Ultraschallprüfung von Gussstücken aus duktilem Eisen zur Überprüfung der Nodularität

Mar 25, 2023

Abbildung 1: Typische Gussteile aus Sphäroguss für die Automobilindustrie

Abbildung 2: Schallgeschwindigkeitswerte für Gusseisen

Abbildung 3: Ultraschallprüfgerät und angepasste Software

Abbildung 4: Versuchsaufbau im Tauchbecken

Abbildung 5: Prinzip der Schallgeschwindigkeitsmessung

Abbildung 6: Die Echos des Referenzgusses werden aufgelöst und die Anschnittpositionen festgelegt.

Abbildung 7: Die Geschwindigkeits- und Dickengrenzen für das zu prüfende Gussstück werden berechnet und in den Einstellungsdialog für die Ultraschallprüfung eingegeben.

Abbildung 8: Seriennummer, Dicke und Geschwindigkeit des Referenzgussteils werden in den Kalibrierungsdialog eingegeben.

Abbildung 9: TOF 1 wird ohne Guss in der Vorrichtung gemessen (nur Wasser).

Abbildung 9: TOF 1 wird ohne Guss in der Vorrichtung gemessen (nur Wasser).

Abbildung 10: TOF 2 wird gemessen, während sich das Gussteil in der Vorrichtung befindet.

Abbildung 10: TOF 2 wird gemessen, während sich das Gussteil in der Vorrichtung befindet.

Abbildung 11: Nach erfolgreicher Justierung wird der Messwert angezeigt und das System meldet „Kalibrierung OK“.

Abbildung 11: Nach erfolgreicher Justierung wird der Messwert angezeigt und das System meldet „Kalibrierung OK“.

Abbildung 12: Ein Bediener lädt manuell ein Gussstück.

Abbildung 13: Automatisiertes Entladen eines Gussstücks durch eine Pick-and-Place-Einheit.

Abbildung 14: Bedienoberfläche mit Trenddiagramm, Ergebniszählern, Messwerten und Testsequenz-LEDs.

Abbildung 15: Mehrkanal-Benutzeroberfläche mit vier aktiven Kanälen.

Abbildung 16: Flaw-Schnittstelle, die den Aufbau des Laminierungstests zeigt.

Abbildung 17: Flaw-Schnittstelle, die den Aufbau des Schnittstellentests zeigt.

Sphäroguss ist ein Eisen-Kohlenstoff-Gusswerkstoff, dessen Matrix Kohlenstoff in Form von Kugelgraphitpartikeln enthält. Abgerundete Graphitkügelchen in der duktilen Eisenmatrix bieten im Vergleich zu Graphitflocken (wie in Grauguss) einen größeren Widerstand gegen Spannungskonzentrationen und verhindern daher die Entstehung von Rissen.

Sicherheitskritische Automobilkomponenten, die aus Sphäroguss gegossen werden, müssen getestet werden, um sicherzustellen, dass sie den richtigen Prozentsatz an Nodularität aufweisen, da ein katastrophaler Ausfall eines dieser Teile zu Schäden, Verletzungen und sogar zum Verlust von Menschenleben führen kann. Hersteller verwenden routinemäßig eine zerstörende Prüfmethode, die Mikrostrukturanalyse, um die korrekte Nodularität von Musterteilen zu überprüfen. Mikrostrukturanalysen werden typischerweise im metallurgischen Labor durchgeführt und stellen bestenfalls nur eine kleine Stichprobe der Gesamtproduktion dar.

Da gegossene Automobilkomponenten in sicherheitskritischen Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise in Brems- und Lenksystemen, muss die Nodularität für jedes gegossene Bauteil überprüft werden. Da es sich bei der Mikrostrukturanalyse um eine destruktive Methode handelt, werden geprüfte Komponenten bei dieser Methode unbrauchbar. Daher wird eine zerstörungsfreie Prüfmethode bevorzugt, die es ermöglicht, 100 % der Komponenten einer Produktionscharge zu prüfen.

Der Zusammenhang zwischen Nodularität und Schallgeschwindigkeit in Sphäroguss ist gut bekannt. Im Allgemeinen nimmt die Schallgeschwindigkeit mit abnehmender prozentualer Nodularität ab. Gießereien, die Gussteile aus duktilem Eisen herstellen, legen Annahme-/Ausschussgrenzen für die Schallgeschwindigkeit fest, um sicherzustellen, dass die Gussteile die erforderliche Kugelform aufweisen.

Es gibt einen konsistenten Unterschied in der Schallgeschwindigkeit zwischen reinem Eisen, Kugelgraphitguss und Grauguss. Typischerweise hat reines elementares Eisen eine Geschwindigkeit von etwa 0,232 Zoll/Mikrosekunde (Zoll/µs), Kugeleisen hat eine Geschwindigkeit von etwa 0,222 Zoll/µs und graues Eisen hat eine Geschwindigkeit von etwa 0,192 Zoll/µs. Die genauen Geschwindigkeiten für eine bestimmte Anwendung variieren je nach Legierungszusammensetzung, Kornstruktur und anderen Prozessvariablen.

