DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Zerstörungsfreie Online-Prüfungen als Qualitätssichernde Maßnahmen bei der Produktion von Feinblech

G. Westkämper Salzgitter Flachstahl GmbH
Dr. J. Kroos Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH Dr. M.
Stolzenberg Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH

Kontakt: Dr. rer.nat. Mathias Stolzenberg

Feinblech ist ein wichtiges Produkt der Stahlindustrie und wird in den unterschiedlichsten Bereichen direkt, oberflächenveredelt oder beschichtet eingesetzt. Zur Erfüllung der stetig steigenden Kundenanforderungen an die Feinblechqualität werden verstärkt Prüfmethoden benötigt, die online und somit zerstörungsfrei den Produktionsprozess überwachen und steuern. Um das Produkt vollständig zu charakterisieren sind Oberflächenfehler, Mikrostruktur bzw. Rauheit der Oberfläche, Materialeigenschaften wie Zugfestigkeit und Streckgrenze und interne Fehler wie Materialtrennungen oder Einschlüsse zu erfassen. Eine Reihe von zerstörungsfreien Meßmethoden, die hierfür gegenwärtig entwickelt werden oder sich bereits im Einsatz befinden, werden in diesem Übersichtsvortrag vorgestellt und beschrieben.

Technische Maßnahmen der Qualitätssicherung am Feinblech und beschichteten Band betreffen die Oberfläche makroskopisch und mikroskopisch, die Beschichtung, die technologischen Eigenschaften wie z.B. Streckgrenze und Zugfestigkeit sowie innere und äußere Fehler. Zusätzlich ist auch der Einfluß der Werkzeuge und Einsatzmaterialien auf das Produkt zu berücksichtigen. Dies erfordert eine umfassende Produktcharakterisierung, die möglichst online während der Produktion erfolgen soll (Bild 1).


Bild 1:Materialcharakterisierung

Konventionell erfolgt die Charakterisierung weitgehend an Materialproben, die aus dem Band entnommen und separat geprüft werden. Dies ist ein zeitaufwendiges Verfahren, bei dem die Ergebnisse mit erheblichem Zeitverzug vorliegen und daher nur noch sehr eingeschränkt zur Prozessführung genutzt werden können. Überdies liefert diese Vorgehensweise nur punktuelle Informationen meist über den Anfang und das Ende des Bandes. Eine Alternative bieten zerstörungsfreie online Messverfahren, die Informationen über die gesamte Bandlänge erfassen und daher kurzfristige Reaktionen auf Prozessunregelmäßigkeiten ermöglichen. Im Folgenden sollen einige Beispiele für zerstörungsfreie Online-Messverfahren vorgestellt werden, die bei der Salzgitter Flachstahl GmbH bereits jetzt oder in naher Zukunft zum Einsatz kommen.

Geeignete Methoden zur Feststellung von Oberflächenfehlern sind gegenwärtig optische Methoden, d.h. die Betrachtung der Bandoberfläche mit Kameras und anschließender Auswertung durch online Bildauswertungsverfahren. Beschichtungen und Beläge können ebenfalls durch optische, aber auch durch radiometrische und elektromagnetische Verfahren überprüft werden. Die Rauheit der Oberfläche wird gegenwärtig mit Laserstrahlen durch Abtastung oder Messung des Streulichtes aber auch durch Beugungsmethoden online erfasst. Für innere Fehler sind Volumenprüfmethoden wie Ultraschall oder, eingeschränkt aufgrund der Strahlenschutzproblematik, Durchstrahlungsmethoden geeignet. Das Problem der Ultraschallprüfung liegt in der geforderten berührungslosen Ankopplung. Für die Messung der Eigenspannung und der technologischen Kenngrößen haben sich in der len Zeit elektromagnetische Verfahren als sehr geeignet herausgestellt.

Oberflächensauberkeit


Bild 2:
Kontrolle auf Oberflächenverschmutzung

Zur Kontrolle der Sauberkeit der Oberflächen wird das Reflektionsvermögen gemessen. Hierzu wird ein Lichtstrahl auf die Oberfläche projiziert und aus dem Verhältnis zwischen reflektiertem und eingestrahltem Licht der Reflektionsgrad bestimmt. Dieses Verfahren wird vor der Reinigungsstufe einer Feuerverzinkung eingesetzt und dient zur Steuerung der Reinigungsstufe bzw. der Ofenstrecke (Bild 2). Durch Vergleich mit einem Pyrometersignal am Ende der Ofenstrecke können nicht entfernte Verschmutzungen (Pfeile) registriert und Gegenmaßnahmen eingeleitet werden.

