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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Wirbelstromprüfung eines Bauteils.
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Die Wirbelstromprüfung stellt eine bevorzugte Variante für die Prüfung von Bauteilen aus metallischen und einigen nichtmetallischen Werkstoffen auf Oberflächenfehler oder oberflächennahe Fehler, wie beispielsweise Risse, dar. Hierfür wird ein Wirbelstrom-Prüfkopf mit einer eine oder mehrere Spulen umfassenden Sonde über das Bauteil oder das Bauteil an dem Wirbelstromprüfkopf vorbei bewegt. Das von der oder den Spulen erzeugte Magnetfeld induziert Wirbelströme im Bauteil, anhand derer oberflächennahe Fehler oder Beschädigungen im Bauteil erkannt werden können.
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Für die Nachweisempfindlichkeit spielt die laterale Orientierung der Rissfehler, d.h. die Richtung in der sich diese senkrecht zur Oberfläche orientierten Rissfehler parallel zur Oberfläche erstrecken, eine große Rolle. Die Richtung der magnetischen Feldlinien und die Fließrichtung der durch das Magnetfeld induzierten Wirbelströme hängt dabei von der Orientierung der Achse der in der Sonde zum Erzeugen der Wirbelströme verwendeten Spule relativ zur Oberfläche des Bauteils ab. Für unterschiedliche Sondentypen bzw. Anordnung dieser Achse ergeben sich somit unterschiedlich hohe Nachweisempfindlichkeiten für verschieden orientierte Fehler. Auch der Betriebsmodus, in dem eine Sonde betrieben wird, z.B. Differential- oder Sende-Empfangs-Betrieb, hat einen Einfluss darauf, für welche Fehlerorientierung die Sonde eine hohe oder geringe Nachweisempfindlichkeit aufweist.
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Im Stand der Technik ist es daher z.B. bekannt, in einem Prüfkopf mehrere Sonden in unterschiedlicher Ausrichtung einzusetzen, um eine hohe Nachweisempfindlichkeit für verschieden orientierte Fehler zu erreichen. Sonden beispielsweise, deren Spulen spiralförmig parallel zur Oberfläche gewickelt sind, zeigen im Differentialbetrieb zwar keine Orientierungsabhängigkeit, weisen aber eine deutlich geringere Nachweisempfindlichkeit auf. Sonden mit senkrecht zur Oberfläche gewickelten Spulen haben hingegen den Nachteil, dass aufgrund der Orientierungsabhängigkeit solcher Sonden stets mehrere Sonden benötigt werden.
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Eine weitere Möglichkeit ist es beispielsweise, die Sonde während der Prüfung eines Bauteils kontinuierlich mit großer Geschwindigkeit zu rotieren oder die Sonde nacheinander unterschiedlich auszurichten und das Bauteil mehrmals abzutasten. Das Rotieren der Sonde stellt jedoch einen hohen technischen Aufwand dar. Mehrmalige Prüffahrten erhöhen den Zeitaufwand für eine Prüfung des Bauteils.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung eines Bauteils anzugeben, die eine Prüfung mit geringem Aufwand und in kurzer Zeit ermöglicht.
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Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Gemäß diesen Merkmalen umfasst die Vorrichtung zur zerstörungsfreien Wirbelstromprüfung eines Bauteils einen Prüfkopf, der zumindest eine Sonde enthält, die zwei Spulen umfasst, die mit einer Steuer- und Auswerteeinheit abwechselnd in einem Differentialbetrieb und in einem Sende-Empfangs-Betrieb betreibbar sind.
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Dies hat den Vorteil, dass Oberflächenfehler oder oberflächennahe Fehler des Bauteils in unterschiedlichen Orientierungen detektiert werden können, ohne mehrere Sonden mit unterschiedlichen Wicklungsrichtungen der Spulen verwenden zu müssen. Durch die Kombination zweier Betriebsmodi unter Verwendung nur einer Sonde wird außerdem die Prüfzeit optimiert.
