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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feststellung von Oberflächenfehlern metallischer Werkstücke durch Temperaturfeldabtastung der beim Durchlaufen einer Hochfrequenzinduktionsspule erwärmten Werkstückoberfläche, für die an den Oberflächenfehlern eine Übertemperatur auftritt, mittels eines IR- Emissionspyrometers, wobei die zu erwärmende und abzutastende Werkstückoberfläche mit einem Überzug hohen Emissionsvermögens versehen ist.
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Das Verfahren beruht, wie schon vor Jahrzehnten erkannt, auf folgenden technischen Grundlagen: führt man einen metallischen Körper an einer Hochfrequenzinduktionsspule vorbei oder durch eine solche hindurch, werden in der Oberfläche des Prüflings Wirbelströme induziert, die seine Oberfläche aufheizen. Weist die Oberfläche Defekte, wie Risse, Sprünge, Scharten, auf, stören diese die Ausbildung eines gleichmäßig induzierten Wirbelstromfeldes in der Weise, daß die Wirbelstromlinien um die Defekte herum- und unter sie gezwungen, lokal also verdichtet werden, so daß sich der so verdichtete Kraftfluß in einer gegenüber dem fehlerfreien Umfeld der Oberfläche erhöhten Temperatur im Fehlerbereich äußert. Man erhält damit eine für die Qualität und Quantität jedes Fehlers repräsentative Temperaturverteilung, die unmittelbar nach ihrer Entstehung, d. h. nach Verlassen der Hochfrequenzinduktionsspule mittels eines IR- Emissionspyrometers erfaßt und angezeigt bzw. aufgezeichnet werden kann. Scannt man hierbei die Prüflingsoberfläche, lassen sich aus dem angezeigten oder aufgezeichneten Temperaturbild Aussagen über die Lage relativ zu einer Vorzugsrichtung des Prüflings und zur Ausdehnung und Schwere des Oberflächenfehlers des Prüflings gewinnen.
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Dem Vorteil der Emissionspyrometrie als einem kontaktfreien und das Temperaturfeld des Meßobjekts nicht verändernden Temperaturmeßverfahren, das überdies praktisch verzögerungsfrei arbeitet, steht der naturgesetzliche Nachteil gegenüber, daß die von dem IR-Emissionspyrometer zu empfangende Intensität der Temperatur- oder Wärmestrahlung (IR-Strahlung) des Meßobjekts oder Prüflings nicht nur eine Funktion der wahren Objekttemperatur ist, sondern entscheidend auch von der Natur und insbesondere dem Glanz der wärmestrahlungsemittierenden Oberfläche, d. h. von ihrem Emissionsvermögen, abhängt. Bezogen auf den ideal schwarzen Körper mit einem maximalen Emissionsvermögen von 1 weist beispielsweise (nach The Chemical Rubber Co., Handbook of Chemistry and Physics, 52. Auflage (1971-1972), Seite E-207) bei Raumtemperatur geschmiedetes mattiertes bzw. oxidiertes Eisen ein Emissionsvermögen von 0,94 auf, verrostetes Eisen ein Emissionsvermögen von 0,65 und unoxidiertes (blankes) Eisen ein solches von nur 0,05; entsprechend zeigt oxidierter und unoxidierter Stahl einen Wert von 0,80 bzw. von 0,08. Folglich wird bei der IR- Emissionspyrometrie beim nicht ideal schwarzen Körper eine scheinbar niedrigere Temperatur registriert als sie das Meßobjekt tatsächlich aufweist. Dies alleine wäre kein Hindernis, die IR-Emissionspyrometrie zur Feststellung von Werkstückoberflächen heranzuziehen, da es einerseits dem Grundsatz nach nicht auf die tatsächliche Oberflächentemperatur der hochfrequenzinduktionserhitzten Werkstückoberfläche ankommt, sondern auf die Temperaturdifferenz zwischen der erhöhten Temperatur entlang der Fehlergrenzen und der Temperatur der den Fehler umgebenden fehlerfreien Oberfläche, und sich andererseits die auf den ideal schwarzen Körper geeichten IR-Emissionspyrometer auf nicht ideal strahlende Oberflächen umeichen lassen. Vielmehr liegen die eigentlichen Nachteile darin, daß bei schwach emittierender Prüflingsoberfläche die tatsächlichen Übertemperaturen an den Fehlergrenzen als geringere Übertemperaturen an den Fehlergrenzen als gerngere Übertemperaturen registriert werden, wobei zugleich ein erheblich reduziertes Signal/Rausch- Verhältnis auftritt, und daß Inhomogenitäten der Oberfläche, die nicht von den gesuchten Oberflächenfehlern herrühren, die Meßwerte beeinflussen, so daß die Fehlersuche erschwert und die Auswertung der registrierten Temperaturwerte zu Fehlinterpretationen besonders über die Tiefe der Werkstückoberflächenfehler führen können oder führen.
