WO2010045936A2 - Wirbelstromsensor und verfahren zum ermitteln von aufgrund thermischer einflüsse veränderter werkstoffeigenschaften in einem zu untersuchenden bauteil mit hilfe desselben - Google Patents

Wirbelstromsensor und verfahren zum ermitteln von aufgrund thermischer einflüsse veränderter werkstoffeigenschaften in einem zu untersuchenden bauteil mit hilfe desselben Download PDF

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WO2010045936A2
WO2010045936A2 PCT/DE2009/001472 DE2009001472W WO2010045936A2 WO 2010045936 A2 WO2010045936 A2 WO 2010045936A2 DE 2009001472 W DE2009001472 W DE 2009001472W WO 2010045936 A2 WO2010045936 A2 WO 2010045936A2
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bore
eddy current
current sensor
component
electrical conductivity
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Wolf-Dieter Feist
Gerhard Mook
Fritz Michel
Original Assignee
Mtu Aero Engines Gmbh
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/72—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables
    • G01N27/82—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws
    • G01N27/90—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws using eddy currents
    • G01N27/9013—Arrangements for scanning
    • G01N27/902—Arrangements for scanning by moving the sensors

Definitions

  • the present invention relates to an eddy current sensor according to claim 1 and to a method according to claim 8 for determining due to thermal influences changed material properties, which result in the production of bores in a component to be examined, with the aid of the eddy current sensor.
  • Eddy current tests of components to be examined, in particular of holes, for cracks are a known method.
  • a differential coil is guided as an eddy current sensor in the circumferential direction over the bore surface.
  • WO 99/27358 discloses a method for determining disadvantageous surface changes, e.g. Hard inclusions or residual stresses in manufactured workpieces, in particular in through holes of these workpieces, known.
  • an eddy current absolute sensor is used, which almost completely fills a bore formed in the workpiece to be examined in order to generate a flow of current in the bore wall in the circumferential direction, in particular it is known from WO 99/27358, this method for workpieces made of titanium or to apply its alloys.
  • the object is achieved with an eddy current sensor according to claim 1 and a method according to claim 8, which uses this eddy current sensor.
  • the edge influence is reduced in eddy current measurements, in particular for the determination of based on thermal influences material properties in holes. Furthermore, the present invention ensures that measurement signals based on changes in geometry of the component and measurement signals based on changes in the electrical conductivity of the material of the component to be examined can be clearly distinguished from one another.
  • the invention is advantageous in the testing of bores in special nickel-based alloys, such as e.g. Inconel 718 where manufacturing irregularities have occurred and are therefore suspect and could result in a lifetime loss of the component during operation.
  • the components were scrapped at irregularities especially in marginal areas at the entrance and exit of the holes, as there was no possibility to check for material irregularities.
  • the abovementioned nickel-base alloys are generally materials whose main constituent consists of nickel and which are produced with at least one other chemical element, usually by means of a melting process. These alloys have good corrosion and / or high temperature resistance. Some of them have special physical properties, such as a certain electrical resistance, a controlled thermal expansion, mmg, special magnetic properties and the like. In particular, these nickel-base alloys (such as Inconel 718) are used in aviation, for example in engines, turbines, fasteners, etc.
  • an eddy current sensor has a sensor body and a coil wound around the sensor body.
  • the sensor is at each coil end with a component with high electrical conductivity, z. B. copper (hereinafter referred to as copper component) provided.
  • copper component copper (hereinafter referred to as copper component) provided.
  • This sensor is used in a method for determining changes in material properties due to thermal influences, which occur during the production of bores in a component to be examined.
  • the eddy current sensor has the coil, at each of which a copper component is arranged at both ends, through the copper components, the edge influence during insertion into a bore and on exit from the bore of the component to be examined (eg a plate in which at least one through-hole is formed) and to provide a corresponding shielding.
  • nickel-based alloys such as e.g. Inconel 718 also reduces its electrical conductivity due to thermal damage (e.g., going into solution from stabilized phases) in parallel with reducing the component's hardness, these changes in electrical conductivity as the eddy current sensor is inserted and passed into the bore.
  • the edge effect is suppressed by field shaping and a measurement signal detecting the material irregularities is already obtained in the edge regions of the bore. For example, At a measuring frequency of 2.5 MHz the edge effect is only approx. 1 mm or approx. 1.5 mm at a measuring frequency of 0.5 MHz.
  • the copper components are part of the coil or the sensor body. They can be formed quasi in one piece on the coil or the sensor body.
  • the determination method according to the invention comprises the following steps:
  • a conventional eddy current device for example, with the use of eddy currents.
  • a phase angle is set such that the influence of diameter fluctuations of the bore of the test body can be completely represented separately from the electrical conductivity signal in the measurement signal.
  • the signal representing the diameter variations has a different phase angle in the complex plane than the signal from the conductivity.
  • the two signals are thus shifted within the measuring signal by a predetermined phase angle (for example by 90 °).
  • the conductivity signal can thus be used directly to detect the thermal damage, if any, in the bore.
