DE1648636B2

DE1648636B2 - Vorrichtung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung von metallischen Werkstücken nach der Wirbelstrommethode

Info

Publication number: DE1648636B2
Application number: DE1648636A
Authority: DE
Inventors: Donald Edgar Slough Buckinghamshire Bromley (Grossbritannien)
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1966-10-20
Filing date: 1967-10-20
Publication date: 1974-05-22
Also published as: US3496458A; DE1648636A1; DE1648636C3; GB1130870A

Description

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsschaltung einen Transformator (TR₂) mit einem parallel zur Primärwicklung liegenden, einstellbaren Widerstand (K₁) umfaßt und die Primärwicklung dieses Transformators von der gleichen Wechselstromquelle wie die Prüfspule (11) gespeist ist und die Sekundärwicklung in Reihe mit der Prüfspule (11) geschaltet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung des Transformators über einen zweiten in Reihe mit der Prüfspule liegenden einstellbaren Widerstand (75) gespeist ist.

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung von metallischen Werkstücken nach der Wirbelstrommethode gemäß dem Gattungsteil des Anspruchs 1.

Es ist eine nach der sogenannten Wirbelstrommethode arbeitende Vorrichtung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung von metallischen Werkstücken wie Aluminiumteilen bekannt (USA.-Patentschrift 197 693), die zwei getrennte Prüfspulen aufweist, die mit verschiedenen speziell eingestellten Strömen gespeist sind. Die Ausgangsspannung der einen Prüfspule wird einer Kompensationsschaltung zugeführt, in welcher zu der Spulenausgangsspannung noch eine Kömpensationsspannung hinzuaddiert wird, so daß schließlich eine Meßspannung entsteht, deren Amplitude unabhängig von dem Abstand zwischen Prüfspulenanordnung und Werkstück konstant bleibt und bei der nur noch die Phase sich entsprechend ändert. Diese Wirkung beruht darauf, daß der Vektor der komplexen Ausgangsspanni'ng dieser einen Priifspule in der komplexen Spannungsebene bei Änderung des Abstandes zwischen Prüfspulenanordnung und Werkstück einen Kreisbogen beschreibt (F i g. 5 der USA.-Patentschrift 3197 693). Dieser Effekt kann bei der bekannten Vorrichtung jedoch nur durch die beiden mit ihren unterschiedlichen Strömen nach Betrag und Phase genau aufeinander abgestimmten Spulen erreicht werden, und dieser Effekt wurde außerdem nur für die Prüfung von Metallwerksrücken wie Aluminiumteile erkannt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine im Aufbau sehr einfache Vorrichtung dieser Art zu schaffen, die speziell zum zerstörungsfreien Prüfen von ferromagnetischen Werkstücken geeignet ist.

Diese Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird also nur mit einer einzigen Spule und Speisung derselben aus einer konstanten Stromqueue die Prüfung von ferrornagnetischen Werkstücken nach dem gleichen Prinzip möglich, wie dies mit einer wesentlich komplizierteren Anordnung bisher nur zum Prüfen von Metallteilen möglich war. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist keine Einstellung genauer Amplituden- und Phasenverliältnisse des die Prüfspule speisenden Stromes nötig, so daß auch die Bedienung einer solchen Vorrichtung wesentlich vereinfacht wird.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung sind an Hand der Zeichnung näher erläutert.

