DE102017223849A1 - Method and device for non-contact non-destructive examination of a workpiece - Google Patents

Method and device for non-contact non-destructive examination of a workpiece Download PDF

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Abstract

Beschrieben werden ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur berührungslosen zerstörungsfreien Untersuchung eines elektrisch leitendes und ferromagnetisches Material aufweisenden Werkstückes im Rahmen einer elektromagnetischen Ultraschallwellen-Untersuchung, bei der das Werkstück zumindest bereichsweise wenigstens einem statischen oder quasistatischen Magnetfeld sowie einem mit Hilfe einer HF-Spulenanordnung erzeugbaren und mit dem Magnetfeld überlagernden elektromagnetischen HF-Feld derart ausgesetzt wird, so dass sich innerhalb des Werkstückes Ultraschallwellen ausbilden, die nach Durchschallen wenigstens eines Bereiches des Werkstückes im Bereich des Magnetfeldes und/oder eines anderen statischen oder quasistatischen Magnetfeldes ein mit Hilfe der HF-Spulenanordnung und/oder einer anderen HF-Spulenanordnung detektierbares HF-Feld erzeugen, das der Untersuchung zugrunde gelegt wird.Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass mit Hilfe des mit der HF-Spulenanordnung erzeugbaren HF-Feldes in zeitlicher Synchronisation zur elektromagnetischen Ultraschallwellen-Untersuchung das Werkstück induktiv erwärmt und mittels einer Induktionsthermographie untersucht wird. Hierzu ist die wenigstens eine HF-Spulenanordnung mit einer Ansteuereinheit verbunden und derart ansteuerbar, so dass ein von der HF-Spulenanordnung erzeugbares HF-Feld innerhalb des Werkstückes Wirbelströme induziert, durch die Ultraschallwellen innerhalb des Werkstückes erzeugbar sind sowie das Werkstück derart erwärmen, so dass das Werkstück mittels Induktionsthermographie erfassbar ist. Dabei ist die wenigstens eine HF-Spulenanordnung derart ausgebildet und am Werkstück anbringbar ausgebildet, so dass ein Oberflächenbereich des Werkstückes, der von dem HF-Feld zur induktiven Erwärmung des Werkstückes durchsetzbar ist, von einer Thermographiekamera optisch frei zugänglich erfassbar ist.Described are a method and apparatus for non-contact non-destructive examination of an electrically conductive and ferromagnetic material having workpiece in an electromagnetic ultrasonic wave examination in which the workpiece at least partially at least one static or quasi-static magnetic field and one with the aid of an RF coil assembly can be generated and with the electromagnetic field superimposed RF magnetic field is exposed so that form within the workpiece ultrasonic waves, which after passing through at least a portion of the workpiece in the magnetic field and / or another static or quasi-static magnetic field using the RF coil assembly and / or another RF coil arrangement generate detectable RF field on which the investigation is based. The invention is characterized in that by means of the RF coil arrangement can be generated n RF field in time synchronization to the electromagnetic ultrasonic wave examination, the workpiece inductively heated and examined by means of induction thermography. For this purpose, the at least one RF coil arrangement is connected to a drive unit and can be controlled such that an RF field that can be generated by the RF coil arrangement induces eddy currents within the workpiece, can be generated by the ultrasonic waves within the workpiece and heat the workpiece such that the workpiece is detectable by induction thermography. In this case, the at least one RF coil arrangement is designed and attachable to the workpiece, so that a surface region of the workpiece, which is enforceable by the RF field for inductive heating of the workpiece, optically freely accessible detectable by a thermographic camera.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie auf eine Vorrichtung zur berührungslosen zerstörungsfreien Untersuchung eines elektrisch leitendes und ferromagnetisches Material aufweisenden Werkstückes im Rahmen einer elektromagnetischen Ultraschallwellen-Untersuchung, bei der das Werkstück zumindest bereichsweise wenigstens einem statischen oder quasistatischen Magnetfeld sowie einem mit Hilfe einer HF-Spulenanordnung erzeugbaren und mit dem Magnetfeld überlagernden elektromagnetischen HF-Feld derart ausgesetzt wird, so dass sich innerhalb des Werkstückes Ultraschallwellen ausbilden, die nach Durchschallen wenigstens eines Bereiches des Werkstückes im Bereich des Magnetfeldes und/oder eines anderen statischen oder quasistatischen Magnetfeldes ein mit Hilfe der HF-Spulenanordnung und/oder einer anderen HF-Spulenanordnung detektierbares HF-Feld erzeugen, das der Untersuchung zugrunde gelegt wird.The invention relates to a method and to a device for non-contact non-destructive testing of an electrically conductive and ferromagnetic material having workpiece in the context of an electromagnetic ultrasonic wave examination in which the workpiece at least partially at least one static or quasi-static magnetic field and one with the aid of an HF Coil arrangement can be generated and exposed to the magnetic field superimposed RF electromagnetic field such that form within the workpiece ultrasonic waves, after passing through at least a portion of the workpiece in the magnetic field and / or another static or quasi-static magnetic field using the RF Coil assembly and / or other RF coil assembly generate detectable RF field, which is the basis of the investigation.

Stand der TechnikState of the art

In vielen Industriebereichen, z. B. in der Automobilindustrie oder in der Eisenbahntechnik müssen sicherheitsrelevante Bauteile, wie Komponenten von Bremsen und der Lenkung oder ganze Eisenbahnräder, zum Ausschluss von Oberflächenrissen bei der Fertigung einer Hundertprozent-Prüfung unterzogen werden. Dabei sind zukünftig vor allem Verfahren von Vorteil, die ohne eine spezielle Oberflächenbehandlung auskommen, die zuverlässig und objektiv arbeiten und eine vollautomatische Prüfung von Komponenten ermöglichen.In many industries, eg. As in the automotive industry or in railway engineering safety components, such as components of brakes and the steering or entire railway wheels, to exclude surface cracks in the manufacture of a hundred percent examination must be subjected. In the future, it will be especially advantageous to use processes that do not require any special surface treatment, that work reliably and objectively and enable fully automatic testing of components.