  • Damages are basically to be distinguished from material defects such as cracks. Therefore, by distinguishing by the phase angle, a direct use of the electrical conductivity signal for evaluating the thermal influences within the material of the bore is possible, and in particular, this method is so advantageous due to the structure of the eddy current sensor with the coil having copper components at both coil ends, that the edge influences during insertion and exit from the bore are reduced with respect to the axial insertion length of the sensor, ie, that by the field shaping by means of copper components (eg copper discs in a cylindrical measuring sensor) the edge influence only in the edge region the hole of ⁇ 1.5 mm preferably ⁇ 1 mm based on the component surface adjusts.
  • copper components eg copper discs in a cylindrical measuring sensor
  • thermal material damage may occur towards the end of a drill feed direction (eg due to limited chip removal from the bore), the difference between an electrical conductivity between different zones (ring zones of the bore surface ) of the bore, or the electrical conductivity of the bore to be examined is determined and determined in comparison to a reference bore (eg a neighboring bore) whose electrical conductivity has already been determined along the bore surface.
  • a reference bore eg a neighboring bore
  • the conductivity at the respective ring zones of the bore can be determined by measuring changes in the impedance of the coil.
  • An inventive eddy current sensor has a cylindrical sensor body.
  • a recess (groove) is formed.
  • the groove is circumferential in the circumferential direction.
  • two copper discs are arranged in the groove.
  • a winding (coil) around the sensor body in the groove wound.
  • the outer diameter of the copper discs and the sensor body are substantially the same size and have a diameter of 7.0 mm.
  • the winding has a slightly smaller outer diameter than the sensor body and the copper discs.
  • a truncated cone is formed at one end of the sensor body of the eddy current sensor.
  • This truncated cone is formed at that end which is first inserted into a bore of a component to be examined (eg, a through-hole plate). This is described below accordingly.
  • a handle is arranged, with which a user or a machine can hold the eddy current sensor and thus introduce it into the bore to be examined.
  • electrical connection lines are arranged in order to provide the coil with a voltage or current accordingly.
  • the copper disks serve in particular as a shield and thus to reduce an edge influence when the eddy current sensor is inserted into the bore to be examined, which is described in detail below. That Field deformation by means of the copper discs achieves a minimized edge effect.
  • Eddy current sensor is an internal flow sensor type sensor with a parametric diameter of the cylindrical sensor body of 7.0 mm;
  • the eddy current sensor of the exemplary embodiment is first adjusted in a conventional bridge circuit with the eddy current device described above, ie an equilibrium state is established, which is disturbed by changes in the ohmic resistance.
  • This disturbance can be caused, for example, by small changes in the bore diameter (comparable to the "lift-off for push-button sensors).
  • This lift-off often leads to a complex level Signal that is shifted by a phase angle with respect to the signal from the electrical conductivity change of the material such as due to hardness inclusions or residual stresses (due to thermal influences changed material properties), for example by 90 °.
  • material overheating such as e.g. Hardness inclusions or residual stresses in bores of the component made of the nickel-based material Inconel 718 may have arisen.
  • these thermal damages are again hardening material structure phases that go into solution.
  • these resistances increase the ohmic resistance of the material 718, as a result of which the electrical conductivity decreases.
  • the method can thus be used to determine the corresponding material properties along the bore, wherein the disruptive effect of the lift-off (changes in the bore diameter) can be completely eliminated from the desired measurement signal.
  • the eddy current sensor After adjusting the measuring signals of the eddy current sensor, the eddy current sensor is filled with the hole almost completely filled
  • the electrical conductivity at the respective ring zones is determined by measuring changes in the impedance of the coil.
  • the respective differences of the electrical conductivity between the respective annular zones of the bore can thus be determined and thereby the changes in the material properties due to thermal influences in the surface of the bore can be determined.
  • the differences in the electrical conductivity in the respective annular zones between the bore to be examined and an already examined reference bore can be determined, as a result of which the material properties changed in the surface of the bore can also be determined unambiguously due to thermal influences.
  • the edge effect when entering and exiting into the bore to be examined can be minimized. That is, the electrical conductivity can be uniquely determined shortly after the occurrence of or almost to the leakage of the eddy current sensor (in particular the coil) along the entire surface in the axial direction and circumferential direction of the bore. This is particularly advantageous since, in particular during the manufacture (eg drilling) of the bore to be examined in the component thermal damages due to a limited chip removal from the bore arise at the end, which in particular this thermal damage to the respective axial ends of the bore, if present, can be determined with the eddy current sensor and the corresponding method according to the invention.
  • the insertion direction of the eddy current sensor coincides with the feed direction of the tool for producing the bore.
  • the separation of the influences of electrical conductivity and the diameter variations of the bore is given, which manifests itself in the phase shift in the complex plane of the received signal of the eddy current sensor.
  • this phase angle By setting this phase angle to a predetermined value, eg at a In a predetermined solid state (eg a hole with stepped sections), the influence of the electrical conductivity and the influence of the diameter variations of the bore can be completely separated.
