DE19508020C2 - Verfahren und Vorrichtung zur kombinierten Magnetpulver-Rißprüfung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kombinierten Magnetpulver-Rißprüfung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.

Hauptanwendungsgebiet der Erfindung ist die zerstörungs­ freie Prüfung ferromagnetischer Werkstoffe, insbesondere die Prüfung hochbeanspruchter Sicherheitsteile, wie sie z. B. im Automobilbau zur Anwendung gelangen. Diese Teile werden auf ihrer gesamten Oberfläche auf Risse geprüft. Hierzu werden die Teile magnetisiert und es wird Magnetpulver auf sie aufgebracht, indem sie mit einem solches Pulver (in Suspension) enthaltenden Prüfmittel bespült oder besprüht werden. Infolge der magnetischen Streuflußbildung an den Kanten von Rissen haftet das Magnetpulver an den Rißkanten an und ergibt somit eine Rißanzeige.

Bei der sog. kombinierten Rißprüfung erfolgt die Prüf­ lingsmagnetisierung mittels zweier Magnetisierungsfelder, nämlich einer Magnetfeld-Durchflutung mittels Joch oder Spule und einer Stromdurchflutung. Dabei verlaufen die Feldlinien dieser beiden kombiniert auf den Prüfling einwirkenden Felder unter einem Winkel zueinander, in der Regel unter einem senkrechten Winkel.

Um zu erreichen, daß der aus den Feldvektoren der beiden Magnetisierungsfelder resultierende Gesamtvektor im Prüfling nacheinander eine anzeigefähige Position zu sämtlichen Rißrichtungen einnimmt, wählt man Felder, bei denen der Unterschied der Feldvektorgröße des einen Feldes gegenüber der des anderen Feldes sich zeitlich verändert. Üblich ist die Kombination aus einer magne­ tischen Gleichfelddurchflutung und einer Wechselstrom­ durchflutung bzw. einer Feld- und Stromdurchflutung mit phasenverschobenen Wechselströmen.

Für die magnetische Durchflutung sind unterschiedliche Mittel bekannt, nämlich:

• - Offene Joche: diese sind besonders preiswert, jedoch führen sie bei Werkstücken größerer Länge zu einem nicht unerheblichen Abfall der Feldstärke in der Mitte der Spannlänge;
• - Geschlossene Joche: diese sind aufwendiger als offene Joche, ergeben jedoch gleichmäßigere Felder;
• - Sonderspulen: diese bewirken in der Mitte der Spann­ länge eine Verstärkung der Magnetisierung und ergeben daher eine Verbesserung hinsichtlich der Gleichmäßigkeit der Felder, jedoch sind sie noch teurer als geschlossene Joche;
• - Überlaufspulen: diese über das Werkstück verfahrbaren Spulen bewirken gleichmäßigere Felder als alle anderen bekannten Mittel und bieten noch dazu die Möglichkeit, sie mit einer Bespülvorrichtung zu kombinieren, sodaß gleichzeitig mit dem Spulenüberlauf die Bespülung mit Prüfmittel vorgenommen werden kann; jedoch sind diese Spulengeräte schlechter zu beschicken als die anderen Magnetisierungsvorrichtungen und brauchen auch eine längere Zeit für den Magnetisierungsvorgang.

Aus der US-Patentschrift 4 931 731 ist eine Prüfvor­ richtung für ferromagnetische Prüflinge, insbesondere längliche Teile, bekannt geworden, bei der die Magneti­ sierung mittels einer Kombination zweier zueinander senk­ rechter, pulsierender magnetischer Gleichfelder bewirkt wird. Eines dieser Felder wird erzeugt durch Hindurch­ leiten eines pulsierenden Gleichstromes durch den Prüf­ ling mittels eines Paares in Serie oder parallel geschal­ teter elektromagnetischer Spulen, von denen je eine an jedem axialen Ende des Prüflings angeordnet ist. Das andere Feld wird erzeugt mittels einer den Prüfling in Umfangsrichtung umgebenden ektromagnetischen Spule, die von einem gesonderten pulsierenden Gleichstrom durch­ flossen wird. Die beiden pulsierenden Gleichströme werden von der ersten und zweiten Phase einer Quelle für Drei- Phasen-Wechselstrom gespeist, sodaß die Pulsationen der beiden Gleichströme entsprechend den Phasen der Strom­ quelle phasenverschoben sind. Um die gewünschte zeit­ liche Veränderung der Position des resultierenden Gesamt- Magnetfeldvektors zu erreichen, wird die Stärke und Pola­ rität der beiden pulsierenden Gleichströme unabhängig voneinander gesteuert durch Steuerung der leitenden Phasen von gesonderten, einander entsprechenden Gleichrichtern.

