DE102021110881A1

DE102021110881A1 - Procedure for qualifying a surface condition of magnetizable test specimens

Info

Publication number: DE102021110881A1
Application number: DE102021110881.0A
Authority: DE
Inventors: Peter Jahnke
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2021-04-28
Filing date: 2021-04-28
Publication date: 2022-11-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Qualifizierung einer Oberflächenbeschaffenheit von elektrisch leitenden Prüfkörpern (16), das folgende Schritte aufweist: Induzieren eines Wirbelstroms in den Prüfkörper (16) über eine mit Wechselstrom gespeiste Spuleneinrichtung (18); Detektion einer Änderung einer Impedanz der Spuleneinrichtung (18); und Auswerten der Änderung der Impedanz zur Qualifizierung der Oberflächenbeschaffenheit, wobei der Wechselstrom derart angepasst wird, dass der gesamte Prüfkörper (16) so stark magnetisiert wird, dass der Prüfkörper (16) kontaktlos und dynamisch durch eine Durchgangsöffnung (30) der Spuleneinrichtung (18) hindurchführbar ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug oder ein Fahrzeugteil geprüft mit einem derartigen Verfahren.The invention relates to a method for qualifying a surface quality of electrically conductive test bodies (16), which has the following steps: inducing an eddy current in the test body (16) via a coil device (18) supplied with alternating current; detecting a change in an impedance of the coil means (18); and evaluating the change in impedance to qualify the surface quality, with the alternating current being adjusted in such a way that the entire test body (16) is magnetized so strongly that the test body (16) passes through a through-opening (30) of the coil device (18) in a contactless and dynamic manner is passable. Furthermore, the invention relates to a vehicle or a vehicle part tested with such a method.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Qualifizierung einer Oberflächenbeschaffenheit von magnetisierbaren Prüfkörpern. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Fahrzeugteil oder ein Fahrzeug geprüft mit einem derartigen Verfahren.The present invention relates to a method for qualifying a surface condition of magnetizable test specimens. Furthermore, the invention relates to a vehicle part or a vehicle tested with such a method.

Im Fahrzeugbau werden miteinander zu verbindende metallische Bauteile miteinander verschweißt. Häufig wird hierfür das Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG-Schweißen), Elektrodengas-Schweißen oder Laserstrahl-Schweißen eingesetzt. Die zu fügenden Bauteile werden relativ zueinander in Position gehalten und miteinander verschweißt. Als Schweißzusatzwerkstoffe werden üblicherweise Stäbe, Drähte, oder Schweißkugeln eingesetzt. Die Schweißzusatzwerkstoffe werden aufgeschmolzen und bilden zusammen mit dem aufgeschmolzenen Werkstoff der zu verbindenden Bauteile das Schweißgut und nach deren Erstarrung die Schweißnaht.In vehicle construction, metal components to be connected are welded together. Tungsten inert gas welding (TIG welding), electrode gas welding or laser beam welding is often used for this. The components to be joined are held in position relative to each other and welded together. Rods, wires or welding balls are usually used as welding filler materials. The welding filler materials are melted and together with the melted material of the components to be connected form the weld metal and, after solidification, the weld seam.

Für die Qualität der Schweißverbindung ist die Qualität des verwendeten Schweißzusatzwerkstoffes von erheblicher Bedeutung. So wirken sich Materialfehler, wie beispielsweise oberflächennahe Risse, Lunker oder andere Materialinhomogenitäten auf die Qualität der Schweißverbindung aus.The quality of the welding filler material used is of considerable importance for the quality of the welded joint. Material defects such as cracks near the surface, cavities or other material inhomogeneities affect the quality of the welded joint.

Zur Prüfung der Oberfläche von metallischen Körpern ist es bekannt, das sogenannte Wirbelstromverfahren anzuwenden. Hierbei handelt es sich um eine zerstörungsfreie Werkstoffprüfung, bei der eine Spule mit Wechselstrom gespeist wird, der in dem zu prüfenden Körper oberflächennahe Wirbelströme verursacht, welche mit Hilfe von Sensoren, beispielsweise in Form einer Spule, erfasst und ausgewertet werden. Materialinhomogenitäten, wie oberflächennahe Risse, Lunker, Poren oder Fremdeinschlüsse erzeugen in einem elektrisch leitfähigen Material eine andere elektrische Leitfähigkeit und/oder eine andere Permeabilität als der Prüfkörper. Diese Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit oder Permeabilität werden mit Hilfe der Sensoren erfasst und können dann mittels einer Datenverarbeitungsvorrichtung ausgewertet werden.It is known to use the so-called eddy current method to test the surface of metallic bodies. This is a non-destructive material test in which a coil is fed with alternating current, which causes near-surface eddy currents in the body to be tested, which are recorded and evaluated with the help of sensors, for example in the form of a coil. Material inhomogeneities such as cracks near the surface, cavities, pores or foreign inclusions produce a different electrical conductivity and/or a different permeability than the test specimen in an electrically conductive material. These changes in electrical conductivity or permeability are recorded using the sensors and can then be evaluated using a data processing device.

Aus DE 31 48 609 A1 geht ein Detektor zum Erfassen von Lunkern, Rissen und dergleichen in einem kugelförmigen Werkstück hervor, der einen an die Werkstückoberfläche angrenzenden Tastkopf, insbesondere einen Wirbelstromkopf, eine erste Antriebseinrichtung, mit deren Hilfe das Werkstück zu einer Drehbewegung um eine erste Drehachse antreibbar ist, und eine zweite Antriebseinrichtung, mit deren Hilfe der Tastkopf zu einer Drehbewegung um eine die erste Drehachse schneidende zweite Drehachse drehbar ist, aufweist.Out of DE 31 48 609 A1 produces a detector for detecting cavities, cracks and the like in a spherical workpiece, which has a probe head adjoining the workpiece surface, in particular an eddy current head, a first drive device, with the aid of which the workpiece can be driven to rotate about a first axis of rotation, and a second drive device, with the aid of which the probe head can be rotated about a second axis of rotation that intersects the first axis of rotation.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie ein Fahrzeugteil oder Fahrzeug zu schaffen, die eine automatisierte inline-Prüfung im Herstellungsprozess ermöglichen.The object of the present invention is to create a method and a vehicle part or vehicle that enable automated inline testing in the manufacturing process.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Fahrzeugteil oder ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 8 vorgeschlagen.To solve the problem, a method with the features of claim 1 and a vehicle part or a vehicle with the features of claim 8 are proposed.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.Advantageous configurations of the method are the subject matter of the dependent claims.

Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Qualifizierung einer Oberflächenbeschaffenheit von magnetisierbaren Prüfkörpern vorgeschlagen. Bei dem Verfahren wird zuerst ein Wirbelstrom in den Prüfkörper über eine mit Wechselstrom gespeiste Spuleneinrichtung induziert. Danach wird eine Änderung einer Impedanz der Spuleneinrichtung detektiert, und die Änderung der Impedanz wird zur Qualifizierung der Oberflächenbeschaffenheit ausgewertet. Bei dem Verfahren wird der Wechselstrom derart angepasst, dass der gesamte Prüfkörper so stark magnetisiert wird, dass der Prüfkörper kontaktlos und dynamisch durch eine Durchgangsöffnung der Spuleneinrichtung hindurchführbar ist.According to one aspect, a method for qualifying a surface condition of magnetizable test bodies is proposed. In the method, an eddy current is first induced in the test specimen via a coil device fed with alternating current. A change in an impedance of the coil device is then detected and the change in impedance is evaluated to qualify the surface condition. In the method, the alternating current is adjusted in such a way that the entire test body is magnetized to such an extent that the test body can be passed through a through-opening of the coil device in a contactless and dynamic manner.

Die Erhöhung der Energie durch Erhöhung des Wechselstroms ermöglicht es, dass der gesamte Prüfkörper so stark magnetisiert wird, dass jeder einzelne Sektor der Prüfkörperoberfläche beim Durchlauf durch die Spule tief genug angeregt wird. Diese Magnetisierung bewirkt eine Änderung der Impedanz, die detektiert, insbesondere gemessen werden kann und die Rückschlüsse auf die Oberflächenbeschaffenheit des Prüfkörpers, insbesondere auf oberflächennahe Materialinhomogenitäten, wie Risse, Lunker, Poren oder Fremdeinschlüsse ermöglicht. Das Verfahren ermöglicht durch die Erhöhung des Wechselstromes eine kontaktlose und dynamische Prüfung des Prüfkörpers. Folglich kann das Verfahren direkt im Herstellungsprozess, wie beispielsweise in einer Zuführstrecke einer Schweißanlage integriert werden, und ein direktes Aussortieren von qualitativ minderwertigen Prüfkörpern ist möglich.Increasing the energy by increasing the AC current allows the entire specimen to be magnetized to such an extent that each individual sector of the specimen's surface is sufficiently excited as it passes through the coil. This magnetization causes a change in impedance, which can be detected, in particular measured, and which allows conclusions to be drawn about the surface condition of the test specimen, in particular material inhomogeneities close to the surface, such as cracks, cavities, pores or foreign inclusions. By increasing the alternating current, the method enables contactless and dynamic testing of the test specimen. Consequently, the method can be integrated directly in the manufacturing process, such as in a feed section of a welding system, and direct sorting out of qualitatively inferior test specimens is possible.

Das Verfahren ermöglicht eine zerstörungsfreie Prüfung einer Oberflächenbeschaffenheit, beziehungsweise einer Oberflächenqualität von magnetisierbaren Prüfkörpern.The method enables non-destructive testing of a surface condition or surface quality of magnetizable test specimens.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Prüfkörper elektrisch leitfähig und dadurch magnetisierbar. Weiterhin vorteilhaft sind die Prüfkörper verschweißbar und damit für den Schweißeinsatz einsetzbar.In an advantageous embodiment, the test specimens are electrically conductive and can therefore be magnetized. Furthermore, the test specimens can advantageously be welded and can therefore be used for welding.

Die Spuleneinrichtung kann eine oder mehrere Spulen aufweisen, wobei jede Spule wenigstens eine Windung umfasst. Wenn die Spuleneinrichtung lediglich eine Spule aufweist, dann induziert diese einen Wirbelstrom in den Prüfkörper, und es kann aufgrund der Magnetisierung des Prüfkörpers in derselben Spule eine Änderung in der Impedanz detektiert werden. Grund hierfür ist, dass eine von Wechselstrom durchflossene Spule ein primäres magnetisches Wirbelstromwechselfeld erzeugt. Wird der Prüfkörper in die Spule eingebracht, in den Wirbelströme induziert werden, so wird in dem Prüfkörper ein sekundäres magnetisches Wechselfeld hervorgerufen. Dieses wirkt auf das primäre Magnetfeld zurück und schwächt dieses, wodurch es zu einer Änderung der Impedanz in der Spule kommt. Ferner kann die Spuleneinrichtung eine erste Spule, die einen Wirbelstrom in den Prüfkörper induziert, und eine zweite Spule, die das im Prüfkörper hervorgerufene magnetische Wechselfeld misst, enhalten. Die erste Spule kann als Erregerspule und die zweite Spule kann als Detektorspule bezeichnet werden. Sowohl die erste Spule als auch die zweite Spule können mehrere Windungen aufweisen. The coil device can have one or more coils, each coil comprising at least one turn. If the coil device has only one coil, then this induces an eddy current in the test body, and a change in the impedance can be detected in the same coil due to the magnetization of the test body. The reason for this is that a coil through which alternating current flows generates a primary magnetic eddy current alternating field. If the test body is introduced into the coil in which eddy currents are induced, a secondary magnetic alternating field is generated in the test body. This acts back on the primary magnetic field and weakens it, resulting in a change in the impedance in the coil. Furthermore, the coil device can contain a first coil, which induces an eddy current in the test body, and a second coil, which measures the alternating magnetic field generated in the test body. The first coil can be referred to as the excitation coil and the second coil can be referred to as the detector coil. Both the first coil and the second coil can have multiple turns.

