Zerstörungsfreie Materialprüfung
Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD
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Ereignisse in der jüngsten Vergangenheit bei der Prüfung von Triebwerkskomponenten und bevorstehende Initiativen der FAA (Federal Aviation Administration) haben zu einem Streben nach besser dokumentierten Wirbelstromprüfungen und mehr Automation geführt. Im Gegensatz zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit Ultraschall, bei der Triebwerksteile schon seit Jahren mit Hilfe von automatisierten Systemen in Tanks geprüft werden, hinkte die Entwicklung ausgefeilter Wirbelstromprüfsysteme bis jetzt hinterher. Dies lag hauptsächlich an den Kosten: Aufwendige Mehrzwecksysteme sind verhältnismäßig teuer und daher für die meisten Fluglinien und Wartungsfirmen finanziell nicht tragbar, da sie die Budgets der kleineren Dienstleister sprengten.
In den nächsten Jahren werden wir auf dem Markt eine große Palette automatisierter Wirbelstromprüfanlagen sehen, die nicht nur technisch ausgereifter, sondern auch preisgünstiger sein werden.
Somit ist die Frage, wofür man sich entscheidet. Wie vergleicht man diese Systeme? Einige Systeme basieren auf sehr unterschiedlichen Konzepten, z. B. verwendet ein X-Y-Z-C (Koordinaten) System ein Rollengerüst während bei einem anderen System vielleicht Roboter genutzt werden (Abb. 1). Nach welchen Gesichtspunkten sollte man vorgehen?
Die folgenden Ausführungen umreissen einige der grundlegenden Faktoren, die in Betracht gezogen werden sollten, bevor man sich für eine automatisierte Wirbelstromanlage zur Prüfung von Triebwerkskomponenten entscheidet.
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Abb 1: Auswahl zwischen ungleichen automatisierten Systemen z. B. einem X-Y-Z-C Koordinaten-Positionierungssystem (links) und einem Robotersystem (rechts).
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Automation, das vom Griechischen "automaton" - selbsttätig/eigenbeweglich - stammt, wird in Webster's Dictionary als "ein System oder eine Methode, durch die viele oder alle Abläufe/Aufgaben/Arbeiten automatisch von Maschinen oder elektronischen Vorrichtungen durchgeführt oder kontrolliert werden" definiert.
Diese Definition führt zu drei grundlegenden Fragen, die man vor der Entscheidung für ein bestimmtes System beantworten und nach einer Entscheidung erneut bewerten muß: Warum automatisieren? Was sind die Aufgaben? Welches System kann die Aufgaben lösen?
Realistisch gesehen macht eine automatische Prüfung von Triebwerkskomponenten nur Sinn, wenn man eine große Menge gleicher Komponenten prüfen muß. Nachdem er selbst eine große Anzahl von Turbinenscheiben und Dichtungen geprüft hat, begrüßt einer der Autoren das Konzept der automatischen Prüfung um so mehr. Nach mehreren hundert Boreholes und bogenförmigen Ausschnitten ermüdet der Prüfer und die Wahrscheinlichkeit, daß ein Fehler entdeckt wird (POD), nimmt ab. Ein automatisiertes System steigert die Zuverlässigkeit [ 1 ] und reduziert auch einige Berufskrankeiten wie z.B. das Karpaltunnelsyndrom.
Dies sollte jedoch mit den Kosten und der für eine automatisierte Prüfung erforderlichen Zeit abgewogen werden, die über den Zeitrahmen einer manuellen Prüfung hinausgehen kann.
Der wichtigste Schritt bei der Auswahl eines automatisierten Systems ist die Definition der Vorgaben, die das System erfüllen muß. Bisher werden in den meisten Spezifikationen nur kurz die Prüfbereiche festgelegt; z. B. werden bei Turbinenscheiben Bohrungen, Stege, Bögen und gestossene Nuten erwähnt. Später werden sehr detailiert die Positioniergenauigkeit, die Anforderungen an die Elektrik, die Farbe des Gehäuses sowie Dutzende firmeninterne, Landes- und Bundesvorschriften aufgelistet.
Bei der wachsenden Zahl sehr unterschiedlicher Systeme und Methoden sollte die Definition der eigentlichen Aufgabenstellung eher eine Definition der Grundlagen sein: Welche Bereiche diverser Teile muß ein System prüfen können und welche Fehlergrößen müssen dabei gefunden werden.