Neben der Untersuchung von möglichen Oberflächendefekten, vorzugsweise in Form von Oberflächenrissen sind in vielen Fällen in gleicher Weise Kenntnisse über die Materialqualität von Werkstücken im gesamten Werkstückvolumen von großer Bedeutung, um eine allumfassende Aussage über die Fertigungsqualität bzw. den aktuellen Zustand eines Werkstückes treffen zu können.In addition to the investigation of possible surface defects, preferably in the form of surface cracks, in many cases knowledge about the material quality of workpieces in the entire workpiece volume is of great importance in order to make an all-encompassing statement about the manufacturing quality or the current state of a workpiece.

Mit den Mitteln der bisherigen zerstörungsfreien Fehlerdetektion an Werkstücken wird häufig zwischen dem Nachweis von Oberflächenfehlern, die sich bis zu einer Tiefe von etwa 1mm von der Werkstückoberfläche erstrecken, und von Volumenfehlern, d.h. Materialfehler in Form von Rissen, Lunkern oder ähnlichen Materialinhomogenitäten, die tiefer als 1 mm entfernt von der Werkstückoberfläche liegen, unterschieden.The means of prior art non-destructive fault detection on workpieces is often limited to the detection of surface defects extending to a depth of about 1mm from the workpiece surface and volume errors, i. Material defects in the form of cracks, blowholes or similar material inhomogeneities deeper than 1 mm from the workpiece surface are differentiated.

Die gängigen, insbesondere in der Industrie eingesetzten Standardprüfverfahren basieren entweder auf Ultraschall-Verfahren oder Thermographieverfahren. Bei metallischen Werkstücken wird aus Gründen einer kontaktlosen Arbeitsweise auf die so genannte Induktionsthermographie sowie auf elektromagnetisch basierte Ultraschallverfahren zurückgegriffen, je nachdem ob die Erfassung von Oberflächenfehlern oder von Volumenfehlern im Fokus der Untersuchung stehen.The standard standard test methods used in particular in industry are based either on ultrasound methods or thermographic methods. In the case of metallic workpieces, so-called induction thermography and electromagnetically based ultrasonic methods are used for contactless operation, depending on whether the investigation of surface defects or volume errors is the focus of the investigation.

Zur oberflächennahen Fehlerinspektion eignen sich, wie bereits erwähnt, die Methoden der aktiven Thermographie, siehe X. Madague, Theory and Practice of Infrared Technology for Nondestructive, New-York: John Wiley, 2001.As already mentioned, the methods of active thermography are suitable for near-surface defect inspection, see X. Madague, Theory and Practice of Infrared Technology for Nondestructive, New York: John Wiley, 2001.

Für Werkstücke aus elektrisch leitenden und ferromagnetischen Materialien eigent sich zur Erfassung von Oberflächenfehlern die induktiv angeregte Thermographie, kurz Induktionsthermographie, bei der innerhalb des Werkstückmaterials mit Hilfe einer auf der Werkstückoberfläche angeordneten Induktionsspule Wirbelströme hervorgerufen werden, die auf geschlossenen Stromwegen verlaufen. Die Wirbelströme werden in bzw. an fehlerhaften Werkstückbereichen abgelenkt und müssen Umwege um die entsprechende Fehler, in Form von Rissen bzw. Oberflächenrissen nehmen. Die durch die Schädigungen geänderte lokale Stromdichte führt zu einer Änderung in der Temperaturverteilung unmittelbar am Fehler, der mit Hilfe einer Thermographiekamera sichtbar gemacht werden kann. Siehe hierzu auch U. Netzelmann, G. Walle und H. Strauß, „Einsatz der induktiven Thermographie zur schnellen und sicheren Fehldetektion an Bauteilen der Massivumformung,“ in Massivumformung - Produkte - Perspektiven, Leonberg, 2007, B. Valeske, G. Walle und U. Netzelmann, „Oberflächenrissprüfung mit aktiver dynamischer Thermographie - Alternative zu konventionellen Prüfverfahren,“ QZ-Messen und Prüfen, Bd. 53, Nr. 3, pp. 66-69, 2008, V. Carl und G. Zenziger, „Automatische Rissprüfung mit induktiv angeregter Thermographie,“ in DGZfP-Jahrestagung, Rostock, 2005.For workpieces made of electrically conductive and ferromagnetic materials are suitable for detecting surface defects inductively excited thermography, short induction thermography in which within the workpiece material by means of an arranged on the workpiece surface induction coil eddy currents are caused to run on closed current paths. The eddy currents are deflected in or on faulty workpiece areas and must take detours around the corresponding errors, in the form of cracks or surface cracks. The local current density changed by the damage leads to a change in the temperature distribution directly at the fault, which can be visualized with the aid of a thermographic camera. See also U. Netzelmann, G. Walle and H. Strauss, "Use of inductive thermography for fast and reliable misdetection of components of massive forming," in massive forming - Products - Perspectives, Leonberg, 2007, B. Valeske, G. Walle and U. Netzelmann, "Surface Crack Testing with Active Dynamic Thermography - Alternative to Conventional Test Methods," QZ-Messen und Prüfung, Vol. 53, No. 3, pp. 66-69, 2008, V. Carl and G. Zenziger, "Automatic Crack Testing with Inductively Excited Thermography," in DGZfP Annual Meeting, Rostock, 2005.

Für tiefer liegende Fehler, so genannte Volumenfehler, ist die Detektion mittels Ultraschall eine gängige Prüfmethode, bei der elektromagnetisch erzeugte und nachweisbare Ultraschallwellen mit Hilfe so genannter EMUS-Prüfköpfen, die eine kontaktlose Ultraschallwellenerzeugung innerhalb des Werkstückes ermöglichen, zum Einsatz kommen.For deeper defects, so-called volume errors, the detection by means of ultrasound is a common test method in which electromagnetically generated and detectable ultrasonic waves with the help of so-called EMUS probes that enable contactless ultrasonic wave generation within the workpiece are used.

