NO162537B - Fremgangsm te og anordning for ikke-destruktiv matevning. - Google Patents

Abstract

En fremgangsmåte samt en anord-. ning for bruk ved ikke-destruktiv mate-rialprøvning, særlig av ferromagnetiske og diamagnetiske materialer. Materialprøven () anbringes overfor polonc pfi cn c1cktromagnot (1) og dot sendes således gjennom materialprøven () magnetiske pulser med bestemt definert feltstyrke i løpet av et avgren-set, definert tidsforløp. Prøven (). avmagnetiseres deretter direkte med en vesentlig høyere feltstyrke og i løpet av et vesentlig kortere tidsforløp til det nås et magnetisk potensial lik null. Videre foretas en registrering av restremanensen og opptredende Barkhausen-effekter i løpet av magneti-ser ing s/avmagnetiser ings f or løpet registreres også. De samlede registrerte kurvedata vurderes fortløpende for bestemmelse av materialets struktur, sammensetning og feilsteder i materialet. Anordningen styres ved hjelp av en oscillatoranordning (4,6) med puls-bredderegulatorer (10, 11), som står i forbindelse med elektromagnetens (1). viklinger (2,3) og pulsene registreres over mottagere (7,8), f.eks. av Hall-effekttypen.

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte og en anordning for ikke-destruktiv materialprøving, mer spesielt en fremgangsmåte og en anordning for magnetostrukturelle materialundersøkelser av diamagnetiske, paramagnetiske, ferromagnetiske og ferrimagnetiske materialer.

En rekke fremgangsmåter for ikke-destruktiv prøving av materialer er for tiden kjent i teknikken, som f.eks. radiografi ved hjelp av røntgenstråler, gammastråler eller partikkel-stråling, ultralydprøving, akustisk emisjonsprøving, virvel-strømprøving osv. Disse fremgangsmåtene blir benyttet under en rekke omstendigheter, typisk f.eks. ved ikke-destruktiv prø-

ving av konstruksjonsmaterialer. Resultatene som fås ved slike fremgangsmåter er vanligvis basert på indirekte målemetoder og selv om disse kan være likefremme, er deres tolkning basert på empiriske prosedyrer og forbundet med materialets egenska-

per og feil ved hjelp av en kalibrering mot prøver med kjente egenskaper og tilstander. Tolkningene er derfor utsatt for feil når prøvene har egenskaper og feil som ikke fremgår av de empirisk skaffede kalibreringsdata. Dessuten er sig-nal/støy-forholdene ofte så dårlige at de ikke tillater en nøyaktigere strukturanalyse, f.eks. av materialets krystal-linske egenskaper, gitterfeil, dislokasjoner, spenningsfelt o. 1.

Fra før av er det kjent fremgangsmåter basert på måling av

de magnetiske egenskaper til materialer som skal testes og innretninger er blitt utviklet og benyttet for dette formål.

De fleste av disse metodene er basert på å magnetisere materialene og å registrere enten magnetiseringskurven som vanligvis er kjent som B-H-grafen, eller hysteresesløyfen. Dette tillater bestemmelse av parametre som magnetisk remanens eller koersitivkraften, som kan relateres til materialenes mekaniske egenskaper ved hjelp av empirisk kalibrering. Remanens og koersitivkraft kan f.eks. være avhengige av hardheten til et materiale, da de i noen grad er avhengige av kornstruk-

turen som bestemmer hardheten til det spesifikke materiale.