Diese Definition ist der Standard, an dem jedes System gemessen und ausgewählt werden sollte. Auf welche Weise das System die Anforderungen erfüllt, ist das Problem des Systemherstellers.
Lassen Sie uns nun einen genaueren Blick auf einige Faktoren werfen, die die Wunschliste zu einem realistischen Ansatz werden lassen.
Lassen Sie uns zunächst festlegen, was wir wirklich von einem System für die Turbinenscheibenprüfung erwarten: Die Bohrung, die Verankerungsstange und Erleichterungslöcher sowie besondere Bereiche des Stegs. Es sollte möglichst auch Bögen und gestossene Nuten prüfen können. Die Turbinenscheibe ist rotationssymmetrisch, kann auf einen Drehtisch positioniert werden und wird von einem Bediener umgedreht, damit auch die "Unterseite" geprüft werden kann.
Bitte beachten Sie, daß sich der Prüfbereich der Bögen in einem 90°-Winkel zur Achse der Turbinenscheibe befindet und daß die gestossenen Nuten in einem Winkel auftreffen. Zu diesem Zeitpunkt sollten wir Abmessungen der Teile oder Zeichnungen zur Verfügung stellen können.
Als Nächstes lassen Sie uns den Fehler festlegen, der gefunden werden muß: Der "typische" Mindestfehler hat die Form eines Daumennagels, ist 0,4 mm tief, an der Oberfläche 0,8 mm lang und weniger oder gleich 0,1 mm breit.
Zum Dritten legen wir fest, daß der Störpegel des Wirbelstromsignals, das wir von einem Referenzstandard abnehmen, kleiner oder gleich 1/3 der Amplitude eines Referenzfehlers sein muß.
Aus diesen drei Spezifikation ergeben sich die übrigen Systemanforderungen von alleine.
Wenn man die Leistungsdaten eines automatisierten Systems festlegt, liegt einem unter Umständen zum Schluß eine lange Liste mit Anforderungen vor. Sobald diese Liste fertig ist, sollten die Anforderungen aussortiert werden. Die Kriterien, nach denen man vorgehen sollte, sind die, "die absolut unerläßlich für die Rißfindung sind". Die anderen Kriterien gelten als "wünschenswert" und man sollte sich klar machen, daß sie die Kosten des Systems in die Höhe treiben, ohne zu einer besseren Prüfung beizutragen. Lassen Sie uns nun einen Blick auf einige kritische Anforderungen werfen:
Um die vorgegebenen Risse in den festgelegten Prüfbereichen zu finden, müssen wir den geeigneten Sondentyp definieren: Absolut- oder Differenzsonde. Wenn man die Ausrichtung eines Risses nicht kennt, sollten wir eine Absolutsonde wählen, da sie unabhängig von der Orientierung des Fehlers funktioniert [ 1, 2 ]. Wenn die Risse vorzugsweise in einer Richtung verlaufen, können wir eine Differenzsonde verwenden, die empfindlicher ist und weniger vom Lift-off abhängig ist; wir müssen uns dabei allerdings klar machen, daß die Ausrichtung des Verfahrweges des Systems sehr wichtig ist und dazu führen kann, daß weitere Achsen erforderlich werden können, um das System entsprechend zu bewegen.
Für den Steg, die Bohrung und die Bögen würden wir eine Oberflächensonde verwenden. Für die Bohrlöcher können wir eine Oberflächensonde, die über die innere Oberfläche der Löcher geführt wird, oder eine Rotiersonde, für die ein Rotor erforderlich ist, verwenden. Die anderen Prüfbereiche können unterschiedliche Sonden erfordern, die oft vom Hersteller der Turbinenscheibe festgelegt werden.
Ein Bediener muß alle Sonden angeben, da das System diese entweder über einen automatischen Werkzeugwechsler oder durch einen Wechsel von Hand austauscht. Hier sollte man gegebenenfalls über die Verwendung alternativer Sonden nachdenken. Da es sich bei den meisten für die Prüfung von Turbinenscheiben verwendeten Sonden um Differenzsensoren handelt, werden wir uns im weiteren Verlauf des Vortrages auf diese Sondenart beschränken.