Vorteilhaft werden Wirbelströme in den Prüfkörper zur Qualifizierung von dessen Oberflächenbeschaffenheit induziert.Eddy currents are advantageously induced in the test body to qualify its surface quality.

Die Prüffrequenz sowie die elektrischen und magnetischen Eigenschaften, das Gefüge, die Härte und Abmessung des Prüfkörpers bestimmen maßgeblich das im Prüfkörper hervorgerufene magnetische Wechselfeld und damit eine Änderung der Impedanz der Spuleneinrichtung.The test frequency as well as the electrical and magnetic properties, the structure, the hardness and dimensions of the test specimen largely determine the alternating magnetic field generated in the test specimen and thus a change in the impedance of the coil device.

Unter kontaktlosem und dynamischem Hindurchführen wird vorliegend ein Bewegen des Prüfkörpers durch die Spuleneinrichtung, ohne dass selbige berührt wird, verstanden. Dadurch kann beispielsweise das Verfahren im Herstellprozess, wie beispielsweise in einer Zuführstrecke zu einer Schweißanlage, eingesetzt werden. So kann beispielsweise der Prüfkörper durch die Durchgangsöffnung hindurchgeworfen werden.In the present context, contactless and dynamic passage means moving the test body through the coil device without touching the same. As a result, for example, the method can be used in the manufacturing process, such as in a feed line to a welding system. For example, the test body can be thrown through the through-opening.

Die Durchgangsöffnung kann von wenigstens einer Windung der Spuleneinrichtung gebildet sein. Ferner kann die Durchgangsöffnung von einer Vielzahl an Windungen der Spuleneinrichtung gebildet sein. Weiterhin kann die Spuleneinrichtung umfassend wenigstens eine Windung oder mehrere Windungen in einem Gehäuse angeordnet sein, das eine Öffnung zum Hindurchführen des Prüfkörpers aufweist, wobei die wenigstens eine Windung oder die Windungen der Spuleneinrichtung die Öffnung umgeben. Die Öffnung des Gehäuses kann als Tunnel ausgebildet sein, durch welchen der Prüfkörper hindurchgeführt wird.The passage opening can be formed by at least one turn of the coil device. Furthermore, the passage opening can be formed by a large number of windings of the coil device. Furthermore, the coil device can be arranged, comprising at least one turn or a plurality of turns, in a housing which has an opening for passing the test body through, the at least one turn or the turns of the coil device surrounding the opening. The opening of the housing can be designed as a tunnel through which the test specimen is passed.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung beträgt der in die Spuleneinrichtung eingespeiste Wechselstrom zwischen 100 Milliampere (mA) und 50 Ampere (A), insbesondere zwischen 20 Ampere (A) und 30 Ampere (A). Dadurch wird ausreichend Energie zur Verfügung gestellt, die den gesamten Prüfkörper so stark magnetisieren und damit die Oberfläche des Prüfkörpers tief genug anregen kann, dass eine kontaktlose und dynamische Prüfung durchführbar ist. Da es sich um Wechselstrom handelt, sind die 100 mA und 50 A als Effektivwerte zu verstehen. Vorteilhaft handelt es sich um einen mittel- oder hochfrequenten Wechselstrom. Herkömmliche Verfahren benutzen für die Wirbelstromprüfung zwischen 2 und 3 A. In an advantageous embodiment, the alternating current fed into the coil device is between 100 milliamperes (mA) and 50 amperes (A), in particular between 20 amperes (A) and 30 amperes (A). This provides sufficient energy to magnetize the entire test body so strongly and thus excite the surface of the test body deep enough that a contactless and dynamic test can be carried out. Since it is alternating current, the 100 mA and 50 A are to be understood as effective values. It is advantageously a medium or high-frequency alternating current. Conventional methods use between 2 and 3 A for eddy current testing.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung beträgt die Eindringtiefe des Wirbelstroms zwischen 0,01 mm und 2 mm. Die Eindringtiefe ist abhängig von der Prüffrequenz, wie im Folgenden noch näher erläutert wird.In an advantageous embodiment, the penetration depth of the eddy current is between 0.01 mm and 2 mm. The penetration depth depends on the test frequency, as will be explained in more detail below.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird zur Qualifizierung der Oberflächenbeschaffenheit die detektierte Änderung der Impedanz mittels einer Oberwellenanalyse ausgewertet. Dadurch können oberflächennahe Defekte, wie Risse, Poren, Lunker oder Fremdeinschlüsse exakt bestimmt werden. Bei der Oberwellenanalyse wird der Einfluss des von dem Wirbelstrom erzeugten sekundären magnetischen Wechselfelds, das eine Veränderung der Impedanz der Spuleneinrichtung bewirkt, von der Spuleneinrichtung gemessen. Die Messung des erzeugten Sekundärfelds beziehungsweise der Veränderung der Impedanz der Spuleneinrichtung erzeugt ein im Vergleich zum Sendesignal in der Amplitude verändertes und phasenverschobenes Empfangssignal. Vorteilhaft wird der Messwert in der Impedanzebene dargestellt und errechnet sich aus Amplitude und Phasenverschiebung des Empfangssignals. Der Messwert ist abhängig von der Prüffrequenz, den elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Prüfkörpers sowie der Abmessung des Prüfkörpers. Dabei hängen die magnetische Permeabilität und elektrische Leitfähigkeit empfindlich von Qualitätsmerkmalen des Werkstoffs ab, wie dessen Legierungszusammensetzung, Wärmebehandlung, Gefügeausbildung und mechanischen Eigenschaften wie Härte und Festigkeit. Das Empfangssignal ist aber nie eine harmonische Welle wie das Sendesignal, sondern eine nicht sinusförmige Welle, welche sich aus einer Grund- und aufgesetzten Oberwelle beziehungsweise Grundschwingung und aufgesetzten Oberschwingungen zusammensetzt. Die Grundwelle ist anfällig für Störeinflüsse durch Chargenwechsel, Positioniertoleranzen und Temperaturschwankungen. Die Oberwellen sind Folge des nicht-linearen magnetischen Werkstoffverhaltens, also der Hysteresis der Magnetisierungskurve, insbesondere deren magnetischer Eigenschaften, woraus sich genauere Informationen wie die Ausbildung der Gefügestruktur des Prüfkörpers ergeben. Die verzerrte Wellenform kann mithilfe einer Fourier-Transformation in Grund- und Oberwellen der 1-, 3-, 5-, 7-, 9- oder auch 11-fachen Frequenz zerlegt werden. Die Auswertung der Oberwellen liefert ein noch genaueres Bild der magnetischen Eigenschaften des Prüfkörpers und damit genauere Informationen über die Ausbildung der Gefügestruktur. Die Feldverdrängung, die auch als Skin-Effekt bezeichnet wird, bewirkt, dass die Wirbelströme mit steigender Frequenz immer weniger eindringen. Die Eindringtiefe δ ist definiert als der Abstand zur Oberfläche der Probe, bei welchem die Wirbelstromintensität auf den Wert 1/e (36,8%) des Wertes einer Oberfläche abgefallen ist, und kann durch folgende Formel berechnet werden: $δ = \frac{503}{\sqrt{ƒ * μ_{r} * σ}} [mm]$