  • thermal damage that can be caused by the production of the bore can then be detected destruction-free with the eddy current sensor according to the method according to the invention.
  • the evaluation of these results can be automatically recorded, for example, with a computer and visualized accordingly or stored in databases.
  • the method according to the invention is in particular a vortex current test method for determining material properties with an eddy current sensor of an absolute type with a coil.
  • a type B300 eddy current tester is used.
  • a workpiece is a plate having a plurality of bores, which has a reference bore.
  • this reference bore By means of this reference bore, as described above, the respective phase shifts between the individual measurement signals have been set on the basis of the electrical conductivity and the diameter fluctuations.
  • the method according to the invention can also be used in the material testing of surfaces, methods for determining material properties and their changes due to thermal influences in blind holes, or methods for detecting material mix-ups.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wirbelstromsensor mit einem Sensorkörper und einer Spule, die um den Sensorkörper gewickelt ist, wobei der Sensor an jedem Spulenende mit einem Bauteil mit hoher elektrischer Leitfähigkeit versehen ist, und auf Verfahren zum Ermitteln von aufgrund thermischer Einflüsse veränderter Werkstoffeigenschaften, die bei der Herstellung von Bohrungen in einem zu untersuchenden Bauteil entstehen, mit Hilfe des Wirbelstromsensors.

Description

Wirbelstromsensor und Verfahren zum Ermitteln von aufgrund thermischer Einflüsse veränderter Werkstoffeigenschaften in einem zu untersuchenden Bauteil mit Hilfe desselben
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Wirbelstromsensor gemäß Anspruch 1 und auf ein Verfahren gemäß Anspruch 8 zum Ermitteln von aufgrund thermischer Einflüsse veränderter Werkstoffeigenschaften, die bei der Herstellung von Bohrungen in einem zu untersuchenden Bauteil entstehen, mit Hilfe des Wirbelstromsensors.
Wirbelstromprüfungen von zu untersuchenden Bauteilen, insbesondere von Bohrungen, auf Risse, sind ein bekanntes Verfahren. Bei diesem Verfahren wird eine Differenzspule als Wirbelstromsensor in Umfangsrichtung über die Bohrungsoberfläche geführt. Durch dieses Verfahren lassen sich insbesondere parallel zur Bohrungsachse verlaufende Risse in dem Bauteilmaterial sehr gut nachweisen.
Des Weiteren ist aus der WO 99/27358 ein Verfahren zum Bestimmen von nachteiligen Oberflächenveränderungen wie z.B. Härteeinschlüssen oder Restspannungen in gefertigten Werkstücken, insbesondere in Durchgangsbohrungen dieser Werkstücke, bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein Wirbelstromabsolutsensor verwendet, der eine in dem zu untersuchenden Werkstück ausgebildete Bohrung nahezu vollständig ausfüllt, um einen Stromfluss in der Bohrungswand in Umfangsrichtung zu erzeugen, insbesondere ist es aus der WO 99/27358 bekannt, dieses Verfahren bei Werkstücken aus Titan oder dessen Legierungen anzuwenden.
Jedoch ist es ein Nachteil dieses Verfahrens, dass beim Einführen und Austreten des Sensors in bzw. aus der Bohrung die Messergebnisse aufgrund der von Kanteneinflüs- sen an den beiden Enden der Bohrung schlechteren Erzeugung von Wirbelströmen erst ab einer bestimmten Einführtiefe des Sensors in der Bohrung die vorliegende Oberflächenbeschaffenheit wiedergeben. D.h., etwaige thermische Schädigungen im Randbereich der Bohrungen können nicht bestimmt werden, dies ist nicht wünschenswert, da beim Bohren von Bohrungen insbesondere thermische Schädigungen eher zum Ende einer Bohrung hin entstehen (aufgrund von einer eingeschränkten Spanabfuhr aufgrund eines längeren Spanabfuhrwegs).
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wirbelstromsensor und ein Verfahren zum Ermitteln von aufgrund thermischer Einflüsse veränderter Werkstoffeigenschaften bereitzustellen, mit denen die Nachteile des Stands der Technik überwunden werden.
Die Aufgabe ist mit einem Wirbelstromsensor gemäß Anspruch 1 und einem Verfahren gemäß Anspruch 8, das diesen Wirbelstromsensor verwendet, gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
Es ist ein Vorteil der Erfindung, dass der Kanteneinfluss bei Wirbelstrommessungen insbesondere zur Ermittlung von aufgrund thermischer Einflüsse basierender Werkstoffeigenschaften in Bohrungen verringert ist. Des Weiteren wird durch die vorliegende Erfindung sichergestellt, dass auf Geometrieänderungen des Bauteils basierende Messsignale und auf Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit des Materials des zu untersuchenden Bauteils basierende Messsignale eindeutig voneinander unterschieden werden können.
