DE1900992C3 - Verfahren zum Auffinden von Oberflächenrissen in Stangen, Knüppeln und dergleichen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Auffinden von Oberflächenrissen und zur Messung von deren Tiefe in Stangen, Knüppeln, Röhren und ähnlichen Werkstücken mit nicht kreisförmigem, Kanten oder abgerundete Kanten aufweisendem Querschnitt, wobei die Werkstücke durch einen in Achsrichtung fließenden gepulsten Gleichstrom, der so eingestellt wird, daß auch im Bereich der Kanten liegende Oberflächenrisse erfaßt werden, magnetisiert und der an Rissen Austretende magnetische Streufluß meßtechnisch erfaßt wird. Zumeist arbeitet man zum Auffinden von Oberflächenrissen nach den sogenannten Magnetogratohie-Verfahren, wobei der Streufluß auf einem auf dem WerksJück aufliegenden oder ablaufenden Magnetband nach Art eines sogenannten Tonbands gespeichert und dieses später abgefragt wird.

Bei dem bekannten Magnetographic-Verfahren zum Auffinden von Oberflächenrissen und zur Ausmessung von deren Tiefe in Stahlwerkstücken wird das meist fetabförmige Prüfgut — wie Stangen, Knüppel, Rohre Usw. mit einem Gleichstrom, der in Achsenrichtung fließt, angenähert, zirkulär in einer Ebene senkrecht zur Längsachse magnetisiert. An Rissen, die vorzugsweise als Längsrisse vorliegen, tritt ein magnetischer Streufluß aus, der bei konstamier Magnetisierung im Prüfgut und ähnlicher geometrischer Form der Risse ein Maß für die Tiefe eines Risses; darstellt. Der aus Rissen austretende Streufluß wird nicht unmittelbar gemessen, sondern zunächst auf einem endlosen und auf der Oberfläche ablaufenden Band gespeichert. Das Band wird dann durch eine Meßvorrichtung geführt, in der der gespeicherte Streuflnß ermittelt wird. Soweit die Querschnitte des Prüfguts kreisförmig sind, ist bei Magnetisierung miiiels Strömen in Achsrichtung die magnetische Induktion über dem Umfange konstant. Die Feldlinien verlaufen parallel zur Oberfläche. Sobald Abweichungen vom kreisförmigen Querschnitt auftreten, wird mit Gleichstrom keine homogene Magnetisierung entlang der Oberfläche erzielt. Außerdem weicht die Magnetisierungsrichtung als Funktion der Lage auf der Peripherie eines Querschnitts erheblich von der tangentialen Richtung ab. Für den häufig vorkommenden quadratischen Querschnitt mit abgerundeten Kanten sind die Verhältnisse insbesondere im Bereich der abgerundeten Kanten stark gestört. Selbst wenn man berücksichtigt, daß beim Eintritt in das Prüfgut eine Drehung der Richtung entsprechend dem Verhältnis der Permeabilität in Luft bzw. Stahl zur tangentialen Richtung hin erfolgt, verbleibt als wesentlicher Nachteil dieser Magnetisierungsart ein Abfall der Tangentialkomponente der magnetischen Induktion von der Flächenmitte bis zur Kante um etwa 70%. In einem bestimmten Abstand von der Kante, der im einzelnen von der Kantenform abhängt, wird eine Nullstelle durchlaufen, wobei die Feldlinien senkrecht eintreten. An dieser Stelle werden Risse vollständig übersehen. Das gilt auch, wenn nicht nach dem Magnetographieverfahren, sondern mit anderer Anzeige, z. B. mit fluoreszierendem Magnetpulver gearbeitet wird. Bei dieser Magnetisierung mit stationären Gleichströmen können übrigens auch die Anzeigen an den Kanten nicht dadurch angehoben werden, daß die Stromstärke erheblich vergrößert wird. Die Magnetbänder nehmen neben dem Streufluß auch das vom fehlerfreien Prüfgut erzeugte Feld auf. Würde man den Strom so stark erhöhen, daß ausreichende Magnetisierung an den Kanten erzielt wird, dann würde in den Mitten auch in Abwesenheit von Fehlern ein so hohes Feld erreicht, daß die Bänder dadurch gesättigt sind.

