DE4412042C2

DE4412042C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Wirbelstromprüfung von Bolzenbohrungen in mehrlagigen metallischen Strukturen

Info

Publication number: DE4412042C2
Application number: DE19944412042
Authority: DE
Inventors: Juergen Rohmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-04-08
Filing date: 1994-04-08
Publication date: 2001-02-22
Anticipated expiration: 2014-04-09
Also published as: DE4412042A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wirbelstromprüfung von Bol zenbohrungen in mehrlagigen metallischen Strukturen und eine Prüfsonde zur Durchführung des Verfahrens.

Das Überleiten von Kräften innerhalb mehrlagiger metallischer Struktu ren geschieht häufig durch Bolzenverbindungen. Nicht selten bestehen solche Strukturen aus mehreren Strukturebenen mit variierender Dicke und unterschiedlichen Materialien, um spezifischen Belastungsbedingun gen gerecht zu werden.

Während der Bolzen auf Scherung und Biegung beansprucht wird, entste hen im Innern der Bohrung Zug-Druckkräfte, die u. a. zu oberflächli chen Spannungen sowohl in der Leibung, d. h. im zylindrischen Teil, als auch im Kantenbereich der Bohrung führen.

Die Bolzenverbindungstechnik mehrlagiger metallischer Strukturen wird beispielsweise bei Flugzeugen im Bereich von Tragflügeln, Leitflächen und Rumpf eingesetzt. Diese Elemente sind dynamischen Lastwechseln un terworfen. Bei Flugzeugtypen neuerer Bauart wird aus Gründen der Wirt schaftlichkeit im Betrieb zu leichteren, dünneren und deshalb vielfach hochfesten Werkstoffen übergegangen. Diese Werkstoffe stellen hohe An forderungen an die Bearbeitungsqualität. Sie unterliegen im Betrieb hohen Belastungen und sind zudem empfindlich gegen aggressive Medien.

All das kann zu Rißbildungen (Spannungsrißkorrosion) im Bohrungsbe reich führen.

Um die Sicherheit von Strukturen der genannten Art zu gewährleisten, wird seit geraumer Zeit eine Prüfung der Bolzenverbindungen nach dem Wirbelstromprüfverfahren durchgeführt. Der Bolzen wird entfernt und die Bolzenbohrung mit einer Prüfsonde abgetastet. Die Prüfsonde hat einen in Drehung angetriebenen Prüfkopf, der sich mittels eines geeig neten Stellglieds in Drehachsrichtung verstellen läßt, und einen oder mehrere Signalgeber, anhand von dessen/deren Signal(en) sich die axia le Position und Winkelstellung des Prüfkopfs erkennen läßt. Der Prüf kopf durchläuft die Bolzenbohrung in ihrer Achse und tastet ihre inne re Oberfläche (Leibung) in spiralförmigen Bahnen auf Risse ab. Entwe der bestätigt sich dabei die Fehlerfreiheit der Struktur, oder es wer den Risse detektiert, lokalisiert, analysiert und in ihrer Sicher heitsrelevanz bewertet. Wesentlich dafür ist die Lagenzuordnung der Risse innerhalb der mehrlagigen metallischen Struktur.

Aus R. C. McMasters: Nondestructive Testing Handbook, 2. Auflage, Volu me 4, 1986, Seiten 400-404 ist die Wirbelstromprüfung einer Bolzenboh rung mit einem die Bohrung axial durchfahrenen rotierenden Prüfkopf bekannt, mit dem eine Differenzmessung durchgeführt wird. Eingangs der Druckschrift ist eine Absolutmessung erwähnt.

Aus der US 4 814 702 A ist eine Wirbelstromprüfung mit zwei Spulen be kannt, von denen eine zugleich absolut und in Differenz zu der anderen betrieben wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Wirbelstromprüfung von Bolzenbohrungen in mehrlagigen metallischen Strukturen und eine Prüfsonde zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen, die zugleich mit der Rißdetektion eine Lagenstrukturerfassung und eine Ermittlung der Lagenzuordnung eines Risses ermöglichen.