Gleichsam der induktiv angeregten Thermographie wird auch im Falle der so genannten EMUS-Prüftechnik ein Wirbelstrom im Werkstück nahe der Werkstückoberfläche angeregt, der in Wechselwirkung mit einem statischen oder quasi statischen, d.h. niederfrequenten, Magnetfeld innerhalb des Werkstückes auf das Werkstückgitter gerichtete Kräfte ausbildet, die zu einer Gitterverzerrung führen, durch die sich räumlich und zeitlich elastische Wellen mit Frequenzen im Ultraschallbereich ausbilden und innerhalb des Werkstückes ausreiten. Die Ultraschallwellen wechselwirken mit Fehlern bzw. Materialungänzen und erzeugen Schallechos, die wiederum empfangen und ausgewertet werden können.Similarly to inductively excited thermography, in the case of the so-called EMUS test technique, an eddy current is excited in the workpiece near the workpiece surface, which, in interaction with a static or quasi-static, ie low-frequency, magnetic field within the workpiece, forms forces directed towards the workpiece grid a lattice distortion, through which spatially and temporally elastic waves with Form frequencies in the ultrasonic range and ride inside the workpiece. The ultrasonic waves interact with defects or material dances and generate sound echoes, which in turn can be received and evaluated.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur berührungslosen zerstörungsfreien Untersuchung eines elektrisch leitendes und ferromagnetisches Material aufweisenden Werkstückes derart auszubilden, so dass die Erfassung von Oberflächen- und Volumenfehlern innerhalb eines Werkstückes gleichzeitig möglich sein soll. Ferner gilt es beide Verfahrensvarianten mit Hilfe einer einheitlich handhabbaren Baueinheit durchzuführen.The invention has for its object a method and an apparatus for non-contact non-destructive examination of an electrically conductive and ferromagnetic material having workpiece so form, so that the detection of surface and volume errors within a workpiece should be possible simultaneously. Furthermore, both variants of the method should be carried out with the aid of a uniformly manageable unit.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand des Anspruches 9 ist eine lösungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des in Anspruch 1 angegebenen lösungsgemäßen Verfahrens. Den Erfindungsgedanken in vorteilhafter Weise weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.The solution of the problem underlying the invention is specified in claim 1. Subject matter of claim 9 is a device according to the solution for carrying out the method according to the invention specified in claim 1. The concept of the invention advantageously further-forming features are the subject of the dependent claims and the further description in particular with reference to the exemplary embodiments.

Das lösungsgemäße Verfahren zur berührungslosen und zerstörungsfreien Untersuchung eines elektrisch leitendes und ferromagnetisches Material aufweisenden Werkstückes basiert auf der an sich bekannten elektromagnetischen Ultraschallwellen-Untersuchung, bei der das Werkstück zumindest bereichsweise wenigstens einem statischen oder quasi statischen Magnetfeld sowie einem mit Hilfe einer HF-Spulenanordnung erzeugbaren und mit dem Magnetfeld überlagernden elektromagnetischen HF-Feld derart ausgesetzt wird, so dass ich innerhalb des Werkstückes Ultraschallwellen ausbilden, die nach Durchschallen wenigstens eines Bereiches des Werkstückes im Bereich des Magnetfeldes, das zur Ultraschallwellenerzeugung dient, und/oder eines anderen statischen oder quasi statischen Magnetfeldes, das an einem anderen Werkstückbereich vorherrscht, ein mit Hilfe der HF-Spulenanordnung und/oder einer anderen HF-Spulenanordnung detektierbares HF-Feld erzeugen, das der Untersuchung zugrundegelegt wird. Lösungsgemäß wird mit Hilfe des mit der HF-Spulenanordnung erzeugbaren HF-Feldes, mit dem die Ultraschallwellen innerhalb des Werkstückes erzeugt werden, in zeitlicher Synchronisation zur elektromagnetischen Ultraschallwellen-Untersuchung das Werkstück induktiv erwärmt und mittels einer Induktionsthermographie untersucht. D.h. die vom HF-Feld innerhalb des Werkstückes generierten Wirbelströme dienen sowohl zur Ultraschallwellenerzeugung als auch zur Werkstückerwärm ung.The solution according to the method for non-contact and non-destructive examination of an electrically conductive and ferromagnetic material having workpiece based on the known electromagnetic ultrasonic wave examination in which the workpiece at least partially at least one static or quasi-static magnetic field and one can be generated using an RF coil assembly and exposed to the magnetic field superimposed RF electromagnetic field such that I form ultrasonic waves within the workpiece, which after passing through at least a portion of the workpiece in the magnetic field, which is used for ultrasonic wave generation, and / or another static or quasi-static magnetic field, which prevails on another workpiece area, generate a detectable by means of the RF coil assembly and / or other RF coil assembly RF field, which is the basis of the investigation. According to the solution, with the aid of the RF field that can be generated with the RF coil arrangement, with which the ultrasonic waves are generated within the workpiece, the workpiece is inductively heated in time synchronization with the electromagnetic ultrasonic wave examination and examined by means of induction thermography. That the generated from the RF field within the workpiece eddy currents are used both for ultrasonic wave generation and for Werkstückerwärm.

