DGZfP-JAHRESTAGUNG 2003

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Online-Schweißnahterkennung von Schienenprüfzügen mittels Wirbelstromverfahren

Karsten Dilz, PLR Prüftechik Linke&Rühe GmbH, Magdeburg
Dr.-Ing. Jürgen Pohl, PLR Prüftechik Linke&Rühe GmbH, Magdeburg
Sven Rühe, PLR Prüftechik Linke&Rühe GmbH, Magdeburg
Dr.-Ing. Hans-Martin Thomas, BAM, Berlin
Ralf Casperson, BAM, Berlin
Kontakt: Dilz Karsten Dipl.-Ing.

Zur Detektion von Schweißnähten an verlegten Schienen gehört deren Identifikation und Lokalisation. Die Aufgabe, Schweißnähte derart zu detektieren, stellt sich bei der Prüfung eines Gleisnetzes auf Schädigungen, aber auch unabhängig davon.

Seit mehreren Jahren werden Schienenprüfzüge mit Ultraschall-Prüftechnik ausgerüstet. Die Ultraschallprüfung ermöglicht es, Trennungen im Schieneninneren zu detektieren. Trennungen und Inhomogenitäten im oberflächennahen Bereich, wie z.B.Head Checks und Squats, werden mit der Ultraschallprüfung hingegen nicht erfasst.

Die Ultraschallprüfung erlaubt es auch nicht, Schweißnähte an verlegten Schienen eindeutig zu detektieren. Grund dafür ist, dass der eingestrahlte Ultraschall im Bereich der Schweißnähte eine starke Dämpfung erfährt. Ankoppelfehler können daher eine Schweißnaht vortäuschen, und es ist keine Unterscheidung zwischen Schweißnähten und Schienenbrüchen möglich.

In der Zusammenarbeit mit der BAM wurde ein System Prüfung von verlegten Schienen mit dem Wirbelstromverfahren entwickelt, bei der die Schienen mit einer oder mehreren Wirbelstrom-Prüfsonde(n) abgefahren werden und deren Messsignal ortsabhängig aufgezeichnet wird. Damit ist es möglich, Schäden im oberflächennahen Bereich präzise, sicher und ortsgenau zu detektieren und quantitativ zu analysieren.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Detektion von Schweißnähten an verlegten Schienen zu schaffen, mit dem sich Schweißnähte eindeutig identifizieren, präzise lokalisieren und möglichst auch noch in ihrer Festigkeit bewerten lassen.

Bei dem diese Aufgabe lösenden Verfahren fährt man die Schienen mit wenigstens einer Wirbelstrom-Prüfsonde ab. Man zeichnet das Messsignal der Sonde(n) ortsabhängig auf, und man diskriminiert einen für eine Schweißnaht signifikanten Signalverlauf über die Schienenlänge, der durch eine vordere Flanke, ein Plateau und eine entgegengesetzte hintere Flanke gekennzeichnet ist.

Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die eingesetzten Wirbelstrom-Prüfsonden Messsignale liefern, deren Signalverlauf über die Schienenlänge für Schweißnähte signifikant ist. Schweißnähte können daher zugleich mit Schäden im oberflächennahen Bereich diskriminiert und lokalisiert werden, und es sind Rückschlüsse auf die Festigkeit der Schweißnähte möglich.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der gemessene Signalverlauf nur dann als signifikant gewertet, wenn das Messsignalplateau zwischen einem unteren und einem oberen Grenzwert der Schienenlänge ansteht. Man trägt damit dem Umstand Rechnung, dass Schweißnähte an Schienen eine typische Breite haben.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der gemessene Signalverlauf nur dann als signifikant gewertet, wenn die Messsignalflanken innerhalb eines vorgegebenen Abschnitts der Schienenlänge ansteigen bzw. abfallen. Der Anstieg bzw. Abfall findet nämlich in Wärmeeinflusszonen beiderseits der eigentlichen Schweißnaht statt, die eine typische Breite haben.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird ein signifikanter Signalverlauf dadurch identifiziert, dass der gemessene Signalpegel zwischen den Grenzwerten der Schienenlänge jenseits eines vorgegebenen Schwellwerts liegt. Bei der Auswertung zeichnet sich die Schwellwertmethode durch eine hohe Treffsicherheit bei sehr hoher Rechengeschwindigkeit und niedrigem Speicherbedarf aus. Sie ist daher für eine Online-Datenerfassung besonders geeignet.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der Schwellwert durch Mittelwertbildung über das Sondensignal dynamisch eingestellt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird ein signifikanter Signalverlauf durch Korrelation des gemessenen Signalpegels mit einem Mustersignal identifiziert. Die Korrelationsanalyse zeichnet sich bei der Auswertung gegenüber der Schwellwertmethode durch eine noch höhere Treffsicherheit aus. Wegen des höheren Rechenaufwands und Speicherbedarfs gestaltet sich die schnelle Online-Auswertung aber aufwendiger.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform verwendet man mehrere, über die Breite des Schienenkopfes verteilte Sonden. Man überprüft, ob alle Sonden am gleichen Ort signifikante Signalverläufe liefern. Das ist ein maßgebliches Kriterium dafür, dass tatsächlich eine Schweißnaht vorliegt, da sich diese immer über den ganzen Kopf der Schiene erstreckt.

