DGZfP-JAHRESTAGUNG 2001 Zerstörungsfreie Materialprüfung

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD

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Ermittlung der Eignung von Prüfmitteln für die Eindring- und Magnetpulverprüfung nach dem europäischen Normwerk

Kurzfassung

In den Normen über Prüfmittel für die Eindring- und Magnetpulverprüfung [2, 4] wird ihre Qualität durch Musterprüfungen, Chargenprüfungen und die Anwendungsüberwachung sichergestellt. Dabei ist die Eignung (Performance) oder Prüfempfindlichkeit eine der wichtigsten anwendungstechnischen Eigenschaften, die durch die Anzeigenerkennbarkeit an genormten Vergleichskörpern beschrieben wird.

Nach den Angaben der Normen zur Musterprüfung wurde die Anzeigenerkennbarkeit fluoreszierender Prüfmittel für die Eindring- und Magnetpulverprüfung auf Vergleichskörpern mit gleichartigen Bildverarbeitungssystemen in der BAM Berlin, dem MPA Hannover und dem IAP Minsk ermittelt und bewertet. Die Ergebnisse bestätigen die prinzipielle Eignung des Verfahrens, zeigen aber auch die Schwierigkeiten bei der Ermittlung der Anzeigenerkennbarkeit von Eindringmitteln. Die auftretenden Probleme führten zu einem Einspruch. Die Vergleichbarkeit und Reproduzierbarkeit soll durch weitere Untersuchungen und den Austausch von Erfahrungen mit anderen europäischen Musterprüfstellen (Rundversuche) sichergestellt werden.

1. Einleitung

Zur Zeit werden auf allen Gebieten die nationalen Normen durch europäische Normen ersetzt. Dies gilt auch für die Prüfmittelnormen für die Magnetpulver- und Eindringprüfung. Beiden Verfahren ist der visuelle Nachweis der Anzeigen gemeinsam aus denen sich vergleichbare optische Eigenschaften der Prüfmittel (farbig-fluoreszierend) und Betrachtungsbedingungen ergeben. Der Begriff "Prüfmittel" bezeichnet bei der Eindringprüfung das Prüfmittelsystem und bei der Magnetpulverprüfung die gebrauchsfertige Mischung des Magnetpulvers mit der Trägerflüssigkeit.

Die Zuverlässigkeit bei diesen Verfahren steht in engem Zusammenhang mit der quantitativ beschreibbaren visuellen Anzeigenerkennbarkeit [1] die u.a. von den Eigenschaften der Prüfmittel abhängt. Die Anzeigenerkennbarkeit, auch bezeichnet als Prüfempfindlichkeit oder Eignung (performance), ist die wichtigste Eigenschaft der Prüfmittel. Sie wird an realen Prüfgegenständen oder an Vergleichskörpern VK (Kontrollkörpern) ermittelt. Die VK und Verfahren zur Ermittlung der Anzeigenerkennbarkeit sind in den entsprechenden europäischen Normen angegeben [2, 3, 4, ]. Sie werden vorgestellt und über erste Erfahrungen berichtet.

2. Eignungsprüfungen nach dem neuen europäischen Normwerk

Bei den Prüfmittelnormen für PT und MT wird zwischen der Muster-, Chargen- und Betriebsprüfung unterschieden. Bei der Musterprüfung werden die wichtigsten Eigenschaften der Prüfmittel ermittelt. Mit den Chargenprüfungen wird ihre Qualität während der Produktion überwacht und die Betriebsprüfungen dienen der ständigen Kontrolle durch den Anwender. Unsere Untersuchungen befassen sich mit der Ermittlung der Anzeigenerkennbarkeit im Rahmen der Musterprüfung.

Grundsätzlich ist bei beiden Verfahren eine absolute und eine relative Bewertung möglich. Bei der absoluten Bewertung wird bewertet ob die Anzeige einer Inhomogenität mit definierten Eigenschaften sichtbar (erkennbar) ist oder nicht. Die Inhomogenitäten im Vergleichskörper sollten nachzuweisenden Inhomogenitäten möglichst weitgehend entsprechen. Bei beiden Verfahren werden z.B. spaltartige Inhomogenitäten mit Breiten unter 10 mm nachgewiesen.

Bei der relativen Bewertung wird die Anzeige des untersuchten Prüfmittels mit der Anzeige eines Referenzprüfmittels verglichen. Die Unterschiede der beiden Anzeigen können subjektiv beschrieben ("gleich", "besser", "schlechter") oder quantitativ ermittelt werden. Diese Art der Bewertung benötigt zwar ein Referenzprüfmittel, ist aber genauer und kann den praktischen Anforderungen an das Prüfmittel angepasst werden. Als Referenzkörper kann z.B. ein Prüfgegenstand mit geeigneten Inhomogenitäten verwendet werden.