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Soweit Werkstücke, die aus einem ersten Walzungsprozeß hervorgegangen sind und noch eine Walzzunderhaut tragen, mittels der IR-Emissionspyrometrie auf Oberflächenfehler untersucht werden sollen, wäre es aus Gründen des Emissionsvermögens einer Walzzunderschicht von etwa 0,9 bis 0,95 an und für sich günstig, diese Werkstücke mitsamt ihrer Zunderschicht zu vermessen. Doch steht dem die Forderung gegenüber, eine möglichst reine, zunderfreie Oberfläche vorzulegen, um nicht bereits durch Rauhigkeiten der Zunderschicht Störungen im Temperaturbild und damit in die Tiefe des Prüflings weisende Fehler angezeigt zu erhalten, die im Metallmaterial tatsächlich nicht vorliegen. Insbesondere bildet Zunder Wärmebrücken, so daß die Prüflinge eine möglichst zunderfreie Oberfläche aufweisen sollen. Bei verzunderten Werkstücken läßt sich die erwünschte entzunderte Prüfoberfläche beispielsweise durch Sandstrahlen erhalten. Doch nimmt die Prüflingsoberfläche dabei einen Glanz an, der ein stark reduziertes Emissionsvermögen und die oben geschilderten Nachteile zur Folge hat, die nach wie vor strukturelle und farbliche Oberflächeninhomogenitäten nicht ausschließen.
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Gemäß der US-Patentschrift 30 20 745 (1962) wurde nun vorgeschlagen, zur Fehlerauffindung mittels der IR- Emissionspyrometrie an Metallrohren mit Längsschweißnaht, der an einer Hochfrequenzinduktionsspule vorbeizuführenden Schweißnahtregion dadurch zu einer hohen und überdies vergleichmäßigten IR-Emission zu verhelfen, daß man die Meßfläche mit einem Überzug hohen Emissionsvermögens versieht, der nicht nur das Emissionsvermögen der ursprünglich mehr oder weniger glänzenden Prüflingsoberfläche verstärkt, sondern der auch durch Abdecken von Feldern wechselnder Färbung der Prüflingsoberfläche farblich insgesamt vereinheitlicht. Zur Lösung dieser Aufgabe wurde die Notwendigkeit eines nicht transparenten Oberflächenauftrags vorausgesetzt und in einer Schicht aus Festkörperpartikeln, vorzugsweise einer Rußschicht, gefunden, die als Dispersion von Ruß in einem Lösungs- oder Dispersionsmittel, über das die US-Patentschrift keine Aussage enthält, auf das geschweißte Rohr mit einer Sprühpistole von Hand aufgesprüht wird.