Insbesondere ist die Erfindung vorteilhaft bei der Prüfung von Bohrungen in speziellen Nickelbasislegierungen wie z.B. Inconel 718 anwendbar, bei denen Unregelmäßigkeiten bei der Herstellung aufgetreten sind und die daher suspekt sind und eine Lebensdauer- einbüße des Bauteils im Betrieb nach sich ziehen könnten. Gemäß dem Stand der Technik wurden bei Unegelmäßigkeiten speziell in Randbereichen am Eingang und Ausgang der Bohrungen die Bauteile verschrottet, da bislang keine Möglichkeit zu deren Überprüfung auf Materialunregelmäßigkeiten bestand.
Die vorstehend genannten Nickelbasislegierungen (z.B. Inconel 718) sind im Allgemeinen Werkstoffe, deren Hauptbestandteil aus Nickel besteht und die mit mindestens einem anderen chemischen Element meist mittels eines Schmelz Verfahrens erzeugt werden. Diese Legierungen verfügen über eine gute Korrosions- und/oder Hochtemperaturbeständigkeit. Einige von ihnen weisen spezielle physikalische Eigenschaften auf, wie z.B. einen bestimmten elektrischen Widerstand, eine kontrollierte thermische Ausdeh- mmg, besondere magnetische Eigenschaften und dergleichen. Insbesondere werden diese Nickelbasislegierungen (wie z.B. Inconel 718) in der Luftfahrt, z.B. bei Triebwerken, Turbinen, Befestigungsteilen etc. verwendet.
Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung hat ein Wirbelstromsensor einen Sensorkörper und eine Spule, die um den Sensorkörper gewickelt ist. Der Sensor ist an jedem Spulenende mit einem Bauteil mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, z. B. aus Kupfer (im weiteren Text als Kupferbauteil bezeichnet) versehen. Dieser Sensor wird in einem Verfahren zum Ermitteln von aufgrund thermischer Einflüsse veränderter Werkstoffeigenschaften, die bei der Herstellung von Bohrungen in einem zu untersuchenden Bauteil entstehen, verwendet.
Gemäß dem Gesichtspunkt der Erfindung hat der Wirbelstromsensor die Spule, an der an ihren beiden Enden jeweils ein Kupferbauteil angeordnet ist, um durch die Kupfer- bauteile den Kanteneinfluss beim Einführen in eine Bohrung und beim Austreten aus der Bohrung des zu untersuchenden Bauteils (z.B. eine Platte, in der zumindest eine Durchgangsbohrung ausgebildet ist) zu reduzieren und eine entsprechende Abschirmung bereitzustellen. Da sich insbesondere bei Nickelbasislegierungen wie z.B. Inconel 718 aufgrund von thermischen Schädigungen (z.B. in Lösung gehen von stabilisierten Phasen) parallel zur Reduzierung der Härte des Bauteils auch dessen elektrische Leitfähigkeit reduziert, können diese Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit beim Einführen und Durchführen des Wirbelstromsensors in die Bohrung entsprechend ermittelt werden. Durch das Vorsehen der Kupferbauteile wird der Kanteneffekt durch Feldformung unterdrückt und bereits in den Randbereichen der Bohrung ein die Materialunre- gelmäßigkeiten erfassendes Messsignal gewonnen. Z.B. beträgt bei einer Messfrequenz von 2,5 MHz der Kanteneffekt nur ca. 1 mm bzw. bei einer Messfrequenz von 0,5 MHz ca. 1,5 mm.
Bevorzugt sind die Kupferbauteile Bestandteil der Spule oder des Sensorkörpers. Sie können quasi einstückig an der Spule oder dem Sensorkörper ausgebildet sein.
Bevorzugt weist das erfindungsgemäße Ermittlungsverfahren die folgenden Schritte auf:
- Einstellen von Messsignalen des Wirbelstromsensors derart, dass sich ein auf Geometrieänderungen des Bauteils basierendes Messsignal und ein auf Ände- 72
rungen der elektrischen Leitfähigkeit des Bauteils basierendes Messsignal um einen bestimmten Phasenwinkel unterscheiden,
- Einfuhren des Wirbelstromsensor in eine zu untersuchende Bohrung des Bauteils, - Anlegen einer Spannung an die Spule, wodurch ein Magnetfeld erzeugt wird und Wirbelströme in Umfangsrichtung in der Oberfläche der Bohrung induziert werden,
- Messen der elektrischen Leitfähigkeit an jeweiligen Ringzonen der Bohrung entlang deren Achsrichtung, und - Bestimmen der Werkstoffeigenschaften entlang der Bohrungsoberfläche aufgrund der gemessenen elektrischen Leitfähigkeit an den jeweiligen Ringzonen.
Bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ermittlung von aufgrund thermischer Einflüsse veränderter Werkstoffeigenschaften und Änderungen der elektri- sehen Leitfähigkeit in dem Material des zu untersuchenden Bauteils anhand der Verwendung von Wirbelströmen ein übliches Wirbelstromgerät z.B. mittels eines definierten Testkörpers (Referenzkörper z.B. eine Referenzbohrung mit vorbestimmten Durchmessersprüngen) ein Phasenwinkel derart eingestellt, dass der Einfluss von Durchmesserschwankungen der Bohrung des Testkörpers vollkommen von dem elektrischen Leit- fähigkeitssignal in dem Messsignal getrennt darstellbar ist. Das Signal, das die Durchmesserschwankungen wiedergibt, hat in der komplexen Ebene einen anderen Phasenwinkel als das Signal aus der Leitfähigkeit. Die beiden Signale sind somit innerhalb des Messsignals um einen vorbestimmten Phasenwinkel verschoben (z.B. um 90°). Das Leitfähigkeitssignal kann somit direkt zum Nachweis der thermischen Schädigungen, falls vorhanden, in der Bohrung genutzt werden. Diese thermischen Eigenschaften bzw.
Schädigungen sind grundsätzlich von Materialdefekten wie z.B. Rissen zu unterscheiden. Daher ist durch die Unterscheidung anhand des Phasenwinkels eine direkte Nutzung des elektrischen Leitfähigkeitssignals zur Beurteilung der thermischen Einflüsse innerhalb des Materials der Bohrung möglich, und insbesondere ist dieses Verfahren aufgrund des Aufbaus des Wirbelstromsensors mit der Spule, der an beiden Spulenenden Kupferbauteile hat, derart vorteilhaft, dass die Kanteneinflüsse beim Einsetzen und Austreten aus der Bohrung hinsichtlich der axialen Einführlänge des Sensors reduziert sind, d.h., dass sich durch die Feldformung mittels den Kupferbauteilen (z.B. Kupferscheiben bei einem zylindrischen Messsensor) der Kanteneinfluss erst im Randbereich der Bohrung von <1,5 mm bevorzugt <1 mm bezogen auf die Bauteiloberfläche einstellt.
Somit kann bevorzugt, da beim Ausbilden insbesondere beim Bohren der zu untersu- chenden Bohrung ggf. thermische Materialschädigungen eher zum Ende hin einer Bohrervorschubrichtung entstehen (z.B. durch eine eingeschränkte Spanabfuhr aus der Bohrung), die Differenz einer elektrischen Leitfähigkeit zwischen verschiedenen Zonen (Ringzonen der Bohrungsoberfläche) der Bohrung ermittelt werden oder die elektrischen Leitfähigkeit der zu untersuchende Bohrung im Vergleich zu einer Referenzboh- rang (z.B. einer Nachbarbohrung), deren elektrische Leitfähigkeit entlang der Boh- rungsoberfläche bereits bestimmt wurde, bestimmt und ermittelt werden.
Bevorzugt kann die Leitfähigkeit an den entsprechenden Ringzonen der Bohrung durch Messen von Impedanzänderungen der Spule bestimmt werden.
Mit der vorliegenden Erfindung können die folgenden Vorteile erzielt werden:
- Zerstörungsfreie Prüfung der Bauteile mit suspekten Bohrungen auf deren Verwendbarkeit;
- Reduzierung des Kanteneinflusses bei der Wirbelstromprüfung mittels der Spule mit den beidseitig angeordneten Kupferbauteilen,
- Trennen des auf Geometrieänderungen des Bauteils basierenden Messsignals und des auf Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit des Bauteils basierenden Messsignals durch Bestimmen eines Phasenwinkels zwischen diesen Signalen, - Vermeidung unnötiger Verschrottungen von Bauteilen aufgrund von Unsicherheiten in der Bewertung von Materialanomalien, wodurch sich die Ausschusskosten und Herstellungskosten erheblich verringern, und
- Vermeidung der Verwendung von aufgrund thermischer Unregelmäßigkeiten unsicheren Bauteilen, welche u.U. im Betrieb bersten könnten.
Nachstehend ist ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Ein erfindungsgemäßer Wirbelstromsensor gemäß dem vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel hat einen zylindrischen Sensorkörper. In dem zylindrischen Sensorkörper ist eine Vertiefung (Nut) ausgebildet. Die Nut ist in Umfangsrichtung umlaufend. An den beiden Stirnflächen der Nut sind zwei Kupferscheiben in der Nut angeordnet. Zwischen den beiden Kupferscheiben ist eine Wicklung (Spule) um den Sensorkörper in der Nut gewickelt. Der Außendurchmesser der Kupferscheiben und des Sensorkörpers sind im Wesentlichen gleich groß und haben einen Durchmesser von 7,0 mm. Die Wicklung hat einen geringfügig kleineren Außendurchmesser als der Sensorkörper und die Kupferscheiben. An einem Ende des Sensorkörpers des Wirbelstromsensors ist ein Kegel- stumpf ausgebildet. Dieser Kegelstumpf ist an jenem Ende ausgebildet, das in eine zu untersuchende Bohrung eines zu untersuchenden Bauteils (z.B. eine Platte mit Durchgangsbohrung) zuerst eingefügt wird. Dies ist nachstehend entsprechend beschrieben. An dem anderen Ende des Sensorkörpers ist ein Haltegriff angeordnet, mit dem ein Anwender bzw. eine Maschine den Wirbelstromsensor halten und somit in die zu unter- suchende Bohrung einführen kann. Innerhalb des Griffs und des Sensorkörpers sind elektrische Anschlussleitungen angeordnet, um die Spule entsprechend mit einer Spannung bzw. Strom versorgen zu können.
