DE2634201B2 - Wirbelstromsonde zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung an langgestreckten Metallprodukten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wirbelstromsonde zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung von langgestreckten Metallprodukten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie beispielsweise aus der GB-PS 91 890 bekannt geworden ist.

Bisher hat man der kontinuierlichen Werkstoffprüfung das Werkstück gewöhnlich durch kreisförmige Spulen laufen lassen, wobei die magnetischen Kraftlinien, die diese Spulen erzeugen, in das Werkstück

gleichmäßig eintreten, so daß das Werkstück bzw. mindestens sein Umfangsbereich gleichmäßig geprüft wird.

Eine derartige Prüfspule ist schematisiert in der US-PS 37 35 084 dargestellt. Die Spule mmmt ein

ίο rohrförmiges Produkt auf, das aus einem Metallband durch Verschweißen von dessen Längskanten hergestellt wird. Die Spule und die zugehörige Schaltungsanordnung nach dieser Druckschrift dienen dazu, die Wandung und die Schweißnaht zu prüfen und einen

fehlerhaften Teil als Ausschuß anzuzeigen. Jedoch werden mit solchen Spulen Rohre mit einwandfreier Wand und Schweißnaht bereits infolge von Kratzern, Dellen oder anderen Oberflächenunregelmißigkeiten als fehlerhaft angezeigt, was zu unnötig hohen

Ausschußraten führt. Andererseits hat eine solche Suchspule auch Rohrabschnitte als einwandfrei angezeigt, in deren Schweißnaht extrem kleine Unregelmäßigkeiten bzw. Undichtigkeiten vorhanden waren und die folglich mit Fehlern behaftet waren.

Bei der eingangs genannten magnetischen Pol- und Spulenanordnung nach der GB-PS 9 91890 wird erreicht, daß der von den Windungen erzeugte Magnetfluß auf den Bereich des magnetischen Schichtaufbaus und auf den sich in unmittelbarer Umgebung

jo des magnetischen Schichtaufbaus befindlichen Teil des zu prüfenden Metallprodukts begrenzt und konzentriert wird.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Wirbclstromsonde der eingangs genann-

)5 ten Art dahingehend auszubilden, daß sie nur den Bereich von Längsschweißnähten ohne Nachführungseinrichtungen mit größtmöglicher Prüfempfindlichkeil erfaßt, während Oberflächcnunregclmäßigkeiten in anderen Bereichen des Mctallprodnkls das Prüfergebnis nicht verfälschen. ErfindungsgcmäiJ wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs I gelöst.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen herausgestellt.

Das magnetische Feld der erfindungsgemäüen Wirbelstromsonde wird bei einem längsgeschweißten Metallprodukt im Bereich der Längsschweißnaht und auf einen begrenzten Bereich beiderseits der Längsschweißnaht — einsprechend den körperlichen Abmcs-

w sungcn der Wirbclslromsonde — konzentriert. Dieser begrenzte Bereich, auf den das konzentrierte Feld sich beiderseits der Schweißung erstreckt, ist besonders wichtig, da die Schweißnaht der Schweißung nicht genau gradlinig ist, sondern geringfügig seitlich auswandert. Indem man auch einen Bereich auf beiden Seiten der Schweißnaht erfaßt, braucht die erfindungsgcmäße Wirbelstromsonde der Naht nicht mehr nachzulaufen.

Durch die Erfindung lassen sich winzige Kleinstrisse in den Schweißnähten rohrförmiger Mctallprodukte sicher feststellen, ohne jedoch Obcrfläcbenunregelmäßigkeiten in dem Metallprodukt außerhalb des überprüften Bereichs zu erfassen. Auf diese Weise wird geeignetes Rohrmaterial einwandfreier Schweißnaht nicht wegen solcher Oberflächenunregelmäßigkeiten als fehlerhaft angezeigt, was die durch die Prüfung bewirkte Ausschußrate verringert.
Die Erfindung wird nun unter Bezug auf die

beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Fig, 1 ist eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbejspiels der Pol- und Spulenanordnung nach der vorliegenden Erfindung;

