DGZfP-JAHRESTAGUNG 2002

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Inline Produktionskontrolle längsnahtgeschweißter Rohre und Erfahrungen bei der Ferndiagnose von Ultraschallprüfanlagen

Dr.-Ing. Michael Schmeißer
Projektleiter für Ultraschallprüfanlagen
NUKEM Nutronik GmbH, Alzenau
Kontakt: M. Schmeißer

Zusammenfassung

Bei der Produktion längsnahtgeschweißter Rohre dient die Ultraschallprüfeinrichtung "Schabungskontrolle" der überwachung und Visualisierung des Schweißnahtprofils. Gleichzeitig wird die Wanddicke in der Schweißnaht sowie im angrenzenden Bandmaterial gemessen. Fehler werden ortsgetreu markiert und die Rohre nach Erhalt des Schnittsignals sortiert.

Es werden die Möglichkeiten der Ferndiagnose sowie die Einflussnahme auf sich in der Inbetriebnahmephase oder im Produktionseinsatz befindliche Ultraschallprüfanlagen erörtert.

Keywords
ERW-Rohre, Schabungskontrolle, Wanddicke, Ferndiagnose US-Prüfanlagen

1 Inline Produktionskontrolle

Die Inline Produktionskontrolle (Bild 1) bei der Fertigung widerstandsgeschweißter Rohre beinhaltet zum einen die überwachung des Bandmaterials im Bereich der Einformstrecke sowie die überwachung der Parameter an der Schweißmaschine.

Bild 1: Inline-Produktionskontrolle von ERW Rohren. Überwachung Bandmaterial & Schweißparameter
  • Stauchdruck
  • Schweißtemperatur
  • Schweißstrom
  • Schweißspannung
  • Zu den wichtigsten Schweißparameter gehören

    • der Stauchdruck (Halbleiter-Dehnmessbrücke)
    • die Schweißtemperatur (Pyrometer)
    • sowie der Schweißstrom und die Schweißspannung.

    Für die zerstörungsfreie Prüfung der Schweißnaht kommen Standardprüfverfahren basierend auf Ultraschall und Wirbelstrom zur Anwendung.

    Mittels Ultraschallprüfung lassen sich das Schweißnahtprofil, d.h. die Nahtkontur nach dem Außen- und Innenschabeprozess überwachen. Zugleich ist es aber auch von Interesse, Aussagen über die Wanddicke in der Naht und im angrenzenden Bandmaterial zu erhalten.

    Desweiteren erfolgt üblicherweise eine Prüfung der Schweißnaht auf längs und quer zur Naht orientierte Rissfehler sowie die Detektion von Dopplungen in der Wärmeeinflusszone des Bandmaterials.

    Durch den Schweißvorgang und Stauchdruck entsteht an der Längsnaht ein Außen- und Innengrat, der mittels je eines Außen- und Innenschabers entfernt werden muß. Während die Qualität der Außenschabung vom Bedienpersonal subjektiv leicht kontrolliert werden kann, sind Aussagen über die Innenschabung erst nach dem Trennen des Endlosrohres verfügbar.

    Im Bild 2 zeigt die obere Ansicht eine gute Außen- und Innenschabungsqualität. Hingegen ist im unteren Schliffbild die Innenschabung nicht ausreichend ausgeführt worden. Meist noch kritischer ist es, wenn infolge zu tiefer Innenschabung die zulässige Mindest-Wanddicke unterschritten wurde.

    Bild 2: Inline Schabungskontrolle und Wanddickenmessung. mit einem Prüfkopf
  • Überwachung und Visualisierung der Außen- und Innenkontur der Schweißnaht
  • Messung der Wanddicke in und beiderseits der Schweißnaht
  • Mit Hilfe der Ultraschallprüfeinrichtung "Schabungskontrolle" ist eine kontinuierliche überwachung des Schabungsvorganges möglich.

    2 Schabungskontrolle

    2.1 Messprinzip
    Das Messprinzip der Schabungskontrolle veranschaulicht Bild 3. Mittels eines über die Schweißnaht pendelnden Wanddicken-Prüfkopfes werden die Signallaufzeiten des Oberflächen- und Rückwandechos gemessen. Die Pendelfrequenz beträgt 1 Hz und es wird dabei ein Bereich von ± 30° erfasst. Die Prüfelektronik ist ein digitaler Ultraschallprüfkanal UTxx, welcher mit der speziellen Software für die Schabungskontrolle geladen ist.

    Diese Prüfeinrichtung liefert neben der Visualisierung der Schweißnahtprofils und der gemessenen Wanddicken Alarmsignale bei über- oder Unterschreitung der zulässigen Toleranzvorgaben für die Außen- und Innenschabung sowie der Wanddicken.

