DE2643601B2 - Verfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit Ultraschall unter Verwendung eines elektrodynamischen Schallwandlers - Google Patents

Verfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit Ultraschall unter Verwendung eines elektrodynamischen Schallwandlers

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit Ultraschall unter Verwendung eines elektrodynamischen Schallwandlers, der aus einer Spule zui· Erzeugung eines Magnetfeldes und aus einer Hochfrequenzspule zur Erzeugung von hochfrequenten Wirbelströmen im zu prüfenden Werkstück besteht und das Werkstück nicht berührt, bei welchem das Werkstück während der Prüfung vor dem Prüfgerät in ununterbrochener Bewegung entlanggeführt wird.
Ein derartiges Verfahren wird in vielen Aiiwendungsfällcn benötigt, z. 15. zur Prüfung ties Bleches in einem Walzwerk oder zur Prüfung der Schweißnaht bei der Rohrherstellung. Besonders im ersten Fall ergibt sich, durch die hohe Walzgeschwindigkeit bedingt, auch eine hohe Prüfgeschwindigkeit.
Bei bisher bekannten Verfahren zur Werkstoffprüfung mit elektrodynamischen Schallwandlern hindert bei der Werkstückbewegung die Anziehungskrait des starken Magnetfeldes zwischen Schallwandler und Werkstück. Besonders an den Werkstückskanten treten hohe Anziehungskräfte auf und es muß in der Regel der Strom abgeschaltet werden, wenn das Werkstück weitergeschoben werden soll. Das Magnetfeld hinterläßt außerdem eine tiefe magnetische Spur, die bei der Weiterverarbeitung stört und die nur durch große Entmagnetisierungsvorrichtungen wieder beseitigt werden kann. Das Entmagnetisieren beansprucht sehr viel Zeit, weil der Magnetismus sehr tief im Werkstücksinnersn sitzt. Deshalb sind die bisher bekannten Verfahren zur Werkstoffprüfung mit elektrodynamischen Schallwandlern für die Prüfung bei hohen Prüfgeschwindigkeiten und bei ununterbrochener Werkstücksbewegung ungeeignet. Mit ihnen kann das Werkstück nur abschnittweise und mit großem Zeitaufwand pro Abschnitt geprüft werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit Hilfe eines elektrodynamischen Wandlers zu schaffen, bei welchem das Werkstück sich ununterbrochen mit hoher Geschwindigkeit vor dem Prüfkopf während der Prüfung vorbeibewegt und in sich überschneidenden Abschnitten geprüft wird, wobei auch umgekehrt der Prüfkopf sich bewegen und das Werkstück stillstehen kann und bei welchem der nach der Prüfung im Werkstück verbleibende Restmagnetismus unbedeutend gering ist und bei welchem außerdem die Anziehungskraft auf das Werkstück der das Magnetfeld erzeugenden Spule erheblich geringer als bis'ier ist. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß di(. Spule zur Erzeugung des Magnetfeldes von einem Wechselstrom oder intermittierenden oder alternierenden Gleichstrom erregt wird und die Prüfeinrichtung in Abhängigkeit von der Stärke der Magnetisierung der Spule ein- und ausgeschaltet wird in der Weise, daß die Prüfeinrichtung eingeschaltet wird, wenn die Magnetisierung einen vorgegebenen Wert kurz vor dem Erreichen des Maximums erreicht hat und abgeschaltet wird, sobald ein zweiter vorgegebener Wert der Magnetisierung kurz nach dem Überschreiten des Maximums unterschritten wird.