3. Ermittlung der Anzeigenerkennbarkeit

Durch die Untersuchungen sollte sichergestellt (validiert) werden, dass nach den Normen eine reproduzierbare und vergleichbare Ermittlung der Anzeigenerkennbarkeit möglich ist.

Grundsätzlich ist die Erkennbarkeit von Objekten (Anzeigen) von ihrer Größe und den Betrachtungsbedingungen abhängig [1]. Sie wird im Wesentlichen durch den Leuchtdichtekontrast zwischen Objekt L₀ und Umfeld L_s und die Größe (Fläche A) beschrieben. Vereinfacht kann man von der Leuchtdichtedifferenz ausgehen. Berücksichtigt man die Größe so ist es sinnvoll, die Anzeigenerkennbarkeit durch die Lichtstromdifferenz zu beschreiben (Bild 1). Sie wurde als beschreibende Größe verwendet.

Abb 1: Bewerteter Lichtstrom einer Anzeige.

Zur Ermittlung der Anzeigenerkennbarkeit wird ein Bildverarbeitungssystem verwendet [6, 7] das aus einer üblichen Graubildkamera und einem Bildübertragungssystem besteht, mit dem das Videosignal in einen Rechner gespeist wird. Die Bilder werden mit einem Bildverarbeitungsprogramm bearbeitet, das unter WINDOWS läuft. Es besteht im Wesentlichen aus einem Konturverfolgungsalgorithmus der alle Anzeigen über einer vorgegebenen Leuchtdichteschwelle registriert und den Lichtstrom ermittelt. Die Benutzerroberfläche ist in Bild 2 dargestellt. Die wichtigsten Eigenschaften der Anzeigen (speziell der Lichtstrom) werden aufgelistet und können im Rechner weiter bearbeitet werden.

Abb 2: Benutzeroberfläche des Bildverarbeitungsprogramms.

4. Musterprüfung von Prüfmittelsystemen für die Eindringprüfung

4.1 Vergleichskörper nach EN ISO 3452-3
Der Vergleichskörper 1 für die Muster- und Chargenprüfung besteht aus einem Satz von vier Paar Messingblechstreifen (Prüfplatten) die mit einer Nickel-Chromschicht der Dicke T bedeckt sind. Sie werden so gestreckt, dass Risse in der Schicht entstehen, die Breiten von 1/20 der Dicke haben sollen (Bild 3). Die Erkennbarkeit der Anzeigen auf den Streifen bildet das Maß für die Empfindlichkeitsklassen wie sie in Tabelle 1 dargestellt sind.

t = 10mm	t = 20mm
Abb 3: Anzeigen des Vergleichkörpers 1 für Eindringmittel.

Streifen	Empfindlichkeitsklassen
T/mm	Fluoreszierend	farbig
10	3 (ultrahoch)
20	2 (hoch)
30	1 (normal)	1 (hoch)
50		2 (normal)
Tabelle 1: Empfindlichkeitsklassen nach demVergleichskörper.

Jede Platte wird senkrecht zu den Anzeigen in 2 Streifen geteilt die dann annähernd gleichartige Risse aufweisen. Bei der relativen Bewertung wird ein Streifen mit dem zu bewertenden Prüfmittel und der Andere mit dem Referenzprüfmittel beaufschlagt, so dass eine weitgehend gleichartige Prüfprozedur gewährleistet ist und die Anzeigen nebeneinander visuell oder automatisch bewertet werden können.

Bei der Bewertung der Anzeigen treten eine Reihe von Messunsicherheiten auf die das Ergebnis beeinflussen. Es sind:

1. Unsicherheiten auf Grund der Prüfungsdurchführung
   Die Schwankungen der Anzeigenerkennbarkeit auf Grund der Durchführung machen eine dreimalige Wiederholung und Mittelwertbildung erforderlich.
2. Unterschiede zwischen den Rissen auf einer Platte
   Aus messtechnischen Gründen sollten bei der Auswertung Anzahl und Länge der Anzeigen beschränkt werden. Vorgeschlagen wurde ein Feld mit 5 Anzeigen und einer Länge von 20 mm. Es sollten für die Platte typische mittlere auswertbare Anzeigen ausgewählt werden. Dies ist nach den bisherigen Erfahrungen meist nicht schwierig.
3. Unterschiede bei den einzelnen Plattenpaaren
   Trotz der gleichartigen Herstellung sind die Risse eines Paares A und B nicht gleich. Die Unterschiede können bei der Auswertung durch einen Faktor berücksichtigt werden.
4. Unterschiede zwischen den Sätzen von Vergleichskörpern
   Durch Unterschiede zwischen den Vergleichskörpersätzen ergeben sich verschiedene Bewertungen. Sie sind teilweise erheblich, so dass zur Harmonisierung der Ergebnisse Rundversuche zu empfehlen sind.
5. Unsicherheiten bei der Anzeigenbewertung
   Bei der Auswertung mit dem Bildverarbeitungssystem ergeben sich verhältnismäßig geringe Unterschiede in den Ergebnissen. Allerdings sollten die Bewertungsparameter festgelegt werden. Vergleiche mit anderen Systemen liegen noch nicht vor.

