DE2855511A1

DE2855511A1 - Wirbelstrom-pruefvorrichtung

Info

Publication number: DE2855511A1
Application number: DE19782855511
Authority: DE
Inventors: Bernard Boehm; Jacques Dumont-Fillon; Gerard Labbe
Original assignee: Institut de Recherches de la Siderurgie Francaise IRSID
Current assignee: Institut de Recherches de la Siderurgie Francaise IRSID
Priority date: 1977-12-26
Filing date: 1978-12-22
Publication date: 1979-06-28
Also published as: ES476342A1; FR2412841B1; IT7830945A0; IT1100737B; DE2855511C2; GB2011087B; GB2011087A; FR2412841A1; BE872785A; LU80697A1

Description

DR.-ING. EUGEN MAIER DR.-ING. ECKHARD WOLF

PATENTANWÄLTE

TELEFON: (0711)24 27 61/2 TEUEGRAMME: MENTOR

7 STUTTGARTI, PISCHEKSTR. 19

DRESDNER BANK AG STUTTGART NB. 192O534 POSTSCHECK STGT. 25200-709

A 12 252
13.12.1978
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INSTITUT DE RECHERCHES DE LA SIDERURGIE FRANCAISE

185, rue President Roosevelt Saint-Germain-en-Laye, Yvelines (Frankreich)

Wirbelstrom-Prüfvorrichtung

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DR.-ING. EUGEN MAIER DR.-ING. ECKHARD WOLF

PATENTANWÄLTE

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TELEFON: (0711)24 27 61/2 TELEGRAMME: MENTOR

7 STUTTGART 1, PISCHEKSTR, 19

2655511

DRESDNER BANK AS STUTTGART NR. 1920534 POSTSCHECK STGT. 2S2OO-7O9

-y-

A 12 252
13.12.1978
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INSTITUT DE RECHERGHES DE LA SIDERURGIE FRANCAISE

185, rue President Roosevelt Saint-Germain-en Laye, Yvelines (Frankreich)

Wirbelstrom-Prüfvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Feststellung von fehlerhaften Stellen in der Oberfläche eines metallischen Erzeugnisses, das mindestens eine Fläche mit einer Symmetrieachse aufweist, mittels mit der zu untersuchenden Fläche gekoppelten elektromagnetischen Spulen, deren komplexer Widerstand bei einer oder mehreren Frequenzen des sie speisenden Stroms bei der Fehlerfeststellung ausgewertet wird.

Die Verwendung solcher Vorrichtungen stößt sehr oft deshalb auf große Schwierigkeiten, weil ein solches Prüfverfahren

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auf der Feststellung der Änderungen des Spulenwiderstandes beruht. Dieser wird jedoch sehr oft durch zahlreiche Parameter beeinflußt, die größere Veränderungen des Widerstandes hervorrufen als diejenigen, die durch die festzustellenden Fehlerstellen eines Prüflings verursacht werden. Solche Störparameter sind beispielsweise der spezifische elektrische Widerstand und auch die magnetische Leitfähigkeit, die eine Abhängigkeit von der Temperatur, der chemischen Zusammensetzung und der Metallstruktur aufweisen, sowie der zwischen einer Spule und der Oberfläche des Prüflings bestehende Abstand.

Es sind schon Vorrichtungen zur Fehlerfeststellung an länglichen, entlang der Vorrichtung bewegten Erzeugnissen bekannt, die eine oder auch zwei in Brückenschaltung angeordnete Induktionsspulen aufweisen, die so oberhalb des Prüflings verschoben werden, daß dessen ganze Oberfläche erfaßt wird. Dies erfordert jedoch eine mechanische Antriebsvorrichtung, die ein sehr rasches Abtasten der Prüflinge ermöglicht, da diese meist mit einer erheblichen Geschwindigkeit von etwa 1 bis 3 m/s an der Vorrichtung vorbeigeführt werden, was im allgemeinen eine sehr aufwendige und. daher auch kostspielige Konstruktion solcher Antriebsvorrichtungen voraussetzt. Ein Prüfverfahren mit solchen Vorrichtungen kann im Hinblick auf den Einfluß,

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den der Abstand der Prüfvorrichtung bzw. der einzelnen Spulen von dem Prüfling ausübt, nur bei runden oder auch ebene Oberflächen aufweisenden Erzeugnissen, wie z.B. Knüppeln, angewendet werden. Bei Schienen, wie z.B. Eisenbahnschienen, oder auch bei anderen ein unregelmäßiges Profil aufweisenden Erzeugnissen müssen die Spulen eine diesen Oberflächen genau entsprechende Kurvenbahn durchlaufen, was die Verwendung einer Antriebsvorrichtung mit erheblichem Kostenaufwand erforderlich macht.

