DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Oberwellenanalyse bei der magnet-induktiven Wirbelstromprüfung in der Praxis

M. Maaß, J. Nehring
Kontakt: Dr.-Ing. Michael Maaß

Einleitung

FOERSTER MAGNATEST Prüfgeräte gelten als der weltweite Maßstab bei der magnet-induktiven Wirbelstromprüfung. Die technische Vorreiterstellung dokumentiert insbesondere die Oberwellenanalyse, welche FOERSTER weltweit erstmalig vor über 30 Jahren in MAGNATEST Prüfgeräten (QS, VRH, I) als neue Auswerteform einführte und nachfolgend mit dem MAGNATEST S weiter verfeinerte. 30 Jahre Serien- Erfahrung mit der Oberwellenanalyse zeigen deutlich das Potential dieses Auswerteverfahrens insbesondere zu Beschreibung von Härte-, Gefüge- und Festigkeitsveränderungen an Stahl.

Basierend auf dem Erfolg der Oberwellenanalyse in der industriellen Praxis war bei der Entwicklung des neuen digitalen MAGNATEST D, welches sich seit 4 Jahren im industriellen Serieneinsatz befindet, der weitere Ausbau des Potentials der Oberwellenanalyse eine wesentliche Zielvorgabe [1].

Dieser Beitrag erläutert die theoretischen Zusammenhänge der Oberwellenanalyse und zeigt aktuelle Anwendungsbeispiele aus der industriellen Praxis.

Grundlagen der magnet-induktiven Wirbelstromprüfung

Als magnet-induktive Prüfung wird die niederfrequente Wirbelstromprüfung bezeichnet. Diese ist generell an allen elektrisch leitfähigen Werkstoffen einsetzbar: z.B. Stahl, Aluminium, Messing, Kupfer, etc.. Während die mittel- und hochfrequente Wirbelstromprüfung vornehmlich zur Detektion von oberflächennahen Defekten (Rissen, Poren, Lunker, Fremdeinschlüsse, etc.) eingesetzt wird, liegt der Schwerpunkt der niederfrequenten Wirbelstromprüfung auf der Kontrolle von Materialqualitäten (Sortierung verschiedener Legierungen, die Bestimmung von Oberflächenhärte, Härtetiefe, Zugfestigkeit etc.).

Als Wirbelstromsensoren werden überwiegend Spulensysteme eingesetzt. Hierbei ist in der Regel eine Sendespule mit einer oder mehreren Empfangsspulen kombiniert. Generell existieren zwei verschiedene Ausführungen der Sensoren: Durchlauf- und Tastsensoren. Dabei erlauben die Tastsensoren eine hohe lokale Messpunktauflösung bei jedoch relativ geringen Magnetfeldern. Die in der Regel wesentlich größeren, das Bauteil umfassenden Durchlaufsensoren induzieren Wirbelströme in einem größeren Bauteilvolumen und ermöglichen eine leistungsstarke Wirbelstrominduktion im Inneren einer großen Sendespule. Diese Konfiguration kann sehr effektiv zur Oberwellenanregung in ferromagnetischen Materialien genutzt werden.

Theorie der Oberwellenanalyse

Der Werkstoffzustand (Legierung, Gefüge, Korngröße) bestimmt eindeutig die mechanisch technologischen Eigenschaften eines Bauteils (Härte, Festigkeit, Elastizität, etc.). Weil diese mechanisch technologischen Eigenschaften wesentlich die Funktionalität und Qualität eines Bauteils bestimmen, muss deren Einhaltung in engen Toleranzen durch produktionsbegleitende Prüfungen in der industriellen Fertigung sichergestellt werden. Hierzu werden konventionell verschiedene genormte, zerstörende Prüfungen wie die Aufnahme des Härtetiefenprofils nach Vickers oder Zugversuche eingesetzt.

Durch den Werkstoffzustand werden auch die magnetischen Eigenschaften ferromagnetischer Bauteile bestimmt, die durch Hysteresekurven beschrieben werden. Bild 1 zeigt die Hysteresekurven dreier unterschiedlicher Werkstoffe: oben dargestellt statisch aufgenomme Hysteresekurven, unten die Hysteresekurven aufgenommen im 50Hz Wechselfeld. Diese Darstellungen in Bild 1 zeigen exemplarisch, dass ein Werkstoff durch eine hinsichtlich Größe, Steilheit und Form typische Hystereskurve gekennzeichnet ist. Darüber hinaus ist im Vergleich von Bild 1 oben mit Bild 1 unten zu erkennen, dass sich diese Hysteresekurven abhängig vom Werkstoff bei unterschiedlichen Frequenzen der Magnetfeldänderungen unterschiedlich ausprägen.


