Zerstörungsfreie Materialprüfung
Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD
START| DGZfP-JAHRESTAGUNG 2001 Zerstörungsfreie Materialprüfung | ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD | START |
|
Aufgrund ständig steigender Qualitätsanforderungen der Kunden und der Notwendigkeit einer 100%-Qualitätssicherung zur Steigerung der Produktivität und Minimierung von Ausschuss auch bei der Herstellung von Feinblechen ist die zerstörungsfreie Bestimmung richtungsabhängiger Feinblecheigenschaften im Produktionsablauf von wesentlicher Bedeutung. Insbesondere für den kontinuierlichen Produktionsablauf in einer Coil- oder Verzinkungslinie ist dabei die zerstörungsfreie Ermittlung der wichtigsten mechanischen Kenngrößen wie der Dehngrenze Rp0,2 und der Zugfestigkeit Rm sowie der umformtechnischen Kennwerte wie z.B. der Anisotropie r und des Verfestigungsexponenten n von besonderem Interesse.
Im Bereich Zerstörungsfreie Prüfverfahren des Instituts für Werkstoffkunde der Universität Hannover werden Arbeiten hinsichtlich der Materialcharakterisierung von Feinblechen mittels Harmonischen Analyse durchgeführt. Im Rahmen eines EGKS-Projekts wurden diese Arbeiten erfolgreich in die Online-Bestimmung von Feinblecheigenschaften im Durchlaufbetrieb einer Coillinie umgesetzt.
Die zerstörungsfreie Bestimmung von Feinblecheigenschaften mit einem Harmonischen Messsystem beruht auf der Tatsache, dass der Werkstoffzustand, also Legierung, Korngröße, Versetzungsdichte usw., sowohl die mechanisch-technologischen Eigenschaften, i.e. Dehngrenze und Zugfestigkeit, als auch die physikalischen Eigenschaften wie die elektrische Leitfähigkeit und Hysteresekurve ferromagnetischer Werkstoffe bestimmt. Daher existiert ein indirekter Zusammenhang zwischen den mechanisch-technologischen und den physikalischen Eigenschaften, der durch das Harmonischen Messsystem zur zerstörungsfreien Bestimmung der gesuchten Feinblecheigenschaften ausgenutzt wird.
Abb 1: Prinzip der Harmonischen Analyse
|
Das Prinzip der Harmonischen Analyse (Abb. 1) beruht darauf, dass im Messsystem monofrequente Eingangssignale erzeugt und nach einer Verstärkung durch einen Leistungsverstärker als Erregerstrom einem Senderspulensystem zugeführt werden. Dort erzeugen sie ein Primärfeld, welches im Probenkörper Ummagnetisierungsvorgänge und Wirbelströme verursacht, die abhängig sind von den spezifischen Einflussgrößen des Materials, wie Legierungszusammensetzung, Gefügeausbildung, Versetzungsdichte und Eigenspannungen. Diese Wirbelströme induzieren wiederum ein Sekundärfeld, das dem Primärfeld entgegen gerichtet ist. In der Empfängerspule des Messsystems kann dann eine aus der Schwächung des Primärfeldes durch das Sekundärfeld resultierende Signaldifferenz gemessen werden. Das Empfänger- und Messsignal wird im Messrechner A/D-gewandelt, so dass nach einer Fourier-Transformation die Harmonischen Messwerte berechnet werden können.
Abb 2: Regressionsergebnisse für verzinkte Feinbleche bis 0,8 mm Blechdicke.
|
Die berechneten Harmonischen Messwerte können mit bekannten zerstörend ermittelten Referenzwerten z.B. für die Dehngrenze Rp0,2 und die Zugfestigkeit Rm nach einer geeigneten Datenreduktion über Regressionsalgorithmen korreliert werden. Eine optimierte Abbildung der mechanisch-technologischen Kennwerte kann durch mehr-dimensionale Regression der Harmonischen Messwerte erzielt werden. Aufgrund des ausgezeichneten Signal-Rauschverhältnisses des Harmonischen Messsystems reichen bereits 3-dimensionale Regressionen aus, um sehr gute Regressionsergebnisse für z.B. verzinkte Feinbleche bis 0,8 mm Blechdicke (Abb. 2) zu erhalten.
Diese Darstellung zeigt die gemeinsame Auftragung der Ergebnisse aus 3-dimensionalen Regressionsanalysen für die vier betrachteten Stahlgüten, die jeweils Korrelationskoeffizienten von über 80 % aufweisen, über den jeweiligen zerstörenden Referenzwerten.