De kan også være korrelert i forholdsvis nøyaktig grad med materialets strekkfasthet. Små diskontinuiteter eller sprang kan dukke opp i magnetiseringskurven og størrelsen og an-tallet av disse sprangene som er kjent som Barkhausen-effekten, kan måles og analyseres for å påvise eksistensen av feil, sprekker og hulrom i materialet. Som velkjent for fagfolk er Barkhausen-effekten forårsaket av bevegelsene av "de såkalte domenevegger (Bloch-vegger) i et ferromagnetisk materiale,

en bevegelse som i høy grad påvirkes av gitterfeil, dislokasjoner, utskillinger, inklusjoner, sprekker og hulrom og således gir en indikasjon på spenningsfelter og kornegenskaper. Disse fenomener bidrar alle til de observerte diskontinuiteter i magnetiseringskurven. Registrering og analyse av Barkhausen-effekten kan derfor gi viktig informasjon om materialenes egenskaper. En annen fremgangsmåte for magnetisk prøving base-rer seg på bruk av en magnetisk fluks på materialet og registrering av det remanente fluksmønster i materialet. Feil i materialet kan da vise seg som en forstyrrelse av fluksmønste-ret. Bruken av magnetisk måling, f.eks. måling av forandringen av magnetfeltstyrken, er blitt benyttet til tykkelsesprøving av materialer, f.eks. i metallurgisk industri hvor det ønskes kontroll av tykkelsen til valsede eller ekstruderte produkter.

Magnetiske metoder som ovenfor nevnt, er f.eks. angitt og vist i DE-OS 27 46 477 som behandler deteksjonen av feil i magnetiske materialer basert på en analyse av støysignaler generert av Barkhausen-effekten, EP 96 078 som viser on-line hardhets-prøving av stålplater ved hjelp av remanensmåling, GB-PS 1 266 248 som viser bestemmelse av karboninnholdet i ferrolege-ringer ved hjelp av en hardhetsmåling basert på registrering av koersitivkraften og US-PS 4 495 4 65 som viser bruk av magnetiske fluks til ikke-destruktiv prøving ved å detektere en variasjon i fluksmønsteret som angir en variasjon i reluktan-sen og således forekomsten av feil.

Magnetiske prøvemetoder som vist i de ovennevnte patenter,

er vanligvis begrenset til prøving av materialer som er lett magnetiserbare, dvs. ferromagnetiske eller ferrimagnetiske

materialer. Imidlertid reagerer nesten alle materialer og elementer på et ytre, påført magnetfelt, enten de er magnetiserbare eller ikke.

Hensikten med den foreliggende oppfinnelse er å skaffe en

ny, ikke-destruktiv prøvemetode for alle materialer eller elementer som kan magnetiseres, uansett hvor svakt, dvs. alle stoffer hvor de forekommende atomære partikler har et magnetisk moment. Mere spesielt skaffer den foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte for å teste stoffer eller materialer som enten kan være diamagnetiske, paramagnetiske, ferromagnetiske eller ferrimagnetiske. For en generell oversikt over arten av magnetisme og de magnetiske egenskapene til disse stoffene kan det henvises til generelle lærebøker og oppslags-verker som R. Feynman, The Feynman Lectures on Physics, vol. 2

(1964), kap. 34, seksjonene 1-6, kap. 36, kap. 37; William T. Scott, The Physics of Electricity and Magnetism (1959), kap. 8; McGraw-Hill Encyclopedia of Science and Technology: artikler

om "Ferromagnetisme", "Magnetiske materialer" (siste utgave).

Særskilt er det hensikten med den foreliggende oppfinnelse

å skaffe en fremgangsmåte for dybdeanalyse av struktur og egenskaper til de ovennevnte materialer. Enda mer spesielt er det hensikten med den foreliggende oppfinnelse å skaffe en hurtig og pålitelig prøvemetode for å registrere responsen av materialet på et ytre magnetfelt og basere tolkningen av målingene på en kvantitativ analyse av den registrerte respons-kurve og således unngå feilkilder frembragt av støy og måle-unøyaktigheter.

De ovennevnte hensikter oppnås ved en fremgangsmåte og en anordning karakterisert ved de trekk som fremgår av de ved-føyde krav.

