DE19654317C1

DE19654317C1 - System for magnetic crack testing for surface flaws of ferromagnetic materials and work-pieces, such as pipes and tubes

Info

Publication number: DE19654317C1
Application number: DE1996154317
Authority: DE
Inventors: Nikolaus Dr Ing Neuberger; Werner Dr Ing Eissler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-12-24
Filing date: 1996-12-24
Publication date: 1998-02-26
Anticipated expiration: 2016-12-25

Abstract

The test system has excitation coils are arranged on a closed magnetic circuit using an iron ring core (2). An even number of coils (3a, 3b; 3c, 3d) enclose the magnetic circuit cross-section, and simultaneously are arranged along the magnetic circuit. The coils of each pair lie diametrically opposite each other. The coils surrounding the magnetic circuit cross-section are connected anti-parallel or against each other in series. In addition at least one coil (4) is located at the outside and/or at the inner surface of the magnetic circuit. The coils are connected to a changeover unit (5) which in turn is connected with a power electronic unit (6), provided with DC output and two AC outputs with phase shift of 90 degrees and/or AC output.

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.The invention belongs to devices for non-destructive testing of ferromagnetic Materials and workpieces by means of magnetization and investigation of the magnetic Scattered flow pattern and relates in particular to the testing of elongated material, but also Individual parts, especially complicated designs, for surface defects, especially the simultaneous check for longitudinal and transverse errors.

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.Such devices are known per se, cf. DE 38 41 747 A1. The workpieces, which are washed by a magnetic powder suspension, are one complex magnetic field, in which more than one magnetizing unit is available. However, the latter are magnetic pole carriers and all-round in one Rotor or stator ring formed. Because of certain coil arrangement and geometry of the Magnetizing field are simultaneous testing for longitudinal and transverse errors, especially at Individual parts of a complicated design, not possible. In addition, the coils are relatively large Inductance and reactance, which leads to high supply voltage for the need To use field generation.

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.For simultaneous detection of longitudinal and transverse errors in a ferromagnetic as possible A test arrangement is also known, which has a magnetizing coil and a workpiece Magnetizing mandrel is used, wherein a current flow is used so that unwanted contacts or burns on the workpiece can occur. Here needs one also great supply voltage for field production.

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.The invention aims to avoid the disadvantages provided. The invention, as well as it in characterized in the claims, solves the problem of creating a magnetizing device, in which a simplified construction of the device is to be achieved in a cost-saving manner, however also more difficult to detect surface areas of the test specimen, in particular more complicated Designs, be recorded more reliably and a programmable test according to the type of test object be made possible. This is according to the invention by the features of the main claim reached. Advantageous embodiments of the invention are shown in the subclaims.

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigtThe invention is based on schematic drawings of exemplary embodiments described in more detail. It shows

Fig. 1 schematisch eine räumliche Darstellung eines erfindungsgemäßen Ausfürungsbeispieles mit Magnetisiervorrichtung und Prüflingen. Fig. 1 shows schematically a spatial representation of an exemplary embodiment according to the invention with magnetizing device and test specimens.

Fig. 2 eine entsprechende Anordnung, aber mit einem innenliegenden Prüflings. Fig. 2 shows a corresponding arrangement, but with an internal test specimen.

Fig. 3 eine Spulenanordnung. Fig. 3 shows a coil arrangement.

Fig. 4 ein Magnetfeldbild im äußeren und inneren Raum des Magnetkreises. Fig. 4 is a magnetic field image in the outer and inner space of the magnetic circuit.

Fig. 5 ein zu Fig. 4 bzw. 6 zugeordnetes Spannung-Zeitdiagramm. Fig. 5 a to Fig. 4 6 associated or voltage-time diagram.

Fig. 6 ein Drehfeldverlauf im äußeren und inneren Raum des Magnetkreises. Fig. 6 shows a rotating field in the outer and inner space of the magnetic circuit.

