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Die vorliegende Erfindung betrifft
das oberbegrifflich Beanspruchte und befaßt sich somit mit einer Prüfvorrichtung
zur Materialfehlerermittlung.
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Bei der Herstellung von Werkstücken in
kritischen Anwendungen ist es erforderlich, diese auf Materialfehlerfreiheit
zu überprüfen. Dies
gilt insbesondere für
Materialien des Stahlbaues usw., wie Schiffsrumpfe, Drehwellen,
Kranträger,
Zahnräder und
Turbinen usw. oder Teile derselben.
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Ein häufiger Fehler ist das Auftreten
von Rissen in der Oberfläche.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, zur Oberflächenrißprüfung Gleichstromimpulse durch
das zu untersuchende Bauteil zu senden und Materialfehler dabei
anhand der Streufelder sichtbar zu machen, etwa indem Fluide mit
magnetisierba rem Material oder magnetisierbare Trockenpulver auf
die Oberfläche
aufgebracht werden und Konzentrationen der magnetisierbaren Materialien
untersucht werden. So ist vom Anmelder der vorliegenden Erfindung
ein 4-Pol-Gleichstromimpuls-Oberflächenrißprüfgerät bekannt
geworden (Europuls-1003-A), das insbesondere vom Bundesamt für Wehrtechnik und
Beschaffung zugelassen wurde zur gleichzeitigen Erkennung von Längsund Querfehlern,
Oberflächenrißprüfungen von
Schweißnähten und
Materialoberflächen
an Feinkornbaustählen
Nr. 1.6780 (HY 80), 1.6782 (HY 100) und 1.6784 (SUPRA FORT 700).
Als Anwendungsbereich sind dabei besonders Stumpf-, DHV- und Kehlnähte angegeben.
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Bei bestimmten Anwendungen ist überdies eine
Werkstückentmagnetisierung
erforderlich. Entmagnetisierungen von Werkstükken sind bei kritischen Anwendungen
erforderlich, wie im Flugzeug- und/oder U-Boot-Bau, aber auch für verschiedene andere
industriellen Anwendungen. Bislang war es erforderlich, hierzu das
zu entmagnetisierende Werkstück
mit Wechselstrom zu entmagnetisieren, dessen Stärke etwa exponentiell abnimmt.
Es wurde dabei vorgeschlagen, niederfrequenten Wechselstrom zu verwenden
oder einen Wechselstrom mit in Stufen langsam abnehmender Stärke. Eine
solche Entmagnetisierung wurde typisch in Entmagnetisierungstunneln
durchgeführt,
durch welche die zu entmagnetisierenden Bauteile geführt wurden.
Während
eine solche Entmagnetisierung bei Kleinteilen wie Nockenwellen und
Kurbelwellen durchführbar
ist, scheitert sie etwa bei der Entmagnetisierung großer Turbinen,
Zahnräder
und dergleichen schon aufgrund der dann erforderlichen Ausdehnung
der Entmagnetisierungstunnel.
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Es besteht nun der allgemeine Wunsch,
erforderliche Arbeiten mit preiswerten Geräten, die insbesondere wenig
Raumbedarf besitzen und/oder mobil sind, leicht durchführen zu
können.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
besteht darin, Neues für
die gewerbliche Anwendung bereitzustellen.
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Die Lösung dieser Aufgabe wird in
unabhängiger
Form beansprucht. Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in
den Unteransprüchen.
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Ein erster wesentlicher Aspekt der
vorliegenden Erfindung schlägt
somit bei einer Prüfvorrichtung zur
Materialfehlerermittlung mit einer Quelle für streufelderzeugende Ströme vor,
daß die
Stromquelle zur Erzeugung von Impulsen abnehmender Stärke ausgebildet
ist. Die streufelderzeugenden Ströme könnne einerseits in Spulen erzeugt
werden, wobei dadurch Magnetfelder erzeugt werden, die durch geeignete
Anordnung der Spulen am oder auf dem zu prüfenden Materialstück in diesem
wiederum Streufelder erzeugen oder es werden alternativ bzw. zusätzlich Ströme direkt
durch das Material geleitet.
