DE19782287C2 - Verfahren zur Ermittlung des Spannungs- und Dehnungszustandes eines Erzeugnisses aus ferromagnetischem Material mit Magnetsteuerfeldern und Gerät für die Ausführung dieses Verfahrens - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kontrollverfahren zur Ermittlung des Spannungs- und Dehnungszustandes von Ferromagnetika nach der bleibenden Magnetisierung und kann in verschiedenen Industriezweigen Verwendung finden: in der Energiewirtschaft - zur Kontrolle des technischen Zustandes von Rohrleitungsanlagen und Drehvorrichrungen; in der Erdöl- und Gasindustrie - zur Kontrolle von Gas- und Erdölprodukten und Behältern; im Eisenbahntransport, in der Maschinenbauproduktion - zur Kontrolle der bleibenden Spannungen und der Metallqualität in den Erzeugnissen nach deren Anfertigung; in beliebigen Konstruktionen aus ferromagnetischen Materialien, darunter zur Kontrolle der bleibenden Schweißdehnungen und Spannungen.

Voriger Stand der Technik

Es ist ein Verfahren zur Ermittlung der Bereiche der bleibenden Spannungen in den Erzeugnissen aus ferromagnetischem Material bekannt, das die Messung der sprunghaften Magnetfeldänderung des Erzeugnisses in den Stellen der Entstehung der plastischen Dehnungen unter der Einwirkung der angelegten Axialbelastungen einschließt. (SU, A, 1727004).

Bei diesem Verfahren vermißt man die Tangential- und normale Komponente des Magnetstreufeldes in den gleichen Kontrollpunkten auf der Außenoberfläche des zu kontrollierenden Erzeugnisses, und die Bereiche der bleibenden Spannungen werden nach der Gleichheit der Werte der Tangential- und normalen Komponente des Magnetstreufeldes ermittelt.

Das Verfahren ermöglicht den Kontrollarbeitsaufwand zu reduzieren, aber dessen Beschränkung besteht in der Unmöglichkeit, die Konzentrationslinien der Spannungen und Dehnungen zu ermitteln, dabei stellt das Verfahren einen Spezialfall der Ermittlung nach den Magnetstreufeldern der Gleitvorgangsbänder oder Flächen, die die Bereiche der maximalen bleibenden Spannungen kennzeichnen, dar, die sich zum Beispiel in den Rohrleitungen unter der Einwirkung der Biege- und Verdrehbelastungen oder unter der Einwirkung der örtlichen lokalen Metallüberhitzung gebildet haben.

Es ist ein Verfahren zur Ermittlung der bleibenden Spannungen in den Erzeugnissen aus ferromagnetischen Materialien bekannt, das in der Messung der Intensität des Magnetfeldes besteht. (SU, A, 1779954).

Bei diesem Verfahren wird der maximale Wert der Intensität des Magnetstreufeldes vermessen, wonach der maximale Wert der bleibenden Spannungen und Dehnungen ermittelt wird, die in der mit der Richtung des zu messenden Magnetfeldes übereinstimmenden Richtung wirken.

Dieses Verfahren ermöglicht die Wirksamkeit der Kontrolle durch die Ermittlung des maximalen Wertes der bleibenden Spannungen und Dehnungen zu erhöhen. Das Verfahren stellt im Vergleich zum vorangegangenen einen allgemeineren Fall dar und kann zur Bestimmung des maximalen Wertes der bleibenden Spannungen in beliebigen Erzeugnissen und in Schweißverbindungen verschiedener Konstruktionen aus ferromagnetischem Material verwendet werden.

Die Beschränkung des Verfahrens besteht in der Unmöglichkeit, die Spannungskonzentrationen unter verschiedenen Bedingungen der Belastung festzustellen, zum Beispiel in der Unmöglichkeit den Wirkungsbereich der Schwingungsbelastung zu bestimmen, und für Maschinenbaufabrikate, welche sich außerhalb des Wirkungsbereiches der Außenbelastung befinden, in der Unmöglichkeit, die Konzentration der Innenspannungen oder Metallfehler zu bestimmen.

Im allgemeinen Fall findet in einer funktionierenden Konstruktion nach der Entfernung der Arbeitsspannung eine elastisch-plastische Dehnung statt. Dabei hat eine große Bedeutung für die Feststellung der Zuverlässigkeit einer Konstruktion die Möglichkeit, die Konzentrationsbereiche des maximalen Wertes der bleibenden Spannungen festzustellen, der durch eine einseitige Belastung oder eine Spannungsamplitude bei der Schwingungsbelastung bedingt wird.

Für Maschinenbaufabrikate hat eine große Bedeutung nach deren Anfertigung die Möglichkeit, die Konzentrationsbereiche der Innenspannungen festzustellen, die bekanntlich bleibende technologische Spannungen sind. Zum Beispiel, bei der Qualitätskontrolle der Wärmebehandlung von Erzeugnissen.

Es ist ein Verfahren zur Ermittlung des Spannungs- und Dehnungszustandes eines Erzeugnisses aus ferromagnetischem Material nach den Magnetstreufeldern bekannt, das die Messung der normalen Komponente H_p des Magnetfeldes an der Erzeugnisoberfläche entlang in verschiedenen Punkten, die Ermittlung der Gradienten der Intensität des Magnetfeldes an dem der Länge nach festgehaltenen Linienabschnitt, die Feststellung des Bereiches der maximalen Dehnung nach dem maximalen Wert der abgemessenen Gradienten einschließt (RU, A, 2029263).

In diesem Verfahren ist zu seiner Ausführung die Linie mit dem Nullwert der Intensität des Magnetfeldes festzustellen, an diesen Linien entlang wird im gleichen vorgegebenen Abstand von jeder Linie beiderseits die Gradiente des Magnetfeldes nach der Länge des Abschnittes vermessen, der durch die Linie mit dem Nullwert der der Intensität des Feldes durchläuft.

Die Beschränkung der technischen Möglichkeiten dieses Verfahrens besteht in dem Arbeitszeitaufwand bei der Ermittlung der Linie mit dem Nullwert der Intensität des Magnetstreufeldes und jeweils der maximalen Konzentration der Spannungen und Dehnungen, eine lange Meßdauer sowie Meßungenauigkeit.

