DE102008056913A1

DE102008056913A1 - Verfahren, Anordnung und mobiles Gerät zur Erfassung mechanischer Spannungen an der Oberfläche von ferromagnetischen Werkstoffen

Info

Publication number: DE102008056913A1
Application number: DE200810056913
Authority: DE
Inventors: Uwe Dr. Linnert; Carl Udo Dr. Maier; Jochen Ostermaier
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-11-12
Filing date: 2008-11-12
Publication date: 2010-05-27

Abstract

Angegeben wird ein Verfahren zur Erfassung mechanischer Spannungen an der Oberfläche ferromagnetischer Werkstoffe, wobei mittels mindestens einem magnetoelastischen Sensor (1) die magnetischen Eigenschaften an der Oberfläche von Objekten erfasst werden und aus den jeweils aufgenommenen magnetischen Eigenschaften mechanische Spannungen an der Oberfläche der Werkstücke ermittelt werden. Eine Anordnung zur Durchführung eines solchen Verfahrens weist mindestens einen magnetoelastischen Sensor auf, der an einem Mehrachsensystem automatisch über die Objektoberfläche geführt ist. Ein größerer Betriebsbereich ergibt sich durch Einsatz eines mobilen Gerätes mit mindestens einem magnetoelastischen Sensor.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Anordnung und ein mobiles Gerät zur Erfassung von Oberflächenspannungen an ferromagnetischen Werkstücken oder Bauteilen.
Oberflächliche, mechanische Spannungen an Bauteilen treten beispielsweise durch bestimmte Bearbeitungen auf wie Umformung, Wärmebehandlung oder Ähnliches oder bei der Belastung von fertigen Bauelementen. Diese mechanischen Spannungen können unerwünschte Zustände annehmen. Insbesondere kann dadurch die Lebensdauer der entsprechenden Produkte wesentlich beeinflusst werden. Daher ist es sinnvoll, die mechanischen Spannungen mit möglichst hoher Auflösung zu erfassen und auszuwerten. Daraus resultierend können Probleme, beispielsweise überhöhter Spannungen, frühzeitig durch Abänderungen von Herstellungsprozessparametern oder von Bauteilkonstruktionen oder Bauteilbelastungen vermieden werden.
Genauso ist es möglich, ältere Bauteile erst bei realistischem Bedarf auszuwechseln.
Bisher können mechanische Spannungen an der Oberfläche von Materialien in Herstellungsverfahren und bei der Qualitätssicherung nicht direkt kartiert werden.
Mechanische Spannungen können beispielsweise mittels Zugversuch oder durch Schwingungsanregung untersucht werden. Dies sind jedoch materialzerstörende Prüfverfahren und damit sehr aufwendig. Fertiggestellte Maschinen oder Bauwerke können damit insgesamt nicht oder sehr eingeschränkt geprüft werden. Weiterhin lassen diese Verfahren keine Rückschlüsse auf eingefrorene Spannungen an der Oberfläche von Werkstücken, beispielsweise gewalzten Werkstücken, zu.
Bei statischer Belastung von Bauteilen kann beispielsweise durch Simulation oder durch Versuche festgestellt werden, ob örtlich problematische, mechanische Spannungszustände vorliegen.
Der Stand der Technik weist jedoch den Nachteil auf, dass insbesondere zur Qualitätssicherung bisher keine Möglichkeit vorliegt, mechanische Spannungen an Oberflächen von Materialien oder Bauteilen zu kartieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erfassung von mechanischen Spannungen an Materialoberfläche zu ermitteln, sodass eine zweidimensionale Aufstellung von Spannungen, beispielsweise als Oberflächenverteilung, ermittelbar ist. Weiterhin soll sowohl die automatische Oberflächenabtastung als auch die Abtastung mittels eines mobilen Gerätes zur Verfügung gestellt werden.
Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmalskombination der jeweiligen Hauptansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung baut auf der Erkenntnis auf, dass mittels magnetoelastischer Sensoren die Oberfläche von zu untersuchenden ferromagnetischen Werkstücken hinsichtlich mechanischer Spannungen geprüft werden kann. Dabei werden durch den mindestens einen magnetoelastischen Sensor, der in einem geringen Abstand über die Oberfläche bewegt wird, die magnetischen Eigenschaften des Werkstoffes jeweils örtlich gemessen und registriert. Diese magnetischen Eigenschaften des Materials an der Oberfläche sind ein Maß für die mechanischen Spannungen, die am selben Ort auftreten.
Derartige Sensoren erfassen die Permerabilität ferromagnetischer Materialien, welche von der mechanischen Spannung des Materials an der Oberfläche abhängig ist. Dies wird als magnetoelastischer Effekt bezeichnet.
Mit einem magnetoelastischen Miniatursensor, der über die Oberfläche eines Objektes, das zu untersuchen ist, geführt wird, lassen sich mechanische Spannungen ermittelt. Ein derartiger Sensor registriert die Veränderung der magnetischen Eigenschaften am Objekt, während er über dieses kontinuierlich oder schrittweise hinweggeführt wird.
Durch die Miniaturisierung des magnetoelastischen Sensorelementes lassen sich räumlich hochaufgelöst, mechanische Spannungen an der Materialoberfläche nachweisen.
Durch die Erfindung lassen sich magnetische Eigenschaften von Werkstückoberflächen aufnehmen und in mechanische Spannungen umrechnen. Durch geeignete Auswertealgorithmen kann eine Karte bzw. ein räumliches Profil der mechanischen Spannungen an der Oberfläche erstellt werden. Diese Karten können zum Einen als Qualitätsnachweis genutzt werden und somit die Qualität des Werkstückes durch Änderung von Prozessparametern bei der Herstellung verbessern helfen.
