AT393908B - Verfahren zur feststellung von oberflaechenfehlern metallischer werkstuecke - Google Patents

Description

AT 393 908 B

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feststellung von Oberflächenfehlem metallischer Werkstücke durch Temperaturfeldabtastung der beim Durchlaufen einer Hochfrequenzinduktionsspule erwärmten Werkstückoberfläche, so daß die fehlerhaften Bereiche eine gegenüber den fehlerfreien Bereichen der Oberfläche erhöhte Temperatur aufweisen, mittels eines IR-Emissionsspektrometers, wobei die zu erwärmende und abzutastende Werkstückoberfläche mit einem Überzug hohen Emissionsvermögens versehen ist

Ein derartiges Verfahren ist aus der US-PS 3 020 745 bekannt. Dabei soll der Überzug nicht nur das Emissionsvermögen der ursprünglich mehr oder weniger glänzenden Prüflingsoberfläche verstärken, sondern durch Abdecken von Feldern wechselnder Farbe die Prüflingsoberfläche farblich insgesamt vereinheitlichen. Zur Lösung dieser Aufgabe wurde die Notwendigkeit eines nicht transparenten Oberflächenauftrags vorausgesetzt und in einer Schicht aus Festkörperpartikeln, insbesondere einer Rußschicht, gefunden. Diese Schicht wird als Dispersion von Ruß in einem nicht näher geschriebenen Dispersionsmittel auf das geschweißte Rohr mit einer Sprühpistole von Hand aufgesprüht. Es bildet damit die Flüssigkeit nicht den Überzug, der den Emissionskoeffizienten des Werkstücks erhöht, sondern nur das Transportmittel für die Festkörperpartikeln, die diesen Überzug bilden.

Die DE-AS 27 56 526 würdigt diesen Stand der Technik und führt zutreffend aus, daß das Aufbringen, mehr aber noch das Entfernen von Substanzen, wie Ruß, bei Rohren mit Längsschweißnaht sehr aufwendig ist und die Prüfkosten für die Werkstücke erheblich erhöht Um diese Kosten zu vermeiden, wird der von der US-PS vorgeschlagene Weg verlassen und es wird ein indirektes Temperaturmeßsystem vorgeschlagen, das sich sowohl methodologisch aber besonders in der Praxis nicht bewährt hat.

Es ist somit Aufgabe der Erfindung, das eingangs genannte Verfahren so zu verbessern, daß eine direkte und zuverlässige Bestimmung der Temperaturverteilung vorgenommen werden kann, ohne daß in der Folge ein aufwendiges und teures Entfernen des Überzuges notwendig wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß der Überzug aus farbmittel- und insbesondere von Feststoffpartikeln freiem Wasser mit einem Gehalt an einem die Oberflächenspannung des Wassers herabsetzenden Mittel besteht Durch diese Maßnahme ist es tatsächlich möglich, alle Vorteile des eingangs genannten Verfahrens beizubehalten, ohne seine Nachteile in Kauf nehmen zu müssen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung werden insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen dem Wasser Stoffe zur Herabsetzung des Gefrierpunktes zugesetzt

In der Folge wird das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert, wobei die Werkstücke allgemein als Knüppel bezeichnet werden und für alle Metallstücke stehen, die zum ersten Mal gerollt werden, wie auch für Stücke, die zu wiederholten Malen gerollt werden und für fertige Produkte und umfaßt alle Barren, Rohre, Profile und anders geformte Stücke, die einer Rollbehandlung unterzogen werden.