Es ist ein Abtastgerät zur Messung der Intensität des Magnetfeldes bekannt, das einen Ferrosondenmeßfühler und ein Gehäuse enthält, das mit einem Stromverbinder zum Anschluß des in diesem Gehäuse eingebauten Ferrosondenmeßfühlers an den Magnetometer enthält, dabei geht eines der Enden des Meßfühlers in seiner Ausführung über die Abmessungen des Gehäuses hinaus ("Geräte für eine zerstörungsfreie Prüfung von Materialien und Erzeugnissen". Nachschlagebuch, herausgegeben von Klyiew W. W., Band 2, Moskau, Verlag "Maschinostrojenije", 1986).

Dieses Gerät ist als Taster ausgeführt und ermöglicht die Messung der Intensität des Magnetfeldes in beliebigen zu messenden Punkten des zu kontrollierenden Erzeugnisses; der Meßarbeitsaufwand ist in diesem Gerät allerdings erschwert, insofern er bei der Feststellung der Konzentrationsbereiche der Dehnungen und bleibenden Spannungen eine nicht fixierte Fühlerverschiebung hinsichtlich der Linie mit Nullwerten der normalen Komponente des Magnetstreufeldes H_p erfordert.

Offenbarung der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung wurde die Lösung der Aufgabe zugrundegelegt, wo die Messung der Spannungen des Magnetstreufeldes in den Meßpunkten derart vorgenommen würde, um die Fixierung der Linie mit dem Nullwert der Intensität des Magnetfeldes auszuschließen und ein Abtastgerät zu schaffen, wo die Ferrosondenmeßfühler und deren Verbindung mit den Linienparametern von deren Verschiebung derart ausgeführt sind, daß die Meßungenauigkeit und Meßdauer reduziert würden und somit die Wirksamkeit der Feststellung des Bereiche der maximalen Konzentration von Dehnungen und bleibenden Spannungen erhöht würde.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß im Verfahren zur Bestimmung des Spannungs- und Dehnungszustandes von Erzeugnissen aus ferromagnetischem Material mit Magnetstreufeldern durch punktweise Messung der normalen Komponente des Magnetfeldes H_p an der Erzeugnisoberfläche der Gradient des Magnetfeldes H_p zwischen den Enden eines der Länge nach vorgegebenen Linienabschnittes ermittelt wird, zur Herstellung des Bereiches der maximalen Dehnung nach dem maximalen Wert der gemessenen Gradienten, wobei man erfindungsgemäß die normale Komponente des Magnetfeldes H_p gleichzeitig in zwei Punkten an den Enden des der Länge l_b nach vorgegebenen Linienabschnittes misst. Anschließend misst man die Komponente H_p gleichzeitig in zwei Punkten an den Enden des der Länge l_b nach vorgegebenen Abschnittes, der koplanar an der Erzeugnisoberfläche entlang im Abstand l_k vom ursprünglichen Abschnitt entfernt ist. Ferner wird die normale Komponente H_p an zwei Punkten in gleichen Abständen l_k von jedem vorherigen Meßabschnitt unter Einhaltung der Komplanarität der Meßabschnitte vermessen; beim Nachweis in den Meßpunkten des Zeichenwechsels der Komponente H_p werden die Gradienten |ΔH_p|/l_b und |ΔH_p|/l_k der Werte der normalen Komponente des Magnetfeldes an den Enden der der Länge nach vorgegebenen Abschnitte l_b und l_k festgestellt, die erwähnten Gradienten werden verglichen, und nach dem maximalen Wert einer der genannten Gradienten wird der Bereich der maximalen Dehnung ermittelt.

Es sind zusätzliche Optionen der Ausführung des Verfahrens möglich, wo es zweckmäßig ist, daß:

• - jeder Abstand der Abschnitte l_k i im Schritt i der Abschnittslänge l_b vielfach gewählt wird;
• - für das der Biegebelastung ausgesetzte Erzeugnis die Abschnittslänge l_b unter der Bedingung der Vielfachheit dieses Abschnitts der Dicke s des Erzeugnisses ausgewählt wird, dabei nehme man für die Dicke s die Erzeugnisdicke in der Richtung der angelegten Belastung an;
• - die Messung der normalen Komponente H_p an der Erzeugnisoberfläche entlang in der Richtung vorgenommen wird, die der angelegten Belastung orthogonal ist;
• - für die der Verdrehbelastung ausgesetzten Erzeugnisse die Abschnittslänge l_b unter der Bedingung der Vielfachheit dieses Abschnitts dem Verhältnis s/b der Erzeugnisdicke s und -breite b ausgewählt wird, wobei für die Dicke s die Längenabmessung des Erzeugnisses an der Linie der Anlegung einer der Komponenten der Verdrehbelastung entlang und für die Breite b die Längenabmessung des Erzeugnisses an der Linie der Anlegung einer anderen, ihr orthogonalen, Komponente der Verdrehbelastung entlang angenommen würde;
• - die Messung der normalen Komponente H_p an der Erzeugnisoberfläche entlang in der Richtung vorgenommen wurde, die den erwähnten Komponenten der Belastung orthogonal ist;
• - für Erzeugnisse mit einer Zylinderform die Abschnittslänge l_b unter der Bedingung der Vielfachheit dieses Abschnittes der Breite s der Zylinderwand ausgewählt wurde;
• - für das Erzeugnis mit einer Schweißnaht die Messung der normalen Komponente H_p an der Erzeugnisoberfläche entlang in der Richtung an der Nahtlinie entlang vorgenommen wurde und die Meßpunkte der Abschnitte l_b und l_k beiderseits von der Schweißnaht in den Abständen angeordnet wurden, die der Breite der Schweißnaht vielfach ist.

