Zerstörungsfreie Materialcharakterisierung und Fehlerprüfung von Gusskomponenten

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1 Zerstörungsfreie Materialcharakterisierung und Fehlerprüfung von Gusskomponenten Dr. Ines Veile, Dr. Ralf Tschuncky, Miriam Weikert-Müller, Dietmar Bruche, Melanie Kopp, Dr. Klaus Szielasko g Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP, Saarbrücken Campus E Saarbrücken / Germany info@izfp.fraunhofer.de

2 Zerstörungsfreie Materialcharakterisierung und Fehlerprüfung von Gusskomponenten Dr. Ines Veile, Dr. Ralf Tschuncky, Miriam Weikert-Müller, Dietmar Bruche, Melanie Kopp, Dr. Klaus Szielasko g Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP, Saarbrücken Inhalt Das im Portrait Beispiele aus der Materialcharakterisierung und Fehlerprüfung von Gusskomponenten Stahlguss Eisenguss (mit Kugelgraphit) Nicht-Eisen-Metall-Druckguss Aluminium-Schmelze Zusammenfassung / Ausblick - 2 -

3 Das im Portrait Gesamte Breite zerstörungsfreier Prüftechnologien Grundlagen- und anwendungsnahe Forschung Erarbeitung von Lösungen für aktuelle Prüfaufgaben Machbarkeitsstudien, Beratungs-, Schulungs- und Prüfdienstleistungen Aufbau von Prototyp-, Demonstratorsystemen und Labormustern Unter den Aspekten gesteigerter Sicherheit, Verfügbarkeit und Wirtschaftlichkeit steht v. a. die Verbesserung der Produktqualität seiner Kunden im Fokus der anwendungsorientierten, industrietauglichen Neu- und Weiterentwicklungen des Instituts

4 Das im Portrait FuE-Kompetenz entlang des Materialkreislaufs FuE für die Charakterisierung der Materialeigenschaften Automatisierte ZfP für die prozessintegrierte Bauteilprüfung FuE zur zerstörungsfreien Prüfung am Beispiel der Wertschöpfungskette im Materialkreislauf Methoden für Recycling und Rohstoffrückgewinnung Mobile ZfP für Betriebsfestigkeit, Reparatur und Lebensdauer - 4 -

5 Qualitätsmanagement Das Qualitätsmanagementsystem des ist gemäß DIN EN ISO 9001 implementiert und zertifiziert. Die Zertifizierung umfasst die Bereiche»Forschung, Entwicklung, Qualifizierung und Applikation von zerstörungsfreier Prüftechnologie«. Das betreibt darüber hinaus ein nach DIN EN ISO/IEC flexibel akkreditiertes Prüflabor. Im Rahmen des»ilac-mra«-abkommens wird die Akkreditierung international anerkannt

6 Beispiele aus der Gussprüfung: Stahlguss Einfluss von herstellungsbedingten Ungänzen auf das Werkstoffverhalten von Stahlguss (G22NiMoCr5-6 und G20Mn5+QT) Anwendung und Qualifizierung innovativer ZfP-Verfahren Quantitative Charakterisierung der 2D- und 3D-Verteilung der realen Ungänzen und lokale Gefügeuntersuchungen Experimentelle Charakterisierung des quasi-ungänzenfreien Grundwerkstoffs Zugversuche an Proben mit Ungänzen Numerische Simulation der Versuche Definition eines statischen bruchmechanischen Ersatzmodells - 6 -

7 Beispiele aus der Gussprüfung: Stahlguss Einfluss von herstellungsbedingten Ungänzen auf das Werkstoffverhalten von Stahlguss (G22NiMoCr5-6 und G20Mn5+QT) Anwendung und Qualifizierung innovativer ZfP-Verfahren US-Handprüfung in Kontakttechnik US-Tauchtechnik, mechanisiert, inkl. 3D-Rekonstruktion Einzelschwinger sowie Gruppenstrahler - 7 -

8 Breite Deutscher Gießereitag 14./15. April 2016 in Magdeburg Beispiele aus der Gussprüfung: Stahlguss Einfluss von herstellungsbedingten Ungänzen auf das Werkstoffverhalten von Stahlguss (G22NiMoCr5-6 und G20Mn5+QT) Anwendung und Qualifizierung innovativer ZfP-Verfahren US-Handprüfung in Kontakttechnik US-Tauchtechnik, mechanisiert Prüffläche Anzeigenbereich Länge Bewertung anhand von A-Bildern nach Norm mit Zuordnung zu Gütestufen Bewertung anhand von B- und C-Bildern (Schnitte durch ein rekonstruiertes Volumen) - 8 -

