DE102007032063A1

DE102007032063A1 - Induktionsthermographie-Prüfstand

Info

Publication number: DE102007032063A1
Application number: DE102007032063A
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr. Baumann; Matthias Dr. Goldammer; Max Rothenfusser; Johannes Vrana
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-07-10
Filing date: 2007-07-10
Publication date: 2009-02-05
Also published as: US20090046758A1

Abstract

Der Induktionsthermographie-Prüfstand weist mindestens zwei zueinander zumindest abschnittsweise angewinkelt angeordnete Induktoren und mindestens eine Wechselstromquelle zur Versorgung der Induktoren mit in ihrer Frequenz und/oder in ihrer Phase unterschiedlichen Wechselströmen so auf, dass in einem Prüfteil ein Strom mit sich zeitlich ändernder Richtung induzierbar ist. Bei einem Verfahren zur Bestimmung von Fehlstellen in Prüfteilen mittels Induktionsthermographie wird in dem Prüfteil ein Strom mit sich zeitlich ändernder Richtung induziert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Induktionsthermographie-Prüfstand und ein Verfahren zur Bestimmung von Fehlstellen in Prüfteilen mittels Induktionsthermographie.
Bei der Induktionsthermographie handelt es sich um ein Verfahren zur zerstörungsfreien Materialuntersuchung. Dabei wird durch einen Wechselstrom, der in einer Spule (Induktor) fließt, ein Strom in einem elektrisch leitfähigen Prüfobjekt in entgegen gesetzter Richtung induziert. Wenn ein Bauteil einen Riss enthält, muss der Strom, der durch das Prüfobjekt fließt, um den Riss herumfließen. Durch die an den Riss-Enden erhöhte Stromdichte wird das Prüfobjekt an den Riss-Enden stärker erwärmt, was mit einer Infrarotkamera nachweisbar ist. Die Erwärmung des Risses findet aber nur statt, wenn der Riss auch einen möglichst großen Widerstand für den Strom darstellt. Den größtmöglichen Widerstand bietet er dabei, wenn er genau senkrecht, und den kleinstmöglichen, wenn er genau parallel zur Stromrichtung orientiert ist. Dadurch sind Risse umso schwerer nachzuweisen, je mehr ihre Orientierung von der Senkrechten zur Stromrichtung abweicht, und Risse, die genau parallel zum Strom orientiert sind, sind nicht mehr nachzuweisen.
Um Risse in allen Richtungen mit hoher Nachweiswahrscheinlichkeit erfassen zu können, werden bisher zwei Messungen durchgeführt, bei denen die Ausrichtung des Induktors zum Bauteil typischerweise um 90° gedreht wird.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit zur vereinfachten und zuverlässigen Materialprüfung auf Fehlstellen auf der Grundlage der Induktionsthermographie bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch einen Induktionsthermographie-Prüfstand nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind insbesondere den Unteransprüchen entnehmbar.
Der Induktionsthermographie-Prüfstand weist mindestens zwei zueinander zumindest abschnittsweise angewinkelt angeordnete – z. B. gekreuzte – Induktoren auf, als auch mindestens eine Wechselstromquelle zur Versorgung dieser Induktoren mit in ihrer Frequenz und/oder in ihrer Phase unterschiedlichen Wechselströmen so, dass in einem Prüfteil ein Strom mit sich zeitlich ändernder Richtung induzierbar ist.
Das heißt, dass die Ströme zumindest in zweien der zueinander angewinkelten Induktoren entweder eine unterschiedliche Frequenz aufweisen sollten, oder bei gleicher Frequenz eine versetzte Phasenlage, oder einer Kombination davon. Bei gleicher Frequenz und einem Phasenversatz von 0° bzw. 180° erhält man jedoch nur einen gedrehten Stromvektor in einer zeitlich nicht variablen Richtung, die dem Mittel der beiden Induktorenausrichtungen entspricht, was zumindest bei nur zwei Induktoren zu vermeiden ist.
Selbstverständlich können auch mehr als zwei Induktoren vorhanden sein.
Bei dem Verfahren zur Bestimmung von Fehlstellen in Prüfteilen mittels Induktionsthermographie wird in das Prüfteil ein Strom mit sich zeitlich ändernder Richtung induziert.
