DE10297359B4

DE10297359B4 - Zerstörungsfreies Prüfverfahren

Info

Publication number: DE10297359B4
Application number: DE10297359T
Authority: DE
Inventors: Kazunobu Ikeda Imamoto; Takashi Nagoya Kimura
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd; Magnegraph Co Ltd
Current assignee: Nippon Kouatsu Electric Co Ltd Obu-Shi Ai Us; Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2001-09-25
Filing date: 2002-09-24
Publication date: 2009-11-26
Anticipated expiration: 2022-09-25
Also published as: US7109702B2; WO2003027661A1; JPWO2003027661A1; JP4184963B2; US20050122099A1; DE10297359T5

Abstract

Zerstörungsfreies Prüfverfahren aufweisend:
einen Abtastschritt mit einem Zyklus des Magnetisierens eines Prüfobjekts durch Anlegen (S2') eines statischen Magnetfelds an das Prüfobjekt, des Abschaltens (S3') des statischen Magnetfeldes zwecks Messung der Übergangsänderung in einer differentiellen Magnetflussdichte eines durch das magnetisierte Prüfobjekt hindurch verlaufenden Restmagnetfeldes an einer Mehrzahl von Messstellen (X) und des Erhaltens (S5') einer Hauptzeitkonstante (τ₁) der Übergangsänderung für jede der Messstellen (X), wobei der Zyklus wiederholt für jedes von einer Mehrzahl von statischen Magnetfeldern mit verschiedenen Magnetflussdichten (B) ausgeführt wird;
einen Analyseschritt zum Analysieren einer Änderung, welche die Hauptzeitkonstante (τ₁) an jeder Messstelle (X) erfährt, während die Mehrzahl der statischen Magnetfelder (B) in dem Abtastschritt geändert wird; und
einen Informationserhaltungsschritt zum Erhalten von Information bezüglich einer inneren Struktur des Prüfobjekts auf Basis eines mittels des Analyseschritts erhaltenen Analysenergebnisses,
dadurch gekennzeichnet, dass in dem Analyseschritt an jeder der Messstellen (X), eine Magnetflussdichte (B) eines kritischen statischen...

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein zerstörungsfreies Prüfverfahren, beispielsweise zur Bestimmung der Schweißqualität eines Punktschweißbereichs, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
STAND DER TECHNIK
Das Punktschweißen ist eine bekannte Schweißtechnologie zum Zusammenschweißen von Metallplatten, die bei der Herstellung von Automobilen, elektrischen Haushaltsprodukten und dergleichen verwendet werden kann. Beim Punktschweißen werden in der in 18 dargestellten Weise zuerst zwei übereinander gelegte Metallplatten 100a, 100b zwischen zwei Elektroden 150a, 150b geklemmt. In diesem Zustand wird mit Hilfe der zwei Elektroden 150a, 150b örtlich Druck auf die Metallplatten 100a, 100b aufgebracht, und zwischen den Elektroden 150a, 150b wird Strom hindurchgeleitet. Der Strom fließt konzentriert durch den zwischen den Elektroden 150a, 150b geklemmten Bereich der Metallplatten 100a, 100b und erzeugt deshalb Joule-Wärme. Durch diese Joule-Wärme wird ein Bereich der Metallplatten 100a, 100b geschmolzen, worauf der Stromfluß angehalten wird. Wenn der geschmolzene Bereich der Metallplatten 100a, 100b abkühlt und erstarrt, werden die Metallplatten 100a, 100b miteinander verschweißt.
19 ist eine Querschnittsansicht eines punktgeschweißten Bereichs der beiden Metallplatten 100a, 100b, die in der oben beschriebenen Weise punktgeschweißt wurden. In dem punktgeschweißten Bereich sind die Außenflächen der Metallplatten 100a, 100b auf Grund des durch die Elektroden 150a, 150b aufgebrachten Drucks eingedrückt. Dieser eingedrückte Teil wird „Vertiefung” 101 genannt, und die Länge L1 derselben wird „Vertiefungsdurchmesser” genannt. In dem punktgeschweißten Bereich sind ein Schweißlinsenbereich 102 und ein druckverbundener Bereich 103 ausgebildet. Der Schweißlinsenbereich 102 befindet sich in einem Bereich, in dem die Metallplatten 100a, 100b durch Verschmelzung auf Grund des Aufbringens von Druck und Wärme und dann des Erstarrens vereinig sind. Die Länge L2 des Schweißlinsenbereichs 102 wird „Schweißlinsendurchmesser” genannt. Dieser Schweißlinsendurchmesser L2 wirkt sich stark auf die Schweißfestigkeit aus, die in dem punktgeschweißten Bereich erzielt wird. Je größer der Schweißlinsendurchmesser L2 ist, desto größer ist die Schweißfestigkeit des Punktschweißbereichs. Der druckverbundene Bereich 103 ist ein Bereich, der die Auswirkungen der aufgebrachten Wärme und des aufgebrachten Drucks empfangen hat, und wo die Metallplatten 100a, 100b unter Druck miteinander verbunden sind. Die Gesamtlänge L3 des Schweißlinsenbereichs 102 und des druckverbundenen Bereichs 103 wird „Verbindungsbereich 104” genannt. Der druckverbundene Bereich 103 ist von einer thermisch geglühten Wärmeeinflußzone (HAZ) umgeben. Die HAZ 104 weist eine Länge 104 auf, die „HAZ-Durchmesser” genannt wird. Die HAZ 104 ist von einem Originalmetall 105 umgeben, auf dessen metallographisches Gefüge sich das Punktschweißen nicht ausgewirkt hat.
Im allgemeinen beträgt der Schweißlinsendurchmesser L2 oder der Verbindungsdurchmesser L3 in dem durch Schweißen zustande gebrachten Punktschweißbereich in geeigneter Weise 10 Millimeter oder weniger, was relativ wenig ist. Deshalb ist es in vielen Fällen erforderlich, den Punktschweißbereich zu prüfen, um zu kontrollieren, daß er ausreichende Schweißfestigkeit aufweist. Da die Schweißfestigkeit des Punktschweißbereichs stark von dem Schweißlinsendurchmesser L2 beeinflußt wird, kann der Schweißlinsendurchmesser L2 dann effektiv als Basis für eine Beurteilung, ob der Punktschweißbereich einen geeigneten Schweißzustand aufweist oder nicht, verwendet werden.
In dem offengelegten Japanischen Patent Nr. 10-26609 wird eine Prüftechnik offenbart, deren eine Aufgabe es ist, den Schweißlinsendurchmesser L2 in zerstörungsfreier Weise zu messen und auf der Basis dieser Meßergebnisse zu beurteilen, ob der geschweißte Zustand eines Punktschweißbereichs geeignet oder nicht geeignet ist. Gemäß dieser Patentveröffentlichung wird eine Erregerspule in der Nähe eines Prüfobjekts angeordnet, und zwischen dem Prüfobjekt und der Erregerspule wird eine Schleifenspule angeordnet, die einen Sensor bildet. In diesem Zustand wird durch Hindurchleiten eines Gleichstroms durch die Erregerspule ein statisches Magnetfeld erzeugt, das durch das Prüfobjekt und den Sensor hindurch läuft. Danach, wenn das statische Magnetfeld abgeschaltet ist, wird die Induktivität der Schleifenspule (oder eine physikalische Größe, die der Induktivität derselben direkt proportional zu ist) bestimmt, indem der Lauf des Verlusts des in dem Prüfobjekt verbleibenden elektrischen Feldes aufgenommen wird. Durch diese Induktivität wird die magnetische Permeabilität des Schweißlinsenbereichs 102 und des druckverbundenen Bereichs 103 oder dergleichen angezeigt, der den Punktschweißbereich bildet, durch den das Restmagnetfeld läuft. Wenn eine Messung dieser Art in einer Mehrzahl von Positionen in bezug auf das Prüfobjekt erfolgt, dann tritt eine Schwankung in der Mehrzahl von erhaltenen Induktivitäten ein. Diese Schwankung in der Induktivität spiegelt Schwankungen in der inneren Struktur des Punktschweißbereichs wider. Deshalb kann der Schweißlinsendurchmesser L2 durch Erfassung der Schwankungen in der magnetischen Permeabilität und folglich der Schwankungen der Induktivität, die durch Änderungen in der inneren Struktur des Punktschweißbereichs verursacht werden, mit Hilfe der zerstörungsfreien Prüftechnologie eingeschätzt werden.