Die gestellte Aufgabe wird ebenfalls dadurch gelöst, daß im Abtastgerät zur Messung der Intensität des Magnetfeldes, das einen Ferrosondenmeßfühler und ein an den Stromverbinder zum Anschluß des darin eingebauten Ferrosondenmeßfühlers an den Magnetometer angeschlossenes Gehäuse enthält, wobei eines der Meßfühlerenden über die Abmessungen des Gehäuses hinausgeht, ein anderer, in dem erwähnten Gehäuse eingebauter Ferrosondenmeßfühler erfindungsgemäß eingeführt ist; es sind die Räder eingeführt, eine die Räder mit dem Gehäuse verknüpfende, deren Drehung hinsichtlich des Gehäuses ermöglichende Achse eingebaut ist, ein Lochrad, dessen Drehung mit den genannten Gehäuserädern mittels einer Bewegungsübertragung mit der Möglichkeit eines Synchronlaufs der Räder und des Lochrades verbunden ist, ein mit der Möglichkeit der Ablesung der Lochung des Lochrades eingebauter photooptischer Meßfühler; dabei sind die erwähnten Ferrosondenmeßfühler im Gehäuse mit der Möglichkeit der Änderung des Abstandes dazwischen eingebaut.

Es ist eine zusätzliche Ausführungsoption des Gerätes möglich, wo es zweckmäßig wäre, daß die Lochung im Lochrad mit der Möglichkeit der Wahl des Abstandes einer Ringverschiebung des Lochrades hinsichtlich der Drehung der Gehäuseräder, vielfach dem Abstand zwischen den Ferrosondenmeßfühlern, ausgeführt wird.

Die genannten Vorteile sowie die Besonderheiten der vorliegenden Erfindung werden durch die bevorzugte Variante seiner Ausführung unter Bezüge auf die beigefügten Abbildungen erläutert.

Kurze Zeichnungsbeschreibung

Fig. 1 stellt das Schema der Verschiebung des Ferrosondenmeßfühlers auf der Oberfläche des zu kontrollierenden Erzeugnisses in Übereinstimmung mit dem bekannten Verfahren dar;

Fig. 2 das Erzeugnis mit den abgebildeten Ergebnissen der vorgenommenen Messungen gemäß Fig. 1;

Fig. 3 das Meßschema nach dem erfindungsgemäßen Verfahren für den der Biegebelastung ausgesetzten Balken;

Fig. 4 das gleiche wie Fig. 3 für den der Verdrehbelastung ausgesetzten Balken;

Fig. 5 das gleiche wie Fig. 3 für die Erzeugnisse mit einer Zylinderform;

Fig. 6 das Diagramm einer der gewonnenen Abhängigkeiten H_p von nl_k für das Erzeugnis mit einer Zylinderform - Rohr, wo n der Schrittsumme i der Messungen in der Verschiebungsrichtung an der Längsachse des Zylinders entlang gleich ist;

Fig. 7 das gleiche wie Fig. 6 - das Diagramm für ein anderes Erzeugnis mit einer Zylinderform;

Fig. 8 das Kontrollschema der Schweißnaht;

Fig. 9 das Diagramm der Abhängigkeit H_p von nl_k bei der Kontrolle der Schweißnaht;

Fig. 10 das Abtastgerät, sein Längsschnitt;

Fig. 11 das gleiche wie Fig. 10, Querschnitt;

Fig. 12 das Blockschaltbild des Spezialmagnetometers zur Durchführung der Zweisondenmessungen.

Bevorzugte Ausführungsform

Bei dem bekannten Verfahren (Fig. 1, 2) war geboten, eine Linie auf der Erzeugnisoberfläche zu finden, in deren Punkten die normale Komponente des Magnetstreufeldes H_p gleich Null war, und diese auf der Erzeugnisoberfläche zu markieren. Die genannte Linie entspricht der Linie der Konzentration der bleibenden Spannungen und Dehnungen. In dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es nicht notwendig, diese Linie zu finden, obwohl das erfindungsgemäße Verfahren die Lage dieser Linie bestimmen läßt.

In Fig. 1 ist ein Schema zur Feststellung der Konzentrationslinie von Spannungen und Dehnungen dargestellt, wo H_p = 0, am ferromagnetischen Erzeugnis mittels eines Magnetometers, der als Meßfühler einen Ferrosondenmessfühler und die Meßempflindlichkeit der Intensität des Magnetfeldes auf dem Niveau ±1 A/m hat. Mit den Pfeilen wird das Verschiebungsschema des Meßfühlers des Gerätes aufgezeigt. Dabei wird der Meßfühler des Geräts senkrecht zur Erzeugnisoberfläche angeordnet. Durch das Abtasten mit dem Meßfühler des Gerätes an der zu kontrollierenden Erzeugnisoberfläche entlang, zum Beispiel von links nach rechts, werden die Nullwerte der bleibenden Magnetisierung H_p in mindestens drei Punkten O₁, O₂, O₃ festgehalten (Abb. 1). Nach diesen drei Punkten wird die Linie mit einem Nullwert der Größe H_p aufgezeichnet und auf der Oberfläche des Teiles vermerkt. Desweiteren erfolgt zwecks Präzisierung der Linienlage H_p = 0 auf der Erzeugnisoberfläche das Abtasten durch den Messfühler an der Linie H_p = 0 entlang von unten nach oben (oder umgekehrt) nach dem Pfeil, der auf Fig. 1 mit einer gebrochenen Strichlinie bezeichnet wird. Dabei wechselt der Wert H_p in Reihe das Zeichen von einem Plus auf einen Minus und umgekehrt. Auf diese Weise werden die Zwischenpunkte mit den Nullwerten des Feldes H_p festgesetzt und die Linienlage der Konzentration von Spannungen und Dehnungen präzisiert.

Die Ergebnisse der durchgeführten Messungen werden auf der Fig. 2 erläutert. Aus dieser Abbildung ist zu ersehen, dass die Werte der Größen H_p in den nahe der Linie der Konzentration von Spannungen liegenden Punkten bedeutend kleiner im Vergleich zu den an den Erzeugnisrändern liegenden Werten sind, was auf den Effekt der Entmagnetisierung zurückzuführen ist, der von der Form und dem Material des Erzeugnisses abhängt.