    Bild 3: Messprinzip Schabungskontrolle

    Die Prüfmechanik (Bild 4) besteht im wesentlichen aus einer zum Rohr höhen- und querverstellbaren Pendelvorrichtung, dem Montagegestell sowie der Versorgung mit Koppelwasser. Eine stabile Installation der Prüfmechanik ist von ausschlaggebender Bedeutung für die Stabilität und Reproduzierbarkeit der Messergebnisse.

    Der Prüfkopf befindet bei der Kontaktmethode in einer drehbaren Halterung, welche mittels Gleitschuh die Rohrkontur mechanisch abtastet.

    Bild 4: Prüfmechanik: pendelnde PK-Halterung, Gestell, Tank.

    Die kleine Bauform der Prüfmechanik kann für Rohrdurchmesser von 15 bis 250 mm und die größere im Bereich von 60 ... 600 mm eingesetzt werden. Der Durchmesserbereich wird von 4 verschiedene auf dem Rohr sitzenden Gleitschuhen unterschiedlichen Winkels abgedeckt.

    Für Anwendungen, bei denen Rohroberfläche keine Kratzer erfahren darf, kann durch Arrettieren der Prüfkopfhalterung die Messung der Laufzeiten auch berührungslos erfolgen. Diese Methode bringt aber nur dann reproduzierbare Ergebnisse, wenn der Mittelpunkt des Rohres mit dem des 90°-Führungssegmentes der Pendelmechanik immer deckungsgleich ist.

    Ungeachtet der gewählten Methode ist die Messgenauigkeit abhängig von der Rundheit des Rohres, welche unmittelbar hinter der Schweißmaschine als Hochoval charakterisiert ist. Dem Bestreben, möglichst unmittelbar nach dem Schabungs-vorgang exakte Informationen über dessen Qualität zu erhalten, steht die Unrundheit des Rohres an dieser Position in der Schweißlinie entgegen.

    Zum Schutz der Pendelmechanik bei größeren Löchern im Endlosrohr wird diese durch eine Hubautomatik mit Sensor zur Locherkennung vom Rohr abgehoben.

    Bild 5: Digitale Ultraschall-Prüfelektronik UTxx

    Die Prüfelektronik besteht aus einem universellen Ultraschall-Prüfkanal UTxx (Bild 5), dessen digitaler Signalprozessor für diese Applikation mit der Software für die Schabungskontrolle geladen wird. Der Prüfkanal befindet sich in einem VXI-überrahmen mit weiteren Steckplätzen. Somit ist eine Aufrüstung der Ultraschallprüfanlage für z.B. Rissfehlerprüfungen durch Hinfügen weiterer UTxx-Kanäle problemlos möglich.

    2.2 Visualisierung des Schweißnahtsprofils
    Die Visualisierung des Schweißnahtprofils besteht aus der kontinuierlichen Darstellung der aktuellen Messwerte sowie einer Trendanzeige (Bild 6).

    Bild 6: Schreiberdarstellung des Schweißnahtprofil.

    In der rechten Bildhälfte sind oben das aktuelle Außenprofil und darunter das Innenprofil dargestellt. Die vier dicken Linien repräsentieren die vorgegebenen

    ± Toleranzen, deren Werte aus der numerischen Farbskala ersichtlich sind.

    Das linke Diagramm gibt die Historie der Außen- und Innenschabung wieder.

    Eine überschreitung der zulässigen Vorgaben wird mit rot, eine Unterschreitung mit blau hervorgehoben. Im gezeigten Beispiel ist die Innenschabung nicht ausreichend tief, der zu große Materialüberstand wird daher als rote Linie ausgewiesen. Liegt das Schweißnahtprofil innerhalb der Toleranzen, wird dieses entsprechend der Skalierung in Graustufungen dargestellt.

    Eine falsche Einstellung des Schabewerkzeuges, dessen Verschleiß oder gar Bruch wird somit unverzüglich erkannt, so dass die Produktion von Ausschussrohren wegen schlechter Schabung vermieden wird.

    Bei Toleranzverletzungen stehen zugleich auch Hardware-Alarmsignale für das Bedienpersonals an der Schweißmaschine und für die ortsgetreue Markierung der betroffenen Rohre verfügbar.

    Die nominale Wanddicke, die ± Toleranzen sowie die Vorgaben zur statistischen Entstörung werden in das Setup-Menü "Schabungskontrolle" (Bild 7) eingegeben.

    Bild 7: Setup-Menü Schabungskontrolle.