Fremgangsmåten ved den foreliggende oppfinnelse er kalt en magnetostrukturell metode da den gir informasjon om strukturen av de testede materialer ved å registrere motinduksjonen frembragt ved rotasjon av magnetiske domener eller innretting av magnetiske momenter i prøven som reaksjon på et ytre vek-selmagnetfelt som benyttes på prøven. Den magnetostrukturelle fremgangsmåte i henhold til oppfinnelsen er således karakterisert ved magnetisering og avmagnetisering av en prøve av materialet, fortrinnsvis med lite volum, og f.eks. ved hjelp av en elektromagnet som definert véd en anordning for å gjennom-føre fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen, hvilken anordning vil omtales detaljert i det følgende. Da det benyttede magnetfelt er et vekselfelt, finner magnetisering og avmagnetisering sted innefor feltets periode. Magnetiseringspulsen har en vesentlig lengre varighet enn avmagnetiseringspulsen, f.eks. fra 1 ms til 100 ms, mot 10 ns til lOms. Energiinnholdet i magnetiseringspulsen holdes likt energiinnholdet i avmagnetiseringspulsen, slik at effekten av hver puls i hver halvsykel av feltperioden vil være ulik og avmagnetiseringspulsen ha større effekt. Da den magnetiske feltstyrke er pro-porsjonal med effekten, sees det lett at avmagnetiseringen vil finne sted ved større feltstyrke enn magnetiseringen. Under avmagnetiseringen detekteres responsen i form av motinduksjon fra prøven ved egnede detektorer og registreres av passende registreringsinstrumenter. Det er vesentlig at den initiale magnetiske tilstand av prøven, dvs. den magnetiske tilstand ved begynnelsen av magnetiseringen gjenopprettes ved slutten av avmagnetiseringsprosessen. I en prøvesyklus holdes frekvensen av magnetiserings/avmagnetiseringssykelen konstant, mens periodens halvsykler reguleres slik at de er asymmetriske med hensyn på tid og magnetisk feltstyrke. En lengre magnetiseringspuls sikrer at tilstrekkelig metning fåes, mens en kort (og derfor) kraftig avmagnetiseringspuls frembringer den sterkeste motinduksjonsrespons mulig med et høyt signal/støy-forhold. Dette er spesielt fordelaktig under prøving av materialer som er svakt magnetiserbare. Prøvesykler med forskjellige frekvenser kan fåes ved å variere frekvensen til vekselfeltet. Feltstyrken til vekselfeltet kan også varieres, og på samme måte asymmetrien av halvsyklene med hensyn til tid og effekt. Videre kan hver halvsykel gis et asymmetriske energi-innhold, dvs. at energien til magnetiseringspulsen bli satt forskjellig fra den til avmagnetiseringspulsen. På denne måten er det mulig å frembringe forskjellige reaksjoner fra prøven. Tids- og frekvensparameterne til de registrerte responskurver kan deretter analyseres for å gi viktig informasjon om materialets egenskaper, informasjon som ikke kan fåes når det benyttes magnetiserings/avmagnetiseringssykler med ikke-vari-erende frekvens og effekt. Økning av frekvensen kan f.eks.

vise tidsresponsen for rotasjonen av domenene eller innrettingen av magnetiske momenter, noe som kan være nyttig i en strukturanalyse. (Det skal betnerkes at prediksjonen av materialstruk-turer og egenskaper fra magnetisk målbare størrelser og om-vendt byr på velkjente vansker, og hovedårsaken til dette er at magnetiske effekter er helt ut kvantemekaniske fenomener og kan ikke beregnes med noen særlig grad av nøyaktig-het eller forstås uttrykt ved klassisk fysikk. I den forbindelse se R.M. White, Quantum Theory of Magnetism, 2. utg., Springer, 1983) .

For diamagnetiske materialer gir den magnetostrukturelle prøve-metode i henhold til oppfinnelsen, informasjon om struktur (faser), gitterfeil, dislokasjoner, sprekker og porer og spenningsfelt. Disse materialene har en meget lav permeabilitet som er lineær og krever følsomme detektorer for å måle motin-duksjonsresponsen. Magnetiseringen og demagnetiseringen gir en infinitesimal hysteresesløyfe med en differensial permeabilitet. De samme omstendigheter gjelder for paramagnetiske materialer og den samme informasjon fåes. Det bør imidlertid bemerkes at magnetiseringen av paramagnetiske materialer er temperaturavhengig.

