DE2928899A1 - Vorrichtung zum bestimmen der mitte einer schweissnaht - Google Patents

Vorrichtung zum bestimmen der mitte einer schweissnaht

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Description

U.Z. 858.13
NIPPON KOKAN KABUSHIKI KAISHA 1-2 Marunouchi - 1 - chome Chiyoda-ku, Tokio
Japan
VORRICHTUNG ZUM BESTIMMEN DER MITTE EINER SCHWEIßNAHT
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen der Mitte einer Schweißnaht, wobei der Streufluß aus der Schweißnaht eines Grundmetalls, das mit einem Wechselfeld magnetisiert wird, erfaßt wird, um die Mitte der Schweißnaht zu bestimmen; insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Bestimmen der Mitte einer Schweißnaht an einem Material aus Stahl wie z.B. der Schweißnaht eines geglühten elektrogeschweißten Rohres, die sich in den Materialeigenschaften weniger vom Grundmetall unterscheidet.
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Die Bestimmung der Mitte der Schweißnaht eines Materials aus Stahl ist wesentlich, z.B. für die Durchführung der gewünschten kontaktfreien Nachlaufsteuerung eines Fehlersuchgerätes bei der Ultraschall-Fehlersuche an einer Schweißnaht. Damit z.B. die Sonde eines Fehlersuchgerätes "bei der Ultraschall-Fehlersuche an der Schweißnaht eines geschweißten Stahlrohres kontaktfrei derart gesteuert werden kann» daß sie längs der Mittellinie der Schweißnaht läuft, wird bisher der Unterschied insbesondere der magnetischen Eigenschaften zwischen dem Grundmetall und der Schweißnaht des Stahlrohres mit einer Wirbelstrom-Meßsonde festgestellt, und für die Nachlaufsteuerung wird ein Signal zum Feststellen der Lage der Schweißnaht erzeugt. Die Verwendung solcher WirbeIstrom-Meßsonden hat den Nachteil einer verringerten Meßempfindlichkeit, da lediglich der Wirbelstrom erfaßt wird, der im Stahlrohr von der Sondenspule induziert wird, und darüber hinaus ist es abgesehen von Fällen, in denen ein grosser Unterschied zwischen den Eigenschaften des Grundmetalls und denjenigen der Schweißnaht besteht, nicht möglich, die Mitte der Schweißnaht eines Materials wie geglühte elektrogeschweißte Rohre zu bestimmen, bei denen praktisch alle derartigen Unterschiede in den Eigenschaften ausgeschaltet worden sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde» eine Vorrichtung zu schaffen» um mit hoher Genauigkeit die Mitte der Schweißnaht selbst bei einem Grundmetall zu bestimmen, bei dem der Unterschied zwischen den magnetischen Eigenschaften des Grundmetalls und denjenigen
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der Schweißnaht sehr gering ist. Dabei soll das Grundmetall mit einem Wechselmagnetfluß aus einer Spule magnetisiert werden, die durch eine handelsübliche Stromversorgung gespeist wird, und der dabei entstehende Wechselstreufluß aus der Schweißnaht wird gemessen, um damit die Mitte der Schweißnaht berUhrungsfrei zu bestimmen. Änderungen der Lage des Mittelpunktes der Schweißnaht eines Grundmetalls können kontinuierlich in Längsrichtung der Schweißnaht aufgrund der relativen Lage der Mitte der Schweißnaht und der Einrichtung zum Messen des Streuflusses festgestellt werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Schaffung einer Vorrichtung zum Bestimmen der Mitte einer Schweißnaht gelbst, die zwei Magnetisiereinrichtungen enthält, die vorzugsweise zu beiden Seiten neben der Schweißnaht eines Materials aus Stahl liegen, um einen Wechselmagnetfluß durch die Schweißnaht in das Material einzubringen, eine Einrichtung zum Erfassen des Streuflusses, die in der Nähe der Schweißnaht zwischen den beiden Teilen der Magnetisiereinrichtung liegt und fest mit diesen verbunden ist, um das Streufeld aus der Schweißnaht des durch das Wechselfeld der Magnetisiereinrichtung magnetisieren Stahlmaterials zu erfassen, sowie eine Meßschaltung, durch welche die Grundschwingung, die der Wellenform der für die Wechselmagnetisierung verwendeten Erregungsspannung entspricht, aus der Wechselspannung ausgeschieden wird, die in der Einrichtung zum Erfassen des Streuflusses induziert wird, und die daraus entstehende Signalspannung wird mit einer vorbestimmten Periode abgetastet, wodurch