Eine Magnetisierung der vorbeschriebenen Art ergibt sich, wenn die Gleichstromdichte über den ganzen Querschnitt homogen ist. Di ;ser Fall ist immer dann gegeben, wenn der Abstand zwischen Stromzuführung und der Meßstelle im Vergleich zur Seitenlänge des quadratischen Querschnitts groß ist. Das gilt insbeson dere auch für den nicht zum Stand der Technik gehörenden Vorschlag (DT-PS 15 73 864), den Strom in großem Abstand von der Meßstelle über angepreßte Rollenpaare zuzuführen und bei Serienpirüfungen von Stangen oder Knüppeln gleicher Querschnitte den Strom über die aneinanderstoßenden Stirnflächen zu führen. Dazu werden die Stangen oder Knüppel durch zwei Treibersysteme geführt, von denen das vordere bremst und das hintere angetrieben wird. Durch passende Wahl des Drehmoments und der Bremskraft kann der erforderliche Axialdruck zwischen zwei aneinanderstoßenden Knüppeln oder Stangen eingestellt werden.

Es ist versucht worden, durch besondere Anordnungen der Stromzuführungen relativ zur Meßstelle und zum Querschnitt des Prüfguts eine inhomogene Stromdichte derart zu erzwingen, daß die Magnetisierung an den Kanten angehoben wird. Dabei müssen die stromzuführenden Bürsten so dicht beieinander liegen, daß an der dazwischen liegenden Meßstelle die Stromdichteverteilung nicht gleichmäßig ist. Abgesehen davon, daß die konstruktive Ausbildung im einfachsten Fall der quadratischen Querschnitte bereits eine erhebliche

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Behinderung der Anbringung der anderen Apparateteile mit sich bringt, ist bis heute durch derartige Maßnahmen nur ein Teilerfolg erzielt worden; z. B. war es möglich, den Abfall der Feldstärke zur Kant» hin von 70 auf 60% zu reduzieren. Die Feidverteilung entlang der Peripherie hängt bei gegebenem Abitand und gegebener Anordnung der Stromzuführung stark von der Querjchnittsform und den Abmessungen ab. Der Nachweis, daß Nullstellen der Tangentialkomponenten dadurch ausgeschlossen werden, ist bis heute nicht erbracht. — Bei geringem Abstand der Kontaktbürsten od. dgl. ist die Magnetisierung auch bei stationärem Gleichstrom nicht mehr stationär. Jedes Volumenelement wird beim Durchlauf nur iolange magnetisiert, wie es sich zwischen den beiden Kontaktbürsten befindet. Es liegt also ·5 auch hier eine Impulsmagnetisierung vor. Die Impulsbreite beträgt jedoch bei den bisher erreichten Durchlaufgeschwindigkeiten unter 0,5 m/sec und bei Kontakt- absiänden in der Größenordnung von Dezimetern einige zehntel Sekunden. Die Flanken sind durch die in Durchlaufrichtung breiten Kontaktbürsten stark verschmiert. Auch durch diesen vom rein stationären Gleichstromfall etwas abweichenden zeitlichen Magnetisierungsverlauf wird die Kantenmagnetisierung nicht zusätzlich wesentlich angehoben.

In einem älteren Recht (der Anmelderin. DT-PS 16 48 517) ist zur Herbeiführung einer möglichst homogenen tangentialen Magnetisierung entlang des Umfangs für beliebige Querschnittsformen von /.u prüfenden Werkstücken vorgeschlagen worden, die Magnetisierung des zu untersuchenden Werkstücks mit gepulstem Gleichstrom durchzuführen und die Frequenz des gepulsten Gleichstroms bzw. das Frequenzspektrum der Einzelimpulse nach der Geometrie des untersuchten Werkstücks so einzustellen, daß auch im Bereich der Kanten liegende Oberflächenrisse erfaßt werden. Dabei wird vorzugsweise mit mittels Einweg-Gleichrichtung von sinusförmigem Wechselstrom erzeugten gepulsten Gleichstrom gearbeitet. Das läßt sich auch im Rahmen der üblichen Magnetographic-Maßnahmen sowohl bei Arbeitsweise mit ruhendem Werkstück als auch bei Arbeitsweise mit eine entsprechende Vorrichtung kontinuierlich durchlaufendem Werkstück unschwer verwirklichen und bringt eine beachtliche Verbesserung im Sinne einer Anhebung der Empfindlichkeit für Kantenrisse. Nichtsdestoweniger fällt die Empfindlichkeit bei der üblichen Netzfrequenz von 50 Hz im Bereich der Kanten noch erheblich, nämlich auf fast die Hälfte ab.

