DE19638776A1

DE19638776A1 - Verfahren zum zerstörungsfreien Prüfen eines Prüflings mit einer Schweißnaht aus magnetisierbarem Material

Info

Publication number: DE19638776A1
Application number: DE19638776A
Authority: DE
Inventors: H A Sanaurin; H G Kravcenko; D G Komlev
Original assignee: Rohrnetzbau Rbg GmbH
Current assignee: Rohrnetzbau Rbg GmbH
Priority date: 1996-09-21
Filing date: 1996-09-21
Publication date: 1998-04-02
Also published as: EP0831323A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum zerstörungs freiem Prüfen eines Prüflings aus magnetisierbarem Material. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Ver fahren zum zerstörungsfreien Prüfen einer zwei magneti sierbare Prüflingsstücke verbindenden Schweißnaht.

Ein solches Verfahren ist aus der DE 37 09 143 C2 bekannt. Bei dem bekannten Verfahren wird über eine Prüfein richtung, bestehend aus fünf ringförmig angeordneten Elektromagneten, ein magnetisches Drehfeld in dem Prüf ling erzeugt. Zwischen den Schenkeln jedes Elektromagne ten ist jeweils eine Gradientensonde zum Erfassen des Magnetfeld-Gradientens vorgesehen, wobei diese senkrecht zur Prüfungsoberfläche und zur Hauptmagnetisierungs richtung des jeweilig angelegten Magnetfeldes angeordnet sind. Eine solche Anordnung der Gradientensonden geht von der Erkenntnis aus, daß die Richtung des erregenden Magnetfeldes möglichst senkrecht zu der zu erwartenden Fehlerlage im Prüfling sein sollte.

Das in den Gradientensonden erfaßte Signal wird an schließend über eine Datenverarbeitungseinrichtung auf bereitet, in der unter anderem ein Schwellenwertabgleich erfolgt. Während ein Prüfling an der Prüfeinrichtung vorbeibewegt wird, erhalten die Spulen nacheinander Be triebsspannungen entsprechend einer von einer Daten verarbeitungseinrichtung vorgegebenen Frequenz. Es ent steht dabei im Prüfling ein schrittweise weiterbewegtes Drehfeld, durch das die in diesem enthaltenen Fehler hindurchbewegt werden. Wird ein Fehler von dem schritt weise weiterbewegten Drehfeld erfaßt, entsteht ein Streu feld, dessen Richtung in Abhängigkeit vom Sektor des magnetischen Drehfeldes geändert wird. Durch die unter schiedliche Winkelposition der Gradientensonden wird von mindestens einer der Sonden der vom Fehler verursachte Streufluß gemessen. Der Meßwert wird angezeigt und von der Datenverarbeitungseinrichtung weiterverarbeitet.

Die bekannte Vorrichtung wird bei der Qualitätskontrolle eingesetzt und dient zum Detektieren von Gefügefehlern in einem länglichen Körper, beispielsweise einem Rohr. Durch das verwendete magnetische Drehfeld ist eine Prüfung auch im Endbereich eines solchen Rohres möglich.

Das bekannte Verfahren ist gegenüber Fehlern in Schweiß nähten sehr unempfindlich, insbesondere ohne vorherige mechanische Bearbeitung, weil die Schweißnaht selbst eine Quelle für Magnetfelder darstellt.

Magnetstreufelder von der Schweißnaht werden durch die Magneteigenschaften der Schweißnaht selbst (Koerzitiv kraft, magnetische Suszeptibilität), vom Schweißnahttyp, Magneteigenschaften des Grundmaterials, des Elektroden materials und von der Oberflächenrauigkeit der Schweiß naht bestimmt. Durch die starken Magnetstreufelder der Schweißnaht selbst, durch die Anordnung der Gradienten sonden und die verwendete Bewegungsweise des Prüflings an der Prüfvorrichtung, ist ein sicheres Erkennen von Fehlern in Schweißnähten (Rissen, Einschlüssen, usw.), insbesondere, wenn diese klein sind, mit dem bekannten Verfahren nur schwer möglich. Zudem ist zur Verwirk lichung des bekannten Prüfverfahrens ein hoher apparati ver Aufwand notwendig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum zerstörungsfreien Prüfen von magnetisier baren Prüflingen mit einer die Prüflingsstücke verbinden den Schweißnaht vorzuschlagen, mit dem ein sicheres Erkennen von Fehlern in der Schweißnaht und in dem Grund material der schweißnahtnahen Zone möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Verfahren folgende Schritte umfaßt:

- Magnetisieren des aus den Teilstücken und der Schweißnaht bestehenden Prüflings in der Richtung, die quer zur Längserstreckung der Schweißnaht und der schweißnahtnahen Zone im Prüfling angeordnet ist,
- Kalibrieren einer Gradientensonde und
- Bewegen der Gradientensonde entlang der Längs erstreckung der Schweißnaht und der schweißnahtnahen Zone und gleichzeitiges Erfassen der Streufelder mit der Gradientensonde im aufgebrachten Magnetfeld oder im Remanenzmagnetfeld.

Die verbesserte Empfindlichkeit bei der Erfassung von Fehlern durch dieses Verfahren läßt sich dadurch er klären, daß die Magnetisierungsverfahren, Gradientsonden anordnungen und die Verfahrungsbahn der Gradientensonde so gewählt sind, daß die Streufelder der Schweißnaht selbst keinen negativen Einfluß ausüben können.

Die Magnetisierung wird so vorgenommen, daß die zu kon trollierende Schweißnaht in die Zone gerät, die Magnet neutrale heißt. Diese Zone wird durch geringe Werte der Normalkomponente der Magnetfeldspannung charakterisiert. In dieser Zone findet der Polaritätswechsel statt (von N auf S oder umgekehrt) und die magnetische Kraftlinien sind quer zu der Schweißnaht und parallel zu der Prü fungsoberfläche gerichtet. Änderungen der Magnetfeld spannung in der Richtung parallel zu der Längserstreckung der Schweißnaht sind minimal und werden meistens durch die Störungen der Homogenität der Schweißnaht (Fehler) verursacht. Aus diesem Grund ist die Neutralzone eine sichere Meßbasis (Grundlage), auf derem Hintergrund die Fehler bei Verfahren der Gradientensonde entlang der Längserstreckung der Schweißnaht erfaßt werden können. Dabei bewirken Fehler in der Schweißnaht, etwa Lunker, Risse oder Einschlüsse, eine Änderung des Feldlinien verlaufs des Magnetfeldes und als Folge davon der Versatz der Neutralzone. Diese Fehler sind mit der Gradienten sonde in der Schweißnaht sowie in der Schweißnahtnahzone erfaßbar.

Bei der Überprüfung wird der Gradient der Normalkomponen te oder Tangentialkomponente der Magnetfeldspannung in Richtung entlang der Längserstreckung der Schweißnaht gemessen. Dabei werden die Kerne der Gradientensonden spulen senkrecht oder parallel zu der Schweißnahtober fläche (Prüflingsoberfläche) und die Basis entlang der Schweißnaht angeordnet. Die Basis der Gradientensonde wird durch den lotrechten Abstand der Spulenkernzentren zueinander definiert. Bei der Gradientensondenanordnung parallel zu der Schweißnaht und gleichzeitigem Führen der Sonde entlang der Schweißnaht (das Entlangfahren wird auf der Schweißnaht, als auch in der schweißnahtnahen Zone vorgenommen) sind,: falls keine Fehler vorhanden sind, keine bemerkenswerte Signale am Gradientensondenausgang feststellbar.

Bei der Gradientensonde werden nur die Magnetfeldänderun gen, die durch unzulässige Fehler der Schweißnaht oder des Grundmaterials in der schweißnahtnahen Zone ver ursacht sind, erfaßt. Zu diesem Zweck wird die Gradien tensonde vor dem Prüfen der Schweißnaht mit einem Re ferenzprüfstück kalibriert, das eine Schweißnaht mit vorgegebenen Fehlern aufweist. Die Gradientensonde wird sodann so kalibriert, daß in dieser ein Schwellenwert eingestellt wird, dessen Überschreiten als Fehler an gezeigt wird.

Weitere Vorteile der Erfindung sind Bestandteile der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Figurenbeschrei bung. Es zeigen:

Fig. 1 eine zwei magnetisierbare Prüfstücke verbinden de Schweißnaht im Querschnitt mit dem schemati schen Feldlinienverlauf eines induzierten Magnetfeldes bei der Magnetisierung quer zu der Längserstreckung der Schweißnaht und

Fig. 2 ein schematisches Blockdiagramm zur Meßanord nung beim zerstörungsfreien Prüfen von Schweiß nähten mit einer Gradientensonde.

