DE2634201C3 - Wirbelstromsonde zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung an langgestreckten Metallprodukten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wirbelstromsonde zur ■Zerstörungsfreien Werkstoffprüfung von langgestreckten Metallproduklcn nach dem Oberbegriff des Anspruchs I₁ wie sie beispielsweise aus der GB-PS 91 89Ö bekannt geworden ist.

Bisher hat man der kontinuierlichen Werkstoffprüfung das Werkstück gewöhnlich durch kreisförmige Spulen laufen lassen, wobei die magnetischen Kraftlinien, die diese Spulen erzeugen, in das Werkstück

gleichmäßig eintreten, so daß das Werkstück bzw. mindestens sein Umfangsbereich gleichmäßig geprüft wird.

Eine derartige Prüfspule ist schematisier' in der US-PS 37 35 084 dargestellt. Die Spule nimmt ein

ίο rohrförmiges Produkt auf, das aus einem Metallband durch Verschweißen von dessen Längskanten hergestellt wird. Die Spule und die zugehörige Schaltungsanordnung nach dieser Druckschrift dienen dazu, die Wandung und die Schweißnaht zu prüfen und einen fehlerhaften Teil als Ausschuß anzuzeigen. Jedoch werden mit solchen Spulen Rohre mit einwandfreier Wand und Schweißnaht bereits infolge von Kratzern, Dellen oder anderen Oberflächenunregelmäßigkeiten als fehlerhaft angezeigt, was zu unnötig hohen Ausschußraten führt. Andererseits hat eine solche Suchspuie auch Rohrabschnitt ais einwandfrei angezeigt, in deren Schweißnaht extrem kleine Unregelmäßigkeiten bzw. Undichtigkeiten vorhanden waren und die folglich mit Fehlern behaftet waren.

Bei der eingangs genannten magnetischen Pol- und Spulenanordnung nach der GB-PS 9 91890 wird erreicht, daß der von den Windungen erzeugte Magnetfluß auf den Bereich des magnetischen Schichtaufbaus und auf den sich in unmittelbarer Umgebung des magnetischen Schichtaufbaus befindlichen Teil des zu prüfenden Metallprodukts begrenzt und konzentriert wird.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Wirbelstromsonde der eingangs genannten Art dahingehend auszubilden, daß sie nur den Bereich von Längsschweißnähten ohne Nachführungseinrichtungen mit größtmöglicher Prüfempfindlichkeit erfaßt, während Oberflächen-Unregelmäßigkeiten in anderen Bereichen des Metaüprodun'.i das Prüfergebnis nicht verfälschen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen herausgestellt.

Das magnetische Feld der erfindungsgemäßen Wirbelstromsonde wird bei einem längsgeschweißten Metallprodukt im Bereich der Längsschweißnaht und auf einen bcgrenz'en Bereich beiderseits der Längsschweißnaht — entsprechend den körperlichen Abmessungen der Wirbelstromsonde — konzentriert. Dieser begrenzte Bereich, auf den das konzentrierte Feld sich beiderseits der Schweißung erstreckt, ist besonders wichtig, da die Schweißnaht der Schweißung nicht genau gradlinig ist. sondern geringfügig seitlich auswandert. Indem man auch einen Bereich auf beiden Seiten der Schweißnaht erfaßt, braucht die erfindungsgemäße Wirbelstromsonde der Naht nicht mehr nachzulaufen.

Durch die L^;rfindung lassen sich winzige Kleinstrisse in den Schweißnähten rohrförrmger Metallprodukte sicher feststellen, ohne jedoch Oberflächenunregelmä^ ßigkeiten in dem Metallprödukt äußerhalb des über* prüften Bereichs zu erfassen. Auf diese Weise wird geeignetes Rohrmaterial einwandfreier Schweißnaht nicht Wegen solcher Oberflächenunregelmäßigkeiten als fehlerhaft angezeigt, was die durch die Prüfung bewirkte Ausschußrate verringert.
Die Erfindung wird nun unter Bezug auf die

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beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

F i g. 1 ist eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Pol- und Spulenanordnung nach der vorliegenden Erfindung;

Fig.2 ist ein Längsschnitt der Anordnung nach Fig.l;

F i g. 3 ist ein Seitenriß siner ringförmigen Wicklung und zeigt allgemein die gleichmäßige Anordnung der von der Wicklung erzeugten magnetischen Kraftlinien;

F i g. 4 zeigt die Wicklung der F i g. 3 in Verbindung mit zwei Magnetpolkonstruktionen, um die von der Wicklung erzeugten magnetischen Kraftlinien zu konzentrieren.