Die Kupferscheiben dienen insbesondere als Abschirmung und damit zur Reduzierung eines Kanteneinflusses, wenn der Wirbelstromsensor in die zu untersuchende Bohrung eingesetzt wird, was nachstehend ausführlich beschrieben ist. D.h. durch Feldumformung mittels der Kupferscheiben wird ein minimierter Kanteneffekt erzielt.
Der beschriebene Wirbelstromsensor gemäß dem Ausführungsbeispiel kann die folgen- den Spezifikationen aufweisen:
- Wirbelstromsensor ist ein Sensor der Innendurchlaufsensorbauart mit einem parametrischen Durchmesser des zylindrischen Sensorkörpers von 7,0 mm;
- Außendurchmesser der Kupferscheiben: 7,0 mm;
- Kanteneinfluss bei einer Messfrequenz von 2,5 MHz: ca. 1 mm - Kanteneinfluss bei einer Messfrequenz von 0,5 MHz: ca. 1,5 mm
- Kompensation des Spulenlehrwerts möglich
- Messfrequenzbereich: 300 kHz bis 4 MHz
- Anschaltung (Ansteuerung) mit Wirbelstromprüfgerät B 300 oder Bl mittels Brückenadapter (z.B. Bl-BZH) - Prüfbare Bohrungstiefe: 30 mm
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Wirbelstromsensor des Ausführungsbeispiels zunächst in einer üblichen Brückenschaltung mit dem vorstehend beschriebenen Wirbelstromgerät abgeglichen, d.h. ein Gleichgewichtszustand wird hergestellt, der durch Veränderungen des ohmschen Widerstands gestört wird. Diese Störung kann z.B. durch kleine Änderungen des Bohrungsdurchmessers entstehen (vergleichbar mit dem „Lift-off bei Tastsensoren). Dieser Lift-off führt oft in der komplexen Ebene zu einem Signal, dass unter einem Phasenwinkel gegenüber dem Signal aus der elektrischen Leitfähigkeitsänderung des Materials wie z.B. aufgrund von Härteeinschlüssen oder Restspannungen (aufgrund von thermischen Einflüssen veränderte Werkstoffeigenschaften) z.B. um 90° verschoben ist.
Diese veränderten Werkstoffeigenschaften entstehen z.B. beim Herstellen der Bohrung aufgrund lokaler Überhitzungen durch verschlissene Werkzeuge, Werkzeugbruch oder eine Hinderung der Spanabfuhr am Ende der Bohrung.
Durch ein Einstellen der Ansteuerelektronik des Wirbelstromssensors derart, dass sich ein auf Geometrieänderungen des Bauteils basierendes Messsignal und ein auf Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit des Bauteils basierendes Messsignal um einen vorbestimmen Phasenwinkel (gemäß dem Ausführungsbeispiel um 90°) unterscheiden, können Werkstoffüberhitzungen wie z.B. Härteeinschlüsse oder Restspannungen in Bohrungen des Bauteils aus dem Nickelbasiswerkstoff Inconel 718 entstanden sein. Z.B. sind diese thermischen Schädigungen wieder in Lösung gehende härtebildende Materialgefügephasen. Insbesondere nimmt durch diese Schädigungen der ohmsche Widerstand des Materials 718 zu, dadurch nimmt die elektrische Leitfähigkeit ab. Das Verfahren kann somit verwendet werden, um die entsprechenden Material eigenschaften entlang der Bohrung zu ermitteln, wobei der Störeffekt des Lift-off (Änderungen des Bohrungsdurchmesser) vollständig vom dem gewünschten Messsignal eliminiert werden kann.
Nach dem Einstellen der Messsignale des Wirbelstromssensors wird der Wirbelstrom- sensor in die zu untersuchende Bohrung mit der die Bohrung fast gänzlich ausfüllende
Spule in axialer Richtung und anschließend durch die Bohrung geschoben. Dabei werden durch Anlegen einer Spannung an die Spule, wodurch ein Magnetfeld in der Bohrung erzeugt wird, Wirbelströme in Umfangsrichtung in der Oberfläche der Bohrung induziert, d.h. die Ströme verlaufen in Umfangsrichtung in der Oberfläche der Bohrung.
Da bei der Wirbelstromprüfung der Effekt ausgenützt wird, dass die vorhandenen thermischen Veränderungen des Materials entlang der Bohrungsoberfläche in dem elektrisch leitfähigen Material Inconel 718 auch eine unterschiedliche elektrische Leitfähigkeit verursachen, können diese Unterschiede der elektrischen Leitfähigkeit entsprechend an jeweiligen Ringzonen der Bohrung entlang deren Achsrichtung beim Einfuhren bzw.