Verfahrensmäßig gelöst wird diese Aufgabe mittels einer Prüfsonde mit einem die Bohrung axial durchfahrenden rotierenden Prüfkopf, dessen axiale Position und Winkelposition bei der Messung anhand des/der Positionssignale(s) eines oder mehrerer Signalgeber(s) erfaßbar ist, bei dem mit dem Prüfkopf eine Absolutmessung der Impedanz mittels ei nes Spulen-Meßelements durchgeführt und das erhaltene Meßsignal zur Lagen-identifizierung und/oder Erkennung der Materialbeschaffenheit einer Lage herangezogen wird, bei dem mit dem Prüfkopf zur Rißdetekti on und/oder Rißanalyse eine Differenzmessung der Impedanz mittels Spu len-Meßelementen durchgeführt wird, und bei dem die Meßsignale der Differenzmessung und Absolutmessung in der Meßposition der Prüfsonde entsprechender Zuordnung aufgezeichnet und/oder zur Anzeige gebracht werden.

Die apparative Lösung besteht in einer Prüfsonde zur Wirbelstromprü fung von Bolzenbohrungen in mehrlagigen metallischen Strukturen mit einem in Drehung angetriebenen Prüfkopf, der mittels eines Stellglieds in Drehachsrichtung verstellbar ist und einen oder mehrere Signalgeber aufweist, anhand von dessen/deren Signal(en) die axiale Position und Winkelstellung des Prüfkopfs erfaßbar ist, wobei der Prüfkopf ein Ab solutmeßsystem mit einer Erregerspule und einem Spulen-Meßelement zur Absolutmessung der Impedanz enthält, wobei der Prüfkopf ein Differenz meßsystem mit wenigstens einer Erregerspule und wenigstens zwei Spu len-Meßelementen zur Differenzmessung der Impedanz enthält, und wobei eine Aufzeichnungs- und Anzeigeeinheit vorgesehen ist, an der das/die Signal(e) des/der Signalgeber(s) und die Meßsignale des Absolutmeßsy stems und Differenzmeßsystems anliegen und in der Meßposition des Prüfkopfs entsprechender Zuordnung aufzeichenbar und anzeigbar sind.

Die Erregerspule und das Spulen-Meßelement für die Absolutmessung der Impedanz können mit oder ohne ferromagnetischen Kern hergestellt und sowohl einzeln, als auch zusammengefaßt sein.

Die Erregerspule kann mit fester Frequenz oder variabler Frequenz des Erregerstroms betrieben werden. Auch können Gleichstrom- oder Wechsel strom-Impulssysteme zum Einsatz kommen. Anhand der absolut gemessenen Impedanz wird das Material der von dem Prüfkopf überstrichenen Lage identifiziert. Bei aus unterschiedlichen Materialien bestehenden mehr lagigen Strukturen erhält man so unmittelbar eine Information über die Strukturebene, in der sich der Prüfkopf befindet. Es ist direkt er kennbar, in welcher Strukturebene und wie dort im einzelnen ein detek tierter Riß verläuft, z. B. ob er von der Grenzfläche einer benachbar ten Strukturebene ausgeht, u. a. m. Desweiteren können durch die Abso lutmessung der Impedanz Erkenntnisse über die Materialbeschaffenheit gewonnen werden, die sich in signifikanten Impedanzunterschieden zei gen, z. B. bei Aluminium ein stattgefundenes Glühen.

Es ist möglich, das Meßsignal der Impedanz-Absolutmessung zur Rißde tektion und/oder Rißanalyse heranzuziehen und insbesondere die Rißpo sition, Rißlänge und Rißtiefe anhand dieses Signals zu bestimmen. Tat sächlich wird aber zur Rißdetektion und/oder Rißanalyse eine Diffe renzmessung der Impedanz durchgeführt, die sich gegenüber der Absolut messung durch eine höhere Genauigkeit auszeichnet. Der Prüfkopf weist hierzu ein Differenzmeßsystems mit wenigstens einer Erregerspule und wenigstens zwei in Differenz geschalteten Spulen-Meßelementen auf.