Man kann zwar, wie bereits in der Beschreibung im älteren Recht erwähnt, bei Einweggleichrichtung durch Wahl höherer Wechselstromfrequenz oder aber durch Beschneiden eines 50 Hz-einweggleichgerichteten Stroms, z. B. mittels Thyristoren, größere Flankensteilheit und damit stärkeres Anheben der Magnetfelder an den Kanten erzielen. Abgesehen davon, daß damit die Eindringtiefe des Magnetfelds immer weiter abnimmt, sind der Steigerung der Flankensteilheit bzw. Frequenz durch die im Stromkreis unvermeidbar bzw. aus anderen Gründen erforderlichen Induktivitäten und Wider- ⁶^ stände Grenzen gesetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art anzugeben, bei dem die Empfindlichkeit im Bereich der Kanten des Werkstücks bei Flankensteilheiten bzw. Frequenzspektren des Impuls-Magnetisierungsstroms, die in der Praxis leicht zu erreichen sind, noch weiter angehoben Die Erfindung löst die Aufgabe dadurch, daß die Werkstücke im entmagnetisierten Zustand der Untersuchung unterzogen werden und lediglich der Streufluß eines ersten oder erster Magnetisierungsimpulse meß-'echnisch erfaßt wird. Im allgemeinen werden im Rahmen der Erfindung weniger als 50 Magnetisierungsimpulse verwendet. Zusätzlich kann das Frequenzspektrum der impulse nach der Geometrie des Werkstücks so eingestellt werden, daß auch dadurch die Kantenempfindlichkeit angehoben wird. — Arbeitet man mit mehreren Magnetisierungsimpulsen, so empfiehlt es sich auch im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens so vorzugehen, daß die Frequenz des gepulsten Gleichstroms (Flanken der Gleichstromimpulse) nach der Geometrie des untersuchten Werkstücks so eingestellt wird, daß im Sinne des eingangs beschriebenen älteren Rechts eine Anhebung der Kantenempfindlichkeit erreicht wird. Im übrigen kann im Rahmen der Erfindung die Magnetisierungsgeschwindigkeit, anders ausgedrückt, die Steilheit der Flanken der Magnetisierungsimpulse den speziellen Verhältnissen angepaßt werden.

Die Erfindung beruht auf der überraschenden Feststellung, daß während der ersten Impulse bei Prüfung eines entmagnetisierten Werkstücks eine wesentlich homogenere Magnetisierung erzielt wird, als nach einer größeren Anzahl von Magnetisierungsimpulsen. Die Erfindung nutzt diesen Jungfräulichkeitseffekt aus. Eine vergleichende Untersuchung der Magnetisierung an einer Knüppelkante und in Knüppelflächenmitte ergibt z. B., daß das Verhältnis der Tangentialfeldstärke an der Kante zu der in Flächenmitte bei den ersten Impulsen mehr als 15% günstiger liegt als nach mehr als etwa 50 Impulsen.

Die beschriebene Grundsätzlichkeit gilt sowohl für Verfahren, die an ruhenden Werkstücken durchgeführt werden, als auch für eine Arbeitsweise, bei der die Werkstücke im Durchlauf an einer entsprechenden Vorrichtung vorbeigeführt werden. Für die Prüfung ruhender Werkstücke gilt die Regel, daß die Magnetisierung nur mit einem oder mit wenigem Magnetisierungsimpulsen auszuführen ist, — bei erforderlicher Wiederholung ist vorher zu entmagnetisieren. Bei Prüfung im Durchlauf, bei der man fast ausschließlich in der eingangs beschriebenen Weise mit Magnetographic arbeitet, ist es unvermeidbar, daß die Messungen der von Rissen ausgehenden Streufelder erst nach einer größeren Anzahl von Magnetisierungsimpulsen erfolgen. Aus konstruktiven Gründen liegen nämlich die Stromzuführungen so weit vor und hinter der eigentlichen Meßstelle, daß bis zur Durchführung der Messung an einem im Durchlauf vorbeigeführten Werkstückabschnitt das Werkstück bereits eine Vielzahl von Magnetisierungsimpulsen erfahren hat, und sich im stationären Magnetisierungszustand befindet. Auch hier kann jedoch ohne Schwierigkeiten die erfindungsgemäße Grundkonzeption verwirklicht werden, und zwar dadurch, daß die Werkstücke unmittelbar vor jeder Magnetisierung entmagnetisiert werden. Das geschieht vorzugsweise so, daß die Werkstücke unmittelbar vor jeder Magnetisierung mit einem bis auf die Stromrichtung dem Magnetisierungsimpuls gleichen Impuls entmagnetisiert werden. Wird in diesem Zusammenhang mit Magnetographie gearbeitet, d. h. erfolgt eine magnetische Bandspeicherung des Streuflusses bei nachträglicher Abfragung des Bands, so wird man selbstverständlich lediglich die ungelöschten Bandabschnitte abfragen. Tatsächlich findet man, daß ein für die Kanten-