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In der Steuer- und Auswerteeinheit ist eine geeignete Soft- und Hardware implementiert, um die Sonde anzusteuern und diese sowohl im Differentialbetrieb als auch im Sende-Empfangs-Betrieb zu betreiben. Die Steuer- und Auswerteeinheit dient außerdem dazu die aufgenommenen Messdaten zu speichern und einem Nutzer in einer geeigneten Darstellung zur Verfügung zu stellen. Dabei können die Messdaten sowohl einzeln, also separat für jeden Betriebsmodus, als auch gemeinsam dargestellt werden, was eine schnelle Aussage über die Existenz von Fehlern im Bauteil und die Orientierung vorhandener Fehler ermöglicht.
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Im Differentialbetrieb wird jede Spule sowohl als Sender als auch als Empfänger betrieben und die von beiden Spulen empfangenen Signale werden voneinander subtrahiert. Dies erfolgt in der Regel mit einer Brückenschaltung. In einem fehlerfreien Bereich des Bauteils ist die Differenz der beiden Signale gleich null, da die Wirbelströme im Bauteil ungehindert fließen können und das von den Spulen erzeugte Magnetfeld konstant bleibt. Bei einem vorhandenen Fehler ergibt sich je nach seiner Orientierung eine Differenz und ein daraus resultierendes Differenzsignal.
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Im Sende-Empfangs-Betrieb hingegen wird das Magnetfeld von einer als Sender dienenden ersten Spule aufgebaut und Wirbelströme werden im Bauteil induziert. Eine als Empfänger dienende zweite Spule empfängt das Signal und zeichnet durch fehlerbedingte Unterbrechungen und Ablenkungen der Wirbelströme ausgelöste Veränderungen des Magnetfelds auf.
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Je nach Betriebsmodus weist die Sonde unterschiedliche Prüf- bzw. Nachweisempfindlichkeiten bezüglich der Orientierung der Fehler auf.
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Zur Durchführung der zerstörungsfreien Wirbelstromprüfung eines Bauteils kann der Prüfkopf mit mindestens einer Sonde beispielsweise an einer Position des Bauteils angehalten und die Sonde in dieser Position abwechselnd im Differentialbetrieb und im Sende-Empfangs-Betrieb betrieben werden. Jeder Sondentyp weist eine bestimmte Wirkbreite, d.h. einen Bereich, in dem Fehler detektiert werden können, auf. Ist die Wirkbreite des verwendeten Sondentyps bekannt, können die jeweiligen Positionen, an denen der Prüfkopf angehalten wird, entsprechend gewählt werden, um eine möglichst große Abdeckung bei minimalem Prüf-, Zeit- sowie technischem Aufwand zu erreichen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist der Prüfkopf jedoch kontinuierlich über das Bauteil bewegbar und die mindestens eine Sonde wird abwechselnd im Differentialbetrieb und im Sende-Empfangs-Betrieb betrieben. Während der Bewegung des Prüfkopfs über das Bauteil wird die mindestens eine Sonde so angesteuert, dass ein schnelles Umschalten zwischen Differentialbetrieb und Sende-Empfangs-Betrieb erfolgt. Somit wird die Sonde innerhalb eines minimalen Positionsintervalls, also im Prinzip an einer Position, in beiden Betriebsmodi betrieben. Die Bewegung erfolgt dabei mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit, die so gewählt wird, dass eine gute Auflösung der Fehler erreicht wird.
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In einer alternativen Ausführungsform ist die Vorrichtung derart ausgestaltet, dass der Prüfkopf schrittweise über das Bauteil bewegbar ist und die zumindest eine Sonde abwechselnd im Differentialbetrieb und im Sende-Empfangs-Betrieb betrieben wird.