De ferromagnetiske og ferrimagnetiske materialer blir fortrinnsvis magnetisert i et område hvor den magnetiske permeabilitet er høy. Dette er fordelaktig om man også bestemmer seg for å registere Barkhausen-effekten i tillegg til motinduksjonen for å skaffe ytterligere informasjon om materialstruk-tur og -feil, da Barkausen-effekten er meget mer fremtredende i det såkalte bløtmagnetiske område av magnetiseringskurven. For å nå dette område kan en umagnetisert ferromagnetisk eller ferrimagnetisk prøve utsettes for et statisk DC-magnetfelt på hvilket vekselfeltet kan være overlagret. Det skal imidlertid bemerkes at bruk av vekselfeltet alene vil generere et restmagnetfelt i prøven og således øke dens magnetisering inntil denne motvirkes av den voksende reluktans i prøven. Det er imidlertid ikke en forutsetning at prøvingen finner sted i høypermeabilitetsområdet, da bruken av følsomme detektorer tillater at målinger f.eks. kan gjøres i den initiale hard-magnetiske område. Hysteresesløyfen vil da være essensielt infinitesimal, ellers kan det fåes en minisløyfe med trinnpermeabilitet. Koersitivkraft og remanens kan måles på vanlig måte.

Deteksjonen av innvendige feil som sprekker, hulrom, utskillinger og inklusjoner oppnås lett under avmagnetiseringen, hvor slike feil viser seg i magnetiseringskurvene som diskontinuiteter. Ved slik prøving vil det være fordelaktig å kali-brere kurvene empirisk mot resultater som fås med en standard-prøve med kjente egenskaper. For å detektere spenningsfelter holdes prøvene i ro. Ved å sammenligne utviklingen av spenningsfelter kan man være i stand til å påvise tretthet i prøve-materialet, selv når prøven er permanent plassert i et kon-struksjonselement, da prøvingen kan utføres på stedet med en egnet anordning. Videre kan fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen benyttes ved prøver som beveges relativt til anord-ningen, f.eks. ved translasjon eller rotasjon, og det vil derved være mulig å lokalisere feil og bestemme romlige varia-sjoner i materialstrukturen. Således kan det for ferromagnetiske og ferrimagnetiske materialer det måles en rekke parametre ved hjelp av den magnetostrukturelle fremgangsmåte i henhold til oppfinnelsen, i tillegg til deteksjon og registrering av motinduksjonen.

Anordningen i henhold til oppfinnelsen skal nå beskrives mer detaljert ved hjelp av foretrukne utførelser vist på tegnin-gen . Fig. 1 viser skjematisk blokkdiagrammet for en anordning i henhold til den foreliggende oppfinnelse. Fig. 2 viser detaljert en utførelse av anordningens magnetise-ringsinnretningen. Fig. 3 viser en modifisert utførelse av magnetiseringsinnret-ningen.

Magnetisering og avmagnetisering av en prøve M oppnås ved hjelp av en i og for seg kjent elektromagnet 1, som f.eks.

kan ha U-form som vist på fig. 1 eller være formet som en stav e.l. Fig. 1 viser således en U-formet ferritkjerne for magnetisering, med en spole 2 og en spole 3. Apparatet omfatter en oscillator som består av en driverkrets 4 for puls-breddekontroll og som driver en transistor 5 forbundet med spolen 2, som f.eks. kan ha tre ganger så mange vindinger som spolen 3, som er forbundet med en driverkrets 6 via en annen transistor 5'. Oscillatorene kan ha samme spenning eller de kan ha en styrt strømforsyning for å regulere feltstyrken. Pulsbredderegulatorene 10 og 11 skaffer en forhåndsbestemt varighet av hanholdsvis magnetiseringspulsen og avmagnetiseringspulsen. Over prøven M og inne i magneten 1 er det anordnet to detektorer 7 og 8 som vist på fig. 1. Detektorene bør ha en høy magnetisk følsomhet, men de kan også bestå av små ferritkjerner med spoler for å detektere den dynamiske felt-styrkeforandring i prøven M eller de kan være høyfølsomme detektorer for deteksjon av motinduksjon. Signalene fra detektorene kan gis til et oscilloskop, en komparator eller en datamaskin for enten å foreta en enkel sammenligning av detek-torpulsene for å finne uoverensstemmelser mellom pulsene i tilfelle apparatet benyttes til deteksjon av defekter i materialet, eller i tilfelle av mer kompliserte strukturanalyser underkastes detektorenes utgangssignaler en mer raffinert analyse ved hjelp av matematiske metoder.