F i g. 2 ist ein Längsschnitt der Anordnung nach Fig.l;

Fig.3 ist ein Seitenriß einer ringförmigen Wicklung und zeigt allgemein die gleichmäßige Anordnung der von der Wicklung erzeugten magnetischen Kraftlinien;

F i g. 4 zeigt die Wicklung der F i g. 3 in Verbindung mit zwei Magnetpolkonstruktionen, um die von der Wicklung erzeugten magnetischen Kraftlinien zu konzentrieren.

In Fig.l ist eine Pol- und Spulenanordnung allgemein mit der Bezugszahl 10 bezeichnet ist. Zusätzlich ist der Endteil eines langgestreckten Rohrprodukts 12 in der Fig. 1 gezeigt; er weist eine in Längsrichtung verlaufende Schweißnaht 13 auf, die mittels der Konstruktion 10 und der zugehörigen (nicht gezeigten) Schaltung geprüft werden soll.

Insbesondere weist die Anordnung 10, wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, drei schmale Polkons-ruktionen 14, 15 und 16 auf, die durch zwei ringförmige und verhältnismäßig flache Spulenwicklungen 18, 20 sowie die lamellenförmigen Abstandskörper 21 bis 24getrennt sind. Die Wicklungen 18 und 20 weisen die Anschlüsse 2OA zum Anschluß einer Detektorschaltung (Brückenschaltung) sowie einer (nicht gezeigten) elektrischen Energiequelle auf. Die beiden Wicklungen sind ein aufeinander angepaßtes Paar, das, wenn mit elektrischem Wechsel- oder Impulsstrom erregt, sowohl das zu prüfende Produkt mit Wirbelströmen erregt als auch jede Unterbrechung des in dem Produkt fließenden Wirbelstroms anzeigt, indem sie in den beiden Zweigen der symmetrischen Brückcnschuluing liegen.

Jede der Polkonstruktioncn weist einen oberen Teil 25 aus hochpcrmeablem magnetischen Material wie beispielsweise Blechen aus Sili/iumstahl auf, obgleich auch andere lamellenförmigc magnetische Materialien eingesetzt wrden können. Werden die Polkonstruktioncn und die Wicklungen zusammengesetzt, wie es die F i g. 2 zeigt, nehmen die magnetischen Teile 25 der Polkonstruktion — einschließlich der lamellenförmigen Abstandskörper 21, 22 — einen begrenzten Umfangsb/w. Bogenteil der Wicklungen ein. In den Zeichnungen macht der von den! Pol 25 besetzt·? Teil jeder Spule etwa ein Viertel des Gesamtumfangs der Spule aus.

Damit der konstruktive Zusammenhalt der Polkonstruktionen und -anordnungen gewährleistet bleibt, ist ein in der Konfiguration dem oberen Teil 25 entsprechender unterer Poltcil 26 vorgesehen, der aus nichtmagnotischem Material — beispielsweise Glasfasermaterial — besteht. In den Fig. I und 2 ist der untere Teil 26 ebenfalls lamellenartig aufgebaut dargestellt, obgleich man auch einen massiven Teil einsetzen kann. Im Einsatz werden die Polkonstruktioncn und die Anordnung auf eine Weise zusammengehalten, die die Bestandteile der Anordnung schützt — vergleiche die Fig.2, wie unten im einzelnen beschrieben.

Um den oberen und den unteren Teil 25, 26 der Pole aneinander zu befestigen, kann ein oder können mehrere sehr dünne Lagen 27 eingesetzt werden, die dem oberen und dem unteren Teil gemeinsam sind; in der F i g. I ist nur eine solche Lage im Pol 15 gezeigt. Die Lage 27 besteht aus nichlmagnetischem Material, damit der Magnetfluß nicht von oberen magnetischen Teil 25 der Konstruktionen weggeleitet wird, und ist so dünn, daß der Flußweg im oberen magnetischen Teil des Pols nicht behindert wird, obgleich in den F i g. I und 4 diese Lage zum Zweck der deutlichen Darstellung verhältnismäßig dick ausgeführt ist.

