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Spulenarten für die Härteprüfung

Tobias Hess
Donnerstag, 30.7.2020

Spulenarten für die Härteprüfung

Die Prüfung der Oberflächenhärtung oder auch des Härteverlaufs mit Wirbelstromprüfgeräten erfordert ein auf die Anwendung hin optimiertes Setup, bestehend aus der jeweils optimalen Sonde und einem dafür spezialisierten Prüfgerät.

Vorrangig ist, in welchen Frequenzbereichen die Anwendung durchgeführt werden soll. Voraussetzung dieser Entscheidung sind Applikationsversuche mit Proben, die Gut-Teil bzw. Schlecht-Teil differenzieren. Applikationsversuche müssen dazu sowohl mit fehlerfreien als auch fehlerhaften Teilen durchgeführt werden, um die identifizierten Einstellungen und ermittelten Grenzen bezüglich ihrer Relevanz zu validieren. Diese notwendige Systemvalidierung verhindert bei den folgenden Prozessstreuungen unnötigen Ausschuss oder dass gegebenenfalls Schlechtteile als Gutteile klassifiziert werden.

Coil types for hardness testing

Wie sieht das Setup für eine wirbelstrombasierte Härteprüfung aus?

Eine wirbelstrombasierte Härteprüfung oder eine Härteprüfung mit einem magnetinduktiven Prüfsystem erfordert eine Spule, ein Kabel, das die Spule mit einem Prüfgerät verbindet, und ein entsprechendes Prüfgerät. Das Prüfgerät verfügt in der Regel über eine Software mit der Algorithmik. Sie wertet Signalverläufe aus und wandelt sie für den Anwender in eine auswertbare Logik um.

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Welchen Einfluss hat die Prüffrequenz auf die anzuwendende Spule?

Die für die Anwendung ausgelegten Spulen bestehen zumeist aus Luftspulen oder auf einem ferritischen Kern aufgewickelten Kupferdrähten, welche die Primär- und Sekundärinduktivität darstellen. Die Funktionsweise der magnet-induktiven Härteprüfung beruht auf der Wechselwirkung zwischen einem erzeugten magnet-induktiven Wechselfeld und dem Prüfling. Das magnetische Wechselfeld wird durch einen sinusförmigen Strom in einer Primärspule erzeugt.

Das in der Primärspule erzeugte magnetische Wechselfeld generiert im Probenkörper ein Gegenfeld aufgrund von Wirbelströmen. Dieses Gegenfeld wirkt auf eine Sekundärspule in der Sonde und erzeugt dort eine Induktionsspannung. Diese Wechselwirkung von Primär- und Sekundärspule kann in der Gerätehardware erfasst und ausgewertet werden. Die Kupferwicklungen erzeugen die Induktivitäten. Sie sind auf die Frequenzbereiche der Prüfung ausgelegt. Bei sehr hohen Frequenzen sind die Induktivitäten der Spulenwicklungen in der Regel sehr klein. Bei sehr niedrigen Frequenzen werden in der Regel große Induktivitäten benötigt. Weiter ist der gewählte Spulenstrom von entscheidendem Einfluss für die Auslegung der Spulen. Dieser ist wiederum proportional zum erzeugten, in das Prüfstück induzierten, magnetischen Fluss.

Welche Spulenformen kommen bei der Härteprüfung zum Einsatz?

 

Coil types for hardness testing

Als zwei grundsätzliche Formen der Spulenauslegung werden ringförmige oder eckige Spulen und Stifttaster unterschieden.

(1) Für den Aufbau ring- oder eckförmiger Spulen sind Primär- und Sekundärspule in einer Ebene gewickelt und in einem hermetischen Gehäuse vergossen. In der Mitte des Spulengehäuses befindet sich ein Durchlass, in dem der Prüfling geprüft wird. Diese Art von Spulen können mit wenig Aufwand in Förderbänder und automatisierte Linien integriert werden. Jeder Prüfling löst beim Durchlaufen der Spule im Prüfsystem eine Messung aus. Die Anlagenlogik verarbeitet das Ergebnis und entscheidet, ob das Prüfteil auf der Anlage weiterlaufen darf oder als Schlechtteil aussortiert wird. Dieses Setup bietet Vorteile im Handling und bei der Reproduzierbarkeit der Messergebnisse. Die Messgenauigkeit hängt sowohl von der Prüfteilpositionierung beim Durchlaufen der Prüfspule, als auch von einer konstanten Prüfgeschwindigkeit ab. Sind diese Faktoren eingeschränkt, folgen stärker variierende Messwerte, die für die Prüfungsbeurteilung herangezogen werden. Dies kann eine Aufweitung der definierten Prüfgrenzen erforderlich machen.

(2) Die zweite Form der Spulenauslegung sind Stifttaster. Für den Aufbau von Stifttastern sind in der Prüfsonde eine Primär- und Sekundärwicklung untergebracht. Beide Wicklungen sind in einem Spulengehäuse untergebracht, meist in einer Art ferritischem Stab- oder Topfkern, um das Feld auf die Spitze des Stifttasters zu konzentrieren.

Der grundlegende Unterschied zwischen Stifttastsonde und Spulenkörper besteht darin, dass bei ersteren das Bauteil im Prüfprozess kurzzeitig angehalten werden muss. Dazu hält die Anlage das Prüfteil an, ein Zuführmechanismus fährt die Prüfsonde an den Prüfling und löst die Prüfung aus. Mit Übermittlung der Information, ob es sich um ein Gut- oder Schlechtteil handelt, triggert das Prüfsystem die automatisierte Einheit und das nächste Bauteil wird in der Prüfstation an die Prüfstelle gefahren. Auch wenn die mit Stifttastern realisierbaren Taktzeiten in der Regel niedriger sind als bei ring- oder eckförmigen Spulen, ist die Wiederholpräzision der Messung überlegen.

Eine hohe Prüfqualität in der Produktion setzt die richtige Prüfstrategie voraus. Nebst der auf die jeweilige Applikation qualifizierten Auslegung der Prüfspulen sind weiter die Wahl der Parameter, der Frequenzen, den geeigneten Oberwellen und das richtige Prüfsystem entscheidend.

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