Fig. 7 eine Strahldiagramm mit Magnetfeldvektoren im äußeren und inneren Raum des Magnetkreises (Querschnitt zu Fig. 4). Fig. 7 is a beam diagram with magnetic field vectors in the outer and inner space of the magnetic circuit (cross section to 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°. Fig. 1 shows a variant of the invention with an external test object 1 (z. B. tube). The device for magnetic crack testing consists of a closed magnetic circuit 2 , in this case a ring iron core made of electrical sheet. Excitation coils 3 a - 3 d and 4 , 4 a are wound on the ring iron core 2 . The coil arrangement is also shown in FIG. 3. An even number of coils, here four coils 3 a, 3 b, 3 c, and 3 d, encompass the magnetic circuit cross section (ring iron core) and are arranged uniformly at an angle of 90 ° to one another along the magnetic circuit. When using six coils, this angle is 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.The coil 4 is located on the outer surface of the magnetic circuit. In other individual cases, coil 4 a can be located on the inner surface of the magnetic circuit or both coils 4 and 4 a can be found on the outer and inner surface of the magnetic circuit.

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.Each pair of coils 3 a - 3 b and 3 c - 3 d lying opposite one another and comprising the magnetic circuit cross section are connected in antiparallel with one another or in series with one another. Also the coils 3 a - 3 b, 3 c - 3 d lying opposite each other and comprising the magnetic circuit cross section and the coil 4 and / or 4 a located on the outer and / or inner surface of the magnetic circuit are connected to the switching unit 5 . The switching unit 5 is also connected to the power electronics unit 6 , which is provided with the direct current output Uo, two alternating current outputs u1, u2 with a phase shift of up to 90 ° and / or three-phase output L1, L2, L3. The switchover unit 5 can be controlled by a control unit 7 in order to ensure manual or automatic control of field excitation. During the test process, the device is inserted into the cavity of the test object.

Die Anordnung gemäß Fig. 1 eignet sich insbesondere zur Prüfung von Werkstücken mit Hohlräumen, hier der Innenfläche des Rohres 1, auf Längs- und Querfehler.The arrangement according to FIG. 1 is particularly suitable for testing workpieces with cavities, here the inner surface of the tube 1 , for longitudinal and transverse defects.

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.Another arrangement is shown in FIG. 2. The design is the same as in FIG. 1, but the workpiece 1 , here also a tube, is located in the inner space of the closed magnetic circuit. Very different workpieces can be transported through the inner space of the magnetic circuit, in particular as continuous goods, but also as individual parts. The arrangement according to FIG. 2 is suitable for checking the outer surface of workpieces, in particular complicated designs, for longitudinal and transverse defects.

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: Fig. 4 shows a magnetic field image in the outer and inner space of the magnetic circuit. The coils 3 a and 3 b connected in series with one another are fed according to FIG. 1 by the power electronics unit 6 through the switching unit 5 with the voltage u1 = U _* Cos (ωt). Correspondingly, the coils 3 c and 3 d are fed by the voltage u2 = U _* Sin (ωt). The voltage-time diagram is shown in FIG. 5. Referring to FIG. 5, the voltages U1 and U2 at the time t₁ the same and positive. The currents i1 and i2 according to FIG. 4 can be calculated by the voltage and the complex resistance. The coils 3 a, 3 b, 3 c and 3 d have the same dimensions and number of turns and are inductively coupled. The following generally applies to two coils connected in series:

L = L1 + L2 - 2ML = 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.where L - the total inductance, L1 and L2 - inductance of the individual coils and M - the Are mutual inductance. If L1 = L2 and the coupling factor k = 1 (M =), the total inductance is 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.In our case the coupling factor k is less than 1 due to the leakage flux and the Total inductance of coils connected in series with each other is like an experiment has shown thirty times less than the inductance of the individual coil. This offers one Possibility to generate the same current with a lower supply voltage by a factor of approx. 30.

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.Because of the same values of the coils 3 a, 3 b, 3 c and 3 d, the currents shown in FIG. 4 are also the same. The current-carrying coils 3 a and 3 b, as well as 3c and 3d form opposite magnetic flux in the closed magnetic circuit, the flux from the coils 3 a and 3 c, and 3 b and 3 d having the same direction. The total magnetic flux Φ1 from the coils 3 a and 3 c counteracts the total magnetic flux Φ2 from the coils 3 b and 3 d, which leads to the displacement of the magnetic field lines from the closed magnetic circuit, as shown in Fig. 4. As a result, there is a strong magnetic field Ha and Hi in the outer and inner space of the magnetic circuit, which have opposite directions. T₂ at the time of the voltage U1 and current i1 equal to 0 and the voltage or current i2 u2 are shown in Fig. 5 and Fig. 4 the maximum. In this case, the magnetic field Ha and Hi is formed only by the current i2, which flows through the coils 3 c and 3 d. The field direction Ha and Hi changes by 45 °. This is exactly how you can compare the other times. All of these cases are shown with corresponding directions of the magnetic field vectors Ha and Hi in FIG. 6.