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Ein erster grundlegender Gedanke
der Erfindung besteht somit in der Erkenntnis, daß zur Materialfehlerermittlung
Pulse verwendet werden können, die
nicht mehr, wie bei bekannten Geräten, konstant sind, sondern
sukzessive abnehmen. Es wurde überraschend
erkannt, daß sich
auch unter diesen Bedingungen gute Prüfergebnisse erzielen lassen.
Dies ermöglicht
es zunächst,
die Prüfvorrichtung
deutlich kleiner zu gestalten, da insgesamt für die Messung weniger Energie
bereitgestellt werden muß.
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Auch können eventuell etwa Anschlußleitungen
noch geringer dimensioniert werden als zuvor, ohne die Sicherheit
zu beeinträchtigen.
Typisch werden magnetische Streufelder durch elektrische Ströme in der
Quelle erzeugt werden. Diese Ströme
werden typisch als Multipolströme,
also mit mehr als zwei Elektroden erzeugt. Besonders bevorzugt ist
die Ausbildung der Prüfvorrichtung
als 4-Pol-Prüfanordnung, um
durch die Erzeugung von Längs-
und Querströmen
durch das Materialstück
eine Prüfung
in mehreren Richtungen gleichzeitig mit einem einzigen Prüfschritt
zu erzielen.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform
ist eine kombinierte Prüfanordnung,
bei der ein Stromfluß durch
eine Zwei-Pol-Anordnung
vorgesehen wird, bei der lediglich zwei Pole auf dem Werkstück angeordnet
werden und so Strom durch das Werkstück zwischen diesen Polen alternierend
hin- und herfließt
und zusätzlich
mit einer Spule nahe des Werkstückes
noch Magnetfelder erzeugt werden, die das Werkstück durchfluten. Die Anordnung
der Spule kann in geeigneter Weise erfolgen, so daß wiederum in
Längs-
und Querrichtung eine Prüfung
und/oder Entmagnetisierung erfolgen kann.
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In einer weiteren alternativen Ausführungsform
der Erfindung ist es möglich,
ausschließlich
mit Spulen zu arbeiten, d. h. eine vollständig berührungsfreie Prüfung und
Entmagnetisierung vorzunehmen. Bei einer derartigen vollständig berührungsfreien Prüfung ist
es insbesondere möglich,
die Spulen in geeigneter Geometrie unter einem oder in einem Prüftisch vorzusehen
und so stets eine geeignete Ausrichtung der Spulen zum zu prüfenden Werkstück vorzusehen.
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Die Prüfvorrichtung kann eine zur
Erzeugung von Wechselimpulsen ausgebildete Quelle aufweisen. Der
Strom fließt
dann abwechselnd in alternierende Richtungen. Besonders überraschend
ist, daß auch
unter diesen Bedingungen noch eine problemfreie Materialfehlerermittlung
möglich
ist. Die Wechselimpulse können
dabei auf eine solche Weise erzeugt werden, daß sie zugleich entmagnetisierend wirken.
Mit anderen Worten wird während
der Prüfung
eine Entmagnetisierung vorgenommen und dabei können überraschenderweise dennoch
Materialfehler anhand der erzeugten Streufelder sichtbar gemacht
werden. Dies ist die besonders bevorzugte Ausführung der Erfindung.
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Die Impulse sind bevorzugt kurz.
Dies gilt sowohl bei direktem Stromdurchtritt durch das Werkstück als auch
bei Prüfung
unter Verwendung von Spulen. Es ist möglich, gute Prüfund/oder
Entmagnetisierungsergebnisse mit Impulsen einer Dauer von unter
100 msec zu erzielen. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Pulsdauern
noch wesentlich kürzer sind,
insbesondere unter 50 msec liegen und in besonders bevorzugten Varianten
zwischen 1 und 5 msec Dauer aufweisen. Es müssen dabei nicht alle Pulse äquidistant
und/oder gleichlang sein. Die kurzen Dauern erlauben eine besonders
energiearme Prüfung,
was die Auslegung der Netzteile vereinfacht und überdies auch bei der Verkabelung
der Werkstücke
zu klaren Vorteilen führt,
weil eine Erwärmung der
Verbindungsleitungen selbst dann kaum signifikant wird, wenn sehr
hohe maximale Ströme
von mehreren tausend Ampere durch zu prüfende Materialstück geleitet
werden müssen.