Um bei der magnetischen Rißprüfung Störsignale oder -ab­ bildungen infolge nicht rißbedingter Unebenheiten zu unterdrücken, ist in der DE 31 32 390 A1 vorgeschlagen worden, bei einer Magnetisierung mit Vorzugsrichtung der richtungsabhängigen Haftwirkung auf das fehlerabbildende Magnetpulver eine Beblasung vor der Magnetpulver-Rest­ detektion durchzuführen, und zwar bei erstrebter Ver­ gleichmäßigung der resultierenden Haftwirkungs-Richt­ charakteristik in Richtung parallel zur Vorzugsrichtung bzw. bei erstrebter Betonung der Richtcharakteristik in Richtung quer zur Vorzugsrichtung.

Eine gleichmäßige Magnetisierung, d. h. eine gleichmäßige magnetische Induktion, bedeutet jedoch nicht in jedem Fall auch eine gleichmäßige Anzeigeempfindlichkeit und damit gleiche Prüfbedingungen über die gesamte Prüflingsoberfläche. Bei über die Spannlänge ungleich dicken Werkstücken, wie z. B. Achskörpern, Kurbel- oder Nockenwellen, erfolgt beim Einsatz einer Überlaufspule für die Magnetisierung zwar eine gleichmäßige magnetische Induktion, dennoch stellen sich keine gleichen Prüf­ bedingungen ein. Die Rißanzeige ist abhängig von der Streuflußbildung am Riß und diese wiederum vom magne­ tischen Fluß, der vom Durchmesser des Prüflings abhängt, d. h. für unterschiedliche Durchmesser bei gleicher magnetischer Induktion unterschiedliche Werte annimmt. Bei Verwendung von magnetischen Gleichfeldern wird der Querschnitt gleichmäßig magnetisiert, sodaß bei gleichmäßiger Induktion der magnetische Fluß sich mit dem Werkstücksquerschnitt, d. h. mit dem Quadrat des Werkstücksdurchmessers, ändert. Wird hingegen mit Wech­ selfeldern magnetisiert, die wegen des Skineffekts nur eine Oberflächenzone magnetisieren, so verändert sich bei gleichbleibender magnetischer Induktion der magnetische Fluß mit dem Umfang, d. h. proportional zur Radiusänderung. Voraussetzung für eine gleichblei­ bende Anzeigempfindlichkeit über die gesamte Prüflings­ oberfläche ist es, daß der magnetische Fluß an der Prüflingsoberfläche während der Aufbringung des Magnet­ pulvers, d. h. während des Bespülens mit Prüfmittel, an der gesamten Oberfläche gleich bleibt, unabhängig von der Form des Prüflings in der Zone, die gerade bespült wird. Das kann aber mit den bekannten Techniken nicht erreicht werden. Führt man beispielsweise die Bespülung nacheinander über die Gesamtlänge des Prüflings aus, so sind die Magnetisierungsbedingungen an der jeweils bespülten Oberflächenzone von der Form des Prüflings in dieser Zone abhängig. Eine gleichmäßige Magnetisierung kann mit den bekannten Techniken somit nur bei Prüflingen mit über die Spannlänge sich nicht ändernder Querschnitts-form bzw. -größe erreicht werden.

Dabei besteht noch eine weitere Schwierigkeit insofern, als möglicherweise eine Strom- oder Magnetfelddurchflutung, wie sie für eine Zone mit großem Durchmesser im Hinblick auf die Oberflächenmagnetisierung vorgesehen werden könnte, eine Prüflingszone mit geringem Querschnitt nicht durchsetzen könnte. Es ist somit gegebenenfalls auch darauf zu achten, daß die Prüflings-Zone mit dem geringsten Querschnitt noch in der Lage ist, einen Feld­ stärkefluß durchzulassen, wie er für eine Zone mit grö­ ßerem Querschnitt vorgesehen ist. Diese Problematik kann beim Arbeiten mit den bekannten Techniken nur unter Schwierigkeiten Berücksichtigung finden.

Ein weiteres Problem ergibt sich auch in den Fällen, in denen unterschiedliche Prüflingsabschnitte mit unter­ schiedlicher Empfindlichkeit zu prüfen sind. Bei vielen Werkstücken läßt es sich vorhersagen, an welcher Stelle Risse unbedingt erkannt werden müssen, da dort wegen der auftretenden mechanischen Belastungen auch ein sehr feiner Riß zum Dauerbruch führen kann. Andere Prüflings-Bereiche, die nicht so hoher Beanspruchung ausgesetzt sind, können hingegen möglicherweise un­ empfindlicher geprüft werden. Auch für diese Problematik bieten die bekannten Techniken keine Lösung.