Es ist vorteilhaft, wenn der Prüfstand so eingerichtet ist, dass mindestens zwei der Induktoren zumindest abschnittsweise unter einem Winkel von im wesentlichen 90° zueinander angewinkelt sind, da sich so eine gleichmäßige Stromrichtungsänderung einfach in das Prüfteil einbringen lässt.
Es ist zur Induzierung winkelunabhängig gleich großer Ströme bei zwei Induktoren ferner vorteilhaft, wenn der Prüfstand so eingerichtet ist, dass der Phasenunterschied der Wechselströme zur Versorgung der jeweiligen Induktoren 90° oder 270° beträgt. Bei einer um 90° bzw. 270° versetzten Phasenlage und bei zwei um 90° gedrehten Induktoren rotiert die Stromrichtung ohne Änderung der Stärke des induzierten Stroms mit der Anregungsfrequenz um den Kreuzungspunkt der Induktoren und folglich sind Risse in allen Richtungen detektierbar. Bei gleicher Frequenz und einem Phasenversatz ungleich 90° oder 270°, aber nicht 0° oder 180° oder bei Induktoren, die nicht um 90° gegeneinander gedreht sind, rotiert nach wie vor der Strom mit der Anregefrequenz, nur hängt die Stromstärke von der Richtung ab, so dass für einige Winkelbereiche eine geringere Stromstärke induziert wird. Dadurch wird der Effekt, das Risse in allen Richtungen detektierbar sind, etwas eingeschränkt. Analog hängt bei ungleichen Wechselströmen zur Versorgung der Induktoren die Stärke des induzierten Stroms von der Richtung ab.
Bei mehr als zwei Induktoren, die einen gemeinsamen Kreuzungspunkt haben, werden die Phasenverschiebungen und Stromstärken der Versorgungswechselströme vorzugsweise denjenigen Winkeln angepasst, um die die Induktoren gegeneinander verdreht sind. Beispielsweise wird mit einer Phasenverschiebung um jeweils 120° bei drei Induktoren mit gemeinsamen Kreuzungspunkt, die um jeweils 60° gegeneinander verdreht ist, im Prüfteil ein Strom induziert, der ohne Änderung der Stromstärke mit der Anregungsfrequenz rotiert. Bei mehr als zwei Induktoren, die keinen gemeinsamen Kreuzungspunkt haben, lässt sich kein induzierter Strom im Prüfteil erreichen, der ohne Stromstärkeänderung rotiert, stattdessen kann über eine Optimierung der Winkel eine möglichst gute Verteilung des induzierten Stroms auf alle Richtungen ermöglicht werden.
Es kann alternativ oder zusätzlich vorteilhaft sein, wenn der Frequenzunterschied zumindest zweier der Wechselströme zur Versorgung der jeweiligen Induktoren ungleich Null und ungleich einem ganzzahligen Vielfachen ist. Bei unterschiedlichen Frequenzen dreht sich der Stromvektor mit der Differenz frequenz (Schwebungsfrequenz). Auch bei dieser Variante ist ein effektiver Nachweis von Rissen unabhängig von deren Orientierung möglich. Dabei sollte aber beachtet werden, dass bei ganzzahligen Vielfachen der Frequenzen (insbesondere der doppelten, bzw. halben) nur ein eingeschränkter Winkelbereich überstrichen wird und dass sich bei nur sehr gering unterschiedlichen Frequenzen der Stromvektor sehr langsam dreht. Daher sollte in diesem Fall die Messzeit ausreichend lang bemessen sein, damit der Stromvektor auch alle Bereiche der Stromrichtungen überstreichen kann und Risse in allen Richtungen zu einer zur Erfassung ausreichenden lokalen Aufheizung des Bauteils führen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels schematisch genauer erläutert.
1 zeigt in Vorderansicht einen Ausschnitt aus einem herkömmlichen Induktionsthermographie-Prüfstand mit einem Prüfteil mit Querriss;
2 zeigt in Vorderansicht einen Ausschnitt aus dem herkömmlichen Induktionsthermographie-Prüfstand von 1 mit einem Prüfteil mit Längsriss;
3 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht einen Ausschnitt aus einem Induktionsthermographie-Prüfstand mit einem Prüfteil mit Querriss;
4 zeigt in Vorderansicht einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Induktionsthermographie-Prüfstand analog zu 1 mit einem Prüfteil mit Querriss;
