-
Die
vorliegende Erfindung betrifft das oberbegrifflich Beanspruchte
und befaßt
sich somit mit einer Prüfvorrichtung
zur Materialfehlerermittlung.
-
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.
-
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
magnetisierbarem 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 Längs- und 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.
-
Bei
bestimmten Anwendungen ist überdies eine
Werkstückentmagnetisierung
erforderlich. Entmagnetisierungen von Werkstücken sind bei kritischen Anwendungen
erforderlich, wie im Flugzeug- und/oder U-Boot-Bau, aber auch für verschiedene andere
industrielle 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. So zeigt HEPTNER/STROPPE „Magnetische
und magnetinduktive Werkstoffprüfung" 3. Aufl. 1973, auf
S. 85-92 die Magnetisierung von Werkstücken zur Magnetpulveranzeige
von Rissen und deren anschließende
Entmagnetisierung. Ähnliche
Prüfverfahren
zeigt das Dokument „Tiede
Information" Zerstörungsfreie
Werkstoffprüfung
Nr. 26/8b-d, 12.02.86. Außerdem
beschreibt die Patentschrift
GB
1273841 ein Verfahren zum Aufspüren von Rissen und dem Messen
ihrer Tiefe bei Werkstücken mit
nicht-zirkulären
Durchschnitten. Hier wird das Werkstück mit einem axial gerichteten,
gepulsten, direkten Strom magnetisiert und der gestreute magnetische
Fluss durch ein Instrument detektiert. Dabei wird das Werkstück zuerst
entmagnetisiert und nur der gestreute Fluss berücksichtigt, der durch den Magnetpuls
produziert wird, der jeder Entmagnetisierung folgt.
-
Weiter
zeigt
DE 2 346 999 eine
magnetische Werkstoffprüfvorrichtung
mit einer kreuzförmigen Magnetkernanordnung.
-
Es
besteht nun der allgemeine Wunsch, erforderliche Arbeiten mit Geräten, die
insbesondere wenig Raumbedarf besitzen und/oder mobil und/oder preiswert
sind, leicht durchführen
zu können.
-
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, dass zumindest
einen oder mehrere der oben genannten Vorteile zumindest teilweise
in der Erfindung zu erfüllen.
-
Die
Lösung
dieser Aufgabe wird in den unabhängigen
Ansprüchen
1,12,13 und 14 beansprucht. Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in
den Ansprüchen
2-11.
-
Ein
erster wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung schlägt somit
bei einer Prüfvorrichtung zur
Materialfehlerermittlung mit einer Stromquelle für streufelderzeugende Ströme vor,
daß die
Stromquelle zur Erzeugung von Impulsen abnehmender Stärke ausgebildet
ist. Die streufelderzeugenden Ströme könnnen einerseits in Spulen
erzeugt werden, wobei dadurch Magnetfelder erzeugt werden, die durch
geeignete Anordnung der Spulen am oder auf dem zu prüfenden Materialstück in die sem
wiederum Streufelder erzeugen oder es werden alternativ bzw. zusätzlich Ströme direkt
durch das Material geleitet.
-
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.
-
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
Stromquelle 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.
-
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.
-
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.
-
Die
Prüfvorrichtung
kann eine zur Erzeugung von Wechselimpulsen ausgebildete Stromquelle
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.
-
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 Prüf- und/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 Va rianten
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 Materialstücke geleitet
werden müssen.
Der Einsatz mit Maximal-Strömen im Bereich
von um und/oder über 10
kA ist möglich
und beabsichtigt.
-
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.
-
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.
-
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 Energiespeicher mit
vergleichsweise geringem Aufwand wieder zu befüllen.
-
Schutz
wird auch beansprucht für
ein Verfahren zur Materialprüfung,
bei welchem mit Pulsen zur Entmagnetisierung auf Materialfehler
geprüft
wird.
-
Die
Erfindung wird im folgenden und beispielsweise anhand der Zeichnung
beschrieben. In dieser zeigt:
-
1 eine
Prüfvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
-
Nach 1 umfaßt eine
allgemein mit 1 bezeichnete Prüfvorrichtung 1 zur
Materialfehlerermittlung eine Stromquelle 2 für streufelderzeugende Ströme durch
ein Materialstück 3,
wobei diese Stromquelle 2 zur Erzeugung von Impulsen abnehmender Stärke ausgebildet
ist.
-
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.
-
Die
Stromquelle 7 ist so ausgebildet, daß maximale Stromstärken bis
vorliegend 20 kA vorgesehen werden können, und zwar über Impulszeitdauern
von maximal 25 msec.
-
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 l bzw. deren Pulsform, wobei die Pulslänge l 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.
-
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 Wechselpulsfolge 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.
-
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 Stromstärkenab nahme,
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.
-
Nun
wird Prüfflüssigkeit,
welche magnetisierbare Substanzen enthält, auf die Oberfläche des
Materials 3 im Bereich zwischen den Elektroden aufgebracht.
-
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.
-
Während des
Betriebs der Prüfvorrichtung werden
nun in den stromdurchfluteten Materialien an Rissen und anderen
Fehlern Streufelder erzeugt, die sich mit der aufgebrachten Prüffflüssigkeit
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 angeord net, 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.
-
Bei
fehlerfreien Bauteilen ist es so möglich, diese sofort nach Prüfung als
entmagnetisiert zu verwenden.
-
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.
-
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.
-
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 Elektro denpole 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.
-
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.