Es besteht die Möglichkeit, die Differenzmessung und Absolutmessung zeitgleich durchzuführen. Dazu bedarf es zweier verschiedener Meßsy steme für die Differenzmessung und Absolutmessung an der Prüfsonde. Nach einer anderen Variante führt man die Differenzmessung und Abso lutmessung der Impedanz zeitversetzt durch, z. B. die Differenzmessung beim Einfahren in die Bolzenbohrung und die Absolutmessung beim Aus fahren. Es ist so möglich, ein und dasselbe Meßsystem für die Diffe renzmessung und Absolutmessung zu verwenden, beispielsweise ein Diffe renzmeßsystem, bei dem sich ein Spulen-Meßelement oder auch beide Spulen-Meßelemente zugleich für die Absolutmessung eignen und entspre chend betrieben werden.

Hinzuweisen ist auf die unterschiedliche Taktfrequenz der Differenz- bzw. Absolutmessung. Die Differenzmessung zur Rißdetektion und -analy se wird mit hoher Ortsauflösung über den Umfang der Bolzenbohrung und entsprechend hoher Taktfrequenz durchgeführt. Für die Absolutmessung zur Lagenidentifizierung genügt eine der axialen Vorschubgeschwindig keit der Prüfsonde entsprechende niedrigere Taktfrequenz.

Erfindungsgemäß werden die Meßsignale der Absolutmessung und Diffe renzmessung in der Meßposition der Prüfsonde entsprechender Zuordung aufgezeichnet und/oder zur Anzeige gebracht. Hierzu ist eine Aufzeich nungs- und Anzeigeeinheit vorgesehen, an der das/die Signal(e) des/der Positionssignalgeber(s) und die Meßsignale des Absolutmeßsystems und Differenzmeßsystems anliegen und in der genannten Zuordnung verarbei tet werden. Zur Aufzeichnung dient ein geeigneter Datenspeicher und zur Anzeige ein Monitor.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine durch Bolzen verbundene mehrlagige metallische Struktur in diametralem Schnitt durch eine Bolzenboh rung;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht dar Bolzenbohrung und eine vergrößerte Einzelheit davon; und

Fig. 3 das Aufbauschema einer Prüfeinrichtung für die Wirbel stromprüfung von Bolzenbohrungen.

In den Abbildungen ist exemplarisch eine fünflagige Struktur aus Metall gezeigt, deren mittlere Lage 10 in einer Richtung und deren äußere Lagen 12, 14 in der entgegengesetzten Rich tung wirkenden Kräften unterliegen. Die Lagen 10-14 sind mit dazwischen angeordneten dünneren Ausgleichs-Dichtlagen 16, 18, die ebenfalls aus Metall bestehen, in bündiger Anlage miteinander verbunden. Das Material der Ausgleichs-Dichtlagen 16, 18 ist von dem der vorgenannten Lagen 10-14 verschieden.

Die Verbindung der Lagen 10-18 erfolgt mit Gewindebolzen 20, die in fluchtenden Bolzenbohrungen 22 der Lagen 10-18 einsitzen, und auf die Gewindebolzen 20 aufgeschraubte Muttern 24.

Bei der beschriebenen Struktur kann es sich beispielsweise um den Tragflügel eines Flugzeugs handeln, der Treibstoff enthält. Die Ausgleichs-Dichtlagen 16, 18 dienen zur Abdich tung der Treibstofftanks.

Wie in Fig. 2 gezeigt, befindet sich an der Leibung einer Bolzenbohrung 22 in der mittleren Lage 10 ein Riß 26, der von der Grenzfläche 28 der oberen Ausgleichs-Dichtlage 16 ausgeht. Dieser Riß 26 wird mit der in Fig. 3 dargestellten Prüfeinrichtung detektiert.