    Zur Erleichterung bzw. überprüfung der Einstellungen werden in diesem auch die aktuellen in Millimeter umgerechneten Signallaufzeiten des Oberflächenechos (oberes Signaldiagramm) und darunter die des Rückwandechos dargestellt.

    Zur Kontrolle der Pendelmechanik werden ihre beiden Umkehrpunkte zusätzlich im oberen Signaldiagramm im Form blauer Impulse angezeigt.

    Für die Berechnung der Außenkontur ist die Kenntnis des Abstandes vom Prüfkopf zur Rohroberfläche erforderlich. Per Mausklick wird dieser automatisch ermittelt werden.

    2.3 Wanddicke
    Ohne weiteren Hardwareaufwand wird durch eine zusätzliche Auswertung die Wanddicke in der Schweißnaht sowie im angrenzenden Bandmaterial aufgezeichnet. Die Prüfkopfspur wird dabei in drei parametrierbare Wanddicken-Messfenster aufgeteilt, links und rechts der Schweißnaht sowie die Naht selbst (Bild 8).

    Bild 8: Wanddickenschrieb der Schabungskontrolle.

    Parallel zur Profildarstellung sind somit zusätzlich drei Wanddickenschriebe verfügbar. Im Bild 9 wurde oben die Wanddicke im linken Bandmaterial, in der Mitte die in der Schweißnaht und unten die im rechten Bandmaterial aufgezeichnet.

    Bild 9: Überwachung der Wanddicke Bild 10: Überwachung der Wanddicke

    Der hier unter Produktionsbedingungen bei einer Schweißgeschwindigkeit von 1 m/s abgespeicherten Wanddickenschrieb hat eine Größe von ca. 16 MB bei einer Laufzeit des Coils von ca. 30 min.

    Zwecks Erkennung von Details läßt sich der Wanddickenschrieb nach der Datenaufzeichnung beliebig spreizen (Bild 10). Auf seiner rechten Seite werden für den aktuellen Ausschnitt der Maximal-, Mittel- und Mininmal-Wert des jeweiligen Wanddickebereiches angezeigt. Die zulässigen Toleranzen sowie die Aufteilung des Pendelhubes über die Naht werden für die drei Wanddicken-Messfenster im Einstellmenü "Wanddicke" (Bild 11) für die Schweißnaht separat und für das Bandmaterial links und rechts zusammen eingetragen.

    Bild 11: Einstellmenü Wanddicke. Schallgewindigkeit
    Material
    Koppelmedium
    ± Toleranzen
    Aufteilung Pendelhub = 100 %
    Bandmaterial .... %
    Schweißnaht .... %

    Zur Temperaturkompensation kann im Bedarfsfalle die Schallgeschwindigkeit für das Koppelmedium automatisch korrigiert werden.

    3. Master Control Unit

    Bild 12: Master Control Unit MCU für die Inline-ERW-Rohrproduktion

    Die Master Control Unit (MCU) ist eine konfigurierbare Software mit Prozess-Interface zur Koordinierung des Prüfablaufes. Sie läuft mit der Ultraschall-Software UTxx auf dem gleichen Prüf-PC.

    Bild 12 zeigt die Hauptmaske der MCU, welche erstmals bei Opel in der Schweißlinie zur Fertigung von Rohren für Vorderradträger eingesetzt wurde. Dabei ist die MCU den Prüfsystemen Wirbelstrom und Schabungskontrolle sowie dem Messeinrichtungen für Stauchdruck und Schweißtemperatur übergeordnet.

    Während der vollautomatischen Prüfung werden auf der Hauptmaske die wichtigsten Informationen angezeigt:

    • im oberen Bereich werden Angaben zum Fertigungsauftrag sowie die Parametersätze der beteiligten Prüf- bzw. Meßsysteme ausgewählt
    • im mittleren Bereich werden die Prüfergebnisse und die Losstatistik dargestellt, wie z.B. Anzahl der geprüften Rohre, Aufteilung der Fehlerarten auf die aussortierten Rohre sowie deren jeweiligen Gesamtlängen
    • im unteren Bereich der Hauptmaske sind die Prüfstrecke und die detektierten Fehler sowie die aktuelle Schnittposition ortsgetreu grafisch dargestellt. Desweiteren werden dort die aktuellen Betriebszustände sowie die Fehlersignale der Prüf- bzw. Messeinrichtungen in Form von Alarmflags angezeigt.

    Von der MCU werden je Prüflos Einzelrohrgrafiken mit ortsgetreuer Fehleranzeige,

    ein Prüfprotokoll des gesamten Loses sowie ein Ergebnisprotokoll mit Fehlergrafik (Bild 13) zur Verfügung gestellt. Fehlerhafte Rohre erhalten in der alphanumerischen Rohrabschnittsgrafik einen Eintrag entsprechend der unten angegebenen Legende.