Bild 1: Hysteresekurven verschiedener Werkstoffe (oben: statisch / unten: 50Hz)

Bild 2: Abbildung der Form der Hysteresekurve im Empfangssignal bei sinusförmiger Magnetfeldanregung in der Sendespule

Die in der Hysteresekurve enthaltene Information über den Werkstoff, ist die Grundlage für Korrelationen der magnet-induktiven Wirbelstrom- Messdaten mit mechanisch technologischen Bauteileigenschaften.

Zur möglichst vollständigen Auswertung der Information der Hysteresekurve (Größe, Steilheit und Form) - beschrieben durch die Parameter Sättigungsmagnetisierung, Remanenz, Koerzitivfeldstärke - mit der Wirbelstromprüfung, müssen von der Wirbelstromprüfspule möglichst starke Magnetfelder angeregt werden (das Magnetfeld einer Spule ist direkt proportional zum Spulenstrom). Abhängig von den Werkstoffen und den gesuchten Korrelationen ist dies eventuell mit unterschiedlichen Frequenzen durchzuführen um die in Bild 1 zu erkennende Frequenzabhängikeit ebenfalls gezielt auszuwerten.

Bild 2 veranschaulicht schematisch wie sich bei einer sehr starken sinusförmigen Magnetfeldanregung das Empfangssignal (der magnetische Fluss) aus Spiegelung an der Hysteresekurve ergibt. Aufgrund der Spiegelung der sinusförmigen Magnetfeldanregung (Bild 2 links unten) an der Hysteresekurve (Bild 2 links oben) ist das Bild 1: Hysteresekurven verschiedener Werkstoffe (oben: statisch / unten: 50Hz) Empfangssignal nicht mehr sinusförmig, sondern durch die nicht-lineare Form der Hysteresekurve "verzerrt" (Bild 2 rechts oben). Gerade diese "nicht sinusförmige Verzerrung" des Empfangssignals enthält die Form der Hysteresekurve und wertet somit die Information der Hysteresekurve über den Werkstoffzustand (Legierung, Gefüge, ...) aus. Dies bildet die Grundlage für Korrelationen mit mechanisch technologischen Bauteileigenschaften. Ein solches nicht sinusförmiges, periodisches Empfangssignal lässt sich über eine Fourierzerlegung in eine Reihe sinusförmiger Terme entwickeln, wobei nur ungeradzahlige Vielfache der Grundwelle (Frequenz ?t des Sendesignals) auftreten können (Bild 2 rechts). Diese ungeradzahligen Vielfachen der angeregten Grundwelle werden als Harmonische oder Oberwellen bezeichnet. Sie beschreiben die "Verzerrung" des Empfangssignals und folglich auch die Form der Hystereskurve.
Somit enthalten sie die wesentliche Informationen zum Aufbau von Korrelationen zwischen den Wirbelstromprüfergebnissen und mechanisch technologischen Eigenschaften. Die ungeradzahligen Vielfachen der angeregten Frequenz im Empfangssignal sollen im Folgenden als f3 (3-fache), f5 (5-fache), f7 (7-fache) etc. bezeichnet werden, wobei f1 für die Grundwelle (Anregungsfrequenz) steht.

In der Praxis ist der Einfluss der Hystereskurve auf das Empfangssignal der magnetinduktiven Wirbelstromprüfung allerdings vielschichtiger als in der schematischen Darstellung in Bild 2.

Dies hängt zum einen damit zusammen, dass es in der Regel nicht möglich ist mit Wirbelstromsensoren eine Magnetfeldstärke anzuregen die einen Werkstoff bis in die Sättigung aufmagnetisiert, und zum anderen nimmt mit zunehmender Bauteiltiefe die Magnetfeldstärke ab, so dass wir eine Überlagerung der Anzeigen mit maximaler Feldstärke aus dem oberflächennahen Bereich mit Anzeigen geringerer Feldstärke aus tieferen Bauteilbereichen haben. Bild 3 zeigt das an einem realen Bauteil aufgenommene Signal mit Oberwellen im Vergleich zu dem Grundwellensignal f1.


