DE19654317C1 - Vorrichtung zur magnetischen Rißprüfung von ferromagnetischen Werkstoffen und Werkstücken - Google Patents

Description

Die Erfindung gehört zu Einrichtungen für zerstörungsfreie Prüfungen von ferromagnetischen Werkstoffen und Werkstücken mittels Magnetisierung und Untersuchung des magnetischen Streuflußbildes und betrifft insbesondere die Prüfung von länglichem Durchlaufgut, aber auch Einzelteilen, insbesondere komplizierter Bauformen, auf Oberflächenfehler, insbesondere die gleichzeitige Prüfung auf Längs- und Querfehler.

Solche Vorrichtung sind an sich bekannt, vgl. DE 38 41 747 A1. Hierbei werden die Werkstücke, die durch eine Magnetpulversuspension bespült sind, einem komplexen Magnetfeld ausgesetzt, in welchem mehr als ein Magnetisierungsaggregat vorhanden ist. Allerdings sind letztere als magnetische Polträger sowie umlaufend in einem Rotor- oder Statorkranz ausgebildet. Wegen bestimmter Spulenanordnung und Geometrie des Magnetisierungsfeldes sind gleichzeitige Prüfung auf Längs- und Querfehler, insbesondere bei Einzelteilen komplizierter Bauform, nicht möglich. Außerdem haben die Spulen relativ große Induktivität und Blindwiderstand, was zur Notwendigkeit führt große Speisespannung für die Felderzeugung zu verwenden.

Zur möglichst gleichzeitigen Erfassung von Längs- und Querfehler in einem ferromagnetischen Werkstück ist ebenfalls eine Prüfanordnung bekannt, die eine Magnetisierungsspule und einen Magnetisierungsdorn verwendet, wobei eine Stromdurchflutung benutzt wird, so daß unerwünschte Kontakte bzw. Brandstellen am Werkstück entstehen können. Hierbei braucht man auch große Speisespannung für die Felderzeugung.

Die Erfindung bezweckt, die vorsehenden Nachteile zu vermeiden. Die Erfindung, sowie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, eine Magnetisiervorrichtung zu schaffen, bei der eine vereinfachte Bauweise der Vorrichtung kostensparend erreicht werden soll, aber auch schlechter erfaßbare Oberflächenbereiche des Prüflings, insbesondere komplizierter Bauformen, sicherer erfaßt werden und eine programmierbare Prüfung nach Art des Prüflings ermöglicht werden. Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale des Hauptanspruchs erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 schematisch eine räumliche Darstellung eines erfindungsgemäßen Ausfürungsbeispieles mit Magnetisiervorrichtung und Prüflingen.

Fig. 2 eine entsprechende Anordnung, aber mit einem innenliegenden Prüflings.

Fig. 3 eine Spulenanordnung.

Fig. 4 ein Magnetfeldbild im äußeren und inneren Raum des Magnetkreises.

Fig. 5 ein zu Fig. 4 bzw. 6 zugeordnetes Spannung-Zeitdiagramm.

Fig. 6 ein Drehfeldverlauf im äußeren und inneren Raum des Magnetkreises.

Fig. 7 eine Strahldiagramm mit Magnetfeldvektoren im äußeren und inneren Raum des Magnetkreises (Querschnitt zu Fig. 4).

Fig. 1 zeigt eine Variante der Erfindung mit einem außenliegenden Prüflings 1 (z. B. Rohr). Die Vorrichtung zur magnetischen Rißprüfung besteht aus einem geschlossenen Magnetkreis 2, in diesem Fall einem Ringeisenkern aus Elektroblech. Auf dem Ringeisenkern 2 sind Erregerspulen 3a-3d und 4, 4a gewickelt. Die Spulenanordnung ist auch in der Fig. 3 dargestellt. Eine gerade Zahl von Spulen, hier vier Spulen 3a, 3b, 3c, und 3d, umfassen den Magnetkreisquerschnitt (Ringeisenkern) und sind gleichmäßig zueinander im Winkel 90° entlang des Magnetkreises angeordnet. Bei Verwendung von sechs Spulen beträgt dieser Winkel 60°.

An der äußeren Fläche des Magnetkreises befindet sich die Spule 4. In anderen Einzelfallen kann sich Spule 4a an der inneren Fläche des Magnetkreises befinden oder beide Spulen 4 und 4a sich entsprechend an der äußeren und inneren Fläche des Magnetkreises befinden.

Jedes Paar gegeneinander liegender und den Magnetkreisquerschnitt umfassenden Spulen 3a-3b und 3c-3d sind miteinander antiparallel oder gegeneinander in Reihe geschaltet. Auch die jedes Paar gegeneinander liegende und den Magnetkreisquerschnitt umfassenden Spulen 3a-3b, 3c-3d und die an der äußeren und/oder inneren Fläche des Magnetkreises sich befindliche Spule 4 und/oder 4a sind mit der Umschalteinheit 5 verbunden. Die Umschalteinheit 5 ist auch mit der Leistungselektronikeinheit 6 verbunden, die mit den Gleichstromausgang Uo, zwei Wechselstromausgängen u1, u2 mit eine Phasenverschiebung bis 90° und/oder Drehstromausgang L1, L2, L3 versehen ist. Die Umschalteinheit 5 ist durch eine Steuereinheit 7 steuerbar, um eine Hand- oder automatische Steuerung von Felderregung zu gewährleisten. Während des Prüfvorgang wird die Vorrichtung in den Hohlraum des Prüflings eingeführt.