In F i g. 1 ist eine Pol- und Spulenanordnung allgemein mit der Bezugszahl 10 begeichnet ist Zusätzlich ist der Endteil eines langgestreckten Rohrprodukts 12 in der F i g. 1 gezeigt; er weist eine in Längsrichtung verlaufende Schweißnaht 13 auf. die mittels der Konstruktion 10 und der zugehörigen (nicht gezeigten) Schaltung geprüft werden soll.

Insbesondere weist die Anordnung 10, wie in den F i g. 1 und 2 gezeigt, drei schmale Polkonstruktionen 14, 15 und 16 auf, die durch zwei ringförmige und verhältnismäßig flache Spulenwicklungen 18, 20 sowie die lamellenförmigen Abstandskörper 21 bis 24 getrennt sind. Die Wicklungen 18 und 20 weisen die Anschlüsse 20/4 zum Anschluß einer Detektorschaltung (Briickenschaltung) sowie einer (nicht gezeigten) elektrischen Energiequelle auf. Die beiden Wicklungen sind ein aufeinander angepaßtes Paar, das, wenn mit elektrischem Wechsel- oder Impulsstrorn erregt, sowohl das zu prüfende Produkt mit Wirbelströmen erregt als auch jede Unterbrechung des in dem Produkt fließenden Wirbelstroms anzeigt, indem sie in den beiden Zweigen der symmetrischen Brückenschpltung liegen.

Jede der Polkonstruklionen weist einen oberen Teil 25 aus hochpermeablem magnetischen Material wie beispielsweise Blechen aus Siliziumstahl auf. obgleich auch andere lamellenförmige magnetische Materialien eingesetzt werden können. Werden die Polkonstruktionen und die Wicklungen zusammengesetzt, wie es die F i g. 2 zeigt, nehmen die magnetischen Teile 25 der Polkonstruktion — einschließlich der lamellenförmigen Abstandskörper 21, 22 - einen begrenzten Umfangs- bzw. Bogenteil der Wicklungen ein. !n den Zeichnungen macht der von dem Pol 25 besetzte Teil jeder Spule etwa ein Viertel des Gesamtumfangs der Spule aus.

Damit der konstruktive Zusammenhalt der Polkonstruktionen und -anordnungen gewährleistet bleibt, isi ein in der Konfiguration dem oberen Teil 25 entsprechender unterer Polteil 26 vorgesehen, der aus nichtmagnetischem Material — beispielsweise Glasfasermaterial — besteht. In den Fig.l und 2 ist der untere Teil 26 ebenfalls lamellenartig aufgebaut dargestellt, obgleich man auch einen massiven Teil einsetzen kann. Im Einsatz werden die Polkonstruktionen und die Anordnung auf eine Weise zusammengehalten, die die Bestandteile der Anordnung schüt/t
vergleiche die Fig. 2, wie unten im einzelnen beschrieben.

Um den oberen und den unteren Teil 25,26 der Pole aneinander zu befestigen, kann ein oder können mehrere sehr dünne Lagen 27 eingesetzt werden, die dem oberen und dem unteren Teil gemeinsam sind; in der F i g, 1 ist nur einp solche Lage im Pol 15 gezeigt. Die Läge 27 besteht aus iiichtmagrietischem Material, damit der Magnetfluß nicht vofrt oberen magnetischen Teil 25 der Konstruktionen weggeleitet wird, und ist so dünn, daß der Flußweg im oberen magnetischen Teil des Pols nicht behindert wird, obgleich in den F i g. 1 und 4 die^e Lage zum Zweck der deutlichen Darstellung verhältnismäßig dick ausgeführt ist.