Bild 3: Beispiel aus der Praxis: Einfluss der Hysteresekurve auf das Empfangssignal

Die Zerlegung des Empfangssignals in die einzelnen Spektralanteile dokumentiert Bild 4. Es ist deutlich zu erkennen, dass mit zunehmender Oberwellenfrequenz die Amplituden geringer werden, welches in allgemeiner Form auch durch die Terme einer Fourierreihenzerlegung beschrieben wird. Durch die Auswertung dieser in Bild 4 beispielhaft dargestellten, an einem realen Bauteil gemessenen Oberwellen wird somit die in der Hysteresekurve enthaltene Information über den Werkstoffzustand (Legierung, Gefüge, Korngröße etc.) ausgewertet. Bauteiltoleranzen, Positioniereffekte oder Temperaturänderungen verändern nicht oder nur sehr geringfügig die Hysteresekurve, wodurch die Oberwellenauswertung im Unterschied zur Grundwellenauswertung sehr stabil gegen derartige Störeinflüsse ist.


Bild 4: Beispiel aus der Praxis: Fourieranalyse des Empfangssignals

Weil zudem Chargeneffekte die Hystereskurve deutlich weniger beeinflussen als Gefügeveränderungen (Härten), werden bei einer Oberwellenauswertung zur Beschreibung von Härte, Festigkeit etc. ebenfalls die Chargeneinflüsse stark unterdrückt.
Somit ist die Oberwellenanalyse eine ideale Auswerteform für eine sehr zuverlässige, gegen Störeinflüsse resistente Beschreibung von Gefügeveränderungen.

Magnet-induktive Prüfgeräte mit Oberwellenanalyse

Inwieweit Oberwellen, insbesondere höherer Ordnung, (f5, f7, f9, f11,...) überhaupt auswertbar sind, hängt im wesentlichen vom Prüfgerät ab. Ein Wirbelstromprüfgerät zur Oberwellenauswertung muss einen sehr leistungsstarken, verzerrungsfreien Signalverstärker zur Signalgenerierung aufweisen. Die zuvor theoretisch dargelegte Notwendigkeit eines starken Magnetfeldes (basierend auf einem hohen Sendespulenstrom) wird exemplarisch in Bild 5 durch einen an einem realen Bauteil aufgenommenen Messbefund dokumentiert.


Bild 5: Beispiel aus der Praxis: Oberwellenbefund abhängig von der Stromstärke des Sendesignals

Darüber hinaus ist eine präzise Fourierzerlegung des Empfangssignals wichtig, um mit einem guten Signal-Rausch-Verhältnis auch geringe Oberwellenamplituden noch auswerten zu können.

Nach den Erfahrungen mit den MAGNATEST QS, VRH, I mit der Auswertung der 3ten Oberwelle (f3) wurde daher das MAGNATEST S (Bild 6) bereits deutlich leistungsstärker und erlaubt eine Auswertung bis zur 7ten Oberwelle (f7). Basierend auf dem MAGNATEST S ist das MAGNATEST ECM speziell für automatisierte Produktionslinien entwickelt worden, es kann über die integrierte I/O Schnittstelle problemlos direkt an jede handelsübliche SPS angeschlossen werden. Das preisgünstige MAGNATEST ECM ist in der Auswertung auf eine einfache Gut/Schlecht Sortierung reduziert, seine Hardware jedoch baut auf dem hochwertigen Prüfkanal des MAGNATEST S auf.


Bild 6: MAGNATEST S

Bild 7: MAGNATEST ECM und ECM Leistungsverstärker

Auch die Funktion der Oberwellenauswertung ist bei dem MAGNATEST ECM als Standard vorhanden, allerdings steht - im Unterschied zum MAGNATEST S - die für die Oberwellenauswertung notwendige Ausgangsleistungsleistung bei dem MAGNATEST ECM erst in Kombination mit dem separaten MAGNATEST ECM Leistungsverstärker zur Verfügung (Bild 7).


Bild 8: MAGNATEST D

Das neue MAGNATEST D (Bild 8) mit einem nochmals deutlich verbesserten Leistungsverstärker sowie einer schnellen und genauen digitalen Signalverarbeitung, bietet eine Oberwellenauswertung bis hin zur 11ten Oberwelle (f11). 4 Jahre Erfahrungen im Markt bestätigen das Konzept des MAGNATSET D zur verbesserten Oberwellenauswertung: selbst Oberwellenamplituden kleiner als 1% der Amplitude des Grundwellensignals können zur Auswertung noch herangezogen werden. Die Effektivität dieser verbesserten Oberwellenauswertung beim MAGNATEST D wird in den im Folgenden gezeigten Beispielen mit dem MAGNATEST D in Produktionslinien deutlich.