Es sind auch Vorrichtungen bekannt, bei denen die metallischen Prüflinge unter der Wirkung der Schwerkraft innerhalb einer Mehrzahl von ringförmig angeordneten Induktionsspulen eine Fallbewegung ausführen, wobei die symmetrisch zu dem fallenden Prüfling angeordneten Spulen paarweise an eine Meßbrücke angeschlossen sind. Auch dieses Verfahren ist auf die Prüfung von Erzeugnissen mit einem verhältnismäßig einfachen Profil beschränkt, im allgemeinen auf solche Erzeugnisse, die einen Rotationskörper darstellen, und machen einen verhältnismäßig komplizierten Aufbau der Vorrichtung hinsichtlich der Anordnung der Spulen und ihrer elektrischen Verbindungen erforderlich, damit Abweichungen von dem gleichmäßigen Abstand zweier an eine Brücke angeschlossener Spulen keine Fehlerquellen bilden.

Es sind des weiteren auch Vorrichtungen mit einer den

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Prüfling kreisförmig umgebenden Sonde bekannt, die jedoch insbesondere bei einen großen Querschnitt aufweisenden Prüflingen eine ungenügende Empfindlichkeit aufweisen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der vorgenannten Art zu schaffen, die einen einfachen Aufbau aufweist, einen weiten Anwendungsbereich ermöglicht und in einfacher Weise zur Prüfung von Erzeugnissen beliebigen Querschnitts eingesetzt werden kann, sowie bei der Feststellung selbst kleiner Fehlstellen eine hohe Zuverlässigkeit gewährleistet.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit einer Vorrichtung gelöst, die die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale aufweist.

Vorteilhafterweise weist diese Vorrichtung des weiteren Merkmale auf, wie sie den Gegenstand der Unteransprüche bilden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere geeignet, um Gleisschienen auf Fehlerstellen an ihrem Schienenkopf und auch ihrem Schienenfuß zu untersuchen, darüber hinaus aber auch geeignet, Halbzeug der Stahlindustrie auf ihre Oberflächengüte zu untersuchen.

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Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist gegenüber üblichen visuellen Prüfmethoden den Vorteil einer sehr raschen und automatischen Feststellung von Oberflächenfehlern der verschiedensten metallischen Erzeugnisse, wie z.B. Knüppeln, Masseln, Stabeisen, Schienen, Trägern und Platten auf. Auch gegenüber den vorgenannten Prüfmethoden unter Verwendung von Wirbelströme erzeugenden elektromagnetischen Sonden weist die erfindungsgemäße Vorrichtung insofern Vorteile auf, als bei diesen vorbekannten Prüfnethoden der komplexe Widerstand einer magnetisch mit einem metallischen Körper gekoppelten Spule von zahlreichen eingangs genannten Faktoren abhängig ist. Auch die Struktur des Metallgitters und innere Spannungen eines metallischen Körpers üben einen nicht zu vernachlässigenden Einfluß auf den Widerstand einer Spule aus.

Diese zuletzt genannten Faktoren weisen jedoch bei Walzerzeugnissen eine weitgehende Symmetrie zur Mittelebene eines Walzerzeugnisses auf. Wenn dieser Parameter einen merklichen Einfluß auf die Messungen ausübt, so kann man die Prüfspulen paarweise symmetrisch anordnen, wobei jedes Paar aus zwei Spulen besteht, die einer Bewegung längs zweier paralleler, von der Mittelebene einen gleichen Abstand aufweisender Geraden unterworfen sind. Wenn jedoch, insbesondere bei der Untersuchung nicht ebener Oberflächen,

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der Einfluß der Lage einer Spule im Verhältnis zum Prüfling sich stark bemerkbar macht, womit infolge unvermeidbarer Veränderungen dieses Abstandes während der Durchführung einer Messung gerechnet werden muß, so kann es vorteilhaft sein, zwei einander benachbarte Spulen paarweise zusammenzufassen.