In an advantageous embodiment, the detected change in the impedance is evaluated by means of a harmonic analysis in order to qualify the surface quality. This means that defects close to the surface, such as cracks, pores, cavities or foreign inclusions can be precisely determined. In the harmonic analysis, the influence of the secondary magnetic alternating field generated by the eddy current, which causes a change in the impedance of the coil device, is measured by the coil device. The measurement of the generated secondary field or the change in the impedance of the coil device generates a received signal that is different in amplitude and phase-shifted compared to the transmitted signal. The measured value is advantageously displayed in the impedance plane and is calculated from the amplitude and phase shift of the received signal. The measured value depends on the test frequency, the electrical and magnetic properties of the test specimen and the dimensions of the test specimen. The magnetic permeability and electrical conductivity depend sensitively on quality characteristics of the material, such as its alloy composition, heat treatment, microstructure and mechanical properties such as hardness and strength. However, the received signal is never a harmonic wave like the transmitted signal, but a non-sinusoidal wave, which is composed of a fundamental and an applied harmonic or a fundamental and applied harmonics. The fundamental wave is susceptible to interference from batch changes, positioning tolerances and temperature fluctuations. The harmonics are the result of the non-linear magnetic material behavior, i.e. the hysteresis of the magnetization curve, in particular its magnet ical properties, resulting in more precise information such as the formation of the microstructure of the test specimen. The distorted waveform can be broken down into fundamentals and harmonics of 1, 3, 5, 7, 9 or even 11 times the frequency using a Fourier transform. The evaluation of the harmonics provides an even more precise picture of the magnetic properties of the test specimen and thus more precise information about the formation of the microstructure. The field displacement, also known as the skin effect, causes the eddy currents to penetrate less and less as the frequency increases. The penetration depth δ is defined as the distance to the surface of the sample at which the eddy current intensity has dropped to the value 1/e (36.8%) of the value of a surface and can be calculated by the following formula:

δ = \frac{503}{\sqrt{ƒ * µ_{right} * σ}} [mm]

Die Grenze der Prüfbarkeit ist vorteilhaft bei 4δ. Die Intensität der Wirbelströme nimmt mit zunehmender Eindringtiefe in das Metall ab, das heißt, umso kleiner die Prüffrequenz, desto größer ist die Eindringtiefe. Dadurch ergeben sich vorteilhaft Prüffrequenzen von 500 Hz bis 20 MHz, insbesondere von 1 kHz bis 128 kHz, für die Grundwellen und 1 kHz bis 8 kHz für die Oberwellen. So kann die Eindringtiefe bei 1 kHz ca. 1 mm, bei 8 kHz ca. 0,2 mm und bei 128 kHz ca. 0,02 mm betragen.The testability limit is advantageous at 4δ. The intensity of the eddy currents decreases with increasing penetration depth into the metal, i.e. the lower the test frequency, the greater the penetration depth. This advantageously results in test frequencies of 500 Hz to 20 MHz, in particular 1 kHz to 128 kHz, for the fundamental waves and 1 kHz to 8 kHz for the harmonics. The penetration depth can be approx. 1 mm at 1 kHz, approx. 0.2 mm at 8 kHz and approx. 0.02 mm at 128 kHz.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Prüfkörper ein verschweißbarer Kugelkörper. Bevorzugt ist der Kugelkörper eine Schweißkugel. Die Schweißkugel kann aus Metall sein.In an advantageous embodiment, the test body is a weldable spherical body. The ball body is preferably a weld ball. The welding ball can be made of metal.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Prüfkörper eine Schraube, ein Gewindebolzen und/oder ein T-Bolzen. Somit lässt sich das Verfahren auf eine Vielzahl an Prüfkörpern anwenden.In an advantageous embodiment, the test body is a screw, a threaded bolt and/or a T-bolt. The method can therefore be applied to a large number of test specimens.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das Verfahren zur inline-Prüfung eingesetzt. Dadurch kann das Verfahren im Herstellprozess, wie beispielsweise in einer Zuführstrecke zu einer Schweißanlage eingesetzt werden. Vorliegend kann die inline-Prüfung auch als insitu-Prüfung bezeichnet werden.In an advantageous embodiment, the method is used for inline testing. As a result, the method can be used in the manufacturing process, such as in a feed line to a welding system. In the present case, the inline test can also be referred to as an in-situ test.