Wie in der F i g. I dargestellt, haben die Lamellen der magnetischen und nichtmagnetischen Teile 25, 26 jeder Polkonstruktion 14, 15, 16 eine Konfiguration, die eine öffnung 30 vorsieht, durch die das zu prüfende Produkt laufen kann. Insbesondere weisen die Teile 25, 26 die Ausnehmungen 28, 29 auf, die von einer Kante jeder Lamelle bzw. jeden Lamellenaufbaus her einwärts vorstehen. Werden die lamellenförmigen Körper 25, 26 auf die in F i g. I gezeigte Weise zusammengesetzt, wobei die Ausnehmungen einander zugewandt sind, bildet sich die öffnung 30. Die Ausnehmungen und die öffnungen sind so bemessen, daß beispielsweise ein rohrförmiges Produkt 12 hindurchtrc.ten kann; vorzugsweise nehmen sie weiterhin eine rohrförmige Auskleidung 32 auf, die so bemessen ist, daß das rohrförmige Produkt hindurchpaßt, und die Polkcstruktionen 14 bis 16 sowie die Wicklungen 18 u.ncf 20 während des Durchlaufens des Produkts schützt. Die Auskleidung verläuft also vollständig durch die Konstruktion 10 und durch ein Gehäuse 34 hindurch, wie in F i g. 2 gezeigt.

Wie in der Fig. 2 ersichtlich, nehmen die Abstandskörper 21 bis 24 die Räume zwischen den Polen 14, 15 und 16 ein und umgeben den Umfang der Wicklungen 18 und 20. Die Lamellen der oberen Abstandselemente 23 und 22 sind wie die Bleche der Pole 25 aus

jo magnetischem hochpermeablen Material hergestellt, das einen guten Weg zum Leiten des Magnetflusses zwischen dem magnetischen Material der Pole — vergl. F i g. 4 — ergibt. Die unteren Abstandskörper 23,24 sind wie die unteren Polteile 26 aus nichtmagnetischem

.JS Material hergestellt, bei dem es sich um das gleiche Material wie das der unteren Polteile handeln kann. Gemeinsam nehmen die Abstandskörper die Wicklungen 18 und 20 zwischen den Polkonstruktiopcn 14 bis 16 auf.

Da die Abstandskörper die Wicklungen 18 und 20 zwischen den Polkonstruktionen aufnehmen müssen, müssen sie Öffnungen bilden, die größer sind als die von den Ausnehmungen der Lamellen der Teile 25 und 26 gebildeten. Zusätzlich, wie in den F i g. 2 und 4 gezeigt,

sind die Öffnungen vorzugsweise so bemessen, Jaß sie eine Gummidichtmasse 35 um die Wicklungen herum aufnehmen, um die Wicklungen zwischen der Auskleidung 32 und den lamellenförmigen Körpern schwingungsfrei festzulegen.

Wie weiterhin in der Fig. 2 gezeigt, lassen die Lamellen der Elemente 21 bis 26 sich miteinander und mit einer Frontplatte 36 des Gehäuses 34 vcrschrauben, damit diese Konstruktionen und Wicklungen mittels eiiies in dem Gehäuse enthaltenen, nicht gezeigten Vergußmaterials vergossen werden können. Dieser Verguß und das Gehäuse führen zu einem robusten Fühlkopf, der besonders geeignet ist für den Einsatz mit Vorrichtungen zum Ausbilden und Schweißen von Rohrerzeugnissen ^:m Durchlaufverfahren mit hoher Geschwindipkeil aus Bandmaterial. Zusätzlich haftet die Vergußmasse an der Auskleidung 32 und hält diese im Gehäuse 34 fest.