    Legende: O Aussenschabung + I Innenschabung + E EC Fehler
    o Aussenschabung - i Innenschabung - T Temperaturfehler
    . Ungeprüfter Abschnitt P Stauchdruckfehler X Mehrfachfehler
    Bild 13: Ergebnisprotokoll mit Fehlergrafik

    Bei der Produktionskontrolle von widerstandsgeschweißten Endlosrohren ist die MCU durch folgende wesentliche Funktionsmerkmale charakterisiert:

    • Erfassung und Visualisierung der Fehlersignale von den Prüfsystemen
    • ortsgetreue Makierung der Fehlerpositionen auf dem Rohr
    • Treffen der Entscheidung über die Sortierung des Rohres zu gut, schlecht oder Nacharbeit erst nach Erhalt des Sägeschnittsignals
    • Ermittlung der auf die Fehlerarten bezogenen Gesamtrohrlängen
    • Ausgabe von Prüfprotokollen einschließlich statistischer Auswertung.

    4 Erfahrungen bei der Ferndiagnose von Ultraschallprüfanlagen

    Mittels Datenfernübertragung und PC-Duo besteht die Möglichkeit sowohl bei der Inbetriebnahme als auch im Produktionseinsatz der Prüfanlage dem Personal vor Ort die notwendige Unterstützung zu geben. Neben der Vermeidung von Verzögerungen während der Inbetriebnahmephase sind es später vor allem die Reduzierung von Produktionsausfällen infolge Störungen, fehlerhafter Einstellung in den Setup-Menüs.

    Bild 14 zeigt eine übersicht von Möglichkeiten zur Ferndiagnose und Einflussnahme auf derartige Prüfanlagen.

    Bild 14: Ferndiagnose über Modem von US-Prüfeinrichtungen.

    Die Vielfalt dieser Diagnose- und Einflussmöglichkeiten läßt sich in die Hauptgruppen Prüfprozess und Prüfanlage aufteilen.

    Zum Prüfprozess gehören die Einstellung der Prüfparameter und die Analyse der Prüfergebnisse. Die Prüfanlage umfasst die Bereiche Prüfmechanik, Prüfelektronik und Prüfsoftware.

    Treten vor Ort Probleme auf, können diese z.B. ihre Ursache in der falschen Einstellung der Ultraschall-Prüfparameter haben. Während statische Einstellungen leicht zu kontrollieren sind, ist die Bewertung dynamischer Vorgänge aufgrund der begrenzten Datenübertagungsrate nur bedingt möglich. In Hinblick auf dynamische Einstellungen sind deshalb der Ferndiagnose derzeit noch Grenzen gesetzt. Durch die Verfügbarkeit der im Ultraschall-Oszilloskop von UTxx verfügbaren Envelope-Funktion, läßt sich die Hüllkurve des Ultraschallsignals einfrieren, so dass auch schnelle Ereignisse über die Modemverbindung analysiert werden können.

    Statischen Vorgaben zum Prüfablauf lassen sich hingegen problemlos überprüfen und anpassen. Ebenso ist die Ferndiagnose der Prüfergebnisse, welche als Rekorderschrieb, Fehlergrafik oder Losprotokoll vorliegen ohne weiteres möglich.

    In Bezug auf die Prüfanlage lassen sich Modifikationen der Steuerungssoftware, die überwachung von Antrieben und Temperaturverläufen in Bereichen der Prüfmechanik oder der Prüfelektronik leicht auswerten.

    Hinsichtlich des Prüf-PC können für diesen allgemeine Einstellungen vorgenommen und Ereignisprotokolle ausgewertet werden. Auch eine Analyse der protokollierten Netzspannung ist bei der Fehler- oder Störungssuche oftmals ein wichtiger Anhaltspunkt. Die richtige Funktionsweise der Prüfsoftware läßt sich anhand individueller Control- und Log-Files gut überprüfen. Das hat gegebenenfalls ein Update zur Folge, welches mittels Datenfernübertragung schnell in das Prüfsystem vor Ort überspielt werden kann.

    Anhand dieser vorgenannten Ferndiagnose- und Einflussnahmemöglichkeiten auf die im Produktionseinsatz befindliche Ultraschall-Prüfanlagen konnten seitdem das Inbetriebnahme- sowie auch das Bedienpersonals vor Ort sehr zielgerichtet und ohne nennenswerten Zeitverzug unterstützt werden, was wiederum zu einer Reduzierung von Inbetriebnahmezeiten, Produktionsausfällen und Reiseaufwendungen zu Folge hatte.

    STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net