DE1648636C3

DE1648636C3 - Vorrichtung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung von metallischen Werkstücken nach der Wirbelstrommethode

Info

Publication number: DE1648636C3
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: 1975-01-23
Also published as: GB1130870A; DE1648636B2; DE1648636A1; US3496458A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung von metallischen Werkstücken nach der Wirbelstrommcthode 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 Kompensationsspannung hinzuaddiert wird, so daß schließlich eine Meßspannung entsteht, deren Amplitude unabhängig von dem Abstand zwischen Prüf spulenanordnung und Werkstück konstant bleibt und bei der nur noch die Phase sich entsprechend ändert. Diese Wirkung beruht darauf, daß der Vektor der komplexen Ausgangsspannung dieser einen Prüfspule in der komplexen Spannungsebene bei Änderung des Abstandes zwischen Prüfspulenanordnung und Werkstück einen Kreisbogen beschreibt (Fig. 5 der USA.-Patentschrift 3 197 693). 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 Metallwerkstücken 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 Stromquelle die Prüfung von ferromagnetischen Werkstücken nach dem gleichen Prinzip möglich, wie dies mit einer wesentlich komplizierteren Anordnung bisher nur zum Pnif^n von Nietallteilen möglich war. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist keine Einstellung genauer Amplituden- und Phasenverhältnisse 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.

Fig. 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. I erzeugten Spannung für verschiedene Sondenabstände vom Werkstück;
F i g. 3 zeigt ein Schaltbild der Vorrichtung;
Fig. 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;

F i 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;

Fig. 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 F i g. 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 mil 500 Windungen aus Draht mit einem Durchmessci von etwa 0,193 mm (36 S.W.G.) auf dem mittlerer Schenkel eines E-förmigen Kerns hat, der au; MU-Metallblcchen bestand, welche in der aus F i g. 1 ersichtlichen Weise angeordnet waren.

Das Verfahren ist bei seiner Anwendung bei eisenhaltigen Werkstoffen für Änderungen der Lage dei Sonde unempfindlich, so daß es im Gegensatz zui bisherigen Praxis nicht erforderlich ist, die Sonde mi großer Genauigkeit anzuordnen. Die Arbeitsweise richtet sich im einzelnen nach dem elektrischen Ver halten der Prüfsonde. Das Verhallen der Sonde laß sich in der Praxis am besten dadurch verfolgen, dal man die Phase und Amplitude der an der Prüfsondi

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-rzeugien Spannung für einen konstanten Eingangs- Prüfsonde 10 geschaltet ist. Bei der Schaltung nach vcchselsirom für verschiedene Stellungen der Probe, F i g. 3 muß man die Induktivität der Primärwicklung ,vie dies in F i g. 2 geschehen ist, aufträgt. Dies be- des Transformators TR^ so wählen, daß es durch jeutet in der Praxis, daß die induktive und die Ohm- Verstellen des Überbrückungs-Widerstandsnetzwer- ;che Komponente der Impedanz der Prüfsonde als in 5 kes R 9, R 10, RVl möglich ist, die richtige h.om-Serie geschaltete Elemente behandelt werden und pensationsspannung zu erreichen. Dies erfolgt own wobei der Strom zur Prüfsonde aus einem Oszillator Berechnung eines geeigneten Wertes der Primär-lnmjt einem großen Serienwiderstand eingespeist wird duktanz. Eine bequemere Einstellung mit zwei Fm- 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-Bcfindet 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 oihez'.! 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, aer Stück aus Ferrit, einem nichtleitenden magnetischen gemäß F i g. 7 zusätzlich zu einem Überbruckungs-Werkstoff, aufgebracht, steigt die Induktanz wie er- kreis (Shunt-Schaltung) vorgesehen ist. Das Auswartet an. Wird die Sonde auf ein ferromagnetische«; *o gangs.ignal des Meßkreises wird durch die Ίransisto-Werkstück. beispielsweise aus Stahl, aufgebracht. ren 7 3 und 7 4 in einer Schaltung verstärkt, die mit stei"t die Induktanz weniger stark an, aber die Ohm- einer starken negativen Rückkopplung ^arbe"^{et u}"^a sehe Komponente ist ebenfalls vorhanden. der ein Gleichrichterkreis mit ci.ier Diode D 1 naen-