Über die Ergebnisse entsprechender Untersuchungen wird an anderer Stelle ausführlich berichtet. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass bei relativer Bewertung die Unterschiede der Vergleichskörper das Ergebnis kaum beeinflussen.

4.2 Musterprüfung
Musterprüfung nach EN ISO 3452-2
Die Norm verwendet für die Musterprüfung von fluoreszierenden Prüfmitteln nur eine Platte mit einer Plattierungsdicke von 30 mm des Satzes von VK [3]. Die Anzeigen werden durch Vergleich mit Referenzanzeigen bewertet, die mit einem Fluoreszenzpulver in den Schlitzen eines Referenzkörpers erzeugt werden. Zur Durchführung des Vergleiches wird ein Gerät zur Messung der Lichtströme der Anzeigen empfohlen. Die Einteilung in die 3 Empfindlichkeitsklassen erfolgt mit Hilfe eines Diagramms durch Bewertung des Mittelwertes und der Standardabweichung der Lichtströme.

Nach unseren Untersuchungen ergaben sich bei normgerechter Durchführung eine Reihe von schwerwiegenden Problemen.

1. Die Eigenschaften des zur Kalibrierung angegebenen Referenzpulvers können vom Hersteller nicht garantiert werden.
2. Die Lichtströme der Referenzanzeigen sind wesentlich höher als die Eindringanzeigen, so dass nach der Bewertungsvorschrift selbst die besten Eindringmittel in die Empfindlichkeitsklasse 1 eingeordnet werden müssten.
3. Die Standardabweichung der bewerteten Anzeigen wird kaum durch die Eigenschaften des Prüfmittels beeinflusst, stellt also kein Qualitätsmerkmal dar.
4. Es fehlen Angaben über Lage, Anzahl und Länge der zu bewertenden Anzeigen.
5. Das empfohlene Gerät zur Messung der Anzeigen entspricht nicht dem Stand der Technik und die Beschreibung ist unzureichend. Das Gerät stand nicht zur Verfügung und veröffentlichte Ergebnisse konnten nicht gefunden werden.
6. Es wird nur die Eindringmittel bewertet und ein beliebiger Nassentwickler auf Lösungsmittelbasis ("d") verwendet.

Aus diesen Gründen wurde Einspruch gegen die Norm eingelegt und eine alternative Anzeigenbewertung vorgeschlagen.

Vorschlag zur Anzeigenbewertung

Es wird der gleiche Satz von Vergleichskörpern verwendet und die Bewertung der Prüfmittel im Wesentlichen so durchgeführt wie vom Hersteller vorgesehen (siehe 4.1) d.h. mit einer absoluten und einer relativen Bewertung.

Die relative Bewertung erfolgt durch Vergleich der Lichtströme von Anzeigenbereichen auf den Streifen eines Paares. Bei der absoluten Bewertung und Einordnung in eine Empfindlichkeitsklasse muss die Sichtbarkeit der Anzeigen auf einer Platte festgestellt werden. Dazu wird der Kontrast bei dem die Anzeigen visuell gerade noch zu erkennen sind (Nachweisgrenze) als Grundlage für die Einstellung des Bildverarbeitungssystems verwendet. Auf Grund der ungleichförmigen Leuchteverteilung auf einer Anzeige ergeben sich bei der Auswertung unterbrochene Linien (siehe Bild 4). Eine Anzeige wird als "sichtbar" definiert, wenn 50% ihrer Gesamtlänge bewertet werden.

Abb 4: Vergleichkörper 1 für Eindringmittel Definition der sichtbaren Länge im Auswertebereich.

Als Ergebnis der bisherigen Untersuchungen wurde eine Überarbeitung des Abschnittes 7.2 (Empfindlichkeit von Eindringmittelsystemen) der Norm [3] mit folgenden Änderungen vorgeschlagen:

• Es können Eindringmittel mit beliebigen Entwicklern (nicht nur "d") und Eindringmittelsystemen bewertet werden.
• Anzahl und Länge der bewerteten Anzeigen werden festgelegt (siehe Bild 4).
• Zur objektiven Ermittlung der Anzeigenerkennbarkeit werden die Eigenschaften des Bildverarbeitungssystems angegeben.
• Die Einteilung in Empfindlichkeitsklassen erfolgt wie oben dargestellt.
• Die relative Bewertung erfolgt mit Hilfe der Streifenpaare. Sie kann aber auch an anderen Vergleichkörpern erfolgen.
• Der Eindringvorgang wird drei mal wiederholt und der Mittelwert der Anzeigenerkennbarkeit gebildet.
• Es wird eine Entwicklerschicht mit definierten Eigenschaften verlangt.
• Zur Harmonisierung der Ergebnisse werden Rundversuche vorgeschlagen.