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Den Nachteil dieser - vom Grundsatz her brauchbaren - Methode beschreibt die deutsche Auslegeschrift 27 56 526 (mit Priorität von 1977) zu Recht damit, daß das Aufbringen und insbesondere das Entfernen von derartigen Substanzen wie Ruß bei Rohren mit Längsschweißnaht sehr aufwendig ist und die Prüfkosten für die Werkstücke erheblich erhöht. Zur Fehleraufspürung an Schweißnähten wird nach der DE-AS 27 56 526 daher der Weg gemäß der US-PS 30 20 745 verlassen und ein völlig anderes Konzept der IR- Emissionspyrometrie an Schweißnähten von Rohren vorgeschlagen, nach dem ein Temperaturprofil der Schweißnaht nicht mehr unmittelbar sondern in der Weise mittelbar aufgezeichnet wird, daß zunächst durch Abrollen der Naht mit einer schwarzen Gummiwalze das Temperaturprofil der Naht auf die Walze übertragen und das auf die Walze überschriebene Temperaturprofil des Prüflings dann erst von einer IR-Kamera abgenommen wird. Die Nachteile dieses Verfahrens liegen auf der Hand. So müssen sich grundsätzlich wegen der Mittelbarkeit der Temperturmessung Ungenauigkeiten in den Meßresultaten einstellen, die insbesondere daduch bedingt sind, daß die das Wärmebild des Prüfstückes vermittelnde Gummiwalze ein gewisses, wenn auch schwaches, Wärmeleitvermögen hat, das zwangsläufig zu einer Abflachung der auf sie zunächst übertragenen Wärmespitzen und insgesamt zu einer Verflachung des von ihr aufgenommenen Temperaturverteilungsbildes gegenüber dem primären Temperaturbild des Prüfstückes führt. Ein weiterer Nachteil liegt in dem stark von der Rauhigkeit des Walzenmaterials abhängigen Wärmeübergangs vom Prüfstück auf die Gummiwalze, wobei selbst kleinste erreichbare Rauhigkeitswerte von 40-80 µm für einen hervorragenden Wärmefluß nicht ohne weiteres ausreichen. Wollte man aber den Anpreßdruck der Walze auf das Prüfstück zur Unterdrückung der Rauhigkeitseinflüsse und zur Steigerung des Wärmeübergangs erhöhen, träten schnell Verschleißerscheinungen am Walzenmaterial und die Notwendigkeit zum regelmäßigen Ersatz ein. Im übrigen ist das Verfahren gemäß der DE-AS 27 56 526 langsam und könnte, neben seinen Mängeln für eine korrekte Temperaturbildregistrierung, schon deswegen nicht zur Fehlerprüfung von in schnell fahrenden Walzenstraßen zu verarbeitenden Werkstücken dienen.
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Diesem aufgezeigten Stande der Technik gegenüber liegt der vorliegenden Erfindung nun die Aufgabe zugrunde, unter Anwendung der Hochfrequenzinduktionserwärmung der auf mechanische Fehler zu untersuchenden Werkstückoberfläche und unter Nutzung der Erkenntnis gemäß der US-PS 30 20 745 über die Zweckmäßigkeit einer hinsichtlich von Wärmestrahlung hochemissionsfähigen Oberflächenbeschichtung der Prüffläche ein solches Material zu finden, das außer einem hohen IR-Emissionsvermögen die technischen Vorteile aufweist, bequem und vor allem schnell und dabei in gleichmäßiger Schichtdicke aufgebracht werden zu können, das beim Transport des Prüflings durch die Meßanordnung den Transportweg nicht verschmutzt, wozu eine ein Werkstück allseits umgebende Rußschicht unvermeidlich führen müßte, das bei einer Verdrängung oder Verletzung der emissionserhöhenden Deckschicht beim mechanischen Transport durch die Meßstrecke die Deckschichtverletzungen selbsttätig ausgleicht, das bei der Weiterverarbeitung des Prüflings keine Schwierigkeiten bereitet, insbesondere nicht mühsam und kostenintensiv zu entfernen ist, und das den wirtschaftlichen Vorteil aufweist, nur geringe Materialkosten zu verursachen.
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Gemäß der Erfindung wurde - völlig überraschend - in Wasser ein derartiges Material gefunden.