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Je nach Wirkbreite des verwendeten Sondentyps werden Abtastparameter, wie beispielsweise Spur- und Sondenabstand bei der Verwendung mehrerer Sonden, sowie der zeitliche Abstand mit dem die Sonde abwechselnd angesteuert wird, gewählt. Bei verschiedenen Betriebsmodi, Sende-Empfangs-Betrieb und Differentialbetrieb, ist der Modus mit der kleineren Wirkbreite für die Betrachtung der Abtastparameter zugrunde zu legen.
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Prinzipiell könnte auch zunächst das gesamte Bauteil im Differentialbetrieb oder Sende-Empfangs-Betrieb und anschließend im Sende-Empfangs-Betrieb bzw. Differentialbetrieb geprüft werden. In diesem Fall muss die gesamte Prüffahrt mit derselben Sonde einmal wiederholt werden, wodurch in der Regel mehr Zeit für die Prüfung eines Bauteils benötigt wird.
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Bei der Vorrichtung ist es von Vorteil, wenn der Prüfkopf mehrere Sonden enthält. Dabei werden die Sonden beispielsweise so nebeneinander in einem Prüfkopf angeordnet, dass bei der Prüfung des Bauteils eine möglichst große Prüfspur, der sogenannte „Footprint“, erzielt wird. Mit einer Vorrichtung, deren Prüfkopf mehrere Sonden enthält, können also große Bereiche der Oberfläche des Bauteils, idealerweise dessen gesamte Oberfläche quasi gleichzeitig geprüft werden. Mit anderen Worten: Mit einer solchen Vorrichtung sind nur wenige Prüffahrten, idealerweise nur eine Prüffahrt, notwendig, um die gesamte Oberfläche des Bauteils zu prüfen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung enthält die zumindest eine Sonde des Prüfkopfs kreuzförmig angeordnete Spulen. Mit anderen Worten: Die Spulenachsen der beiden Spulen sind orthogonal zueinander angeordnet und die Mittelpunkte der Spulen fallen zusammen. Eine derart aufgebaute Sonde, eine sogenannte Pluspoint-Sonde, weist im Differentialbetrieb eine hohe Nachweisempfindlichkeit für entlang der Spulenachsen orientierte Fehler auf. Im Sende-Empfangs-Betrieb dagegen können zwischen den Spulenachsen unter etwa 45°zu diesen orientierte Fehler, mit hoher Empfindlichkeit nachgewiesen werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung enthält die zumindest eine Sonde des Prüfkopfs nebeneinander angeordnete Spulen, sogenannte Flachspulen. Die Wicklungen der Spulen einer solchen Sonde, einer sogenannten Pancake-Sonde, sind dabei spiralförmig parallel zur Bauteiloberfläche angeordnet und weisen eine multidirektionale Nachweisempfindlichkeit in Radialrichtung auf. Je nach Differential- oder Sende-Empfangs-Betrieb ergeben sich auch hier Vorzugsrichtungen der Nachweisempfindlichkeit.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung mehrere, versetzt zueinander angeordnete Prüfköpfe. Aufgrund der Bauweise eines Prüfkopfes, z.B. eines die zumindest eine Sonde umgebenden Gehäuses, ist möglicherweise in Bereichen, die im Randbereich des Prüfkopfes, also z.B. im Bereich des Gehäuses, liegen, keine zerstörungsfreie Wirbelstromprüfung möglich. Um dies zu vermeiden, sind die mehreren Prüfköpfe beispielsweise derart versetzt zueinander angeordnet, dass sich die jeweiligen Prüfspuren bzw. „Footprints“ der einzelnen Prüfköpfe aneinander anschließen oder zumindest teilweise überlappen. Der Versatz bzw. der Abstand der einzelnen Prüfköpfe zueinander ist dabei abhängig von der Wirkbreite der einzelnen Prüfköpfe. Dadurch ist eine lückenlose Prüfung des Bauteils möglich mit einer verringerten Anzahl von Prüffahrten möglich.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele verwiesen. Es zeigen jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:
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1 eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Wirbelstromprüfung,
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2 eine Draufsicht eines Prüfkopfs mit einer Sonde mit kreuzförmig angeordneten Spulen, deren Spulenachsen parallel zur Oberfläche des Bauteils orientiert sind,
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3 eine Draufsicht eines Prüfkopfs mit einer Sonde mit nebeneinander angeordneten Spulen, deren Spulenachsen orthogonal zur Oberfläche des Bauteils orientiert sind,
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4 ein Prinzipschaltbild einer Sonde im Differentialbetrieb,
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5 ein Prinzipschaltbild einer Sonde im Sende-Empfangs-Betrieb,
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6, 7 Fehler, für die eine Sonde mit kreuzförmig angeordneten Spulen im Differentialbetrieb bzw. im Sende-Empfangsbetrieb eine maximale Nachweisempfindlichkeit aufweist,
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8, 9 Fehler, für die eine Sonde mit nebeneinander angeordneten Spulen im Differentialbetrieb bzw. im Sende-Empfangsbetrieb eine maximale Nachweisempfindlichkeit aufweist.