Wenn die in der Prüfsonde erzeugte Spannung hin- geschaltet ist. Die Größe des Ausgangssignals wiru sichtlich Phase und Blindkomponente (Quadratur) in =5 durch eine Anzeigeeinrichtung angezeigt, .-lie in eini-Abhängigkeit von dem Speisestrom der Prüfsonde gcr Entfernung von den übrigen Teilen der Schaltung für verschiedene Abstände zwischen Prüfsonde und angeordnet sein kann, wobei der größte I eil des Oberfläche des Werkstücks aufgetragen werden, liegt Ausschlags aufgehoben (backed off) bzw. kompendie resultierende Spannung auf einer kreisbogenför- siert wird (Nullpunktunterdrückung).^ ^Hie™ ^öiei" mi«cn Kurve bzw. einem Kreisbogen, wes sich theo- 30 ein Widerstandsnetzwerk RVl, RVi, R2i un retisch nachweisen läßt. Wird daher eine Kompensa- «24. Hierdurch werden die Änderungen der Antionsspannung. die durch das Krümmungszentrum zeige deutlicher sichtbar gemacht, ohne dab s anaig 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 "«jnsuaddiert ist die Amplitude der resultierenden Span- 35 strom von einem Oszillator 71 über einen vvioernun« konstant und wird durch den Radiusvektor des stand 72 zur Prüfsonde 73 eingespeist uer na-Krefses repräsentiert. Das bedeutet, daß die gemes- lance-Schaltkreis 74 wird getrennt parallel zur 1 ruisene Amplitude der Spannung unabhängig vom Ab- sonde 73 vom Oszillator 71 über ™^en,?ⁱⁿ™™™ stand der Prüfsonde von der Oberfläche des Werk- Widerstand 75 gespeist. Wiederum ist die!bcMinaar_stücks is· 4c wicklung eines in der Balance-Schaltung ,4 vorgese-

Ändert sich der Widerstand des WirbeUroms auf henen Transformators in Serie mit der Pru sonde /J Grund eines Risses oder einer anderen Umegelmä- verbunden. Die Amplitude der resultierenden S»panßigkeit, beispielsweise eines Materialwechsels, wird nung wird mit der schematisch angedeuteten ^cnaidie beobachtete Spannung nicht 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 nane unabhängig vom Abstand der Prüfsonde von der der Sonde an, die von dem Wechselfeld der sonde Werkstückoberfläche sein durchdrungen wird. Bei ferromagnetische!!! Werk-

F.ine zum Zentrum der Kurve geeignete Kompen- stoff bewirkt der SWn-Effekt ^ά^^^Ζ'-sationsspannung wird in einem Balance-Schaltkreis 50 teibar an der Oberfläche fließen Durch das Vorhan durch Parallelschaltung eines Induktors mit einem densein eines Risses, der die Oberfläche ^erbncm einstellbaren Widerstand, der eine gewisse Einstel- werden diese Strome un «brochen so d^ ^_n Meß lung ermöglicht, erzeugt und vektoriell mit der Prüf- gerät emc Anzeige liefert die s.ch,nach der T.efe de sondenspannung dadurch addiert, daß eine Sekun- Rir-ses r.chtet. und zwar ^bls _sf"^^^S£ därwici, ,es Induktors in Serie mit der Prüf- ₅₅ mit ^Ab-e»ungjn ^

^S0rt^Vίίΐίg^^1S czeigte elektronische Schaltkreis S gehend unathingig ^A?_nÄ

umfaßt einen^ Transisloroszillator T₁. dem eine sich ferner danach, w. nahe ^ Λ e R^ un e haR

Emitterfolgeschaltung T.₂ nachgcschaltct ist welche J^*taÄlb^

den Meßkreis über einen großen Widerstand R_A 6₀ Ober lad _1C h ß^e^ ^h ,,_{en bis in die} ^l

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wird, so daß sich die magnetische Kopplung ändert, besteht die Hauptwirkung darin, daß der Wert der Transformatorinduktivität geändert wird, während Λ in erster Annäherung konstant bleibt. Bei diesem Kreis handelt es sich um einen Parallelkreis, und wenn man die äquivalenten Parameter für eine Reihenschaltung berechnet, erhält man gemäß F i g. 6 einen halbkreisförmigen geometrischen Ort. Die Streuinduktivität der Prüfsonde, die man erhält, an- ίο wenn die Sonde vom Werkstück abgehoben ist. verbleibt als eine zusätzliche induktive Komponente, doch kann sich diese Komponente geringfügig verringern, da durch das Schließen des Feldes die freien Pole längs des Kreises reduziert sind.