Gemäß der offengelegten Japanischen Patentanmeldung Nr. 10-26609 sind die Sensorschleifenspulen derart angeordnet, daß sie der Vertiefung 101 in einem vorgegebenen Abstand von der Metallplatte 100a oder der Metallplatte 100b bei der zerstörungsfreien Prüfung gegenüberliegen. Unter normalen Umständen befindet sich Luft an den Vertiefungen 101. Die magnetische Permeabilität der Luft ist viel kleiner als die magnetische Permeabilität des Schweißlinsenbereichs 102 oder des druckverbundenen Bereichs 103. Demgemäß spiegelt die gemessene Schleifenspuleninduktivität nicht nur die magnetische Permeabilität der inneren Struktur des Punktschweißbereichs wider, sondern auch die magnetische Permeabilität der Luft an den Vertiefungen 101. Wenn die Induktivität (oder eine physikalische Größe, die der Induktivität proportional zu ist) die magnetische Permeabilität von anderen Elementen als der inneren Struktur des Punktschweißbereichs widerspiegelt, kann sich durch die zerstörungsfreie Prüfung des Punktschweißbereichs keine genaue Einschätzung des Schweißlinsendurchmessers L2 ergeben.
Aus der US 6 232 774 B1 ist ein zerstörungsfreies Prüfverfahren mit einem Abtastschritt, einem Analyseschritt und einem Informationserhaltungsschritt entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein zerstörungsfreies Prüfverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, mit dem sich sichere Prüfergebnisse bei einer Prüfung ergeben können, beispielsweise derjenigen der Schweißqualität eines Punktschweißbereichs Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird ein zerstörungsfreies Prüfverfahren geschaffen. Dieses Verfahren umfaßt: einen Abtastschritt mit einem Zyklus des Magnetisierens eines Prüfobjekts durch Anlegen eines statischen Magnetfeldes an das Prüfobjekt, des Abschaltens des statischen Magnetfeldes zwecks Messung der Übergangsänderung in einer differentiellen Magnetflußdichte eines durch das magnetisierte Prüfobjekt hindurch laufenden Restmagnetfeldes an einer Mehrzahl von Meßstellen und des Erhaltens einer Hauptzeitkonstante der Übergangsänderung für jede der Meßstellen, wobei der Zyklus wiederholt für jedes von einer Mehrzahl von statischen Magnetfeldern mit verschiedenen Magnetflußdichten ausgeführt wird; und einen Analyseschritt zum Analysieren einer Änderung, welche die Hauptzeitkonstante an jeder Meßstelle erfährt, wenn sich die Mehrzahl von statischen Magnetfeldern in dem Abtastschritt ändert; sowie einen Schritt des Erhaltens von Informationen über die innere Struktur des Prüfobjekts auf der Basis eines mit dem Analyseschritt erhaltenen Analysenergebnisses.
Bei dem Analyseschritt wird an jeder der Meßstellen eine Magnetflußdichte eines kritischen statischen Magnetfeldes bestimmt, wobei für dieses Feld die Änderung der Hauptzeitkonstanten während des Abtastschritts in bezug auf Änderungen in dem statischen Magnetfeld einen Maximalwert erreicht. Ferner werden in dem Schritt des Erhaltens von Informationen Informationen über die innere Struktur des Prüfobjekts auf der Basis einer Verteilungsfunktion des kritischen statischen Magnetfeldes mit den Meßstellen als Variable erhalten.
Vorzugsweise können sich die Meßstellen in einer dem Prüfobjekt gegenüberliegenden Reihe befinden.
Vorzugsweise kann das Prüfobjekt ein Punktschweißbereich in einem verbundenen Plattenglied sein, das durch Punktschweißen zweier Metallplatten hergestellt ist. In diesem Fall können die Informationen über die innere Struktur, die in dem Schritt des Erhaltens von Informationen erhalten werden, Informationen über die Form eines in dem Punktschweißbereich enthaltenen Schweißlinsenbereichs umfassen.
Nunmehr wird zur Beschreibung der Prinzipien, auf deren Basis die bei der vorliegenden Erfindung verwendete Zeitkonstante berechnet wird, auf 1 bis 8 verwiesen. Wie insbesondere im folgenden beschrieben ist, wird an das Prüfobjekt ein statisches Magnetfeld angelegt und dann abgeschaltet. Das magnetisierte Prüfobjekt liefert ein Restmagnetfeld. Die Übergangsänderung der differentiellen Magnetflußdichte des Restfeldes wird an einer vorgegebenen Position oder an vorgegebenen Positionen gemessen, so daß die Zeitkonstante der Übergangsänderung berechnet wird.
1 und 2 sind schematische Ansichten, welche die allgemeine Zusammensetzung einer Vorrichtung zur Ausführung einer zerstörungsfreien Prüfung unter Anwendung des Anlegens und Abschaltens eines statischen Magnetfeldes zeigen, und die auch die Funktionsweise dieser Vorrichtung zeigen. Die zerstörungsfreie Prüfvorrichtung umfaßt eine um einen Eisenkern 2 gewickelte Erregerspule 1, einen Ansteuerkreis 3 zum Ansteuern der Erregerspule 1 und eine Mehrzahl von Sensorspulen 4. In dem Ansteuerkreis 3 sind eine Gleichstromversorgung 3a, ein Schalter 3b und ein Widerstand 3c enthalten. Die Sensorspulen 4 sind Schleifenspulen. Bei der Ausführung der Prüfung ist diese Vorrichtung in der Nähe des Prüfobjekts positioniert. In 1 und 2 ist die Vorrichtung in der Nähe des Punktschweißbereichs eines durch das Punktschweißen zweier Stahlplattengliede gebildeten Stahlplattengliedes 110 positioniert. Innerhalb dieses Punktschweißbereichs besteht ein Schweißlinsenbereich 102.
Wie in 1 gezeigt, wird ein statisches Magnetfeld F1 an den Punktschweißbereich angelegt, wenn der Schalter 3b eingeschaltet wird. Insbesondere wird, wenn der Schalter 3b eingeschaltet wird, eine von der Gleichstromversorgung 3a ausgegebene Spannung an die Erregerspule 1 angelegt, und in der Erregerspule 1 fließt ein Gleichstrom, wodurch ein statisches Magnetfeld F1 geschaffen wird, das die Erregerspule 1 umgibt. Ein Teil des statischen Magnetfelds F1 wird in dem Stahlplattenglied 110 gebil det. Die Stelle, an der das Magnetfeld in dem Stahlplattenglied 110 gebildet wird, mit anderen Worten die Stelle, durch die der Magnetfluß läuft, wird gemäß der Intensität des Magnetfelds magnetisiert. Um die Eignung oder Nichteignung des Schweißzustands in dem Punktschweißbereich entsprechend der Größe des Linsenbereichs 102 zu beurteilen, wird die zerstörungsfreie Prüfvorrichtung in einer solchen Weise positioniert, daß der Magnetfluß durch den Schweißlinsenbereich 102 läuft, wenn das Magnetfeld angelegt wird.
Wie in 2 gezeigt, wird das statische Magnetfeld F1 abgeschaltet, wenn der Schalter 3b ausgeschaltet wird. Insbesondere wird, wenn der Schalter 3b ausgeschaltet wird, der Gleichstrom abgeschaltet, der bis jetzt in der Erregerspule 1 geflossen ist, und deshalb wird auch das statische Magnetfeld F1 abgeschaltet. Da das statische Magnetfeld F1 abgeschaltet wird, trennen sich die Schleifen des Magnetflusses des statischen Magnetfeldes F1 in eine geschlossene Schleife C1 des Magnetflusses in dem die Erregerspule 1 umgebenden Bereich und eine geschlossene Schleife C2 des Magnetflusses in dem. das Stahlplattenglied 110 umgebenden Bereich. Die geschlossene Schleife C1 schwächt sich schnell ab und verschwindet. Dagegen verschwindet die geschlossene Schleife C2 nicht sofort, sondern schwächt sich eher auf Grund der aufrechterhaltenden Wirkung des Stahlplattenglieds 110, das ein magnetischer Körper ist, allmählich ab.