In der Praxis hat sich herausgestellt, daß die Auflösung und damit die Fähigkeit der Spulenanord-

M nung 10, winzige Fehlstellen in einem zu prüfenden Erzeugnis festzustellen, sich erheblich verbessern lassen, wenn man schmale Polkonstruktionen 25 einsetzt, d. h. Polkonstruktionen mit einer Dicke (F i e. 2 und 4) in der

Größenordnung von 1,6 mm. Der Grund hierfür ist, daß das Magnetfeld durch die schmale Polkonstruktion im von dem Feld an den Polkonstruktionen abgetasteten Bereich des Produktes stark konzentriert wird.

Bei der Herstellung eines rohrförmigen Produkts kann die Kontur bzw. Querschnittsform desselben von einer allgemein kreisförmigen in eine eiförmige übergehen, wie für das Rohr 12 in F i g. I gezeigt. Findet dieser Formwechsel vor dem Erreichen des Orts statt, an dem die Prüfung des Rohrs erfolgt, d. h. am Ort der Prüfanordnung 10, werden die Ringgcstalt der Auskleidung 32 und der Spulen 18, 20 der Anordnung und der öffnung 30 in den Polkonstruktionen 14 bis 16 der Anordnung entsprechend der Form des geprüften Produkts 12 geändert.

Wenn eine Prüfspule um ein von der Spule und deren Beschallung zu prüfendes Metallprodukt herumgelegt betrieben wird, erzeugt sie unter der Erregung durch Kraftlinien, die von den Spulen 18 und 20 erzeugt werden, auf die in der Fig. 4 gezeigte Weise ausgerichtet und konzentriert werden. Insbesondere werden die (gestrichelt gezeichneten) magnetischen ■> Kraftlinien in das magnetische Material der Kerne 25 hineingezogen und dort sowie in der Nähe der Kerne und von dem Gebiete des nichtmagnetischen Materials 26 weg — vergl. Fig. 4 — konzentriert. Wenn also ein metallenes Werkstück oder Produkt wie beispielsweise in ein geschweißtes Rohr 12 durch die Spulen 18 und 20 hindurch- und an den Polkonstruk!ionen 25 vorbeiläuft, konzentrieren sich die Wirbclströme im Werkstück bzw. Produkt im Längsteil des Produkts, das den Polkonstruktioncn 25 und dem konzentrierten Magnetic feld am nächsten liegt. Läuft die Schweißnaht 13 des Produkts 12 dicht an den Polkonstruktioncn 25 vorbei, wie in den Fig. I und 2 dargestellt, konzentrieren sich die Wirbclströme im Produkt auf den Bereich der

magnetische Kraftlinien auf die gestrichelt in der F i g. 3 gezeigte Weise, d. h. allgemein gleichmäßig um die ringförmige Konfiguration der Konstruktion herum, wobei die Kraftlinien, die mit jeder zyklischen Änderung der erregenden Energie ihre Richtung ändern, induzieren in einem in der Nähe oder am Mittelpunkt der Spule gelegenen oder durch die Spule hindurchlaufenden Metall Wirbelströme. Befindet sich das Metall in der Nähe oder am Mittelpunkt der Spule, verlaufen die Wirbelströme allgemein gleichmäßig durch das Metall.

Wenn nur ein Teil des geprüften Gegenstands kritisch ist. wie beispielsweise die Schweißnaht eines längsgeschweißten Produkts, können, wie bereits ausgeführt, bei Spulen, die gleichmäßige Magnetfelder und damit Wirbelströme erzeugen, kleine Unregelmäßigkeiten oder Kleinstrisse am Schweißbereich übergangen werden, während strukturell einwandfreie Erzeugnisse infolge des Erfassens harmloser Oberflächeneffekte zurückgewiesen werden.

Die Spulen- und Polkonstruktionen der Fig. I und 2 lösen diese Schwierigkeit, indem die magnetischen Schweißnaht üi'iu iii täiigsvcriauicndcn ijcbieicn am Schweißbereich, wobei die Breite dieser Gebiete und die dort vorliegenden Wirbelströme von der Breite der Polkonstruktionen 25 abhängen.