Das lösungsgemäße Verfahren sieht eine Fusion beider bekannter Untersuchungsverfahren der induktiv angeregten Thermographie sowie der elektromagnetisch basierten Ultraschallwellenuntersuchung dergestalt vor, so dass beide Verfahren zeitsynchron an ein und dem gleichen Werkstück ohne sich gegenseitig zu behindern, anwendbar sind. Das statische bzw. quasi statische, d.h. niederfrequente Magnetfeld vermag mit Hilfe des zusätzlichen HF-Feldes einerseits elektromagnetisch basierte Ultraschallwellen zu erzeugen und zu detektieren und andererseits zur Kontraststeigerung bei der induktiv angeregten Thermographie beizutragen.The method according to the invention provides for a fusion of both known examination methods of inductively excited thermography and of the electromagnetically based ultrasonic wave examination in such a way that both methods can be used synchronously on one and the same workpiece without interfering with each other. The static or quasi-static, i. Low-frequency magnetic field is able to generate and detect electromagnetic-based ultrasound waves with the aid of the additional RF field on the one hand, and on the other hand to contribute to increasing the contrast in inductively excited thermography.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante wird die HF-Spulenanordnung mit einer Arbeitsfrequenz betrieben, bei der sich ein HF-Feld ausbildet, das innerhalb des Werkstückes Wirbelströme induziert, die sowohl der Ausbildung von Ultraschallwellen, die der elektromagnetischen Ultraschallwellen-Untersuchung zugrunde gelegt werden, als auch zur Erwärmung des Werkstückes, die im Rahmen der Induktionsthermographie genutzt wird, dienen.In a preferred embodiment, the RF coil assembly is operated at an operating frequency in which an RF field is formed, which induces eddy currents within the workpiece, both the formation of ultrasonic waves, which are based on the electromagnetic ultrasonic wave examination, as well as for Heating the workpiece, which is used in the context of induction thermography serve.

Alternativ zum Betrieb der HF-Spulenanordnung mit einer einzigen Arbeitsfrequenz bietet es sich gleichsam an, die HF-Spulenanordnung mit einer ersten Arbeitsfrequenz zu beaufschlagen, bei der sich ein HF-Feld ausbildet, das innerhalb des Werkstückes Wirbelströme induziert, die der Ausbildung von Ultraschallwellen, die der elektromagnetischen Ultraschallwellen-Untersuchung zugrunde gelegt werden, dienen. Zudem wird die HF-Spulenanordnung mit einer zweiten Arbeitsfrequenz beaufschlagt, bei der sich ein HF-Feld ausbildet, das innerhalb des Werkstückes Wirbelströme induziert, die zur Erwärmung des Werkstückes und zur Durchführung der Induktionsthermographie dienen, wobei die HF-Spulenanordnung vorzugsweise mit beiden Frequenzen in Art eines Multiplexverfahrens betrieben wird, beispielsweise im Wege eines Zeit-, Frequenz- oder Codemultiplexverfahrens. Auf diese Weise ist es möglich zeitsynchron das Werkstück mittels elektromagnetischer Ultraschallwellenuntersuchung sowie auch der induktiv angeregten Thermographie zu untersuchen und auf diese Weise sowohl Oberflächen- als auch Volumenfehler innerhalb des Werkstückes zeitsynchron zu erfassen.As an alternative to the operation of the RF coil arrangement with a single operating frequency, it is equally appropriate to apply a first operating frequency to the RF coil arrangement, in which an RF field is formed which induces eddy currents within the workpiece, which causes the formation of ultrasonic waves, which are the basis of the electromagnetic ultrasonic wave investigation, serve. In addition, the RF coil assembly is acted upon by a second operating frequency, in which an RF field is formed, which induces eddy currents within the workpiece, which serve to heat the workpiece and to perform the Induktionssthermographie, wherein the RF coil assembly preferably with both frequencies in Operated type of a multiplex method, for example by means of a time, frequency or code division method. In this way, it is possible to synchronously examine the workpiece by means of electromagnetic ultrasonic wave examination as well as inductively excited thermography, and in this way to detect both surface and volume errors within the workpiece in a time-synchronized manner.

Je nach Art der verwendeten Ultraschallwellenanregung, d.h. vermittels Lorenzkraft oder Magnetostriktion, wird das statische oder quasi statische Magnetfeld horizontal oder orthogonal zu einer dem Werkstück zuordenbaren Werkstückoberfläche orientiert, an der die HF-Spulenanordnung zur Erzeugung des mit dem Magnetfeld überlagernden elektromagnetischen HF-Feldes angeordnet ist.Depending on the type of ultrasonic wave excitation used, i. by Lorenzkraft or magnetostriction, the static or quasi-static magnetic field is oriented horizontally or orthogonally to a workpiece workpiece surface to be assigned to which the RF coil assembly is arranged to generate the superimposed with the magnetic field RF electromagnetic field.

Optional wird das statische oder quasi statische Magnetfeld im Falle einer zur Werkstückoberfläche horizontalen Orientierung zusätzlich um eine zur Werkstückoberfläche orthogonalen Raumrichtung gedreht, um so Rissorientierungen unterschiedlicher räumlicher Lagen sicher erfassen zu können. In gleicher Weise kann das statische oder quasi statische Magnetfeld im Falle einer zur Werkstückoberfläche orthogonalen Orientierung um eine längs der Werkstückoberfläche orientierten Raumrichtung gedreht werden. Optionally, in the case of a horizontal orientation relative to the workpiece surface, the static or quasi-static magnetic field is additionally rotated by a spatial direction orthogonal to the workpiece surface so as to be able to reliably detect crack orientations of different spatial positions. In the same way, in the case of an orientation orthogonal to the workpiece surface, the static or quasi-static magnetic field can be rotated about a spatial direction oriented along the workpiece surface.

Ebenso ist es möglich, neben dem horizontal oder orthogonal zur Werkstückoberfläche orientierten statischen oder quasi statischen Magnetfeld wenigstens ein weiteres, d.h. zusätzliches statisches oder quasi statisches Magnetfeld mit einer zur Werkstückoberfläche horizontalen Orientierung vorzusehen, das zu einer zur Werkstückoberfläche orientierten Raumrichtung gedreht werden kann. Neben der bereits erwähnten sicheren, lageunabhängigen Risserfassung kann auf diese Weise das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert werden, dies betrifft insbesondere die im Rahmen der induktiven Thermographie erfassbaren Bildsignale, die eine Signalsteigerung von bis zu 300% erfahren können. Zudem trägt diese Maßnahme für eine schnellere Prüfung bei, da weniger Energie bei gleichbleibendem Kontrast in das Werkstück eingetragen werden muss.It is also possible, in addition to the static or quasi-static magnetic field oriented horizontally or orthogonally to the workpiece surface, to have at least one further, i. to provide additional static or quasi-static magnetic field with a horizontal orientation to the workpiece surface, which can be rotated to a spatial direction oriented to the workpiece surface. In addition to the already mentioned secure, position-independent crack detection can be improved in this way, the signal-to-noise ratio, this concerns in particular the detectable in the context of inductive thermography image signals that can experience a signal increase of up to 300%. In addition, this measure contributes to a faster test, since less energy must be entered at the same contrast in the workpiece.