F i g. 1 zeigt schematisch die Seitenansicht und die Frontansicht einer Prüfsonde;

F i g. 2 zeigt die Abhängigkeit der an der Prüfsonde gemäß F i g. 1 erzeugten Spannung für verschiedene Sondenabstände vom Werkstück;

F i g. 3 zeigt ein Schaltbild der Vorrichtung;

F i g. 4 a zeigt die Änderung des Ausschlags einer Anzeigeeinrichtung, die im Schaltkreis nach F i g. 3 liegt, wenn die Prüfsonde lotrecht und parallel zu einem Riß sich befindet;

F1 g. 4 b zeigt die Abhängigkeit des Ausschlags bzw. der Anzeige der Anzeigeeinrichtung in Abhängigkeit von der Rißtiefe;

F i g. 5 a zeigt den die Prüfsonde und das zu prüfende Werkstück verbindenden Magnetkreis;

F i e. 5 b zeigt das Ersatzschaubild für den Magnetkreis nach F i g. 5 a;

F i g. 5 c stellt eine normale Transformation des Ersatzkreises nach F i g. 5 b dar;

F i g. 6 gibt die Parameter des Schaltkreises nach Fig. 5 c umgerechnet für einen Serienschaltkreis an, und

F i g. 7 zeigt den Schaltkreis einer zweiten Ausführungsform der Vorrichtung.

Auf die konstruktiven Einzelheiten der Sonde wird weiter unten eingegangen, doch sei bemerkt, daß die in F i g. 1 dargestellte Sonde eine Wicklung 11 mit 500 Windungen aus Draht mit einem Durchmesser von etwa 0,193 mm (36 S.W.G.) auf dem mittleren Schenkel eines E-förmigen Kerns hat, der aus MU-Metallblechen bestand, weiche in der aus F i g. 1 ersichtlichen Weise angeordnet waren.

Das Verfahren ist bei seiner Anwendung bei eisenhaltigen Werkstoffen für Änderungen der Lage der Sonde unempfindlich, so daß es im Gegensatz zur bisherigen Praxis nicht erforderlich ist, die Sonde mit großer Genauigkeit anzuordnen. Die Arbeitsweise richtet sich im einzelnen nach dem elektrischen Verhalten der Prüfsonde. Das Verhalten der Sonde läßt sich in der Praxis am besten dadurch verfolgen, daß man die Phase und Amplitude der an der Prüfsonde