Wie in der F i g. 1 dargesiellt, haben die Lamellen der magnetischen und nichtmagnetischen Teile 25, 26 jeder Polkonstruktion 14, 15, 16 eine Konfiguration, die eine öffnung 30 vorsieht, durch die das zu prüfende Produkt laufen kann. Insbesondere weisen die Teile 25, 26 die

ίο Ausnehmungen 28, 29 auf, die von einer Kante jeder Lamelle bzw. jeden Lamellenaufbaus her einwärts vorstehen. Werden die lamellenförmigen Körper 25,26 auf die in F i g. 1 gezeigte Weise zusammengesetzt, wobei die Ausnehmungen einander mgewandt sind, bildet sich die Öffnung 30. Die Ausnehmungen und die öffnungen sind so bemessen, daß beispielsweise ein rohrförmiges Produkt 12 hindurchtreten kann; vorzugsweise nehmen sie weiterhin eine rohrförmige Auskleidung 32 auf, die so bemessen ist, daß das rohrförmige Produkt hindurchpaßt, und die Polk^.vstruktionen 14 bis 16 sowie die Wicklungen 18 und 2C während des Durchlaufens des Produkts schützt. Die Auskleidung verläuft also vollständig durch die Konstruktion 10 und durch ein Gehäuse 34 hindurch, wie in F i g. 2 gezeigt.

Wie Ji der F i g. 2 ersichtlich, nehmen die Abstandskörper 21 bis 24 die Räume zwischen den Polen 14, 15 und 16 ein und umgeben den Umfang der Wicklungen 18 und 20. Die Lamellen der oberen Ahstandselemente 21 und 22 sind wie die Bleche der Pole 25 aus magnetischem hochpermeablen Material hergestellt, das einen guten Weg zum Leiten des Magnetflusses zwischen dem magnetischen Material der Pole — vergl. F i g. 4 — ergibt. Die unteren Abstandskörper 23,24 sind wie die unteren Polteile 26 aus nichtmagnetischem Material hergestellt, bei dem es sich um das gleiche Material wie das der unteren Polteile handeln kann. Gemeinsam nehmen die Abstandskörper die Wicklungen 18 und 20 zwischen den Polkonstruktionen \Ί bis 16 auf.

Da die Abstandskörper die Wicklungen 18 und 20 zwischen den Polkonstruktionen aufnehmen müssen, müssen sie Öffnungen bilden, die größer sind als die von den Ausnehmungen der Lamellen der Teile 25 und 26 gebildeten. Zusätzlich, wie in den Fig.? und 4 gezeigt,

sind die Öffnungen vorzugsweise so bemessen, daß sie eine Gummidichtmasse 35 um die Wicklungen herum aufnehmen, um die Wicklungen zwischen der Auskleidung 32 und den lamellenförmigen Körpern schwingungsfrei festzulegen.

Wie weiterhin in der Fig. 2 gezeigt, lassen die Lamellen der Elemente 21 bis 26 sich miteinander ui>i mit einer Frontplatte 36 des Gehäuses 34 verschrauben, datTL. diese Konstruktionen und Wicklungen mittels eines in dem Gehäuse enthaltenen, nicht gezeigten Vergußmaterials vergossen werden können. Dieser Verguß und das Gehäuse führen zu einem robusten Fühlkopf, der besonders geeignet ist für den Einsatz mit Vorrichtungen „:um Ausbilden und Schweißen von Rohrerzeugnissen im Durchlaufverfahren mit hoher Geschwindigkeit aus Bandmaterial. Zusätzlich haftet die Vergußmasse an der Auskleidung 32 und hält diese im Gehäuse 34 fest.