Im Verlaufe des Verschwindens der geschlossenen Schleife C1 erfassen die jeweiligen, in der Nähe der Oberfläche des Stahlplattenglieds 110 positionierten Sensorspulen 4 die Änderung im Magnetfluß. In einer idealen Situation nimmt die von den Sensorspulen 4 erfaßte Änderung im Magnetfluß stetig exponentiell ab, nachdem das statische Magnetfeld abgeschaltet ist. In der Praxis jedoch weicht die Situation von diesem idealen Änderungszustand ab. Wie angenommen wird, wird diese Abweichung vom Übergangsstrom verursacht, der durch die Änderung in dem Magnetisierungszustand in dem Stahlplattenglied 110 im Verlaufe des Verschwindens der in dem Stahlplattenglied 110 angesammelten magnetischen Energie (des Restmagnetfeldes) in dem Stahlplattenglied 110 induziert wird. Deshalb kann das im folgenden beschriebene Mo dell als hypothetisch für die Änderung in dem Magnetfluß des Restmagnetfeldes nach dem Abschalten des statischen Magnetfeldes betrachtet werden.
3 zeigt ein Modell des Verlaufs des Verschwindens des Restmagnetfeldes. In diesem Verlauf des Verschwindens in der in 3 dargestellten Weise wird die Dichte des durch eine der Sensorspulen 4 verlaufenden Magnetflusses Φ mit B bezeichnet. Weiterhin ist die Mehrzahl der durch die Änderung in der Magnetflußdichte B in dem Stahlplattenglied 110 induzierten Übergangsströme mit In₁, In₂, In₃, ... bezeichnet, und die Induktionskoeffizienten bezüglich dieser induzierten Übergangsströme sind mit M₁, M₂, M₃, ... bezeichnet. Die durch die Änderung in der Magnetflußdichte B induzierten Übergangsströme In₁, In₂, In₃, ... gelten als unabhängig voneinander. Dabei können die Übergangsströme In₁, In₂, In₃, ... durch einen einzigen Übergangsstrom i₂ ersetzt werden, der gemäß der Änderung in der Magnetflußdichte B von einem Induktionskoeffizienten M = ΣM_i (i = 1, 2, 3, ...) induziert wird. Deshalb kann der Verlauf des Verschwindens des durch eine beliebige Sensorspule 4 verlaufenden Magnetflusses Φ durch die Magnetflußdichte B und den auf Grund der Änderung in der Magnetflußdichte B von dem Induktionskoeffizienten M induzierten Übergangsstrom i₂ ausgedrückt werden.
4 zeigt einen äquivalenten Schaltkreis gemäß 3. Dabei zeigt R₂ den elektrischen Widerstand bezüglich des Übergangsstroms i₂, und L₂ zeigt die Induktivität bezüglich des Übergangsstroms i₂.
5 ist ein Schaltbild, bei dem die geschlossene Schleife des Magnetflusses Φ in dem Stromlaufplan gemäß 4 (die geschlossene Schleife C2, die in 2 durch eine einzelne Sensorspule 4 hindurch läuft) durch einen äquivalenten Magnetschaltkreis ersetzt ist. Dabei entspricht i₁ der Magnetflußdichte (B in 4). R₁ entspricht einer gegebenen Irreversibilität des Magnetflusses Φ. L₁ entspricht der Induktivität des Magnetkreises, die eine physikalische Größe ist, die direkt proportional zu dem Volumen des gesamten Magnetflußraums ist, der den Magnetfluß Φ aufrechterhält. Weiterhin entspricht in dem in 5 gezeigten Stromlaufplan der Induktionskoeffizient M der gegenseitigen Induktivität zwischen der Induktivität L₁ des Magnetschaltkreises und der Induktivität L₂ des Übergangsstromkreises.
6 zeigt eine schematische Ansicht der geschlossenen Schleife C2 mit dem Magnetfluß Φ (der Magnetflußdichte B (= i₁)), der durch eine einzelne Sensorspule 4 läuft, nachdem das statische Magnetfeld F1 abgeschaltet ist. Wie weiter oben beschrieben, schwächt sich nach dem Abschalten des statischen Magnetfeldes die magnetische Energie W, die sich beim Anlegen des Magnetfeldes in dem Stahlplattenglied 110 angesammelt hat, allmählich ab, anstatt sofort zu verschwinden. Diese magnetische Energie W wird in dem Regelkreisraum des Magnetflusses Φ aufrechterhalten, und sie verschwindet allmählich gemäß der Irreversibilität R₁ des Magnetflusses Φ. Die magnetische Energie läßt sich allgemein mit der folgenden Gleichung (1) ausdrücken.
Dabei ist L ein Wert, der direkt proportional zu dem Volumen des Raums, in dem ein Magnetfluß mit der Magnetflußdichte i₁ aufrechterhalten wird, mit anderen Worten, dem Volumen des Raums, in dem die magnetische Energie aufrechterhalten wird. Dagegen ist Gleichung (1) die gleiche wie die Gleichung, welche die Energie ausdrückt, die sich ansammelt, wenn ein Strom von i₁ in einer Spule mit der Induktivität L fließt. Deshalb ist zu sehen, daß die Induktivität L₁ in dem in 5 gezeigten Stromlaufplan direkt proportional zu dem Volumen des Gesamtraums ist, in dem der Magnetfluß aufrechterhalten wird.
Der in 5 gezeigte äquivalente Schaltkreis kann durch Gleichung (2) dargestellt werden.
Wenn die in Gleichung (2) angegebenen gleichzeitigen Differentialgleichungen für i₁ und i₂ gelöst werden, dann erhält man die folgenden Gleichungen (3a) und (3b) als jeweilige Lösungen.
Dabei werden die jeweiligen Konstanten in Gleichung (3a) und Gleichung (3b) für die Ausgangsbedingungen bestimmt, wobei die Magnetflußdichte i₁ (= B) zu der Zeit, zu der das statische Magnetfeld F1 abgeschaltet ist (t = 0), als B0 angenommen wird. In diesem Fall erhält man unter der Annahme, daß der Induktionskoeffizient M niedrig ist und der durch die Änderung in der Magnetflußdichte i₁ induzierte Übergangsstrom i₂ klein ist, mit anderen Worten, L1·L2 >> M·M, dann die folgenden Ergebnisse:
Wenn Gleichung (4a) und Gleichung (4b) in Gleichung (3a) eingesetzt werden und i₁ durch B ersetzt wird, dann erhält man Gleichung (5). B = A1exp(–t/τ1) – A2exp(–t/τ2) (5)
Gleichung (5) zeigt die Übergangsänderung in der Magnetflußdichte B des durch die Sensorspule 4 laufenden Magnetflusses Φ an. Dabei kann man unter Berücksichtigung von Gleichung (4d) des zweiten Glieds auf der rechten Seite von Gleichung (5) ignorieren. Deshalb kann die Änderung in der Magnetflußdichte B des Magnetflusses Φ, der die in 6 gezeigte geschlossene Schleife C2 bildet, nur dem ersten Glied auf der rechten Seite von Gleichung (5) angenähert werden. 7a zeigt die Übergangsänderung in der Magnetflußdichte B an, die nur durch das erste Glied auf der rechten Seite von Gleichung (5) gegeben ist, nach dem Zeitpunkt, zu dem das Magnetfeld abgeschaltet wird (t = 0). Der Wert der Magnetflußdichte vor t = 0 zeigt die Magnetflußdichte B₀ an, wenn das statische Magnetfeld angelegt wird. Dagegen ist die Übergangsspannung, die tatsächlich im Verlaufe des Verschwindens des Magnetfeldes von einer Sensorspule 4 erfaßt wird, gleich der Frequenz der Änderung der Magnetflußdichte B in der Zeit, mit anderen Worten, gleich der differentiellen Magnetflußdichte dB/dt, multipliziert mit der Querschnittsfläche des durch die Sensorspule 4 laufenden Magnetflusses. Deshalb kann man durch Differenzieren beider Seiten von Gleichung (5) nach der Zeit Gleichung (6) herleiten, mit anderen Worten, eine Gleichung für die differentielle Magnetflußdichte.