Eine Vorrichtung zur Qualifizierung einer Oberflächenbeschaffenheit von magnetisierbaren und/oder elektrisch leitfähigen Prüfkörpern, mittels der das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden kann, weist eine Spuleneinrichtung zum Induzieren eines Wirbelstroms in den Prüfkörper, eine Detektionseinrichtung zur Detektion einer Änderung einer Impedanz der Spuleneinrichtung und eine Auswerteeinrichtung zum Auswerten der Änderung der Impedanz und der damit einhergehenden Qualifizierung einer Oberflächenbeschaffenheit auf.A device for qualifying a surface condition of magnetizable and/or electrically conductive test specimens, by means of which the method according to the invention can be applied, has a coil device for inducing an eddy current in the test specimen, a detection device for detecting a change in an impedance of the coil device and an evaluation device for evaluation the change in impedance and the associated qualification of a surface finish.

Die Detektionseinrichtung kann Bestandteil der Spuleneinrichtung sein. So kann mittels der Spuleneinrichtung einerseits ein Wirbelstrom in den Prüfkörper induziert und andererseits die daraus resultierende Impedanzänderung detektiert beziehungsweise gemessen werden. Ferner kann der Detektionseinrichtung ein separater Sensor, beispielsweise eine zweite Spuleneinrichtung sein.The detection device can be part of the coil device. Thus, on the one hand, an eddy current can be induced in the test body by means of the coil device and, on the other hand, the resulting change in impedance can be detected or measured. Furthermore, the detection device can be a separate sensor, for example a second coil device.

Die Spuleneinrichtung kann wenigstens eine Spule oder mehrere Spulen aufweisen, wobei die wenigstens eine Spule oder die mehreren Spulen wenigstens eine Windung oder mehrere Windungen aufweisen.The coil device can have at least one coil or multiple coils, the at least one coil or multiple coils having at least one turn or multiple turns.

Sowohl die Spuleneinrichtung als auch die Detektionseinrichtung kann in einem Gehäuse angeordnet sein, das eine Durchgangsöffnung zum Hindurchführen des Prüfkörpers aufweist, wobei die Spuleneinrichtung und die Detektionseinrichtung in der Durchgangsöffnung angeordnet sind, insbesondere die Durchgangsöffnung umgeben.Both the coil device and the detection device can be arranged in a housing which has a through-opening for passing the test body through, the coil device and the detection device being arranged in the through-opening, in particular surrounding the through-opening.

Die Auswerteeinrichtung kann eine Datenverarbeitungsvorrichtung, wie beispielsweise ein Computer, sein. Die Spuleneinrichtung und/oder Detektionseinrichtung kann über eine Signalübertragungsleitung, wie beispielsweise ein Kabel, mit der Auswerteeinrichtung verbunden sein. Ferner kann die Spuleneinrichtung über die Auswerteeinrichtung mit Wechselstrom bestromt werden.The evaluation device can be a data processing device, such as a computer. The coil device and/or detection device can be connected to the evaluation device via a signal transmission line, such as a cable. Furthermore, the coil device can be supplied with alternating current via the evaluation device.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Fahrzeugteil oder ein Fahrzeug vorgeschlagen, das mit einem erfindungsgemäßen Verfahren geprüft ist.According to a further aspect, a vehicle part or a vehicle is proposed which is tested using a method according to the invention.

Nachfolgend werden ein Fahrzeug, eine Prüfvorrichtung sowie ein Verfahren zur Qualifizierung einer Oberflächenbeschaffenheit von magnetisierbaren Prüfkörpern sowie weitere Merkmale und Vorteile anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in den Figuren schematisch dargestellt ist. Hierbei zeigen:

1 ein Fahrzeug mit einem Fahrzeugteil, das mittels einer Prüfvorrichtung und einem Verfahren zur Qualifizierung einer Oberflächenbeschaffenheit von magnetisierbaren Prüfkörpern geprüft worden ist;
2 eine perspektivische Darstellung der Prüfvorrichtung; und
3 ein Blockdiagramm des Verfahrens zur Qualifizierung einer Oberflächenbeschaffenheit von magnetisierbaren Prüfkörpern.

A vehicle, a testing device and a method for qualifying a surface condition of magnetizable test bodies and further features and advantages are explained in more detail below using an exemplary embodiment which is shown schematically in the figures. Here show:

1 a vehicle with a vehicle part that has been tested using a testing device and a method for qualifying a surface condition of magnetizable test specimens;
2 a perspective view of the test device; and
3 a block diagram of the method for qualifying a surface condition of magnetizable test specimens.

In 1 ist ein Fahrzeug 10 mit einem Fahrzeugteil 12, das mit einer in 2 dargestellten Prüfvorrichtung 14 geprüft worden ist, gezeigt. Das Fahrzeug 10 kann ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor oder einer als Elektromotor ausgebildeten Antriebsmaschine sein. Das Fahrzeugteil 12 kann ein Karosserieteil sein.In 1 is a vehicle 10 with a vehicle part 12, which is provided with an in 2 test shown device 14 has been tested. The vehicle 10 can be a motor vehicle with an internal combustion engine or a drive machine designed as an electric motor. The vehicle part 12 can be a body part.