Man sollte sich ebenfalls überlegen, wie die Sonde geführt und gehalten werden soll. Hier kann man zwischen einer gefederten Sonde, die ständig die Oberfläche berührt, und einer berührungslosen Sonde, die der Kontur der Oberfläche folgen muß, wählen. Während letztere wegen der längeren Lebensdauer vorgezogen werden könnte, gibt es - wie unten beschrieben - auch erhebliche Nachteile. Lassen Sie uns zunächst einmal auf die Genauigkeiten und Toleranzen eingehen, die sich aus unserer bisherigen Auswahl ergeben haben.
Nach den Grundlagen der Wirbelstrom-Methodik [ 2 ] sollte das Sondenelement nicht wesentlich größer sein als die doppelte Länge des Fehlers , der gefunden werden soll , d. h. im Fall des oben genannten Fehlers sollte der Sondenkern maximal 0,8 mm bis 1,0 mm messen. Da wir nach flachen Fehlern suchen, sollte die Prüffrequenz 2 MHz betragen. Bei einer höhere Frequenz als z. B. 6 MHz steigt auch die Wahrscheinlichkeit, daß kleinere Fehler entdeckt werden, aber die Störempfindlichkeit, z. B. aufgrund von Wacklern oder der Oberfläche des Prüfteils, steigt ebenfalls. Eine Prüfung von In-Service-Teilen mit mehr als 2 bis 3 MHz führt normalerweise zu einem niedrigeren Signal-Rausch-Verhältnis.
Mit einem kleineren Sondenkern, z. B. mit einem Durchmesser von 0,5 mm, steigt die Wahrscheinlichkeit, daß ein Fehler gefunden wird, aber gleichzeitig sinkt auch der Abstand zwischen den Prüfspuren, so daß die Prüfdauer steigt.
Sobald die Sonde festgelegt wurde, müssen wir auf drei wesentliche Sondeneigenschaften achten: Wirkbreite, Spurbreite und Neigung:
Das Magnetfeld einer Wirbelstromsonde breitet sich vom Kern aus und macht die Sonde so auch außerhalb ihrer Abmessungen empfindlich. Wie in Abb. 2 zu sehen, kann diese Empfindlichkeit für eine bestimmte Sonde gemessen werden. Dieses bekannte Wirbelstromsignal, das über einer Nut beobachtet wird, hängt von der Feldausdehnung und dem Kern-Element-Abstand und der Nutbreite ab und ist normalerweise wesentlich breiter als die Nut.
Abb 2: Wirkbreite Bw einer Differenzsonde.
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Von der Wirkbreite hängt ab, wie oft das Datenerfassungssystem einen Wert vom Wirbelstrom-Prüfgerät ablesen muß. Wenn der Kern zum Beispiel einen Durchmesser von 0,8 mm und eine Wirkbreite von 0,5 mm (1,0 mm empfindliche Breite) hat, sollte mindestens alle 0,25 mm abgetastet werden (4 Messpunkte auf 1,0 mm). Die meisten Systeme lesen das Vierfache dieser Rate ab. Wenn man jedoch spezifiziert, daß alle 0,0025 mm abgetastet wird, so erhöht dies nur den Preis des Systems und die Datenmenge, nicht aber die Genauigkeit der Fehlerfindung.
Die Spurbreite ist wie in Abbildung 3 definiert. Bei einem 0,8 mm langen Riß, der quer mit einer 0,8 mm breiten Sonde abgetastet wird, würde die Spurbreite bei etwa 1,5 mm (jeweils ca 0,4 mm jenseits der beiden Rißkanten) liegen. Um eine vollständige Abdeckung zu garantieren, würden die meisten Techniker die Spurbreit auf etwa die Hälfte, d. h. 0,6 mm festlegen.
Das bedeutet, daß wir im Bereich des Steges mit einem Sondenkern von 0,8 mm und einer Spurbreite von ebenfalls 0,8 mm nach dem oben genannten Riß suchen würden. Mit einer geringeren Spurbreite könnten wir zwar ein genaueres Rißprofil erarbeiten, aber auch hier wären die Kosten für die Prüfzeiten höher und die Datenmengen größer.
Abb 3: Sondenspurbreite Bs.
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Neben dem Lift-off ist die Sondenneigung ein wichtiger Aspekt sowohl bei der automatischen als auch bei der manuellen Prüfung. Abbildung 4 zeigt die Auswirkungen der Neigung auf die Signalamplitude. Wie auch beim Lift-off-Effekt nimmt die Signalamplitude auch bei der Sondenneigung rapide ab, z. B. 50 % bei einer Neigung von 11° [ 3 ]; dadurch nimmt auch die Wahrscheinlichkeit, daß ein Fehler gefunden wird, ab. Bei einem automatischen System kann die Sondenneigung auch erheblich zum Störpegel beitragen - je nachdem wie das System den Konturen folgt.