Der maximale Wert des Gradienten |ΔH_p|/l_b für die auf der Fig. 2 aufgezeigten Werte wird gleich sein:

|ΔH_p|/l_b = |H_p1 - H_p2|/l_b = [|33 A/m| + |-35 A/m|]/10 mm = 6,8.10³ A/m²

Es sei bemerkt, daß die Berechnung der konkreten Werte der Gradiente |ΔH_p|/l_b in dem zu betrachtenden Beispiel zwecks Erkennung des Bereiches der maximalen Konzentration von Spannungen der Dehnungen im gegebenen Erzeugnis und beim Vergleich der formähnlichen und aus einem und demselben Material hergestellten Erzeugnisse erfolgt. Dabei sind die zu kontrollierenden Erzeugnisse hinsichtlich des Magnetfeldes der Erde gleich anzuordnen.

Bei der Durchführung der Messungen (Fig. 1, 2) fällt es schwer, mit einem Ferrosondenmeßfühler den Abstand l_b hinsichtlich der Linie der Konzentration von Spannungen und Dehnungen genau festzustellen sowie den Gradienten der normalen Komponente des Streufeldes zu bestimmen, insofern im Abtastgerät und in den Typenmagnetometern keine Mittel zur Festsetzung oder Messung der Länge vorhanden sind.

In Übereinstimmung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren (Fig. 3) wird in einem ersten Schritt die normale Komponente des Magnetstreufeldes H_p an der Erzeugnisoberfläche entlang gleichzeitig mit zwei Messfühlern in mindestens zwei Punkten mit einem vorgegebenen Grundabstand l_b zwischen den Messfühlern vermessen. Es werden Bereiche bestimmt, wo an den beiden Messkanälen der Wechsel des Feldzeichens H_p durch den Messfühler festgestellt wird. Der Zeichenwechsel wird immer dem Übergang durch den Nullwert entsprechen. Die normale Komponente H_p des Magnetfeldes wird für die nicht belasteten Teile in einer bestimmten, im voraus vorgegebenen Richtung vermessen.

In einem zweiten Schritt wird in den Punkten, wo der Zeichenwechsel H_p festgestellt wurde, der Gradient der Feldänderung ΔH_p nach der Länge des zu kontrollierenden Abschnittes l_k - (|ΔH_p|/l_k) für jeden Messkanal ermittelt, d. h. zwischen den Punkten 1 und 1', 2 und 2' wie auch nach der Länge des zu kontrollierenden Abschnittes l_b zwischen den Kontrollpunkten 1 und 2, 1' und 2' (Fig. 3) und nach dem maximalen Gradientenwert in jedem der zwei Messkanäle wird der Bereich der maximalen Konzentration von bleibenden Spannungen und Dehnungen festgestellt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Wirksamkeit der Ermittlung der Linien mit dem Nullwert des Feldes H_p zu erhöhen, die senkrecht zur Richtung der Verschiebung der Kontrollmessfühler liegen.

Im Falle, wenn die Linie mit dem Nullwert des Feldes H_p parallel zur Richtung der Messfühlerabtastung verläuft, wird die Wirksamkeit des Verfahrens durch die Festsetzung der Bereiche gewährleistet, wo die Feldwerte H_p nach zwei Messkanälen ein entgegengesetztes Zeichen erhalten und die Differenz der Feldwerte H_p zwischen den Kanälen den maximalen Wert gewinnt.

Bei der erfindungsgemäßen Reihenfolge der Arbeitsgänge in dem angegebenen Verfahren wird es bei der Verwendung von gleichzeitig zwei Kanälen für die Messung der normalen Komponente des Magnetfeldes H_p möglich, die Wirksamkeit der Messungen zu erhöhen, ohne die Linien mit dem Nullwert der Größe H_p sowie die maximalen Gradienten der Feldänderung |ΔH_p| nach der Länge des zu kontrollierenden Bereiches l_k oder des maximalen Moduls der Felddifferenzen H_p zwischen zwei Messkanälen festzusetzen, d. h. nach der Länge des zu kontrollierenden Bereiches l_b.

Es ist zweckmäßig l_k vielfach gegenüber l_b zu wählen, um die Gradienten des abzumessenden Parameters H_p auf einer für l_b und l_k einheitlichen Grundlage eindeutig festzusetzen und zu vergleichen. Daher soll das Verhältnis l_k zu l_b einer Ganzzahl gleich sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren gewährleistet die Feststellung der Konzentrationsbereiche der Innenspannungen in den Erzeugnissen außerhalb der Konstruktion (darunter auch an den neuen Erzeugnissen) und die Feststellung der Konzentrationsbereiche von Spannungen und maximalen Dehnungen an den Erzeugnissen, die in der Konstruktion drin sind und unter den Bedingungen der Kombination von Außenbelastungen und Innenspannungen eingesetzt werden.

Bei der Feststellung der Konzentrationsbereiche von bleibenden Spannungen an einzelnen Maschinenbauteilen, die außerhalb der Konstruktion liegen, ist folgendes in Betracht zu ziehen.

Im Verlaufe der Anfertigung von beliebigen ferromagnetischen Erzeugnissen erfolgt die Bildung der realen magnetischen Textur unter den Bedingungen der gleichzeitigen Einwirkung des Magnetfeldes der Erde und der Änderung der Innenspannungen. Die meisten Stahlfabrikate erlangen die notwendigen physikalisch-mechanischen Eigenschaften als Ergebnis der Wärmebehandlung, die die verbreitesten Arbeitsgänge - Härtung und Entspannung - einschließt. Ausgerechnet unter diesen Umständen erfolgt der reale Prozeß des Energieaustausches zwischen den benachbarten Metallschichten. Bei diesem Prozeß werden einzelne Domänen in den Erzeugnissen mit einer heterogenen Struktur an den Fehlordnungen des Kristallgitters befestigt. An den Orten mit der höchsten Konzentration der Fehlordnungen - nichtmetallische Einschlüsse, Ansammlung von Fehlstellen usw. - bilden sich Stellen von Domänen, die in der Endkonsequenz Domänenwände in den Mikrovolumen des Erzeugnismetalls bilden.