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Gemäß 1 umfasst eine Vorrichtung 30 zur zerstörungsfreien Wirbelstromprüfung eines Bauteils 10 einen Prüfkopf 2 mit beispielhaft drei Sonden 4 oder 14, mit jeweils zwei – in 1 nicht dargestellten – Spulen 6, 8. Prinzipiell kann der Prüfkopf 2 jedoch beliebig viele Sonden 4 oder 14 aufweisen. Ebenso kann die Vorrichtung 30 mehrere, versetzt zueinander angeordnete Prüfköpfe 2 – ein zweiter Prüfkopf 2 ist in 1 gestrichelt dargestellt – umfassen, deren Prüfspuren sich bei einer Bewegung der Prüfköpfe 2 in einer Prüfrichtung R über das Bauteil 10 oder einer Bewegung des Bauteils 10 zumindest teilweise überlappen. Der Prüfkopf 2 kann dabei entweder lediglich Sonden 4 mit kreuzförmig angeordneten Spulen 6, 8 oder nur Sonden 14 mit nebeneinander angeordneten Spulen 6, 8 enthalten. Außerdem können auch sowohl Sonden 4 als auch Sonden 14 zusammen auf dem Prüfkopf 2 angeordnet sein.
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Des Weiteren umfasst die Vorrichtung 30 eine Steuer- und Auswerteeinheit 32. Die drei Sonden 4 oder 14 sind gegeneinander um ihre Wirkbreite versetzt zueinander auf einem Prüfkopf 2 angeordnet, um eine möglichst breite Prüfspur zu erzielen. Der Prüfkopf 2 wird über das Bauteil 10 bewegt und abwechselnd im Differentialbetrieb I und Sende-Empfangs-Betrieb II betrieben. Hierfür ist die Steuer- und Auswerteeinheit 32 vorhanden, die die Sonden 4, 14 mit den Spulen 6, 8 zunächst im Differentialbetrieb I und anschließend im Sende-Empfangsbetrieb II ansteuert. Um zwischen den beiden Betriebsmodi wechseln zu können, ist in der Steuer- und Auswerteeinheit 32 eine Umschaltvorrichtung 34 vorhanden. Im sogenannten Multiplex-Betrieb wird dabei zunächst eine erste Sonde 4 oder 14 im Differentialbetrieb I und anschließend im Sende-Empfangs-Betrieb II angesteuert. Danach wird eine zweite Sonde angesteuert und zuerst im Differentialbetrieb I und danach im Sende-Empfangs-Betrieb II betrieben.
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Die von der Sonde 4, 14 aufgenommenen Messsignale werden in der Steuer- und Auswerteeinheit 32 gespeichert und ausgewertet. Dabei können die Messsignale sowohl einzeln für einen der beiden Betriebsmodi oder für beide gemeinsam als Summendarstellung ausgewertet und dargestellt werden.