Der Einsatz mit Maximal-Strömen im Bereich
von um und/oder über 10
kA ist möglich
und beabsichtigt.
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Dank der kurzen Impulse ist es möglich, die Energie
für einen
einzelnen Stromimpuls in einer Kondensatoranordnung zu speichern.
Der Stromdurchlaß kann
dann durch eine Thyristorschaltung bewirkt werden. Dies ist insofern
beachtlich, weil die Minimalströme,
die mit Thyristorschaltungen noch sicher zu schalten sind, typisch
bei mehr als 100 A liegen. Trotz dieser Ströme werden bei typischen Werkstücken noch
gute Entmagnetisierungsergebnisse erreicht.
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Es hat sich als bevorzugt herausgestellt, wenn
die Impulse binnen weniger als 10 min auf ihren minimalen Wert absinken.
Insbesondere kann es ausreichend sein, innerhalb von fünf oder
auch nur zwei Minuten bzw. in wenigen Sekunden den minimalen Wert
zu erreichen. Im praktischen Anwendungsfall wird die Prüf- und Entmagnetisierungszeit
davon abhängen,
wie hoch die Ausgangsströme
für das
jeweilige Werkstück
zu wählen
sind, wie kurz die Impulse sind usw., und es können dann die entsprechenden
Entmagnetisierungskurven abgefahren werden. Dabei kommt es primär für die Entmagnetisierung darauf
an, daß die
Differenz zwischen zwei Impulsen, insbesondere im Endbereich der
Impulserzeugung, d. h. etwa bei den letzten 2 bis 5 Pulsen, nicht
zu groß ist.
Auch mit Thyristoren lassen sich typisch Werte um 10 bis 40 A Stromdifferenz
zwischen zwei erzeugten Impulsen im Endbereich erreichen.
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Es ist möglich, die Impulserzeugung
so vorzusehen, daß zwischen
den Pulsen Pausen vorliegen. Diese Pausen können zumindest die Länge der Pulse
aufweisen, werden aber bevorzugt wesentlich länger als diese sein. So können bei
Pulsen zwischen 1 msec und 5 msec Dauer Pausen um etwa 500 msec
vorgesehen werden. Dies erlaubt einerseits, die thermische Belastung
der gesamten Anordnung zu reduzieren und andererseits die Ener giespeicher mit
vergleichsweise geringem Aufwand wieder zu befüllen.
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Schutz wird auch beansprucht für ein Verfahren
zur Materialprüfung,
bei welchem mit Pulsen zur Entmagnetisierung auf Materialfehler
geprüft
wird.
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Die Erfindung wird im folgenden und
beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben. In dieser zeigt:
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1 eine
Prüfvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Nach 1 umfaßt eine
allgemein mit 1 bezeichnete Prüfvorrichtung 1 zur
Materialfehlerermittlung eine Quelle 2 für streufelderzeugende
Ströme durch
ein Materialstück 3,
wobei diese Stromquelle 2 zur Erzeugung von Impulsen abnehmender
Stärke ausgebildet
ist.
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Die Prüfvorrichtung 1 weist
einen Anschluß zur
Verbindung mit einer Leistungsquelle, vorliegend einem 400-Volt-Dreh-Stromnetz
auf, wie bei 4 gezeigt. Der Anschluß führt über eine Gleichrichterschaltung
(nicht gezeigt) zu einer Energiespeicheranordnung 5, bestehend
aus impulsfesten Kondensatoren hinreichend hoher Kapazität. Der Energiespeicher 5 ist über eine
Leitung 6 mit einer impulsformenden Stromquelle 7 verbunden.
Von der impulsformenden Stromquelle 7 führen vier Ausgangsleitungen 8a, 8b, 8c, 8d über Buchsen 10 zu
Elektroden 9d, 9c, 9a und 9b,
die auf dem Werkstück
in gewünschter
und benötigter
Position angeordnet werden können.
