um Qualität zu verbessern und Qualitätskosten zu senken.

Literatur

1. E. Schneider, L. Oesterlein, D. Bruche: Characterization of State and Properties of Al-Based MMC-Composites; 6th European Conference on Nondestructive Testing, Proceedings, Society for the Advancement of Material and Process Engineering Vol. 2 (1993) 1013-1017.
2. E. Schneider, L. Oesterlein, D. Bruche: Ultrasonic Characterization of Burrs in Aluminum Pressure Castings; Nondestructive Characterization of Materials VII, A.L. Bartos; R.E. Green Jr.; C.O. Ruud (eds.), Transtec Publications Ltd., Zürich, Part 1 (1996) 397-404.
3. E. Schneider, L. Oesterlein: Ultrasonic Characterization of Texture in Aluminum Rolled Products; ibid, 405-410.
4. M. Borsutzki, Ch. Thoma, W. Bleck, W. Theiner: On-Line-Bestimmung von Werkstoffeigenschaften an kaltgewalztem Feinblech; Stahl und Eisen 113, 10 (1993) 93-99.
5. N. Mourik: Ultrasonic Characterization of States of Material in Aluminium Alloy Welds; IZFP, Universität des Saarlandes, University of Houston, Diplomarbeit (1997).
6. R. Becker, M. Disqué: Neue Anwendungsfelder der Wirbelstromprüfung durch Einsatz einer Prüfelektronik mit großer Signaldynamik und eines digitalen Signalprozessors mit hoher Rechenleistung; DGZfP Berichtsband 52.1, DGZfP Berlin (1996) 365-372.
7. U. Arenz: Gefügeabhängigkeit der materialspezifischen Kenngrößen zur Ermittlung der Schweißeigenspannungen in Aluminiumbauteilen mittels Ultraschallverfahren, IZFP, Universität des Saarlandes, Diplomarbeit (1996).

Dipl. Ing. Eckhardt Schneider, Jahrgang 1951; Abitur, Studium der Werkstoffwissenschaften an der Universität des Saarlandes; seit 1979 wissenschaftlicher Mitarbeiter im IZFP, Arbeitsgebiet: Ultraschallverfahren zur Charakterisierung von Gefügezuständen, Bestimmung von Werkstoffeigenschaften und Bauteilzuständen, zur Textur- und Spannungsanalyse; 1984/85 Gastwissenschaftler am Cullen College of Engineering der University of Houston, Tx, USA; 1989 Joseph-von-Fraunhofer-Preis der Fraunhofer Gesellschaft zusammen mit Rüdiger Herzer für die Entwicklung eines automatischen Meßsystems zur Bestimmung mechanischer Spannungszustände in Bauteilen mittels Mehrmode-Ultraschallwellen; 1993 Berthold-Preis der DGZfP zusammen mit Frau Dr. Altpeter für Leistungen zur zerstörungsfreien Bestimmung von Texturen in Walzprodukten mit Ultraschall- und magnetischen Verfahren.

Universitätsprofessor Dr. rer. nat. Dr. h. c. Michael Kröning, Jahrgang1944; Physik Studium, Fachgebiet Werkstoffwissenschaften; 1974 Promotion; 1968-1970 Ergänzungsschwerpunkt Volkswirtschaftslehre, 1980 Schweißfachingenieur; 1972-1978 wissenschaftlicher Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für Chemie; 1978-1990 Kraftwerk Union AG, Erlangen; diverse Ingenieur-Fachqualifikationen auf dem Gebiet der ZfP. Seit 1990 Leiter des IZFP, 1993 Ernennung zum Ehrenprofessor der Polytechnischen Universität Tomsk, Rußland; 1995 Verleihung der Ehrendoktorwürde der Eisenbahn Universität, St. Petersburg, Rußland.

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