Die Prüfeinrichtung kann dadurch mit dem Erregerstrom der Spule synchronisiert werden, daß die Hochfrequenzspule ein- und ausgeschaltet wird. Die Synchronisation kann jedoch auch bei immer eingeschalteter Hochfrequenzerregung dadurch erfolgen, daß die Anzeigeeinrichtung der Prüfeinrichtung ein- oder abgeschaltet wird. Das Ein- und Abschalten kann durch geeignete Schaltungen direkt mit einer vorgegebenen Höhe des Erregerstromes gekoppelt sein. Es kann jedoch auch durch die Nulldurchgänge des Erregerstromes mit eingebauter Verzögerung gesteuert werden, wenn immer eine einzige Frequenz für den Erregerstrom der Spule benutzt wird. Durch die Synchronisation wird erreicht, daß die Prüfung nur dann geschieht, wenn die magnetische Feldstürke in der Nähe des Maximums liegt, wo sie sich zeitlich nur wenig und unbedeutend in der Größe ändert. In den Nulldurchgängen und in tieren Niilie wird die Prüfung unterdrückt, so dal.' immer eine von der Stärke des
Magnetfeldes unabhängige Fehleranzeige erfolgt. Durch die Synchronisation ist es möglich, einen Wechselstrom von so hoher Frequenz für die Erregung der Spule zu benutzen, daß das Magnetfeld nur noch geringfügig, trotz hoher Feldstärke an der Werkstücksoberfläche, in das Innere des 'A'erkstücks eindringt. Für die Ultraschallerzeugung wird jedoch nur das Magnetfeld an der Werkstücksoberfläche gebraucht.
Der Magnetismus im Inneren des Werkstücks trägt nichts zur Ultraschallerzeugung bei. Dieser in das Innere eindringende Magnetismus bestimmt aber wesentlich die störende Anziehungskraft zwischen dem Prüfgerät und dem Werkstück. Diese störende Anziehungskraft kann schon bei Erregung der Spule durch den technischen Wechselstrom von 50 Hz erheblich vermindert werden.
Durch die Verminderung der Anziehungskraft ist es erst möglich, das Werkstück in ununterbrochener Bewegung auch mit seiner Kante vor de>n Prüfkopf entlang zu führen, ohne daß durch die Anziehungskraft der Prüfkopf zerstört wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß das Werkstück nur in einem nahen Bereich an der Oberfläche magnetisch wird. Dieser Magnetismus muß in der Regel durch Entmagnetisieren beseitigt werden, da er bei der weiteren Verarbeitung stört. Der an der Oberfläche sitzende Magnetismus läßt sich durch die üblichen Entmagnetisierungsverfahren in Bruchteilen von Sekunden beseitigen, dagegen braucht der tief im Werkstück verbleibende Magnetismus, der bei herkömmlichen Verfahren zur Werkstoffprüfung mit elektrodynamischen Wandlern entsteht, zu seiner Beseitigung mehrere Sekunden Zeit, so daß allein durch die Zeit der Entmagnetisierung in Walzwerken der Produktionsfluß behindert wird. Für die Entmagnetisierung ist nach der Erfindung keine besondere Vorrichtung notwendig, sie geschieht automatisch, wenn das Werkstück sich aus dem Magnetfeld der Spule des elektrodynamischen Schallwandlers herausbewegt, denn das Magnetfeld ist ein Wechselfeld und es wird mit der Entfernung von der Spule laufend geringer.
Besonders einfach wird das Verfahren zur Werkstoffprüfung, wenn die Spule zur Erzeugung des Magnetfeldes mit dem technischen Wechselstrom von 50 Hz oder 60 Hz erregt wird.
Die besonders an der Werkstückskante störende Anziehungskraft zwischen Prüfgerät und Werkstück wird noch dadurch vermindert, daß bei Erreichen einer Werkstückskante am Ende des Werkstücks die Stromstärke zur Erregung der Spule vermindert wird.
Eine weitere Verminderung der Anziehungskraft zwischen Prüfgeräten und Werkstücken an der Werkstückskante wird dadurch erreicht, daß - in Bewegungsrichtung des Werkstücks gesehen - hinter der Spule eine Entmagnetisierung des Werkstücks durchgeführt wird, die bei Annäherung der Werkstückskante an die Spule begonnen lassen wird. Gleichzeitig mit dem Einschalten dieser Entmagnetisierung wird die Spule des Prüfgerätes ausgeschaltet, oder ihre Erregung stark geschwächt. Die Spule wird erst wieder voll eingeschaltet, wenn ein Abtaster die Annäherung des nächsten zu untersuchenden Werkstückes bemerkt. Die Spule zur Entmagnetisierung liegt zunächst, wenn sie eingeschaltet wird, noch über dem Werkstück. Ihr Erregerstrom ist schon erheblich abgeschwächt und nähert sich dem Wert I), sobald die Wcrkslückskantc heim weiteren Vorrücken des
Werkstücks genau unter dieser Spule liegt. Auf diese Weise wird die Werkstückskante voll entmagnetisiert, ohne daß zwischen der Spule und der Werkstückskante jemals die volle Anziehungskraft entsteht, die bei maximalem Erregungsstrom der Spule entstehen würde, wenn sich die Werkstückskante von dieser Spule fortbewegt.