Die Prüfvorrichtung 14 dient zur Qualifizierung einer Oberflächenbeschaffenheit von magnetisierbaren und/oder elektrisch leitfähigen Prüfkörpern 16. Hierzu induziert die Prüfvorrichtung 14 Wirbelströme in den Prüfkörper 16, die diesen magnetisieren. Diese Magnetisierung kann detektiert und Rückschlüsse auf oberflächennahe Materialinhomogenitäten, wie beispielsweise Risse, Lunker, Poren oder Fremdeinschlüsse, des Prüfkörpers 16 getroffen werden.The testing device 14 is used to qualify a surface condition of magnetizable and/or electrically conductive test specimens 16. For this purpose, the testing device 14 induces eddy currents in the test specimen 16, which magnetize it. This magnetization can be detected and conclusions can be drawn about material inhomogeneities close to the surface, such as cracks, cavities, pores or foreign inclusions, of the test body 16 .

Die Prüfkörper 16 sind vorliegend als Schweißkugeln ausgebildet. Ferner können mittels der Prüfvorrichtung 14 auch Schrauben, Gewindebolzen und/oder T-Bolzen geprüft werden.In the present case, the test specimens 16 are in the form of welding balls. Furthermore, the testing device 14 can also be used to test screws, threaded bolts and/or T-bolts.

Die Prüfvorrichtung 14 weist ein Gehäuse 17 auf, innerhalb dem eine Spuleneinrichtung 18 und eine Detektionseinrichtung 20 angeordnet sind. Des Weiteren weist die Prüfvorrichtung 14 eine Auswerteeinrichtung 22 auf.The testing device 14 has a housing 17 within which a coil device 18 and a detection device 20 are arranged. Furthermore, the testing device 14 has an evaluation device 22 .

Das Gehäuse 17 weist eine Durchgangsöffnung 21 auf, durch welche die Prüfkörper 16 zur Qualifizierung ihrer Oberflächenbeschaffenheit hindurchführbar sind. Die Spuleneinrichtung 18 und die Detektionseinrichtung 20 umgeben die Durchgangsöffnung 21.The housing 17 has a through-opening 21 through which the test specimens 16 can be passed to qualify their surface quality. The coil device 18 and the detection device 20 surround the through-opening 21.

Die Spuleneinrichtung 18 weist mehrere Spulen 24 auf, die mit Wechselstrom gespeist werden, so dass ein primäres magnetisches Wirbelstromwechselfeld erzeugt wird. Wenn der Prüfkörper 16 in die Durchgangsöffnung 21 eingebracht wird, werden infolge des primären magnetischen Wirbelstromwechselfeldes Wirbelströme in den Prüfkörper 16 induziert, die den Prüfkörper 16 magnetisieren und ein sekundäres magnetisches Wechselfeld in dem Prüfkörper 16 hervorrufen.The coil device 18 has a plurality of coils 24 which are fed with alternating current, so that a primary magnetic eddy current alternating field is generated. When the test body 16 is introduced into the through-opening 21, eddy currents are induced in the test body 16 as a result of the primary magnetic eddy current alternating field, which magnetize the test body 16 and cause a secondary magnetic alternating field in the test body 16.

Die Spuleneinrichtung 18 bildet vorliegend gleichzeitig die Detektionseinrichtung 20. Das in dem Prüfkörper 16 hervorgerufene sekundäre magnetische Wechselfeld wirkt auf das primäre magnetische Wechselfeld der Spuleneinrichtung 18 zurück und schwächt dieses, wodurch es zu einer Änderung der Impedanz in der Spuleneinrichtung 18 beziehungsweise Detektionseinrichtung 20 kommt. Diese Änderung der Impedanz wird von der Auswerteeinrichtung 22 detektiert beziehungsweise gemessen.In the present case, the coil device 18 also forms the detection device 20. The secondary alternating magnetic field produced in the test body 16 acts back on the primary alternating magnetic field of the coil device 18 and weakens it, which results in a change in the impedance in the coil device 18 or detection device 20. This change in impedance is detected or measured by the evaluation device 22 .

In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Detektionseinrichtung 20 eine separate Spuleneinrichtung sein, mittels der eine Änderung einer Impedanz detektiert beziehungsweise gemessen wird, oder die Detektionseinrichtung 20 kann ein Sensor sein, der eine Änderung eines Magnetfeldes in dem Prüfkörper 16 detektiert beziehungsweise misst.In an exemplary embodiment that is not shown, the detection device 20 can be a separate coil device, by means of which a change in an impedance is detected or measured, or the detection device 20 can be a sensor that detects or measures a change in a magnetic field in the test body 16 .

Die Auswerteeinrichtung 22 ist eine Datenverarbeitungsvorrichtung 26, wie beispielsweise ein Computer, die die Änderung der Impedanz der Spuleneinrichtung 18 detektiert und auswertet. Hierzu ist die Auswerteeinrichtung 22 über eine Signalübertragungsleitung 28 mit der Spuleneinrichtung 18 verbunden.The evaluation device 22 is a data processing device 26, such as a computer, which detects the change in the impedance of the coil device 18 and evaluates it. For this purpose, the evaluation device 22 is connected to the coil device 18 via a signal transmission line 28 .

Die Auswerteeinrichtung 22 speist zudem über ein Kabel 29 Wechselstrom in die Spuleneinrichtung 18. Der in die Spuleneinrichtung 18 eingespeiste Wechselstrom beträgt zwischen 20 Ampere und 30 Ampere. Dadurch wird ausreichend Energie zur Verfügung gestellt, die den gesamten Prüfkörper 16 so stark magnetisieren und damit die Oberfläche des Prüfkörpers 16 tief genug anregen kann, dass eine kontaktlose und dynamische Prüfung durchführbar ist.The evaluation device 22 also feeds alternating current into the coil device 18 via a cable 29. The alternating current fed into the coil device 18 is between 20 amperes and 30 amperes. This provides sufficient energy to magnetize the entire test body 16 so strongly and thus excite the surface of the test body 16 deeply enough that a contactless and dynamic test can be carried out.

