DE69728310T2 - Belastungsmessung eines Elementes und Überwachung seiner Integrität - Google Patents

Belastungsmessung eines Elementes und Überwachung seiner Integrität Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Messung einer Belastung auf einen Teil und die Überwachung der Integrität des Teils, insbesondere unter Verwendung eines elektromechanischen Akustikwandlers.
  • Eine gewünschte Vorbelastung auf ein Teil, wie etwa einen Bolzen, wird üblicherweise während des Aufbaus einer Struktur erreicht, indem man ein spezielles Drehmoment auf den Bolzen aufbringt. Es wurde demonstriert, dass 90% des während des Zusammenbaus auf den Bolzen aufgebrachten Drehmoments dazu verwandt werden, Reibungskräfte zu überwinden. Geringe Schwankungen bei diesen Reibungskräften bei einem vorgegebenen fix aufgebrachten Drehmoment führen zu großen Schwankungen bei der Vorbelastung des Bolzens. Im Rahmen einer Studie der Bolzenvorbelastung gegen das auf Bolzen aufgebrachte Drehmoment, die bei der Konstruktion des Space Shuttle Raumgleiters verwendet wurden, wurde von einer Varianz bei der Bolzenvorbelastung von mehr als einem Faktor zwei bei einem vorgegebenen aufgebrachten Drehmoment berichtet. Bolzen mit unsachgemäßen Vorbelastungen können zu katastrophalem Versagen kritischer Bauteile bei einer breiten Vielfalt an Anwendungen führen.
  • Dementsprechend sind Ultraschallverfahren unter Verwendung von Wandlern in dem Bemühen entwickelt worden, verbesserte Bolzenbelastungsmessungen bereitzustellen. So wurde zum Beispiel, als entdeckt wurde, dass Bolzen, die in Reaktorinnenbehältern von Atomkraftwerken verwendet wurden, wegen unsachgemäßer Vorbelastung versagten, ein Ultraschallverfahren für die Festlegung der Vorbelastung unter Verwendung von Standard-Ultraschallwandlern entwickelt. Dieses Verfahren wurde anschließend bei der Ersetzung dieser kritischen Bolzen bei den Kernkrafterzeugungsanlagen angewendet.
  • Entsprechend diesem früher vorgeschlagenen Verfahren wird die Bolzenvorbelastung durch eine präzise Messung der Ultraschallfrequenz-Laufzeit über die Länge des Bolzens vor und nach dem Anziehen festgelegt. Obgleich dieses Verfahren im Vergleich zu Drehmomentmessungen stark verbesserte Bolzenvorbelastungsmessungen bereitstellt, werden deutliche Fehler eingeführt, wenn man einen Wandler von dem Kopf des Bolzens entfernt und wieder daran anbringt.
  • Bei Verwendung von Standard-Ultraschallwandlern werden Schallwellen übertragen und von dem Bolzen über eine Kopplungsflüssigkeit empfangen. Da die Schallgeschwindigkeit in dem Kopplungsmittel vielfach langsamer ist als die von Stahl, welches bei dem Bolzen verwendet wird, können geringe Unterschiede in der Weglänge des Kopplungsmittels große Unterschiede in der Übertragungszeit des Ultraschallsignals verursachen. Die durch das Kopplungsmittel eingeführte Unsicherheit hat die meisten konventionellen Ultraschall-Bolzenvorbelastungsmessungen auf die Messung des Unterschieds der Ankunftszeit zwischen aufeinanderfolgenden Echos beschränkt, was voraussetzt, dass die Übertragungszeit des Kopplungsmittelwegs für jedes Echo identisch ist. Es würden sich einige Vorteile daraus ergeben, nur das erste Echo für Ultraschall-Bolzenvorbelastungsmessungen zu verwenden. In erster Linie ist das erste Echo im allgemeinen das größte und ist, verglichen mit späteren Echos, weniger stark von dem Mangel an Parallelität und Flachheit beeinflusst. Wenn sich zum Beispiel das Ende der Bolzenoberfläche in einem kleinen Winkel θ in Bezug auf den Kopf der Bolzenoberfläche befindet, kommt das erste Echo an dem Kopf des Bolzens in einem Winkel von 2θ an, während das zweite Echo in einem Winkel von 6θ ankommt. Der größte Nachteil dieser Verfahren ist, dass die Hauptanwendung des Kopplungsmittels und des Wandlers bei dem Kopf des Bolzens die Automatisierung herkömmlicher Ultraschall-Bolzenvorbelastungsmessungen zu einer schwierigen Aufgabe macht.