5 zeigt in Vorderansicht einen Ausschnitt aus dem erfindungsgemäßen Induktionsthermographie-Prüfstand von 3 mit einem Prüfteil mit Längsriss.
1 zeigt einen Induktionsthermographie-Prüfstand 1 mit einem Abschnitt eines stromdurchflossenen Induktors 2, der pa rallel zur x-Achse liegt. Der Induktor 2, z. B. eine Induktionsschleife, liegt in diesem Beispiel parallel und beabstandet zu einem quaderförmigen Prüfteil 3, dessen Längsachse ebenfalls parallel zur x-Achse ausgerichtet ist. Das Prüfteil 3 weist einen Querriss R auf, d. h., einen Riss, der bzw. dessen Rissflanken im Wesentlichen senkrecht zur x-Achse liegen. Durch den Induktor 2 kann in dem Prüfteil 3 auf bekannte Weise ein Strom induziert werden, wodurch sich das Prüfteil 3 erwärmt. Die Temperatur es Prüfteils 3 wird mittels einer Wärmebildkamera 4 abgetastet.
Je nach Orientierung des Risses R zur Stromrichtung kann sich um den Riss R herum lokal die Stromdichte und damit auch die Temperatur wesentlich erhöhen, wie auch in 3 genauer ausgeführt. Im gezeigten Beispiel bewirkt ein Querriss R die höchste Stromdichte und damit eine erhebliche lokale Temperaturerhöhung. Die Temperaturerhöhung kann als Hinweis auf ein Vorliegen des Risses R (oder einer anderen Fehlstelle) gedeutet werden.
2 zeigt die gleiche Anordnung, allerdings mit einem Längsriss R', d. h., einem Riss, der bzw. dessen Rissflanken im Wesentlichen parallel zur x-Achse liegen. Ein solcher Riss R' wird dem induzierten Strom einen nur geringen Widerstand leisten und somit zu einer nur geringen, ggf. sogar nicht oder nur schwer nachweisbaren Temperaturerhöhung führen. Bisher werden mindestens zwei Messungen durchgeführt, bei denen die Ausrichtung des Induktors 3 typischerweise um 90° gegeneinander gedreht wird, was einen erheblichen Messaufwand hervorruft.
3 zeigt einen Querschnitt aus dem Prüfteil 3, das einen Oberflächen-Querriss R aufweist. Durch einen im Induktor fließenden Strom Is wird ein Strom I im Prüfteil 3 induziert. Dieser Strom I, dessen Stromlinien gestrichelt dargestellt sind, wird sich an der Rissspitze verdichten, so dass durch die dort lokal höhere Stromdichte das Material des Prüfteils 3 stärker erwärmt wird. Diese relative Temperaturerhöhung wird durch die Wärmebildkamera 4 erfasst.
4 zeigt einen erfindungsgemäßen Induktionsthermographie-Prüfstand 5 ähnlich zu 1, und zusätzlich einem zum ersten Induktorabschnitt 2 um 90° gedrehten ('gekreuzten') Induktorabschnitt 6 eines anderen Induktors. Die beiden Induktorabschnitte 2, 6 (unterschiedlicher Induktoren) werden hier mit zueinander um 90° bzw. 270° unterschiedlicher Phasenlage angesteuert. Dadurch ändert sich die Stromrichtung im Prüfteil kontinuierlich mit der Anregungsfrequenz, so dass eine Rissorientierung optimal herausgemittelt wird. Daher wird der Querriss R aus 4 im Wesentlichen ähnlich gut erfasst wie der Längsriss R' in 5.
In einer alternativen Ausgestaltung können sich auch mehr als zwei Induktoren kreuzen. Auch können sich Induktoren an mehr als zwei Stellen kreuzen.
In einer alternativen Ausgestaltung kann bei gleicher Frequenz und ein Phasenversatz kleiner oder größer als 90° angesteuert werden. Bei einem Phasenversatz kleiner 90° werden jedoch einige Winkelbereiche vom Stromvektor nicht abgestrichen. Dadurch wird der Effekt, das Risse in allen Richtungen detektierbar sind, etwas eingeschränkt.
In einer alternativen Ausführungsform kann der Frequenzunterschied der Wechselströme in den Induktoren zur Versorgung der jeweiligen Induktoren ungleich Null sein. Bei unterschiedlichen Frequenzen dreht sich der Stromvektor mit der Differenzfrequenz (Schwebungsfrequenz). Auch bei dieser Variante ist ein effektiver Nachweis von Rissen unabhängig von deren Orientierung möglich, außer bei ganzzahligen Vielfachen der Frequenzen (insbesondere der doppelten, bzw. halben), bei denen nur ein eingeschränkter Winkelbereich überstrichen wird. Es könne auch Kombinationen aus Frequenzunterschieden und Phasenunterschieden eingestellt werden.