erzeugten Spannung für einen konstanten Eingangs- Priifsonde 10 geschaltet ist. Bei der Schaltung nach wechselstrom für verschiedene Stellungen der Probe, F i g. 3 muß man die Induktivität der Primärwicklung wie dies in Fig.2 geschehen ist, aufträgt. Dies be- des Transformators TR.₂ so wählen, daß es durch deutet in der Praxis, daß die induktive und die Ohm- Verstellen des Uberbrückungs-Widerstandsnetzwersche Komponente der Impedanz der Priifsonde als in 5 kes R 9, R10, RVl möglich ist, die richtige Kom-Serie geschaltete Elemente behandelt werden und pensationsspannung zu erreichen. Dies erfolgt durch wobei der Strom zur Priifsonde aus einem Oszillator Berechnung eines geeigneten Wertes der Primär-Inmit einem großen Serienwiderstand eingespeist wird duktanz. Eine bequemere Einstellung mit zwei Frei- und wobei man Phase und Größe der an der Sonde heitsgraden, d. h. eine unabhängige Einstellung der erzeugten Spannung von einem Phase und Größe an- io induktiven und reaktiven Komponenten des Abzeigenden Voltmeter (Quadratur-Voltmeter) abliest. gleichkreises, läßt sich mit Hilfe verschiedener Ver-Befindet sich die Sonde in einem großen Abstand fahren erzielen, z.B. durch die Verwendung einer von jedem Gegenstand aus Metall, ist ihre Impedanz anzapfbaren Induktivität oder durch die Verwendung nahezu ausschließlich induktiv, doch ist eine kleine von Kondensatoren in der Schaltung oder dadurch, Widerstandskomponente vorhanden, die vom Ohm- 15 daß man die Abgleichschaltung getrennt von der sehen Widerstand der Spulenwicklung und des Spei- Sonde in einer Parallelschaltung von dem Oszillator sestromkreises herrührt. Wird die Priifsonde auf ein aus über einen einstellbaren Widerstand speist, der Stück aus Ferrit, einem nichtleitenden magnetischen gemäß F i g. 7 zusätzlich zu einem Überbrückungs-Werkstoff, aufgebracht, steigt die Induktanz wie er- kreis (Shunt-Schaltung) vorgesehen ist. Das Auswartet an. Wird die Sonde auf ein ferromagnetisches 20 gangssignal des Meßkreises wird durch die Transisto-Werkstück, beispielsweise aus Stahl, aufgebracht, ren T 3 und T 4 in einer Schaltung verstärkt, die mit steigt die Induktanz weniger stark an, aber die Ohm- einer starken negativen Rückkopplung arbeitet und sehe Komponente ist ebenfalls vorhanden. der ein Gleichrichterkreis mit einer Diode D 1 nachWenn die in der Priifsonde erzeugte Spannung hin- geschaltet ist. Die Größe des Ausgangssignals wird sichtlich Phase und Blindkomponente (Quadratur) in 25 durch eine Anzeigeeinrichtung angezeigt, die in eini-Abhängigkeit von dem Speisestrom der Prüfsonde ger Entfernung von den übrigen Teilen der Schaltung für verschiedene Abstände zwischen Priifsonde und angeordnet sein kann, wobei der größte Teil des Oberfläche des Werkstücks aufgetragen werden, liegt Ausschlags aufgehoben (backed off) bzw. kompendie resultierende Spannung auf einer kreisbc.genför- siert wird (Nullpunktunterdrückung). Hierzu dient migen Kurve bzw. einem Kreisbogen, was sich theo- 30 ein Widerstandsnetzwerk RV 2, RV 3, R 23 und retisch nachweisen läßt. Wird daher eine Kompensa- R 24. Hierdurch werden die Änderungen der Antionsspannung, die durch das Krümmungszentrum zeige deutlicher sichtbar gemacht, ohne daß ständig dieses Kreisbogens hinsichtlich Phase und Amplitude ein großer Ausschlag vorhanden ist. Bei der in repräsentiert ist, vektoriell zur gemessenen Spannung F i g. 7 dargestellten Schaltung wird der Wechseladdiert, ist die Amplitude der resultierenden Span- 35 strom von einem Oszillator 71 über einen Widernung konstant und wird durch den Radiusvektor des stand 72 zur Prüfsonde 73 eingespeist. Der Ba-Kreises repräsentiert. Das bedeutet, daß die gemes- lance-Schaltkreis 74 wird getrennt parallel zur Prüfsene Amplitude der Spannung unabhängig vom Ab- sonde 73 vom Oszillator 71 über einen einstellbaren stand der Prüfsonde von der Oberfläche des Werk- Widerstand 75 gespeist. Wiederum ist die Sekundärstücks ist. 40 wicklung eines in der Balance-Schaltung 74 vorgese-Ändert sich der Widerstand des Wirbelstroms auf henen Transformators in Serie mit der Prüfsonde 73 Grund eines Risses oder einer anderen Unregelmä- verbunden. Die Amplitude der resultierenden Spanßigkeit, beispielsweise eines Materialwechsels, wird nung wird mit der schematisch angedeuteten Schaldie beobachtete Spannung r.icht mehr auf der Kurve tung 76 gemessen.

liegen, sondern vielmehr eine andere Amplitude ha- 45 Das Wirbelstromverfahren spricht auf Änderungen

ben. Diese Amplitude wird jedoch ihrerseits wieder des Widerstandes der Oberfläche des Metalls nahe

unabhängig vom Abstand der Priifsonde von der der Sonde an, die von dem Wechselfeld der Sonde

Werkstückoberfläche sein. durchdrungen wird. Bei ferromagnetischem Werk-

Eine zum Zentrum der Kurve geeignete Kompen- stoff bewirkt der Skin-Effekt, daß Ströme nur unmit-

sationsspannung wird in einem Balance-Schaltkreis 50 telbar an der Oberfläche fließen. Durch das Vorhan-

durch Parallelschaltung eines Induktors mit einem densein eines Risses, der die Oberfläche unterbricht,

einstellbaren Widerstand, der eine gewisse Einstel- werden diese Ströme unterbrochen, so daß ein Meß-

lung ermöglicht, erzeugt und vektoriell mit der Prüf- gerät eine Anzeige liefert, die sich nach der Tiefe des