Zum Zwecke einer möglichst unbeeinflussten Durchführung der Induktionsthermographie wird wenigstens ein Oberflächenbereich des Werkstückes, der von dem HF-Feld zur induktiven Erwärmung des Werkstückes durchsetzt wird, von einer Thermographiekamera optisch frei zugänglich erfasst. Hierzu sind geeignete Maßnahmen zu treffen, so dass die Werkstückoberfläche zumindest nicht vollständig von der zur elektromagnetischen Ultraschallwellenuntersuchung erforderlichen HF-Spulenanordnung überdeckt wird.For the purpose of conducting the induction thermography as uninfluenced as possible, at least one surface region of the workpiece, which is penetrated by the HF field for inductive heating of the workpiece, is optically freely accessible by a thermographic camera. For this purpose, suitable measures are to be taken so that the workpiece surface is at least not completely covered by the RF coil arrangement required for the electromagnetic ultrasonic wave examination.

Vorzugsweise wird die HF-Spulenanordnung resonant betrieben, d.h. sämtliche Komponenten der HF-Spulenanordnung sind bezüglich ihres elektrischen Widerstandes, ihrer kapazitiven und induktiven Eigenschaften resonant aufeinander abgestimmt.Preferably, the RF coil assembly is resonantly operated, i. All components of the RF coil assembly are resonantly matched with respect to their electrical resistance, their capacitive and inductive properties.

Ferner ist eine Vorrichtung zur berührungslosen zerstörungsfreien Untersuchung eines elektrisch leitendes und ferromagnetisches Material aufweisenden Werkstückes zur Durchführung einer elektromagnetischen Ultraschallwellen-Untersuchung, mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 9 derart ausgebildet, so dass die wenigstens eine HF-Spulenanordnung mit einer Ansteuereinheit verbunden und ansteuerbar ist, so dass ein von der HF-Spulenanordnung erzeugbares HF-Feld innerhalb des Werkstückes Wirbelströme induziert, durch die Ultraschallwellen innerhalb des Werkstückes erzeugbar sind und die das Werkstück derart erwärmen, so dass das Werkstück mittels Induktionsthermographie erfassbar ist. Zudem ist die wenigstens eine HF-Spulenanordnung derart ausgebildet und am Werkstück angebracht, so dass ein Oberflächenbereich des Werkstückes, der von dem HF-Feld zur induktiven Erwärmung des Werkstückes durchsetzt wird, von einer Thermographiekamera optisch frei zugänglich erfasst werden kann.Further, a device for non-contact non-destructive examination of an electrically conductive and ferromagnetic material having workpiece for performing an electromagnetic ultrasonic wave examination, with the features of the preamble of claim 9 is formed such that the at least one RF coil assembly is connected to a drive unit and can be controlled such that an RF field which can be generated by the RF coil arrangement induces eddy currents within the workpiece, by means of which ultrasonic waves can be generated within the workpiece and which heat the workpiece such that the workpiece can be detected by means of induction thermography. In addition, the at least one RF coil arrangement is designed and attached to the workpiece, so that a surface region of the workpiece, which is penetrated by the RF field for inductive heating of the workpiece, can be detected optically freely accessible by a thermographic camera.

Von zentraler Bedeutung ist die Ansteuereinheit, die die wenigstens eine HF-Spulenanordnung sowohl für den Betrieb zum Zwecke der Ultraschallwellenuntersuchung, d.h. Ultraschallwellenerzeugung und -detektion, sowie auch zum Zwecke der induktiven Werkstückerwärmung dient. Die vorzugsweise als gemeinsame Leistungselektronik ausgebildete Ansteuereinheit ermöglicht somit eine effiziente, synchronisierbare kompakte Lösung, zur vollständigen Untersuchung eines Werkstückes im Rahmen einer Ultraschallwellensowie auch Thermographie-Untersuchung. Diese eröffnet viele Möglichkeiten, insbesondere im Bereich automatisierbarer Anwendungsfelder.Of central importance is the drive unit which controls the at least one RF coil arrangement both for operation for the purpose of ultrasonic wave examination, i. Ultrasonic wave generation and detection, as well as for the purpose of inductive workpiece heating is used. The preferably designed as a common power electronics drive unit thus enables an efficient, synchronizable compact solution for the complete examination of a workpiece in the context of an ultrasonic wave as well as thermography examination. This opens up many possibilities, especially in the field of automatable fields of application.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Spulenanordnung wenigstens eine Induktionsspule auf, die eine Vielzahl an Wicklungen wenigstens eines elektrischen Leiters vorsieht, die nach einem Wickelmuster angeordnet sind, das wenigstens einen Zwischenraum zwischen den Wicklungen einschließt, der einen für die Thermographiekamera optisch freien Sichtkanal auf das Werkstück bietet.In a preferred embodiment, the coil arrangement comprises at least one induction coil, which provides a plurality of windings of at least one electrical conductor, which are arranged according to a winding pattern, which includes at least one space between the windings, the one for the thermographic camera optically free viewing channel on the workpiece offers.