Aufgrund des Zusammenhangs zwischen Schallgeschwindigkeit und Nodularität ist die zerstörungsfreie Ultraschallprüfung ein ideales Werkzeug zur Messung der Nodularität von Gussteilen. Das Ultraschallsystem wird anhand repräsentativer „Referenz“-Gussteile mit bekannten Nodularitätswerten eingestellt. Die Geometrie des als Referenz verwendeten Referenzgussteils muss maßlich repräsentativ für die zu testenden Produktionsteile sein.

Eine genaue Ultraschallmessung der Schallgeschwindigkeit erfordert, dass die Dicke des Referenzgussstücks am Messpunkt mit einem Mikrometer oder einem Messschieber genau gemessen wird. Dieser Wert wird in die Messsoftware eingegeben und zur Berechnung der Schallgeschwindigkeit verwendet. Eine genaue Geschwindigkeitsmessung ist nicht möglich, wenn die Dicke am Testpunkt unbekannt ist.

Zur manuellen Messung der Schallgeschwindigkeit können Ultraschall-Dickenmessgeräte und Fehlerdetektoren mit einem Einkristall-Puls-Echo-Wandler verwendet werden. Während manuelle Prüfungen für die Stichprobenkontrolle und das Sortieren kleiner Teilemengen in einem Schnellsortiermodus nützlich sind, ist diese Technik im Vergleich zu einem speziellen automatischen Inspektionssystem relativ langsam und unterliegt der Schwankung des Bedieners. Manuelle Tests sind weder wünschenswert noch praktikabel für die Prüfung von Gussstücken in großen Mengen in einer Gießerei-Verarbeitungslinie.

Für die automatisierte Gussteilprüfung in der Produktionslinie ist ein System bestehend aus einem Ultraschallprüfgerät, speziell angepasster Software, Ultraschallwandlern und einem digitalen Ein-/Ausgabebus (IO) erforderlich.

Zusätzlich zur Ultraschall-Hardware und -Software nutzt das System ein Tauchbecken, präzise teilenummernspezifische Prüfvorrichtungen und eine Möglichkeit zum Laden und Entladen der Teile (das Laden und Entladen kann manuell oder automatisch durch einen Roboter oder Pick-and-Play-Systeme erfolgen). (Eingabeeinheit) und ein Steuerungssystem zur Verwaltung des Prüfablaufs und zur Trennung der Gussteile auf Grundlage der Prüfergebnisse.

Die Präzisions-Teilenummern-spezifischen Prüfvorrichtungen werden im Tauchbecken montiert und dienen zur Positionierung der Gussteile relativ zu den Ultraschallwandlern. Zwei gegenüberliegende Ultraschallwandler sind im Pitch-Catch-Modus (oder Through-Transmission-Modus) konfiguriert. Die Laufzeit zwischen den resultierenden Ultraschallechos wird gemessen und die Schallgeschwindigkeit berechnet.

Der Prüfort muss ein Bereich des Gussteils sein, an dem sich zwei benachbarte flache, parallele Flächen befinden. Die Messgenauigkeit hängt von der wiederholbaren Gussteilgeometrie und der wiederholbaren Positionierung der Gussteile relativ zu den Wandlern ab. Mechanische Genauigkeit und Sauberkeit der Vorrichtungen sind wichtig, um genaue Testergebnisse zu gewährleisten. Abgenutzte Vorrichtungen müssen eventuell nachgearbeitet oder ersetzt werden.

Das Grundprinzip der Messung ist in Abbildung 5 dargestellt. Die Ultraschalllaufzeit (TOF) zwischen den Sender- und Empfängerwandlern wird durch den Wasserweg ohne Guss in der Halterung gemessen (Abbildung 5; TOF 1). Als nächstes wird die Flugzeit gemessen, die den Wasserweg auf beiden Seiten des Gussstücks darstellt, plus die Zeit, die der Schall benötigt, um einen Umlauf im Gussstück zu absolvieren (Abbildung 5; TOF 2). Die Schallgeschwindigkeit wird auf Basis der Bauteildicke und der beiden gemessenen TOF-Werte berechnet.

Da die Temperatur die Schallgeschwindigkeit beeinflusst, können Schwankungen der Wassertemperatur im Tauchbecken zu entsprechenden Schwankungen in der Genauigkeit der Schallgeschwindigkeitsmessungen führen. Um diesen Effekt zu minimieren, misst das System die Wassergeschwindigkeit, nachdem jeder Guss getestet wurde, und nutzt diese Informationen, um die Messung der Gussgeschwindigkeit zu kompensieren und so genaue Ergebnisse unabhängig von Schwankungen der Wassertemperatur zu liefern. Schwankungen in der Temperatur des Gussstücks wirken sich ebenfalls auf die Messgenauigkeit aus. Bei extremen Schwankungen ist eine Neujustierung des Systems erforderlich.

Das Schallgeschwindigkeitsmesssystem lässt sich schnell und einfach einstellen (Abbildungen 6–11). Teilenummernspezifische Testeinstellungen können erstellt, gespeichert und zur späteren Verwendung abgerufen werden. Zur Aufrechterhaltung der Stabilität und Genauigkeit ist eine regelmäßige Systemkalibrierung erforderlich. Die Kalibrierung besteht aus der Verwendung eines Referenzgussteils mit bestätigter korrekter Nodularität zur Einstellung des Systems und der Bestätigung, dass das System ein zweites Referenzgussteil mit falscher Nodularität zurückweist.