Die über die Breite verteilten Sonden müssen nicht unbedingt nebeneinander liegen. Vielmehr ist bei größeren Sonden eine gestaffelte Anordnung geboten, die bei der Signalauswertung zu berücksichtigen ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform zieht man das Messsignal der Sonde(n) zugleich zur Detektion und Bewertung von Oberflächenschäden an den Schienen und Weichenbauteilen heran. Die kombinierte Detektion von Oberflächenschäden und Schweißnähten hat den Vorteil, dass die Schweißnähte sichere Ortsmarken darstellen, die in den Datenfluss online "eingeblitzt" das Wiederauffinden von Schädigungen erleichtern.Wohlgemerkt ist aber mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch eine Detektion von Schweißnähten für sich allein möglich.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.

Eine Wirbelstrom-Prüfsonde, die eine Schweißnaht an einer Schiene überfährt, liefert typischerweise ein Signal, dessen Verlauf in Fig. 1 dargestellt ist. Aufgetragen ist der Signalpegel S über den Ort x in Längsrichtung der Schiene.


Fig 1: zeigt das Diagramm eines Messsignals.

Beim Schweißen von Schienen treten Gefügeveränderungen und entsprechende Härteunterschiede im Stahl auf. Daraus resultieren Änderungen der Permeabilität und Leitfähigkeit in der eigentlichen Schweißnaht und den angrenzenden Wärmeeinflusszonen, die nach dem Wirbelstromverfahren detektiert werden können. Der erhaltene Signalverlauf ist durch ansteigende bzw. abfallende Flanken in den Wärmeeinflusszonen und ein Plateau im Bereich der eigentlichen Schweißnaht gekennzeichnet. Mögliche Signalstörungen ergeben sich durch Schädigungen an der Schiene oder Schweißnaht, zum Beispiel Risse, Ausbröckelungen oder Schleifriefen, unterschiedliche Schienenwerkstoffe und das Ausmaß, in dem das Schienenprofil abgefahren ist. Bei stark abgefahrenem Profil kann es ebenso wie bei schlechter Justierung der Wirbelstrom-Prüfsonde zu einer unerwünschten Vergrößerung des Messabstandes kommen. Der beschriebene Signalverlauf hat sich als gegen derartige Störeinflüsse stabil erwiesen.

Zur Auswertung des Signalverlaufs ist in Fig. 1 durch Mittelwertbildung über die jeweils vorangehenden Sondensignale ein Schwellwert T gesetzt. Der Signalverlauf wird als für eine Schweißnaht signifikant gewertet, wenn der momentane Signalpegel S über eine Strecke, die für die Breite einer Schweißnaht typisch ist, durchweg höher als der Schwellwert T liegt. In diesem Messbereich steigt der Schwellwert T an, um dahinter wieder abzufallen. Die Schwellwertmethode zeichnet sich durch eine gute Treffsicherheit, sehr hohe Rechengeschwindigkeit und einen geringen Speicherbedarf aus. Sie eignet sich daher besonders für die Online-Datenerfassung.

Fig. 2 zeigt ein Mustersignal, wie es für eine Korrelationsanalyse des gemessenen Signalverlaufs herangezogen werden kann. Es wird eine mathematische Faltung von Messsignal und Mustersignal gebildet. Die Korrelationsanalyse ist in der Treffsicherheit noch besser, als die Schwellwertmethode. Rechenaufwand und Speicherbedarf sind aber höher.


Fig 2: das Diagramm eines Mustersignals.

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