Die prinzipielle Integration in einen Durchlaufbetrieb (Abb. 3) geschieht insbesondere vor dem Hintergrund, dass es durch ein prozessbegleitendes Qualitätsmanagement möglich ist, mittels einer kontinuierlichen Messung der Produkteigenschaften sowohl schnell auf unerwünschte Veränderungen im Produktionsprozess regelnd reagieren zu können als auch eine durchgängige Dokumentation der Produktqualität zu ermöglichen. Dazu wird nach Analyse aller relevanten Betriebs- und Randbedingungen sowohl des Produktionsprozesses als auch des Messsystems eine geeignete Position für das Messsystem festgelegt und alle notwendigen Mess- und Steuerdaten spezifiziert.
Abb 3: Integration eines Harmonischen Messsystems in eine Coillinie.
|
Abb 4: Prinzip der Integration. |
Die Integration eines Harmonischen Messsystems in eine Coilline (Abb. 4) erfolgt dann durch das Einbringen speziell an die Aufgabenstellung adaptierte Sensoren und ihre Ankoppelung an den Kernteil des PC-basierten Harmonischen Messsystems, das primär aus einem PC mit integrierter Signalgenerierung und -erfassung und einem Leistungsverstärker besteht. Die Peripherie ist u.a. durch Klimaanlage und unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) an die rauen Betriebsbedingungen angepasst und ergänzt worden.
Der Messrechner selbst führt neben der Signalgenerierung und -erfassung auch ihre Umwandlung, Analyse und Verrechnung in Harmonischen Messwerte durch. Aus diesen online errechneten Harmonischen Messwerten werden dann über eine speziell erstellte Korrelationsdatenbank die zerstörungsfreien Materialkennwerte für die Dehngrenze Rp0,2 und die Zugfestigkeit Rm direkt berechnet und an das prozessbegleitende Qualitätsmanagement übertragen. Da die vorab erstellten Korrelationen sowohl Stahlgüten- als auch Blechdicken-abhängig sind, werden dem Harmonischen Messsystem neben den Steuersignalen aus der Coillinie auch Daten bezüglich Stahlgüte und Blechdicke übermittelt. Darüber hinaus wird die Blechdicke benötigt, um das Sensorensystem für die unterschiedlich dicken Coils immer exakt im gleichen Abstand zur Blechoberfläche zu positionieren.
Entsprechend diesem Prinzip ist ein Online-Harmonischen-Messsystem in eine Feuerverzinkungs-Bandanlage der Salzgitter AG (SZAG) integriert (Abb. 5) worden. Im Vordergrund ist das obere Sensorsystem hinter einem Kollisionsschutz zu sehen, im Hintergrund sind der Steuerschrank für das Positionieren und Traversieren der Sensorensysteme und der Messschrank des Harmonischen Messsystems erkennbar. Dieses Messsystem arbeitet ebenso wie die Feuerverzinkungslinie im kontinuierlichen Dauerbetrieb und ist in den Datenfluss des prozessbegleitenden Qualitätsmanagements integriert, so dass die online gelieferten Werte für die Dehngrenze Rp0,2 und die Zugfestigkeit Rm schon im Prozessablauf zur Qualitätsüberwachung und für Regelvorgänge zur Verfügung stehen.
Abb 5: Tatsächliche Integration in einer Feuerverzinkungsinie der SZAG.
|
Ergänzend zu dieser Datenverarbeitung im betriebseigenen QS-Management steht eine Vorort-Visualisierung aller relevanten Mess- und Steuerdaten zur Verfügung, wobei u.a. der Verlauf der berechneten Werte für die Dehngrenze Rp0,2 und die Zugfestigkeit Rm über den letzten 1000 Metern Bandlänge graphisch dargestellt wird (Abb. 6).
Abb 6: Screen-Shot des Harmonischen-Messsystems. |
Das Ergebnis der beschriebenen Online-Messungen ist z.B. die Messdatenaufnahme für einen Übergangsriegel (Abb. 7), dessen Messung zur Absicherung der Messergebnisse wiederholt wurde. Hier werden zur Veranschaulichung der sehr guten Abhängigkeit der Harmonischen Messwerte von der Gefügeausbildung des Materials und von den Produktionsbedingungen nicht die berechneten Werte für die Dehngrenze Rp0,2 und die Zugfestigkeit Rm dargestellt, wie sie an das QS-Management übermittelt werden, sondern die Rohdaten der Harmonischen Messwerte, die bereits bei direkter Betrachtung zeigen, dass sich die mechanisch-technologischen Eigenschaften des Materials zu Beginn des Coils deutlich ändern.
Abb 7: Messdatenaufnahme für einen Übergangsriegel.
|
| Herausgeber: DGfZP, Programmierung: NDT.net | START |
Beiträge