Hindurchtreten des Wirbelstromsensors in die Bohrung gemessen und detektiert werden. Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird die elektrische Leitfähigkeit an den jeweiligen Ringzonen durch Messen von Impendanzänderungen der Spule bestimmt. Die jeweiligen Differenzen der elektrischen Leitfähigkeit zwischen den jeweiligen Ringzonen der Bohrung können somit bestimmt werden und dadurch können die aufgrund thermischer Einflüsse veränderten Werkstoffeigenschaften in der Oberfläche der Bohrung ermittelt werden.
Alternativ können in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Differenzen der elekt- rischen Leitfähigkeit in den jeweiligen Ringzonen zwischen der zu untersuchenden Bohrung und einer bereits untersuchten Referenzbohrung bestimmt werden, wodurch ebenfalls die aufgrund thermischer Einflüsse veränderten Werkstoffeigenschaften in der Oberfläche der Bohrung eindeutig ermittelt werden können.
Insbesondere kann durch die Kupferbauteile, die an den jeweiligen axialen Enden der Wicklung bzw. Spule angeordnet sind, der Kanteneffekt beim Eintreten und Austreten in die zu untersuchende Bohrung minimiert werden. D.h., die elektrische Leitfähigkeit kann bereits kurz nach dem Eintreten bzw. fast bis zum Austreten des Wirbelstromsensors (insbesondere der Spule) entlang der gesamten Oberfläche in axialer Richtung und Umfangsrichtung der Bohrung eindeutig bestimmt werden. Dies ist insbesondere von Vorteil, da insbesondere beim Herstellen (z.B. Bohren) der zu untersuchenden Bohrung in dem Bauteil eher am Ende thermische Schädigungen aufgrund von einer eingeschränkten Spanabfuhr aus der Bohrung entstehen, wodurch insbesondere diese thermischen Schädigungen an den jeweiligen axialen Enden der Bohrung, falls vorhanden, mit dem Wirbelstromsensor und dem entsprechenden erfindungsgemäßen Verfahren bestimmt werden können.
Somit ist es gemäß dem Ausführungsbeispiel bevorzugt, dass die Einführrichtung des Wirbelstromsensors mit der Vorschubrichtung des Werkzeugs zum Herstellen der Boh- rang übereinstimmt.
Gemäß der Erfindung ist die Trennung der Einflüsse von elektrischer Leitfähigkeit und der Durchmesserschwankungen der Bohrung gegeben, was sich in der Phasenverschiebung in der komplexen Ebene des empfangenen Signals des Wirbelstromsensors äußert. Durch die Einstellung dieses Phasenwinkels auf einen vorbestimmten Wert, z.B. an ei- nem vorbestimmten Festkörper (z.B. eine Bohrung mit gestuften Abschnitten) können der Einfluss der elektrischen Leitfähigkeit und der Einfluss der Durchmesserschwankungen der Bohrung vollständig getrennt werden. Somit können dann thermische Schädigungen, die durch die Herstellung der Bohrung hervorgerufen werden können, zerstö- rungsfrei mit dem Wirbelstromsensor gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren nachgewiesen werden. Die Auswertung dieser Ergebnisse kann z.B. mit einer Recheneinheit automatisch erfasst und entsprechend visualisiert oder in Datenbanken gespeichert werden.
Damit handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren insbesondere um ein Wir- belstromprüfungsverfahren zur Ermittlung von Werkstoffeigenschaften mit einem Wirbelstromsensor einer Absolutbauart mit einer Spule.
Durch die vorliegende Erfindung können insbesondere Bauteile mit suspekten Bohrun- gen geprüft werden, von denen es vorher nicht möglich war, eine Bestimmung hinsichtlich der Werkstoffeigenschaften bzw. deren Unregelmäßigkeiten zu ermitteln. Somit wird eine unnötige Verschrottung von Bauteilen aufgrund von Unsicherheiten in der Bewertung dieser vorher nicht erfassbaren Unregelmäßigkeiten vermieden, wodurch die Herstellungskosten und gegebenenfalls ein Werkstückversagen verringert bzw. nahezu gänzlich ausgeschlossen werden können.
Abschließend sind noch zwei Beispiele des Verfahrens anhand deren Prüfparameter beschrieben. Beiden Beispielen ist innewohnend, dass eine Probe (Platte mit Bohrungen) unterhalb einer Scanvorrichtung (Vorrichtung an der der Wirbelstromsensor mon- tiert ist) mit einem vertikalen Scanweg von 15 mm auf einem Gestell fest montiert ist.
Ferner wird ein Wirbelstromprüfgerät der Bauart B300 verwendet. Als Werkstück dient eine Platte mit mehreren Bohrungen, welche eine Bezugsbohrung aufweist. Anhand dieser Bezugsbohrung sind, wie vorstehend beschrieben, die jeweiligen Phasenverschiebungen zwischen den einzelnen Messsignalen aufgrund der elektrischen Leitfähig- keit und der Durchmesserschwankungen eingestellt worden.