Abb 4: Auswirkungen der Sondenneigung.
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Wenn zum Beispiel ein automatisches System eine berührungslose Sonde in linearen Segmenten über eine gekrümmte Oberfläche führt (Abb. 5) und am Ende eines jeden Segments die Sonde vertikal zur Oberfläche ausrichtet, kommen hier zwei Faktoren ins Spiel:
Zunächst wird die Sonde zu Beginn und am Ende eines jeden Segments mehr abgehoben, was zu einer verringerten Empfindlichkeit zwischen identischen Fehlern an unterschiedlichen Stellen führt (Abb. 5: 1. und 2.). Während die Sondenführung schnell den Sondenwinkel auf die vertikale Position einstellt (Abb. 5: 3.), kann es irrtümlich zu einer Spitze des Wirbelstromsignals kommen. Wenn die Segment/Kipp-Sequenzen sehr klein sind und schnell aufeinander folgen, kann das Wirbelstromsignal sehr verrauscht aussehen. Wenn damit das Signal-Rauschverhältnis unter den von uns festgelegten Wert fällt, kann die Prüfung untauglich werden.
Abb 5: Auswirkungen der Sondenführung auf die Wirbelstromsignale.
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Welche Positioniergenauigkeit sollten wir von einem automatischen System erwarten und wie wichtig oder vernünftig ist diese Genauigkeit?
Die Positioniergenauigkeit wird definiert als die maximale Entfernung der Sondenspitze vom gewünschten Zielort. Diese wird normalerweise gemessen, indem man das System mit der höchsten Last (d. h. der schwersten Sondenführung) und der Höchstgeschwindigkeit zwischen den beiden am weitesten auseinanderliegenden Punkten bewegt. Manchmal wird nur die Genauigkeit pro Linearfuß gemssen.
So kann zum Beispiel die Genauigkeit, die mit einem hochwertigen X-Y-Z-C System erzielt wird, bei bis zu ±0.0125 mm/ 30cm (ca 1 Fuß) oder ± 0.06 mm auf einer Strecke von 1,5 m (= 5 Fuß) liegen. Heute erreichen alle hochwertigen Robotersysteme eine Genauigkeit von etwa ±0,05 mm über ihre gesamte Reichweite.
Um die erforderliche Genauigkeit abschätzen zu können, stellen Sie sich vor, daß wir die Innenoberfläche eines Zugstangenloches einer Turbinenscheibe mit einer berührungslosen Oberflächen- oder Punktsonde prüfen möchten. Das heißt, wir möchten die Sonde an eine Stelle bringen, die 0,05 mm von der Oberfläche entfernt ist, und sie dann um/entlang der Oberfläche und in das Loch rotieren lassen. Hier erscheint eine Genauigkeit von ±0,0125 mm/30 cm absolut notwendig. Lassen Sie uns nun einen Blick auf die gesamten Toleranzen bei der Prüfung werfen:
Der Ort in der Mitte des Zugstangenlochs der Turbinenscheibe ist höchstens bis zu 0,025 mm genau; oft werden auch 0,5 mm akzeptiert. Die Genauigkeit des Lochdurchmessers liegt bei neuen Teilen bei bis zu 0,05 mm und bei Teilen, die durch die Wärme während des Betriebs belastet wurden, darüber. Die Konzentrizität der Halterung des Drehtellers, an der das Prüfteil befestigt wird, ist hervorragend, wenn sie sich im Bereich bis zu 0,05 mm bewegt. Wenn man die Flachheit der auf dem Drehteller positionierten Scheiben und einige andere Faktoren außer Acht läßt, beträgt die kumulierte Positionsgenauigkeit bereits Quadratwurzel SQRT(0,05 x 0,05 x 4) = 0,10 mm. D. h. von einem mathematischen Standpunkt aus gesehen wird die Oberfläche des Zugstangenlochs, das wir prüfen möchten, innerhalb ±0,10 mm von dem Ort liegen, an dem wir sie erwarten. Schlimmstenfalls jedoch beträgt die Summe der höchsten Toleranzen 0,20 mm. Das bedeutet, wenn wir die Sonde 0,05 mm von der Oberfläche entfernt positionieren, können wir tatsächlich 0,25 mm daneben liegen und einen erheblichen Lift-off-Effekt haben. Bei Teilen, die bereits in Betrieb sind, sieht dies noch gravierender aus, da die Zugstangenlöcher mittels Honen oder Polieren gereinigt oder für Buchsen gedehnt wurden.