Bei dem digitalen MAGNATEST D sind darüber hinaus alle bekannten Funktionen und Merkmale moderner PC- und Netzwerktechnologien sowie WINDOWSSoftwarefeatures (MAGNAWIN) implementiert (TFT-Farbmonitor, standardisierte Schnittstellen für Drucker etc., Datenspeicherung intern auf Harddisk und extern auf Floppy, ZIP, etc.). Die ebenfalls als Standard vorhandene universelle Netzwerkfähigkeit erlaubt die Anbindung des Messgerätes an QS-Systeme und insbesondere auch die Remote-Unterstützung für die on-line Hilfestellung beim Kunden. Einfache menügeführte Bedienstruktur und Prüfparameterverwaltung in Kombination mit der aus moderner Software bekannten icon-gestützten Funktionsauswahl ermöglichen eine intuitive Bedienbarkeit. Darüber hinaus gehören Datendokumentation gemäß ISO 9000 und integrierte Selbstsystemkontrolle für die Einbindung in automatische Prüfabläufe zur Standardausstattung.

Das für die externe Messdatenauswertung wichtigste Feature, ist die in der MAGNAWIN Software integrierte Remote-Schnittstelle. Über die integrierte Ethernet Schnittstelle können via TCP/IP die Messdaten von einem externen System - z.B. über einen übergeordneten Prozessrechner - ausgelesen, weiter verarbeitet und auch zur Steuerung nachfolgender Produktionsprozesse genutzt werden. Auch hierzu finden sich im Folgenden Anwendungsbeispiele.

Beispiel 1: On-line Härtekontrolle induktiv gehärteter Gleichlaufgelenke (GKN)

In einigen der weltweiten Produktionslinien von GKN, wo es um eine einfache Unterscheidung gehärtet ja/nein geht wird, wird an Stelle des MAGNATEST S das preisgünstige MAGNATEST ECM eingesetzt. Ohne Leistungsverstärker jedoch ist nur eine Auswertung der Grundwelle möglich, wo neben der zu kontrollierenden Härte auch Störeinflüsse durch Chargeneffekte, Positioniertoleranzen und falls vorhanden auch Temperaturunterschiede sichtbar werden. Dies führte in den GKN Produktionslinien zu dem Problem, dass nicht nur bei jeder neuen Geometrie (verschiedene Typen in der gleichen Linie), sondern auch bei jeder neuen Charge eine neue Kalibrierung durchgeführt werden musste. Dieser Vorgang ist nicht nur sehr aufwendig, er verhindert auch eine gleichbleibende, nachprüfbare Prüfempfindlichkeit und führte konsequenterweise bei Kundenaudits zu Nachfragen.


Bild 9: Härtekontrolle am Schaft
Bild 9 zeigt die Prüfsituation zur Härtekontrolle am Gleichlaufgelenk mit einer runden (35 mm Durchmesser) MAGNATEST NF Kurz-Prüfspule auf dem gehärteten Schaft. Aufgrund der Forderung eine robuste Kalibrierung aufzubauen, wurde von FOERSTER eine große Versuchsreihe an gehärteten und ungehärteten Gleichlaufgelenken unterschiedlicher Chargen aus einer französischen GKN Produktionslinie durchgeführt.

Ziel war es, eine vom Chargeneinfluss unabhängige Kalibrierung aufzubauen. Hierzu wurden die Prüfergebnisse aus 3 unterschiedlichen Gerätekonfigurationen (MAGNATEST ECM ohne + mit Leistungsverstärker, MAGNATEST D) bewertet. Alle Geräte erlauben es verschiedene Kalibrierungen abzuspeichern, so dass für jeden Bauteiltyp in der Produktionslinie (insgesamt 14 verschiedene Geometrien) eine feste Kalibrierung erstellt und im Prüfgerät gespeichert werden kann. Die unterschiedlichen Bauteilgeometrien führen dazu, dass im relevanten Prüfbereich, dem Schaft, Durchmesservariationen von 23 mm bis 28 mm vorliegen. Um den Aufwand für die Erstellung von 14 Kalibrierungen zu reduzieren, war darüber hinausgehend die Fragestellung zu klären, inwieweit es möglich ist sogar mit nur einer einzigen Kalibrierung eine sichere Trennung gehärtet/ungehärtet zu realisieren. Daher wurden in die Untersuchungen auch Bauteile mit unterschiedlichen Schaftdurchmessern von 23 mm und 28 mm (jeweils aus unterschiedlichen Chargen) mit einbezogen.