  • Die Nützlichkeit herkömmlicher Ultraschalltechniken für die Rissprüfung und die Charakterisierung von Materialeigenschaften ist anerkannt. Herkömmliche piezoelektrische Ultraschallverfahren sind für das Aufspüren von Sprüngen in Bolzen genutzt worden, die bei Reaktorinnenbehältern von Atomkraftwerken und Trägerstrukturen verwendet werden. Die Erzeugung von Ultraschallwellen wird vorrangig durch eine Art elektromagnetischer Umwandlung, üblicherweise Piezoelektrizität, erreicht. Dieses Verfahren der Herstellung von Ultraschall hat den Nachteil, dass es einen flüssiges Kopplungsmittel zum mechanischen Übertragen des Schalls in das zu testende Bauteil hinein und daraus heraus benötigt. Der Testgegenstand muss mit einer dünnen Schicht aus Flüssigkeit bedeckt oder er muss in die Flüssigkeit eingetaucht werden, was das Testen erschwert, oft die Überprüfungsgeschwindigkeit verringert und sogar Fehler in die Messung einführen kann. In manchen Fällen kann der Test wegen dieses Erfordernisses unmöglich werden. Das Reinigen von dem Kopplungsmittel kann ein beachtliches Problem bei manchen Anwendungen darstellen und die Korrosion des Bestandteils nach dem Test kann die Ursache bei der Zurückweisung in der Herstellung bilden. Eine Ultraschalltechnik, die nicht auf einem Kopplungsmittel beruht, hat zahlreiche Vorteile zu bieten.
  • Die PCT-WO-95-22009 beschreibt eine Technik zum Messen einer Belastung auf ein Teil, wie etwa einen Bolzen, und zwar unter Nutzung einer Hülse zum Eingreifen in den Bolzen und dessen Festziehen. Ein elektromagnetischer Akustikwandler mit einem Magneten und einer Spule befindet sich in einem Innenraum der Hülse nahe des Bolzeneingriffsbereiches. Ein Detektor wird dazu verwendet, Veränderungen in dem Ultraschallsignal wahrzunehmen und zu messen, das in dem Bolzen durch den Magneten und die Spule geschaffen wird, um so das Anzugsdrehmoment zu messen.
  • Die US-A-4 295 377 beschreibt eine mit Gewinde versehene Befestigungseinrichtung, die einen entfernbaren Ultraschallwandler zum Erzielen einer Vorbelastungsmessung als auch anderer Messungen für die Qualitätskontrolle oder anderer Überwachungszwecke einbezieht. Der Wandler ist zur Reparatur oder zum Ersetzen entfernbar.
  • Entsprechend einem Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Untersuchen von Material, einer Legierung und Wärmebehandlungsbedingung eines Elements unmittelbar vor dem Belasten und zum Messen einer Last auf das Element und kontinuierlichem Überwachen der Integrität des Elements vor, während und nach dem Belasten des Elements bereitgestellt, wobei die Vorrichtung
    Mittel für den Eingriff des Elements, wobei das Eingriffsmittel einen Innenraum zwischen dem Eingriffsmittel und dem Element hat,
    Antriebsmittel zum Übertragen einer Belastung auf das Element über das Eingriffsmittel, wobei das Antriebsmittel lösbar mit dem Eingriffsmittel in Eingriff bringbar ist,
    eine Spule, die in dem Innenraum nahe dem Element angeordnet ist für das Einführen eines Wirbelstromes in das Element,
    Mittel zum Vorsehen des Stromes zu der Spule,
    einen Magnet in dem Innenraum, wobei der Magnet mit der Spule ein Eingriff tritt und an dem Antriebsmittel angebracht ist, um dadurch ein magnetisches Feld zu schaffen, wobei der Magnet und die Spule ein kontaktfreies Ultraschallsignal in dem Element erzeugen,
    Nachweismittel für das Erfassen einer Veränderung in dem Ultraschallsignal, welches zu dem Element vorgesehen ist, und
    Anzeigemittel zum Ansprechen auf das Nachweismittel, um irgendeine Veränderung in dem Ultraschallsignal als Anzeige eines Fehlers in dem Element zu zeigen, wobei das Anzeigemittel bei der Benutzung betrieblich vorgesehen ist, das Ultraschallsignal mit einem kalibrierten Signal zu erreichen, um das Material, die Legierung und Wärmebehandlungsbedingung nachzuprüfen, aufweist.