Es ist bekannt, daß Sprünge und Oberflächenrisse in Knüppeln durch Erwärmung der Oberfläche des Werkstückes mit Hilfe hochfrequenter Ströme erkannt werden können, während das Werkstück in seiner Longitudinalrichtung durch einen Hochfrequenzinduktionsofen geschickt wird, wobei der Teil des Werkstückes, der gerade den Ofen verlassen hat, noch während das Werkstück durch den Ofen wandert, sofort durch eine Infrarotaufnahmeeinrichtung zur Aufnahme der Temperaturverteilung über das Werkstück untersucht wird. Die Temperaturverteilung wird aufgenommen und dargestellt als ein Streifenmuster, welches Risse und Oberflächenspalten im Knüppel zeigt Durch die Aufnahme eines solchen Temperaturprofils über das Werkstück während eines Abtastvorganges findet man einen Anstieg der Temperatur im Temperaturprofil in der Nachbarschaft eines jeden Risses. Die Temperaturanstiege, die sich von Aufhahmevorgang zu Aufnahmevorgang wiederholen, werden, wenn man die Abtastvorgänge zusammensetzt, einen Temperaturkamm über das Werkstück bilden, wobei der Kamm einen Riß im Werkstück anzeigt. Die vorliegende Erfindung betrifft Aufnahmen von sehr kleinen Oberflächenfehlem (weniger als 1 mm tief) und die Herstellung gleichförmiger Emissionsbedingungen für alle Oberflächen und simultan dazu die Reduktion der Störungen im Temperaturbild.

Im Zusammenhang mit der beschriebenen Methode zur Untersuchung von Werkstücken wurde festgestellt, daß bei der Temperaturmessung mit Infrarotscanner (IR Emissionspyrometer) Temperaturen erhalten werden, die von der richtigen Temperatur der Oberfläche abweichen, weil der Emissionskoeffizient der Oberfläche eine Rolle spielt. Der Emissionskoeffizient hängt von der Natur der Oberfläche ab und variiert zwischen 0 und 1. Gerollte Werkstücke mit Walzoberfläche haben üblicherweise einen Emissionskoeffizienten von ca. 0,90 bis 0,95. Um während der Untersuchung der Werkstücke die bestmöglichen Konditionen zu erreichen und dadurch so wenig Störungen wie möglich im Temperaturbild zu erhalten, ist es wünschenswert, die Oberfläche so sauber als möglich zu halten. Dies kann z. B. durch verschiedene Arten von Strahlreinigungen der Oberfläche geschehen, und der Grad der Oberflächenreinigung kann beispielsweise gemäß der schwedischen Norm SIS 055900-1967 bestimmt und klassifiziert werden. Bei diesen Strahlbehandlungen (shot blasting) ergibt sich als unerwünschter Sekundäreffekt, daß die Oberfläche blank wird und ihre Emissionsbedingungen verändert werden. Das wiederum beeinflußt die Temperatur, die mit dem IR Emissionspyrometer gemessen wird, so daß Temperaturmessungen mit IR Emissionspyrometem zu niedrige Oberflächentemperaturen ergeben, wodurch eine zu niedrige Temperatur der Risse aufgenommen wird. Daraus resultiert bei gestrahlten Werkstücken eine Reduktion der aufgenommenen Übertemperatur der Risse im Vergleich zu Werkstücken mit Walzoberfläche, was wiederum zu verschiedenen Interpretationen der Tiefe der Risse führt in Abhängigkeit vom Emissionskoeffizienten der Oberfläche. Dies ist eine unerwünschte Tatsache, welche die Verwendung der Methode kompliziert, da man, um korrekte Resultate zu -2-

AT 393 908 B erreichen, die Ausrüstung für jeden neuen Oberflächentyp rekalibrieren muß. Dies erfordert viel Zeit, ist kompliziert und für die industrielle Verwendung unangemessen.

Es wurde nun festgestellt, daß der Emissionskoeffizient für alle Typen von Werkstückoberflächen ungefähr gleich gemacht werden kann, wenn die Oberfläche mit einer passenden Flüssigkeit z. B. Wasser mit verschiedenen zugesetzten Komponenten befeuchtet wird, wobei die zugesetzten Komponenten eine Verminderung der Oberflächenspannung bewirken, um eine bessere Befeuchtung zu erhalten. Soll die Untersuchung des Werkstückes bei Temperaturen unter 0 °C durchgeführt werden, können ebenso Frostschutzmittel zugesetzt werden. Experimente haben gezeigt, daß bei einer solchen Anfeuchtung der Oberfläche des Werkstückes mit Wasser, dem oberflächenspannungssenkende Komponenten zugesetzt wurden, bei allen Werkstückoberflächen unabhängig von der vorhergehenden Behandlung ungefähr der gleiche Emissionskoeffizient auftritt, und daß dieser Emissionskoeffizient nur unwesentlich vom Emissionskoeffizienten eines trockenen Werkstückes mit Walzoberfläche äbweicht Die Abweichung im Emissionskoeffizient befeuchtet»' Werkstücke ist so klein, daß sie keine praktische Bedeutung für das Resultat der oben beschriebenen Methode hat. Durch das Anfeuchten der Werkstücke werden auch die Störungen im Temperaturbild vermindert, da die Unterschiede im Emissionskoeffizienten für verschiedene Gebiete der Oberfläche eines Werkstückes verringert werden und eine wichtige Verbesserung des Signal/Störverhältnisses in den Signalen des IR Emissionspyrometers erhalten wird. Bei gestrahlten Werkstückoberflächen, die nicht befeuchtet wurden, ist das Signal/Störverhältnis so klein, daß bei manchen Typen von Werkstückoberflächen Probleme beim Auffinden der kleinen Risse auftreten.