Bei der Prüfung dünner Eisenbleche reichen die vorstehend beschriebenen Maßnahmen zur Verringerungder Anziehungskraft zwischen Blech und Prüfgerät nicht aus, um ein Gegenschlagen des Bleches gegen den Prüfkopf zu verhindern, deshalb sieht eine weitere Verbesserung des Verfahrens vor, daß zur Erzeugung einer Gegenkraft zu der in der Spule auf das Werkstück ausgeübten magnetischen Kraft an der der Spule gegenüberliegenden Seite des Werkstücks eine oder mehrere weitere Spulen mit dem gleichen Strom erregt werden wie die Spule.
Das Verfahren nach der Erfindung ist in der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens,
Fig. 2 die Abhängigkeit der Prüfintervalle von der Magnetisierungshöhe.
Das zu prüfende Blech 11 läuft in Fig. 1 auf den Rollen 12 eines Rollgangs in Richtung 13. Über dem Rollgang ist der elektrodynamische Schallwandler angebracht. Dieser besteht aus der Spule 14 zur Erzeugung des Magnetfeldes und der Hochfrequenzspule 15 zur Erzeugung von hochfrequenten Wirbelströmen im zu prüfenden Blech 11, wodurch in bekannter Weise infolge der Lorenzkräfte Ultraschallwellen im Blech 11 entstehen. Der elektrodynamische Schallwandler ist in geringem Abstand schwebend über dem Blech 11 befestigt und berührt dieses nicht. Es können jedoch zur Sicherung des geringen Abstandes auch an ihm zusätzlich die Stützrollen 16 angebracht sein. Die Spulen 14 und 15 des elektrodynamischen Schallwandlers sind über Leitungen mit einem zentralen Steuergerät 17 verbunden. Dieses Steuergerät 17 steuert den Erregerstrom durch die Spule 14, der nach der Erfindung ein intermittierender Gleichstrom oder ein Wechselstrom ist.
Das Steuergerät 17 beaufschlagt ferner in Abhängigkeit von der Höhe der Magnetisierung der Spule 14 die Hochfrequenzspule 15 mit hochfrequentem Strom entsprechend der Frequenz des Ultraschalles. Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Hochfrequenzspule 15 erst eingeschaltet wird, wenn entsprechend Fig. 2 die Magnelisierungskurve 18 der Spule 14 ihren Höchstwert, der in Punkt 19 liegt, fast erreicht hat. Das Einschalten der Hochfrequenzspule 15 erfolgt in Fig. 2 deshalb in Punkt 20 und endet in Punkt 21. Zwischen den Punkten 20 und 21 ist nur eine sehr geringe Änderung in der Magnetisierung der Spule 14 vorhanden.
Die Änderung der Magnetisierung in diesem Bereich ist dann besonders klein, wenn der Kern der Spule in dem gesamten Bereich gesättigt ist. In diesem Bereich zwischen den Punkten 20 und 21 ist soviel Zeit vorhanden, daß dort auch mehrere Prüfimpulse, die in Fig. 2 mit 22 bezeichnet sind, hineingelegt werden können. Diese Prüfimpulse können auch eine unterschiedliche Frequenz besitzen. Die Erzeugung der Synchronisation zwischen dem Hrregerstroni der c 14 und dem Strom der Hochfrequenzspule 15.
wie UlIi1I) die Ιτ/etiininii der l'nil'immilsr 22
im Steuergerät 17 mit Hilfe bekannter und hier nicht näher zu erläuternder Schaltungen.