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Es hat sich herausgestellt, daß das Emissionsvermögen für sämtliche Typen von Werkstückoberflächen, seien sie nun dunkel, hell oder farbuneinheitlich, matt oder glänzend, annähernd auf den gleichen Wert gebracht werden kann, wenn man die Prüflingsoberfläche mit einem Wasserfilm zur Emissionsmessung versieht. Dabei ist es, wovon die US-PS 30 20 745 ausgeht, nicht erforderlich, die ursprüngliche Werkstückoberfläche hinsichtlich jedenfalls des sichtbaren Spektrums optisch zu versiegeln, und es erübrigt sich, dem Wasserfilm irgendwelche farbgebenden oder den freien Lichtdurchtritt versperrende Festkörperpartikel beizugeben. Im Sinne der Erfindung soll das Wasser zur raschen, vollständigen und schichtdickengleichmäßigen Benetzung der Prüflingsoberfläche jedoch ein Benetzungsmittel, das heißt, ein seine Oberflächenspannung erniedrigendes Mittel enthalten. Bei Meßtemperaturen unter 0°C ist die Anwesenheit eines gefrierpunkterniedrigenden Zusatzes angezeigt. Die geeignetste Methode zur Aufbringung eines möglichst gleichmäßigen Wasserfilms besteht darin, das Wasser fein auf die Prüflingsoberfläche aufzusprühen.
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In der Literatur (vgl. American Institute of Physics Handbook (1957), Seite 6-71) ist zwar für Wasser im Bereich zwischen 0 und 100°C ein Emissionsvermögen zwischen 0,92 und 0,96 angegeben, doch wurde die Verwendbarkeit von Wasser zu Zwecken gemäß der vorliegenden Erfindung weder im Zusammenhang mit dem Gegenstand gemäß der US-PS 30 20 745 noch später bis zur vorliegenden Erfindung erkannt. Das mag seine Erklärung darin finden, daß man wegen der oben erörterten US-PS 30 20 745 in der Vorstellung verhaftet blieb, daß die emissionsverstärkende und -vereinheitlichende Oberflächenabdeckung für das Werkstück selbst möglichst schwarz und nicht transparent zu sein habe. Vordergründig könnte es daher um so mehr überraschen, daß elementares Wasser in dünner Schicht, durch das sämtliche Struktur- und Farbmerkmale der tatsächlichen Prüflingsoberfläche durchscheinen, dieselbe Wirkung aufzuweisen vermag, wie eine visuell dichte Rußschicht. Theoretisch erklärt sich die Funktionsfähigkeit von Wasser im Sinne der Erfindung jetzt freilich dadurch, daß für seine Beurteilung nicht das menschliche Auge, sondern die registrierende IR-Kamera ausschlaggebend ist, für welche, jedenfalls ab einer gewissen Schichtdicke (den Werten in dem genannten Handbuch des American Institute of Physics ist eine unendliche Wasserschichtdicke zugrundegelegt) der aufgebrachte Wasserfilm als quasi schwarzer Körper erscheint, wobei etwaige IR-Strahlungsanteile der tatsächlichen Werkstückoberfläche in der dünnen aufgebrachten Wasserschicht entweder steckenbleiben oder von ihr jedenfalls auf ein die zuverlässige Fehlerregistrierung nicht störendes Ausmaß nivelliert werden.
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Zum Nachweis der Wirkung von Wasser, unabhängig von der tatsächlichen Oberflächenbeschaffenheit eines trockenen Werkstückes alle wasserbenetzten Oberflächen mit einem annähernd gleichen IR-Emissionsvermögen in der Nähe der Einheit 1 auszustatten, dienen die in der nachstehenden Tabelle niedergelegten und in der Figur dargestellten experimentellen Ergebnisse und Zusammenhänge.