In Kombination oder als Alternative hierzu bietet es sich an die wenigstens eine Induktionsspule der Spulenanordnung aus einem für die Thermographiekamera erfassbaren Wellenlängenbereich transparenten elektrisch leitenden Material zu fertigen. Hierzu bieten sich beispielsweise folgende transparente elektrisch leitende Materialien an: ITO (Indium-Zinnoxid), SnO2:F, ZnO:Al, SnO2:Sb, Graphen.In combination or as an alternative to this, it makes sense to manufacture the electrically conductive material transparent to the at least one induction coil of the coil arrangement from a wavelength range detectable for the thermographic camera. For example, the following transparent electrically conductive materials are suitable for this purpose: ITO (indium tin oxide), SnO 2 : F, ZnO: Al, SnO 2 : Sb, graphene.

Figurenlistelist of figures

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

  • 1 Stark schematisierte Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung einer elektromagnetischen Ultraschallwellenuntersuchung sowie induktiven Thermographie,
The invention will now be described by way of example without limitation of the general inventive idea by means of embodiments with reference to the drawings. Show it:
  • 1 Highly schematic representation of a device for carrying out an electromagnetic ultrasonic wave examination and inductive thermography,

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche VerwendbarkeitWays to carry out the invention, industrial usability

1 zeigt schematisiert die Draufsicht auf ein Werkstück 1, an dessen Werkstückoberfläche eine Spulenanordnung 2 angebracht ist. Zusätzlich ist eine Permanentmagnetanordnung 3 vorgesehen, die auf der Werkstückoberfläche des Werkstückes 1 aufsitzt und innerhalb des Werkstückes 1 ein horizontal orientiertes statisches B-Feld B0 erzeugt. Die Spulenanordnung 2 ist mit einer Ansteuereinheit 4 verbunden, vorzugsweise in Form einer Leistungselektronik, die die Spulenanordnung 2 resonant anzuregen vermag, wodurch Wirbelströme 5 innerhalb des Werkstückes 1 induziert werden. Die Wirbelströme 5 überlagern mit dem horizontal orientierten Magnetfeld B0 und erzeugen innerhalb des Werkstückes 1 kraftbedingte Gitterverzerrungen, durch die innerhalb des Werkstückes 1 sich ausbreitende Ultraschallwellen entstehen. Nach entsprechender Durchschallung der Ultraschallwellen des Werkstückes 1 und Reflexion, so insbesondere auch und insbesondere an innerhalb des Werkstückes enthaltenden Fehlstellen rufen die Ultraschallwellen in Kombination mit dem horizontal orientierten Magnetfeld B0 im Bereich der HF-Spulenanordnung 2 detektierbare Ströme hervor, die der Ultraschallwellenuntersuchung zugrunde gelegt werden. 1 schematically shows the top view of a workpiece 1 , on the workpiece surface, a coil arrangement 2 is appropriate. In addition, a permanent magnet arrangement 3 provided on the workpiece surface of the workpiece 1 seated and inside the workpiece 1 a horizontally oriented static B-field B 0 generated. The coil arrangement 2 is with a drive unit 4 connected, preferably in the form of power electronics, the coil assembly 2 Resonantly stimulate, causing eddy currents 5 within the workpiece 1 be induced. The eddy currents 5 overlay with the horizontally oriented magnetic field B 0 and generate within the workpiece 1 force-induced lattice distortions by which within the workpiece 1 propagating ultrasonic waves arise. After appropriate sound transmission of the ultrasonic waves of the workpiece 1 and reflection, in particular also and in particular on defects contained within the workpiece call the ultrasonic waves in combination with the horizontally oriented magnetic field B 0 in the area of the RF coil arrangement 2 Detectable currents, which are based on the ultrasonic wave examination.

Gleichfalls führen die innerhalb des Werkstückes durch die HF-Spulenanordnung 2 induzierten Wirbelströme 5 zur lokalen Erwärmung des Werkstückes 1. Mit Hilfe einer Thermographiekamera 6, die auf die Werkstückoberfläche des Werkstückes 1 insbesondere im Bereich der HF-Spulenanordnung 2 gerichtet ist und durch eine entsprechend transparente Ausbildung der HF-Spulenanordnung 2 und/oder durch Sichtlücken innerhalb der HF-Spulenanordnung 2 die freie Werkstückoberfläche erfassen vermag, können auf Fehler nahe der Werkstückoberfläche hinweisende, geringste Temperaturunterschiede erfasst werden.Likewise, those lead inside the workpiece by the RF coil assembly 2 induced eddy currents 5 for local heating of the workpiece 1 , With the help of a thermographic camera 6 pointing to the workpiece surface of the workpiece 1 in particular in the area of the RF coil arrangement 2 is directed and by a correspondingly transparent design of the RF coil assembly 2 and / or through gaps in the RF coil assembly 2 can detect the free workpiece surface can be detected on errors near the workpiece surface indicative, lowest temperature differences.

Die sowohl mit Hilfe der Ultraschallwellenuntersuchung als auch mit Hilfe der induktiven Thermographie gewonnenen Messsignale werden zeitlich synchron kombiniert in einer Auswerteeinheit 7 gemeinsam erfasst und ausgewertet, so dass eine zuverlässige Aussage über mögliche Fehler innerhalb des gesamten Werkstückes 1 angestellt werden kann. Die aus beiden Verfahren stammenden Messsignale stehen in einem festen zeitlichen und räumlichen Bezug zueinander und vermögen so ein tatsächliches Abbild über den Zustand eines zu untersuchenden Werkstückes anzugeben. Die in 1 schematisiert dargestellte Vorrichtung eignet sich insbesondere zur Erfassung dynamischer Belastungszustände innerhalb eines Werkstückes, zumal die Vorrichtung erstmals ein Werkstück sowohl mittels Ultraschallwellenuntersuchung als auch induzierter thermographischer Untersuchung zu analysieren vermag.The measurement signals obtained both with the help of ultrasonic wave examination and with the help of inductive thermography are combined synchronously in time in an evaluation unit 7 Collectively recorded and evaluated, giving a reliable statement about possible errors within the entire workpiece 1 can be hired. The measurement signals originating from both methods are in a fixed temporal and spatial relationship to each other and thus able to give an actual image of the state of a workpiece to be examined. In the 1 A schematically illustrated device is particularly suitable for detecting dynamic load conditions within a workpiece, especially since the device is capable of analyzing a workpiece for the first time by means of ultrasound wave examination as well as induced thermographic examination.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Werkstückworkpiece
22
HF-SpulenanordnungRF coil assembly
33
Permanentmagnetanordnung bzw. ElektromagnetanordnungPermanent magnet arrangement or electromagnet arrangement
44
Ansteuereinheitcontrol unit
55
Wirbelströmeeddy currents
66
Thermographiekamerathermal imaging camera
77
Auswerteeinheitevaluation