Die Ergebnisse der Temperaturmessung mittels Kontaktpyrometers und IR Emissionspyrometers für verschiedene Typen von Werkstückoberflächen, sowohl naß als auch trocken, sind in Tabelle I angeführt

Mit A wurde ein Werkstück mit Walzoberfläche bezeichnet, mit B eines mit korrodierter (rostiger) Oberfläche und mit CSa 1-2, CSa 2 und CSa 2*/2 strahlgereinigte Oberflächen, die in Übereinstimmung mit der schwedischen Norm SIS 055900-1967 klassifiziert wurden.

In der Tabelle bedeutet T die mittels Kontaktpyrometer gemessene Temperatur und IR die mittels IR Emissionspyrometer gemessene Temperatur. Mit feucht und trocken sind die Oberflächenbedingungen gemeint.

Wie man in den Spalten "trocken" sieht, ist hier eine große Temperaturdifferenz zwischen den beiden Messungen zu erkennen und diese Abweichung wächst mit dem Grad der Oberflächenreinigung, die hier als CSa 1-2, CSa 2 und CSa 2½ angegeben ist. Die Abweichung zwischen den zwei verschiedenen Messungen wächst mit dem Glanz des Werkstückes. Dies bringt es mit sich, daß bei Messungen mittels IR Emissionspyrometer für strahlgereinigte Werkstücke eine zu niedrige Werkstücktemperatur und konsequenterweise ein geringerer Anstieg der Temperatur im gleichen Maßstab erhalten wird. Diese Tatsache kann, wie bereits erläutert, bewirken, daß man, um akzeptable Resultate zu erhalten, die Ausrüstung in Abhängigkeit des Emissionskoeffizienten der Oberfläche des Werkstückes neu kalibrieren muß, was ein wichtiger Nachteil ist, da der Emissionskoeffizient von Werkstück zu Werkstück variieren kann.

Die Reduktion der Temperaturspitzen bei den Rissen für strahlbehandelte Oberflächen hat zum Resultat, daß mit einer kleinerenToleianz zwischen den Temperaturspitzen bei den Rissen und den Temperaturen für fehlerfreie Oberflächen gearbeitet wird, so daß ein verkleinertes Signal/Störverhältnis, welches unangenehm ist, hingenommen werden muß.

Tests wie der oben »wähnte zeigen, daß d» Emissionskoeffizient verschieden» W»kstückoberflächen verändert und ungefähr gleich für alle Oberflächen gemacht werden kann, wenn man diese anfeuchtet Mit ungefähr gleich ist gemeint, daß die Emissionskoeffizienten der Werkstückoberflächen innerhalb eines Gebietes liegen, das für die beschriebene Überprüfungsmethode akzeptiert werden kann. Das W»kstück kann angefeuchtet werden, bevor es durch den Induktionsofen läuft und die Anfeuchtflüssigkeit wird so gleichmäßig wie möglich auf der Oberfläche aufgetragen, entweder mittels einer Düse, eines Schlitzes oder einer ähnlichen Vorrichtung, oder durch Begießen der Oberfläche. Die Ergebnisse so behandelter Werkstücke sind in Tabelle I in den Spalten "naß" angeführt