Der Erfindung hat die Aufgabe zugrunde gelegen, eine Möglichkeit aufzuzeigen, um die Magnetisierung an der jeweils bespülten bzw. besprühten Prüflingsoberflächen­ zone auf den jeweils gewünschten Wert bringen zu können, auch bei sich über die Einspannlänge ändernder Form bzw. Querschnittsgröße des Prüflings, sei es auf einen für die gesamte Prüflingsoberfläche gleichbleibenden Wert, oder auf einen unterschiedlichen Wert in einzel­ nen Zonen, und dies auch bei Benutzung offener Joche und unter Berücksichtigung des für jede der (unter­ schiedlichen) Prüflingszonen maximal zulässigen Feld­ flußdurchsatzes.

Die Erfindung besteht in den Merkmalen der Ansprüche 1 und 6. Weitere Ausgestaltungen der Er­ findung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 5 bzw. 7 bis 11.

In der nachstehenden Beschreibung ist die Erfindung an zwei Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1: eine schematische Darstellung einer beispiels­ weisen Vorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 2a: ein Diagramm des Feld- bzw. Stromverlaufs für das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 bei gleichbeibender Oberflächen-Magnetisierung und

Fig. 2b: ein Diagramm des Feld- bzw. Stromverlaufs für das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 unter Berücksichtigung einer Zone mit für den maxima­ len Durchsatz zu geringem Querschnitt.

Ein zu prüfendes Werkstück 1, hier eine mehrfach abge­ setzte Welle, ist für die Stromdurchflutung zwischen zwei Kontaktstücken 2 eingespannt. Über Kupferkontakte 2a wird der Hochstrom eingeleitet. Eine in diesem Fall mit einer Magnetisierungs-Überfahrspule 3 gekoppelte Bespülvorrichtung 4 in Form einer die Spule 3 umgebenden Ringdusche ist über das Werkstück 1 fahrbar. Sie umfaßt zwei gesondert zu aktivierende Spüleinheiten 4a, 4b, je eine an jeder Seite der Spule 3, von denen beim Überfahren des Prüflings 1 jeweils eine in Betrieb ist, abhängig von der Bewegungsrichtung der Spulen- und Bespülungseinrichtung 3, 4a, 4b. Bei Bewegungs­ richtung im Vorlauf in Richtung des Pfeiles V ist die Bespüleinheit 4a aktiv. Im Rücklauf in Richtung des Pfeiles R kann eine weitere Prüfung vorgenommen werden, wobei dann die Bespülvorrichtung 4b aktiviert wird.

Wenn die Spule 3 nicht mit der Bespülvorrichtung ge­ koppelt ist, so braucht nur eine Ringdusche entlang des Werkstücks 1 fahrbar angeordnet zu sein.

Über die gesamte Einspannlänge des Werkstücks 3 sind an dessen Querschnittsübergängen verstellbare Initiatoren (Sensoren) 5a, 5b, 5c, 5d angeordnet. Diese stellen die Position der fahrbaren Bespülvorrichtung 4a, 4b bzw. der damit gekoppelten Spule 3 fest und erzeugen von dieser Position abhängige Signale. Zumindest erzeugen sie ein Signal beim Überfahren eines Werkstück-Quer­ schnittsüberganges durch die Bespülvorrichtung 4a, 4b.

Die Signale der Initiatoren 5a-5d werden einer elek­ tronischen Steuerungseinrichtung 6 zugeleitet, welche die Strom- und Felddurchflutung in Abhängigkeit von den eingehenden Initiatoren-Signalen nach einem vorher eingegebenen, auf die Werkstücksdurchmesseränderungen und die jeweils gewünschte Oberflächen-Maqnetisierung abgestellten Programm ändert.

Als Initiatoren 5a-5c können z. B. kontaktlose End­ schalter oder Lichtschranken dienen.

In Fig. 2a ist die Änderung der Feldstärke für eine gleichbleibende Magnetisierung an der Prüflingsoberfläche dargestellt. Der Feldstärkenverlauf (Kurve 7) ist in diesem Fall genau auf die Prüflings-Durchmesseränderungen abgestellt.

Bei dem in Fig. 2b dargestellten Feldstärkenverlauf ist durch die gestrichelte Linie 8 angedeutet, daß die Feldstärke im Bereich des größten Prüflingsdurch­ messers nicht auf die dem Umfang entsprechende Höhe gebracht worden ist, um zu vermeiden, daß in den Be­ reichen mit geringerem Durchmesser eine Überhitzung auftritt.