Wenn die Kante 23 am Ende des Bleches 11 beim Durchlauf entsprechend der Richtung 13 den Abtaster 24 erreicht, so wird diese Information an das zentrale Steuergerät 17 weitergegeben.
Der Abtaster 24 kann aus einem kleinen Magneten bestehen, der durch die Kante 23 des Bleches 11 verstärkt in Richtung 13 gezogen wird, wodurch ein elektrischer Kontakt betätigt wird. Bei Ansprechen des Abtasters 24 werden durch das zentrale Steuergerät 17 folgende Vorgänge gesteuert:
1. Es wird der Strom für die Spule 14 mit so großer zeitlicher Verzögerung abgeschwächt oder ganz abgeschaltet, daß zwar noch die Kante 23 mit Ultraschall geprüft wird, ein Entfernen der Kante 23 von der Spule bei voller Erregung aber vermieden wird.
2. Wird der Strom für die Entmagnetisierungsspule 25 eingeschaltet. Dieser Strom nimmt laufend ab und erreicht eine nur noch unbedeutende Höhe, wenn die Kante 23 die Entmagnetisierungsspule 25 verläßt. Sobald dies der Fall ist, wird der Strom für die Spule 14 wieder voll eingeschaltet und die Entmagnetisierungsspule 25 wird ganz ausgeschaltet.
Das Entfernen der Kante 23 von der Entmagnetisierungsspule 25 kann durch einen nicht gezeichneten Abtaster dem Steuergerät 17 angezeigt werden, es kann jedoch auch ohne Abtaster rein zeitlich festgelegt werden, wenn die Vorschubgeschwindigkeit des Bleches 11 immer gleich ist. Besonders bei der Prüfung sehr dünner Bleche kann es zur Verhinderung von Durchbiegungen des Bleches durch die magnetische Kraft der Spule 14 von Vorteil sein, wenn gegenüber der Spule 14 eine Spule 26 angebracht wird, die mit dem gleichen Strom erregt wird, der durch Spule 14 fließt, wodurch immer eine Gegenkraft zur magnetischen Anziehungskraft der Spule 14 erzeug! wird.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit Ultraschall unter Verwendung eines r> elektrodynamischen Schallwandlers, der aus einer Spule zur Erzeugung eines Magnetfeldes und aus einer Hochfrequenzspule zur Erzeugung von hochfrequenten Wirbelströmen im zu prüfenden Werkstück besteht und das Werkstück nicht be- 1() rührt, bei welchem das Werkstück während der Prüfung vor dem Prüfgerät in ununterbrochener Bewegung entlang geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (14) zur Erzeugung des Magnetfeldes von einem Wechselstrom '■> oder intermittierenden oder alternierenden Gleichstrom erregt wird, und die Prüfeinrichtung in Abhängigkeit von der Stärke der Magnetisierung der Spule (14) ein- und ausgeschaltet wird in der Weise, daß die Prüfeinrichtung eingeschal- -'« tet wird, wenn die Magnetisierung einen vorgegebenen Wert (20) kurz vor dem Erreichen des Maximums erreicht hat und abgeschaltet wird, sobald ein zweiter vorgegebener Wert der Magnetisierung kurz nach dem Überschreiten des Maximums n unterschritten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erregung der Spule (14) die technisch üblichen Frequenzen von 50 oder 60 Hz des Wechselstromes benutzt werden. in
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichen einer Werkstückskante (13) am Ende des Werkstücks (11) die Stromstärke zur Erregung der Spule (14) vermindert wird. ir>
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, daß - in Bewegungsrichtung (13) des Werkstücks (11) gesehen - hinter der Spule (14) eine Entmagnetisierung des Werkstücks (11) durchgeführt wird, die bei Annaherung der Werkstückskante (23) an die Spule (14) begonnen lassen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis
4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer Gegenkraft zu der von der Spule (14) auf das Werkstück (11) ausgeübten magnetischen Kraft an der der Spule (14) gegenüberliegenden Seite des Werkstücks (11) eine oder mehrere Spulen (26) mit dem gleichen Strom erregt werden wie die Spule (14). r>o
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