Oberflächeninspektion

Zur Online-Kontrolle auf Oberflächenfehler werden gegenwärtig Kamerasysteme mit speziellen Beleuchtungseinrichtungen eingesetzt. Gegenwärtig sind unterschiedliche Systemtypen auf dem Markt, die mit Zeilenkameras, Matrixkameras oder beiden arbeiten (Bild 3).


Bild 3:
Inspektionssysteme

Da aufgrund der hohen Datenmenge nicht die gesamte Bandoberfläche als Bild gespeichert werden kann, werden verdächtige Bereiche durch charakteristische Kontraständerungen gesucht und nur der entsprechende Bereich zur weiteren Verarbeitung gespeichert. Diese erfolgt nach Korrektur des Signalhintergrundes über Schwellwerte, dabei sind sowohl absolute Schwellen als auch an das aktuelle Signal adaptierte in Gebrauch. Zur Erkennung von Streifen und Fehlern mit geringem Kontrast werden weitere spezielle Filter und Schwellwertmechanismen angewandt.

Die verdächtigen Bildbereiche werden hinsichtlich ihrer geometrischen Form und Helligkeitswerte untersucht. Hieraus ergeben sich Kennwerte anhand derer die erfassten Bildbereiche bestimmten Fehlertypen zugeordnet werden können. Hierbei werden nur die durch Schwellwertüber- und - unterschreitungen erfassten Bildpunkte berücksichtigt. Nachteil aller Schwellwertmethoden zur Fehlererfassung ist daher die mögliche Verfälschung interner Strukturmerkmale des Fehlers. Morphologische Methoden zur Erfassung der Fehlerstruktur sind gegenwärtig aufgrund der benötigten sehr hohen Rechenleistung nur in geringem Umfang im Einsatz. Hier jedoch liegt großes Potential zur Verbesserung der Systeme.

Die Fehler werden in einer Datenbank gespeichert und sind zur Bewertung des Produktes jederzeit abrufbar. Automatisierte Bewertungen und Ausgabe von Vorschlägen zur weiteren Verwendung sind gegenwärtig nur in begrenztem Umfang realisiert. Zur Zeit werden automatisierte Inspektionssysteme zur Unterstützung der Bandinspekteure eingesetzt und sind noch nicht in der Lage diese komplett zu ersetzen.

Rauheitsmessung

Die Mikrostruktur einer Bandoberfläche hat entscheidenden Einfluss auf die Lackierbarkeit und Umformbarkeit des Materials. Daher ist es wichtig, die Mikrostruktur eines Bandes so genau wie möglich zu erfassen. Wichtig für die Lackierfähigkeit ist beispielsweise die Spitzenzahl, während für die Umformung der Bildung von Schmiertaschen auf der Oberfläche entscheidende Bedeu tung zukommt. Beim gegenwärtig zur Freigabe verwendeten Tastschnittverfahren an Proben wird die Rauheit nur entlang einer Linie durch mechanische Abtastung auf kurzen Strecken im Millimeterbereich bestimmt, so dass wichtige Oberflächenkenngrößen gar nicht erfasst werden.


Bild 4:
Messung der Rauheit

Auch zur online Messung der Rauheit werden gegenwärtig optische Methoden eingesetzt, die mikroskopische Kontur der Oberfläche entlang einer Linie nachbilden. Hierzu wird ein scharf fokussierter Laserstrahl (Ø5-10µm) auf die Oberfläche gestrahlt und entweder der Streulichtbereich oder der Winkel der maximal reflektierten Intensität ausgewertet. Kleine Winkeländerungen als Maß für die Änderung der lokalen Orientierung der Oberfläche werden durch speziell konstruierte Optiken verstärkt und zur Nachbildung der Oberflächenrauheit entlang der abgetasteten Linie benutzt. Hieraus können dann die genormten Rauheitskennwerte bestimmt werden. Das Verfahren simuliert das an Proben übliche Tastschnittverfahren(Bild 4).