  • Entsprechend einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Untersuchen von Material, einer Legierung und Wärmebehandlungsbedingung eines Elements unmittelbar vor dem Belasten und zum Messen einer Last auf das Element und kontinuierlichem Überwachen der Integrität des Elements vor, während und nach dem Belasten des Elements bereitgestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist
    Ineingriffbringen des Elements mit einem Eingriffsmittel derart, dass ein Innenraum zwischen dem Eingriffsmittel und dem Element vorgesehen wird,
    Übertragen einer Belastung auf das Element mit Antriebsmitteln über das Eingriffsmittel, wobei das Antriebsmittel lösbar mit dem Eingriffsmittel in Eingriff bringbar ist,
    Anbringen eines Magneten mit einer Spule an dem Antriebsmittel, so dass der Magnet und die Spule in dem Innenraum des Eingriffsmittels angeordnet werden,
    Erzeugen eines magnetischen Feldes in dem Innenraum des Eingriffsmittels,
    Vorsehen eines Stromes in dem Innenraum derart, dass der Strom und das magnetische Feld in dem Element ein berührungsfreies Ultraschallsignal erzeugen,
    Überwachen des Ultraschallsignals in dem Element,
    Erfassen einer Veränderung in dem Ultraschallsignal,
    Darstellen jeder erfassten Veränderung in dem Ultraschallsignal als Zeichen eines Fehlers in dem Element, und
    Vergleichen des Ultraschallsignals mit einem kalibrierten Signal für die Untersuchung des Materials, der Legierung und Wärmebehandlungsbedingung für das Element.
  • Die Vorrichtung misst und kontrolliert auf diese Weise kontinuierlich die Belastung auf das Teil während eines Drehmoment aufwendenden Befestigungsbetriebs und stellt eine ununterbrochene Überwachung der Integrität des Teils bereit, indem Brüche oder Risse vor dem Start und/oder während des Belastungsvorgangs wahrgenommen werden.
  • Die Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Teile durch gleiche Bezugsziffern bezeichnet werden, und in denen
  • 1 eine schematische Ansicht ist, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt,
  • 2 eine schematische Ansicht ist, welche die Vorrichtung von 1 bei der Verwendung in Verbindung mit einem Detektor und einem Monitor darstellt,
  • 3 eine schematische Ansicht ist, die einen Testaufbau für Bolzenspannung darstellt,
  • 4 ein Schaubild ist, das graphisch eine Veränderung bei der Übertragungszeit gegenüber der Bolzenbelastung auswertet,
  • 5 ein Querschnitt einer fehlerfreien Befestigungseinrichtung mit einem EMAT ist, der den Weg einer Ultraschallwelle darstellt,
  • 6 ein EMAT-Display ist, das die fehlerfreie Befestigungseinrichtung zeigt,
  • 7 ein Querschnitt einer gerissenen Befestigungseinrichtung mit einem EMAT ist, der den Weg einer Ultraschallwelle darstellt, und
  • 8 ein EMAT-Display ist, das Reflektionen von dem Riss in der in 7 gezeigten Befestigungseinrichtung zeigt.
