Körperschall-Analyse für In-Process-Risserkennung von Qass

Überwachung während des Härtens

Körperschall-Analyse für In-Process-Risserkennung (Bild: Qass)

Das System Optimizer4D von der Qass GmbH, Wetter, erlaubt eine zerstörungsfreie, vollautomatische 100-Prozent-Überwachung von Bauteilen während des Härtevorgangs. Es besteht aus Körperschallsensoren, einem Messcomputer und der Auswertesoftware. Mit dem System können Risse erkannt werden, während sie entstehen. Nachgeordnete aufwendige und teure Prüfverfahren wie Penetrieren, Fluxen und Wirbelstromprüfung lassen sich weitestgehend vermeiden. Die Risserkennung mittels Körperschallsensoren kann diese in vielen Fällen ersetzen oder deren Einsatz stark reduzieren.

Bislang konnte das Induktionshärten nicht in Echtzeit bewertet werden. Jetzt werden die verschiedenen Prozesseigenschaften während der Fertigung durch die Echtzeit-Frequenzanalyse sichtbar und unterscheidbar. Die Körperschallanalysetechnik eröffnet den Blick ins Innere des Materials. Der Körperschall wird mit hoch entwickelten Analysealgorithmenerkennbar gemacht. Die Auswertung von Schwingungen bis zu 25 MHz und das gleichzeitige Erkennen sehr kurzer spontaner Ereignisse (< 100 µs) mittels Hoch-Frequenz-Impuls-Messung schlüsseln die Produktionsprozesse auf.

Während der Wärmebehandlung erfährt das Bauteil erhebliche Wechselkräfte, vor allem durch die eingebrachten oder entzogenen Wärmemengen. Insbesondere beim Abschrecken treten große Spannungen auf, die zu Mikro- und Makrorissen führen können. Jeder dieser Risse setzt spontan Impulsenergie frei, die sich mit hoher Geschwindigkeit im Festkörper ausbreitet. Diese Impulse werden überlagert von Arbeitsgeräuschen des Prozesses wie Strukturschwingungen beispielsweise durch induktiv eingebrachte elektromagnetische Wechselkräfte, Anregung durch Gasbrenner, Kühlwassergeräusche, Antriebsgeräusche oder Schrumpfungsdruckwellen.

Die Sensoren müssen an einer körperschallleitenden Übertragungsstrecke mit Kontakt zum Bauteil sitzen, beispielsweise hinter der Klemmvorrichtung, dem Antrieb oder dem Kugellager. Die Sensoren werden an der Maschine angebracht, je nach Aufbau auch mit Klemmung zum Bauteil. Sie empfangen während des Betriebs durchgehend Daten, also während des Erhitzens, Abschreckens und Anlassens.

Diese Daten beinhalten bereits verschiedene Informationen: die Induktionsschwingungen, das Aufströmen des Kühlmittels, die mechanische Reaktion des Materials aufgrund der Temperaturdifferenzen sowie die Spannungsrisse. Noch überlagern sich diese Informationen im Datenstrom zu einem indifferenten Geräusch. "Wir haben uns vor einigen Jahren von der bekannten Körperschall-Schwingungssignalanalyse verabschiedet und ein neues Messgerät entwickelt. Wir brauchten ein grundlegend anderes Körperschall-Messverfahren, um unter Produktionsbedingungen alle möglichen Prozesse testen und überwachen zu können", sagt Qass-Geschäftsführer Ulrich Seuthe. Gemessen werden immer noch die Druckwellen, die im Material unterwegs sind, zudem kann auch deren Frequenzgang in Echtzeit analysiert werden.

Eine dem bisherigen Stand der Technik entsprechende zweidimensionale Analyse der Prozessvorgänge auf den Achsen "Zeit" und "Amplitude" versagt dabei, die Dynamik der Frequenz- und Amplitudenänderungen in den verschiedenen Frequenzen darzustellen. Doch diese Informationen geben Aufschluss über die Energieübertragung auf das Bauteil und erlauben eine Abschätzung der Energien in verschiedenen Eindring- oder Wirktiefen. Die quantitative Auswertung der multiplen Anregungsfrequenzen sowie ihrer Auswirkungen im Bauteil während des laufenden Induktivhärtens lässt Rückschlüsse auf die Härtetiefe zu. Daneben treten Emissionen aufgrund von Gefügeumwandlungen und von Rissbildungen auf, die sich aufgrund ihres vollkommen anderen Frequenzbilds von den Erregungsfrequenzen unterscheiden lassen.

Insbesondere Rissbildung lässt sich aufgrund ihrer breitbandigen, wie eineImpulsantwort aussehenden Form selbst innerhalb starker Induktionsemissionen detektieren. Erst durch eine Frequenztrennung im Messcomputer heben sich die Ereignisse voneinander ab und können auf einer dreiachsigen Signallandschaft in einer Frequenz-Zeit-Amplituden-Darstellung sichtbar gemacht werden: Die Induktionsanregungen sind als pulsierende Linien in einem oder mehreren Frequenzbändern zu erkennen, und das Kühlmittel erzeugt im niederfrequenten Bereich ein energiearmes Rauschen. In diesem Frequenz-Zeit-Raum arbeitet die Risserkennung. Das Parametrierwerkzeug der Auswertesoftware entfernt Rauschen und Fremdeinflüsse, sodass die breitbandigen Spannungsrisse trennscharf erkannt werden können.