Eine online Erfassung der dreidimensionalen Oberflächenstruktur ist gegenwärtig Gegenstand von Entwicklungsprojekten. Hierzu werden online erfasste Mikroskopbilder der Oberfläche mit in das Bild projizierten Linien ausgewertet und zur Erstellung eines dreidimensionalen Höhenlinienbildes benutzt. Ergebnis ist eine Höhenlinien-Karte eines kleinen Oberflächenausschnitts (ca. 1mm2) der die Rauheit des Bandes repräsentiert.

Mechanische Kenngrößen

Die mechanischen Kenngrößen können auf unterschiedlichen Arten ermittelt werden. Gegenwärtig werden bei einigen Stahlproduzenten elektromagnetische Prüfverfahren eingesetzt. Hierzu werden Spulensysteme in die Nähe des Bandes gebracht und die Hysteresekurve des Materials vollständig oder teilweise erfasst. Durch harmonischen Analyse, Messung der differentiellen Permeabilität oder der Remanenz können dann eine Reihe von unabhängigen Messgrößen bestimmt werden, die mit linearer Regression auf die mechanischen Kennwerte bezogen werden. In beiden Feuerverzinkungsanlagen der Salzgitter Flachstahl GmbH befinden sich gegenwärtig Meßsysteme für die Harmonischen Analyse , die eine sehr gute Übereinstimmung mit den zerstörend gemessenen Werten von Rp02 und Rm liefern (Bild 5)

Auch in den einzelnen zur Regression verwendeten Messgrößen sind Informationen enthalten,die beispielsweise zur Erkennung von Grobkornbildung in Ofenstrecken genutzt werden können(Bild 6).


Bild 5:
Messsystem für Harmonischen Analyse, ERgebnisse

Bild 6:
Gefügeüberwachung

Bild 7:
Bestimmung der Eigenspannungen zerstörend und zerstörungsfrei

Die zerstörungsfreie Messung von Eigenspannungen verwendet ebenfalls elektromagnetische Verfahren, die jedoch eine größere Aussteuerung der Hysteresekurve benötigen als die Harmonischen Analyse. Auch Barkhausen Rauschen ergibt wichtige Kennwerte zur Bestimmungder Eigenspannungen. Ein Vergleich der Verwerfung von Streifen, die aus Warmbandproben geschnitten wurden und den vorher zerstörungsfrei ermittelten Eigenspannungswerten zeigt gute Übereinstimmung (Bild 7). Gegenwärtig wird versucht, die Eigenspannungen auch online in einer Produktionslinie zu messen um anhand der Messwerte Richtanlagen einzustellen oder Kühlverfahren zu optimieren.

Die Erfahrungen mit elektromagnetischen Meßmethoden zur zerstörungsfreien Bestimmung der mechanisch technologischen Kennwerte und der Eigenspannungen zeigen, dass diese gegenüber der konventionellen Probennahme eine Reihe von Vorteilen bieten. Die Messwerte erfassen das Band in gesamter Länge, sind online verfügbar und können somit zur online Qualitätskontrolle und zur Prozessregelung genutzt werden.

Zur Bestimmung der Kennwerte aus den Messwerten müssen jedoch, da bisher noch keine theoretischen Zusammenhänge zwischen den mechanischen und magnetischen Kenngrößenhergeleitet sind, empirisch ermittelte Zusammenhänge verwendet werden. Hierzu wird die mehrdimensionale lineare Regression zur Korrelation der Messwerte mit den zerstörend ertelten Sollwerten genutzt. Zur Bestimmung der Regressionspolynome müssen ähnliche Materialien zu Güte und Dickengruppen zusammengefasst werden, damit sich bei der Berechnung des jeweiligen Kennwertes (Rm, Rp02) eine möglichst geringe Standardabweichung zu den zerstörend ermittelten Werten ergibt.

Innere Fehlstellen

Zur Ermittlung von inneren Fehlstellen wie Trennungen, einzelnen Einschlüssen oder Ein schlusszeilen im Band werden gegenwärtig Streuflussmethoden oder Ultraschall Oberflächenwellen bzw. Plattenwellen eingesetzt. Die Steuflussmessung ist nur für sehr dünnes Material (Dicke < 1mm) verwendbar und hat den Nachteil, dass mit einer Vielzahl von Sensoren gemessen wird, die in großer Nähe zur Bandoberfläche angeordnet sind. Daher beschränkt sich der Einsatzbereich gegenwärtig auf wenige Anwendungen für Verpackungsmaterial, z. B. Getränkedosen, in der Lebensmittelindustrie.