In Fig. 1 ist der Querschnitt eines Prüflings 1 mit einer Schweißnaht 5 dargestellt. Prüfling 1 besteht aus zwei Teilstücken 3, 4, die mit einer Schweißnaht 5 ver bunden sind. Durch den Schweißvorgang besteht der Prüf ling 1 aus drei Zonen unterschiedlicher magnetischer Eigenschaften, nämlich aus:

- einer Grundmaterialzone 6, die von der Erwärmung nicht beeinflußt wurde,
- zwei Abschnitten 7, deren magnetische Eigenschaften durch Erwärmung geändert worden sind,
- der Schweißnaht 5 selbst.

In Fig. 1 ist schematisch der Feldlinienverlauf 2 auf der Oberfläche des Prüflings 1 dargestellt. In Fig. 1 ist zu sehen, daß in der Richtung quer zu der Schweißnaht 5 erhebliche Ungleichmäßigkeiten des Magnetfeldes, die durch die Unterschiede der Magneteigenschaften von der Schweißnaht 5 selbst, der von der Erwärmung beeinflußten Zonen 7 und dem Grundmaterial 6, verursacht worden sind. Magnetfeldänderungen entlang der Schweißnaht 5 sind sehr gering. Wenn durch einen Fehler in der Schweißnaht 5 eine Magnetfeldänderung auftritt, kann das Fehlerstreufeld auf dem Hintergrund der Streufelder der Schweißnaht 5 selbst nur durch das Fahren einer Gradientensonde entlang der Schweißnaht zuverlässig erfaßt werden.

In Fig. 2 sind zwei Meßanordnungen einer Gradientensonde bei der Schweißnahtüberprüfung dargestellt: die Normal anordnung A und die Tangentialanordnung B. Die Normal anordnung der Gradientensonde 9 wird durch eine Spulen kernanordnung senkrecht zu der Schweißnahtoberfläche charakterisiert. Die Basis 10 der Gradientensonde 9 wird quer zu der Achse der Schweißnaht 5 angeordnet.

Zum zerstörungsfreien Prüfen der Schweißnaht 5 im Hin blick auf magnetische Inhomogenitäten (= Fehler) wird die Gradientensonde 9 in Normalanordnung A oder in Tangen tialanordnung B in Schweißnahtmitte oder in der schweiß nahtnahen Zone entlang der Längserstreckung der Schweiß naht, wie durch den Pfeil 11 angedeutet, geführt. Dabei kann es zur Erkennung bestimmter Fehler zweckmäßig sein, die Schweißnaht 5 sowohl in Normalanordnung A als auch in Tangentialanordnung B zu untersuchen.

Das Verfahren ist sowohl für die Überprüfung im auf gebrachten Magnetfeld als auch im Remanenzfeld im Prüf ling 1 durchführbar. Beispielsweise bei einer Prüfung von längeren Schweißnähten 5, etwa bei miteinander ver schweißten Rohrstößen, ist eine Fehlererfassung durch Messungen im Remanenzfeld bevorzugt durchführbar. Dabei wird als ausreichend angesehen, wenn die magnetische Feldstärke der Tangentialkomponente auf der Schweißnaht oberfläche zwischen 50-1000 A/m, insbesondere zwischen 60-120 A/m beträgt. Dies hat zum Vorteil, daß nur geringe Energie aufgewendet werden muß, um das Magnetfeld in den Prüfling 1 zu induzieren. Folglich kann die Indu zierung mit einem Permanentmagneten erfolgen, der ohne zusätzliche Energieversorgung an jedem Ort einsetzbar ist. Bei Messungen im Remanenzmagnetfeld wirkt sich auch nicht die zum Induzieren des Magnetfeldes verwendete Vor richtung nachteilig auf die Handhabung der Gradienten sonde 9 aus. Beim Erfassen der Änderungen der Magnetfeld spannung befindet sich lediglich die Gradientensonde 9 am Prüfling 1.

Außerdem ordnet sich in einem Remanenzfeld die Magnet neutrale, bedingt durch die Unterschiede der Magneteigen schaften der Zonen 5, 6 und 7, in jedem Fall in der Mitte der Schweißnaht ein. Die Magnetisierung erfolgt etwa senkrecht zur Längserstreckung der Schweißnaht 5. Bei Rohren kann die Magnetisierung dadurch erzielt werden, daß der zur Magnetisierung des Prüflings verwendete Magnet einmal umfänglich außenseitig punktweise um das Rohr herumgefahren wird, wobei der Nordpol auf der einen und der Südpol auf der anderen Seite der Schweißnaht angeordnet ist.