Jedes Spulenpaar ist in einer Brückenschaltung bekannter Art angeordnet, so daß jode Spule in Differentialschaltung arbeiten und zwei Streifen der Oberfläche des Prüflings vergleichen kann. Der Einfluß des spezifischen elektrischen Widerstandes und der magnetischen Leitfähigkeit sind somit mindestens im wesentlichen, wenn nicht sogar gänzlich eliminiert. Wenn zwei einander benachbarte Spulen an dieselbe Brücke angeschlossen sind, so kann es notwendig sein, eine elektronische Kompensation zum Ausgleich des von den Restspannungen des Prüflings herrührenden Effektes vorzusehen. Diese Anordnung der Spulen vermeidet die Notwendigkeit, eine magnetische Sättigung des Stahls herbeizuführen, wie dies bei Messungen mit Wirbelströmen allgemein üblich war, um örtliche Unterschiede der magnetischen Leitfähigkeit zu eliminieren. Es ist daher nicht mehr erforderlich, eine spätere Entmagnetisierung durchzuführen, was eine aufwendige Vorrichtung notwendig macht und man spart auf diese Weise auch die zur Erzielung einer magnetischen Sättigung

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und einer Entmagnetisierung notwendige Energie.

Es ist zweckmäßig, die Abmessungen der Spulen so zu wählen, daß sie den auftretenden Fehlerstellen etwa entsprechen. Wählt man den Durchmesser zu klein, so sind die Spulen zu sehr den lokalen Veränderungen der die Messung beeinflussenden Parameter unterworfen, und man würde auch eine große Zahl solcher Spulen benötigen, um die gesamte zu prüfende Oberfläche zu erfassen. Weisen die Spulen einen zu großen Durchmesser auf, so ist die Abtastung der Oberfläche nicht feinfühlig genug. Ein Durchmesser etwa zwischen 10 und 25 mm gibt bei der Untersuchung von Gleisschienen, speziell des Schienenkopfes und des Schienenfußes, befriedigende Ergebnisse. Es ist auch notwendig, daß die von den einzelnen Spulen erfaßten Zonen eine gewisse Überlappung aufweisen, so daß jedes Flächenelement von der Prüfung erfaßt und auch ein Fehler festgestellt wird, wenn er nur die Form einer einfachen Linie aufweist. Um eine solche Fehlerstelle festzustellen, kann man- die beiden ein Paar bildende Spulen in Längsrichtung verschieben. Eine solche Verschiebung bringt infolge der symmetrischen Gestalt des Prüflings keinerlei Unzuträglichkeiten mit sich, da die Charakteristiken des Prüflings sich zwar sehr schnell in der Querrichtung verändern, jedoch nur sehr wenig und sehr langsam in der Längsrichtung.

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Da andererseits die Spulen selbst einen Prüfkopf bilden, d.h., daß sie den Prüfling in seiner ganzen Breite zu er-

können sie
fassen vermögen,/starr miteinander verbunden sein, so daß es genügt, Mittel vorzusehen, die eine Verschiebung der gesamten Spulenanordnung gegenüber dem Prüfling gewährleisten; man kann jedoch gleichermaßen eine Relativverschiebung jeder einzelnen Spule vorsehen, wenn man sie mit entsprechenden Organen versieht.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in schematischer Weise dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Schienenkopfes mit auf seiner Oberfläche angeordneten Spulen;

Fig. 2 einen senkrechten Schnitt durch den Schienenkopf und den über ihm angeordneten, die Spulen aufnehmenden Block.

Das Beispiel eines Sohienerikopfes, wie er eine Walzstraße verläßt, wurde deshalb gewählt, um die besonderen Schwierigkeiten aufzuzeigen, die sich bei der Prüfung eines solchen Körpers ergeben. Man könnte auch ein anderes Baispiel wählen, das ebene Oberflächen aufweist, wie z.B. einen Schienenfuß, einen Knüppel od.dgl., bei dem die Einhaltung eines gleichen

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Abstandes der Spulen von der zu prüfenden Oberfläche mit einfacheren Mitteln zu gewährleisten ist.