Für größere Banddicken bis zu 6mm, wie sie beispielsweise im gebeizten Warmband üblich sind, ist daher eine Prüfung mit Ultraschall-Plattenwellen gut geeignet. Problematisch ist hier die Ein- und Auskopplung des Signals, da möglichst auf Koppelmittel verzichtet werden soll (Bild 8).

Gegenwärtig in der Produktion eingesetzte Anlagen arbeiten mit "Sperry Wheels", flüssigkeitsgefüllten Gummirädern, in denen ein Ultraschall-Prüfkopf so angeordnet ist, dass durch Ankopplung über die Reifenlauffläche Ultraschall-Plattenwellen im Material erzeugt werden. In Entwicklung sind Anlagen, die mit elektromagnetischen Prüfköpfen Plattenwellen erzeugen und daher ohne Kontakt zum Werkstoff auskommen. Durch Fortschritte im Prüfkopfdesign, bei den verwendeten Materialien und in der Sende/Empfangselektronik werden diese Systeme in naher Zukunft einsatzfähig sein.


Bild 8: Innenfehler-Prüfung

Werkzeuge und Einsatzmaterialien

Zur Gewährleistung einer hohen Produktionsqualität ist es wichtig, auch die Werkzeuge und Einsatzmaterialien zu betrachten. Als Beispiel für ein Produktionswerkzeug kann eine Walze betrachtet werden, mit der das Material kalt- oder warm verformt wird. Hat diese Walze Risse, so kann die Oberfläche durch Ausbrüche beschädigt werden, die sich auf das Band übertragen. Aufhärtungen auf der Walze durch Stöße oder lokale Überlastung kann zu Abdrücken von wenigen 1/100 mm Tiefe führen, die aber durch Lackschichten einwandfrei sichtbar und deshalb bei hochwertigen Oberflächen, beispielsweise bei PKW-Außenteilen, nicht akzeptabel sind. Daher ist es notwendig Walzen vor dem Einsatz in einer Walzkampagne auf Freiheit von Rissen und Beschädigungen zu überprüfen. Hierzu sind zerstörungsfreie Prüfanlagen mit Wirbelstromsensoren, z.T kombiniert mit Ultraschallprüfverfahren auf innere Fehler im Einsatz. Durch diese Anlagen (Bild 9) können Schäden an den Produktionseinrichtungen und Produkten, wie die Erfahrungen bei Salzgitter Flachstahl zeigen, wirksam verhindert werden.


Bild 9:
Walzenprüfanlage

Bild 10:
Überprüfung auf Radioaktivität

Als Beispiel für die Überprüfung der Einsatzmateralien ist die Kontrolle der Stahlwerksproben auf Radioaktivität zu sehen. Hierbei wird jede Stahlwerksprobe mit einem ?-Spektrometer auf eine eventuelle radioaktive Kontamination überwacht. Weiterhin werden die angelieferten Schrottgebinde bei Anlieferung durch Radioaktivitätsdetektoren überprüft um Kontamination durch eventuell verborgenes radioaktives Material zu verhindern. (Bild 10)

Ausblick

Ein wichtiger Grund für die vermehrte Anwendung zerstörungsfreier online Prüfverfahren ist der Wunsch, das Material schon während der Produktion so genau wie möglich zu charakterisieren. Dadurch wird es möglich, einerseits auf störungsbedingte Materialveränderungen gezielt durch Nachführung der Produktionsprozesse zu reagieren. Andererseits bietet die Fülle von hochaufgelösten Messwerten über die gesamte Bandlänge hervorragende Möglichkeiten zur Vorhersage von Produkteigenschaften, verbesserten Modellbildung und gezielten Produktionslenkung. Darüber hinaus können durch "Datamining" Methoden mit statistischen Auswertungen die Auswirkungen spezieller Anlagenzustände auf die Produkteigenschaften untersucht werden. Hieraus ergeben sich in der Regel wesentliche Hinweise zur Verbesserung der Produktionsprozesse. Daher erfordert die Erfüllung der zukünftigen Aufgaben einen verstärkten Einsatz von online-fähigen zerstörungsfreien Prüfverfahren. Das dies ein weites Spektrum beinhaltet sollte mit diesem Bericht aufgezeigt werden.

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net