In Bild 10 dargestellt sind die Messbefunde mit dem MAGNATEST ECM, oben die Auswertung der Grundwelle (Prüffrequenz 128 Hz) und unten der 5ten Oberwelle f5.


Bild 10:
Härtekontrolle mit dem MAGNATEST ECM

Bild 11:
Härtekontrolle mit dem MAGNATEST ECM + Leistungsverstärker

Bild 12:
Härtekontrolle mit dem MAGNATEST D

Die Dokumentation der Messergebnisse des MAGNATEST ECM erfolgt über die zum ECM optional erhältliche FOERSTER PC Software EddyWin, die auch bei GKN weltweit eingesetzt wird. Wie zu erwarten, liefert bereits die Grundwellenauswertung (Bild 10 oben) eine deutliche Trennung zwischen gehärtet und ungehärtet, jedoch nur bezogen auf einen Bauteildurchmesser. Der Störeinfluss der unterschiedlichen Bauteildurchmesser ist in vergleichbarer Größenordnung wie der Härte-Messeinfluss. Die Oberwellenauswertung (Bild 10 unten) ist aufgrund der zu geringen Ausgangsleistung nicht möglich.

Bereits ein deutlich verbessertes Prüfergebnis liefert die Kombination des MAGNATEST ECM mit dem Leistungsverstärker (Bild 11). Selbst in Bezug auf die Grundwellenauswertung mit 128 Hz (Bild 11 oben) macht sich der Einfluss des stärkeren Leistungsausgangs bereits positiv bemerkbar (im Vergleich zu Bild 10 oben). Jedoch sind hierbei die Störeinflüsse zu groß um eine von den unterschiedlichen Bauteilgeometrien unabhängige, sichere Trennung nach gehärtet / ungehärtet durchführen zu können. Auch innerhalb einer der Gruppen von Teilen des gleichen Gefügezustandes (gehärtet oder ungehärtet) und der gleichen Geometrie (23 mm oder 28 mm Schaftdurchmesser) ist eine Streuung der Messpunkte längs einer geraden Linie zu erkennen: typisch für eine systematische Einflussgröße. In diesem Fall handelt es sich um eine Störeinflusskombination aus Chargen- und Positioniereffekten. Eine deutlich bessere Trennung wird durch die Oberwellenauswertung (128 Hz, f5) erreicht, ermöglicht durch Einsatz des Leistungsverstärkers (Bild 11 unten).

Mit Hilfe des bei der Software EddyWin wahlweise zur Verfügung stehenden elliptischen Auswertebereichs, kann eine klare Trennung gehärtet / ungehärtet sogar trotz deutlich unterschiedlicher Bauteilgeometrien erreicht werden. Auffällig sind hier insbesondere die stark reduzierten Störeinflüsse durch Positionier- und Chargeneffekte.
Bild 12 dokumentiert die deutliche Verbesserung in der Oberwellenauswertung durch das MAGNATEST D. Insbesondere die Oberwellenauswertung 128 Hz f5 (Bild 12 links unten) zeigt eine sehr deutliche Trennung zwischen gehärtet und ungehärtet bei gleichzeitig völliger Unterdrückung aller Störeinflüsse: Chargen-, Positioniereffekt und der Einfluss durch unterschiedliche Bauteiltypen sind nicht mehr zu erkennen.

Beispiel 2: Einhärtetiefenbestimmung an karbonnitierten Bauteilen (SCANIA)

Ziel des Einsatzes des MAGNATEST D bei SCANIA (Schweden) war es eine Zeit und Aufwandersparnis bei der Einhärtetiefenbestimmung an Kontrollstäben zu realisieren. Diese zylindrischen Kontrollstäbe kommen aus der gleichen Charge wie die zu härtenden Bauteikomponenten (z.B. Kurbelwellen). Sie werden diesen im Härteprozesses beigefügt und an Stelle der Bauteilkomponenten später zur Aufnahme des Einhärtetiefenprofils nach Vickers zerstört. Status der alten Vorgehensweise bei SCANIA war die zerstörende Aufnahme des Einhärtetiefenprofils an 175 Kontrollstäben wöchentlich. Mit Hilfe des MAGNATEST D wird jetzt an 175 Kontrollproben wöchentlich die Einhärtetiefe kontrolliert und nur noch 10 Kontrollproben werden zerstörend untersucht. Bild 13 zeigt die MAGNATEST D Ergebnisse im Vergleich zu den Einhärtetiefen nach Vickers an Kontrollproben aus unterschiedlichen Chargen im Laufe eines Monats.


