DE2820559A1 - Verfahren und vorrichtung zur pruefung ferromagnetischer werkstuecke - Google Patents

Description

Patentanwälte
Dipl.-Ing. W. Beyer Dipl.-Wirtsch.-Ing. B. Jochein

§taufenstraße_36

Anm.: SKF Industrial Trading

and Development Comp. B.V

Plattenburgerweg

Nieuwegein/Niederlande

Verfahren und Vorrichtung zur Prüfung ferromagnetischer Werkstücke.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung ferromagnetischer Werkstücke auf Mangel in der Form, Beschaffenheit und der—gleichen, bei welchem das Werkstück von einer stromführenden Wicklung magnetisiert wird und eine MeP-oder Vergleichsspannung vom Werkstück oder einer damit magnetisch gekoppelten Sekundärspule abgegriffen wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Ein solches Verfahren, bei dem die in dem Werkstück fließenden Wirbelströme ausgenutzt werden, ist eine der am häufigster angewandten Methoden zur Prüfung der Materialeigenschaften ferromagnetischer Werkstücke oder Produkte. Es hat viele Anwendungsmöglichkeiten und kann beispielsweise zur Ermittlung von Ritzen, zur Prüfung der HSrte, zur Bestimmung der Entkohlung von Stahl und ähnlichen Untersuchungen angewandt werden.

Das bekannte Verfahren hat jedoch viele Nachteile. Beispielsweise ist die Sekundärspannung nicht nur abhängig von den Materialeigenschaften, sondern auch

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der Form und den Abmessungen des zu prüfenden Werktücks. Die ideale Gestalt ist die eines langen Zylinders mit Kreisquerschnitt.Im Fall von Abweichungen von dieser Gestalt treten jedoch Unzulänglichkeiten in den Meßergebnissen auf, welche die Ergebnisse in mehr oder weniger großem Ausmaß nachteilig beeinflussen. Auch führen Zylinder, die einer nach dem anderen mit kurzen Abstünden angeordnet werden,^zu weniger zufrieden stellendenErgebnissen»besonders wenn Zwischenräume zwischen ihnen vorhanden sind, und die Erfahrung hat gezeigt, daß in vielen Fällen die oben erwähnte Anwendung des bekannten Verfahrens dann völlig unmöglich ist.

Zum Zwecke der Erläuterung sei zunächst Fig. 1 betrachtet, die eine bekannte MePanordnung in schematischer Darstellung zeigt. In dieser Anordnung sind mit 3 die magnetisierende Wicklung, mit 1 das zu prüfende Werkstück und mit 2 die Sekundärwicklung bezeichnet. Der durch die Primärwicklung fließende Wechselstrom wird innerhalb und außerhalb dieser Wicklung und damit auch in dem innerhalb der Wicklung angeordneten Werkstück ein magnetisches Feld aufbauen. Der Magnetfluß durch die Sekundärwicklung wird von der Magnetisierung des Werkstücks beeinflusst, die vonder Permeabilität und der elektrischen Leitfähigkeit ebenso wie von dem Verhältnis zwischen diesen Eigenschaften abhängen, die wiederum von der Härte des Materials, dessen MikroStruktur usw. abhängig sind. Der Effekt» den die Form und die Abmessungen des Werkstückes nun ausüben, lassen sich am besten mit Hilfe des Diagramms nach Fig. 2 erklären, das das Verhältnis zwischen der Sekundärspannung U see und der Permeabilitätyu. wiedergibt.

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Die Sekundärspannung ist proportional der änderung des magnetischen Flusses innerhalb der Wicklunq und damit durch das Werkstück in der Zeiteinheit. Letzterer ist proportional den Produkt der Permeabilität und der magnetischen Feldstärke H. Es sei angenommen, · daß H über den gesamten Querschnitt des Werkstücks konstant ist und daß folglich im ersten Augenblick keine Wirbelströme das Feld beeinflussen. Unter diesen Bedingungen lässt sich eine Eeziehung zwischen der Sekundärspannung und der Permeabilität gemäß der geraden Linie Λ erwarten. Die tatsächliche Kurve flacht jedoch bei größeren Werten der wirksamen Permeabilität auf einen konstanten Wert für die Meßspannung ab. Dieser Wert ist durch die Gestalt des Werkstücks bestimmt; beispielsweise in Fall von Zylindern durch das Verhältnis der Länge zum Durchmesser. Ein kleineres Verhältnis ergibt einen geringeren Wert. Kurze Zylinder mit hoher Permeabilität sind in diesem Zusammenhang sehr unvorteilhaft, da bei dieser der Arbeitspunkt im Diagramm weit nach rechts verschoben liegt, wo die Sekundärspannung unempfindlich gegenüber änderungen in der Permeabilität ist. Änderungen in der Form andererseits sind leicht zu nessen, da sie unmittelbar die Höhe des horizontalen Teils der Kurve.beeinflusst.