7b zeigt die Übergangsänderung in der durch Gleichung (6) erhaltenen differentiellen Magnetflußdichte. Diese Wellenform stimmt bekanntlich annähernd mit der Wellenform überein, die man erhält, wenn tatsächliche Messungen unter Verwendung einer Sensorspule 4 als magnetischer Sensor vorgenommen werden. Deshalb kann behauptet werden, daß das gemäß 3 bis 6 beschriebene Modell eine genaue Widerspiegelung des Verlaufs des Verschwindens des Restmagnetfeldes ist. Mit anderen Worten, Gleichung (5) stellt die Änderung in der Magnetflußdichte B des durch die Sensorspule 4 laufenden Magnetflusses Φ dar, und Gleichung (6) stellt die differentielle Änderung der Magnetflußdichte dB/dt dar.
Dabei ist zu sehen, daß der Ausdruck τ₁ in dem ersten Glied auf der rechten Seite von Gleichung (6) gleich L₁/R₁ ist, wie aus Gleichung (4a) entnommen werden kann, und er deshalb gleichwertig der Zeitkonstante des in 5 gezeigten Magnetkreises der Magnetflußdichte i₁ (= B) ist. Folglich stellt das erste Glied auf der rechten Seite von Gleichung (6) ideale, stetige Dämpfungsparameter dar, bei denen die Magnetflußdichte B des Magnetflusses in der Nähe des Stahlplattengliedes 110 exponentiell abnimmt, nachdem das statische Magnetfeld F1 abgeschaltet wurde, und es mit anderen Worten die idealen Dämpfungsparameter der magnetischen Energie darstellt. Dabei wird vorausgesetzt, daß die in dem ersten Glied auf der rechten Seite von Gleichung (6) enthaltene Zeitkonstante τ₁ als „Hauptzeitkonstante” bezeichnet wird. 7c zeigt die durch den ersten Ausdruck auf der rechten Seite von Gleichung (6) ausgedrückten Dämpfungsparameter der magnetischen Energie (die geschlossene Schleife C2 des Magnetflusses Φ).
Um die Zeitkonstante τ₁ zu bestimmen, erhält man zuerst Gleichung (7), indem man den Logarithmus jeder Seite von f₁(t) nimmt, der durch das erste Glied auf der rechten Seite von Gleichung (6) ausgedrückt wird. Wenn Gleichung (7) auf einem Diagramm aufgetragen wird, erhält man eine Gerade des Gradienten 1/τ₁. Deshalb läßt sich τ₁ aus dem Gradienten des Diagramms bestimmen.
In der oben beschriebenen Weise kann die Hauptzeitkonstante der Übergangsänderung in der differentiellen Magnetflußintensität des Restmagnetfeldes, das nach dem Abschalten des statischen Magnetfeldes verschwindet, bestimmt werden.
Der zweite Ausdruck τ₂ auf der rechten Seite von Gleichung (6) ist gleich L₂/R₂, wie aus Gleichung (4b) zu entnehmen ist, und entspricht mithin der Zeitkonstanten des äquivalenten Schaltkreises des Wirbelstroms i₂ in 5. Deshalb drückt der zweite Ausdruck auf der rechten Seite von Gleichung (6) die Dämpfungsparameter des Wirbelstromverlustes aus. 7d zeigt die Dämpfungscharakteristik des Wirbelstromverlustes, die durch den zweiten Ausdruck auf der rechten Seite von Gleichung (6) dargestellt sind. Im folgenden wird die Zeitkonstante i₂ des zweiten Ausdrucks auf der rechten Seite von Gleichung (6) als „sekundäre Zeitkonstante” bezeichnet. Die sekundäre Zeitkonstante i₂ läßt sich in der gleichen Weise erhalten, wie sie für i₁ beschrieben ist.
Die in der beschriebenen Weise erhaltene Hauptzeitkonstante τ₁ ist proportional zu L₁. Dagegen ist L₁ proportional zu der magnetischen Permeabilität μ der magnetischen Bahn, durch die hindurch der Magnetfluß Φ läuft. Diese Fakten zeigen, daß die Hauptzeitkonstante i₁ proportional zu der magnetischen Permeabilität μ ist. Es sei auch angemerkt, daß der Schweißlinsenbereich 102, der druckverbundene Bereich 103 und die Wärmeeinflußzone des Punktschweißbereichs unterschiedliche metallographische Gefüge und deshalb unterschiedliche magnetische Permeabilitäten μ aufweisen. Insbesondere ist bekannt, daß die magnetische Permeabilität μ abnimmt, wenn die Härte zunimmt.
Bei dem in der Offengelegten Japanischen Patentanmeldung Nr. 10-26709 offenbarten zerstörungsfreien Prüfverfahren werden die oben beschriebenen Meßprinzipien beim Erhalten der Hauptzeitkonstanten τ₁ der Magnetenergiedämpfungscharakteri stik an jeder Stelle der Sensorspulen 4 angewandt, und es wird die Verteilung der Hauptzeitkonstanten τ₁ als Schätzbasis für den Linsendurchmesser L2 des Schweißlinsenbereichs 102 verwendet, welcher der härteste in dem Punktschweißbereich ist und deshalb die niedrigste magnetische Permeabilität μ aufweist.
Insbesondere ist gemäß der Darstellung in 8a zuerst eine Reihe von beispielsweise sechzehn Sensorspulen 4 in einer dem Punktschweißbereich und dessen Umgebung gegenüberliegender Weise zwecks Messung der Dämpfungscharakteristik des Magnetflusses Φ in dem Restmagnetfeld durch jede der Sensorspulen 4 angeordnet. Aus diesen Meßdaten erhält man die Hauptzeitkonstante τ₁ für jede der Sensorspulen 4. Wie in 8b gezeigt, läßt sich die Verteilung der τ₁ für die jeweiligen Sensorspulen 4 durch eine Stufenfunktion mit der Meßstelle x als Variabler ausdrücken. Als nächstes wird in der in 8c gezeigten Weise eine Näherungskurve f(x) (durchgehende Linie) der Stufenfunktion mit der Methode der kleinsten Quadrate berechnet. Unter der Voraussetzung, daß der Schweißlinsenbereich 102 eine verhältnismäßig niedrige magnetische Permeabilität aufweist und sämtliche anderen Bereiche die gleiche magnetische Permeabilität aufweisen, spiegelt die Einbuchtung in der Näherungskurve f(x) für die τ₁-Verteilung das Vorhandensein und die Geometrie des Schweißlinsenbereich 102 wider, denn τ₁ ist proportional zu der magnetischen Permeabilität. Mithin wird gemäß dem in der offengelegten Patentanmeldung Nr. JP 10-26609 offenbarten Verfahren die Form der Einbuchtung in der Näherungskurve f(x) für die τ₁-Verteilung verwendet, um in der in 8c gezeigten Weise den Schweißlinsendurchmesser L2 zu berechnen.
Wie weiter oben erläutert, ist die dämpfungscharakteristische Hauptzeitkonstante τ₁ des durch die Sensorspule 4 gehenden Magnetflusses Φ proportional zu der Induktivität L₁, und L₁ ist proportional zu der magnetischen Permeabilität μ. Auch ist bekannt, daß L₁ proportional zu dem Volumen V des Raums ist, durch den hindurch der Magnetfluß Φ läuft. Mithin lautet das in Gleichung (8) ausgedrückte Verhältnis für die Hauptzeitkonstante τ₁: τ2 ∝ l (8)
Wie oben angemerkt, besitzt Luft eine extrem kleinere magnetische Permeabilität als sämtliche anderen magnetischen Substanzen in dem Punktschweißbereich. Aus diesem Grunde ist das für die Meßstellen gegenüber den Vertiefungen 101 in 8a berechnete τ₁ kleiner als die entsprechenden Werte für andere Meßstellen, ob nun der Schweißlinsenbereich 102 vorhanden ist oder nicht. Mit anderen Worten, die Einbuchtung in dem Diagramm gemäß 8c umfaßt eine Komponente, der sich aus den Vertiefungen 101 ergibt. Wenn der Punktschweißbereich eben und ohne ausgebildete Vertiefungen 101 wäre, hätte die Näherungskurve f(x) der τ₁-Verteilung eine flachere Einbuchtung, als die durch die gestrichelte Linie gezeigte. Mithin kann es, wenn bei dem zerstörungsfreien Verfahren an einem Punktschweißbereich nur eine Näherungskurve f(x) für die Verteilung von τ₁ verwendet wird, auf Grund des durch das Vorhandensein der Vertiefungen 101 verursachten Rauschens schwierig werden, eine genaue Schätzung für den Schweißlinsendurchmesser L2 zu erhalten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHUNGEN
1 ist eine schematische Ansicht, die eine Struktur und Funktionsweise einer Vorrichtung zur Ausführung einer zerstörungsfreien Prüfung durch Einschalten und Abschalten eines statischen Magnetfeldes darstellt.