Die Ergebnisse der Messungen für "trocken" und "naß" gemäß der Tabelle sind auch graphisch in Fig. 1 dargestellt Man sieht in diesem Diagramm, daß die Emissionskoeffizienten der befeuchteten Oberflächen alle auf demselben Niveau liegen, wie für trockene Oberflächen mit Walzhaut, Werkstück A (A A7B). Man sieht weiters, daß durch das Anfeuchten der Oberflächen erreicht wird, daß alle Oberflächen einen ungefähr gleichen Emissionskoeffizienten aufweisen, welch» relativ knapp am theoretisch maximal möglichen Emissionskoeffizientenen, der gleich 1 ist, liegt

Wie bereits erwähnt wird durch das Anfeuchten der Oberflächen der zusätzliche Vorteil erreicht daß das Störungsniveau für fehlerfreie Ob»fiächen, definiert als Temperaturvariation üb» die Oberfläche, reduziert wird, während gleichzeitig der Temperaturanstieg in Verbindung mit Rissen, definiert als Übertemperatur gegenüber fehlerfreier Oberfläche, »höht wird, was heißt daß das Verhältnis Signai/Störung verbessert wird. -3-

AT 393 908 B

Emissionsverhältnisse für verschiedene Werkstückoberflächen, naß und trocken Die Oberflächen sind gemäß SIS 055900-1967 bezeichnet (Werkstücknummer) 1 ß >n od 23.0 29.5 33.0 38.0 42.5 o s ’S Γ"- O H cs' in rf © s* CS CS cn cn s 4 ffl o o © o © © § c ß Q\ o cs ’S d oo S 1-^ CS cs CS cs cs CS -¾ *s. P Ja s o\ o o o 00 Γ"* cs s* o in © in u cs cs cn cn s s tn in in in in o ß od CS S* od in cg cs cs cn cn s I cn o r- 00 o o H c4 in Os in ö SO cs CS cs cn s S PQ o o »n »n *n © G n o cs’ ’S d Os cs ή cs cs cs cs CS CS cs p C3 ’S- Ό 00 00 s C/3 H cn d CK s Os »n U cs cs cs cn cn s *n in »n *n *n o ß od cs’ cs* od s r*H cs cs cn cn § Os cn © »η o cn H »η © ’S* o «n CS cs cn cn s s ß ift o © in in in VO g os s © ’S* 35 0> H CS cs cs cn cn s-/ ft B r- © o cn C/5 H cs* in o »n o s* cs cs cn cn s s ER o *n »n in tn in od cs* cn od cn 1 1—4 cs cs cn cn s s cn cs © o © H cs d © in o s cs CS cn cn ’S 4 o in o in o o o G ö o cn oo in od a cs cs cs cn cn s s o •8 P V»/ Ja s in o PO H ’S· in © in ö sd © cs CS cn cn s s in ß o o in © © in Os cs* in © *n cs CS cn s S I s Γ- r- cn CS Η cs* s* Os © cs cs CS cn ’S s IR o © »n © © © © PQ r-H cn od s od in Γ-* e cs cs cs cn cn s s < S | o\ 00 c- © s r- © < H cn in © in © o cs cs cn cn s s in o in o in o 1“^ cs cs cn

Temperatur gemessen mittels Kontaktpyrometer Temperatur gemessen mittels IR Emissionspyrometer. II IIhö -4-

Claims (2)

1. 5 AT 393 908 B PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Feststellung von Oberflächenfehlem metallischer Wakstücke durch Temperaturfeldabtastung der beim Durchlaufen einer Hochfrequenzinduktionsspule erwärmten Werkstückoberfläche, so daß die fehlerhaften Bereiche eine gegenüber den fehlerfreien Bereichen der Oberfläche erhöhte Temperatur aufweisen, mittels eines IR-Emissionsspektrometers, wobei die zu «wärmende und abzutastende Werkstückoberfläche mit einem Überzug hohen Emissionsvermögens versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug aus farbmittel- und IS insbesondere von Feststoffpartikeln freiem Wasser mit einem Gehalt an einem die Oberflächenspannung des Wassers herabsetzenden Mittel besteht.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Wasser Stoffe zur Herabsetzung des Gefrierpunktes zugesetzt sind. 20 Hiezu 1 Blatt Zeichnung 25 -5-