DE3314377A1

DE3314377A1 - Vorrichtung zur zerstoerungsfreien materialpruefung mittels elektromagnetisch erzeugten schallwellen (emat) mit zurueckziehbarer sonde

Info

Publication number: DE3314377A1
Application number: DE19833314377
Authority: DE
Inventors: Terrance R. 06810 Danbury Conn. Banach; Erik 10977 Spring Valley N.Y. Barman; Robert A. 10580 Rye N.Y. Brooks; Michael R. 11204 Brooklyn N.Y. Livia
Original assignee: Magnetic Analysis Corp
Current assignee: Magnetic Analysis Corp
Priority date: 1982-04-22
Filing date: 1983-04-21
Publication date: 1983-11-03
Also published as: GB8310287D0; GB2120790A; US4449408A; DE3314377C2; GB2120790B

Description

Die Erfindung betrifft die zerstörungsfreie Prüfung won Gegenständen und insbesondere die'Prüfung von Gegenständen und Materialien mittels Ultraschallgeräten und Ultraschallverfahren.

Jede der verschiedenen Techniken der zerstörungsfreien Materialrpüfung, nämlich Streuflussmessung, Wirbelstrommessung und Ultraschalltuellenprüfung hat verglichen mit den anderen entsprechend der verschiedenen Parameter des speziellen Prüfungsfalles einzigartige Anwendungsmöglichkeiten. Jedoch ist die Anwendung von Utraschalltechniken von Natur aus schwieriger als andere Verfahren, was prinzipiell bei im Handel erhältlichen Ultraschallgeraten auf der Notwendigkeit beruht, ein fluides Kupplungsmedium zwischen dem zu prüfenden Gegenstand und einem piezoelektrischen Wandler vorzusehen, der Ultraschallwellen abstrahlt und empfängt· In bestimmten Fällen, in denen man die Anwendung der Ultraschalltechnik bevorzugen würde, wählt man eine der anderen Prüftechniken oder verzichtet auf eine Prüfung, wenn die Verwendung eines Kupplungsmediums nicht möglich ist·

Die Beobachtung des Phänomens der elektromagnetischen Erzeugung einer Schallwelle in einem Gegenstand unter dem Einfluss eines statischen Magnetfeldes, wie es in den US-PSn,34 60 063 und 35 83 213 beschrieben wird, führte nicht zu wesentlichen Änderungen auf dem Gebiet der Ultraschallwellenprüfung trotz der Ausschaltung des lästigen Kupplungsmediums· Obwohl eine grosse Auswahl verschiedener EMAT-Systeme (Elektromagnetisch-Akustik-Wandler) bekannt geworden sind, beispielsweise die in den zitierten US-PSn beschriebenen und SAW-Wandler (Wandler für akustische Oberflächenwellen) in der Literatur beschrieben wurden, ist ein entsprechender Anstoss durch diese in der industriellen Technik nicht zu erkennen· Es wurde nun gefunden, dass es an wirksamen und entwicklungsfähigen Systemen zur

a α ti

Sp O β O

Nutzung von EMAT-Sonden zur Prüfung sich bewegender Gegenstände, insbesondere dünnwandiger Rohre und dergleichen, auf dem Markt mangelt·