Parametersatz Beispiel 1 : Frequenz: 2,5 MHz
Vorverstärkung: 20 dB Hauptverstärkung: 24 dB Y-Spreizung: 12 dB
Filter: Tiefpass 10 Hz
Phase: 112°
Lift-off: links waagrecht
Parametersatz Beispiel 2:
Frequenz: 50O kHz
Vorverstärkung: 2O dB
Hauptverstärkung: 24 dB
Y-Spreizung: 12 dB
Filter: Tiefpass 10 Hz
Phase: 11°
Lift-off: links waagrecht
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch bei der Materialprüfung von Oberflächen, Verfahren zur Ermittlung von Werkstoffeigenschaften und deren Veränderungen durch thermische Einflüsse bei Sacklöchern, oder Verfahren zur Erkennung von Werkstoffverwechslungen verwendet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Wirbelstromsensor mit einem Sensorkörper und einer Spule, die um den Sensorkör- per gewickelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor an jedem Spulenende mit einem Bauteil mit hoher elektrischer Leitfähigkeit versehen ist.
2. Wirbelstromsensor nach Anspruch 1, wobei der Sensor angepasst ist, aufgrund thermischer Einflüsse veränderte Werkstoffeigenschaften eines zu untersuchenden Bauteils zu ermitteln.
3. Wirbelstromsensor nach Anspruch 2, wobei der Sensor angepasst ist, die Werkstoff- eigenschaften des zu untersuchenden Bauteils, das aus einer Nickelbasislegierung hergestellt ist, zu ermitteln.
4. Wirbelstromsensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Bauteile mit hoher elektrischer Leitfähigkeit Bestandteil der Spule oder des Sensorkörpers sind.
5. Wirbelstromsensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Sensorkörper eine Vertiefung hat, in der die Spule und die Bauteile mit hoher elektrischer Leitfähigkeit aufgenommen sind.
6. Wirbelstromsensor nach Anspruch 4 oder 5, wobei der Sensorkörper zylindrisch ist und die Bauteile mit hoher elektrischer Leitfähigkeit Scheiben sind, die im Wesentlichen den gleichen Außendurchmesser wie der Sensorkörper aufweisen.
7. Wirbelstromsensor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei der Wirbelstromsensor in eine Bohrung des zu untersuchenden Bauteils axial einführbar ist, derart, dass die
Spule Wirbelströme in Umfangsrichrung der Bohrung erzeugt, anhand denen die Werkstoffeigenschaften aufgrund von Impedanzänderungen der Spule beim Einführen in jeweilige Ringzonen entlang der Achsrichtung der Bohrung ermittelt werden.
8. Wirbelstromsensor nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei das Bauteil mit hoher elektrischer Leitfähigkeit Kupfer aufweist oder aus Kupfer besteht.
9. Verfahren zum Ermitteln von aufgrund thermischer Einflüsse veränderter Werkstoff- eigenschaften, die bei der Herstellung von Bohrungen in einem zu untersuchenden Bauteil entstehen, mit Hilfe des Wirbelstromsensors nach einem der vorangegangenen Ansprüche.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: - Einstellen von Messsignalen des Wirbelstromsensors derart, dass sich ein auf
Geometrieänderungen des Bauteils basierendes Messsignal und ein auf Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit des Bauteils basierendes Messsignal um einen bestimmten Phasenwinkel unterscheiden,
- Einführen des Wirbelstromsensor in eine zu untersuchende Bohrung des Bau- teils,
- Anlegen einer Spannung an die Spule, wodurch ein Magnetfeld erzeugt wird und Wirbelströme in Umfangsrichtung in der Oberfläche der Bohrung induziert werden,
- Messen der elektrischen Leitfähigkeit an jeweiligen Ringzonen der Bohrung ent- lang derer Achsrichtung, und
- Bestimmen der Werkstoffeigenschaften entlang der Bohrungsoberfläche aufgrund der gemessenen elektrischen Leitfähigkeit an den jeweiligen Ringzonen.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die elektrische Leitfähigkeit an den jeweiligen Ringzonen durch Messen von Impedanzänderungen der Spule bestimmt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei Differenzen der elektrischen Leitfähigkeit zwischen den jeweiligen Ringzonen der Bohrung bestimmt und dadurch die Werkstoffeigenschaften in der Oberfläche der Bohrung ermittelt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei Differenzen der elektrischen Leitfähigkeit in den jeweiligen Ringzonen zwischen der zu untersuchenden Bohrung und einer Referenzbohrung bestimmt und dadurch die Werkstoffeigenschaften in der Oberfläche der Bohrung ermittelt werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Einführrichtung des Wirbelstromsensors einer Vorschubrichtung eines Werkzeugs zum Herstellen der Bohrung entspricht.
15. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 9 bis 14 zum Ermitteln von aufgrund thermischer Einflüsse veränderter Werkstoffeigenschaften, die bei der Herstellung von Bohrungen in einem zu untersuchenden Bauteil aus Nickelbasislegierungen entstehen.
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