DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Zerstörungsfreie Prüfung von Blankstahlprodukten

Manuskript Autor: Josef Maier Böhler Edelstahl GmbH A8605 Kapfenberg
Kontakt: Ing. Josef Maier

Die Firma Böhler gehört weltweit zu den bedeutendsten Herstellern von Schnellarbeitsstählen, Werkzeugstählen für die Kaltumformung, die Druck- und Strangpressindustrie sowie die Kunststoffformgebung. Einen weiteren Schwerpunkt bilden die Sonderwerkstoffe für die Luft- und Raumfahrt, Energietechnik, Automobilindustrie, Offshore- sowie Chemische Industrie. Dabei konzentriert sich BÖHLER auf hoch- und höchstbeanspruchte Werkstoffanforderungen. Neben der schmelzmetallurgischen Werkstoffkompetenz verfügt BÖHLER auch weltweit über einzigartige Umform- und Weiterverarbeitungsanlagen, um so dem Kunden maßgeschneiderte Werkstoffe speziell in Hinsicht auf Toleranz und Oberflächenausführung bieten zu können.
Um die Anforderungen hinsichtlich Fehlerfreiheit bei Walzprodukten aus Werkzeugstahl und Schnellarbeitsstahl, für die Fertigung von höchstbeanspruchten Werkzeugen, Formen u. a. Produkten, sowie Sonderwerkstoffen (z.B. für Luftfahrt-, Energie- und Automobilindustrie) zu erfüllen, ist es für BÖHLER erforderlich, diese Produkte schnell (in Produktionsgeschwindigkeit, wenn möglich direkt im Produktionsfluss), zuverlässig (100% und automatisiert) und je nach Anforderung mit höchstmöglicher Empfindlichkeit auf Oberflächen- und Innenfehler zu prüfen.

BÖHLER produziert:

Blankstahlprodukte > ø 13 mm durch Walzen von Stäben, Richten, Schälen, Prägepolieren in Toleranzen von ISO Toleranz IT 9 und größer bzw. Walzen, Richten, Schälen, Präge-polieren und Schleifen in Toleranzen von ISO Toleranz IT 7 und größer.

Blankstahlprodukte < ø 13 mm werden über Walzen von Ringen, Kalibrieren (Richten), Ablängen und Schleifen bis ISO Toleranz IT 7 gefertigt.

An Blankstahlprodukten garantiert BÖHLER seinen Kunden eine entkohlungsfreie und annähernd fehlerfreie Oberfläche.

Die Wirbelstromprüfung bietet sich als zerstörungsfreies Oberflächenrissprüfverfahren von Blankstahlprodukten an. In sogenannten Prüf- und Adjustagelinien werden die klassischen Wirbelstromprüfverfahren, Durchlaufspulenprüfung und Prüfung mit rotierenden Sonden, betrieben im Differenzverfahren mit Selbstvergleich, eingesetzt.

Beispiel: Prüf- und Adjustagelinie 4 für Abmessungen ø 12,5 - 40 mm

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Um einen optimalen Durchlauf der Stäbe durch das Prüfsystem zu gewährleisten sind die Wirbelstromdurchlaufspule und der Rotierkopf auf einem hydraulisch höhenverstellbaren Prüftisch montiert. Die Höheneinstellung des Prüftisches sowie die Positionierung der dreifach Treiberrollen zwischen den einzelnen Prüfsystemen erfolgt automatisch. Durch die damit gewährleistete zentrische, stoß- und vibrationsfreie Führung sind optimale Voraussetzungen für das Auffinden kleinster Oberflächenfehler gegeben.
Geprüft wird im Online-Betrieb mit der davor liegenden Schälmaschine und Prägepoliermaschine. Zusätzlich ist die Anlage mit einem Bündellader und einer Stabstahlvereinzelung ausgeführt, sodass in Sonderfällen Nachprüfungen ganzer Lose offline durchgeführt werden können.
Auslaufseitig ist die Prüfanlage mit einer ortgetreuen Fehlermarkierung und einer Gut/Schlecht - Sortierung ausgestattet.