Bild 13: Einhärtetiefe im Vergleich: Zerstörend (schwarz) ↔ MAGNATEST D Oberwellenauswertung 64 Hz, f3 (grün-grau)

Die Auswertung wird bei SCANIA durch einen übergeordneten Rechner im Prüflabor durchgeführt. Dazu liest SCANIA die Messdaten über die Remote-Schnittstelle via TCP/IP vom MAGNATEST D aus. Die Korrelation zu den Einhärtetiefenwerten mit dem MAGNATEST D errechnet SCANIA über eine einfache 1-dimensionale, lineare Regression mit den Messwerten aus der 3ten Oberwelle von 64 Hz (64Hz f3).

Die Korrelation wurde für einen Einhärtetiefenbereich von 0,5 mm bis 1,8 mm aufgebaut. Die Standardabweichung s beträgt in diesem Bereich 0,12 mm. Die weiterhin reduziert an nur noch 10 Kontrollproben pro Woche durchgeführte zerstörende Bestimmung des Einhärtetiefenprofils nach Vickers wird genutzt um in kontinuierlichen Abständen die zerstörungsfreien Prüfergebnisse durch zerstörende Untersuchungen gegenzuprüfen. Somit ist sichergestellt, dass die Bedingungen die der aufgebauten Korrelation zu Grunde liegen noch unverändert gültig sind.

Beispiel 3: Bestimmung mechanisch-technologischer Eigenschaften an Stahl

Ziel war die Entwicklung eines Systems, das integriert in die Produktionslinie bei STEELTECH (Schweiz) die mechanisch-technologischen Eigenschaften von Stangenmaterial (Streckgrenze, Bruchfestigkeit, Dehnung) mit ausreichender Genauigkeit, reproduzierbar und zerstörungsfrei bestimmt. Damit werden die üblichen Zugversuche (3 Zugversuche für jede neue Charge) ersetzt und somit Zeit, Kosten und Aufwand eingespart.

Es wurde ein Messsystem zur Prüfung unterschiedlicher Stangendurchmesser (von 15 mm bis 85 mm) und unterschiedlicher Materialien (C35, ETG 100) aufgebaut und bei STEELTECH installiert, basierend auf dem MAGNATEST D mit einer MAGNATEST NF Kurz-Prüfspule, Bild 14.

Bild 14: Installation der nicht-linearen, mehrdimensionalen Obwellenauswertung mit dem MAGNATEST D in der Produktionslinie bei STEELTECH

Die Auswertung wird bei STEETECH durch einen übergeordneten Auswerterechner durchgeführt, der die Messdaten vom MAGNATEST D über die Remote-Schnittstelle via TCP/IP ausliest. Der Messrechner ist zusammen mit dem MAGNATEST D in dem auf der rechten Seite zu erkennenden Geräteschrank installiert, Bild 14. Neben den Messdaten des MAGNATEST D liest der Auswerterechner auch weitere Messgrößen wie den Stangendurchmesser (Laser-Scan-Mikrometer von KEYENCE) und bei Bedarf auch die Stangentemperatur ein.

Die Entwicklung der Auswertesoftware "3R-TQC" sowie die Installation bei STEELTECH wurde von dem Institut für virtuelle Produktion der ETH Zürich durchgeführt, [2]. Neben der breiten Produktpalette (Stangendurchmesser, -materialien) wurde bei der Entwicklung der Auswertesoftware insbesondere auf einen weitgehend automatisierten Prozess ohne die Notwendigkeit manueller Eingaben bei der Kalibrierung und im Serienbetrieb geachtet. Folgende Schritte sind allgemein notwendig zum Start und Einsatz des Systems "3R-TQC" bei einer neuen Prüfaufgabenstellung:

  • Aufgabenspezifische Vorgabe von 24 Parametersätzen im MAGNATEST D
  • Aufgabenspezifische Vorauswahl von Modelleigenschaften in "3R-TQC" (Multiple Regression, Neuronales Netz, ...)
  • Automatische Auswahl der Messparameter (MAGNATEST), i.d.Regel Reduzierung auf 4 ... 6 Parametersätze. Redundante Informationen sind generell bei Signalauswertungen zu vermeiden, da sie nur die Messunsicherheit erhöhen. Der generelle (präventive) Einsatz einer Mehrfrequenzprüfung ist daher nicht sinnvoll.
  • Automatische Ermittlung der Modellkoeffizienten (3R-TQC)
  • Automatisches Training des Auswertemodells
  • Automatische adaptive Kontrolle der Trainingsmenge

Die mit der Konfiguration MAGNATEST D / "3R-TQC" erreichte Genauigkeit dokumentiert Bild 15 anhand von Testdaten (Bauteile die nicht zuvor zum Training / Kalibrieren des Modells verwendet wurden) aus verschiedenen Chargen bei der Bestimmung der Streckgrenze.


Bild 15: Bestimmung der Streckgrenze im Vergleich: Zugversuch (blau/grau) ↔ MAGNATEST D mit "3R-TQC" Mehrfrequenz-Oberwellenauswertung (rot/schwarz)

Einen zusammenfassenden Überblick zu dem "Status Quo" der erzielten Genauigkeiten bei der Bestimmung der unterschiedlichen mechanisch technologischen Eigenschaften der Stangen (Streckgrenze Rp, Bruchfestigkeit Rm, Gleichmaßdehnung Ag, Bruchdehnung A) gibt Bild 16.
Hierbei wurde die Genauigkeit der aus den MAGNATEST D Daten berechneten Werte (DWS) in Relation gestellt zu den Streuungen der mechanisch-technologischen Eigenschaften aufgrund der unterschiedlichen Chargen (ZV). ZV beinhaltet die Streuungen innerhalb einer Charge, die Streuungen zwischen verschiedenen Chargen sowie die Ungenauigkeit des Zugversuchs. ?WS ist die Differenz zwischen dem Messwert aus dem Zugversuch und dem vom System "3R-TQC" aus den Wirbelstrommessdaten berechnetem Wert. DWS beinhaltet die Ungenauigkeit der Wirbelstrommessdaten, die Ungenauigkeit des mathematischen Modells sowie die Ungenauigkeit des Zugversuchs. W ist das Verhältnis von ZV zu DWS.


Bild 16: Genauigkeit der Bestimmung mechanisch-technologischen Eigenschaften

Zusammenfassung

  • Die Oberwellenauswertung wurde im MAGNATEST D weiter ausgebaut (leistungsstarke Anregung + präzise digitale Signalverarbeitung), ein Konzept, welches in der Praxis durch eine deutlich bessere Härteprüfung bestätigt wird. Die Oberwellenauswertung mit dem MAGNATEST D ermöglicht eine zuverlässige Kalibrierung für die Härtekontrolle; robust gegen Charge-, Geometrie-, Positions-, und Temperatureinflüsse
  • Über die Auswertung der Oberwellen des MAGNATEST D lassen sich mit einer 1-dimenstionalen linearen Regression direkt die Einhärtetiefen ableiten. Dank an SCANIA/Schweden für die zur Verfügung gestellten Praxisresultate.
  • Die Oberwellenauswertung mit dem MAGNATEST D liefert die geeignete Plattform für übergeordnete (via TCP/IP) Regressionsanalysen zur Festigkeitsbestimmung an Stahl: Dank an ETH Zürich - IVP für die Unterlagen.

Literatur

  1. Maaß, M.; Jahnel, W.; Nehring, J.; Sievers, D.: Status der magnet-induktiven Prüfung zum Jahrtausendwechsel - Potential der Digitaltechnik in der industriellen Anwendung; Deutsche Gesellschaft für Zerstörungsfreie Materialprüfung, Jahrestagung 2000, Innsbruck 29.-31. Mai 2000, Berichtsband 73-Band 1, S. 289-298.
  2. Ruzovic, Ma.; Ruzovic, Mi.; Reissner, J: Garantierte Qualität mit Hilfe von 3R-TQC und 3R-AQC; Tagung Werkstoffprüfung 2003, Bad Neuenahr-Ahrweilen 04.-05. Dezember 2003, S. 257-263

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net