  • Es wird nun eine Vorrichtung und ein Verfahren für die Spannungs- und Belastungsmessung eines Bolzens unter Verwendung eines elektromagnetischen Akustikwandlers beschrieben. Die vorliegende Technik in Verbindung mit der Spannungs- und Belastungsmessung der Befestigungseinrichtung stellt auch eine fortlaufende Überwachung der Integrität der Befestigungseinrichtung bereit, indem Sprünge oder Risse vor dem Start und während des Belastungsvorgangs wahrgenommen werden. Ferner kann die vorliegende Technik dazu eingesetzt werden, festzustellen, dass das richtige Befestigungseinrichtungsmaterial einschließlich der richtigen Legierung und Wärmebehandlungsbedingung bei einer speziellen Anwendung genutzt worden ist. Die vorliegende Vorrichtung umfasst einen elektromagnetischen Akustikwandler (EMAT), welcher Ultraschallwellen erzeugt und empfängt, und zwar ohne die Notwendigkeit, das Material eines Teils, wie etwa eine Befestigungseinrichtung oder einen Bolzen, in welchem die Ultraschallwellen wandern, zu berühren. Die die vorliegende Erfindung verkörpernde Vorrichtung, wie sie in 1 dargestellt ist, wird in Verbindung mit einem Bolzen 2 verwendet und umfasst eine Hülse 15 mit einem Innenraum 17. Die Hülse 15 greift in den Bolzen 2 zum Spannen des Bolzens 2 und zum Plazieren einer Belastung daran ein. Der Innenraum 17 der Hülse 15 befindet sich zwischen dem Bolzen 2 und der Hülse 15. In Verbindung mit der Hülse 15 wird ein Hülsenantrieb 10 verwendet, wobei der Hülsenantrieb 10 lösbar in die Hülse 15 für den Wechsel auf Hülsen unterschiedlicher Größe eingreift, um so Bolzen 2 unterschiedlicher Größe unterzubringen.
  • Eine elektromagnetische Akustikwandler(EMAT)-Anordnung 20 befindet sich in dem Innenraum 17 der Hülse 15 an dem Bolzen 2. Die EMAT-Anordnung 20 umfasst ein Gehäuse 22 und eine Verschleißplatte 24, welche den Bolzen 2 berührt. In dem Gehäuse 22 und der Verschleißplatte 24 befindet sich ein Dauermagnet Magnet für das Produzieren eines Magnetfeldes und eine Spule 26 zum Bereitstellen einer Spannung. Die EMAT-Anordnung 20 ist an den Hülsenantrieb 10 mittels Befestigungsbolzen 21 und Federn 23 angeschlossen. Ein Kabel 27 ist mit der Spule 26 verbunden, um die Spule 26 mit Spannung zu versorgen. Das Kabel 27 wird zu der Spule 26 durch ein Kabelverteilungsloch 12 hingeleitet, das sich in dem Hülsenantrieb 10 befindet. Das Kabel 27 ist an dem Hülsenantrieb 10 mittels einer Schleifringanordnung 30 angeschlossen, die rund um den Hülsenantrieb 10 herum eingreift. Die Schleifringanordnung 30 umfasst Schleifringbürsten 32.
  • Die Elektromagnetwandler-Anordnung 20 wird als ein Erzeuger von Ultraschallwellen verwendet, indem die Spule 26 in einem gleichmäßigen Magnetfeld plaziert wird, das durch den Dauermagneten Magnet (oder einen Elektromagneten) produziert wird, so dass die Ultraschallwellen nahe der Oberfläche des Metallbolzens 2 bereitgestellt werden. Durch den Übertragungsvorgang wird eine Oberflächenspannung in den Metallbolzen 2 eingeführt. Diese Oberflächenspannung bei Vorhandensein des Magnetfeldes erfährt eine Lorentz-Kraft, welche oszillierende Oberflächenbelastungen produziert. Nach Empfang oszilliert die Oberfläche des Metallbolzens 2 in dem Magnetfeld, wodurch eine Spannung in die Spule 26 eingeführt wird. Der Umwandlungsprozess findet in einer elektromagnetischen Eindringtiefe statt, welche bei Materialien wie etwa Stahl oder Aluminium bei Megahertzfrequenzen bei einem Bruchteil von einer Million liegt (etwa Bolzen 2,5 × 10–2 mm). Ein alternativer Mechanismus, der im allgemeinen mit EMATs genutzt wird, um den Ultraschall zu erzeugen und zu empfangen, ist Magnetostriktion. Der Magnetostriktionsmechanismus bezieht das Erzeugen und Empfangen von Ultraschall in ferromagnetischen Materialien durch magnetische Wechselwirkungen ein. Wenn ein Magnetfeld auf ein ferromagnetisches Material aufgebracht wird, erfährt das Material eine innere Belastung. Dieser Prozess ist als Magnetostriktion bekannt. Die erzeugte Belastungsmenge hängt von der Größe des Magnetfeldes und den Eigenschaften des Materials ab. EMATSs werden für ferromagnetische Materialien verwendet, bei denen ein statisches oder quasi-statisches Magnetfeld auf ein ferromagnetisches Material aufgebracht wird, um das Material in einem Bereich vorzuspannen, in dem eine kleine Veränderung in dem Magnetfeld eine große Veränderung in der Belastung erzeugt. Eine RF-(Radiofrequenz)-Spule wird dann mit einem RF-Kanal-Signalbündel angetrieben, um RF-Magnetfelder in der Oberfläche des Materials festzulegen. Die RF-Felder bauen Belastungen in der Materialoberfläche auf, welche Ultraschall in das Material abgeben. Der Ultraschall wird durch einen umgekehrten Prozess wahrgenommen. Mit jedem Mechanismus nimmt die empfangene Signalstärke exponentiell mit zunehmender Lücke zwischen der EMAT-Spule und der Metalloberfläche ab.