Die Anordnung gemäß Fig. 1 eignet sich insbesondere zur Prüfung von Werkstücken mit Hohlräumen, hier der Innenfläche des Rohres 1, auf Längs- und Querfehler.

Eine andere Anordnung ist der Fig. 2 zu entnehmen. Die Ausführung ist gleich wie in der Fig. 1, aber das Werkstück 1, hier auch ein Rohr, befindet sich im inneren Raum des geschlossenen Magnetkreises. Es können sehr unterschiedliche Werkstücke, insbesondere als Durchlaufgut, aber auch Einzelteile, durch den inneren Raum des Magnetkreises transportiert werden. Die Anordnung gemäß Fig. 2 eignet sich zur Prüfung der Außenfläche von Werkstücken, insbesondere komplizierten Bauformen, auf Längs- und Querfehler.

Fig. 4 zeigt ein Magnetfeldbild im äußeren und inneren Raum des Magnetkreises. Die gegeneinander in Reihe geschalteten Spulen 3a und 3b sind gemäß Fig. 1 von der Leistungselektronikeinheit 6 durch die Umschalteinheit 5 mit der Spannung u1 = U_*Cos(ωt) gespeist. Entsprechend werden die Spulen 3c und 3d von der Spannung u2 = U_*Sin(ωt) gespeist. Das Spannung-Zeitdiagramm ist in der Fig. 5 dargestellt. Gemäß Fig. 5 sind die Spannungen u1 und u2 zum Zeitpunkt t₁ gleich und positiv. Die Ströme i1 und i2 nach Fig. 4 lassen sich durch die Spannung und den komplexen Widerstand berechnen. Die Spulen 3a, 3b, 3c und 3d haben gleiche Abmessungen und Windungszahl und sind induktiv gekoppelt. Allgemein für zwei gegeneinander in Reihe geschalteten Spulen gilt:

L = L1 + L2 - 2M

wobei L - die Gesamtinduktivität, L1 und L2 - Induktivität der einzelnen Spulen und M - die Gegeninduktivität sind. Wenn L1 = L2 und der Kopplungsfaktor k = 1 (M = ) sind, ist die Gesamtinduktivität gleich 0.

Im unserem Fall ist der Kopplungsfaktor k wegen dem Streufluß weniger als 1 und die Gesamtinduktivität von gegeneinander in Reihe geschalteten Spulen ist, wie ein Versuch gezeigt hat, dreißigmal weniger als die Induktivität der einzelnen Spule. Dies bietet eine Möglichkeit den gleichen Strom mit um Faktor ca. 30 kleinerer Speisespannung erzeugen.

Wegen gleicher Werte der Spulen 3a, 3b, 3c und 3d sind die in Fig. 4 gezeigten Ströme auch gleich. Die stromdurchflossenen Spulen 3a und 3b, sowie 3c und 3d bilden in dem geschlossenen Magnetkreis entgegengesetzten magnetischen Fluß, wobei der Fluß von den Spulen 3a und 3c, sowie 3b und 3d gleiche Richtung haben. Der gesamte magnetische Fluß Φ1 von den Spulen 3a und 3c wirkt dem gesamten magnetischen Fluß Φ2 von den Spulen 3b und 3d entgegen, was zur Verdrängung der magnetischen Feldlinien aus den geschlossenen Magnetkreis führt, wie in Fig. 4 dargestellt ist. Als Ergebnis gibt es im äußeren und inneren Raum des Magnetkreises ein starkes magnetisches Feld Ha und Hi, welche Gegenrichtungen haben. Zum Zeitpunkt t₂ sind gemäß Fig. 5 und Fig. 4 die Spannung u1 bzw. Strom i1 gleich 0 und die Spannung u2 bzw. Strom i2 maximal. In diesem Fall wird das magnetische Feld Ha und Hi nur vom Strom i2, die durch der Spulen 3c und 3d fließt gebildet. Die Feldrichtung Ha und Hi ändert sich um 45°. Genau so kann man die anderen Zeitpunkte vergleichen. Alle diese Fälle sind mit entsprechenden Richtungen der Magnetfeldvektoren Ha und Hi in der Fig. 6 dargestellt.

Auf diese Weise, bekommt man im äußeren und inneren Raum des Magnetkreises bei Verwendung von zwei um 90° phasenverschobenen sinusförmigen Spannungen ein magnetisches Drehfeld, welches in der Zeichnungsfläche ein kreisförmiges Bild hat. Bei Phasenverschiebung einer Spannung (z. B. u1) um 180° ändert sich die Drehfeldrichtung.