Bei einer Anwendungsform zum Prüfen von Schweißstellen wurde das Finde des Kerns der Prüfsondc V-förmig ausgebildet, so daß es in den Winkel bzw. die Nut der Schweißstelle zwischen einer Schiffsbeplankung und einer Schottwand paßte. Es

schnitt erstreckt (Kurve A), sowie den Fall, daß sich die Sonde parallel zu dem Einschnitt erstreckt (Kurve ß). Fig.4b 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 F i g, 4 b Punkte für einen nachgeahmten Riß, der dadurch erzeugt wurde, daß zwei Stahlplatten in rechtwinkeliger Lage zueinander durch Weichlöten miteinander verbunden wurden, wobei Glimmer dazwischen
geordnet wurde, um die elektrische Kontinuität bis zu verschiedenen bekannten Tiefenwerten zu unterbrechen.

Außer dieser Eichung im Laboratorium wurden Versuche an einem Probestück aus Stahl durchgc- 15 führt, das mit Hilfe einer 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 Versuehes zeigte der ao ist wichtig, daß keine Wirbelströmc in dem Kern 12 Wirbelstrommesser große Ausschläge, die in zu opti- der Sonde, s. Fig. 1, selbst auftreten. Daher wurde sehen Schätzungen der Rißtiefc an den Kanten der auf eine gute Isolierung zwischen den aufeinandcrlic-Platte in Beziehung standen. Diese Ergebnisse sind gcndcn Blechlagen geachtet. Da E-förmige Bleche ebenfalls in Fig. 4b wiedergegeben. nicht zur Verfügung standen, wurden vollständige

Ein Spulensystem 51 mit /1 Windungen, das ge- as Kerne aus U-förmigen und T-förmigen Blechen mit trennte Spulen für die Erregung und die Signalauf- einer Dicke von etwa 0,125 mm zusammengebaut, nähme Benutzung als Sonde) umfassen kann und unter Verwendung von Epoxyharz unter geringem das auf einen magnetischen Kern 52 aufgewickelt ist, Druck miteinander verkittet und dann sorgfältig der zusammen mit dem Werkstück 53 einen gc- durch Zuschneiden in die gewünschte Form geschlossenen magnetischen Kreis bildet, ist in F i g. 5 a 30 bracht. Danach wurden die Enden naß geschliffen, schematisch dargestellt. Linien 54 des wechselnden und zwar mit fortschreitend feiner werdendem Magnetflusses dringen in das Material ein, und recht- Schleifpapier bis zur Körnung 600, wie es auf dem winkelig dazu tritt eine elektromotorische Kraft auf. Gebiet der Metallographie üblich ist. Die Kerne 12 Die Wirbelströme fließen in einen nur ziemlich ungc- wurden dann 3 bis 5 Minuten lang in Scheidewasscr nau abgrenzbaren Ring aus Metall, der in der Ober- 35 geätzt und schließlich in einer Natriumbicarbonatlöfläche des Werkstücks in der Umgebung des mittle- sung und Wasser gespült.

ren Pols des Kerns 52 liegt. Man kann annehmen, Es wurde dann eine Wicklung mit Sf)O Windungen

daß dieser Strom durch eine einzige Windung fließt, aus Draht der Stärke 0,193 mm (36 S.W.G.) in konidie magnetisch mit der Windung bzw. den Windun- scher Form passend zu der erwähnten V-Form aul gen der Spule gekoppelt ist und den Widerstand R 40 einem dünnen Träger aus Polyesterband hergestellt, aufweist. Ferner wird angenommen, daß ein Magnet- und auf den mittleren Schenkel des Kerns 12 aufgefluß mit allen Windungen gekoppelt ist. und außer- bracht, mit dem die Wicklung durch weiteres Banc dem gibt es Magnetflüsse, die nicht mit allen Win- verbunden wurde; die Anschlüsse wurden mit dei düngen gekoppelt sind. Eine Betrachtung des magne- Wicklung verlötet und zeitweilig mit dem KIcbebant tischen Kreises erweckt den Eindruck, daß der 45 befestigt. Die Sonde wurde mit Epoxyharz imprä· Hauptstreufluß mit den Spulenwindungen gekoppelt gniert, einer Vakuumbehandlung unterzogen, um da;