Die Auswertung der Änderung der Impedanz und damit der Qualifizierung der Oberflächenbeschaffenheit des Prüfkörpers 16 erfolgt in der Auswerteeinrichtung 22 mittels der sogenannten Oberwellenanalyse. Dadurch können oberflächennahe Defekte, wie Risse, Poren, Lunker oder Fremdeinschlüsse exakt bestimmt werden. Bei der Oberwellenanalyse wird der Einfluss des von dem Wirbelstrom erzeugten sekundären magnetischen Wechselfelds, das eine Veränderung der Impedanz der Spuleneinrichtung 18 beziehungsweise der Detektionseinrichtung 20 bewirkt, von der Spuleneinrichtung 18 beziehungsweise Detektionseinrichtung 20 gemessen. Die Messung des erzeugten Sekundärfelds beziehungsweise der Veränderung der Impedanz der Spuleneinrichtung 18 erzeugt ein im Vergleich zum Sendesignal in der Amplitude verändertes und phasenverschobenes Empfangssignal. Der Messwert wird in der Impedanzebene dargestellt und errechnet sich aus Amplitude und Phasenverschiebung des Empfangssignals. Der Messwert ist abhängig von der Prüffrequenz, den elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Prüfkörpers 16 sowie der Abmessung des Prüfkörpers 16. Dabei hängen die magnetische Permeabilität und elektrische Leitfähigkeit empfindlich von Qualitätsmerkmalen des Werkstoffs ab, wie dessen Legierungszusammensetzung, Wärmebehandlung, Gefügeausbildung und mechanischen Eigenschaften wie Härte und Festigkeit. Das Empfangssignal ist aber nie eine harmonische Welle wie das Sendesignal, sondern eine nicht sinusförmige Welle, welche sich aus einer Grund- und aufgesetzten Oberwelle beziehungsweise Grundschwingung und aufgesetzten Oberschwingungen zusammensetzt. Die Grundwelle ist anfällig für Störeinflüsse durch Chargenwechsel, Positioniertoleranzen und Temperaturschwankungen. Die Oberwellen sind Folge des nicht-linearen magnetischen Werkstoffverhaltens, also der Hysteresis der Magnetisierungskurve, insbesondere deren magnetischer Eigenschaften, woraus sich genauere Informationen wie die Ausbildung der Gefügestruktur des Prüfkörpers 16 ergeben. Die verzerrte Wellenform kann mithilfe einer Fourier-Transformation in Grund- und Oberwellen der 1-, 3-, 5-, 7-, 9- oder auch 11-fachen Frequenz zerlegt werden. Die Auswertung der Oberwellen liefert ein noch genaueres Bild der magnetischen Eigenschaften des Prüfkörpers und damit genauere Informationen über die Ausbildung der Gefügestruktur. Die Feldverdrängung, die auch als Skin-Effekt bezeichnet wird, bewirkt, dass die Wirbelströme mit steigender Frequenz immer weniger eindringen. Die Eindringtiefe δ ist definiert als der Abstand zur Oberfläche der Probe, bei welchem die Wirbelstromintensität auf den Wert 1/e (36,8%) des Wertes einer Oberfläche, abgefallen ist und kann durch folgende Formel berechnet werden: $δ = \frac{503}{\sqrt{ƒ * μ_{r} * σ}} [mm]$

The evaluation of the change in impedance and thus the qualification of the surface condition of the test body 16 takes place in the evaluation device 22 by means of the so-called harmonic analysis. This means that defects close to the surface, such as cracks, pores, cavities or foreign inclusions can be precisely determined. In the harmonic analysis, the influence of the secondary magnetic alternating field generated by the eddy current, which causes a change in the impedance of the coil device 18 or the detection device 20, is measured by the coil device 18 or the detection device 20. The measurement of the generated secondary field or the change in the impedance of the coil device 18 generates a received signal that has a different amplitude and is phase-shifted in comparison to the transmitted signal. The measured value is displayed in the impedance plane and is calculated from the amplitude and phase shift of the received signal. The measured value depends on the test frequency, the electrical and magnetic properties of the test body 16 and the dimensions of the test body 16. The magnetic permeability and electrical conductivity depend sensitively on quality characteristics of the material, such as its alloy composition, heat treatment, microstructure and mechanical properties such as hardness and firmness. However, the received signal is never a harmonic wave like the transmitted signal, but a non-sinusoidal wave, which is composed of a fundamental and an applied harmonic or a fundamental and applied harmonics. The fundamental is susceptible to interference from batch changes, positioning tolerances and temperature fluctuations. The harmonics are a result of the non-linear magnetic material behavior, ie the hysteresis of the magnetization curve, in particular its magnetic properties, from which more precise information such as the formation of the microstructure of the test body 16 results. The distorted waveform can be broken down into fundamentals and harmonics of 1, 3, 5, 7, 9 or even 11 times the frequency using a Fourier transform. The evaluation of the harmonics provides an even more precise picture of the magnetic properties of the test specimen and thus more precise information about the formation of the microstructure. The field displacement, also known as the skin effect, causes the eddy currents to penetrate less and less as the frequency increases. The penetration depth δ is defined as the distance to the surface of the sample at which the eddy current intensity has dropped to the value 1/e (36.8%) of the value of a surface and can be calculated using the following formula:

δ = \frac{503}{\sqrt{ƒ * µ_{right} * σ}} [mm]

Die Grenze der Prüfbarkeit ist bei 4δ. Die Intensität der Wirbelströme nimmt mit zunehmender Eindringtiefe in das Metall ab, das heißt, umso kleiner die Prüffrequenz, desto größer ist die Eindringtiefe. Dadurch ergeben sich Prüffrequenzen von 500 Hz bis 20 MHz, insbesondere von 1 kHz bis 128 kHz, für die Grundwellen und 1 kHz bis 8 kHz für die Oberwellen. So beträgt die Eindringtiefe bei 1 kHz ca. 1 mm, bei 8 kHz ca. 0,2 mm und bei 128 kHz ca. 0,02 mm.The limit of testability is at 4δ. The intensity of the eddy currents decreases with increasing penetration depth into the metal, i.e. the lower the test frequency, the greater the penetration depth. This results in test frequencies of 500 Hz to 20 MHz, in particular 1 kHz to 128 kHz, for the fundamental waves and 1 kHz to 8 kHz for the harmonics. The penetration depth at 1 kHz is approx. 1 mm, at 8 kHz approx. 0.2 mm and at 128 kHz approx. 0.02 mm.