Zwei Aspekte der EMAT-Prüfung (Prüfung mittels elektromagnetisch erzeugter Schallwellen) von Gegenständen werden im Gegensatz zu Streuflussprüfungen als besonders erheblich für diese Situation erachtet. Eine Besonderheit des EMAT-Prüfgerätes ist das Erfordernis, ein starkes magnetisches Vorspannungsfeld an der Wandleroberfläche zu erzeugen, das heisst an der Oberfläche des Gegenstandes dem die elektromagnetisch erzeugte Schallwelle zugeführt werden soll» Im Gegensatz hierzu sind Streuflusswandler passiv, das heisst, sie erzeugen keinen Fluss sondern stellen lediglich einen solchen fest, der von einem Materialriss aus geht· Demzufolge ist die Konstanz des Luftspaltes und dessert Verringerung auf ein Mindestmass für eine EMAT-Prüfvorrichtung kritischer. Bei Streuflussmandlern kann ein Schutzmetall zwischen den Detektorspulen und dem Gegenstand vorgesehen sein und dieses; Metall kann wahrend der Prüfung auf dem Gegenstand gleiten und im übrigen den Wandler gegen eine Beschädigung beim Einführen des zu prüfenden Gegenstandes schützen· Im Gegensatz hierzu muss die EMAT-Sonde mit ihren Sende- und Empfangsspulen ohne dazwischenliegenden metallischen Schutz unmittelbar an den Luftspalt angrenzen. Unter diesen Gesichtspunkten der EMAT-Materialprüfung wird deren Zurückbleiben hinter den oben erwähnten anderen Prüfverfahren verständlich·
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Es ist ein Hauptziel der Erfindung eine verbesserte EMAT-Vorrichtung und verbesserte Verfahren zur Materialprüfung mittels elektromagnetisch erzeugter Schallwellen zu schaffen·
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* Ein besonderes Ziel der Erfindung ist ns, eine wirksame Prüfung von sich bewegenden Gegenständen mittels elektromagnetisch erzeugter Schallwellen zu ermöglichen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird durch die Erfindung eine Vorrichtung zur EMAT-Materialprüfung geschaffen, bei der der Übertragungsluftspalt auf ein' Minimum herabgesetzt ist und konstant gehalten wird und welche einen verbesserten Schutz der EMAT-Spulen beim Einführen des zu prüfenden Gegenstandes gewährleistet. Ferner wird durch die Erfindung ein Prüfverfahren geschaffen, bei dem das Einführen des zu prüfenden Gegenstandes in die Prüf- oder Betriebslage in der Vorrichtung eine Ausrichtung und Einstellung des EMAT-Wandlers und des Magnetfeldgenerators zum Prüfgegenstand hervorruft.

Die erfindungsgernässe Vorrichtung weist einen Flusskoppler auf, der von einem Magneten oder einem elektromagnetischen System gespeist wird und einen'Flussaufnahme- und Flussabgabebauteil, der einen EMAT-Wandler trägt. Der Flussaufnahme- und Flussabgabebauteil und der Flusskoppler sind relativ zueinander beweglich gelagert, wobei der EMAT-Wandler in einer Ruhestellung gehalten werden kann, wenn kein Prüfgegenstand vorhanden ist und magnetisch aus dieser in eine Betriebsstellung durch eine Wechselwirkung dBr Flüsse gebracht werden kann, die von dem EMAT-Träger und dem Gegenstand ausgehen. Schutzeinrichtungen und Spaltbegrenzer erstrecken sich zur Anlage gegen den zu prüfenden Gegenstand ausserhalb dar EMAT-Spulen.

Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung einen platten- oder schalenförmigen Bauteil auf, der als Flusskoppler wirksam ist und einen zweiten platten- oder schalenförmigen Bauteil, der relativ zum ersten Bauteil verdrehbar ist und von diesem einen Fluss einem Polstück zuführt, welches in umgrenzender Weise die EMAT-Sonde und die Schutzeinrichtung und die Spaltbegrenzer

trägt. Eine Vorspannungsfeder liegt gegen diese Bauteile an, um das Polstück entgegengesetzt zur Flussaustrittsrichtung vorzuspannen, wobei die EMAT-Sonde im Abstand vom Einsetzungsweg des Gegenstandes gehalten wird, wenn kein Prüfobjekt anwesend ist. Die Federkraft ist derart eingestellt, dass diese geringer ist als die magnetische Anziehungskraft zwischen dem Polstück und dem Gegenstand, um den magnetischen Einfluss überwiegen zu lassen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Teilansicht der Vorrichtung mit der EMAT-Sonde und dem PoI-15

stück in Betriebsstellung wobei zur Darstellung von Aufbaueinzelheiten die EMAT-Schutz- und Spalteinstelleinrichtungen in Explosionsdarstellung gezeigt sind, Fig. 2 eine Seitenansicht,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht bei der die EMAT-Sonde und das Polstück in eine Ruhestellung zurückgezogen sind, und Fig. 4 eine Draufsicht.
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Die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Vorrichtung 10 zur Prüfung von Gegenständen mittels elektromagnetisch erzeugter Schallwellen weist einen Generator 12 für ein statisches oder quasi-statisches Magnetfeld auf, der halbzylindrische Bauteile 14,15,16 und 17 hat, die an einem Luftspalt G Polflächen 14a,15a,16a und 17a aufweisen, Magnetische Flusskoppler. 18 überbrücken in senkrechter Richtung diese Bauteile 14 und 16 und sind in fester Stellung an diesen mechanisch befestigt.