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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 dargestellte Abtastspule verwendet, unterscheidet sich deren Spannung von der an der Erregerspule nur dadurch, daß die letztere Spannung eine Spannung umfaßt, die auf

Eindringen des Epoxyharzes zu unterstützen und ir eine Polyäthylenform gebracht, mittels derer, auf di< beiden äußeren Schenkel des Kerns 12 eine Harz 50 schicht mit einer Dicke von etwa 0,5 mm aufgebrach wurde, um die Lage der Sonde zu bestimmen. Eini für eine solche Prüfsonde geeignete Arbeitsfrequen: beträgt 5 kHz, die es auch erlaubt, daß Spulen mi einer anderen Impedanz unschwer gewickelt werdei dem Ohm'schen Widerstand der Wicklungen zurück- 55 können, zuführen ist, so daß sich kein großer Vorteil ergibt, Wie bei anderen Geräten wird die Beobachtun;

wenn man gesonderte Abtastspulen verwendet. der wirklichen Effekte durch Störsignale, z. B. eine

Die Ersatzschaltung unter Verwendung einer korn- Auswanderung oder ein Rauschen begrenzt. So ist e binerten Erreger- und Abtastspule nimmt dann die möglich, die Quellen für solche Störsignale zu identi in F i g. 5 b gezeigte Form an. F i g. 5 b zeigt getrennt 60 fizieren, doch sind die darauf zurückzuführende den Ohmschen Widerstand R, die Streuinduktivi- Störungen nur gering. Die Drifft der elektronische tat L. welche die gesamte Induktivität bildet, wenn Schaltung ist vernachlässigbar, wenn die Schaltun sich de Spule in einem großen Abstand vom Werk- geeignet ausgebildet ist. Restsignale, die auf die Be stück befindet, sowie den Transformator, der durch wegung der Prüfsonde zurückführbar sind, treten nu die Spule und das Werkstück gebildet wird. Fig.5c 65 auf, wenn die Schaltung nicht ausreichend genau al ze:gt e^:ne Umzeichnung nach einer normalen Trans- geglichen ist. Auch diese Signale dürften vernachlä· formation. sigbar klein sein. Geringe Abweichungen ergebe

Wenn die Sonde au^c dem Werkstück angehoben sich bezüglich dts Widerstandes von Werkstoffei

iese Abweichungen nicht auf Fehlstellen, auf andere Ursachen zurückzuführen sind, weise erhielte man etwas unterschiedliche Nertc für die Innenseite und die Außenseite inge aus gewalztem Flußstahl. Derartige Ef-

fekte können nicht leicht mit richtigen Anzeigen fi Fehlstellen oder andere Unregelmäßigkeiten verwccl seit werden. Wenn man eine ortsfeste Sonde benutz um das Wachstum eines Risses zu überwachen, i die Verwechslungsgefahr sogar noch geringer.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 4OS

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ι. Γ

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 Wechselstromquelle gespeisten Prüfspulenanordnung, zu deren Ausgangsspannung eine derartige Kompensationsspanniing to hinzuaddiert wird, daß eine vom Abstand der PriJfspulenanordnung vom Werkstück unabhängige Ausgangsspannung entsteht, deren Amplitude in einer Anzeigeeinrichtung gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zum Prüfen von ferromagnetischen Werkstücken nur eine einzige, aus einer Konstantstromqueüe gespeiste Prüfspule (10, 11; 73) verwendet wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, caß die die Kompensationsspan- :o nung erzeugende Kompensationsschaltung (TR,, RV₁; 74, 75) in Reihe zur Prüfspule geschaltet ist.

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

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