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die Mitte der Schweißnaht aufgrund der Relativstellung der Einrichtung zum Erfassen des Streuflusses und der Schweißnaht mit der Polarität und dem Spannungswert des von der Meßschaltung erzeugten und abgetasteten Aus gang s signa Is "bestimmt wird. Die Magnetisierteile und die Einrichtung zum Erfassen des Streuflusses sind zu einer Meßbaugruppe zusammengefaßt, und wenn demzufolge die Meßbaugruppe auf dem Stahlmaterial in Längsrichtung der Schweißnaht bewegt wird, ist es möglich, kontinuierlich den Abstand der Mittellinie der Schweiß naht von der Mittellinie der Meßbaugruppe in der Portbewegungsrichtung derselben zu messen, und das sich da bei ergebende Meßsignal kann zum Zweck der Nachlaufsteuerung eines Fehlersuchgerätes oder dergleichen ver wendet werden.
Die Abtastperiode ist synchronisiert mit der Periode des ErregungsStroms für die Wechselmagnetisierung, und die Abtastzeitfolge unterliegt einer Phasensteuerung, die so einzustellen ist, daß der Abtastausgang zu Null wird, wenn die Mitte der Schweißnaht mit dem Mittelpunkt der Einrichtung zum Erfassen des Streuflusses zusammenfällt, und daß der Abtastausgang einen Spannungswert mit positiver oder negativer Polarität entsprechend dem Ausmaß der Abweichung annimmt, wenn die Mittellinien nach rechts oder links abweichen.
Anhand der Figuren wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine Blockdarstellung, die den Aufbau einer Vorrichtung gemäß der Erfindung aufzeigt,
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Flg. 2 ein Blockschaltbild der in Fig. 1 dargestellten Meßschaltung,
Fig. 3 ein Diagramm, das die an verschiedenen Punkten in Fig. 2 erzeugten Wellenformen angibt,
Fig. 4 eine Kurvendarstellung der Ausgangskennlinie der Meßschaltung.
In Fig. 1 bezeichnet die Bezugsnummer 1 ein geschweißtes Stahlrohr als Beispiel eines zu prüfenden Stahlprodukts, und zwei Magnetisierspulen 2 und 2f sind auf ein massives Joch 3 derart montiert, daß sie längs der Aussenfläche des Stahlrohrs 1 in der Nähe einer zwischen den Spulen 2 und 2' verlaufenden Schweißnaht 5 liegen. Zwei Suchspulen 4 und 41 zum Erfassen des Streuflusses sind zwischen den Magnetisierspulen 2 und 2' zu beiden Seiten der Schweißnaht 5 angeordnet, und die Magnetisierspulen 2 und 21 sowie die Suchspulen 4 und 4· sind mechanisch so befestigt, daß Jede relative Stellungsänderung zwischen denselben verhindert wird.
Ein Wechselstrom mit fester Frequenz wird an die Magnetisierspulen 2 und 2' von einer Wechselstromquelle 9 angelegt, so daß der von den Magnetisierspulen 2 und 2· erzeugte Wechselmagnetfluß in das Stahlrohr 1 eingebracht wird und die Schweißnaht 5 durchfließt, und das Stahlrohr 1 wird mit einem Wechselfluß von fester Frequenz magnetisiert. Der Teil der Schweißnaht weist einen wenn auch noch so geringen Unterschied seiner magnetischen Eigenschaften von denen des Grundmetalle des Stahlrohres 1 auf, und folglich weist der Streufluß aus der
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Schweißnaht 5 des mit einem Wechselfeld magnetisierten Stahlrohrs 1 eine andere Flußdichte auf als der Fluß aus den Spulen 2 und 2', Der Streufluß wird von den Suchspulen 4 und 4' gemessen» so daß eine Spannung in jeder der Suchspulen 4 und 4' induziert wird, und die induzierten Spannungen werden von einer Meßschaltung 13 verarbeitet, die ihrerseits ein Meßausgangssignal an ihrem Ausgang 11 erzeugt.