Zur Anpassung an verschiedene Werkstücke können unterschiedliche Elektroden
im Wechsel vorgesehen werden.
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Die Stromquelle 7 ist so
ausgebildet, daß maximale
Stromstärken
bis vorliegend 20 kA vorgesehen werden können, und zwar über Impulszeitdauern
von maximal 25 msec.
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Die impulsformende Stromquelle 7 ist
weiter zum Empfang von Information über gewünschte Impulsablaufvorgaben
mit einer Steuerung 8 verbunden. An der Steuerung 8 sind
Betätigungselemente vorgesehen,
mit denen bestimmte Parameter-Einstellungen vorgenommen werden können und
die Anordnung gestartet werden kann. Im dargestellten Beispiel sind
für diese
Einstellungen einzelne Stellregler vorgesehen, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit
aber nicht alle Betätigungselemente
dargestellt sind. Einstellbar sind im hier vorgestellten Ausführungsbeispiel
der Maximalstrom IMAX der Impulse, deren
Dauer 1 bzw. deren Pulsform, wobei die Pulslänge 1 auf
einen Wert zwischen 1 und 25 msec einstellbar ist, die Dauer Δ zwischen
den Impulsen, welche zwischen 5 und 500 ms einstellbar ist, die
Art des Abfalls der Impulsstärke über der
Zeit, d.h. etwa linear, exponentiell oder auf andere, gegebenenfalls programmierbare
Weise, sowie gegebenenfalls die minimale Reststromstärke und/oder
die Dauer der Gesamtsequenz. Weiter ist die Art des gewünschten Stromflusses
einstellbar, d. h. zum Beispiel für Zwei- oder Vierpolmessungen,
sowie eine Alternierungsart einstellbar, d. h. es kann vorgegeben
werden, ob die Impulse bei jedem neuen Impuls ihre Richtung wechseln
oder andere Wechselfolgen erzeugt werden und ob und wie bei Multipolmessung
der Wechsel der Stromflußrichtung
zwischen Elektroden erfolgt. Darüber
hinaus ist ein Schalter zum Start einer Prüf- oder Entmagnetisierungssequenz
vorgesehen.
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Die Steuerung 8 ist weiter
so ausgebildet, daß zunächst eine
Reihe starker Stromimpulse erregt wird und anhand des Stromflußes dabei
ermittelt wird, ob die Elektroden ordnungsgemäß angeschlossen sind, um danach
eine Wechsepulsfolge zu erzeugen, innerhalb von welcher der eingestellte
maximale Impulsstrom vorgegebener Form unter Belassung der vorgegebenen
Impulspausen wie gewählt
auf immer kleinere Werte abfällt
und die Impulsrichtung dabei entsprechend der Voreinstellung alterniert.
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Die erfindungsgemäße Prüfvorrichtung wird verwendet
wie folgt:
Zunächst
werden geeignete Elektroden 9 ausgewählt und an geeigneten Stellen
auf einem Werkstück 3 befestigt.
Dann werden die Elektroden an den Buchsen 10 mit dem Gerät 1 verbunden.
Das Gerät
wird in Betrieb gesetzt und es werden die anfänglichen Maximalströme, die
Zeit bis zur Abnahme auf den minimal erreichbaren Stromwert, die
Impulsdauer, die Stromstärkenabnahme,
die Impulspausen usw. an der Steuerung 8 vorgegeben. Dabei
wird automatisch berücksichtigt,
daß bestimmte
Größen voneinander abhängig sein
können,
etwa die erforderliche Zeit bis zu Abnahme vom Maximalstrom auf
den Minimalstrom und die Impulsstärkedifferenz des Stromstärkebetrages
zweier aufeinander folgender Stromimpulse.
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Nun wird Prüfflüssigkeit, welche magnetisierbare
Substanzen enthält,
auf die Oberfläche
des Materials 3 aufgebracht im Bereich zwischen den Elektroden
aufgebracht.