Mittels einer Anordnung kann der mindestens eine magnetoelastische Sensor automatisch über eine gesamte Werkstückoberfläche geführt werden. Der Abstand zu der Werkstückoberfläche bleibt dabei in der Regel konstant.
Im Folgenden wird anhand von schematischen Figuren im Ausführungsbeispiel beschrieben.
1 zeigt in Werkstück 3 auf einer Auflage, welches von einem Sensor 1 abgetastet wird,
2 zeigt ein mobiles Gerät mit einem magnetoelastischen Sensor 1 und einer Anzeige 2, welches die Oberfläche eines Werkstückes 3 vermisst.
In 1 ist dargestellt, dass ein Sensor 1, der beispielsweise an einem Mehrachsensystem angebracht ist, ein Werkstück 3 abtastet. Die Verschiebung des Sensors geschieht in xy- Richtung. Die z-Richtung, gleichbedeutend mit dem Abstand zur Werkstückoberfläche, ist in der Regel konstant.
Der Einsatz von mikrotechnologischen bzw. nanotechnologischen Konstruktionen des Sensorelementes erlaubt, hochauflösende Messungen und damit Aussagen zur Phasen- und Gefügestruktur der Metalloberflächen beziehungsweise Aussagen zu Korngrenzen an Oberflächen. Weiterhin sind bei äußerer Anregung, wie beispielsweise mechanischer oder Temperaturanregung an der zu untersuchenden Oberfläche, auch zeitlich aufgelöste Veränderungsprozesse der vorhandenen mechanischen Spannungen an der Oberfläche nachweisbar.
Die Einstellung der Distanz über der Oberfläche kann über einen entsprechenden Abstandssensor erfolgen. Bei exakt bearbeiteten Werkstücken, kann die Einstellung der Distanz zur Oberfläche mittels Abstandssensor entfallen. Der Prüfprozess muss dann dem Werkstück entsprechend programmiert werden. Dies erfordert ein Mehrachsensystem. Die Anzahl der Freiheitsgrade ist dabei abhängig von der Komplexität des Werkstückes. Mit entsprechenden Auswertealgorithmen kann aus diesen Sensordaten ein ortsaufgelöstes Profil bzw. eine Karte mit den Spannungen an der Oberfläche des Werkstücks erstellt werden.
Bei der Überprüfung von statischen Belastungszuständen kann ein Profil vor der Belastung des Bauteiles erstellt werden und ein Profil während der Belastung. Dadurch erhält man Rückschlüsse auf konstruktiv kritische, beanspruchte Geometrien im Bauteil.
Besondere Vorteile der Erfindung sind die Reduzierung von Ausschuss bei der Herstellung bestimmter Bauelemente aus ferromagnetischen Stoffen. Damit können Kosten reduziert und die Lebensdauer von Produkten erhöht werden. Außerdem können statische Belastungsfälle direkt am Werkstück überprüft werden. Durch Miniaturisierung des magnetoelastischen Sensorelementes lassen sich räumlich hochaufgelöst mechanische Spannungen an der Materialoberfläche nachweisen und Aussagen zur Mikrostruktur an der Oberfläche des Werkstücks treffen.
Wird ein magnetoelastischer Sensor an ein Werkstück angesetzt oder in einem vorgegebenen Abstand darüber hinwegbewegt, so werden magnetische Eigenschaften des Materials an der Oberfläche erkannt. Die magnetischen Eigenschaften des Materials stehen in Bezug zu den mechanischen Spannungen an der Oberfläche.
Durch die Bereitstellung eines portablen Gerätes, welches einen magnetoelastischen Sensor beinhaltet, lassen sich die mechanischen Spannungen an der Materialoberfläche ohne großen Aufwand nachweisen. Um genaue Messergebnisse zu erhalten, muss der Sensor bei jeder Messung im gleichen Abstand zur Oberfläche stehen. Dies wird durch einen mechanischen Abstandshalter erreicht.
Bei hohen Temperaturen des zu untersuchenden Materials ist eine Temperaturkompensation notwendig. Hierfür sitzt im Sensor bzw. im Messkopf zusätzlich ein Temperatursensor, der die Temperatur des Bauteils misst. Die Messdaten werden dann mit Hilfe von Mikroprozessoren automatisch ausgewertet und zum Beispiel auf einen Bildschirm bzw. eine Anzeige 2 ausgegeben. Ist der Ort des Sensors bekannt, so können durch geeignete Auswertealgorithmen die Spannungen kartiert werden bzw. in eine zweidimensionale Profilform gebracht werden. Die Ortsbestimmung kann entweder mechanisch über ein Achsensystem, über beispielsweise einen Roboter, oder elektronisch erfolgen, beispielsweise mit Hilfe eines Lasers. Bei sehr großen Bauteilen wie Brücken oder Ähnlichem kann ein sogenanntes Globalpositionierungs-System eingesetzt werden. Vorteil der Ortsbestimmung mit einem Achsensystem ist, dass der Prüfvorgang automatisiert ablaufen kann.
Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, dass keine Sensoren auf die Werkstückoberfläche aufgeklebt oder befestigt werden müssen.
An nicht äußerlich belasteten Teilen können die eingefrorenen Spannungen untersucht werden. Durch die kompakte Bauweise ist es möglich, die Messung der Oberflächenspannungen bedienungsfreundlich zu realisieren. Insbesondere können verschiedene Oberflächenbereiche schnell und ohne starre Messgerätpositionierung durchgeführt werden. Bei Relativmessungen kann das Überschreiten eines Grenzwertes beispielsweise durch ein einfaches Signalleuchten angezeigt werden.
Mit einer Ortsbestimmung können die Spannungen kartiert und damit anschaulich dargestellt werden.

