DRAHT

 
 
   

Berührungslos auf Innen- und Oberflächenfehler prüfen

Stangen und Draht unter 15 mm Durchmesser bei hohem Tempo auf Innenfehler zu prüfen, war bislang schwierig. Über 2 m/s war der Aufwand unverhältnismäßig. Das am VDEh-Betriebsforschungsinstitut entwickelte Ultraschall-System „Fidus“ könnte Abhilfe schaffen.

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Häufig werden Stangen und Drähte während der Produktion mit der Wirbelstromprüfung auf Oberflächenbeschädigung geprüft. Bei der Wirbelstromprüfung beträgt die Eindringtiefe 30 µm bis 300 µm. Im Rahmen eines internationalen Forschungsvorhabens hat das VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH (BFI) ein Ultraschall-Prüfsystem zur Qualitätsüberwachung an magnetisierbaren Drähten entwickelt – „Fidus“ – und bei einem Stabhersteller über zwei Jahr lang industriell erprobt. Es basiert auf einem neuen elektromagnetischen Ultraschall-System (ElectroMagnetic Acoustic Transducer: EMAT), das die empfindliche, automatische Prüfung von Stäben und Drähten auf Oberflächen- und Innenfehler ermöglicht. Es bietet den Vorteil, dass es durch Einsatz von berührungslos arbeitenden Ultraschallprüfköpfen koppelmittelfrei arbeitet. 

Zur Prüfung werden Stabwellen benutzt, die ein hohes Fehlernachweisvermögen bieten. Diese Wellen breiten sich in Stablängsrichtung aus – bei der konventionellen Ultraschallprüfung unter Einsatz von Piezo-Technik und Koppelmedium erfolgt die Prüfung in radialer Richtung, wobei hierbei ein Bereich von ca. 2 mm unter der Oberfläche nicht prüfbar ist. Da die Schallgeschwindigkeit der Stabwellen in Stahl ca. 5800 m/s beträgt, ist die Transportgeschwindigkeit der Stäbe und Drähte sehr viel langsamer und der Einfluss auf die Prüfung vernachlässigbar. Es muss natürlich mechanisch gewährleistet sein, dass der Stab/Draht ohne ständige Berührung durch den Prüfkopf geführt wird. Vibrationen des Prüfobjektes beeinflussen die Prüfempfindlichkeit im Gegensatz zur Wirbelstrom bzw. Piezo-US-Prüfung nur minimal. Auch langsame Durchmesser-schwankungen oder Änderung der Ovalität haben nur minimalen Einfluss auf das Prüfergebnis.

Bei der Stabprüfung wird die Prüfrichtung automatisch elektronisch umgeschaltet (Phased-Array-Technik) während der Stab durch den Prüfkopf transportiert wird, so dass immer in Richtung des weiter entfernten Stabendes geprüft wird. Hierdurch wird eine fast 100%-Prüfung im Prozess bei den üblichen Produktionsgeschwindigkeiten ermöglicht, wobei die ungeprüften Bereiche der Stabenden ähnlich sind wie bei der Wirbelstromprüfung, beispielsweise 100 mm bei einem Stabdurchmesser von 5,5 mm. Mit einem EMAT-Sensor kann bei ferritischem Material ein großer Durchmesserbereich geprüft werden, was mit den existierenden Systemen nicht möglich ist. Der Dickenbereich etwa von 2 mm bis 5,5 mm Durchmesser kann ohne mechanische Anpassung mit einer Prüf-Spule ermittelt werden.

Fehlerempfindlichkeit entlang KSR

Bei der Ultraschallprüfung von Stäben wird die Fehlerempfindlichkeit nach Norm (DIN EN 10308) über Kreisscheiben-Ersatzreflektoren (KSR) definiert. Bei der Ultraschallprüfung bestimmt die reflektierende Fläche, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle steht, die Amplitude des reflektierten Echos. Nach dieser Norm sind für die konventionelle Prüfung die kleinsten detektierbaren Fehler definiert als Fehler mit einem Durchmesser über 2 mm. Die Prüfgeräte-Hersteller geben Empfindlichkeiten von KSR 0,8 mm bis 2 mm an. Analog zur DIN EN 10308 wurde für Stabwellen, deren Ausbreitung in Stablängsrichtung erfolgt, ein künstlicher Innenfehler in einen Stab mit 5,2 mm Durchmessereingebracht. Das kleinste axiale Flachbodenloch das zurzeit mit einer Tiefe von 120 mm hergestellt werden konnte, hat einen Durchmesser von 0,7 mm. Dieser KSR kann mit sehr großem Abstand über dem Rauschpegel (36,4 dB = Faktor 66) sicher nachgewiesen werden. Die gemessene Ultraschallamplitude entspricht bis auf 0,1 dB dem erwarteten theoretischen Wert.

Durch Extrapolation ergibt sich beim Fidus-System als kleinster detektierbarer Innenfehler (KSR) ein Fehler mit einem Durchmesser von 0,17 mm mit 12 dB (Faktor 4) über dem Rauschpegel bei einem Stabdurchmesser von 5,2 mm. Die Fehlergröße dieser Hochrechnung kann nicht garantiert werden, da sie zurzeit nicht durch reale Messungen belegt werden kann. Die Extrapolation gilt für ein einzelnes Ultraschallsignal. Bei der Prüfung werden aber, während der Stab/Draht durch den Prüfkopf transportiert wird, viele Ultraschallsignale aufgenommen. Hierdurch ist eine Signal/Rausch-Verbesserung durch Signalmittelung möglich, was zu einer weiteren Steigerung der Fehlerempfindlichkeit führt. Vergleichbare Empfindlichkeiten gelten auch für Oberflächenfehler. 

Während der industriellen Langzeiterprobung des Fidus-Systems wurden sämtliche Prüfergebnisse der mitlaufenden Wirbelstromprüfung und des Fidus-Ultraschallsystems in einer Datenbank gespeichert. Für Oberflächenfehler ergab sich mit einer gewissen Schwankungsbreite eine ähnliche Fehlerempfindlichkeit und ein vergleichbares Signal/Rausch-Verhältnis für beide Systeme. Da die Fehlerempfindlichkeitscarakteristik der beiden Prüfmethoden unterschiedlich ist, waren zum Beispiel bei unterschiedlich tiefen Oberflächenfehlern bei den verglichenen Prüfverfahren unterschiedliche Signalamplituden zu erwarten, was die Schwankungsbreite erklärt.

Bei Kombination der üblichen Wirbelstromprüfung und der konventionellen US-Prüfung (Piezotechnik mit Wasserankopplung) ergibt sich ein ungeprüfter Bereich für oberflächennahe Fehler von fast 2 mm, bei der Prüfung von Stäben. Bei der Prüfung mit Stabwellen wird der gesamte Stabquerschnitt inklusive der Oberfläche geprüft. Die Angaben beziehen sich auf die bisher untersuchten Stäbe/Drähte. Es wurden verschiedene ferritische Legierungen mit unterschiedlicher Umformung (gewalzt, gezogen) und verschiedenen Oberflächen (walzrau, gezogen, geschliffen und poliert) erprobt. Ein Prüfkopf für nicht oder schlecht magnetisierbare Metalle zeigte im Labormaßstab vergleichbare Fehlerempfindlichkeit. Um das Konzept dieses Prüfkopf in einer industriell nutzbaren Form umzusetzen besteht noch Entwicklungsbedarf.

VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH 
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Ansprechpartner ist Dietmar Oberhoff 
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