For å foreta målinger med anordningen plassert på en viss avstand fra prøven eller for å oppnå en bedre dybdeinntrengning i prøven, er det anordnet hjelpespoler 12, 13 for å fordele magnetfeltet fra elektromagneten, dvs. den magnetiske puls-emitter, til en ønsket avstand eller dybde i materialet ved bruk av variable motstander 14, 15. Emitter/detektor-systemet er uavhengig av avstandsvariasjon da utgangssignalet i alt vesentlig bare har en amplitudevariasjon, hvorimot frekvensva-riasjonen er meget liten, slik at en analyse av detektorut-gangssignalet kan utføres uansett amplituden. På denne måte fåes det en betydelig forbedring av signal/støyforholdet sam-menlignet med andre magnetiske eller induktive metoder. Ved å forandre forholdet mellom magnetiserings- og avmagnetiserings-strømmen i emitterspolene ved hjelp av de individuelt styrbare oscillatorspenninger, kan andre egenskaper til prøven under-søkes, såsom remanens og permeabilitet i martensitiske eller austenitiske materialer-. Restspenninger etter sveising og varmebehandling såvel som strukturfeil i materialet kan detekteres på samme måte.

En måling av tykkelsen til et materiale, f.eks. til en vegg-tykkelse kan fordelaktig gjøres ved å benytte en magnetise-ringsinnretning som vist på fig. 3. Målingen av veggtykkelser blir således utført som vist med to store U-formede ferritkjerner anordnet inne i hverandre. Den første ferritkjerne 1

blir i den forbindelse utstyrt med tre spoler, 2, 3, 19. Den annen ferritkjerne 15 blir likeledes forsynt med tre spoler,

16, 17 og 18. Kjernene 1 og 15 befinner seg på en viss avstand relativt til prøven som skal undersøkes. Spolene 2 og 3 er hver forbundet med en oscillator som vist på fig. 1. Oscillatorene styrer nå parameterne til pulsene som emitteres av spo-

lene 2, 3 slik at materialet blir fullstending avmagnetisert. Ferritkjernen 15 er dannet på samme måte som ferritkjernen

1, men har fått mindre fysiske dimensjoner for å kunne plas-seres inne i ferritkjernen 1. Spolene 2, 3 og 16, 17 arbeider i fase, men med forskjellig feltstyrke, avhengig av material-typen og veggtykkelsen, og med samme polaritet.

Spolene 18 og 19 er detektorspoler og deres utgangssignaler

blir likeledes matet til en komparator eller datamaskin for analyse. Med en passende feltstyrkeforhold i emitterspolene vil detektorspolene registrere den samme amplitude og den samme bølgeform. Variasjon av veggtykkelsen vil gjøre at mag-

netfeltet fra kjernen i 1 forlater materialet og de magnetiske tap reduseres, og således gjør at amplituden som detekteres i detektorspolen 19, øker i forhold til reduksjonen i veggtykkelsen .