In der Praxis hat sich herausgestellt, daß die Auflösung und damit die Fähigkeit der Spulenanordnung 10, winzige Fehlstellen in einem zu prüfenden Erzeugnis festzustellen, sich erheblich verbessern lassen, wenn man schmale Polkohstruktionen 25 einsetzt, & h. Polkonstruktionen mit einer Dicke (F i g. 2 und 4) in der

Größenordnung von 1,6 min. Der Grund hierfür ist, daß das Magnetfeld durch die schmale Pölkorislruklioh iifi von dem Feld an den Polkonstruklioncn abgetasteten Bereich des Produktes stark konzentriert wird.

Bei der Herstellung eines rohrförmigen Produkts kann die Kontur bzw. Querschriitlsform desselben von einer allgemein kreisförmigen in eine eiförmige übergehen, wie für das Rohr 12 in F i g. 1 gezeigt. Findet dieser Formwechsel vor dem Erreichen des Orts statt, an dem die Prüfung des Rohrs erfolgt, d. Ii. am Ort der Prüfanordnung 10, werden die Ringgestalt der Auskleidung 32 und der Spulen 18, 20 der Anordnung und der Öffnung 30 in den Polkonstruktionen 14 bis 16 der Anordnung entsprechend der Form des geprüften Produkts 12 geändert.

Wenn eine Prüfspule um ein von der Spule und deren Beschallung zu prüfendes Metallprodukt herumgelegt betrieben wird, erzeugt sie unter der Erregung durch eine Quelle elektrischer Wechsel- und Impulsenergie magnetische Kraftlinien auf die gestrichelt in der F i g. 3 gezeigte Weise, d. h. allgemein gleichmäßig um die ringförmige Konfiguration der Konstruktion herum, wobei die Kraftlinien, die mit jeder zyklischen Änderung der erregenden Energie ihre Richtung ändern, induzieren in einem in der Nähe oder am Mittelpunkt der Spule gelegenen oder durch die Spule hindurchlaufendcn Metall Wirbelströme. Befindet sich das Metall in der Nähe oder am Mittelpunkt der Spule, verlaufen die Wirbelströme allgemein gleichmäßig durch das Metall.

Wenn nur ein Teil des geprüften Gegenstands kritisch ist, wie beispielsweise die Schweißnaht eines längsgeschweißten Produkts, können, wie bereits ausgeführt, bei Spulen, die gleichmäßige Magnetfelder und damit Wirbelslröme erzeugen, kleine Unregelmäßigkeiten oder Kleinstrisse am Schweißbereich übergangen werden, während strukturell einwandfreie Erzeugnisse infolge des Erfassens harmloser Oberflächeneffekt zurückgewiesen werden.

Die Spulen- und Polkonstruktionen der Fig. I und 2 lösen diese Schwierigkeit, indem die magnetischen Kraftlinien, die von den Spufen 18 und 20 erzeugt werden, auf die in der Fig.4 gezeigte Weise ausgerichtet und konzentriert werden. Insbesondere werden die (gestrichelt gezeichneten) magnetischen Kraftlinien in das magnetische Material der Kerne 25 hineingezogen und dort sowie in der Nähe der Kerne UfId vo/i dem Gebiete des nichtmägnctischen Materials 26 weg — vergl. Fig.4 — konzentriert. Wenn also ein metallenes Werkstück öder Produkt wie beispielsweise

ίο ein geschweißtes Rohr 12 durch die Spulen 18 und 20 hindurch- und an den Polkonstruktionen 25 vorbeiläuft, konzentrieren sich die Wirbelströme im Werkstück bzw. Produkt im Längsteil des Produkts, das den Polkonstruktionen 25 und dem konzentrierten Magnetfeld am nächsten liegt. Läuft die Schweißnaht 13 des Produkts 12 dicht an den Polkonstruktionen 25 vorbei, wie in den Fig. I und 2 dargestellt, konzentrieren sich die Wirbelslröme im Produkt auf den Bereich der Schweißnaht und in längsverlaufenden Gebieten am Schweißbereich, wobei die Breite dieser Gebiete und die dort vorliegenden Wirbelslröme von der Breite der Polkonstruktionen 25 abhängen.