Zweckmäßigerweise befindet sich bei der Magnetisierung des Prüflings 1 der Nordpol sowie der Südpol des für die Magnetisierung verwendete Magnetes in einem etwa gleichen Abstand von der Schweißnaht 5. Insbesondere bei einem Einsatz des Verfahrens im Gelände ist es zweckmäßig zur Magnetisierung einen Permanentmagneten zu verwenden. Damit dieser für unterschiedliche Anforderungen passend ausgebildet ist, wird in einer Ausgestaltung des Ver fahrens als Magnetisierungsmagnet ein Permanentmagnet verwendet, dessen beiden Pole durch einen flexiblen magnetischen Leiter verbunden sind.

Das Verfahren läßt sich, insbesondere wenn ein Permanent magnet verwendet wird, besonders gut durchführen, wenn der Prüfling 1 nur soweit magnetisiert wird, daß das Prüflingsmaterial nicht bis zu seiner Sättigung magneti siert worden ist und das in dem in Prüfling 1 induzierten Remanenzmagnetfeld gemessen wird. Das Verfahren kann dann ohne einen hohen apparativen Aufwand durchgeführt werden, da zum Induzieren des Magnetfeldes bereits geringe Feld stärken ausreichen. Eine Induzierung von schwachen Rema nenzmagnetfeldern läßt sich bereits mit kleinen Perma nentmagneten durchführen. Das Verfahren wird bevorzugt bei Feldstärken der Tangentialkomponente des Magnet feldes, die zwischen 60-120 A/m aufweisen, durchge führt.

Das erfindungsgemäße Prüfverfahren wird wie folgt durch geführt:
Das Aufsetzen eines Permanentmagneten erfolgt an einem Ende der Schweißnaht 5 des Prüflings 1. In etwa gleichem Abstand von der Schweißnaht 5 eines Prüflings 1 wird auf der einen Seite der Schweißnaht 5 der Nordpol und auf der anderen Seite der Schweißnaht 5 der Südpol des Perma nentmagneten aufgesetzt. Der Permanentmagnet wird an schließend parallel zur Längserstreckung der Schweißnaht 5 unter Beibehaltung eines etwas gleichen Abstandes von Nordpol und Südpol von der Schweißnaht 5 entlang dieser punktweise geführt. Nach Entfernen des Permanentmagneten vom Prüfling 1 weist dieser ein Remanenzmagnetfeld auf. Bedingt durch die unterschiedlichen Magneteigenschaften der Abschnitte 5, 6 und 7 in diesem Remanenzmagnetfeld, ordnet sich die Magnetneutrale entlang der Längser streckung der Schweißnaht 5 an (siehe Fig. 1).

Bevor eine Gradientensonde 9 zum Erfassen von Fehler streufeldern über die Schweißnaht 5 geführt wird, wird diese kalibriert. Die Gradientensonde 9 wird zu diesem Zweck über eine Referenzschweißstrecke geführt, in der bekannte, vordefinierte Fehler enthalten sind. Die in einem Referenzstück enthaltenen Fehler weisen unter schiedliche Größen auf. In Abhängigkeit von der zu detek tierenden Größe der Felder wird nun in der Gradienten sonde 9 ein Schwellenwert eingestellt. Änderungen in der Magnetfeldspannung, die einen bestimmten Betrag (= Schwellenwert) überschreiten, werden dann mittels einer Anzeige angegeben.

Um die Fehler in der Schweißnaht 5 des Prüflings 1 zu detektieren, wird die kalibrierte Gradientensonde 9 etwa in der Mitte der Schweißnaht 5 und in den schweißnaht nahen Zonen in Richtung des Pfeiles 11 geführt. Dabei werden in einer Normalanordnung A die Spulenkerne der Gradientensonde senkrecht zu der Oberfläche 8 des Prüf lings 1 und die Basis 10 der Gradientensonde parallel zu der Richtung des Pfeiles 11 angeordnet. Diese Richtung wird dabei so gewählt, daß eine relative Änderung der zu der Prüflingsoberfläche 8 normal liegenden oder tangenti alliegenden Magnetfeldspannungskomponente entlang der Schweißnaht 5 gemessen wird. Bei dem in der Gradienten sonde 9 verwendeten Wandler handelt es sich um zwei Spulenanordnungen 12 und 12′, deren Spulenkerne eine hohe magnetische anfängliche Suszeptibilität aufweisen. Die Meßwerte werden einer nicht dargestellten Auswerteeinheit zugeführt, die diese mit dem durch das Kalibrieren vor gegebenen Schwellenwert vergleicht. Überschreitet eine gemessene Magnetfeldspannungsänderung den voreinge stellten Schwellenwert, dann wird dieses durch ein Signal angezeigt.