Die Bildung der Domänengrenzen an den Fehlstellen und anderen Ungleichartigkeiten in den Mikrovolumen des Erzeugnismetalls formen im Makrovolumen die Linien des Zeichenwechsels der bleibenden Magnetisierung mit dem Ausgang auf die Erzeugnisoberfläche. Somit wird vorgeschlagen, die fertiggeformten Linien des Zeichenwechsels der bleibenden Magnetisierung durch die Messung der Verteilung der normalen Komponente des Magnetstreufeldes H_p auf der Erzeugnisoberfläche zu ermitteln. Aus dem Verfahren der Magnettexturanalyse ist bekannt, daß der Vervollkommnungsgrad der kristallographischen Textur - die Anisotropie der mechanischen Eigenschaften - anhand der normalen Komponente des Vektors der bleibenden Magnetisierung bestimmt werden kann. Es liegt auf der Hand, dass ausgerechnet die normale Komponente des Magnetstreufeldes H_p, die der Richtung nach mit dem Vektor der normalen Komponente der bleibenden Magnetisierung I_n über den Entmagnetisierungsfaktor N (H_p = -N × I_n) übereinstimmt, die Anisotropie der Struktur und der mechanischen Eigenschaften des Erzeugnisses ebenfalls kennzeichnen wird.

Dabei entspricht die Linie des Feldzeichenwechsels H_p auf der Oberfläche des ferromagnetischen Erzeugnisses nach dessen Herstellung der Linie der Konzentration der bleibenden Spannungen, und die Intensität der Änderung des Wertes H_p kennzeichnet das Niveau der inneren bleibenden Spannungen des Erzeugnisses beim Übergang über die Linie der Konzentration der bleibenden Spannungen.

Bei der Ermittlung der Konzentrationslinien der bleibenden Spannungen in den Rohrleitungen und in beliebigen Einheiten von Konstruktionen und Ausrüstungen, welche in der Regel in einem geschlossenen magnetischen Kreis liegen, erfolgt das Kontrollverfahren auf die gleiche Weise. Es ist allerdings zu berücksichtigen, daß die Konzentrationslinien der bleibenden Spannungen dabei das Resultat der Kombination der inneren Spannungen und der äußeren Belastungen darstellen. Es kann angenommen werden, daß unter diesen Umstanden die Linien mit H_p = 0 die Linien des Ausgangs auf die Oberfläche der zu überwachenden Kanalgruppe mit der maximalen Dichte der Fehlstellen kennzeichnen, die im Ergebnis der Gleitbewegung der benachbarten Metallschichten entstanden sind. Die magnetischen Streufelder kennzeichnen gegebenenfalls den Spannungs- und Dehnungszustand der Rohrleitungen, Anlagen und Konstruktionen.

Bei der Durchführung der Messungen wählt man für das Erzeugnis, das der Biegebelastung P (Fig. 3) ausgesetzt wird, die Abschnittslänge l_b unter der Bedingung der Vielfachheit dieses Abschnittes der Erzeugnisdicke s, wobei für die Dicke s die Erzeugnisdicke in der Richtung der angelegten Belastung P angenommen wird. Somit wird bei dem Balken für den Wert s die Höhe h des Erzeugnisses angenommen. Wie aus der Fig. 3 zu ersehen ist, wird die Messung der normalen Komponente H_p in diesem Falle an der Erzeugnisoberfläche entlang in der Richtung vorgenommen, die der angelegten Belastung P orthogonal ist.

Bei der Durchführung der Messungen wählt man für die Erzeugnisse, die der Verdrehbelastung (Fig. 4) ausgesetzt werden, die Abschnittlänge l_b unter der Bedingung der Vielfachheit dieses Abschnittes dem Verhältnis s/b der Dicke s und der Breite b des Erzeugnisses, wobei für die Dicke s = h die Längenabmessung des Erzeugnisses an der Angriffslinie entlang einer der Komponenten P der Verdrehbelastung und für die Breite b die Längenabmessung des Erzeugnisses an der Angriffslinie entlang der anderen, ihr orthogonalen Komponente G der Verdrehbelastung angenommen wird. Wie aus der Fig. 4 zu ersehen ist, wird in diesem Falle die Messung der normalen Komponente H_p an der Erzeugnisoberfläche entlang in der Richtung vorgenommen, die den erwähnten Komponenten P und G der Belastung orthogonal ist.

Bei der Durchführung der Messungen wählt man für die Erzeugnisse der zylindrischen Form (Fig. 5) die Abschnittslänge l_b unter der Bedingung der Vielfachheit dieses Abschnittes der Dicke s der Zylinderwand. Auf der Fig. 5 ist das Schema der Kesselrohrkontrolle bei der Abtastung durch den Doppelkanalmeßfühler an dessen Längsachse entlang dargestellt, wo 1 und 2 - Ferrosondenmeßfühler, 3 - Abtastgerät mit dem Längenmesser, 4 - Anschlußkabel, 5 - Magnetometer sind.

Der Wert l_b wird als Vielfaches der Wanddicke s oder dem Verhältnis der Wanddicke s zu deren Breite b für das zu kontrollierende Erzeugnis anhand der Erzeugnisform und den Belastungsbedingungen infolge der Bildung der Gleitvorgangsflächen im Bereich der Wirkung von Außenbelastungen gewählt: der Biegung oder der Drehung, dabei ist der Abstand zwischen den Gleitvorgangsflächen und jeweils zwischen den Extremwerten des abzumessenden Patameters H_p auf der Oberfläche des zu kontrollierenden Erzeugnisses der Wanddicke oder -breite aufgrund der linearen geometrischen Konstruktion der Projektion der Gleitvorgangsflächen auf die zu kontrollierende Oberfläche des Erzeugnisses gleich.

Unter der Vielfachheit versteht man das Multiplizieren oder das Dividieren durch eine Ganzzahl. Die Werte l_b werden mehr als 1 gewählt, wenn der Spannungs- und Dehnungszustand nach der ganzen Dicke oder Breite des zu kontrollierenden Erzeugnisses ausgewertet wird, oder weniger als 1 gewählt, wenn der Spannungs- und Dehnungszustand der Erzeugnisschicht nach einzelnen Schichten der Wanddicke ausgewertet wird.