Zu der Prüfeinrichtung gehört eine an ein 1/2-Kanal Wirbel stromprüfgerät 30 angeschlossene Prüfsonde 32 mit einem Dreh antriebsaggregat 34, das eine Welle 36 mit einem an ihrem Ende angeordneten Prüfkopf 38 treibt. Der Prüfkopf 38 ist so dimensioniert, daß er in die Bolzenbohrung 22 paßt. Er enthält Meßsysteme für die Wirbelstromprüfung, mit denen in radialer Abtastrichtung zugleich eine Differenzmessung und Absolutmessung der Impedanz erfolgt. Die Meßsysteme arbeiten bei verschiedenen Meßfrequenzen. Das ermöglicht eine einwand freie Signaltrennung durch Frequenzfilterung. Die Prüfsonde 32 läßt sich mittels eines Schrittmotors in einer Linearfüh rung 40 verstellen. Die Stellbewegung erfolgt parallel zu der Drehachse 42 der Sonde 32, die in der Bolzenbohrungsachse liegt. Die Geschwindigkeit der linearen Stellbewegung ist relativ niedrig und die Drehgeschwindigkeit hoch (beispiels weise ca. 3.000 Umdrehungen/min). Durch die überlagerten Bewegungen tastet die Prüfsonde 32 die Leibung der Bolzenboh rung 22 entlang einer spiraligen Bahn ab.

Das Drehantriebsaggregat 34 ist mit einem Positionssignalgeber in Farm einer Impulsscheibe ausgerüstet, die ca. 400 Impulse pro Umdrehung liefert und damit eine Auflösung und Lokalisie rungsgenauigkeit in Umfangsrichtung von weniger als 1° gewähr leistet. Zur axialen Positionsbestimmung der Prüfsonde 32 dient ein Indexer. Die damit erreichte Auflösung in axialer Richtung beträgt Bruchteile eines mm.

Die Positionssignale des Indexers und der Impulsscheibe werden einem Steuerungs-Interface 46 überstellt, das an einen Rechner 48 angeschlossen ist. Die Meßsignale der Meßsysteme werden in dem Wirbelstromprüfgerät 30 verarbeitet und eben falls dem Rechner 48 überstellt. Das Prüfergebnis kommt an einem Monitor 50 des Rechners 48 on line zur Darstellung. 56 ist der Auswertcursor des Monitors 50.

Die Prüfsonde 32 tastet das zuvor beschriebene Prüfobjekt 52 mit fünflagiger metallischer Struktur ab. Jede Umdrehung des Prüfkopfs 38 wird auf eine Monitorzeile abgebildet. Das Meßsignal der Differenzmessung wird zur Rißdetektion herange zogen. Man erkennt insofern eine Rißanzeige (Fehlerpräsenta tion) auf Monitorzeilen, die der Abtastbewegung über die mitt lere Lage 10 des Prüfobjekts 52 zugeordnet sind.

Das Meßsignal der Absolutmessung wird zur Lagenidentifizierung herangezogen. Man nutzt hier aus, daß die mittlere Lage 10 und äußeren Lagen 12, 14 des Prüfobjekts 52 aus einem Material bestehen, von dem das Material der Ausgleichs-Dichtlagen 16, 18 verschieden ist, was sich in unterschiedlichen Absolutwer ten der gemessenen Impedanz zeigt. Das Ergebnis der Absolut messung wird auf dem Monitor 50 in einer der axialen Meßposi tion der Prüfsonde 32 entsprechenden Zuordnung angezeigt. Der Benutzer kann so direkt erkennen, in welcher der Lagen 10-18 sich der Riß 26 befindet (Lagenzuordnung des Risses 26). Außerdem ist eine Positionsbestimmung des Risses 26 in nerhalb der Lage 10 und eine Rißlängen- und -tiefenbewertung möglich.