Die Permeabilität der meisten Stahlsorten (außer Einschluß von austenitischen Stählen) liegt zwischen den Werten 3o und 2oo (relative Permeabilität), und der Permeabilität yu in Fig. 2 beträgt dort, v/o das Abfallen der Eirpfindlichkeit in Erscheinung tritt, für einen Zylinder mit einem Länge/Durchmesser-VerhSltnis von 1,5 angenähert 5. Für ein kugelförmiges Element ist die Situation noch ungünstiger, da der Permeabilitätswert angenähert gleich 3 ist.

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Der Einfluß der beschriebenen Entmagnetisierungswirkung ist empirisch bekannt, wenn der von den Wirbelströmen darauf ausgeübte Finfluß vernachlässigt wird. Umfangreiche theoretische Ferechnungen haben jedoch gezeigt, daß die Diskussion derart verallgemeinert werden kann, daß dieser Einfluß zusätzlich in Eetracht gezogen v/erden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des bekannten Verfahrens zu beseitigen oder zumindest beträchtlich zu vermindern, wozu in Lösung dieser Aufgabe erfincungsgeir.äß vorgeschlagen wird, daß von einen nahe an der Werkstückoberfläche angeordneten Abgreifer eine Sekundärspannung erfasst wird, die von dem magnetischen Feld an diesem Punkt abhrnaig ist, woraufhin die beiden Spannungen zur Erzielung einer Meß- oder Regelgröße miteinander kombiniert werden.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird als Abgreifer ein Hall-Element verwendet.

Bei Außeracht-lassung der Einflüsse der Wirbelströme und unter der Annahme, daß die Feldstärke H über den Querschnitt des Werkstücks gleich ist, sollte es möglich sein, eine bessere Bestimmung der Permeabilität durch Messung sowohl der Sekund.Mrspannung Usec als auch der magnetischen Feldstärke H und Bestimmung des Verhältnisses zwischen diesen Größen zu er- _# halten. Die Feldstärke H sollte tangential zur Werkstückoberfläche gemessen werden, weil die tangentialen Feldstärken unmittelbar innerhalb und außerhalb der Werkstückoberfläche immer einander gleich sind. Theoretische Betrachtungen haben gezeigt, daß auch das Verhältnis zwischen der ersten Ausgangsspannung und

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der Feldstärke H von Fedeutung ist, venn Wirbelströme in Eetracht gezogen werden, und daß dieses Verhältnis sehr empfindlich gegenüber den Materialeigenschaften ist, während der Einfluß der Länge des Werkstücks praktisch vernachlässigt werden kann. Dies führt zu einer Wiederherstellung der linearen Beziehung nach Fig. 2.Das vorerwähnte Verhältnis ist kein durch Integration über das Gesartvolumen des Werkstücks erhaltener Wert, sondern beeinflusst nur einen kleinen Querschnitt nahe dem Hall-Element. Dies ist der Grund, warum der Einfluß der Länge außer Eetracht gelassen v/erden kann. line höhere L'mpfindlichkeit wird auch dann erhalten, wenn örtliche Unterschiede in der metaUogmfischen Struktur untersucht v/erden, wie sie durch örtliches Induktionshärten, Entkohlung, örtliche Fehler durch Wärmebehandlung und dergleichen entstehen. Die Begrenzung des Volumens macht es auch möglich, einen kleinen Bereich eines größeren Gegenstandes zu untersuchen.

Es ist möglich, nicht nur Ringwicklungen gemäß der Darstellung in Fig. 1 zu verwenden, sondern auch auf der Oberfläche angeordnete Spulen zur Fildung des vorerwähnten Verhältnisses von Fluß (üsec) zur Feldstärke (H), wodurch eine Kompensation gegenüber unterschiedlichen Werten zwischen der Prüfwicklung und dem Werkstück erhalten wird.

Fig. 3 veranschaulicht, wie eine innere Prüfung _# eines hohlen Gegenstandes durchgeführt werden kann; in dieser Fig. ist mit 6 ein magnetischer Kern bezeichnet, der von zwei Wicklungen 4 und 5 magnetisiert wird. Der magnetische Fluß fließt in das Werkstück über ein Joch 1o. Die Sekundärwicklung ist mit 7 bezeichnet. Das Hall-Element ist mit 8 benannt und dient

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zum Abgreifen der der Feldstärke H proportionalen Spannung.

Ein Eeispiel für eine brauchbare Meßschaltung ist in Fig. 4 gezeigt. Hierin ist 11 die Wechselstromquelle^an welche über einen Verstärker dip Primärwicklung 12 angeschlossen ist. Das Werkstück 14 wird von dieser Wicklung magnetisiert, und in der Meßwicklung 13 wird eine Fekundärspannung erzeugt und über einen Verstärker der Meßklenme A zugeführt. Die vom Abgreifer erfasste Spannung, die ein Maß für die Feldstärke H ist,wird über einen Verstärker dem Kreis 15 zugeführt, in welchem die Phase um 9o° verschoben wird. Ein anderer Teil der Spannung wird als Bezugsspannung der Klemme E zugeführt. 16 und 17 sind Potentiometer, von denen die Vergleichsspannung abgegriffen wird.

Die Sekundärspannung wird zu einem gewissen Teil der Spannung von dem Kali-Element 18 (proportional der Feldstärke nahe der Werkstückoberfläche) kompensiert, so daß die Spannung an der Meßklemme A gleich O wird.