2 ist eine schematische Ansicht, die eine andere Struktur und Funktionsweise einer Vorrichtung zur Ausführung einer zerstörungsfreien Prüfung durch Einschalten und Abschalten eines statischen Magnetfeldes darstellt.
3 ist ein Modell des Abklingvorgangs von geschlossenen Magnetflußschleifen nach dem Abschalten eines statischen Magnetfeldes.
4 zeigt einen äquivalenten Schaltkreis eines in 3 gezeigten Wirbelstroms.
5 zeigt ein Äquivalent zu 4, wobei eine geschlossene Schleife der Magnetflußdichte durch einen magnetisch äquivalenten Schaltkreis ersetzt ist.
6 zeigt eine geschlossene Schleife eines Magnetflusses, der unmittelbar nach dem Abschalten eines statischen Magnetfelds durch eine Spule läuft.
7a bis 7d zeigen Übergangsänderungen der jeweiligen physikalischen Eigenschaften bei der zerstörungsfreien Prüfung gemäß der vorliegenden Erfindung.
8a bis 8c stellen ein Konzept eines beispielhaften Verfahrens zur Messung eines Schweißlinsendurchmessers dar.
9 zeigt eine zerstörungsfreie Prüfvorrichtung, die ein zerstörungsfreies Prüfverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ausführen kann.
10 ist eine längs der Linie X-X gemäß 9 geführte Schnittansicht.
11 zeigt eine Konfiguration eines Systems zur Betätigung der zerstörungsfreien Prüfvorrichtung gemäß 9.
12 zeigt, wie sich eine Hauptzeitkonstante τ₁ in unterschiedlichen metallographischen Gefügen in einem Punktschweißbereich zusammen mit Änderungen in der Magnetflußdichte B eines angelegten statischen Magnetfeldes ändert.
13 ist ein Ablaufschema einer ersten Ausführungsform.
14a bis 14c stellen ein Konzept eines zerstörungsfreien Prüfverfahrens gemäß der ersten Ausführungsform dar.
15 zeigt ein Beispiel für Korrelierungsdaten, die mit der vorliegenden Erfindung erhalten werden.
16 ist ein Ablaufschema einer zweiten Ausführungsform.
17a bis 17c stellen ein Konzept eines zerstörungsfreien Prüfverfahrens gemäß der zweiten Ausführungsform dar.
18 ist eine Darstellung des Punktschweißens.
19 ist eine Schnittansicht eines Punktschweißbereichs, der durch Punktschweißen zweier Metallplatten hergestellt ist.
BESTE AUSFÜHRUNGSWEISE DER ERFINDUNG
9 zeigt eine zerstörungsfreie Prüfvorrichtung X zur Ausführung eines zerstörungsfreien Prüfverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung. 10 ist eine längs der Linie X-X gemäß 9 geführte Schnittansicht, die den Zustand des statischen Magnetfeldes zeigt, das gebildet wurde. Die zerstörungsfreie Prüfvorrichtung X führt eine zerstörungsfreie Prüfung aus, die auf den oben beschriebenen Meßprinzipien beruht, bei denen das statische Magnetfeld angelegt und ausgeschaltet wird. Die zerstörungs freie Prüfvorrichtung X umfaßt einen Erregerpol 11, eine um den Erregerpol 11 gewickelte Erregerspule 12, einen Rückführungspol 13, einen Verbindungsbereich 14 zur Verbindung des Erregerpols 11 und des Rückführungspols 13 und eine in der Nähe des Erregerpol 11 angeordnete Spulenanordnung 15.
Der Erregerpol 11 ist ein Eisenkern zur Erhöhung der Magnetflußintensität des Magnetfeldes, das induziert wird, wenn ein Strom durch die Erregerspule 12 fließt, und ist über den Verbindungsbereich 14 einstückig mit dem Rückführungspol 13 verbunden. Der Erregerpol 11 weist an seinem Ende eine den Magnetfluß erregende Fläche 11a auf. Der Rückführungspol 13 weist an seinem Ende eine Rückführungsfläche 13a auf. Magnetflüsse, die von der den Magnetfluß erregenden Fläche 11a des Erregerpols 11 ankommen, werden durch die Rückführungsfläche 13a zurückgeführt.
Die Spulenanordnung 15, die durch eine Reihe von Schleifenspulen 15a gemäß der vorliegenden Ausführungsform geschaffen wird, erfaßt während des Anlegens und nach dem Abschalten des statischen Magnetfeldes magnetische Änderungen nahe an einem Prüfbereich und gibt die gemessenen Änderungen in Form einer Spannung aus. Jede Schleifenspule 15a besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise Kupfer, und ist auf ein flexibles Trägermaterial aufstrukturiert. Wie in 9 gezeigt, befindet sich die Spulenanordnung 15 direkt unter der den Magnetfluß erregenden Fläche 11a und ist mit einem vorgegebenen Abstand von der den Magnetfluß erregenden Fläche 11a beabstandet, so daß die Reihe von Schleifenspulen 15a in Längsrichtung der den Magnetfluß erregenden Fläche 11a liegt. Die Spulenanordnung 15 ist in einem solchen Verhältnis zu der den Magnetfluß erregenden Fläche 11a positioniert, daß die Schleifenspulen 15a zu dem Rückführungspol 13 hin verschoben sind. Eine solche Konstruktion ermöglicht eine wirksame Messung des Magnetflusses des sich zu der Rückführungsfläche 13a hin bewegenden statischen Magnetfeldes und eine Messung des Restmagnetfeldes, wenn das statische Magnetfeld abgeschaltet ist.
11 zeigt die Zusammensetzung eines Systems zur Betätigung der zerstörungsfreien Prüfvorrichtung X1. Dieses System umfaßt einen Sensorbetätigungsbereich 20, einen Steuerungsbereich 30 und einen Datenverarbeitungsbereich 30.
Der Sensorbetätigungsbereich 20 umfaßt einen Sensorausgangsschaltbereich 21 und einen Pufferverstärker 22. Der Sensorausgangsschaltbereich 21 ist ein Schaltkreis zum Wählen von nur einem Ausgang von den jeweiligen Ausgängen der Mehrzahl von die Spulenanordnung 15 bildenden Schleifenspulen 15a und zum Ausgeben desselben zu dem Pufferverstärker 22. Der Sensorausgangsschaltbereich 21 wählt die Ausgänge der jeweiligen Schleifenspulen 15a nacheinander und gibt diese gemäß einem Sensorausgangsschaltsignal S1 von 4 Bit zu dem Pufferverstärker 22 aus. Der Pufferverstärker 22 ist ein Pufferschaltkreis zum Ausgeben des Ausgangssignals von dem Sensorausgangsschaltbereich 21 zu dem Steuerungsbereich 30 in Form eines Erfassungsignals S2.
Der Steuerungsbereich 30 wird von einem Steuerkreis gebildet, der über einen gattungsgemäßen Bus 38 mit dem Datenverarbeitungsbereich 40 verbunden ist, und er umfaßt einen Sensorsteuerungsbereich 30a und einen Signalverarbeitungsbereich 30b. Der Sensorsteuerungsbereich 30a umfaßt einen Erregungssteuerungsbereich 31 und einen Sensorausgangssteuerbereich 32. Der Signalverarbeitungsbereich 30b umfaßt einen Wellenformeinstellbereich 33, einen A/D-Wandler 34, einen Dual-Port-Speicher 35, eine A/D-Steuereinheit 34a und eine Speichersteuereinheit 35a. Der Steuerungsbereich 30 ist auf einem Steuerungsträgermaterial ausgebildet, das mit einem gewöhnlichen Einschub eines Computers verbunden ist.
Der Erregungssteuerungsbereich 31 des Sensorsteuerungsbereichs 30a gibt ein Ansteuersignal S3 zu der Erregerspule 20 aus, um ein statisches Magnetfeld mit einer vorgeschriebenen Intensität zu erzeugen oder abzuschalten. Mit anderen Worten, der Erregungssteuerungsbereich 31 legt eine vorgeschriebene Spannung an die Erregerspule 12 an und schaltet sie ab. Der Sensorausgangssteuerbereich 32 gibt ein Sensorausgangsschaltsignal S1 von 4 Bit aus, um nacheinander den Ausgang aus der Mehrzahl von in der Spulenanordnung 15 enthaltenen Schleifenspulen 15a zu dem Sensorausgangsschaltbereich 21 zu wählen.