Eine Magnetflussaufnahme- und Abqabßv/orrichtung 20 tuird

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relativ/ zu einem Koppler 18 beweglich rrittels eines Drehzapfens 22 gehalten, der in den Koppler 18 eingeschraubt ist und eine innere Lageoberfläche fur die Vorrichtung bildet. Wie die Figur 4 zeigt, bilden nichtmagnetische Bauteile 21 und 23 äussere Lageroberflächen zwischen dem Koppler 18 und der Vorrichtung 20 und schaffen einen eingestellten Luftspalt zwischen diesen Teilen·

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Koppler als Platte 18a ausgebildet und die Vorrichtung 20 weist als Bestandteil eine Platte 20a auf, die mit einem Polstückträger 20b ein Ganzes bildet, wobei dieser Spannschenkel 2Ob-I und 20b-2 aufweist, die durch einen Spalt 20c getrennt sind. Das Polstuck 24 ist in lösbarer Weise im Polstückträger 20b befestigbar und Schrauben 25 und 27 können durch den Spannschenkel 2Ob-I hindurch in mit einem Innengewinde versehene Schlitze oder Bohrungen im Spannschenkel 20b-2 eingeschraubt werden, um das Polstück 24 an der Vorrichtung zu befestigen und um dessen Einstellung auf unterschiedliche Abmessungen des zu prüfenden Gegenstandes zu ermöglichen.

Zur Einstellung der relativen Lage von Koppler 18 und der Vorrichtung 20 weist das Gerät 10 eine Vorspannungsvorrichtung, vorzugsweise in Form einer Feder 26 auf, deren eines Ende an einem Stift 28 befestigt ist, der im Koppler 18 sitzt und deren anderes Ende an einem Stift 30 befestigt ist, der sich vom Spannschenkel 20b-2 aus erstreckt. Die Vorspannungseinrichtung wird durch die magnetische Wechselwirkung zwischen dem Polstück 24 und einem zu prüfenden Gegenstand überwündenj wie es oben beschrieben wurde, wobei ein Anschlagdämpfjungsblock 32, der an der Platte 18a befestigt ist in Anlage an die Platte 20a gelangt, um deren Überlaufen der Endlage zu verhindern.

Der rechte Abschnitt 24a des Polstückes 24 ist abgesetzt

H a β ο · *

und weist senkrechte Seiten 24a-l und 24a-2 und eine verjüngte Vorderhand 24a-3 auf. Die EMAT-Sonde 34 weist vorzugsweise ein Paar konzentrisch angeordnete Spulen 34a,34b auf, die in einem flachen Kunststoffgehäuse 34c angeordnet sind· Im Handel ist won der Firma NUKEM GmbH ein geeigneter elektrodynamischer Wandler mit der Typenbezeichnung EDW-T erhältlich. Das Gehäuse 34c ist von einem kegelstumpfförmigen Metallendkörper 36 umgeben, der durch in Umfangsrichtung im Winkelabstand von fünfzehn Grad angeordnete Schlitze geriffelt ist.

Es sei nun auf die in Explosionsdarstellung in Figur 1 gezeigten Komponenten bezug genommen, deren Zusammenbau die Figuren 2 und 4 zeigen. Ein Einstellblock 38 meist Dustierschrauben 38a-l und 38a-2 auf mit denen die Lage der Schutzvorrichtung 48 eingestellt werden kann und ferner eine Bohrung 38b die mit der Polstückbohrung- 40 in eine fluchtende Lage bringbar ist. Ein Füllstück 42 sitzt hinter dem Endkörper 36 und liegt gegen den Block 38 an und meist Bohrungen 42a und 42b auf, die mit den Polstückgewindebohrungen 44 und 46 in eine fluchtende Lage bringbar sind.