Sind die Wirbelströme auf einen kritischen Bereich — beispielsweise die Schweißnaht 13 — konzentriert, wird jeder winzige Riß und jede Unregelmäßigkeit (sowie auch ein großer Riß bzw. eine große Unregelmäßigkeit) von de·* Spulen 18, 20 und deren zugeordneter Schaltung erfaßt, wenn diese Unregelmäßigkeiten den Verlauf der Wirbelströme unterbrechen und um die Unregelmäßigkeiten herum um'enken. Wirbelströme erzeugen ihre eigenen Magnetfelder,die von den Spulen erfaßt werden, so daß bei einer Unterbrechung und Umleitung der Wirbelströme die Spulen mit ihrer Beschattung die resultierende Änderung des Magnetfeldes erfassen. Diese Fühlfunktion erfolgt ohne Beeinträchtigung durch Oberflächenverformungen des Produktes, da das Magnetfeld und die Wirbelströme in den von den Bereichen der Polkonstruktionen 25 und der Abstandspakete 21, 22 entfernt liegenden Gebieten minimal sind. Folglich bleibt die Ausschußrate infolge solcher Verformungen minimal.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Wirbelstromsonde zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung von langgestreckten Metallprodukten, die aus einer magnetischen Pol- und Spulenanordnung besteht, die sich um den Umfang des in Längsrichtung bewegten Prüflings erstreckt und zum Begrenzen und Konzentrieren von Wirbelströmen im Umfangsbereich des Prüflings dient, mit mindestens einer konzentrisch zur Prüflingslängsachse um den Prüfling herum angeordneten Wicklung, die elektrisch an eine Quelle elektrischer Wechsel- oder Impulsenergie anschließbar ist und einen Magnetfluß erzeugt, der bei Erregung der Wicklung durch die Quelle Wirbelströme in dem nahe der Wicklung angeordneten Prüfling induziert, und mit plattenförmigen Polen aus magnetischem Material von hoher Permeabilität, die sich zwischen Sowie am Anfang und Ende der Wicklung(en) in Ebenen erstrecken, die senkrecht auf der Prüflingslängsachse stehen, und die sich in radialer Richtung von der Prüflingslängsachse aus weiter nach außen erstrecken als die Wicklung(en), dadurch gekennzeichnet, daß zur Prüfung von Längs- $chweißnähten (13) die plattenförmigen Pole (25) aus magnetischem Material mit hoher Permeabilität, das lamellenartig aufgebaut ist, sich nur längs eines im Prüfbereich liegenden bogenförmigen Teils des Prüflings-Umfangsbereichs erstrecken, während im angrenzenden restlichen Umfangsbereich die entsprechender Plattenbereiche aus nichtmagneti-Schem Material (26) bestehen und daß der sich von der bzw. den Wicklung(en) (18, 20) in radialer Richtung nach außen erstreckende, zwischen den magnetischen Lamellenbereicnen (25) liegende Raumbereich im wesentlichen ebenfalls aus magnetischem Lamellenmaterial (21, 22) von hoher Permeabilität besteht.

2. Wirbelstromsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die plattenförmigen Pole aus magnetischem Material neben einem begrenzten Umfangsbereich der benachbarten Wicklung(en\ angeordnet sind.

3. Wirbelstromsonde nach Anspruch 1, gekennteichnet durch eine rohrförmige Auskleidung (32) •us nichtmagnelischem Material, die /wischen dem Prüfling (12) und der magnetischen Pol- und Spulenanordnung (10) verläuft.

4. Wirbelstromsonde nach Anspruch I oder 3. dadurch gekennzeichnet, daß das nichtmagnetische Material (14,15,16) in Form eines aus nichtmagnetilchem Material hergestellten Lamellenkörpers vorlegt.

5. Wirbelstromsonde nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen und nichtmagnetischen Lamellen und mindestens ein ihnen iemeinsames nichtmagnetisches Lamellenelement !3) mittels einer Befestigungsanordnung zusammengehalten werden