Es wäre auch möglich, in Bereichen, in denen die Prüf­ empfindlichkeit geringer sein kann als in benachbarten Bereichen, trotz vergrößerten Umfanges gar keine Erhöhung der Feldstärke gegenüber den benachbarten Bereichen zu bewirken.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellte und beschrie­ bene Ausführung beschränkt, insbesondere hinsichtlich der Anzahl der verwendeten Sensoren. Im allgemeinen dürfte eine Anzahl von 10 Sensoren ausreichend sein, um auch komplizierte und langgestreckte Prüflinge ausreichenmd gleichmäßig zu prüfen.

Claims (11)

1. Verfahren zur kombinierten Magnetpulver-Rißprüfung von ferromagnetischen Prüflingen, bei dem im Prüfling mittels zweier unterschiedlich gerichteter, in der Regel zueinander senkrechter Magnetisierungsfelder (Magnetfelddurchflutung und Stromdurchflutung) ein Magnetfeld erzeugt wird, dessen Gesamtvektor nacheinander eine anzeigefähige Position zu sämtlichen Rißrichtung annimmt und bei dem auf den so magnetisierten Prüfling ein Magnetpulver enthaltendes Prüfmittel aufgebracht wird, dessen magnetische Partikel infolge Streufeld­ ausbildung an Rissen eine Rißanzeige ergeben, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldstärke mindestens eines der Magnetisierungsfelder synchron mit der Prüfmittel­ aufbringung, entsprechend dem Prüflingsquerschnitt in dem jeweiligen Prüfmittel-Aufbringungsbereich, nach einem vorgegebenen bzw. vorgebbaren Programm gesteuert wird, das zur Erzielung der an dem jeweiligen Aufbringungs­ bereich gewünschten Anzeigeempfindlichkeit unter Be­ rücksichtigung des maximal zulässigen Feldflußdurchsatzes, ausgelegt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bespülungs- bzw. Besprühungsstrecke in Zonen unterschiedlichen Prüflingsquerschnitte unterteilt ist und beim Übergang der Bespül- bzw. Besprühvorrichtung von einer in die benachbarte Zone mittels an den Zonen­ übergängen positionierter Sensoren (5a, 5b, 5c, 5d) ein Signal erzeugt wird, das in einer elektronischen Steuerungeinrichtung (6) für die Feldstärke-Steuerung verwertet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Bespülungs- bzw. Besprühungsstrecke in Zonen unterschiedlicher gewünschter Anzeigeempfind­ lichkeit unterteilt ist und beim Übergang der Bespül- bzw. Besprühvorrichtung von einer in die benachbarte Zone mittels an den Zonenübergängen positionierter Sensoren (5a, 5b, 5c, 5d) ein Signal erzeugt wird, das in einer elektronischen Steuerungeinrichtung (6) für die Feldstärke-Steuerung verwertet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch die Verwendung kontaktloser Endschalter als Sensoren.

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch die Verwendung von Lichtschschranken als Sensoren.

6. Vorrichtung zur kombinierten Magnetpulver-Rißprüfung ferromagnetischer Prüflinge mit zwei Magnetisierungs­ vorrichtungen (Magnetfeld- und Stromdurchflutungsvor­ richtung) für die Erzeugung unterschiedlich gerichteter, in der Regel zueinander senkrechter Magnetisierungs­ felder, die im Prüfling ein Magnetfeld erzeugen, dessen Gesamtvektor nacheinander eine anzeigefähige Position zu sämtlichen Rißrichtungen annimmt und mit einer über die Prüfstrecke verfahrbaren Prüfmittelaufbringungs­ vorrichtung, gekennzeichnet durch eine von der Position der Prüfmittelaufbringungsvorrichtung (4a, 4b) gesteuerte elektronische Steuerungsvorrichtung (6) für die Einstellung der Feldstärke mindestens eines der Magnetisierungsfelder in Abhängigkeit vom Prüflingsquerschnitt an der jewei­ ligen Position der Prüfmittelaufbringungsvorrichtung (4a, 4b), in die ein Programm eingespeichert bzw. ein­ speicherbar ist zur Erzielung der an dem jeweiligen Prüfmittelaufbringungsbereich gewünschten Anzeigeempfind­ lichkeit unter Berücksichtigung des maximal zulässigen Feldflußdurchsatzes.

7. Vorichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch über die Prüfstrecke verteilt angeordnete, auf die Position der Prüfmittelaufbringungsvorrichtung (4a, 4b) ansprechende Sensoren (5a, 5b, 5c, 5d), deren Signale in der Steuerungsvorrichtung (6) verwertet werden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (5a-5d) an Querschnittsänderungs­ übergängen des Prüflings angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sensoren (5a-5d) an den Grenzen von Prüfzonen unterschiedlicher Anzeigeempfindlichkeit angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 7-9, gekennzeichnet durch kontaktlose Endschalter als Sensoren (5a-5d).

11. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 7-9, gekennzeichnet durch Lichtschranken als Sensoren.