Nach Abschluss der Justierung wird das System in den Testmodus geschaltet und es können nun Produktionsgussteile getestet werden. Das Signal „Ready for Test“ auf dem digitalen IO-Bus zeigt dem Bediener oder dem mechanischen System an, dass das erste Gussstück geladen werden kann. Benutzer können eine Inspektionsrate von 15–30 Gussteilen pro Minute erreichen, wobei die Hauptbeschränkung das Be- und Entladen der Gussteile ist.

Die Gussteile werden nacheinander in die Vorrichtung im Tank geladen. Die Software erkennt das Vorhandensein der Gussstücke anhand der Ultraschallechos, die beim Beladen des Gussstücks entstehen, und löst automatisch jede Messung aus. Die Messungen werden mit den voreingestellten Geschwindigkeits- und Dickengrenzwerten verglichen und das System generiert eine Annahme- oder Ablehnungsentscheidung sowohl als Anzeige auf dem Bildschirm als auch als Ausgangssignal an das Steuerungssystem. Nach der Prüfung werden die Gussteile aus der Vorrichtung entnommen und in Annahme- und Ausschussgruppen aufgeteilt.

Während der Produktionsprüfung kann der Prüfablauf über die LEDs an der Schnittstelle beobachtet werden. Die Teilebereitschaft, die Position des Teils und die Sortierentscheidung „Akzeptieren/Ausschließen“ werden über die LEDs angezeigt und auf dem digitalen IO-Bus signalisiert. Für jedes getestete Gussstück werden numerische Geschwindigkeits-, Dicken- und Wassergeschwindigkeitsmessungen angezeigt. Die Messwerte für jeden Guss werden in einem Trenddiagramm dargestellt. Annahme- und Ausschussteile sowie die Gesamtzahl der geprüften Teile werden gezählt und über einen Teilezähler auf der Bedienoberfläche angezeigt. Testergebnisse können zur Offline-Dokumentation und -Analyse in eine CSV-Datei exportiert werden.

Mehrkanalsysteme ermöglichen mehrere Messungen am selben Gussstück sowie gleichzeitige Messungen in unabhängigen Verarbeitungslinien. Bei unabhängigem Kanalbetrieb kann der Bediener einen Kanal anhalten und anpassen, während die anderen Kanäle weiterhin testen.

Zusätzlich zur Schallgeschwindigkeits- und Dickenmessung ist es auch möglich, ausgewählte Kanäle für die Durchführung von Impuls-Echo-Fehlerprüfungen parallel zur Schallgeschwindigkeitsmessung zu reservieren. Im Allgemeinen gibt es zwei Arten von Fehlerprüfungen für Gussteile.

Die Laminierungserkennung wird verwendet, um laminare Defekte im Querschnitt eines Teils mithilfe eines Ausschusstors zu erkennen, das zwischen den Ultraschallechos von der Vorder- und Rückwand des Gussstücks positioniert ist. Gussstücke, die einen Verlust des Vorderwand- oder Rückwandechos oder positive Signale aufweisen, die den Fehlerschwellenwert überschreiten, werden als fehlerhaft gekennzeichnet und das Gussstück kann zurückgewiesen werden.

Die Gussmerkmalsbestätigung überwacht die Position des Vorderwandechos innerhalb eines voreingestellten Angusses, um Gussfehler wie Kurzguss (Mangel an Material an einer bestimmten Gussstelle) und Verdrehung (mechanische Verformung des Teils) zu erkennen. Gussstücke, die einen Verlust des Vorderwandechos aufweisen, werden als fehlerhaft gekennzeichnet und das Gussstück kann zurückgewiesen werden.

Die Ultraschallprüfung bietet eine zuverlässige Methode zur Messung der Schallgeschwindigkeit und damit zur Überprüfung der Kugelform von Gussteilen aus duktilem Gusseisen. Die Integration der Ultraschallmessung in ein automatisiertes Prüfsystem in einer Gießerei-Produktionslinie ermöglicht eine schnelle und zuverlässige Prüfung von 100 % der gegossenen Produktionsteile. Präzise mechanische Vorrichtungen sind erforderlich, um eine gleichmäßige Positionierung der Gussteile relativ zu den Ultraschallwandlern sicherzustellen. Die Anwendungssoftware ermöglicht Benutzern eine einfache Anpassung des Systems und liefert stabile, genaue Testergebnisse. Zusätzlich zur Schallgeschwindigkeitsmessung können bestimmte Gussfehler auch mithilfe spezieller Wandler und eines speziellen Fehlerkanals erkannt werden.

Ronald B. Peoples ist leitender Anwendungsingenieur – Systeme und Integration bei Olympus Corp. of the Americas. Für weitere Informationen rufen Sie (814) 470-0169 an, senden Sie eine E-Mail an [email protected] oder besuchen Sie www.olympus-ims.com.