Wie in Fig, 2 gezeigt, umfaßt die Meßschaltung 13 einen Differentialverstärker 6 für die Ausgangsspannungen der Suchspulen 4 und 41, eine Abtastschaltung 7 zum Abtasten des Ausgangs des Differentialverstärkers 6 mit einer vorbestimmten Periode, um ein abgetastetes und festgehaltenes Ausgangssignal zu erzeugen, einen Koinzidenzimpulsgenerator 8, der auf das Wechselspannungssignal von der Wechselstromquelle 9 anspricht, um Koinzidenzimpulse auf die Abtastschaltung 7 mit einer vorbestimmten Abtastperiode zu übertragen, sowie einen Gleichstromverstärker 10 für die'Verstärkung des abgetasteten und festgehaltenen Ausgangssignals mit einer vorbestimmten Verstärkung,
Wenn bei dem oben beschriebenen Aufbau die Magnetisierspulen 2 und. 2! durch den 'Wechselstrom mit vorbestimmter Frequenz erregt werden, der ihnen von einer Wechselstromquelle 9» die eine handelsübliche Stromversorgung oder dergleichen sein kann, zugeführt wird, wird der größte Teil des Wechselflusses mit der vorbestimmten Frequenz, der von den Magnetisierspuler. 2 bzw. 2T erzeugt wird, durch die Wanddicke des Stahlrohrs 1 ge™
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- ίο -
leitet, um die Schweißnaht 5 zu durchdringen, und der so übertragene Magnetfluß erzeugt einen impulsähnlichen Streufluß mit der gleichen Frequenz, der aus der Schweißnaht 5 austritt. Der aus der Schweißnaht 5 austretende impulsartige Magnetfluß erzeugt in jeder der Suchspulen 4 und 41 eine induzierte Spannung, die einen impulsartigen Anteil enthält, und die Wellenformen der in den Suchspulen 4 bzw. 4· induzierten Spannungen werden jeweils als e und e1 bei (A) und (B) in Fig. 3 gezeigt. Die in der Suchspule 4 induzierte Spannung eQ bzw. die in der Spule 4' induzierte Spannnung e1 hat eine Wellenform, die als Grundschwingung die gleiche Sinuswelle enthält wie die für die Wechselmagnetisierung verwendete Erregungs-Wechselspannung, und als Impulsanteil die von dem für die Schweißnaht 5 typischen Streufluß stammende Wellenform, die der Grundschwingung überlagert ist, und die Spannungen e und e1 haben die gleiche Phasenlage.
Wenn z.B. die Schweißnaht 5 in Richtung auf die Suchspule 4 vom Mittelpunkt D abgelenkt wird, der zwischen den beiden Suchspulen 4 und 41 liegt, deren räumlicher Abstand den in Fig. 1 gezeigten Betrag I^ aufweist, hat der Impuls in der Signalspannung e'o, der in der Suchspule 41 erzeugt wird, einen Spitzenwert, der größer ist als derjenige des Impulses in der Signalspannung eQ in der Suchspule 4, wie bei (A) und (B) in Fig. 3 ersichtlich ist. Wie Fig. 2 zeigt, werden die Signalspannungen eQ und e'o auf den Differentialverstärker 6 geführt, wo die Grundschwingungsanteile mit der gleichen Phase ausgeschaltet werden und folglich ein Impulssignal e., entsprechend dem Unterschied zwischen
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den beiden Impulsen im Verstärker 6 erzeugt wird, das bei (C) in Fig. 3 dargestellt ist. Die Signalspannung e^ wird auf die Abtastschaltung 7 geführt, so daß die Signalspannung e* mit einer vorbestimmten Periode T durch die Koinzidenzimpulse abgetastet wird, die vom Koinzidenzimpulsgenerator 8 kommen, auf der zum Zeitpunkt des Abtastvorgangs anliegenden Spannung gehalten und dann als Signalspannung e~ weitergegeben wird, wie bei (D) in Fig. 3 gezeigt. Der Koinzidenzimpuls wird mit dem Erregungsstrom synchronisiert, der an die Magnetisierspulen 2 und 21 angelegt wird, und die Periode T ist die gleiche wie die Ausgangsperiode der Wechselspannungsquelle 9. Wie bei (D) in Fig. 3 gezeigt, stellt die Signalspannung e~ das Ausgangsimpulssignal e^ des Differentialverstärkers 6 dar, das abgetastet und auf den Spannungen V^ und Vp mit der vorbestimmten Periode T gehalten wurde, und die sich daraus ergebende Spannung wird vom Gleichstromverstärker 10 verstärkt und erscheint dann als Meßausgangssignal e, am Ausgang