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2 zeigt einen strichpunktförmig gezeichneten Prüfkopf 2 mit einer Sonde 4, die zwei Spulen 6, 8 umfasst. Zur zerstörungsfreien Wirbelstromprüfung wird der Prüfkopf 2 über ein Bauteil 10 bewegt. Dabei wird die Sonde 4 bzw. die zwei Spulen 6, 8 abwechselnd in einem Differentialbetrieb I und in einem Sende-Empfangs-Betrieb II betrieben.
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Die Sonde 4 ist eine Pluspoint-Sonde mit kreuzförmig angeordneten Spulen 6, 8. Die Spulenachsen 16a, 16b der Spulen 6, 8 stehen vorzugsweise senkrecht aufeinander und die Mittelpunkte 18a, 18b der Spulen 6, 8 fallen zusammen. Durch die Lage der Spulen 6, 8 ist dem Prüfkopf 2 ein definiertes xy-Achsensystem zugeordnet. Bei einer Sonde 4 mit kreuzförmig angeordneten Spulen 6, 8 entsprechen die x- und y-Achse den beiden Spulenachsen 16a, 16b.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 3 enthält der Prüfkopf 2 eine Sonde 14, deren Spulen 6, 8 nebeneinander angeordnete Flachspulen sind. Eine solche Sonde 14 weist eine hohe Empfindlichkeit für radial auf die Spulenmitte zulaufende Fehler, also eine multidirektionale, sich radial von den Spulen 6, 8 weg erstreckende Nachweisempfindlichkeit auf. Dem Prüfkopf 2 ist wiederum ein xy-Achsensystem zugeordnet, welches durch die Lage der Spulen 6, 8 definiert ist. Bei nebeneinander angeordneten Spulen 6, 8 entspricht die y-Achse einer die beiden Mittelpunkt 20a, 20b der Spulen 6, 8 verbindenden Gerade G.
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Entsprechend 4 ist für den Betrieb der Sonden 4, 14 mit zwei Spulen 6, 8 im Differentialbetrieb I eine Messschaltung in Form einer Brückenschaltung vorgesehen. Eine solche Brückenschaltung umfasst neben den beiden Spulen 6, 8 und diesen zugeordneten Spulenimpedanzen R6, R8 zwei Widerstände R1, R2. Es wird eine Wechselspannung U1 angelegt und es wird die Brückenspannung U2 gemessen. In einem fehlerfreien Bereich des Bauteils 10 ist die Brückenschaltung abgeglichen und die Brückenspannung U2 gleich null, bei einem vorhandenen Fehler ergibt sich eine Differenz und ein daraus resultierendes Differenzsignal.
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5 zeigt ein Prinzipschaltbild für den Betrieb der Sonden 4, 14 mit zwei Spulen 6, 8 im Sende-Empfangs-Betrieb II. Im Sende-Empfangs-Betrieb II wird an der ersten Spule 6 eine Wechselspannung U1 angelegt und an der zweiten Spule 8 wird eine Spannung U2 gemessen.
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In 6 und 7 ist die Durchführung einer zerstörungsfreien Wirbelstromprüfung mit der Sonde 4 mit kreuzförmig angeordneten Spulen 6, 8 gezeigt. Die Sonde 4 wird kontinuierlich über das Bauteil 10 – hier nicht dargestellt – bewegt und abwechselnd im Differentialbetrieb I und im Sende-Empfangs-Betrieb II betrieben. Ein schneller Wechsel zwischen Differentialbetrieb I und Sende-Empfangs-Betrieb II gewährleistet, dass die Sonde 4 innerhalb eines minimalen Positionsintervalls, also im Prinzip an einer Position P, in beiden Betriebsmodi betrieben wird und Messwerte erfasst werden. Alternativ ist der Prüfkopf 2 mit der Sonde 4 schrittweise über ein Bauteil 10 bewegbar.