Die Schutzvorrichtung 48 meist Bohrungen 48a und 48b auf, die mit den Bohrungen 42a und 42b des Füllstückes 42 in eine Registerstellung bringbar sind und hat eine Aussparung, die als Sitz; für den Seitenschutz 50 dient, der nicht dargestellte Bohrungen im Schenkel 50a hat, die mit den Gewindebohrungen 48c und 48d des Schutzvorrichtungsträgers 48 in eine fluchtende Lage bringbar sind_e Der Endschutz 52, der vorzugsweise aus Karbid besteht, meist Bohrungen 52a und 52b auf, die mit den Gewindebohrungen 48e und 48f des Trägers in eine fluchiende Lage brinnbar sind. Wie die Figuren 2 und 4 zeigen, sind die Komponenten mittels Schrauben zusammen gebaut, wobei auch die Teile 38»,42",48·,50' und 52· gezeigt sind die in Figur 1 zur

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erzielung einer grücseren Klarheit fortgelassen wurden.

Zusammengebaut und in der Betriebsstellung liegen die Karbidbauteile 52 und 52' gegen den zu prüfenden Gegenstand (Figur 4) an und halten die EMAT-Sonde 34 im Abstand D von diesem. Dies ist der Wandlerluftspait und misst vorzugsweise etwa einen bis eineinhalb Millimeter. Zusammen mit den Seitenschutzbauteilen 50 und 50· schützen die Karbidbauteile die EMAT-Sonde gegen eine Beschädigung durch den zu prüfenden Gegenstand während dessen Beu/egung in die Betriebs- oder Prüfstellung·

Es sei nunmehr auf Figur 3 bezug genommen.

Die Magnetflussempfangs- und Abgabeeinheit 20 ist in der zurückgezogenen oder Ruhestellung, in der sie von der Bewegungsbahn entfernt ist, dargestellt und diese ist gegenüber der Senkrechten um einige zwanzig Grad verschiuenkt. Die Baugruppe 20 ist in diese Ruhestellung durch eine Kraft vorgespannt die entgegengesetzt zur auf die Baugruppe 20 wirkenden magnetischen Kraft gerichtet ist, welche durch die Wechselwirkung des von der Baugruppe ausgehenden Flusses und eines Gegenstandes in der Bahn P entsteht. Die durch die Feder 26 ausgeübte l/orspannungskraft ist so gewählt, dass sie zur Vorspannung der Baugruppe 20 ausreicht. Sie ist jedoch geringer als die magnetische Kraft, die erforderlich ist, um eine magnetische Feldwechselwirkung mit der Bahn zu erzeugen, wenn sich das Polstück in der bahnfernen Ruhestellung befindet. Ansprechend auf einen Vorschub eines Gegenstandes in der Bahn P in die Nähe der zurückgezogenen Baugruppe 20 werden demzufolge die EMAT-Sonde 34 und das Pplstück 24 mit dBr Baugruppe 20 in die Betriebs- oder Prüfstellung bewegt.

Bei der in Figur 4 dargestellten Draufsicht sind die oberen Magnete 14 und 15 und die nicht dargestellten unteren Magnete 16 und 17 an der Kopfplatte 56 befestigt,

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die mittels eines Drehkopfes vorzugsweise um die Bahn P drehbar gelagert ist, wie es in der US-PS 38 54 G85 beschrieben wird die Vorrichtung Rotoflux Type 1600 der Firma Magnetic. Analysis Corporation zeigt. Figur 4 zeigt eine zweite EMAT-Anlage S>8, die identisch u/ie die in Figur 1 gezeigte aufgebaut ist, jedoch derart entgegengesetzt , dass die Drehbewegung der EMAT-Sonde und des Polstückes in die dargestellte Lage in entgegengesetzter Richtung zu der in Figur 1 gezeigten Einrichtung erfolgt.

Elektrische Verbindungen werden durch Leiterpaare 60 und 62 hörgestellt, über die eine HF-Erregung der Spule 34a (Figur l) dBr EMAT-Sonde 34 zugeführt wird und über die die Ausgangssignale der Spule 34b einer Verarbeitung zugeführt werden. Diese eine Spule weist fünfzehn Wicklungen auf und die Aufnahmespule 34b weist eine bis dreihundert Windungen auf. Die Erregungsspannung wird,mit 300 Volt mit HF-Frequenzen pulsartig zugeführt und diese Parameter sind in Übereinstimmung mit der Magnetfeldstärke und der Flussdichte ausgewählt, die dem Gegenstand an der Oberfläche zugeführt werden und die den Eigenschaften des Gegenstandes entsprechen. Diese Bedingungen und die zugrunde« liegende Theorie und die Empfangssignalverarbeitungen sind in den US-PSn 35 83 212 und 34 60 063 beschrieben.