Die Wellenformeinstellbereich 33 des Signalverarbeitungsbereichs 30b stellt das Erfassungsungssignal S2 von dem Pufferverstärker 22 gemäß der Eingangsspezifikation des A/D-Wandlers 34 ein. Der A/D-Wandler 34 wandelt das Eingangserfassungs ungssignal von analog in digital um. Der Dual-Port-Speicher 35 speichert die digitalen Daten nach der A/D-Umwandlung. Die A/D-Steuereinheit 34a steuert die Zeitgabe des A/D-Wandlers 34. Die Speichersteuereinheit 35a steuert die Vorgänge des Einschreibens in und Auslesens von dem Dual-Port-Speicher 35.
Wenn das Prüfobjekt eine Stahlplatte ist, dann treten die Wirkungen des Wirbelstromverlustes nach annähernd 10 μs oder weniger nach dem Abschalten des statischen Magnetfeldes merklich in den Übergangsänderungsparametern des Erfassungssignals S2 auf (wobei der Mittelwert annähernd 3 bis 6 μs beträgt). Unter Berücksichtigung dessen und der Genauigkeit der Datenverarbeitung ist es erwünscht, daß der A/D-Wandler 34 eine Umwandlungsgeschwindigkeit von 4 Msps oder mehr und eine Umwandlungsgenauigkeit von 12 Bit oder mehr besitzt.
Der Datenverarbeitungsbereich 40 ist mit Hilfe eines herkömmlichen Computers mit einer nicht dargestellten CPU und einem Hauptspeicher ausgeführt. In dem Datenverarbeitungsbereich 40 wird der Linsendurchmesser des Punktschweißbereichs durch Verarbeitung der Erfassungsdaten festgestellt, die von dem Sensorbetätigungsbereich 20 ausgegeben und von dem Signalverarbeitungsbereich 30b verarbeitet werden. Der Datenverarbeitungsbereich 40 umfaßt einen Monitor zum Anzeigen verschiedener Meßwellenformen und Meßdatentabellen. Die verschiedenen Arten der im folgenden beschriebenen Datenverarbeitung kommen dadurch zustande, daß eine CPU in dem Datenverarbeitungsbereich 40 ein Computerprogramm ausführt, das in einem Hauptspeicher (Speichermedium) gespeichert ist.
Mit der zerstörungsfreien Prüfvorrichtung X und dem Betätigungssystem, die oben beschrieben sind, kann ein zerstörungsfreies Prüfverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden.
12 zeigt, wie sich Hauptzeitkonstanten τ₁, die unterschiedlichen metallographischen Gefügen in einem Punktschweißbereich entsprechen, dann ändern, wenn sich die Magnetflußdichte B eines angelegten statischen Magnetfeldes ändert. Die in 12 gezeigte Graphik, welche die Änderungen der Hauptzeitkonstanten τ₁ darstellen, wird durch Verwendung der oben beschriebenen Prinzipien bei Anwendung auf einzeln hergestellte metallische Proben erhalten, die jeweils zwecks Simulierung des Schweißlin senbereichs 102, des druckverbundenen Bereichs 103, der Wärmeeinflußzone 104 und des Originalmetalls 105 angeordnet sind, die an oder nahe an dem in 19 gezeigten Punktschweißbereich angeordnet sind. Die Kurven 41, 42, 43 und 44 entsprechen jeweils dem Schweißlinsenbereich 102, dem druckverbundenen Bereich 103, der Wärmeeinflußzone 104 und dem Originalmetall 105.
Wie in 12 gezeigt, neigen die Hauptzeitkonstanten τ₁ dazu, bei dem Schweißlinsenbereich 102, dem druckverbundenen Bereich 103, dem Originalmetall 105 und der Wärmeeinflußzone 104 in dieser Reihenfolge bei gleicher Magnetflußdichte B größer zu sein. Das ist so, weil in der oben angemerkten Weise die Härte des Schweißlinsenbereichs 102, des druckverbundenen Bereichs 103, des Originalmetalls 105 und der Wärmeeinflußzone 104 in dieser Reihenfolge kleiner wird, während ihre magnetische Permeabilität μ, die proportional zu der Hauptzeitkonstanten τ₁ ist, zusammen mit der Zunahme der Härte größer wird. Die Hauptzeitkonstanten τ₁ für die jeweiligen Bereiche sind im allgemeinen konstant oder zeigen leichte lineare Änderungen; in einem relativ engen Bereich der Magnetflußdichte nehmen sie jedoch ziemlich stark zu und bilden dadurch eine Spitze. Wenn Messungen unter den gleichen Bedingungen vorgenommen werden, erscheint die Spitze jeder Kurve bei einer gegebenen Magnetflußdichte B, die für die Härte des Bereichs spezifisch ist. Eine andere Tendenz besteht darin, daß sich der spezifische Wert der Magnetflußdichte B in dem dargestellten Bereich der Magnetflußdichte zu der Seite mit dem höheren Wert hin verschiebt, wenn die Härte abnimmt.
Das zerstörungsfreie Prüfverfahren gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird an Hand von 12 und 14 sowie des Ablaufschemas gemäß 13 beschrieben. Insbesondere ist in Schritt 1 die zerstörungsfreie Prüfvorrichtung X derart angeordnet, daß eine Reihe von sechzehn Schleifenspulen 15a, die als magnetische Sensoren dienen, zu dem Punktschweißbereich und dessen Umgebung weisend angeordnet sind. Die Lagestellen der Schleifenspulen 15a werden durch die Meßstelle x dargestellt. Als nächstes legt die zerstörungsfreie Prüfvorrichtung X in Schritt S2 ein statisches Magnetfeld mit einer Magnetflußdichte B1 an den Punktschweißbereich an. Vorzugsweise ist die Magnetflußdichte B1 gemäß 12 größer als die Magnetflußdichte, die zu der Spitze in der τ₁–Kurve des Schweißlinsenbereichs 102 führt, jedoch kleiner als die Magnetflußdichte, die zu der Spitze in der τ₁-Kurve für den druckverbundenen Bereich 103 führt. Als nächstes wird in Schritt S3 das statische Magnetfeld abgeschaltet. Als nächstes messen in Schritt S4 die Schleifenspulen 15a das Verschwinden des Restmagnetfeldes für den Punktschweißbereich und dessen Umgebung. Als nächstes wird in Schritt S5 auf der Grundlage der Messungen die Zeitkonstante τ₁ an jeder Meßstelle analysiert. Als nächstes werden in Schritt S6 die Werte der Zeitkonstanten τ₁ für jede Sensorlagestelle aufgetragen, und dann wird eine Näherungskurve, wie sie in 14b gezeigt, mit Hilfe der Methode der kleinsten Quadrate aus den Auftragungsdaten errechnet. Die Näherungskurve 61 kann bei Bedarf auf dem Monitor des Datenverarbeitungsbereichs 40 angezeigt werden.
Als nächstes kehrt das Verfahren zu Schritt S2 in dem Ablaufschema gemäß 13 zurück, wodurch die an der Ausgangsposition gehaltene zerstörungsfreie Prüfvorrichtung X wieder ein statisches Magnetfeld mit einer Magnetflußdichte B2 an den Punktschweißbereich und dessen Umgebung anlegt. Wie in 12 gezeigt, führt die Magnetflußdichte B2 in der Kurve für den druckverbundenen Bereich 103, jedoch nicht in irgendwelchen anderen Kurven für die anderen Bereiche, vorzugsweise zu der Spitze. Als nächstes wird in Schritt S3 das statische Magnetfeld abgeschaltet. In Schritt S4 messen die jeweiligen Schleifenspulen 15a das Verschwinden des Restmagnetfeldes für den Punktschweißbereich und dessen Umgebung. Entsprechend den Messungen werden in Schritt S5 die Hauptzeitkonstanten τ₁ an jeder Meßstelle analysiert. In Schritt S6 werden die Hauptzeitkonstanten τ₁ für die jeweiligen Sensorlagestellen oder die Meßstelle x aufgetragen. Aus den Auftragungsdaten wird mit der Methode der kleinsten Quadrate eine Näherungskurve 62 errechnet, wie sie in 14b gezeigt. Die Näherungskurve 62 kann bei Bedarf auf dem Monitor des Datenverarbeitungsbereichs 40 angezeigt werden.