Als Kontrollmessung eignet sich eine Messung in Tangenti alanordnung B, bei der die Spulenkerne 12, 12′ parallel zu der Längserstreckung der Schweißnaht 5 und die Basis 10 senkrecht zu der Längserstreckung der Schweißnaht 5 und parallel zu der Prüflingsoberfläche 8 angeordnet sind. Mit einem solchen Prüfverfahren, mit dem die relative Änderung der Magnetfeldspannungstangential komponente erfaßt wird, läßt sich beispielsweise be stimmen, ob zwei in Normalanordnung erfaßte Fehlersignale einem einzigen, länglichen Fehler zuzuordnen sind, oder ob es sich tatsächlich um zwei separate Fehler handelt.

Bezugszeichenliste

1 Prüfling
2 Magnetkraftlinien
3 Teilstück des Prüflings
4 Teilstück des Prüflings
5 Schweißnaht
6 Äußerer Abschnitt
7 Innerer Abschnitt
8 Äußerer Oberfläche
9 Gradientensonde
10 Basis der Gradientensonde
11 Führungsrichtung
12 Spulenanordnungen
A Normalanordnung
B Tangentialanordnung
Z Zone der Magnetneutrale

Claims

1. Verfahren zum zerstörungsfreien Prüfen einer zwei magnetisierbare Prüfungsstücke (3, 4) verbindenden Schweißnaht (5), das folgende Schritte umfaßt:

- Magnetisieren des aus den Teilstücken (3, 4) und der Schweißnaht (5) bestehenden Prüflings (1) mit einem Magnetfeld (2), dessen magneti sche Ausrichtung quer zur Längserstreckung der Schweißnaht (5) und der schweißnahtnahen Zone (7) im Prüfling (1) angeordnet ist,
- Kalibrieren einer Gradientensonde (9),
- Bewegen der Gradientensonde (9) entlang der Längserstreckung der Schweißnaht (5) und der schweißnahtnahen Zone (7) und gleichzeitiges Erfassen der Streufelder mit der Gradienten sonde (9) im aufgebrachten Magnetfeld oder im Remanenzmagnetfeld.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß relative Änderungen der Normalkomponente oder der Tangentialkomponente des Magnetfeldes (2) in Längsrichtung der Schweißnaht (5) und in der schweißnahtnahen Zone erfaßt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der relativen Änderung der Magnet feldnormalkomponente die Gradientensondenspulkerne senkrecht zu der Prüflingsoberfläche und die Basis (10) parallel zu der Längserstreckung der Schweiß naht (5) angeordnet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß relative Änderungen der Tangentialkomponente des Magnetfeldes (2) in Längsrichtung der Schweißnaht (5) erfaßt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der relativen Änderung der Magnet feldtangentialkomponente die Gradientensondenspulen kerne parallel zu der Prüflingsoberfläche und die Basis (10) parallel zu der Längserstreckung der Schweißnaht (5) angeordnet werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfling (1) mit einem etwa senkrecht zur Längserstreckung der Schweißnaht (5) ausgerichteten Magnetfeld (2) magnetisiert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Südpol und der Nordpol des zur Magnetisie rung des Prüflings (1) verwendeten Magneten jeweils mit etwa demselben Abstand von der Mitte der Schweißnaht (5) ausgerichtet werden.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfling (1) mit einem Permanentmagneten magnetisiert wird.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfling (1) nur bis zur magnetischen Teilsättigung des Materials der Schweißnaht (5) magnetisiert wird.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldstärke der Tangentialkomponente des Magnetfeldes (2) auf der Schweißnahtoberfläche 50-1000 A/m, insbe sondere 60-120 A/m, beträgt.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Magnet neutrale (Z) entlang der Längserstreckung und in der Mitte der Schweißnaht (5) in einem aufgebrachten Magnetfeld (2) oder in einem Remanenzfeld anordnet.