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Die Prüfvorrichtung wird nun in Betrieb
gesetzt, wobei anhand einer ersten kurzen Folge starker Impulse
geprüft
wird, ob die Elektroden ordnungsgemäß aufgebracht wurden. Stellt
die Steuerung fest, daß dies
der Fall ist, wird ausgehend vom Maximalstrom unter Wechsel der
Impulsrichtungen, also beispielsweise durch Schalten des Stromes
von den Elektroden 9c, 9d zu den Elektroden 9b, 9a und in
Gegenrichtung von den Elektroden 9b, 9a zu den Elektroden 9c, 9d bzw.
in gewünschter
Multipolanordnung wie erforderlich gesteuert. Dabei nehmen die Impulsstärken nach
und nach gemäß den eingestellten
Vorgaben ab.
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Während
des Betriebs der Prüfvorrichtung werden
nun in den stromdurchfluteten Materialien an Rissen und anderen
Fehlern Streufelder erzeugt, die sich mit der aufgebrachten Prüfflüssigkeit
durch die beobachtbare Ausrichtung der magnetisierbaren Substanzen
nachweisen läßt. Gleichzeitig
erfolgt ungeachtet der Streufelderzeugung zur Materialprüfung durch
den wiederholten Impulsrichtungswechsel bei abnehmenden Impulsstärken eine
Entmagnetisierung des geprüften
Bauteiles. Am Ende der Prüfsequenz
ist die Prüfflüssigkeit
so angeordnet, daß sie an
den Streufeldern Materialfehler erkennen läßt und das Werkstück ist zugleich
auf einem Niveau entmagnetisiert, das durch die Differenz der letzten
beiden richtungswechselnden Impulse bestimmt ist.
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Bei fehlerfreien Bauteilen ist es
so möglich, diese
sofort nach Prüfung
als entmagnetisiert zu verwenden.
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Während
vorstehend eine große
Anzahl an Parametern an der Steuerung einstellbar ist, muß dies bei
einfacheren Varianten nicht zwingend der Fall sein. So können nur
einzelne der genannten Parameter einstellbar sein oder es können auch
vollständig
feste Vorgaben vorgesehen sein. Die Einstellungsweise ist auch nicht
auf frontmontierte Stellglieder beschränkt. So wären alternativ auch interne,
für Endverbraucher
unzugängliche
Stellglieder vorzusehen und/oder es kann eine andere Steuerungsweise, etwa
mit Digitalsteuerungen, über
PCs oder dergl. realisiert sein.
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Anders als vorstehend beschrieben,
ist es möglich,
eine Leistungsversorgung auch über
andere Netze, etwa das 230-Volt-Netz,
480-Volt-, 575-Volt-Netze jeweils mit 50 bzw. 60 Hz oder auf andere
Weise vorzusehen.
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Weiter ist anders als vorstehend
beschrieben die Möglichkeit
gegeben, einen Teil oder alle der streufelderzeugenden Ströme durch
Spulen zu senden, die nahe des Werkstückes angeordnet werden. Diese
Ströme
erzeugen dann in den Spulen geeignete elektromagnetische Felder,
die ihrerseits das Werkstück
durchfluten und dabei die für
die Prüfung erforderlichen
Streufelder bewirken und gleichzeitig zur Entmagnetisierung führen. Es
ist möglich,
entweder nur zwei der vier Elektrodenpole durch eine Spulenanordnung
zu ersetzen oder eine vollständig
berührungsfreie
Prüfung
mit zwei geeignet zueinander ausgerichteten Spulenanordnungen vorzusehen.
Es können
eine Spule, zwei Spulen oder mehr Spulen vorgesehen werden.
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Es sei im übrigen darauf hingewiesen,
daß zwar
die Impulse in ihrer Richtung wechseln, daß aber nicht zwingend der einzelne
Impuls in sich vollständig
konstant sein muß.
Vielmehr wird abzuschätzen
sein, daß eine
bestimmte Impulsform schon auf Grund der zur Schaltung verwendeten
elektrischen Schaltkreise gegeben sein wird. Daneben ist es möglich, den
Impulsverlauf des jeweiligen Impulses einer Polarität während seiner
Dauer zu variieren, sei es, um eine verringerte elektromagnetische Störung zu erzielen
und/oder um bessere Meß-Entmagnetisierungs-
und/oder Prüfergebnisse
zu erzielen.