Claims

Induktionsthermographie-Prüfstand (5), aufweisend mindestens zwei zueinander zumindest abschnittsweise angewinkelt angeordnete Induktoren (2, 6) und mindestens eine Wechselstromquelle zur Versorgung der Induktoren (2, 6) mit in ihrer Frequenz und/oder in ihrer Phase unterschiedlichen Wechselströmen (Is) so, dass in einem Prüfteil (3) ein Strom (I) mit sich zeitlich ändernder Richtung induzierbar ist.
Induktionsthermographie-Prüfstand (5) nach Anspruch 1, bei dem mindestens zwei der Induktoren (2, 6) zumindest abschnittsweise unter einem Winkel von im wesentlichen 90° zueinander angewinkelt sind.
Induktionsthermographie-Prüfstand (5) nach Anspruch 2, der so eingerichtet ist, dass bei gleicher Frequenz der Wechselströme der Phasenunterschied zumindest zweier der Wechselströme (Is) zur Versorgung der jeweiligen Induktoren (2, 6) 90° oder 270° beträgt.
Induktionsthermographie-Prüfstand (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, der so eingerichtet ist, dass der Frequenzunterschied zumindest zweien der Wechselströme (Is) zur Versorgung der jeweiligen Induktoren (2, 6) ungleich Null und ungleich einem ganzzahligen Vielfachen ist.
Verfahren zur Bestimmung von Fehlstellen (R; R') in Prüfteilen (3) mittels Induktionsthermographie, bei dem in das Prüfteil (3) ein Strom (I) mit sich zeitlich ändernder Richtung induziert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der Strom (I) mit sich zeitlich ändernder Richtung im Prüfteil (3) mittels Fliessenlassens jeweiliger Ströme (Is) durch mindestens zwei zueinander zumindest abschnittsweise angewinkelt angeordnete Induktoren (2, 6) mit zueinander unterschiedlicher Frequenz und/oder unterschiedlicher Phasenlage erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Strom (I) mit sich zeitlich ändernder Richtung im Prüfteil (3) mittels Fliessenlassens jeweiliger Ströme (Is) durch zwei zueinander zumindest abschnittsweise um im wesentlichen 90° zueinander angewinkelt angeordnete Induktoren (2, 6) mit zueinander unterschiedlicher Frequenz und/oder unterschiedlicher Phasenlage erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem bei gleicher Frequenz der Wechselströme der Phasenunterschied zumindest zweier der Wechselströme (Is) zur Versorgung der jeweiligen Induktoren (2, 6) 90° oder 270° beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem der Frequenzunterschied zumindest zweier der Wechselströme (Is) zur Versorgung der jeweiligen Induktoren (2, 6) ungleich Null und ungleich einem ganzzahligen Vielfachen ist.