Claims

Verfahren zur Erfassung mechanischer Spannungen an der Oberfläche ferromagnetischer Werkstoffe, wobei – mittels mindestens einem magnetoelastischen Sensor (1) die magnetischen Eigenschaften an der Oberfläche von Objekten erfasst werden, – aus den jeweils aufgenommenen magnetischen Eigenschaften mechanische Spannungen an der Oberfläche der Objekte ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine magnetoelastische Sensor relativ zu einer Objektoberfläche unter Beibehaltung eines vorgegebenen Abstandes verfahren wird und die Oberfläche zumindest partiell abtastet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass von der gesamten Objektoberfläche eine zweidimensionale Darstellung von mechanischen Oberflächenspannungen erstellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung der mechanischen Spannungen eine Temperaturkompensation eingesetzt wird.
Anordnung zur Durchführung eines der Verfahren entsprechend den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine magnetoelastische Sensor an einem Mehrachsensystem angebracht ist und automatisch über die Objektoberfläche geführt ist.
Anordnung zur Durchführung eines der Verfahren entsprechend den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ortsbestimmung eines Sensors bei der Vermessung großer Bauteile ein Global-Positionierungs-System vorhanden ist.
Mobiles Gerät zur Durchführung eines Verfahrens entsprechend den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine magnetoelastische Sensor (1) frei über die Objektoberfläche führbar ist und an einer Auswerteeinheit mit Anzeige (2) angeschlossen ist.