Das Durchlaufspulenprüfverfahren findet vorzugsweise Querfehler, Querkomponenten von Längsfehlern sowie kurze Längsfehler.
Durchgehende, gerade Längsfehler können mit diesem Verfahren nicht gefunden werden. Daher setzt BÖHLER zusätzlich die Wirbelstromprüfung mit rotierenden (umlaufenden) Sonden ein.

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Die auffindbare Mindestfehlerlänge bei 100%iger Reproduzierbarkeit errechnet sich aus der Sondenspurbreite, der Anzahl der Sonden, der Rotations-geschwindigkeit und der Durchlauf-geschwindigkeit nach folgender Formel:

Die Empfindlichkeitsjustierung der Wirbelstromprüfanlagen erfolgt mit künstlichen Fehlern. Je nach Ausführung und Kundenforderungen sind das meist Rechtecknuten mit einer Breite von 0,1 mm und einer minimalen Tiefe von 0,1 mm. Die ungeprüften Enden haben eine Länge von ca. 40 mm. Bei entsprechenden Bestellanforderungen werden diese nach der Prüfung abgesetzt.
Definierte Oberflächenfehlerklassen findet man in der EN10277-1 (Blankstahlerzeugnisse - Technische Lieferbedingungen - Teil1: Allgemeines)

Zustand Klasse
1 2 3 4
Zulässige Fehlertiefe max. 0,3 mm
für d = 15 mm;

max. 0,02 x d
für 15 < d = 100 mm

max. 0,3 mm
für d = 15 mm;

max. 0,02 x d
für 15 < d = 75 mm

max. 1,5 mm
für d > 75 mm

max. 0,2 mm
für d = 20 mm;

max. 0,01 x d
für 20 < d = 75 mm

max. 0,75 mm
für d > 75 mm

herstelltechnisch rissfrei
Maximaler Prozentsatz des Liefergewichtes oberhalb der festgelegten Fehlergrenze
4%
1%
1%
0,2%
Oberflächengüteklassen nach EN 10277-1 Ausg. Okt. 1999

Um den wachsenden Forderungen aus Luftfahrt-, Implantat- und Automobilindustrie hinsichtlich Innengüte an bearbeitetem Rundstahl gerecht zu werden, wurde bei BÖHLER im Jänner 2001 eine neue Ultraschallprüfanlage in Betrieb genommen.

Diese Ultraschallprüfanlage wurde in die bestehende Mechanik der Wirbelstrom-prüfanlage in der Prüf- und Adjustagelinie 4 implementiert. Damit ist gewährleistet, dass online, während des Standard Produktionsablaufes die Innengüte des Stabstahles nach den strengen Forderungen der Luft-fahrtspezifikationen geprüft wird.
Bei der Ultraschallprüfanlage handelt es sich um eine Referenzanlage. Die Fa. Krautkrämer/Köln hat hier weltweit erstmals die sogenannte "Phased Array Technik" für die Prüfung von runden Stabstahl eingesetzt.
Bei klassischen Ultraschallprüfanlagen für Rundstahl und Rohre werden entweder mechanisch rotierende Prüfköpfe oder sich im Schallfeld überlappende Folienprüfköpfe, die eine unzureichende Empfindlichkeit aufweisen, eingesetzt.

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Bei der "Phased Array Technik" werden zwei 180° "Array Prüfköpfe" verwendet. Diese 180° "Array Prüfköpfe" bestehen aus je 128 Schwingerelementen, wobei jedes einzelne elektrisch verkabelt ist, sodass jedes Element als Ultraschallsender angeregt werden kann und als Empfänger verwendbar ist. Für die Senkrechteinschallung bilden bis zu 16 Schwingerelemente einen virtuellen Prüfkopf.
Durch serielles Durchtakten der Schwingerelemente im Multiplex-verfahren wird ein virtuell rotierendes Schallfeld erzeugt.
Die "Step Size" bestimmt die virtuelle Rotationsgeschwindigkeit.
Über die "Delay-Zeiten" - (Verzögerungszeiten in nsec) mit denen die Schwingerelemente für einen virtuellen Prüfkopf in einer bestimmten Reihenfolge an-gesteuert werden - kann das Schallfeld geformt werden. Durch dieses elektronische Formen des Schallfeldes, ist es möglich eine beliebige Winkeleinschallung in radialer Richtung sowie eine beliebige Fokussierung des Schallfeldes zu erzeugen. Nach Eingabe von Parametern wie Prüfkopftype, Stabdurchmesser, Einschallwinkel im Stab, Fokusabstand etc. errechnet die Software der Prüfanlage die notwendigen Delay-Zeiten.