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Wird die Sonde 4 bzw. die Spulen 6, 8 gemäß 6 im Differentialbetrieb I betrieben, in dem die Signale beider Spulen 6, 8 subtrahiert werden, weist die Sonde 4 eine hohe Nachweisempfindlichkeit für im Bauteil 10 vorhandene Fehler 12a auf, die parallel zur x- oder y-Achse des xy-Achsensystems bzw. in 0°- und 90°-Richtung und somit parallel zu einer der Spulenachsen 16a, 16b orientiert sind. Die Sonde 4 weist im Differentialbetrieb I eine hohe Empfindlichkeit in Bereichen 22a auf, die sich entlang der Spulenachsen 16a, 16b erstrecken und eine bauchige, keulenförmige Form aufweisen, und innerhalb derer Fehler 12a detektiert werden können. Dabei können Fehler 12a, die in den Bereichen 22a vorhanden sind, auch dann nachgewiesen werden, wenn sie nicht exakt parallel zur x- oder y-Richtung bzw. einer der Spulenachsen 16a, 16b orientiert sind, also geringfügig um die exakte 0°- und 90°-Richtung abweichen, aber eine hinreichend große Komponente (Länge) in 0°- oder 90°-Richtung aufweisen.
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Wird die Sonde 4 bzw. die Spulen 6, 8 gemäß 7 im Sende-Empfangs-Betrieb II betrieben, sodass eine Spule 6, 8 ein Signal sendet und die zweite Spule 6, 8 das Signal empfängt, ergibt sich eine hohe Nachweisempfindlichkeit für Bereiche 22b zwischen den Spulen 6, 8 und somit für Fehler 12b, die unter 45° zur x-Achse und in einem Bereich 22b um diese Richtung orientiert sind.
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Die Bereiche 22a, 22b für die Fehler 12a, 12b nachgewiesen werden können, sind bei einer Sonde 4 mit kreuzförmig angeordneten Spulen 6, 8 zwischen Differentialbetrieb I und Sende-Empfangs-Betrieb II um 45° gegeneinander verdreht. Mit einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung bei der die Sonde 4 an einer Position P abwechselnd im Differentialbetrieb I und im Sende-Empfangs-Betrieb II betreibbar ist, können somit Fehler 12a, 12b in allen Richtungen nachgewiesen werden, die senkrecht zu einem vom Mittelpunkt ausgehenden Radiusvektor 24 orientiert sind.
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Bei den in 8, 9 dargestellten Beispielen, wird die zerstörungsfreie Wirbelstromprüfung mit einer Sonde 14 gemäß 3 durchgeführt, deren Spulen 6, 8 nebeneinander angeordnete Flachspulen sind. Die in den 8 und 9 dargestellten Fehler 12c–d sind aus Gründen der Übersichtlichkeit als außerhalb der Sonde 14 und der Spulen 6, 8 liegend dargestellt. Tatsächlich liegen die Fehler 12c–d im Bauteil 10 jedoch im Bereich der Spulen 6, 8. Werden die Spulen 6, 8 im Differentialbetrieb I betrieben, werden gemäß 8 Fehler 12c detektiert, die in beliebiger Richtung radial zum Mittelpunkt 20a, 20b der Spulen 6, 8 orientiert sind und sich innerhalb eines der jeweils anderen Spule 6, 8 abgewandten Bereichs 22c auf dem Bauteil 10 befinden. Fehler 12d, die zwischen den Spulen 6, 8 liegen, werden im Differentialbetrieb I nicht bzw. schlecht erkannt.
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Wird die Sonde 14 gemäß 9 im Sende-Empfangs-Betrieb II betrieben, ist die Nachweisempfindlichkeit für Fehler 12d, die in einem Bereich 22d zwischen den Spulen 6, 8 liegen und sich entlang oder parallel zu einer die beiden Mittelpunkte 20a, 20b verbindenden Geraden G und entlang der y-Achse bzw. in 90°-Richtung erstrecken, besonders hoch.