  • Die vorliegende Technik stellt ein äußerst reproduzierbares kontaktloses System für die Erzeugung und Wahrnehmung von Ultraschall bereit. Da die Spannung der EMAT-Spule 26 die Ultraschallwellen direkt in der Oberfläche des Bolzens 2 erzeugt, können die präzisen Wegezeitmessungen vorgenommen werden, indem man die Zeit von dem Spannungsimpuls zu der ersten Reflektion misst, was viele der Probleme beseitigt, die mit den bekannten Ultraschallmessvorrichtungen verbunden sind.
  • Aufgrund der Entwicklung der vorliegenden Technik sind einige der Probleme, die mit zurückliegenden Bemühungen zum Messen von Bolzenbelastung durch Ultraschallverfahren verbunden waren, minimiert oder beseitigt worden. Der die vorliegende Erfindung verkörpernde EMAT erzeugt und empfängt Ultraschallwellen ohne die Notwendigkeit, das Material zu berühren, in welchem die Wellen wandern. Dies beseitigt das Erfordernis nach einem flüssigen Kopplungsmittel zwischen dem Wandler und dem zu testenden Material, was die Quelle beträchtlicher Fehler und Probleme bei der Automatisierung des Messprozesses ist.
  • Im Betrieb dreht sich der EMAT-Sensor 20 mit der Hülse 15 und dem Bolzen 2. Ultraschallsignale werden während des Testens der mit Bolzen versehenen Verbindung über die Schleifringe 32 übertragen und empfangen. Alternativ kann es dem Wandlerkabel 27 gestattet werden, sich während des Anziehens des Bolzens zu verdrehen.
  • 2 zeigt die EMAT-Instrumentierung und einen Computer 25 mit einem Display Anzeigemittel und einem entfernten Verstärker und Anpassungsnetzwerk 29, welches elektrisch die EMAT-Spule 26 und das Kabel 27 an die EMAT-Instrumentierung 25 anpasst. Der Detektor in der EMAT-Instrumentierung 25 ist ein Computer, welcher Messungen an dem unbelasteten Bolzen 2 vornimmt, um einen Impulsboden (Basislinie) festzulegen, und dann die Bolzenbelastung während des Anziehens des Bolzens 2 misst und aufzeichnet.
  • Wie in 1 gezeigt, wird der EMAT-Sensor 20 durch Federn 23 vorgespannt, so dass der Sensor 20 automatisch auf den Kopf eines Bolzens 2 aufgesetzt wird, sobald die Hülse 15 auf dem Bolzenkopf 2 plaziert wird. Der EMAT-Sensor 20 wird an der Antriebsanordnung 10 auf eine solche Weise angebracht, dass einige verschiedene Bolzengrößen durch das Wechseln der Hülsen 15 aufgenommen werden können. Die EMAT-Messungen werden wie folgt vorgenommen, zunächst vor dem Belasten, d. h. an einem unbelasteten Bolzen, dann kontinuierlich während des Belastens des Bolzens, und schließlich nach der Belastung des Bolzens. Wenn die gewünschte Belastung erreicht worden ist, braucht der Sensor 20 nicht enfternt zu werden. Dies beseitigt die Fehler, auf die man zuvor bei bekannten Wandlern traf, welche dadurch entstanden, dass man die Ultraschallwandler für die beiden Tests, d. h. den Test vor Belastung und den Test nach Belastung, anzubringen und zu enfternen hatte. Das vorliegende Verfahren ist überaus für das automatische Bolzenanziehen zur Verwendung in Fertigungsstraßen und zahlreichen Roboteranwendungen geeignet.