Die Ankopplung des Ultraschalls erfolgt in Tauchtechnik im sogenannten "ROWA"- Prinzip (Rotierender Wassermantel). Die Phased Array Prüfköpfe befinden sich in einer Kammer, in die durch tangential angebrachte Düsen Wasser eingespritzt wird. Dadurch entsteht ein rotierender Wassermantel (Wasserrohr). Der innere Durchmesser dieses Wasserrohrs ist abhängig von der Menge des Wassers, das eingespritzt wird, und wird so eingestellt, dass er nur geringfügig kleiner ist als der Durchmesser des zu prüfenden Stabstahls. Dadurch kommt es beim Einlauf der Stäbe während der Prüfung kaum zu Wasserverdrängung und somit zu keinen störenden Luftblaseneinschlüssen oder Wasserverwirbelungen, welche sich negativ auf die Wasserankoppelung auswirken könnten. Das "ROWA"- Prinzip gewährleistet äußerst geringe ungeprüfte Enden mit einer Länge von 15 - 20 mm bei einer Standard-Durchlaufgeschwindigkeit von 0,8 m/sec.

"ROWA" - Prinzip Ankoppelung mit rotierendem Wassermantel:

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Die Empfindlichkeitseinstellung der Ultraschallprüfanlage wird an Testkörper mit spezifizierten Flachbodenbohrungen unterschiedlicher Schallwege statisch durchgeführt. Die Durchmesser dieser Flachbodenbohrungen liegen je nach Kundenspezifikation zwischen ø 0,4 mm und ø 1,2 mm. Um Flach-bodenbohrungen < ø 0,8 mm entsprechend auflösen zu können sind Phased Array Prüfköpfe mit einer Frequenz von 10 MHz erforderlich. Stäbe mit Prüfanforderungen von Flachbodenbohrungen ø 0,8 mm und größer werden mit 5 MHz Prüfköpfen geprüft.

Durch diese Ultraschall Phased Array Anlage ist garantiert, dass Rundstahl ø 12 - 55 mm in geschälter bzw. geschält/polierter Oberflächenausführung im Online-Betrieb mit einer Durchlaufgeschwindigkeit von 0,8 m/sec geprüft werden kann, wobei mit 100%iger Reproduzierbarkeit örtliche Innenfehler mit einer Größe von ø 1,2 mm (Luftfahrtforderung AMS-Std. 2154 Cl. AA) gefunden werden. Der ungeprüfte Mantelbereich beträgt dabei 2 mm.
Besonders im Bereich Sonderwerkstoffe sind die Kundenforderungen nach einer 100%igen Liefersicherheit (Null-Fehler-Philosophie) evident. Die erfolgreiche Projektumsetzung für Rundstahl = ø 55 mm ist ein wichtiger Schritt dazu. ente Für Abmessungen > ø 55 mm, Flachdimensionen und Halbzeug sind entsprechende Folgeprojekte gestartet.

Vorteile der "Phased Array Technik":

  • Kompakte Bauweise durch einfache Mechanik
  • Keine mechanisch rotierende Teile
  • Kurze Rüstzeiten durch elektronische Schallfeldfokussierung (Rüstzeit: Phased Array Technik < 5 min; Rotationsanlage 25 - 45 min)
  • Senkrechteinschallung und radiale Winkeleinschallung mit demselben Array Prüfkopf durch elektronische Schallfeldformung

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net