9 Beispiele aus der Gussprüfung: Stahlguss Einfluss von herstellungsbedingten Ungänzen auf das Werkstoffverhalten von Stahlguss (G22NiMoCr5-6 und G20Mn5+QT) Quantitative Charakterisierung der 2D- und 3D-Verteilung der realen Ungänzen und lokale Gefügeuntersuchungen Probe , Wandstärke 60mm, Volumen Ultraschall HE-Röntgen-CT - 9 -

10 Beispiele aus der Gussprüfung: Stahlguss Einfluss von herstellungsbedingten Ungänzen auf das Werkstoffverhalten von Stahlguss (G22NiMoCr5-6 und G20Mn5+QT) Quantitative Charakterisierung der 2D- und 3D-Verteilung der realen Ungänzen und lokale Gefügeuntersuchungen Probe , Wandstärke 60mm, Volumen Ultraschall HE-Röntgen-CT

11 Beispiele aus der Gussprüfung: Gusseisen Untersuchung von Schwindungsporositäten an Sphäroguss von Manipulator Windkraftanlagenkomponenten mittels Sampling Phased Array Technik (SPA) Index Scan Tiefe Prüfmanipulator am Probekörper Scangeschwindigkeit: 100 mm/s

12 Beispiele aus der Gussprüfung: Gusseisen Untersuchung von Schwindungsporositäten an Sphäroguss von Windkraftanlagenkomponenten mittels Sampling Phased Array Technik (SPA) 3D Rekonstruktion der Ultraschalluntersuchung einer Platte (EN-GJS-400)

13 Beispiele aus der Gussprüfung: Gusseisen Röntgendurchstrahlungsaufnahme (oben) und B-Bild der SPA Ergebnisse (unten) einer herausgearbeiteten Scheibe (EN-GJS-400)

14 Beispiele aus der Gussprüfung: Gusseisen Detektion, Prüfung und Bewertung von Dross im Großgussbereich Gesamtziel: Entwicklung eines Konzeptes zum sicheren Umgang mit dem Werkstofffehler Dross bei Gusseisen mit Kugelgraphit Teilziele: Die Weiterentwicklung eines oder die Kombination mehrerer im Projekt eingesetzter ZfP-Verfahren, die eine optimale Detektion von Dross ermöglichen Die Überführung der Erkenntnisse aus den ZfP-Maßnahmen in die Praxis durch Verfahrensbeschreibungen für diese ZfP-Methoden und durch Nachweisversuche an Bauteilen Die Ermittlung von mechanischen Kennwerten anhand von statischen und zyklischen Materialuntersuchungen an Proben mit Dross

15 Beispiele aus der Gussprüfung: Gusseisen Probekörper Y (Scan) X (Index) 3MA-Prüfung von DROSS-Seite

16 Beispiele aus der Gussprüfung: Gusseisen Probekörper Y (Scan) X (Index) US-Prüfung von Dross-Gegenseite 150 mm - Rückwand 3MA-Prüfung von DROSS-Seite

17 Beispiele aus der Gussprüfung: Gusseisen Probekörper Y (Scan) X (Index) US-Prüfung von Dross-Gegenseite 150 mm - Rückwand 3MA-Prüfung von DROSS-Seite US-Prüfung von Dross-Seite 0 mm - 50 mm

18 Probekörper Beispiele aus der Gussprüfung: Gusseisen Y (Scan) X (Index) US-Prüfung von Dross-Gegenseite 150 mm - Rückwand 3MA-Prüfung 3MA-Prüfung von von DROSS-Seite Dross-Seite US-Prüfung von Dross-Seite 0 mm - 50 mm

19 Beispiele aus der Gussprüfung: Gusseisen Y (Scan) Probekörper Streufluss-Prüfung von Dross-Seite X (Index) US-Prüfung von Dross-Gegenseite 150 mm - Rückwand 3MA-Prüfung 3MA-Prüfung von von DROSS-Seite Dross-Seite US-Prüfung von Dross-Seite 0 mm - 50 mm

20 Beispiele aus der Gussprüfung: Nicht-Eisen-Druckguss Untersuchung von Poren an Nicht-Eisen-Metall-Druckgusskomponenten mittels Ultraschallrückstreumessungen 3MA-Prüfung von DROSS-Seite Ultraschallstreuung an Poren und Korngrenzen Anwendung bei oberflächennahen Untersuchungen

21 Beispiele aus der Gussprüfung: Aluminium-Druckguss Fotografie Röntgendurchstrahlungsaufnahme Metallographisches Schliffbild einer Aluminiumdruckgusskomponente 3MA-Prüfung von DROSS-Seite 3D Rekonstruktion aus Ultraschallrückstreudaten