Bei der Durchführung der Messungen wird für das Erzeugnis mit einer Schweißnaht (Fig. 8) die normale Komponente H_p an der Erzeugnisoberfläche entlang in der Richtung an der Nahtlinie entlang abgemessen, und die Meßpunkte der Abschnitte l_b und l_k werden zu beiden Seiten von der Schweißnaht im Abstand vielfach der Schweißnahtbreite angeordnet. Auf der Fig. 8 sind schematisch dargestellt: 1, 2 - Ferrosondenmeßfühler, 3 - Abtastgerät, 4 - Anschlußkabel, 5 - Magnetometer.

Für die Schweißnaht wird l_b als Vielfaches der Nahtbreite und größer als die Nahtbreite aufgrund der erforderlichen Kontrolle über die Bereiche des thermischen Einflusses, des unsichersten Bereichs unter beliebigen Belastungsbedingungen gewählt. Dabei wird der Bereich des thermischen Einflusses duch die Dicke der Fügewände und durch die Nahtbreite ermittelt. In der Praxis ist die Nahtbreite am häufigsten einer oder zwei Breiten der Fügewand vielfach.

Und der Bereich des thermischen Einflusses hängt wiederum von der Wanddicke der zu verschweißenden Erzeugnisse ab.

Für die Schweißnaht wird l_b als Vielfaches der Nahtbreite und kleiner als die Nahtbreite aufgrund der notwendigen Auswertung der Nahtmetallqualität oder der Konzentration von Spannungen und Dehnungen darin gewählt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann durch die Verwendung von zwei Typen von Magnetometern mit Ferrosondenmessfühlern ausgeführt werden. Die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens aber ist es zweckmäßig mit einem Abtastgerät vorzunehmen, das ermöglicht, die Intensität des Magnetfeldes in dem zu kontrollierenden Abschnitt gleichzeitig durch zwei Meßfühler mit einem Grundabstand dazwischen gleich dem Abstand l_b zu vermessen und die Gradienten der Magnetfeldwerte in den vorgegebenen Abständen l_b und l_k automatisch zu ermitteln. Dabei läßt sich der Vorgang durch die Verwendung eines Mehrkanalmagnetometers leicht automatisieren.

Solch ein Abtastgerät zur Messung der Intensität des Magnetfeldes (Fig. 10, 11) enthält einen Ferrosondenmeßfühler 21 und ein Gehäuse 22 mit einem Stromverbinder 23 zum Anschluß des in diesem Gehäuse 22 eingebauten Ferrosondenmeßfühlers an den Magnetometer (auf Fig. 10 und 11 nicht dargestellt). Eines der Enden des Ferrosondenmeßfühlers 21 geht in seiner Ausführung über die Abmessungen des Gehäuses 22 hinaus. Es ist ein anderer Ferrosondenmeßfühler 24 eingeführt, der im Gehäuse 22 eingebaut ist und dessen Ende ebenfalls in seiner Ausführung über die Abmessungen des Gehäuses 22 hinausgeht. Auf Fig. 10 und 11 sind dargestellt: die Räder 25, die Achse 26, die die Räder 25 mit dem Gehäuse 22 mit der Möglichkeit von deren Drehung hinsichtlich des Gehäuses 22 verbindet. Das Lochrad 27, dessen Drehung mit den erwähnten Rädern 25 durch die Bewegungsübertragung mit der Möglichkeit des Synchronlaufs der Räder 25 und des Lochrades 27 zusammenhängt. Als Bewegungsübertragung kann ein Zahngetriebe oder ein Reibungsgetriebe dienen. Auf Fig. 10 und 11 ist ein Gummiband dargestellt, das die Achse 26 der Räder 25 mit der Achse des Lochrades 27 verbindet.

Der photooptische Meßfühler 28 ermöglicht die Ablesung der Löcher an dem Lochrad 27. Die Ferrosondenmeßfühler 21 und 24 ermöglichen die Änderung der Abstände dazwischen im Gehäuse 22, zum Beispiel mittels Veschiebung zwischen den Platten 29 und 30, und für die Fixierung der Ferrosondenmeßfühler 21 und 24 in dem ausgewählten konkreten Abstand dazwischen dienen die Schrauben 31.

Auf Fig. 10 und 11 ist der Teil 32 zur Befestigung der Abstandsstange, und auf der Fig. 10 der Teil 33 zur Befestigung des Meßfühlerkabels dargestellt.

Das Ablochen im Lochrad 27 kann mit der Möglichkeit ausgeführt werden, den Abstand der Ringverschiebung des Lochrades 27 hinsichtlich der Drehung der Räder 25 des Gehäuses 22 als vielfach dem Abstand zwischen den Ferrosondenmeßfühlern 21 und 24 auszuwählen. Zu diesem Zwecke wird das Ablochen relativ dicht anhand der Berechnungswerte ausgeführt, zum Beispiel der linearen Verschiebung der Räder 1, 2 . . . 20 mm entsprechend.

Das Abtastgerät funktioniert wie folgt:
Es wird ein Grundabstand zwischen den Ferrosondenmeßfühlern 21 und 24 eingestellt. Dabei kann der Grundabstand l_b zwischen den Meßfühlern gemäß dem vorgegebenen variieren. Es werden die Räder 25 des Gehäuses 22 an dem zu kontrollierenden Erzeugnis aufgestellt, und das Gerät streift in der ausgewählten Richtung am Erzeugnis entlang. Durch die Laufverbindung der Räder 25 mit dem Lochrad 27 bricht es je nach der Verschiebung des Gehäuses 22 in der Drehbewegung den Strahl des photooptischen Meßfühlers 28 ab, und somit werden die Abstände l_k der Verschiebung der Ferrosondenmeßfühler 21 und 24 an der ausgewählten Richtung entlang festgehalten. Gleichzeitig mit der Veränderung des Magnetfeldwertes ermöglicht das Abtastgerät, die Länge des zu kontrollierenden Abschnitts zu vermessen. Die Signale über den Wert der Intensität des Magnetfeldes und über die zurückgelegte Länge gehen über den Stromverbinder 23 an den Mehrkanalmagnetometer (Fig. 12).