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.In this way, you get in the outer and inner space of the magnetic circuit Use two sinusoidal voltages phase-shifted by 90 ° magnetic rotating field, which has a circular image in the drawing area. At Phase shift of a voltage (e.g. u1) by 180 ° changes the direction of the rotating field.

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.Two phases (e.g. L1 and L2 in the power electronics unit 6 ) from the three-phase network can be used for the coil supply. In this case, the phase shift of the voltages is 120 ° and the rotating magnetic field has an elliptical image with an ellipse axis ratio of approximately 1: 1.7. When the phase changes (e.g. L3 instead of L2), the direction of rotation changes in the opposite direction. The beam diagram with magnetic field vectors in the outer and inner space of the magnetic circuit in cross section to FIG. 4 is shown in FIG. 7. The magnetic field, which is formed by the coils 3 a - 3 d, has a complicated spatial configuration, which has a toroidal image in the outer and inner space of the magnetic circuit and two field components in the drawing area (e.g. at points A and B) Hr , Ht has. Hit is on axis aa and always has 0 on axis bb. This can lead to difficulties when checking for cross errors. To avoid this, one uses the coil shown in Fig. 1 and Fig. 3 4 and / or 4a. These coils form the tangential field component H4 in the outer and inner space of the magnetic circuit. Therefore, the total magnetic field of the device according to the invention has no position with the field strength 0 in the vicinity of the magnetic circuit. The coil 4 or 4 a can be fed with the direct voltage Uo of any polarity. In order to achieve a magnetic field image that is movable in the direction aa according to FIG. 7, the coil 4 or 4 a can be supplied with alternating voltage (eg u1, u2, or from the free phase of the three-phase output). An optimal magnetic field can thus be specifically realized according to the type of test object.

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.The invention provides various advantages when testing magnetizable Workpieces reached. The tests of Workpieces with and without cavities (inner surface / outer surface), in particular complicated designs. The magnetic field formation according to the invention results in the Possibility of simultaneous testing for longitudinal and transverse errors. Another advantage is that a strong magnetic field is generated with a relatively low supply voltage. This is special important for the safety of operating personnel. All of these advantages can be achieved in the Device according to the invention for magnetic crack testing of ferromagnetic Materials and workpieces with a relatively simple design and low costs.

Claims

1.Device for magnetic crack testing of ferromagnetic materials and workpieces, in particular of elongated material to be passed through, but also individual parts, in particular with complicated designs, as test objects by means of the magnetic powder method for surface defects, in particular for simultaneous testing for longitudinal and transverse defects, the device having a plurality of current flows and in the workpiece a magnetic field generating coils which are arranged on a magnetic core, characterized in that the excitation coils on a closed magnetic circuit, for. B. ring iron core are arranged, an even number of coils comprising the magnetic circuit cross section and being arranged uniformly along the magnetic circuit, and the coils of each pair of diametrically opposed coils and the magnetic circuit cross section comprising antiparallel or mutually connected in series, and at least one coil the outer and / or inner surface of the magnetic circuit.

2. Device according to claim 1, characterized in that that a coil from each pair diametrically opposite and the magnetic circuit cross section comprehensive coils in the magnetic circuit forms a magnetic flux which is in the opposite direction to that formed magnetic flux of the other coil from this pair.

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that when using two pairs of diametrically opposite and the Magnetic circuit cross-section coils, each pair by about 90 ° to each other along the Magnetic circuit is offset and by a switching unit of two phase-shifted by 90 ° AC voltages or from two strands of a three-phase current is fed.

4. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that when using three pairs of diametrically opposite and the Magnetic circuit cross section comprising each pair about 60 ° to each other along the Magnetic circuit is offset and fed by a switching unit of three-phase current.

5. The device according to claim 3 or 4, characterized in that that the switchover unit can be controlled manually and / or electronically by the control unit.