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Es wurden oberflächenfehlerfreie und ansonsten übereinstimmende Werkstücke, jedoch mit unterschiedlich behandelter Oberfläche, auf verschiedene Oberflächentemperaturen gebracht, die mittels eines Kontaktpyrometers bestimmt wurden. Die Temperaturmessungen wurden mittels eines IR- Emissionspyrometers wiederholt und für jede Temperaturmeßmethode an fünf unterschiedlichen Oberflächen sowohl trocken als auch mit Wasserfilm (in der Tabelle als naß bezeichnet) ausgeführt. Dabei lag bei Probe A (AA 7 B) ein Werkstück mit Walzhaut vor und Probe B (102 B) war ein Werkstück mit korrodierter Oberfläche (Rost). Die mit CSa 1-2 (66 A), CSa 2 (27 B) und CSa 21/2 (60 B) bezeichneten Werkstücke enthielten eine gemäß dem schwedischen Standard SIS 055 900/1967 definierte, durch Sandstrahlen gereinigte Oberfläche. Bei den in der Tabelle angegebenen Tempraturmeßwertergebnissen handelt es sich unter T um die tatsächliche, kontaktpyrometrisch ermittelte Temperatur in °C und unter IR um die IR- emissionspyrometrisch ermittelte Temperatur in °C, wobei für alle Versuche ein auf den schwarzen Körper geeichtes Emissionspyrometer Verwendung fand. Zu jeder der fünf temperaturgemessenen Oberflächen sind in der Tabelle unter "naß" die Temperaturmeßergebnisse an den mit einem Wasserfilm versehenen Oberflächen den trocken belassenen Oberflächen gegenübergestellt.
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An den in der Tabelle von links nach rechts nach steigendem Glanz der Oberfläche sortierten Prüfstücken erkennt man für die trockenen Stücke erwartungsgemäß ein für dieselben wahren Temperaturen zunehmendes Abweichen der IR-emissionspyrometrisch ermittelten - scheinbaren - Temperaturen nach unten und ferner eine Zunahme der Abweichungen innerhalb der Temperaturreihe mit steigender wahrer Temperatur, wobei die temperaturabhängige Divergenz mit steigendem Oberflächenglanz immer stärker ins Gewicht fällt.
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Dahingegen stimmen die für die wasserbenetzten Oberflächen mit dem IR-Emissionspyrometer erhaltenen Tempraturwerte, wie aus der Tabelle überzeugend hervorgeht, mit der wahren Temperatur bei Abweichungen im Temperaturmeßintervall von maximal 2,5°C nach unten einheitlich, d. h. unabhängig von der Qualität der Oberfläche oder ihrer Vorbehandlung, sehr gut überein; ein störender Einfluß der visuell durchscheinenden tatsächlichen Werkstückoberfläche ist nicht festzustellen.
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Zur besseren Verdeutlichung der tabellierten Meßergebnisse finden sich diese noch graphisch dargestellt. Das Diagramm zeigt eindrucksvoll, wie die Emissionsfähigkeit für wasserbenetzte ganz unterschiedliche Werkstückoberflächen sowohl bei selber Temperatur als auch in Abhängigkeit von der wahren Temperatur ins selbe Niveau fällt wie das Emissionsvermögen der als quasi ideal schwarz anzusehenden Oberfläche von trockenen Werkstücken mit Walzhaut (vgl. Werkstück A (AA 7 B)). Dagegen weichen die nach der Emissionsmethode für die trockenen Stücke ermittelten Oberflächentemperaturen mit steigendem Oberflächenglanz immer weiter von der wahren Temperatur ab.