Wenn andererseits die Schweißnaht 5 in Richtung auf die Suchspule 4' abweicht, ergibt die Ausgangsspannung des Differentialverstärkers 6, wie bei (E) in Fig. 3 gezeigt, ein Impulssignal e1^ mit umgekehrter Polarität wie das bei (C) in Fig. 3 gezeigte Signal, und wenn das Signal e'^ mit der gleichen Abtastzeitfolge abgetastet und gehalten wird» ergibt sich ein Ausgangssignal mit einer der bei (D) in Fig. 3 gezeigten Form entgegengesetzten Polarität.
Demzufolge hat der Spannungswert des Ausgangssignals e,, der dem beim Abtasten des Ausgangs des Bifferen-
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tialverstärkers 6 mit der Periode T der Wechse!stromquelle 9 erhaltenen Augenblickswert entspricht, eine positive oder negative Polarität, je nachdem ob die Mitte der Schweißnaht 5 in einer Stellung D^ rechts oder Dr links vom Mittelpunkt Dn zwischen den Suchspu-
L· O
len 4 und 4' liegt. Wenn dadurch, daß der Koinzidenzimpulsgenerator 8 einer Phasenkontrolle unterworfen wird, die Zeitfolge der Abtastung so eingestellt wird, daß die Ausgangsspannung e, dann genau Null V wird, wenn die Mitte der Schweißnaht 5 mit dem Mittelpunkt D0 zwischen den Suchspulen 4 und 4' zusammenfällt, ist es möglich, die Mitte der Schweißnaht 5 aufgrund ihrer relativen Lage zwischen den Suchspulen 4 und 4' dadurch zu bestimmen, daß die Ausgangspannung e. Null V wird.
Wenn andererseits die Magnetisierspulen 2 und 21 und die Suchspulen 4 und 4! , die mit den letzteren eine fest verbundene Baugruppe bilden, durch einen Folgeregler so verschoben werden, daß die Ausgangsspannung e5 stets zu Null V wird, ist es möglich, die Schweißnaht 5 in ihrer Längsrichtung zu verfolgen.
Obwohl bei der oben beschriebenen AusfUhrungsform die Einrichtung zum Erfassen des Magnetflusses die Suchspulen 4 und 4f umfaßt, kann eine ähnliche Wirkung »it einer einzigen Suchspule erzielt werden, oder die Suchspulen 4 und 41 können wahlweise durch Magnetfühler wie z.B. Hallsonden oder eagnetgesteuerte Dioden ersetzt werden. Weiterhin kann die Ausgangsspannung e« des Differentialverstärkers 6 durch ein Hochpaßfilter 12 geführt werden, wie durch die gestrichelte Linie in
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Fig. 2 angezeigt ist, um die Grundschwingung von dem durch den Streufluß erzeugten Signal zu trennen. Wenn nur eine einzige Spule verwendet wird, wird die Grundschwingung nur durch ein Hochpaßfilter ausgeschieden.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird das Magnetpolverfahren (Magnetic Pole Method) angewandt, das in der japanischen Industrienorm (JIS) G0565-1974 angegeben ist (hierbei wird das Prüfstück zwischen zwei Pole eines Elektromagneten gebracht, siehe japanische Industrienorm (JIS) Code M); es kann jedoch auch irgendein anderes Verfahren angewandt werden, z.B. das Endkontaktverfahren (hierbei wird der Magnetisierstrom in Richtung der Achse des Prüfstücks angelegt, siehe japanische Industrienorm (JIS) Code EA) oder das Stabverfahren (hierbei wird der Magnetisierstrom durch den Leiter geschickt, der durch eine Bohrung des Prüfstücks verläuft, siehe japanische Industrienorm (JIS) Code B).