Jede der magnetischen Bahnen, die den Positionen der jeweiligen Schleifenspulen 15a entspricht, d. h. den Meßstellen, verläuft durch verschiedene den Punktschweißbereich bildende Bereiche. Wie aus 12 erkennbar ist, ist die an jeder Meßstelle mit der Magnetflußdichte B1 gemessene Zeitkonstante τ₁ die gleiche wie die an jeder Meßstelle mit der Magnetflußdichte B2 gemessene Zeitkonstante τ₁, wenn die magnetischen Bahnen, die den jeweiligen Meßstellen entsprechen, nicht durch den druckverbundenen Bereich 103 verlaufen. Dagegen ist die Zeitkonstante, wenn der größte Teil der magnetischen Bahn durch den druckverbundenen Bereich 103 verläuft, bei Messung durch die Magnetflußdichte B2 größer als bei Messung durch die Magnetflußdichte B1. Diese Differenz spiegelt sich im Auftreten der Spitzen in der in 14c gezeigten Verhältniskurve 63 wider. In jeder der Näherungskurven 61, 62 gemäß 14b umfaßt eine Einbuchtung eine Komponente, die von den Vertiefungen 101 hervorgerufen wird, die in 14c gezeigte Verhältniskurve, die Änderungen im Verhältnis zwischen den beiden Kurven zeigt, umfaßt jedoch die Komponente von den Vertiefungen 101 nicht. Deshalb ermöglicht es die vorliegende Erfindung, Informationen über die innere Struktur in geeigneter Weise unabhängig von der Welligkeit der Außenseite in dem Punktschweißbereich zu erhalten.
14c zeigt einen Fall, in dem der Schweißlinsendurchmesser L2 als Abstand zwischen den beiden Spitzen der Verhältniskurve 63 geschätzt wird. Hinsichtlich der Interpretation eines spezifischen Punktes in der Spitze, welche die Grenze zwischen dem Schweißlinsenbereich 102 und dem druckverbundenen Bereich 103 sein soll, sollte die Interpretation vorzugsweise durch eine vorgegebene Gruppe von Schritten auf der Grundlage von Korrelierungsdaten zwischen dem geschätzten Schweißlinsendurchmesser L2, der aus den Spitzendaten der Verhältniskurve 63 gemäß der vorliegenden Ausführungsform erhalten wird, und tatsächlichen Meßdaten des Schweißlinsendurchmessers L2 erfolgen.
15 zeigt Korrelierungsdaten zwischen geschätzten Werten des Schweißlinsendurchmessers L2, die durch den Spitze-Spitze-Abstand in der Verhältniskurve 63 und Werten gegeben ist, die aus tatsächlichen Messungen des Schweißlinsendurchmessers L2 erhalten werden. Die Korrelierungsdaten ergeben einen Korrelierungskoeffizienten von etwa 0,92, was anzeigt, daß die geschätzten Werte in hohem Maße genau sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung lassen sich durch die Wahl zweier geeigneter Werte auf der Basis der Kurve der Änderung der Daten von τ₁ in der in 12 gezeig ten Weise für die Magnetflußdichte B des angelegten statischen Magnetfeldes auch andere Informationen erhalten, beispielsweise zu den Durchmessern anderer Zonen.
Als nächstes wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung an Hand von 12, 17a–17c und dem Ablaufschema gemäß 16 beschrieben. Zuerst wird in Schritt 1' in der in 17a gezeigten Weise die zerstörungsfreie Prüfvorrichtung X so positionert, daß die Reihe von sechzehn Schleifenspulen 15a, die als magnetische Sensoren dienen, in Richtung eines Punktschweißbereichs und dessen Umgebung zeigend angeordnet werden. Die Lagestellen der Schleifenspulen 15a sind durch Meßstellen x dargestellt. Als nächstes legt die zerstörungsfreie Prüfvorrichtung X ein statisches Magnetfeld mit einer Magnetflußdichte B3 an den Punktschweißbereich an. Wie in 12 gezeigt, weist die Magnetflußdichte B3 idealerweise einen Wert auf, der kleiner als eine Magnetflußdichte ist, durch welche die Zeitkonstante auf die Spitze in der Kurve für den Schweißlinsenbereich 102, jedoch nicht in irgendwelchen anderen Kurven für die anderen Bereiche kommt. Als nächstes wird in Schritt S3 das statische Magnetfeld abgeschaltet. Als nächstes nimmt in Schritt S4' jede Schleifenspule 15a Messungen für den Schwindungsvorgang des Restmagnetfeldes an dem Punktschweißbereich und dessen Umgebung vor. Als nächstes wird in Schritt S5' auf der Grundlage dieses speziellen Meßzyklus Analysen für die Zeitkonstante τ₁ an jeder Meßstelle vorgenommen. Bei diesem Schritt erfolgt auch eine analytische Berechnung für einen Wert der Magnetflußdichte bei t = 0, die diese spezielle Gruppe von Hauptzeitkonstanten ergeben hat. Insbesondere wird der Wert durch den Datenverarbeitungsbereich 40 mittels eines Integrierungsvorgangs von t = 0 auf t = ∞ für den ersten Ausdruck auf der rechten Seite von Gleichung (6) erhalten, der 7c entspricht. Die Hauptzeitkonstanten und die entsprechenden Magnetflußdichten B werden im Hauptspeicher in dem Datenverarbeitungsbereich 40 gespeichert. Als nächstes erfolgt in Schritt S6' eine Auftragung von Werten für die Zeitkonstante jeder Sensorlagesteile oder Meßstelle x, und aus den Auftragungsdaten wird mit Hilfe der Methode der kleinsten Quadrate in der in 17b gezeigten Weise eine Näherungskurve 80 erhalten. Die Näherungskurve 80 wird bei Bedarf auf dem Monitor des Datenverarbeitungsbereichs 40 angezeigt. Schritt S6' kann gemäß der vorliegenden Ausführungsform übersprungen werden. Es sei angemerkt, daß die Näherungskurve 80 gemäß 17b der Einfachheit der Zeichnung halber schematisch ist.
Als nächstes geht das Verfahren von Schritt S5' oder S6' zu Schritt S2' des Ablaufschemas gemäß 16 zurück, und es wird ein Zyklus von Schritten von Schritt S2' bis zu Schritt S5' oder S6' n mal wiederholt, wobei die Magnetflußdichte B des von der zerstörungsfreien Prüfvorrichtung X angelegten statischen Magnetfeldes bei jedem Zyklus um ΔB inkrementiert wird. Ein Wert der Magnetflußdichte in dem n-ten Zyklus ist B4. Wie in 12 gezeigt, ist die Magnetflußdichte idealerweise größer als eine Magnetflußdichte, durch welche die Zeitkonstante in der Kurve für die Wärmeeinflußzone 104, jedoch nicht in den Kurven für irgendwelche anderen Zonen, bis zu der Spitze geführt wird. In der beschriebenen Weise wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Magnetflußdichte B des angelegten statischen Magnetfeldes zwecks Abtastung variiert oder geändert, wodurch Änderungen in der Hauptzeitkonstanten an jeder Meßstelle abgetastet werden.
Wenn das Abtasten beendet ist, wird in Schritt S7' auf den Hauptspeicher in dem Datenverarbeitungsbereich 40 verwiesen, um für jede Meßstelle einen Magnetflußdichtewert eines kritischen statischen Magnetfeldes zu identifizieren, wo die Zeitkonstante als Reaktion auf die Änderung in der Magnetflußdichte B eine dramatische Erhöhung gezeigt hat. Wie aus 12 zu erkennen ist, besitzt jeder der Bereiche, die den Punktschweißbereich und dessen Umgebung bilden, einen spezifischen Magnetflußdichtewert für das kritische statische Magnetfeld, wo die Zeitkonstante eine dramatische Erhöhung zeigt, in einem Bereich zwischen der Magnetflußdichte B3 zu Beginn des Abtastens und der Magnetflußdichte B4 am Ende des Abtastens. An jeder Position, an der eine der Schleifenspulen 15a angeordnet ist, d. h. an jeder von einer der Meßstellen dargestellten Position der magnetischen Bahn, befindet sich ein Komplex verschiedener Zonen, die den Punktschweißbereich bilden. Die Änderung in der Hauptzeitkonstanten an jeder Meßstelle ist eine wichtige Darstellung eines Einflusses durch die Struktur (Zone), die ein primäres oder das größte Volumen an dieser speziellen Position der magnetischen Bahn einnimmt. 17b gibt eine schematische Ansicht verschiedener Wellenformen (Näherungskurven) der Hauptzeitkonstanten bei jeder Magnetflußdichte in einem Fall wieder, bei dem das Abtasten mit einer Gesamtzahl von 10 verschiedenen Werten der Magnetflußdichte B erfolgte. Pfeile in der Figur zeigen die Positionen x an, an denen eine dramatische Erhöhung von τ₁ erkannt wurde.