Die Meßergebnisse der Differenz- und Absolutmessung werden in entsprechender Zuordnung der Riß- und Lageninformation gespeichert. Der Rechner 48 ist dazu mit einem Datenspeicher verbunden. Weitere Peripherie (z. B. ein Drucker u. a.) ist bei 54 angedeutet.

Die erfindungsgemäße Prüfeinrichtung ermöglicht eine schnelle erste Prüfung, die die Fehlerfreiheit einer überwiegenden Zahl von Bolzenbohrungen 22 nachweist. Im Fall einer Fehlerin dikation kann die betreffende Bohrung 22 markiert und mit der Prüfeinrichtung später im einzelnen analysiert werden.

Liste der Bezugszeichen

10

mittlere Lage

12

äußere Lage

14

äußere Lage

16

obere Ausgleichs-Dichtlage

18

untere Ausgleichs-Dichtlage

20

Gewindebolzen

22

Bolzenbohrung

24

Mutter

26

Riß

28

Grenzfläche

30

Wirbelstromprüfgerät

32

Prüfsonde

34

Drehantriebsaggregat

36

Welle

38

Prüfkopf

40

Linearführung

42

Drehachse

46

Steuerungs-Interface

48

Rechner

50

Monitor

52

Prüfobjekt

54

Peripherie

56

Auswertcursor

Claims

1. Verfahren zur Wirbelstromprüfung von Bolzenbohrungen (22) in mehr lagigen metallischen Strukturen mittels einer Prüfsonde (32) mit einem die Bohrung (22) axial durchfahrenden rotierenden Prüfkopf (38), dessen axiale Position und Winkelposition bei der Messung anhand des/der Positionssignale(s) eines oder mehrerer Signalge ber(s) (44) erfaßbar ist, bei dem mit dem Prüfkopf (38) eine Abso lutmessung der Impedanz mittels eines Spulen-Meßelements durchge führt und das erhaltene Meßsignal zur Lagenidentifizierung und/oder Erkennung der Materialbeschaffenheit einer Lage herange zogen wird, bei dem mit dem Prüfkopf (38) zur Rißdetektion und/oder Rißanalyse eine Differenzmessung der Impedanz mittels Spulen-Meßelementen durchgeführt wird, und bei dem die Meßsignale der Differenzmessung und Absolutmessung in der Meßposition der Prüfsonde (32) entsprechender Zuordnung aufgezeichnet und/oder zur Anzeige gebracht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffe renzmessung und Absolutmessung zeitgleich durchgeführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffe renzmessung und Absolutmessung zeitversetzt durchgeführt werden.

4. Prüfsonde (32) zur Wirbelstromprüfung von Bolzenbohrungen (22) in mehrlagigen metallischen Strukturen mit einem in Drehung angetrie benen Prüfkopf (38), der mittels eines Stellglieds in Drehachs richtung (42) verstellbar ist und einen oder mehrere Signalgeber (44) aufweist, anhand von dessen/deren Signal(en) die axiale Posi tion und Winkelstellung des Prüfkopfs (38) erfaßbar ist, wobei der Prüfkopf (38) ein Absolutmeßsystem mit einer Erregerspule und ei nem Spulen-Meßelement zur Absolutmessung der Impedanz enthält, wo bei der Prüfkopf (38) ein Differenzmeßsystem mit wenigstens einer Erregerspule und wenigstens zwei Spulen-Meßelementen zur Diffe renzmessung der Impedanz enthält, und wobei eine Aufzeichnungs- und Anzeigeeinheit vorgesehen ist, an der das/die Signal(e) des/der Signalgeber(s) (44) und die Meßsignale des Absolutmeßsy stems und Differenzmeßsystems anliegen und in der Meßposition des Prüfkopfs (38) entsprechender Zuordnung aufzeichenbar und anzeig bar sind.