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung zur Bestimmung der Mitte einer Schweißnaht kann in Anwendungsfällen wie dem Positionieren der Schweißnaht von geschweißten Rohren in Drehrichtung, der Bestimmung der Schweißnahtmitte bei Tafelblechen und der Erfassung des Durchgangs derselben oder der Fehlersuche einschließlich der Feststellung von Rissen bei Stahlprodukten angewandt werden.
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Claims (6)

  1. PATENTANSPRÜCHE
    1, Vorrichtung zum Bestimmen der Mitte einer Schweißnaht an einem Material aus geschweißtem Stahl, das in einem V/echselfeld magnetisiert wird, durch Erfassen des Streuflusses aus der Schweißnaht, mit einer kombinierten Magnetisiereinrichtung und einer Wechselstromquelle für die Wechselfeldmagnetisierung des Stahlmaterials durch den die Schweißnaht durchdringenden Magnetfluß, einer mit der.Magnetisiereinrichtung fest verbundenen Einrichtung zum Erfassen des Streuflusses aus der Schweißnaht, um eine Spannung zu induzieren, die der Änderung des Streuflusses entspricht» und einer Meßschaltung, die auf die in der Erfassungseinrichtung induzierte Spannung anspricht, um die relative Stellung der Erfassungseinrichtung zur Mittellinie der Schweißnaht zu messen, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung eine erste Einrichtung enthält, um aus der induzierten Spannung eine Grundschwingung auszuscheiden, die einer für die Wechselfeldmagnetisierung verwendeten Erregungsspannung entspricht, eine zweite Einrichtung, durch die die induzierte Spannung, aus der die Grundschvingung ausge-
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    sondert wurde, mit einer vorbestimmten Periode getastet wird, die der Periode der Erregungs-Wechselspannung entspricht, und eine dritte Einrichtung, um am Ausgang der Wechselstromquelle einen Koinzidenzimpuls mit der vorbestimmten Periode zum Abtasten zu erzeugen, wobei entsprechend der Polarität und dem Spannungswert en einem abgetasteten Ausgang der zweiten Einrichtung die relative Lage der Erfassungseinrichtung zur Mittellinie der Schweißnaht festgestellt wird.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erfassen des Streuflusses zwei Magnetfluß-Meßanordnungen enthält, die zu beiden Seiten der Schweißnaht gegenüberliegend angeordnet sind, und daß die erste Einrichtung einen Differentialverstärker für die in den Magnetfluß-Meßanordnungen induzierten Spannungen enthält.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Hochpaßfilter enthält, das zwischen die erste und zweite Einrichtung geschaltet ist, um die Grundschwingung zu unterdrücken.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisiereinrichtung zwei Magnetisierbautei-Ie enthält, die zu beiden Seiten der Einrichtung zum Erfassen des Streuflusses angeordnet sind.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung eine Abtastschaltung enthält, wobei jedesmal, wenn ein Koinzidenzimpuls aufgeschaltet wird, eine Ausgangsspannung der ersten Ein-
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    richtung abgetastet und ein Ausgangssignal erzeugt wird, das die abgetastete Spannung bis zum Eintreffen des nächsten Koinzidenzimpulses festhält.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Einrichtung einen Koinzidenzimpulsgenerator enthält, der so ausgelegt ist, daß er die Phase des Koinzidenzimpulses im Verhältnis zum Ausgangssignal der Wechselstromquelle ändert, während er die Periode des Koinzidenzimpulses konstant hält.
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DE2928899A 1978-07-17 1979-07-17 Vorrichtung zur Bestimmung von Größe und Richtung der seitlichen Abweichung eines Prüfkopfes von der Mittellinie einer Schweißnaht Expired DE2928899C2 (de)

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