5. Musterprüfung von Prüfmitteln für die Magnetpulverprüfung nach prEN ISO 9934-2

5.1 Vergleichskörper
Nach dem neuen europäischen Normentwurf [4] sind zwei Vergleichkörper für die Musterprüfung vorgeschrieben [7]. Vergleichskörper 1 ist der, in der Bundesrepublik weit verbreitete "MTU" [5] (Bild 5). Mit ihm ist nur eine relative Bewertung möglich. Vergleichskörper 2 ist der aus Frankreich stammende "Afnor C" (Bild 6). Mit ihm ist auch eine absolute Bewertung durch Messung der Anzeigenlängen möglich. Der Bewertungsvorgang erfolgt drei mal unter definierten Bedingungen und anschließender Mittelwertbildung.

Abb 5: Vergleichkörper 1 für Magnetpulver (MTU).

Abb 6: Vergleichkörper 2 für Magnetpulver.

5.2 Anzeigenerkennbarkeit
Die Anzeigenerkennbarkeit wird zur Zeit mit Wasser als Trägermittel an einer Reihe von handelsüblichen Prüfmitteln nach Angaben der Hersteller durchgeführt. Als Bewertungsgröße wurde auf dem Afnor C die visuell und mit dem Bildverarbeitungssystem ermittelte Summe der beiden Anzeigenlängen verwendet. Beim MTU waren es die Lichtströme des Teils einer kräftigen Anzeige und mehrerer kleiner Anzeigen (Längen 0,5 - 2 mm).

Die Ergebnisse zeigen die Schwierigkeit der Ermittlung der Anzeigenlänge auf dem Afnor C als absolute Bewertung. Sie ist unsicher und wenig differenziert. Der Lichtstrom der groben Anzeige auf dem MTU kann schnell und sicher ermittelt werden. Von der Tendenz her ergibt sich die gleiche Reihenfolge wie bei der Längenbewertung auf dem Afnor C. Bei den kleinen Anzeigen ergeben sich naturgemäß größere Schwankungen. Feinkörnige Magnetpulver werden besser bewertet als die grobkörnigen, so dass sich eine andere Rangfolge ergibt. Die Eignung zum Nachweis kleiner Inhomogenitäten ist von praktischem Interesse, da sie die Empfindlichkeit (Nachweisgrenze) des Verfahrens angibt. Prüfaufgaben mit hoher Prüfempfindlichkeit verlangen den Nachweis von Inhomogenitäten mit vergleichbaren Abmessungen.

6. Folgerungen

Bei den Eindringmittelsystemen ist eine reproduzierbare und vergleichbare Bewertung nach der Norm [2] nicht möglich. Auf Grund der Ergebnisse der durchgeführten Untersuchungen wurde eine Änderung der Norm vorgeschlagen. Zur Harmonisierung der Ergebnisse sollten die an Musterprüfungen interessierten Institutionen ihre Ergebnisse durch Rundversuche absichern.

Die relative Bewertung der Prüfmittel für die Magnetpulverprüfung nach [4] ermöglicht differenzierte Aussagen über ihre Eigenschaften Anwendungsbereiche. Die absolute Bewertung ist relativ schwierig und die Aussagen über die Qualität unsicher.

Literatur

1. M. Stadthaus: Evaluation of the viewing Conditions in the fluorescent Magnetic-Particle- and Penetrant Testing, INSIGHT 39, S. 882 (Dez. 1997)
2. prEN ISO 3452-2 NDT - PT - Part 2 Testing of penetrant materials, 2000
3. EN ISO 3452-3 NDT - PT - Part 3 Reference test blocks, 1999
4. prEN - ISO 9934-2 NDT - MT - Detection media
5. E. Dickhaut: Verfahren zur Herstellung eines metallischen Prüfkörpers zur Überwachung von Magnetpulver-Prüfflüssigkeiten, DBP 2357220 (1977)
6. M. Stadthaus, H.-M. Thomas: Anwendung eines Bildverarbeitungssystems zur Ermittlung der Anzeigenerkennbarkeit beim Magnetpulver- und Eindringverfahren; Materialprüfung 30, S.109 (Apr. 1988)
7. M. Stadthaus, H. Lingott: Some Aspects on the Reliability of Magnetic Particle Testing, 7^th ECNDT (Mai 1998)

Herausgeber: DGfZP, Programmierung: NDT.net

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