Im Falle einer Gleisschiene, bei der die schwerwiegendsten und die im Gebrauch am störendsten sich auswirkenden Fehlerstellen sich an der Oberfläche des Schienenkopfes und am Schienenfuß befinden, der in der Zeichnung nicht dargestellt ist, bringt es keinerlei Nutzen, auch die Seitenflächen und den an den Schienenkopf angrenzenden Steg 3 einer Prüfung zu unterwerfen. Die auftretenden und bei der Prüfung festzustellenden Fehler sind zweifacher Art: eine gewisse Langserstreckung aufweisende Fehler, wie z.B. Risse, und nur eine verhältnismäßig geringe Länge aufweisende Fe¹ ,ei in der Art von Borsten oder Spänen. Oberhalb der Oberfläche 1 sind sechs Spulen a,b,c und a¹,b¹,c¹ jeweils paarweise gegeneinander versetzt angeordnet, wobei d'~» Zahl der Spulen nur von der Breite der Oberfläche des Prüflings und dem Durchmesser der Spulen abhängt. Die Oberfläche 1 kann somit in sechs im wesentlichen gleichgroße Längsstreifen unterteilt werden, die in Fig. 1 von strich--' punktierten Linien begrenzt werden, so daß jeder dieser Längsstreifen einer Prüfung durch eine Spule unterworfen wird. Der Durchmesser der Spulen ist nur wenig größer als die Breite eines solchen Streifens, so daß sich die von zwei in Längsrichtung aufeinander folgenden, zu den beiden Seiten einer strichpunktierten Linie angeordneten Spulen

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erhaltenen Anzeigen überschneiden.

Ein weiterer, bei der Ausbildung des erfindungsgernäßen Gerätes zu berüclcsichtigender Parameter, der sich nachhaltig auf den Widerstand der Prüfspulen auswirkt, ist der Abstand, den die Spulen von der Oberfläche des Prüflings aufweisen. Dieser Abstand muß so konstant wie nur irgend möglich gehalten werden, weshalb es von wesentlicher Bedeutung ist, jede Art der Bewegung der Spulen, und zwar in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Prüflings als auch senkrecht zu dieser Richtung zu vermeiden. Zu diesem Zweck werden die in ihrer Gesamtheit einen einzigen Prüfkopf bildenden Spulen in einem starren aus dielektrischem Material bestehenden Block angeordnet, der unter Einhaltung eines konstanten Abstandes an der Oberfläche des Prüflings entlanggeführt wird. Da Vorrichtungen, einen Prüfkopf in dieser V/eise längs eines Prüflings zu bewegen, bekannt sind, wie z.B. Kugel-, Rollen- oder Gleitlager aufweisende Schlitten, wurde eine solche Vorrichtung, ebensowenig wie der Block 4,

nicht
in Fig. 1 der Zeichnung/dargestellt. Aus Fig. 2 ist jedoch ersichtlich, wie die Spulen, im dargestellten Schnitt die Spulen b und b¹, in Aussparungen 5 des Blockes 4 so angeordnet sind, daß sie im wesentlichen vollkommen von dem dielektrischen Material umgeben sind. Dieses Material muß sehr gute isolierende Eigenschaften und auch einen hohen Dielektrizitätskoeffizienten und bei den auftretenden

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Temperaturen, wie z.B. 80 C, eine ausreichende Wärmefestigkeit aufweisen. Sehr gute Resultate wurden mit einer Polyphenyl-Schwefelverbindung mit Glasfaserverstärkung erzielt, die unter dem Warenzeichen "Ryton" im Handel ist. Die der Oberfläche 1 des Prüflings gegenüberliegende Fläche des Blockes 4 ist so ausgebildet, daß die Krümmung der konkav ausgebildeten Fläche im wesentlichen der Krümmung der Oberfläche des Schienenkopfes entspricht. Die Achsen der Spulen sind senkrecht zu der Oberfläche 1 des Schienenkopfes angeordnet, wie dies die beiden mittleren, symmetrisch zur Mittelebene des Schienenkopfgs angeordneten, in Fig. dargestellten Spulen b und b¹ zeigen. Am Boden der Aussparungen 5 weist der Block eine Stärke von etwa 1 mm auf, so daß bei einem Abstand des Blocks von der Oberfläche des Schienenkopfes etwa in derselben Größe der Abstand der Spulen von der Oberfläche des Schienenkopfes etwa 2 mm beträgt .