Der Mehrkanalmagnetometer (Fig. 12) funktioniert wie folgt.

Der Mehrkanalmagnetometer enthält ein Abtastgerät 30, das mindestens zwei Ferrosondenmeßfühler 31 und den Längenmeßfühler 32 einschließt. Der Ausgang jedes Ferrosondenmeßfühlers 31 ist an den Eingang des Signalmeß- und Signalverstärkungsgeräts 33 angeschlossen, dessen Ausgang an den Analog- Digitalumsetzer 34 angeschlossen ist. Der Längenmeßfühler 32 formt elektrische Impulse, die der zurückgelegten Strecke l_k entsprechen. Nach jedem Impuls vom Meßfühler 32 löst die Steuereinheit 35 (Prozessor) den Erreger 36 aus, der zur Bildung des linear steigenden Stroms der Ferrosondenmeßfühler 31 bestimmt ist. Die Meß- und Verstärkungsvorrichtung 33 übernimmt die Messung und die Verstärkung der Signale von den Ferrosondenmeßfühlern 31 (Feld H_p1 und H_p2) und formt das Startsignal des Analog- Digitalumsetzers 34. Nach der Umsetzung des Signals in eine Digitalform geht dieses an die Einheit 35 weiter, welche nach dem von der Tastatur 37 vorgegebenen Programm die Informationsverarbeitung und deren Verteilung in der Einheit 38 des Arbeitsspeichers, die Datenübernahme in die Einheit 39 des Dauerspeichers und die Darstellung auf dem Bildschirm der Flüssigkristallanzeige 40 durchführt.

Die zu verwendende Software ermöglicht die automatische Feststellung der gesuchten Gradienten |ΔH_p ¹|/l_k, |ΔH_p ²|/l_k und |ΔH_p|/l_b, und ermöglicht durch den Vergleich der genannten Gradienten untereinander den Bereich der maximalen Konzentration der Spannungen und Dehnungen festzustellen.

Die Verwendung des Abtastgeräts komplett mit dem Mehrkanalmagnetometer wird durch nachfolgende Beispiele veranschaulicht.

Es sei bemerkt, daß die Anordnung der Konzentrationslinien der bleibenden Spannungen in Bezug auf die Abtastungsrichtung in der Praxis der Kontrolle verschiedener Einheiten der Ausrüstungen unbekannt ist. Aus diesem Grunde erscheint es möglich, die Anordnung dieser Linien bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Geräts und des Mehrkanalmagnetometers unmittelbar im Verlaufe der Kontrolle nach dem Charakter der Feldverteilung H_p1 und H_p2 nach den beiden Kanälen auf der zu kontrollierenden Oberfläche entlang festzustellen.

Auf Fig. 6 und 7 sind die Ergebnisse der Kontrolle von Kesselrohren, die nach dem Schema (Fig. 5) vorgenommen wurde, jeweils bei der Längs- und Queranordnung der Konzentrationslinien der bleibenden Spannungen und Dehnungen aufgeführt. Aus der Fig. 6 ist zu ersehen, daß bei der Längsanordnung dieser Linien die Felder H_p1 und H_p2 ein entgegengesetztes Zeichen und eine bemerkbare Steigerung der Werte hinsichtlich der Verschiebungsachse X haben, deren Richtung mit der des Abschnittes l_k zusammenfällt. In diesem Falle stimmt die Konzentrationslinie der Spannungen und Dehnungen mit der Achse X praktisch überein. Aus der Fig. 7 ist zu ersehen, daß bei der Queranordnung der Linien H_p = 0 die Felder H_p1 und H_p2 beinahe gleichzeitig und sprunghaft das Zeichen auf sein Gegensatz wechseln. Dieser Wechsel zeugt davon, daß die beiden Ferrosondenmeßfühler 1 und 2 fast gleichzeitig die Linie mit dem Feldnullwert überqueren.

Somit läßt sich nach dem Charakter der Verteilung der normalen Komponente des in mindestens zwei Punkten gleichzeitig abgemessenen Streufeldes H_p, in einem gewissen vorgegebenen Grundabstand l_b zwischen den Ferrosonden-meßfühlern 1 und 2 die Anordnung der Konzentrationslinien der bleibenden Spannungen und Dehnungen feststellen. Mittels eines in den Zweikanal-magnetometer nach einem Spezialprogramm eingebauten Mikroprozessors wird der maximale Wert des Feldzuwachses der Länge nach (die Gradiente |ΔH_p|/l_k) nach jedem Kanal beim Feldzeichenwechsel mit dem Übergang über den Nullwert ermittelt. Der maximale Wert der Gradiente |ΔH_p|/l_k (wo l_k - die Abschnittslänge zwischen zwei Nachbarpunkten der Vermessungen ist die bei der Kontrolle nach jedem Kanal fixiert wurden) entspricht laut dem erfindungsgemäßen Verfahren dem Bereich der maximalen Konzentration von bleibenden Spannungen und Dehnungen. Dieses Beispiel entspricht der Fig. 7.

Im Falle der Längsanordnung der Konzentrationslinie der bleibenden Spannungen an der Rohrachse entlang, wie am Beispiel laut Fig. 6 gezeigt wurde, kann der Gradientenwert |ΔH_p|/l_b mit Hardware oder unmittelbar nach dem auf dem Bildschirm des Gerätes dargestellten Plan festgestellt werden.

Beim Vorhandensein am Rohr von mehreren Konzentrationslinien der bleibenden Spannungen wird der Bereich der maximalen Konzentration von Spannungen durch den Vergleich der im Ergebnis der Kontrolle gewonnenen Gradienten |ΔH_p|/l_k und |ΔH_p|/l_b ermittelt.