Mit einem Anwachsen der Permeabilität yti treter ein Anwachsen der Sekundärspannung U see und eine Vermindung der Feldstärke Il auf. Die Differenzspannung an der Meßklemme A wird darn größer. Fine Zunahme in der Länge des Werkstücks ruft ein Ansteigen sowohl der Sekundärspannung UseC als auch der magnetischen Feldstärke Fhervor} das an der Meßklemme A kompensiert wird. Dies ließe sich auch in einem Fall durch Konstanthalten der Feldstärke II erreichen, und als Ergebnis kann dann die Sekundärspannung Usee gemessen werden; oder im anderen Fall wird die Sekundärspannung Usec konstant gehalten, und die Feldstärke K wird ae-

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nessen. Hierzu lassen sich in der Tat bekannte Meßeinrichtungen verwenden.

Bei dem vorbeschriebenen Verfahrer muß die tangentiale Feldstärke an der Oberfläche gemessen werden. In der Praxis wird dies oft nicht leicht möglich sein. In der gezeigten Ausführung beträgt die kürzeste Fntfernung angenähert o,5-1,o mm. Um unannehmbare Fehler zu vermeiden, hat die Wicklung die Gradienten des magnetischen Feldes so klein wie möglich zu machen. Dies kann auf verschiedene Weise, z.B. in der in Fig. 5 gezeigten Weise geschehen.

Ein weiterer Weg zur Erzielung einer genauen Messung der Feldstärke besteht in der Messung der Feldstärke H mit zwei Ha11-Flerenten in einem vorgegebenen Abstand voneinander. Es lassen sich auch Messungen unter Verwendung eines einzigen Hall-Elements und des Stroms in der Primärwicklung durchführen. Die Gradienten aus den beiden Messungen lassen sich kompensieren.

Fig. 5 veranschaulicht eine Meßanordnung, die besonders geeignet zur Prüfung von Werkstücken ist, die aufgrund ihrer Form schwierig zu messen sind, wie runde oder kugeliae Gegenstände. In dieser erläuternden Zeichnungsfigur sind die Pezugszeichen der einzelnen Komponenten die gleichen wie jene in Fig. 4. Bei dieser Anordnung sind zwei Primärwicklungen 12 zu beiden Seiten der zu prüfenden Kugel 19 diametral entgegengesetzt zueinander angeordnet, während das Hall-Element 18 und die Sekundärwicklung 13 an anderen Stellen der Kugel angebracht sind, um zuverlässige Meßergebnisse zu erhalten, d.h. in der Lage zu sein, eine optimale Feldstärke H zu verwenden und die Gradienten der FeId-

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-beH so klein wie möglich zu halten, sind Rohre 2o mit hoher Permeabilität innerhalb der Wicklungen vorgesehen und so nahe wie möglich an der Kugel 19 angeordnet. Diese Anordnung ermöglicht esi, auf zufriedenstellende Weise solche Werkstücke zu prüfen, die sich beispielsweise nicht leicht unter den Finfluß der Feldstärke K bringen lassen.

Die durch die Erfindung erzielbaren Vorteile lassen sich wie folgt zusammenfassen: die Empfindlichkeit in Bezug auf die Materialeigenschaften wird vergrössert, insbesondere bei kurzen Werkstücken und Werkstücken mit örtlichen Strukturänderungen, v.eitorhin wird der Einfluß der Werk stück l.Mnge eliminiert,sowie derjenigen Materialeigenschaften außerhalb des interessierenden Bereichs. Für zur Oberflilcheninspektion verwendete Wicklungen wird der Abstandseffekt ausgeschaltet. Die Meßergebnisse für kurze Zylinder stehen in Finklang mit der Theorie für lange Zylinder. Es ist deshalb möglich, Vergleiche zwischen den Prüfergebnissen von Werkstücken rrit unterschiedlichen Größenabmessungen anzustellen. Dadurch wird die Kalibrierungsarbeit wesentlich begrenzt, was für jegliche geometrische Eedingung von Bedeutung ist.

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Claims (3)

1. ( 1.] Verfahren zur Prüfung ferromagnetischer Werkstücke auf Mängel in der Form, Beschaffenheit und dergleichen, bei welchem das Werkstück von einer stroirführenden Wicklung magnetisiert wird und eine MeP- oder Vergleichsspannung vom Werkstück oder einer damit magnetisch gekoppelten Sekundärspule abgegriffen wird, dadurch gekennzeichnet, daß von einem nahe an der Werkstückoberfläche angeordneten Abgreifer eine Sekundärspannung erfasst wird, die von dem magnetischen Feld an diesem Punkt abhängig ist, woraufhin die beiden Spannungen zur Erzielung einer Meß- oder Regelgröße miteinander kor-biniert werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet, daß als Abgreifer ein Hall-Element (8, 18) verwendet wird.
3. 3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Meßwicklungen (4,5 bzw. 12) mit Mitteln (6, 1o bzw. 2o) versehen sind, durch welche das agnetische Feld dem zu prüfenden Werkstück (9 bzw. 19) zugeleitet wird.

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