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empfindlichkeit des Meßverfahrens insgesamt günstiger Magnetisierungszustand sich auch bei Durchlaufprüfung und großem Abstand der Stromzuführungen vom Meßort erzielen läßt, wenn unmittelbar vor jeder Magnetisierung mit einem gleichen Impuls umgekehrter Stromrichtung entmagnetisiert wird. Bei der Entmagnetisierung wird zwar das Magnetband gelöscht, jedoch bei der sofort folgenden Magnetisierung sofort wieder beschrieben. Arbeitet man mit fortlaufendem Band, so bleibt lediglich derjenige Bandabschnitt gelöscht, der zwischen Entmagnetisierung und Magnetisierung aus dem Kontaktbereich zwischen Band und Werkstück entfernt wird. Da jedoch bei der Magnetographic die Abfrage der Magnetbänder in der Regel mit Zeilenabständen von etwa 1 cm erfolgt, die Länge des aufliegenden Bands einige Zentimeter und die zwischen Entmagnetisierung und Magnetisierung auslaufende gelöschte Bandlänge nur weniger als 1 mm betragen, kann man die Lesezeilen zwischen die gelöschten Abschnitte durch entsprechende Synchronisation der Abfrageeinheit verlegen und damit eine durch die gelöschten Abschnitte völlig unbeeinflußte Information erhalten.

Das erfindungsgemäße Verfahren in der Ausführungsform mit magnetischer Bandspeicherung sei an Hand einer Zeichnung erläutert. Die einzige Figur verdeutlicht ein Zeitdiagramm:

Im oberen Teil a) der Figur sind Form und zeitliche Folge der Entmagnetisierungs- und Magnetisierungsimpulse dargestellt. Zur Zeit Null bzw. 20 msec werden die Entmagnetisierungiiimpulse 1 ausgelöst. Sie dauern 1 msec. Eis folgen eine Pause 3 von 0,5 msec und dann die Magnetisierungsimpulse 2, deren Form min der der Entmagnetisierungsimpulse 1 übereinstimmt.

Im unteren Teil b) der Figur ist der zum Zeitabschnitt im Teils ia) gehörende Bandabschnitt 4 für eine Durchlaufgeschwindigkeit von 0,5 m/sec dargestellt. Je msec

ίο werden bei dieser Geschwindigkeit 0,5 mm Band abge wickelt. Die gelöschten Abschnitte 5 haben eine Breite von 0,75 mm. Die Bandabschnitte 6 sind von der Entmagnetisierung unbeeinflußt und stehen zur Abfrage zur Verfugung. Eine typische Abfragespur 7 ist eingetragen. Je nach geforderter Längsauflösung bei der Abgrenzung der festzustellenden Risse, kann bet gleicher Dauer und Form der Entmagnetisierungs- bzw. Magnetisierungsimpulse die Impulsfrequenz verringert oder auch vergrößert werden. Bei Verringerung wird das

jo Verhältnis der gelöschten Bandabschnitte zu den beschriebenen noch günstiger. Es muß allerdings; die Auflagelänge des Bands so groß gewählt werden, daß die Ablaufzeit für eine Auflagelänge kleiner oder gleich dem zeitlichen Abstand zweier Impulspaare ist. — Ir der Praxis wird man wegen der beim Aus- und Einlaul des Prüfguts in die Prüfanlage variablen Geschwindig keit die Impulsfolge nicht zeit- sondern wegp>roportio nal steuern.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

19 OO Patentansprüche:

1. Verfahren zum Auffinden von Oberflächenrissen und zur Messung von deren Tiefe in Stangen, Knüppeln, Rohren und ähnlichen Werkstücken mit nicht kreisförmigem. Kanten oder abgerundete !Kanten aufweisendem Querschnitt, wobei die Werkstücke durch einen in Achsrichtung fließenden gepulsten Gleichstrom, der so eingestellt wird, daß auch im Bereich der Kanten liegende Oberflächenrisse erfaßt werden, magnetisiert und der an Rissen austretende Streufluß meßtechnisch erfaßt, z. B. auf einem auf der Werkstückoberfläche ablaufenden Band gespeichert sowie mit dem Band einer Meßeinrichtung zugeführt wird, dadurch gekennseichnet, daß die Werkstücke im entmagnetisierten Zustand der Untersuchung unterzogen werden und lediglich der Streufluß eines ersten oder erster Magnetisierungsimpulse meßtechnisch erfaßt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weniger als fünfzig Magnetisierungsimpulse verwendet werden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, in der Ausführungsform für kontinuierliche Prüfung im Durchlauf, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke unmittelbar von jeder Magnetisierung entmagnetisiert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke unmittelbar vor jeder Magnetisierung mit e:inem bis auf die Stromrichtung dem Magnetisierungsimpuls gleichen Impuls entmagnetisiert werden.

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