Man kann zur Spulenspeisung zwei Phasen (z. B. L1 und L2 in der Leistungselektronikeinheit 6) aus den Drehstromnetz verwenden. In diesem Fall beträgt die Phasenverschiebung der Spannungen 120° und das magnetisches Drehfeld hat ellipsenförmiges Bild mit den Ellipsenachsverhältnis ca. 1 : 1,7. Bei Phasenveränderung (z. B. L3 statt L2) ändert sich die Drehrichtung entgegengesetzt. Die Strahldiagramm mit Magnetfeldvektoren im äußeren und inneren Raum des Magnetkreises im Querschnitt zu Fig. 4 ist in Fig. 7 dargestellt. Das Magnetfeld, welches von den Spulen 3a-3d gebildet wird, hat eine komplizierte räumliche Konfiguration, welche im äußeren und inneren Raum des Magnetkreises ein toroidales Bild und zwei Feldkomponenten in der Zeichnungsfläche (z. B. im Punkt A und B) Hr, Ht hat. In der Achse a-a ist Hit und in der Achse b-b Hat immer gleich 0. Dies kann zu Schwierigkeiten bei Prüfungen auf Querfehler führen. Um das zu vermeiden, benutzt man die in Fig. 1 und Fig. 3 gezeigte Spule 4 und/oder 4a. Diese Spulen bilden im äußeren und inneren Raum des Magnetkreises die tangentiale Feldkomponente H4. Deswegen hat das Gesamtmagnetfeld der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Umgebung des Magnetkreises keine Position mit der Feldstärke 0. Die Spule 4 bzw. 4a kann mit der Gleichspannung Uo beliebiger Polarität gespeist werden. Um ein in der Richtung a-a gemäß Fig. 7 bewegliches Magnetfeldbild zu erreichen, kann die Spule 4 bzw. 4a mit Wechselspannung (z. B. u1, u2, oder vom freien Strang des Drehstromausgangs) gespeist werden. Man kann somit nach Art des Prüflings ein optimales Magnetfeld gezielt realisieren.

Durch die Erfindung werden verschiedene Vorteile bei der Prüfung von magnetisierbaren Werkstücken erreicht. Man kann mit einen Magnetisierungsaggregat die Prüfungen von Werkstücken mit und ohne Hohlräumen (Innenfläche/Außenfläche), insbesondere komplizierten Bauformen, durchführen. Die erfindungsgemäße Magnetfeldbildung ergibt die Möglichkeit der gleichzeitigen Prüfung auf Längs- und Querfehler. Ein weiterer Vorteil ist, daß mit relativ kleiner Speisespannung ein starkes Magnetfeld erzeugt wird. Dies ist besonders wichtig für die Sicherheit von Bedienungspersonal. Alle diese Vorteile erreicht man in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur magnetischen Rißprüfung von ferromagnetischen Werkstoffen und Werkstücken mit relativ einfacher Bauform und niedrigen Kosten.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur magnetischen Rißprüfung von ferromagnetischen Werkstoffen und Werkstücken, insbesondere von länglichem Durchlaufgut, aber auch Einzelteilen, insbesondere mit komplizierten Bauformen, als Prüflinge durch das Magnetpulververfahren auf Oberflächenfehler, insbesondere zur gleichzeitigen Prüfung auf Längs- und Querfehler, wobei die Vorrichtung mit mehreren stromdurchflossenen und im Werkstück ein Magnetfeld erzeugenden Spulen, welche auf einem Magnetkern angeordnet sind versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspulen auf einem geschlossenen Magnetkreis, z. B. Ringeisenkern angeordnet sind, wobei eine gerade Zahl von Spulen den Magnetkreisquerschnitt umfassen und gleichmäßig entlang des Magnetkreises angeordnet sind, und die Spulen von jedem Paar diametral gegenüberliegender und den Magnetkreisquerschnitt umfassender Spulen antiparallel oder gegeneinander in Reihe geschaltet sind, sowie sich mindestens eine Spule an der äußeren und/oder inneren Fläche des Magnetkreises befindet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spule aus jedem Paar diametral gegenüberliegender und den Magnetkreisquerschnitt umfassender Spulen im Magnetkreis einen Magnetfluß bildet, welcher in Gegenrichtung zu dem gebildeten Magnetfluß der anderen Spule aus diesem Paar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von zwei Paar diametral gegenüberliegenden und den Magnetkreisquerschnitt umfassenden Spulen, jedem Paar um etwa 90° zueinander entlang des Magnetkreises versetzt ist und durch eine Umschalteinheit von zwei um 90° phasenverschobenen Wechselspannungen oder von zwei Strängen eines Drehstromes gespeist wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von drei Paar diametral gegenüberliegenden und den Magnetkreisquerschnitt umfassenden Spulen, jedes Paar um etwa 60° zueinander entlang des Magnetkreises versetzt ist und durch eine Umschalteinheit von Drehstrom gespeist wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschalteinheit von der Steuereinheit von Hand- und/oder elektronisch steuerbar ist.