  • Es ist durchaus bekannt, dass auf dem Markt befindliche Ultraschallmessvorrichtungen für die Bolzenbelastung sich als höchst unterschiedliche Ergebnisse erzeugend herausgestellt haben, und zwar in erster Line aufgrund der Veränderlichkeit des Kopplungsmittels.
  • Zusätzlich ist die Wiederholbarkeit des vorliegenden EMAT-Verfahrens für Messungen, die über einen Zeitraum verteilt sind, sehr viel besser als bei herkömmlichen Ultraschallverfahren. Es kann wünschenswert sein, die Belastung eines Bolzens regelmäßig zu messen, um sicherzustellen, dass sie nach wie vor innerhalb ihrer Spezifikation liegt. Da der EMAT 20 ohne Kopplungsmittel arbeitet, erzeugt die erneute Anwendung des Sensors 20 zur Erstellung regelmäßiger Messungen Ergebnisse mit hoher Genauigkeit, wenn die Belastung unverändert ist.
  • Eine vorbereitende Studie zur Verwendung eines EMAT für die Messung von Bolzenbelastung wurde zuerst unter Laborbedingungen durchgeführt. 3 zeigt einen experimentellen Aufbau, der während der vorbereitenden Studie verwendet wurde. Ein Spannungstestaufbau 40 wurde in Verbindung mit einer Bolzenbelastungsfixierung 4 und 6 und einem 50.000-Pfund (etwa 250.000 N)-Belastungsrahmen mit einer Belastungsvorrichtung 45 verwendet. Ein Probenbolzen 2 wurde in dem Spannungsaufbau 40 in 5.000-Pfund (etwa 25.000 N)-Schritten und Messungen der Ankunfts zeit, des Belastungszellenausstoßes von der Belastungszelle 47 und der Bolzentemperatur wurden aufgezeichnet. Die Ergebnisse der Messzeiten für den Übertragungsspannungsimpulses zu dem ersten Echo werden in 4 für zwei aufeinanderfolgende Belastungszyklen dargestellt.
  • Die Auswirkung auf die Genauigkeit der durch das Entfernen und Ersetzen des Wandlers verursachten Ablesungen wurde getestet, indem man den Wandler sechsmal von dem Kopf des unbelasteten Bolzens entfernte und ersetzte. Der maximale Unterschied in der Laufzeit betrug 4 ns oder ein Fehler, der etwa 1,5% des empfohlenen Belastungswertes entspricht. Der durchschnittliche Unterschied betrug nur 1, Bolzen 2 ns oder weniger als 0,5% der aufgebrachten Belastung. Diese Ergebnisse waren unerwartet, da der experimentelle Wandler nicht besonders grob war, und zeigen an, dass der Wandler leicht entfernt und ersetzt werden kann, ohne beträchtliche Fehler in die Messungen der Bolzenbelastung einzuführen. Die Fähigkeit zum Entfernen und Ersetzen des Wandlers ohne beträchtliche Fehler einzuführen, gestattet die erneute Belastung eines Bolzens in einer Anordnung, bei der die Vorbelastung wechseln kann.
  • Die 5 bis 8 zeigen die Art und Weise, in welcher die in der (nicht gezeigten) Hülse befindliche EMAT-Anordnung 20 auch dazu verwendet werden kann, eine kontinuierliche Überwachung der Integrität der Befestigungseinrichtung bereitzustellen, indem Sprünge oder Risse vor dem Start und während des Belastungsvorgangs wahrgenommen werden. Darüber hinaus kann die EMAT-Anordnung 20 auch dazu genutzt werden, zu untersuchen, ob das richtige Material, Legierung und Wärmebehandlungsbedingung für die Befestigungseinrichtung bei einer bestimmten Anwendung benutzt wird. Diese Materialeigenschaften beeinflussen die Ultraschallgeschwindigkeit/-dämpfung. Das Material der Befestigungseinrichtung kann untersucht werden, sobald die Sensoranordnung 20 an der Befestigungseinrichtung oder dem Bolzen 2 vor der Belastungsüberwachung positioniert ist. Der hier verwendete Begriff "Befestigungseinrichtung" ist so zu verstehen, als dass ein Bolzen, eine Schraube, eine Niete oder irgendeine andere Befestigungseinrichtung eingeschlossen ist.