Claims (9)

1. Fremgangsmåte ved en magnetostrukturell materialunder-søkelse og ikke-destruktiv materialprøving av diamagnetiske, paramagnetiske, ferromagnetiske og ferrimagnetiske materialer, karakterisert ved at den omfatter følgende trinn: a) å generere et vekselmagnetisk felt hvis periode består av en første halvsykel som utgjør en magnetiseringspuls og en annen halvsykel som utgjør en demagnetiseringspuls, b) å regulere styrken av det magnetiske felt, idet energiinnholdet av henholdsvis magnetiseringspulsen og demagneti-seringspulsen reguleres slik at det enten er tilnærmet det samme for de to pulser eller slik at det er vesentlig forskjellig for de to pulser, c) å regulere pulsperioden av det vekselmagnetiske felt slik at varigheten av magnetiseringspulsen er vesentlig større enn varigheten av avmagnetiseringspulsen, hvorved avmag-netiseringspulsens effekt eller magnetiske feltstyrke blir høyere enn magnetiseringspulsens effekt eller magnetiske feltstyrke, d) å plassere det materiale som skal undersøkes i vekselmagnetfeltet slik at materialet magnetiseres og demagneti-seres om det er et ferromagnetisk eller et ferrimagnetisk materiale, eller eksiteres magnetisk om det er et diamag-netisk eller et paramagnetisk materiale, e) å måle den av det undersøkte materiale genererte motinduksjon, fortrinnsvis under den annen halvsykel som utgjør avmagnetiseringspulsen og f) å registrere den målte motinduksjons tidsforløp.

2. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved at Barkhausen-effekten, koersivitetskraften og remanensen måles i ferromagnetiske eller ferrimagnetiske materialer og tidsforløpet av de målte verdier registreres.

3. Fremgangsmåte i henhold til krav 1 eller 2, karakterisert ved at den dessuten omfatter et trinn for å regulere vekselmagnetfeltet ved å variere vekselmagnetfeltets frekvens.

4. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved at magnetiseringspulsen genereres som en firkantbølge med en varighet på 0,001-0,ls, mens avmagnetiseringspulsen genereres som en sinusbølge med en varighet på 10 ns til 10 ms, idet avmagnetiseringen finner sted ved en feltstyrke som fortrinnsvis er 2-100 ganger større enn feltstyrken under magnetiseringen.

5-Fremgangsmåte i henhold til et av de foregående krav, hvor materialet som skal undersøkes er ferromagnetisk eller ferrimagnetisk, karakterisert ved at materialet magnetiseres og avmagnetiseres i det bløtmagnetiske område av materialets hysteresesløyfe eller i et område av hysteresesløyfen hvor den magnetiske permeabilitet av materialet er høy, idet vekselmagnetfeltet i hver periode genere-rer en liten hysteresesløyfe med trinnpermeabilitet.

6. Fremgangsmåte i henhold til et av de foregående krav, karakterisert ved at undersøkelsen av materialet utføres samtidig som materialet beveges relativt til magnetfeltet, fortrinnsvis ved forskyvning eller rotasjon.

7. Apparat for å gjennomføre fremgangsmåten i henhold til et av de foregående krav, karakterisert ved at det omfatter minst en elektromagnet (1) forsynt med ferritkjerne og fortrinnsvis to viklinger (2, 3), anbragt i umiddelbar nærhet av materialprøven (M) som skal undersøkes, at elektromagnetens viklinger (2, 3) er forbundet med en puls-breddestyrt oscillator, idet hver vikling (2, 3) fortrinnsvis er tilkoblet en oscillator (4, 5; 5', 6) for å styre forløpet av magnetiseringspulsene og avmagnetiseringspulsene, og at det dessuten omfatter detektorer (7, 8) for å utføre målingene, idet detektorutgangene er forbundet med en re-gistreringsinnretning, slik som et oscilloskop, en komparator eller en datamaskin.

8. Apparat i henhold til krav 7, karakterisert ved at sekundære viklinger (12, 13) er anordnet i umiddelbar nærhet av endeområdene på ferritkjernene som vender mot prøven (M) for å oppnå en dypere inntrengning, idet feltstyrken til sekundærviklingene (12, 13) kan styres for å vekselvirke med elektromagnetens (1) magnetfelt .

9. Apparat i henhold til krav 8, karakterisert ved at det er anordnet to U-formede ferritkjerner (1, 15), den ene innefor den andre, idet viklingene (2,3, 16, 17) til de to ferritkjerner arbeider i fase, men med forskjellige feltstyrker, for å utføre tykkel-sesmålinger.