22 Beispiele aus der Gussprüfung: Zink-Druckguss Fotografie Röntgendurchstrahlungsaufnahme Metallografisches Schliffbild einer Zinkdruckgusskomponente 3D Rekonstruktion aus Ultraschallrückstreudaten 3MA-Prüfung von DROSS-Seite Berechnung einer Grenze der Detektierbarkeit für Rückstreumessungen möglich

23 Beispiele aus der Gussprüfung: Aluminium-Schmelze Entwicklung eines praxistauglichen, ultraschall-basierten Messverfahrens zum Nachweis nichtmetallischer Einschlüsse in Aluminiumschmelze 3MA-Prüfung von DROSS-Seite

24 Wandler Deutscher Gießereitag 14./15. April 2016 in Magdeburg Beispiele aus der Gussprüfung: Aluminium-Schmelze Entwicklung eines praxistauglichen, ultraschall-basierten Messverfahrens zum Nachweis nichtmetallischer Einschlüsse in Aluminiumschmelze Sendepuls Rückwand Mehrfachreflektionen 3MA-Prüfung von DROSS-Seite

25 Wandler Wandler Deutscher Gießereitag 14./15. April 2016 in Magdeburg Beispiele aus der Gussprüfung: Aluminium-Schmelze Entwicklung eines praxistauglichen, ultraschall-basierten Messverfahrens zum Nachweis nichtmetallischer Einschlüsse in Aluminiumschmelze Sendepuls Rückwand Rückwand Mehrfachreflektionen 3MA-Prüfung von DROSS-Seite

26 Wandler Wandler Deutscher Gießereitag 14./15. April 2016 in Magdeburg Beispiele aus der Gussprüfung: Aluminium-Schmelze Entwicklung eines praxistauglichen, ultraschall-basierten Messverfahrens zum Nachweis nichtmetallischer Einschlüsse in Aluminiumschmelze Sendepuls Rückwand Rückwand Mehrfachreflektionen 3MA-Prüfung von DROSS-Seite

27 Wandler Deutscher Gießereitag 14./15. April 2016 in Magdeburg Beispiele aus der Gussprüfung: Aluminium-Schmelze Entwicklung eines praxistauglichen, ultraschall-basierten Messverfahrens zum Nachweis nichtmetallischer Einschlüsse in Aluminiumschmelze - Stärkere Schwächung der Rückwandechos durch Streuung - Rückstreuhöhe wächst mit der Streuung in Abhängigkeit von Streuergröße und Frequenz Rückwand 3MA-Prüfung von DROSS-Seite Höhe der Rückstreuamplitude

28 Normalisierte Amplitude Normalisierte Amplitude Deutscher Gießereitag 14./15. April 2016 in Magdeburg Beispiele aus der Gussprüfung: Aluminium-Schmelze Entwicklung eines praxistauglichen, ultraschall-basierten Messverfahrens zum Nachweis nichtmetallischer Einschlüsse in Aluminiumschmelze Parameter: 10 MHz, 0.25 Vol.% 10 µm 40 µm simuliert gemessen simuliert gemessen 3MA-Prüfung von DROSS-Seite TOF [µs] TOF [µs]

29 Normalisierte Amplitude Normalisierte Amplitude Deutscher Gießereitag 14./15. April 2016 in Magdeburg Beispiele aus der Gussprüfung: Aluminium-Schmelze Entwicklung eines praxistauglichen, ultraschall-basierten Messverfahrens zum Nachweis nichtmetallischer Einschlüsse in Aluminiumschmelze Parameter: 10 MHz, 1.0 Vol.% 10 µm 40 µm simuliert gemessen simuliert gemessen TOF [µs] TOF [µs]

30 Beispiele aus der Gussprüfung: Aluminium-Schmelze Entwicklung eines praxistauglichen, ultraschall-basierten Messverfahrens zum Nachweis nichtmetallischer Einschlüsse in Aluminiumschmelze Entwicklung und Aufbau einer Messhalterung Wellenleiterhalterung Winkelverstellung in 5 -Schritten Wellenleiter

31 Zerstörungsfreie Materialcharakterisierung und Fehlerprüfung von Gusskomponenten Zusammenfassung / Ausblick Langjährige Kompetenzen in Bezug auf Materialcharakterisierung und Fehlerprüfung von (Groß-)Gusskomponenten Weiterverfolgung aktueller Projekte Ungänzen Stahlguss II Aluminium-Schmelze II Impulse / Ideen / Kooperationen jederzeit willkommen Ultraschalltomographie basierend auf Handprüfung

32 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!