Im Beispiel der Kontrolle des Schweißstoßes der Rohrleitung nach dem Schema (Fig. 8) wird das Abtastgerät 3 am Perimeter des Schweißstoßes entlang (die Verschiebungsrichtung wird mit dem Pfeil X aufgezeigt) unter Anordnung der Meßfühler 1 und 2 beiderseits vom Stoß nach den Bereichen des Wärmeeinflusses im vorgegebenen Grundabstand l_b vielfach der Schweißnahtbreite versetzt. Vorgenommen wird die Vermessung der Werte jeweils H_p1 und H_p2 gleichzeitig durch zwei Messfühler 1 und 2. Dabei wird gleichzeitig die Länge l_k des zu kontrollierenden Abschnittes am Perimeter des Stoßes entlang nach dem Pfeil X vermessen. Die Linien mit dem Nullwert der Intensität des Magnetfeldes (Fig. 9) werden automatisch auf dem Bildschirm der Flüssigkristallanzeige des Mehrkanalmagnetometers als Abszissenachse - X festgehalten, die die Plus- und Minuswerte des Magnetfeldes abtrennt, und der maximale Wert des Gradienten |ΔH_p|/l_b wird als Wertdifferenzmodul der Felder H_p1 und H_p2 im Fest­ grundabstand l_b bestimmt. Somit wird genau und mit einer hohen Schnellwirkung der Bereich der maximalen Dehnung oder der Bereich der Konzentration des maximalen Wertes der bleibenden Spannungen ermittelt.

Gewerbliche Anwendbarkeit

Am erfolgreichsten kann das angemeldete Verfahren zur Feststellung des Spannungs- und Dehnungszustandes der Erzeugnisse aus ferromagnetischem Material nach den Magnetstreufeldern und das Abtastgerät in der Industrie für zerstörungsfreie Kontrollmethoden von verschiedenen Erzeugnissen und zur Untersuchung des Metalleigenschaften verwendet werden.

Claims (11)

1. Verfahren zur Bestimmung des Spannungs- und Dehnungszustandes von Erzeugnissen aus ferromagnetischem Material mit Magnetstreufeldern durch punktweise Messung der normalen Komponente des Magnetfeldes (H_p) an der Erzeugnisoberfläche, wobei der Gradient des Magnetfeldes (H_p) zwischen den Enden eines der Länge nach vorgegebenen Linienabschnittes (l_b) ermittelt wird, um den Bereich der maximalen Dehnung nach dem maximalen Wert des gemessenen Gradienten zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass man zunächst die normale Komponente des Magnetfeldes (H_p) gleichzeitig an zwei Punkten an den Enden des der Länge (l_b) nach vorgegebenen Linienabschnittes misst, wonach man die Komponente (H_p) gleichzeitig an zwei Punkten an den Enden eines der Länge (l_b) nach vorgegebenen Abschnitts, der koplanar an der Erzeugnisoberfläche im Abstand (l_k) vom ursprünglichen Abschnitt entfernt ist, misst, wobei die zwei Punkte gleiche Abstände (l_k) vom vorherigen Messabschnitt aufweisen und bei Nachweis eines Zeichenwechsels der Komponente (H_p) in den Messpunkten die Gradienten |ΔH_p|/l_b und |ΔH_p|/l_k der Werte der normalen Komponente des Magnetfeldes an den Enden der der Länge nach vorgegebenen Abschnitte (l_b) und (l_k) festgestellt und die Gradienten verglichen werden und der Bereich der maximalen Dehnung nach dem maximalen Wert eines der Gradienten ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschnittslänge (l_k) ein Vielfaches der Abschnittslänge (l_b) beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für das einer Belastung (P) ausgesetzte Erzeugnis die Abschnittslänge (l_b) ein Vielfaches der Dicke (s) des Erzeugnisses beträgt, wobei die Dicke (s) in Richtung der angelegten Belastung (P) gemessen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der normalen Komponente (H_p) an der Erzeugnisoberfläche in einer Richtung vorgenommen wird, die senkrecht zu der angelegten Belastung (P) verläuft.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die einer Verdrehbelastung ausgesetzten Erzeugnisse die Abschnittslänge (l_b) ein Vielfaches des Verhältnisses (s/b) der Dicke (s) und der Breite (b) des Erzeugnisses entspricht, wobei die Dicke (s) entlang der Linie der Anlegung einer der Komponenten (P) der Verdrehbelastung und die Breite (b) entlang der Linie einer dazu senkrechten Komponente (G) der Verdrehbelastung gemessen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der normalen Komponente (H_p) an der Erzeugnisoberfläche entlang einer Richtung vorgenommen wird, die zu den erwähnten Komponenten (P, G) der Belastung senkrecht verläuft.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für Erzeugnisse mit einer Zylinderform die Abschnittslänge (L_b) ein Vielfaches der Breite (s) der Zylinderwand entspricht.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für ein Erzeugnis mit einer Schweißnaht die Messung der normalen Komponente (H_p) an der Erzeugnisoberfläche entlang der Nahtlinie vorgenommen wird und die Messpunkte der Abschnitte (l_b) und (l_k) beiderseits der Schweißnaht angeordnet sind und die Längen der Abschnitte (l_b) und (l_k) ein Vielfaches der Schweißnahtbreite betragen.

9. Abtastgerät zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
zwei Ferrosondenmessfühler (21, 24) in einem Gehäuse (22) mit einem Stromverbinder (23) zum Anschluss an ein Magnetometer, wobei die Ferrosondenmessfühler (21, 24) mit einem Ende aus dem Gehäuse (22) herausragen,
Räder (25), die mit einer Achse (26) an dem Gehäuse (22) gelagert sind,
ein Lochrad (27), das von den Rädern (25) synchron angetrieben wird, und
einen photooptischen Messfühler (28) zur Ablesung der Lochung des Lochrades (27).

10. Abtastgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der beiden Ferrosondenmessfühler (21, 24) voneinander einstellbar ist.

11. Abtastgerät nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelabstand der Lochung in dem Lochrad (27) ein Vielfaches des Abstandes zwischen den beiden Ferrosonden­ messfühlern (21, 24) entspricht.