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Die Vorteile gemäß der Erfindung, zur Feststellung von Oberflächenfehlern, wie Rissen oder Sprüngen, metallischer Werkstücke durch IR- emissionspyrometrische Temperaturfeldabtastung und Registrierung der beim Durchlaufen einer Hochfrequenzinduktionsspule an den Oberflächenfehlern auftretenden Übertemperaturen in der Weise zu verfahren, daß man die zu erwärmende und hinsichtlich ihres Temperaturprofils zu vermessende Werkstückoberfläche mit einem Wasserfilm versehen hat, liegen vor dem Hintergrund der einleitenden Erörterung oben auf der Hand. So lassen sich gemäß der Erfindung beispielsweise sämtliche Werkstücke einer ersten Walzung sowie weiterbildender Walzungen einschließlich der Endprodukte in Form von Stangen, Blöcken, Rohren, Profilen usw. auf Oberflächenfehler gemäß der Erfindung prüfen. Wegen des erzielbaren günstigen Signal/Rausch-Verhältnisses bei der IR- Emissionsenergiemessung können nunmehr auch sehr flache Oberflächenfehler von weniger als 1 mm Tiefe hinreichend sicher erfaßt und erkannt werden. Das ist besonders ein Ergebnis der gleichmäßig stark, vorzugsweise durch Aufsprühen aus Düsen, aufbringbaren Wasserschicht, die bei mechanischer Verletzung sich außerdem selbsttätig ausheilt. Voraussetzung hierzu ist, wie oben bereits ausgeführt, daß der zu versprühende Wasservorrat ein Entspannungsmittel enthält. Gegenüber etwa einer Rußschicht erzeugt ein Wasserfilm keine Verschmutzung der Transport- und Meßstrecke des Werkstückes und hat den ganz hervorragenden Vorteil, bis zur Weiterverarbeitung des Werkstückes entweder ohne eigene Entfernungsmaßnahme von selbst verschwunden zu sein oder jedenfalls nicht zu stören. Ferner ist Wasser ein billiges Mittel.
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Die Vorteile von Wasser gegenüber beispielsweise einer Rußschicht als IR-emissionserhöhender und -nivellierender Oberflächenüberzug können an folgender praxisrelevanten Überlegung besonders einsichtig klargemacht werden. Geht man davon aus, daß je 8-Stundenschicht 20 km im Querschnitt quadratischer Metallknüppel von 20 cm Kantenlänge an jeder Seite auf Oberflächenfehler zu prüfen sind, müssen je Abeitsschicht 16 000 m2, entsprechend 2000 m2/h Werkstückoberflächen mit dem emissionserhöhenden Material überzogen werden. Unter Berücksichtigung, daß die Knüppel Stück nach Stück mit Abständen voneinander auf die Transportstraße verbracht werden, resultieren dann für jeden Einzelknüppel tatsächliche Transportgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 1 m/s durch die Hochfrequenzinduktionsspule und die nachfolgende Temperaturmeßstrecke. Mit dieser Bearbeitungsgeschwindigkeit sind die Knüppel für einen kontinuierlichen Arbeitsbetrieb aber auch mit dem emissionserhöhenden Material zu überziehen und, sofern der Überzug beim Produktionsablauf störte, von ihm zu reinigen. Für Ruß als Beschichtungsmaterial erwüchsen nun beträchtliche Probleme. Denn aus sprühtechnischer Sicht wäre eine Berußung in dem oben gegebenen Maßstab nur höchst schwierig zu realisieren, und nicht minder umständlich gestaltete sich die Entfernung des Überzugs; die Vorrichtungs- und Verbrauchskosten wüchsen unwirtschaftlich hoch an; und die Brauchbarkeit der Methode einer allseitigen Berußung des Werkstücks wäre überhaupt fraglich, da die Allseitenberußung von Werkstücken die Transport- und Meßstrecken bis zur Betriebsunbrauchbarkeit schnell verschmutzen müßte. Mit Wasser als emissionserhöhendem Überzug hingegen tritt keines dieser Probleme auf.
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Sofern die Erfindung nun nur unter Verwendung von entspanntem Wasser als Überzug hohen IR- Emissionsvermögens beschrieben worden ist, schließt das die analoge Verwendbarkeit von anderen Flüssigkeiten hohen Emissionsvermögens nicht aus. Wegen der vorzüglichen, womöglich einzigartigen Eigenschaften von Wasser sind andere Flüssigkeiten als mögliches IR-emissionserhöhendes Überzugsmaterial allerdings nicht untersucht worden. Emissionsbedingungen für verschiedene Werkstückoberflächen, naß und trocken Die Oberflächen sind bezogen auf SIS 055 900-1967 (Werkstück-Nr. in Klammern) &udf53;vu10&udf54;&udf53;vz19&udf54;