Im Folgenden wird ein Verfahren zur Qualifizierung der Oberflächenbeschaffenheit eines Prüfkörpers 16 mittels der Prüfvorrichtung 14 beschrieben, das in 3 schematisch dargestellt ist.A method for qualifying the surface quality of a test body 16 using the testing device 14 is described below, which is 3 is shown schematically.

In Schritt S1 wird in die Spuleneinrichtung 18 ein Wechselstrom eingespeist, der ein primäres magnetisches Wirbelstromwechselfeld erzeugt.In step S1, an alternating current is fed into the coil device 18, which generates a primary magnetic eddy current alternating field.

In Schritt S2 wird der Prüfkörper 16 durch die Durchgangsöffnung 21 hindurchgeführt, wobei Wirbelströme in den Prüfkörper 16 induziert werden. Diese rufen ein sekundäres magnetisches Wechselfeld in dem Prüfkörper 16 hervor. Das sekundäre magnetische Wechselfeld wirkt auf das primäre Magnetfeld zurück und schwächt dieses, wodurch es zu einer Änderung der Impedanz in der Spuleneinrichtung 18 kommt.In step S2, the test body 16 is guided through the passage opening 21, with eddy currents being induced in the test body 16. These cause a secondary alternating magnetic field in the test body 16 . The secondary alternating magnetic field acts back on the primary magnetic field and weakens it, as a result of which the impedance in the coil device 18 changes.

In Schritt S3 wird diese Änderung in der Impedanz durch die Auswerteeinrichtung 22 detektiert und in selbiger mittels der Oberwellenanalyse ausgewertet.In step S3, this change in the impedance is detected by the evaluation device 22 and evaluated there by means of harmonic analysis.

Die Prüfung selbst erfolgt dabei kontaktlos und dynamisch, indem der Prüfkörper 16 durch die Durchgangsöffnung 21 hindurchbewegt wird. Dies wird dadurch ermöglicht, dass der Wechselstrom derart angepasst wird, dass der gesamte Prüfkörper 16 so stark magnetisiert wird, so dass jeder einzelne Sektor der Oberfläche des Prüfkörpers 16 beim Durchlauf durch die Spule tief genug angeregt wird. Diese Magnetisierung bewirkt eine Änderung der Impedanz der Spuleneinrichtung 18 beziehungsweise der Detektionseinrichtung 20, die detektiert, insbesondere gemessen werden kann und die Rückschlüsse auf die Oberflächenbeschaffenheit des Prüfkörpers 16, insbesondere auf oberflächennahe Materialinhomogenitäten, wie Risse, Lunker, Poren oder Fremdeinschlüsse ermöglicht. Dadurch kann sowohl die Prüfvorrichtung 14 als auch das Verfahren zur inline-Prüfung im Herstellprozess eingesetzt werden. So kann die Prüfvorrichtung 14 direkt in einer Zuführstrecke einer nicht dargestellten Schweißanlage integriert werden.The test itself takes place in a contactless and dynamic manner in that the test body 16 is moved through the through-opening 21 . This is made possible by adapting the alternating current in such a way that the entire test body 16 is magnetized so strongly that each individual sector of the surface of the test body 16 is sufficiently excited when passing through the coil. This magnetization causes a change in the impedance of the coil device 18 or the detection device 20, which can be detected, in particular measured, and which allows conclusions to be drawn about the surface condition of the test body 16, in particular material inhomogeneities near the surface, such as cracks, cavities, pores or foreign inclusions. As a result, both the testing device 14 and the method for inline testing can be used in the manufacturing process. Thus, the test device 14 can be integrated directly into a feed section of a welding system, not shown.

Bezugszeichenlistereference list

1010: Fahrzeugvehicle
1212: Fahrzeugteilvehicle part
1414: Prüfvorrichtungtesting device
1616: Prüfkörperspecimen
1717: GehäuseHousing
1818: Spuleneinrichtungcoil setup
2020: Detektionseinrichtungdetection device
2121: Durchgangsöffnungpassage opening
2222: Auswerteeinrichtungevaluation device
2424: SpuleKitchen sink
2626: Datenverarbeitungsvorrichtungdata processing device
2828: Signalübertragungsleitungsignal transmission line
2929: KabelCable

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

DE 3148609 A1 [0005]

Claims

Method for qualifying a surface quality of electrically conductive test specimens (16), which has the following steps: a. inducing an eddy current in the specimen (16) via a coil device (18) supplied with alternating current; b. detecting a change in an impedance of the coil means (18); and c. evaluating the change in impedance to qualify the surface finish; the alternating current being adjusted in such a way that the entire test body (16) is magnetized to such an extent that the test body (16) can be passed through a through-opening (21) of the coil device (18) in a contactless and dynamic manner.

procedure after claim 1 characterized in that the alternating current supplied to the coil means (18) is between 100 milliamperes and 50 amperes.

procedure after claim 1 or 2 , characterized in that the penetration depth of the eddy current is between 0.01 mm and 2 mm.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the detected change in impedance is evaluated by means of a harmonic analysis in order to qualify the surface condition.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the test body (16) is a weldable spherical body.

Procedure according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that the test body (16) is a screw, a threaded bolt and/or a T-bolt.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the method is used for inline testing.

Vehicle part or vehicle tested using a method according to one of Claims 1 until 7 .