Als nächstes wird in Schritt S8' in der in 17c gezeigten Weise eine Magnetflußdichtekurve 90 mit der Meßstelle x als Variable erhalten, die auf den Magnetflußdichtedaten des in Schritt S7' erkannten statischen Magnetfeldes beruht, wo die Zeitkonstante eine dramatische Erhöhung zeigte. Die Magnetflußdichtekurve 90 gemäß 17 ist eine zweidimensionale Interpretation der Informationen über die innere Struktur des Punktschweißbereichs. Insbesondere stellt x1–x6 den HAZ-Durchmesser L4 dar, x2–x5 stellt den Verbindungsdurchmesser L3 dar und x3–x4 stellt den Schweißlinsendurchmesser L2 dar. Die Magnetflußdichtekurve 90 wird bei Bedarf auf dem Monitor des Datenverarbeitungsbereichs 40 angezeigt.
Als nächstes werden in Schritt S9' die Längen von x3–x4, x2–x5 und x1–x6 entsprechend den Daten zu der Magnetflußdichtekurve 90 berechnet, wobei ein Schweißlinsendurchmesser L2, ein Verbindungsdurchmesser L3 und ein HAZ-Durchmesser L4 gegebene Schätzwerte sind. Als nächstes wird in Schritt S10' der geschätzte Schweißlinsendurchmesser L2 mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen, um die Schweißmenge des Punktschweißbereichs zu ermitteln.
Jede der Näherungskurven 80–89 gemäß 17b beinhaltet eine Komponente, die von den Vertiefungen 101 hervorgerufen wird. Jedoch wird die Magnetflußdichtekurve 90 gemäß 17c im Koordinatensystem aufgetragen, wobei die vertikale Achse die Magnetflußdichte darstellt, die zu dramatischen Änderungen bei diesen Kurven führt, und keine Komponente beinhaltet, die von den Vertiefungen 101 hervorgerufen wird. Deshalb ermöglicht es die vorliegende Erfindung, Informationen über die innere Struktur in geeigneter Weise unabhängig von der Welligkeit der Außenseite in dem Punktschweißbereich zu erhalten. Es sollte erkannt werden, daß 17b auch Magnetflußdichtekurven in gestrichelten Linien enthält, die jeweils auf den Verteilungsdaten der Magnetflußdichte bei t = 0 für jede der Meßstellen beruhen, die in Schritt S5' in den Zyklen berechnet wurden, bei denen die Magnetflußdichte B3 bis B4 lautete. Jede dieser Magnetflußdichtekurven stellt die Oberflächenwellenform des Punktschweißbereichs dar, und diese Kurven unterscheiden sich in den gesamten Zyklen nicht voneinander, was anzeigt, daß sich die Vertiefungen 101 nicht auf die Magnetflußdichtekurve 90 gemäß 17 auswirken.
17c zeigt einen Fall, in dem der Schweißlinsendurchmesser L2 als Abstand zwischen den beiden Ablenkungsspitzen der Magnetflußdichtekurve 90 bei der geringsten Magnetflußdichte geschätzt wird. Hinsichtlich der Interpretation eines spezifischen Punktes in der Ablenkung, welche die Grenze zwischen dem Schweißlinsenbereich 102 und dem druckverbundenen Bereich 103 sein soll, sollte die Interpretation vorzugsweise durch eine vorgegebene Gruppe von Schritten auf der Grundlage von Korrelierungsdaten zwischen dem geschätzten Schweißlinsendurchmesser L2, der aus den Ablenkpunktdaten der Magnetflußdichtekurve 90 gemäß der vorliegenden Ausführungsform erhalten wird, und tatsächlichen Meßdaten des Schweißlinsendurchmessers L2 erfolgen.
Bei der ersten und der zweiten Ausführungsform werden die Meßergebnisse nicht von den Vertiefungen 101 beeinflußt. Infolgedessen wird es möglich, eine genaue Schätzung zu dem Schweißlinsendurchmesser L2 vorzunehmen und deshalb in hohem Maße zuverlässige Prüfergebnisse zu der Schweißqualität von Punktschweißbereichen zu erhalten. Ferner wird es auch möglich, eingehende Informationen zu der inneren Struktur des Punktschweißbereichs, beispielsweise des Verbindungsdurchmessers und des HAZ-Durchmessers L4, zu erhalten.
Die vorliegende Erfindung wurde oben an Hand eines Beispiels für ein zerstörungsfreies Prüfverfahren für Punktschweißbereiche beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt und ist auch auf zerstörungsfreie Prüfvorrichtungen und -verfahren zum Messen und Prüfen von inneren Beschädigungen, der Härte, der wirkenden Beanspruchung und so weiter anwendbar, beispielsweise in Stahlelementen. Das zerstörungsfreie Prüfverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wurde an Hand von Graphiken und anderen visuellen Darstellungen beschrieben, wobei jedoch angemerkt sei, daß verschiedene Datenverarbeitungen und -analysen auch mit Hilfe einer arithmetischen Verarbeitung mit Hilfe einer Vielzahl von mathematischen Funktionen ausgeführt werden können, die äquivalent zu jeder der dargestellten Graphiken sind.

Claims

Zerstörungsfreies Prüfverfahren aufweisend: einen Abtastschritt mit einem Zyklus des Magnetisierens eines Prüfobjekts durch Anlegen (S2') eines statischen Magnetfelds an das Prüfobjekt, des Abschaltens (S3') des statischen Magnetfeldes zwecks Messung der Übergangsänderung in einer differentiellen Magnetflussdichte eines durch das magnetisierte Prüfobjekt hindurch verlaufenden Restmagnetfeldes an einer Mehrzahl von Messstellen (X) und des Erhaltens (S5') einer Hauptzeitkonstante (τ₁) der Übergangsänderung für jede der Messstellen (X), wobei der Zyklus wiederholt für jedes von einer Mehrzahl von statischen Magnetfeldern mit verschiedenen Magnetflussdichten (B) ausgeführt wird; einen Analyseschritt zum Analysieren einer Änderung, welche die Hauptzeitkonstante (τ₁) an jeder Messstelle (X) erfährt, während die Mehrzahl der statischen Magnetfelder (B) in dem Abtastschritt geändert wird; und einen Informationserhaltungsschritt zum Erhalten von Information bezüglich einer inneren Struktur des Prüfobjekts auf Basis eines mittels des Analyseschritts erhaltenen Analysenergebnisses, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Analyseschritt an jeder der Messstellen (X), eine Magnetflussdichte (B) eines kritischen statischen Magnetfeldes bestimmt wird, wobei für dieses Feld die Änderung der Hauptzeitkonstanten (τ₁) während des Abtastschrittes bezüglich der Änderungen in dem statischen Magnetfeld einen Maximalwert erreicht, und dass in dem Informationserhaltungsschritt Information bezüglich der inneren Struktur des Prüfobjekts auf Basis einer Verteilungsfunktion des kritischen statischen Magnetfeldes mit den Messstellen (X) als eine Variable erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messstellen (X) sich in einer dem Prüfobjekt gegenüberliegenden Reihe befinden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Prüfobjekt ein Punktschweißbereich in einem mittels eines Punktschweißens zweier Metallplatten (100a, 100b) hergestellten verbundenen Plattenglied ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Informationserhaltungsschritt bezüglich der inneren Struktur erhaltenen Information Information bezüglich einer Gestalt eines in dem Punktschweißbereich beinhalteten Schweißlinsenbereichs (102) beinhaltet.