Sondenspannung dadurch addiert, daß eine Sekun- Risses richtet, und zwar bis zu einer Abmessung, die

därwicklung des Induktors in Serie mit der Prüf- 55 mit den Abmessungen der Stromschieife vergleichbai

sonde verbunden ist. ist, wobei die Anzeige jedoch von der Breite des Ris-

Der in F i g. 3 gezeigte elektronische: Schaltkreis ses weitgehend unabhängig ist. Die Anzeige richtei

umfaßt einen Transistoroszillator T₁, dem eine sich ferner danach, wie nahe sich ein Riß unterhalb

Emitterfolgeschaltung T_n nachgeschaltei: ist, welche der Sonde bewegt. Das Verfahren ist für unter dei den Meßkreis über einen großen Widerstand R_B 60 Oberfläche liegende Fehlstellen unempfindlich, so-

speist. Die dem Zentrum des Kreises entsprechende fern sich nicht die Fehlstellen bis in die unmittelbare

Kompensationsspannung wird dadurch erzeugt, daß Nähe der Oberfläche erstrecken,

die Primärwicklung eines Transformators TjR₂ durch Es wurde eine Eichung mit Hilfe von Schlitzer

einen innerhalb gewisser Grenzen einstellbaren durchgeführt, die in eine flache Platte eingeschnitter Widerstand RVl überbrückt wird, und diese Span- 65 waren, um den Riß nachzuahmen. Fig.4 a zeigt da:

nung wird vektoriell zu der an der Prüfsonde 10 er- Ansprechen für den Fall, daß die Sonde über der

zeugten Spannung dadurch addiert, daß die Sekun- Einschnitt hinweggeführt wird, und zwar für der

därwicklung des Transformators TR_n in Serie mit der Fall, daß sich die Sonde rechtwinklig zu dem Ein-

schnitt erstreckt (Kurve A), sowie den Fall, daß sich die Sonde parallel zu dem Einschnitt erstreckt (Kurve B). F i g. 4 b zeigt das Ansprechen auf die Tiefe des Einschnitts für den Fall, daß sich die Sonde in ihrer empfindlichen Stellung, d.h. unmittelbar oberhalb des Risses, befindet. Ferner zeigt Fig.4b Punkte für einen nachgeahmten Riß, der dadurch erzeugt wurde, daß zwei Stahiplatten in fechtwinkeliger Lage zueinander durch Weichlöten miteinander verbunden wurden, wobei Glimmer dazwischen angeordnet wurde, um die elektrische Kontinuität bis zu verschiedenen bekannten Tiefenwerten zu unterbrechen.

Außer dieser Eichung im Laboratorium wurden Versuche an einem Probestück aus Stahl durchgeführt, das mit Hilfe einor großen Maschine einer Prüfung auf seine Dauerfestigkeit unterzogen wurde. Es wurde eine Stelle ausgewählt, die keine Rißentwicklung im Zeitpunkt des Übergangs (Transfer) zeigte. Während der Durchführung des Versuches zeigte der Wirbelstrommesser große Ausschläge, die in zu optischen Schätzungen der Rißtiefe an den Kanten der Platte in Beziehung standen. Diese Ergebnisse sind ebenfalls in F i g. 4 b wiedergegeben.