Sind die Wirbclströme auf einen kritischen Bereich — beispielsweise die Schweißnaht 13 — konzentriert, wird jeder winzige RiB und jede Unregelmäßigkeit (sowie auch cm großer Riß bzw. eine große Unregelmäßigkeit) von den Spulen 18, 20 und deren zugeordneter Schziiiing erfaßt, wenn diese Unregelmäßigkeiten den Verlauf der Wirbelströmc unterbrechen und um die Unregelmäßigkeiten herum umlenken. Wirbelströme erzeugen ihre eigenen Magnetfelder, die von den Spulen erfaßt werden, so daß bei einer Unterbrechung und Umleitung der Wirbelströmc die Spulen mit ihrer Beschal'tung die resultierende Änderung des Magnetfcldes erfassen. Diese Fühlfunktion erfolgt ohne Beeinträchtigung durch Oberflächenverformungen des Produktes, da das Magnetfeld und die Wirbelströme in den von den Bereichen der Polkonstruktionen 25 und der Abstandspakete 21, 22 entfernt liegenden Gebieten

«ο minimal sind. Folglich bleibt die Ausschußrate infolge solcher Verformungen minimal.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Wirbelstromsonde zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung von langgestreckten Metallprodukten, die aus einer magnetischen Pol- und Spulenanordnung besteht, die sich um den Umfang des in Längsrichtung bewegten Prüflings erstreckt und zum Begrenzen und Konzentrieren von Wirbelströmen im Umfangsbereich des Prüflings dient, mit mindestens einer konzentrisch zur Prüflingslängsachse um den Prüfling herum angeordneten Wicklung, die elektrisch an eine Quelle elektrischer Wechsel- oder Impulsenergie anschließbar ist und einen Magnetfluß erzeugt, der bei Erregung der Wicklung durch die Quelle Wirbelströme in dem nahe der Wicklung angeordneten Prüfling induziert, und mit plattenförmigen Polen aus magnetischem Material von hoher Permeabilität, die sich zwischen sowie am Anfang und Ende der Wicklungen) in Ebenen erstrecken, die senkrecht auf der Prüflingslängsachse stehen, und die sich in radialer Richtung von der Prüflingslängsachse aus weiter nach außen erstrecken als die Wicklungen), dadurch gekennzeichnet, daß zur Prüfung von Längsschweißnähten (13) die plattenförmigen Pole (25) aus magnetischem Material mit hoher Permeabilität, das lamellenartig aufgebaut ist, sich nur längs eines im Prüfbereich liegenden bogenförmigen Teils des Prüflings-Unifangsbereichs erstrecken, während im angrenzenden restlichen Umfangsbereich die entsprechenden Plattenbereiche aus nichtmagnetischem Material (26) bestehen und daß der sich von der bzw. den Wicl lung(erv (18, 20) in radialer Richtung nach außen erstreckende, zwischen den magnetischen Lamellenberei *ien (25) liegende Raumbereich im wesentlichen ebenfalls aus magnetischem Lamellenmaterial (21, 22) von hoher Permeabilität besteht.

2. Wirbelstromsonde nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß die plattenförmigen Pole aus magnetischem Material neben einem begrenzten Umfangsbereich der benachbarten Wicklung(en) angeordnet sind.

3. Wirbelstromsonde nach Anspruch I. gekennzeichnet durch eine rohrförmige Auskleidung (32) aus nichtmagnetischem Material, die zwischen dem Prüfling (12) und der magnetischen Pol- und Spulenanordnung (10) verläuft.

4. Wirbelstromsonde nach Anspruch I oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtmagnetische Material (14,15,16) in Form eines aus nichtmagnetischem Material hergestellten Lamellenkörpers vorliegt.

5. Wirbelstromsonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen und nichtmagnetischen Lamellen und mindestens ein ihnen gemeinsames nichtmagnetisches Lamellenelcment (23) mittels einer Befestigungsanordnung zusammengehalten werden.