Die Art der elektrischen Fehlerermittlung ist prinzipiell bekannt. Im Falle der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist jedes Spulenpaar in einer von

Wechselstrom gespeisten Meßbrücke angeordnet. Solange keine Fehlerstelle festgestellt wird, sind die Brücken im Gleichgewicht. Jede Störung dieses Gleichgewichtes ergibt in der Brücke ein Signal, das nach bekannten, auf einer

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Phasenanalyse beruhenden Verfahren ausgewertet wird. Bei diesen Verfahren ist es mittels Rechtwinkelprojektionen auf bestimmte bevorzugte Richtungen möglich, zwischen den Widerstandsänderungen zu unterscheiden, die durch Veränderungen des Abstandes bzw. des spezifischen elektrischen Widerstandes verursacht wurden. Die zur Mittelebene symmetrische Anordnung der Spulen und ihre Anordnung senkrecht zu der zu prüfenden Oberfläche, sowie auch ihre paarweise Anordnung in einer Brückenschaltung erlaubt es, alle den Widerstand verändernden Störfaktoren praktisch vollständig auszuschalten und damit eine Meßempfindlichkeit von hohem Grad zu erreichen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann, beispielsweise am Ende einer Walzstraße, auch so verwendet werden, daß der Prüfling sich entlang der ortsfest angeordneten Vorrichtung bewegt.

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Claims

DR.-ING. EUGEN MAIER DR.-ING. ECKHARD WOLF PATENTANWÄLTE STUTTGART Α 12 252 13.12.1978 i - pe Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Feststellung von fehlerhaften Stellen in der Oberfläche eines metallischen Erzeugnisses, das mindestens eine Fläche mit einer Symmetrieachse aufweist, mittels elektromagnetischer Spulen, die mit der zu untersuchenden Fläche gekoppelt sind und deren komplexer Widerstand bei einer oder mehreren Frequenzen des sie speisenden Stroms ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet , daß sie eine Mehrzahl von gegenüber der zu prüfenden Oberfläche des Prüflings auf symmetrisch zu dessen Achse verlaufenden Linien angeordneten, in ihrer Gesamtheit längs des Prüflings verschiebbaren und damit die gesamte Breite der Oberfläche (Γ) des Prüflings überdeckenden Spulen aufweist, die paarweise in Meßbrücken angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden jeweils in einer

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Meßbrücke angeordneten Spulen (aa¹, bb¹, cc¹) auf zur Achse des Prüflings symmetrisch verlaufenden Linien angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden jeweils in einer bestimmten Meßbrücke angeordneten Spulen auf zwei einander benachbarten, der Oberfläche des Prüflings gegenüberliegenden Linien angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Durchmesser der Spulen etwas größer ist als der Abstand der zueinander und zur Achse parallel verlaufenden Linien, auf denen die Spulen derart axial gegeneinander versetzt angeordnet sind, daß die von den verschiedenen Spulenpaaren überdeckten Zonen sich gegenseitig überlappen.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Spulenachsen senkrecht zur Oberfläche des Prüflings angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenpaare in einem starren, der Oberfläche (1) des Prüflings angepaßten Block (4) in dessen Aussparungen

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(5) so angeordnet sind, daß sie von der Oberfläche (1) des Prüflings denselben Abstand aufweisen und bei der Verschiebung des Blocks (4) ihre gegenseitige Lage beibehalten.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet , daß der Werkstoff des Blocks (4) gute elektrisch isolierende Eigenschaften, einen hohen Dielektrizitätskoeffizienten und eine hohe mechanische Wärmefestigkeit aufweist.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß sie zur Prüfung der Oberflächen des Schienenkopfes und des Schienenfußes einer Gleisschiene dient.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß sie zur Prüfung der Oberfläche von Knüppeln dient.

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