  • In den 5 bis 8 wird eine durch einen EMAT erzeugte Ultraschallwelle und die Art und Weise gezeigt, in welcher sie sich durch eine fehlerfreie Befestigungseinrichtung in 5 und eine mit Rissen versehene Befestigungseinrichtung in 7 hindurch ausbreitet. Da die EMAT-Ultraschallerzeugung so materialabhängig ist (elektrische Resistenz, magnetische Durchlässigkeit, Dichte, etc.), wird die Plazierung des EMAT auf der Oberfläche der Befestigungseinrichtung eine unmittelbare Untersuchung darüber liefem, dass jede Befestigungseinrichtung im Hinblick auf Material, Legierung und Wärmebehandlung korrekt ist. Nach der EMAT-Plazierung und der Materialuntersuchung, wird, falls die Ultraschallwelle einen Gegenstand in Form eines Sprungs oder mangelnder Homogenität streift, ein Teil der Energie (abhängig von der Größe und Ausrichtung des Risses oder Reflektors) zu dem Empfänger der EMAT-Anordnung 20 zurück reflektiert und der Rest wird weiter in die Befestigungseinrichtung 2 hinein wandern und schließlich von der Rückwand oder dem Ende der Befestigungseinrichtung zurück reflektiert. 7 erläutert dies für einen Sprung 3. Die Signale von dem Empfänger der EMAT-Anordnung 20 werden als Spitzen auf einer Basislinie des Schirmbildröhrendisplays, wie in den 6 und 8 gezeigt, für eine fehlerfreie beziehungsweise gerissene Befestigungseinrichtung abgebildet. Der Horizontaldurchlauf des Displays ist proportional zu der Zeit, so dass die Übertragungszeiten der Ultraschallwelle zu und von dem Fehler oder Reflektor, und zu der Rückwand und von ihr zurück jeweils den Entfernungen auf dem Schirm von der anfänglichen Spitze zu dem Echoausschlag entsprechen, der dem Reflektor und der Rückwand entspricht.
  • Durch Kalibrieren der Instrumentenzeitbasis des Displays auf Zeit pro Längeneinheit, kann die Übertragungszeit zu dem Ende der Befestigungseinrichtung klar erkennbar gezeigt werden, und jeglicher Sprung oder andere Fehler wird als ein Reflektor wirken und ein Echo oder eine Anzeige auf dem EMAT-Display verursachen, das sich zwischen dem anfänglichen Impuls und der Rückwand (Bolzenende) befindet.
  • Ein Vorteil der vorliegenden Technik ist, dass die EMAT-Anordnung dazu verwendet wird, gleichzeitig den Belastungs- oder Anzugsvorgang zu messen und/oder zu kontrollieren, die Integrität durch Wahrnehmung von Rissen zu bestätigen und zu überwachen, um die Verwendung eines defekten Bolzens bei der Produktion zu beseitigen als auch das Material, die Legierung und die Wärmebehandlungsbedingung durch den einfachen Schritt des Plazierens der Befestigungsvorrichtung auf der Befestigungseinrichtung zu untersuchen.