Claims (16)

Verfahren zur berührungslosen zerstörungsfreien Untersuchung eines elektrisch leitendes und ferromagnetisches Material aufweisenden Werkstückes im Rahmen einer elektromagnetischen Ultraschallwellen-Untersuchung, bei der das Werkstück zumindest bereichsweise wenigstens einem statischen oder quasistatischen Magnetfeld sowie einem mit Hilfe einer HF-Spulenanordnung erzeugbaren und mit dem Magnetfeld überlagernden elektromagnetischen HF-Feld derart ausgesetzt wird, so dass sich innerhalb des Werkstückes Ultraschallwellen ausbilden, die nach Durchschallen wenigstens eines Bereiches des Werkstückes im Bereich des Magnetfeldes und/oder eines anderen statischen oder quasistatischen Magnetfeldes ein mit Hilfe der HF-Spulenanordnung und/oder einer anderen HF-Spulenanordnung detektierbares HF-Feld erzeugen, das der Untersuchung zugrunde gelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe des mit der HF-Spulenanordnung erzeugbaren HF-Feldes in zeitlicher Synchronisation zur elektromagnetischen Ultraschallwellen-Untersuchung das Werkstück induktiv erwärmt und mittels einer Induktionsthermographie untersucht wird.Method for non-contact non-destructive examination of a workpiece having an electrically conductive and ferromagnetic material in the context of an electromagnetic ultrasonic wave examination, in which the workpiece is at least partially at least a static or quasi-static magnetic field and an electromagnetic RF generated by means of an RF coil assembly and superimposed with the magnetic field Field is exposed so that forms within the workpiece ultrasonic waves, which after passing through at least a portion of the workpiece in the magnetic field and / or another static or quasi-static magnetic field using the RF coil assembly and / or another RF coil assembly generate detectable RF field, which is the basis of the investigation, characterized in that by means of the RF coil arrangement can be generated with the RF field in time synchronization with the electromagnetic Ultrasonic wave examination, the workpiece is inductively heated and examined by means of induction thermography. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die HF-Spulenanordnung mit einer Arbeitsfrequenz betrieben wird, bei der sich ein HF-Feld ausbildet, das innerhalb des Werkstückes Wirbelströme induziert, die sowohl der Ausbildung von Ultraschallwellen, die der elektromagnetischen Ultraschallwellen-Untersuchung zugrunde gelegt werden, als auch zur Erwärmung des Werkstückes, die im Rahmen der Induktionsthermographie genutzt wird, dienen.Method according to Claim 1 , characterized in that the RF coil arrangement is operated at an operating frequency at which an RF field is formed which induces eddy currents within the workpiece, both the formation of ultrasonic waves on which the electromagnetic ultrasonic wave examination is based and also the heating of the workpiece , which is used in the context of induction thermography serve. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die HF-Spulenanordnung mit einer ersten Arbeitsfrequenz betrieben wird, bei der sich ein HF-Feld ausbildet, das innerhalb des Werkstückes Wirbelströme induziert, die der Ausbildung von Ultraschallwellen, die der elektromagnetischen Ultraschallwellen-Untersuchung zugrunde gelegt werden, dienen, dass die HF-Spulenanordnung mit einer zweiten Arbeitsfrequenz betrieben wird, bei der sich ein HF-Feld ausbildet, das innerhalb des Werkstückes Wirbelströme induziert, die zur Erwärmung des Werkstückes und zur Durchführung der Induktionsthermographie dienen, und dass die HF-Spulenanordnung mit beiden Arbeitsfrequenzen, in Art eines Multiplexverfahrens betrieben wird.Method according to Claim 1 characterized in that the RF coil assembly is operated at a first operating frequency at which an RF field is formed which induces eddy currents within the workpiece which serve to form ultrasonic waves used in the ultrasonic wave electromagnetic investigation; that the RF coil arrangement is operated at a second operating frequency, in which an RF field is formed, which induces eddy currents within the workpiece, which serve to heat the workpiece and to perform the induction thermography, and in that the RF coil arrangement with both operating frequencies, operated in the manner of a multiplex method. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die HF-Spulenanordnung mit beiden Arbeitsfrequenzen im Rahmen eines Zeit-, Frequenz- oder Codemultiplexverfahrens betrieben wird.Method according to Claim 3 , characterized in that the RF coil arrangement is operated with both operating frequencies in the context of a time, frequency or code division multiplex method. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das statische oder quasi-statische Magnetfeld horizontal und/oder orthogonal zu einer dem Werkstück zuordenbaren Werkstückoberfläche orientiert wird, an der die HF-Spulenanordnung zur Erzeugung des mit dem Magnetfeld überlagernden elektromagnetischen HF-Feldes angeordnet wird.Method according to one of Claims 1 to 4 , characterized in that the static or quasi-static magnetic field is oriented horizontally and / or orthogonal to a workpiece surface assignable to the workpiece, at which the RF coil assembly for generating the superimposed with the magnetic field electromagnetic RF field is arranged. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das statische oder quasi-statische Magnetfeld im Falle einer zur Werkstückoberfläche horizontalen Orientierung um eine zur Werkstückoberfläche orthogonale Raumrichtung gedreht wird, oder dass das statische oder quasi-statische Magnetfeld im Falle einer zur Werkstückoberfläche orthogonalen Orientierung um eine längs der Werkstückoberfläche orientierte Raumrichtung gedreht wird.Method according to Claim 5 , characterized in that the static or quasi-static magnetic field is rotated in the horizontal direction to the workpiece surface orientation about a workpiece surface orthogonal spatial direction, or that the static or quasi-static magnetic field oriented in the case of an orthogonal to the workpiece surface orientation about one along the workpiece surface Spatial direction is turned. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein zusätzliches statisches oder quasistatisches Magnetfeld mit einer zur Werkstückoberfläche horizontalen Orientierung vorgesehen wird, das zu einer zur Werkstückoberfläche orthogonalen Raumrichtung gedreht wirdMethod according to Claim 5 or 6 , characterized in that at least one additional static or quasi-static magnetic field is provided with a horizontal to the workpiece surface orientation, which is rotated to a direction orthogonal to the workpiece surface spatial direction Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Induktionsthermographie wenigstens ein Oberflächenbereich des Werkstückes, der von dem HF-Feld zur induktiven Erwärmung des Werkstückes durchsetzt wird, von einer Thermographiekamera optisch frei zugänglich erfasst wird.Method according to one of Claims 1 to 7 , characterized in that in the context of induction thermography at least one surface region of the workpiece, which is penetrated by the RF field for inductive heating of the workpiece is detected optically freely accessible by a thermographic camera. Vorrichtung zur berührungslosen zerstörungsfreien Untersuchung eines elektrisch leitendes und ferromagnetisches Material aufweisenden Werkstückes zur Durchführung einer elektromagnetischen Ultraschallwellen-Untersuchung, mit wenigstens einer Magneteinheit zur Erzeugung eines statischen oder quasistatischen Magnetfeldes sowie wenigstens einer HF-Spulenanordnung, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine HF-Spulenanordnung mit einer Ansteuereinheit verbunden und derart ansteuerbar ist, so dass ein von der HF-Spulenanordnung erzeugbares HF-Feld innerhalb des Werkstückes Wirbelströme induziert, durch die Ultraschallwellen innerhalb des Werkstückes erzeugbar sind sowie das Werkstück derart erwärmen, so dass das Werkstück mittels Induktionsthermographie erfassbar ist, und dass die wenigstens eine HF-Spulenanordnung derart ausgebildet und am Werkstück anbringbar ist, so dass ein Oberflächenbereich des Werkstückes, der von dem HF-Feld zur induktiven Erwärmung des Werkstückes durchsetzbar ist, von einer Thermographiekamera optisch frei zugänglich erfassbar ist.Apparatus for non-contact non-destructive examination of an electrically conductive and ferromagnetic material having workpiece for performing an electromagnetic ultrasonic wave examination, comprising at least one magnet unit for generating a static or quasi-static magnetic field and at least one RF coil assembly, characterized in that the at least one RF coil assembly with connected to a drive unit and is controllable such that an RF field producible by the RF coil arrangement induces eddy currents within the workpiece, can be generated by the ultrasonic waves within the workpiece and heat the workpiece so that the workpiece can be detected by induction thermography, and in that the at least one RF coil arrangement is designed and attachable to the workpiece so that a surface area of the workpiece which is separated from the HF field for inductive heating of the workpiece ckes is enforceable by a thermographic camera optically freely accessible. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenanordnung wenigstens eine elektrische Induktionsspule und/oder die wenigstens eine Magneteinheit in Form eines Permanentmagneten oder eines Elektromagneten ausgebildet ist.Device after Claim 9 , characterized in that the coil arrangement is formed at least one electrical induction coil and / or the at least one magnet unit in the form of a permanent magnet or an electromagnet. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine HF-Spulenanordnung resonant abgestimmt ist.Device after Claim 9 or 10 , characterized in that the at least one RF coil arrangement is resonantly tuned. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei HF-Spulenanordnungen vorgesehen sind, von denen eine erste HF-Spulenanordnung die Wirbelströme innerhalb des Werkstückes zur Ultraschallwellenerzeugung und Erwärmung des Werkstückes erzeugt, und eine zweite HF-Spulenanordnung, die zur Detektion von sich innerhalb des Werkstückes ausbreitenden Ultraschallwellen dient.Device according to one of Claims 9 to 11 characterized in that at least two RF coil assemblies are provided, of which a first RF coil assembly generates the eddy currents within the workpiece for ultrasonic wave generation and heating of the workpiece, and a second RF coil assembly adapted to detect ultrasonic waves propagating within the workpiece serves. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Magneteinheit drehbar oder schwenkbar relativ zum Werkstück angeordnet ist.Device according to one of Claims 9 to 12 , characterized in that the at least one magnet unit is rotatable or pivotable relative to the workpiece. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Induktionsspule der HF-Spulenanordnung eine Vielzahl an Wicklungen von wenigstens einen elektrischen Leiters vorsieht, die ein Wickelmuster aufweisen, das wenigstens einen Zwischenraum zwischen den Wicklungen einschließt, der einen für die Thermographiekamera optisch freien Sichtkanal auf das Werkstück darstellt.Device according to one of Claims 10 to 13 characterized in that the at least one induction coil of the RF coil assembly provides a plurality of windings of at least one electrical conductor having a winding pattern including at least one gap between the windings, which is a visual channel, optically free to the thermographic camera, on the workpiece , Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Induktionsspule aus einem für die Thermographiekamera transparenten elektrisch leitendem Material besteht.Device according to one of Claims 10 to 14 , characterized in that the at least one induction coil consists of a transparent to the thermographic camera electrically conductive material. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das transparente elektrisch leitende Material aus einem der folgendem Materialien besteht: ITO (Indium-Zinnoxid), SnO2:F, ZnO:Al, SnO2:Sb, Graphen.Device after Claim 15 characterized in that the transparent electrically conductive material is one of the following Materials are: ITO (indium tin oxide), SnO 2 : F, ZnO: Al, SnO 2 : Sb, graphene.
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