Ein Spulensystem 51 mit η Windungen, das getrennte Spulen tür die Erregung und die Sigiidlaufnahme Benutzung als Sonde) umfassen kann und das auf einen magnetischen Kern 52 aufgewickelt ist. der zusammen mit dem Werkstück 53 einen geschlossenen magnetischen Kreis bildet, ist in Fig.5a schematise!! dargestellt. Linien 54 des wechselnden Magnetflusses dringen in das Material e>n, und rechtwinkelig dazu tritt eine elektromotorische Kraft auf. Die Wirbelströme fließen in einen aar "ienilich ungenau abgrenzbareri Ring aus Metall, der in der Oberflächt nes Werkstücks in der Umgebung ^s mittleren PoK des Kerns 52 liegt. Man kann annehmen, daß dieser Strom durch eine einzige Windung fließt, die magnetisch mit der Windung bzw. den Windungen der Spule gekoppelt ist und den Widerstand/? 40 aufweist. Feiner wird angenommen, daß ein Magnetfluß mit allen Windungen gekoppelt i.i, und außerdem gibt es Magnetflüsse, die niclil mit allen Windungen gekoppelt sind. Eine Betrachtung des magnetischen Kreises erweckt den Eindruck, daß der Hauptstreufluß mit den Spulenwindungen gekoppelt ist, jedoch nicht mit dem Werkstück, jedoch ist der Streufluß des Wirbelstroms im Werkstück gering, und de Streuflüsse für die einzelnen Spulenwindungen sind einzeln vernachlässigbar gering.

Wird eine gesonderte, nicht durgestellte Abtastspule verwendet, unterscheidet sich deren Spannung von der an der Erregerspule nur dadurch, daß die letztere Spannung eine Spannung umfaßt, die auf dem Ohmschen Widerstand der Wicklungen zurückzuführen ist, so daß sich kein großer Vorteil ergibt, wenn man gesonderte Abtastspulen verwendet.

Die Ersatzschaltung unter Verwendung einer kombin erten Erreger- und Abtastspule nimmt dann die in F i g. 5 b gezeigte Form an. F i g. 5 b zeigt getrennt den Ohmschen Widerstand/?, die Streuinduktivität L, welche die gesamte Induktivität bildet, wenn sich de Spule in einem großen Abstand vom Werkwird, so daß sich die magnetische Kopplung ändert besteht die Hauptwirkuni darin daß er Wert der Transformatörinduktivität f-eäiSrt wirwähreh/? in erster Ännäheruhte koiSi μ*ί f ηΓ· J Kreis handdt es dch uTSn I *ii ^ ^ wenn *an dfe SjSSeZS a^S? ü2 Rei henschaltung bewohnet erhttt™™ J -r £ ·< einen halbkreSSg k g oL^iclfen Ort & Streuinduktivität der PrüfcSΓ

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wobei diese Abweichungen nicht auf Fehlstellen, sondern auf andere Ursachen zurückzuführen sind. Beispielsweise erhielte man etwas unterschiedliche Anzeigewerte für die Innenseite und die Außenseite einer Stange aus gewalztem Flußstahl. Derartige Ef-

fekte können nicht leicht mit iichtigen Anzeigen für Fehlstellen oder andere Unregelmäßigkeiten verwechselt werden. Wenn man eine ortsfeste Sonde benützt, um das Wachstum eines Risses zu überwachen, ist die Verwechslungsgefähr sogar noch geringer.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

409521/161

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung von metallischen Werkstücken nach der Wirbelstrommethode, mit einer auf die Oberfläche des zu prüfenden Werkstückes aufsetzbaren, aus einer Wechselstrornquelle gespeisten Prüfspulenanordnung, zu deren Ausgangsspannung eine derartige Kompensationsspannung hinzuaddiert wird, daß eine vom Abstand der Prüfspulenanordnung vom Werkstück unabhängige Ausgangsspannung entsteht, deren Amplitude in einer Anzeigeeinrichtung gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zum Prüfen von ferromagnetiscIieE Werkstücken nur eine einzige, aus einer Konstantstromquelle gespeiste Prüfspule (10,11; 73) verwendet wird. "

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Kompensationsspannung erzeugende Kompensationsschaltung (77?.,, RV₁; 74, 75) in Reihe zur Prüfspule geschaltet ist.