²^ Obwohl die relative Bewegung zwischen der Vorrichtung 18 und der Einrichtung 20 als Schwenk- oder Drehbewegung beschrieben wurde und der Ort dieser Bewegung eine Kreisbahn ist, die die Bewegungsbahn P des Gegenstandes schneidet, sei bemerkt, dass auch andere Bewegungsabläufe möglieh sind. Auch kann die EMAT-Sonde 34 einen anderen Aufbau haben.

Claims

^, Patentansprüche

C 1.^Vorrichtung zur zerstörungsfreien Materialprüfung mittels ^-^^ elektromagnetisch erzeugter Schallwellen (EMAT) gekennzeichnet durch:
a) Einrichtungen (14,15,16,17) zur Erzeugung

eines Magnetfeldes,

b) Flusskuppler (18), die an diesen Einrichtungen (14,15,16,17) zur Erzeugung eines Magnetfeldes befestigt sind,
c) Flußaufnahme- und Abgabevorrichtungen (20),

die beweglich am Flußkuppler (18) montiert sind und einen Magnetfluß bei der Bewegung vom Flußkuppler (18) aufnehmen und diesen gerichtet abgeben, und

d) Wandler (24,34) zur elektromagnetischen Erzeugung von Schallwellen, die von den Flußauf nähme- und Abgabevorrichlunyon (18) mit diesen beweglich getragen werden·

K> C *■

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da88 die Flusskuppler (18) und Magnetflussaufnahme- und Abgabeeinrichtungen (20) erste und zweite gegeneinander verschuienkbare Platten (l8a,20a) zur Erzeugung der relativen Belegung zwischen diesen Bauteilen (18 und 20) aufweisen.
3» Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Platte (20a) schwenkbar an der ersten Platte (18a) gelagert (22) ist.
4· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetflussaufnähme- und Abgabeeinrichtung (20) ein Polstück (24) zur Abgabe des aufgenommenen Magnetflusses in einer vorbestimmten Richtung aufweist·
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler (34,34a,34b) derart an Polstück (24) montiert ist, dass die Übertragungsrichtung des Wandlers mit der Magnetflussabgaberichtung des Polstückes zusammenfällt»
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich Bauteile (48,50,52) vom Polstück (24) aus über den Wandler (34) hinauserstrecken, um diesen zu schützen und einen Luftspalt (D) zwischen diesem und einem zu prüfenden Gegenstand (54) zu bestimmen·
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Polstück (24) zu dessen Einstellung in lösbarer Weise an der Magnetflqssaufnahma- und Abgabeeinrichtung (20) befestigt ist_o
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch ein elastisches Bauglied (26) mit dem die Magnetflussaufnahme- und Abgabeeinrichtung (20) in eine vorbestimmte Lage relativ zum Flusskuppler (18)

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vorgespannt ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannungseinrichtung (26,28,30) zwischen der ersten und zweiten Platte (l8a,20a) wirksam ist.
10· Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannungseinrichtung eine an jeder Platte befestigte Feder (26) aufweist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (26) eine Vorspannungskraft in einer Richtung entgegengesetzt zur Flussabgaberichtung des Polstückes (24) erzeugt«
12. Verfahren zur Prüfung unter Benutzung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass«

a) eine Bewegungsbahn (P) für den zu prüfenden Gegenstand (54) festgelegt wird,

b) die Magnetfslderzeugungseinrichtungen (14 bis 17) und die Wandler (34) für eine gemeinsame Bewegung an einer Stelle zur Bahn hin und von dieser fort gehalten werden,

c) die Magnetfelderzeugungseinrichtungen (14 bis 17) und die Wandler (34) in eine von der Bahn (P) entfernte Lage vorgespannt werden, derart, dass die Magnetfeldererzeugungseinrichtungen einen manetischen Einfluss auf diese Bahn ausüben und

d) der Gegenstand (54) in die Bahn (P) in die Nähe des Ortes der gemeinsamen Bewegung eingebracht wird, wobei die Vorspannungskraft in der Stufe (C) kleiner gewählt wird als die magnetische Wechseluiirkungs» kraft zwischen den Magnetfelderzeugern und dem Gegenstand, sodass die Wandler und die Magnetfelderzeuger unter dem magnetischen Einfluss aus rlor Ruhelage in die Betriebsstellung relativ zum Gegenstand (54) bewegt werden.