Claims (12)

  1. Vorrichtung zum Untersuchen von Material, einer Legierung und Wärmebehandlungsbedingung eines Elements unmittelbar vor dem Belasten und zum Messen einer Last auf das Element und kontinuierlichem Überwachen der Integrität des Elementes vor, während und nach dem Belasten des Elementes, wobei die Vorrichtung aufweist: Mittel (15) für den Eingriff des Elementes (2), wobei das Eingriffsmittel (15) einen Innenraum (17) zwischen dem Eingriffsmittel (15) und dem Element (2) hat; Antriebsmittel (10) zum Übertragen einer Belastung auf das Element (2) über das Eingriffsmittel (15), wobei das Antriebsmittel (10) lösbar mit dem Eingriffsmittel (15) in Eingriff bringbar ist; eine Spule (26), die in dem Innenraum (17) nahe dem Element (2) angeordnet ist für das Einführen eines Wirbelstromes in das Element (2); Mittel (27) zum Vorsehen des Stromes zu der Spule (26); einen Magnet (28) in dem Innenraum (17), wobei der Magnet (28) mit der Spule (26) in Eingriff tritt und an dem Antriebsmittel (10) angebracht ist, um dadurch ein magnetisches Feld zu schaffen, wobei der Magnet (28) und die Spule (26) ein kontaktfreies Ultraschallsignal in dem Element (2) erzeugen; Nachweismittel (25) für das Erfassen einer Veränderung in dem Ultraschallsignal, welches zu dem Element (2) vorgesehen ist; und Anzeigemittel (60) zum Ansprechen auf das Nachweismittel (25), um irgendeine Veränderung in dem Ultraschallsignal als Anzeige eines Fehlers in dem Element (2) zu zeigen, wobei das Anzeigemittel (60) bei der Benutzung betrieblich vorgesehen ist, das Ultraschallsignal mit einem kalibrierten Signal zu vergleichen, um das Material, die Legierung und Wärmebehandlungsbedingung nachzuprüfen.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Eingriffsmittel einen Sockel (15) aufweist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, mit einem in dem Innenraum (17) angeordneten Gehäuse (22) und einer Verschleißplatte (24) für das Berühren des Elementes (2), wobei die Spule (26) und der Magnet (28) mit dem Gehäuse (22) verbunden sind, und mit Verbindungsmitteln (21) für das Verbinden des Gehäuses (22) mit dem Antriebsmittel (10).
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Verbindungsmittel einen Bolzen (21) aufweist, der mit dem Gehäuse (22) und dem Antriebsmittel (10) verbunden ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das Verbindungsmittel ferner eine Feder (23) zwischen dem Gehäuse (22) und dem Antriebsmittel (10) aufweist.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Kabel (27), welches mit der Spule (26) und dem Nachweismittel (25) verbunden ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Antriebsmittel (10) eine Öffnung (12) aufweist für das Führen des Kabels (27) zu der Spule (26).
  8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, mit Rückhaltemitteln (30) für das elektrische Verbinden des Kabels (27) mit der Spule (26).
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Rückhaltemittel eine mit dem Antriebsmittel (10) in Eingriff gebrachte Schleifringanordnung (30) aufweist.
  10. Verfahren zum Untersuchen von Material, einer Legierung und Wärmebehandlungsbedingung eines Elementes unmittelbar vor dem Belasten und Messen einer Belastung auf das Element sowie kontinuierliche Überwachung der Integrität des Elementes vor, während und nach dem Belasten des Elementes, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Ineingriffbringen des Elementes (2) mit einem Eingriffsmittel (15) derart, daß ein Innenraum (17) zwischen dem Eingriffsmittel (15) und dem Element (2) vorgesehen wird; Übertragen einer Belastung auf das Element (2) mit Antriebsmitteln (10) über das Eingriffsmittel (15), wobei das Antriebsmittel (10) lösbar mit dem Eingriffsmittel (15) in Eingriff bringbar ist; Anbringen eines Magneten (28) mit einer Spule (26) an dem Antriebsmittel (10), so daß der Magnet und die Spule (25) in dem Innenraum (17) des Eingriffsmittels (15) angeordnet werden; Erzeugen eines magnetischen Feldes in dem Innenraum (17) des Eingriffsmittels (15); Vorsehen eines Stromes in dem Innenraum (17) derart, daß der Strom und das magnetische Feld in dem Element (2) ein berührungsfreies Ultraschallsignal erzeugen; Überwachen des Ultraschallsignals in dem Element (2); Erfassen (25) einer Veränderung in dem Ultraschallsignal; Darstellen (60) jeder erfaßten Veränderung in dem Ultraschallsignal als Zeichen eines Fehlers in dem Element (2); und Vergleichen des Ultraschallsignals mit einem kalibrierten Signal für die Untersuchung des Materials, der Legierung und Wärmebehandlungsbedingung für das Element (2).
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Eingriffsmittel einen Sockel (15) aufweist.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, mit dem Drehen des Angriffsmittels (15) und des Elementes (2).
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