Hier eine Systemgenauigkeit von ±0,05 mm zu verlangen, erscheint übertrieben. Wenn man sich vor Augen führt, daß eine hohe Genauigkeit auch einen hohen Preis mit sich bringt, sollte man die Spezifikationen nochmals überdenken.
Ein kostengünstigerer Ansatz wäre die Verwendung von gefederten berührenden Oberflächensonden oder bei Bohrungen von Rotiersonden mit einem gespreizten Schaft.
Unter Reproduzierbarkeit versteht man für gewöhnlich die Genauigkeit eines Positionswertes der an die Steuereinheit des Systems durch die Komponenten (Codiereinrichtungen, Koordinatenwandler), die die Position jeder Achse messen, zurückgemeldet wird. Oft sieht man hier Werte wie ±0,00125 mm oder ±0,0002°.
Dies wird verstanden als die Genauigkeit, mit der man die Sonde an eine Stelle zurückfahren kann, an der man einen Fehler vermutet, um diesen Fehler zu markieren.
Wenn man dies zu dem grundlegenden Sondenparameter "Wirkbreite", der bei üblichen Sonden zwischen 0,5 und 1,0 mm liegt, hinzunimmt, erscheint die oben genannte Anforderung übertrieben und führt lediglich zu höheren Kosten.
Ein besseres Kriterium für die Reproduzierbarkeit des Systems wäre die Festlegung der maximalen Abweichung der Signalamplitude, die man akzeptieren möchte, wenn die Sonde mehrmals hintereinander über einen Referenzfehler am äußeren Ende des Systems bewegt wird.
Da es immer Abweichungen bei der Amplitude gibt, sollten die KO-Kriterien "relativ" sein; z. B. stellen Sie die Signalamplitude des Referenzfehlers am Instrument auf drei Skalenunterteilungen ein und lehnen Sie alles ab, was größer als 2 Skaleneinteilungen ist.
Abgesehen von den hörbaren Geräuschen, die von den Bedienern als Belästigung aufgefaßt und in den Vorschriften der Berufsgenossenschaften vorkommen, ist das Signalrauschen wichtig für das Auffinden von Fehlern. Dieses Rauschen kann elektronisch durch die Bewegungstreiber des Systems, die Kontrolleinheit oder mechanisch durch die Vibrationen des Systems hervorgerufen werden. Dies zu vermeiden liegt klar im Aufgabenreich des Systemherstellers.
Störquellen, die der Hersteller nicht ausschalten kann, sind zum Beispiel Stromleitungen beim Kunden, die elektromagnetische Felder ausstrahlen, die wiederum von der Wirbelstromsonde wahrgenommen werden - selbst wenn der Netzstrom für das System gefiltert wird.
Motoren, Radios, Funkgeräte und andere Elektrogeräte können und werden das Wirbelstromsignal beeinflussen, denn schließlich ist eine Sonde ja eine unschirmbare Antenne.
Ein vibrierender Boden, Wärme und andere mechanische Einflüsse können das Signal während der Aufzeichnung ebenfalls beeinflussen.
Man kann nun für jede Störquelle bis ins kleinste Detail Spezifikationen erstellen. Dies führt letztendlich jedoch nur zu höheren Kosten für das System. Eine realistische und einfachere Anforderung wurde bereits oben genannt: Das Signal-Rausch-Verhältnis, das entsteht, wenn die Sonde über einen definierten Referenzfehler geführt wird, muß erreicht werden - egal welche Störquellen vorhanden sind. Das Ausschalten der Störquellen ist eine Aufgabe, die sich der Hersteller und der Kunde teilen.
Obwohl es viele andere Anforderungen wie die Farbe des Gehäuses und das elektrische System gibt, sollte das Hauptaugenmerk auf folgenden Fragen liegen:
In einer Zeit, in der es eine große Auswahl unterschiedlicher Systeme für die automatisierte Wirbelstromprüfung gibt, fällt die Wahl eines geeigneten Systems immer schwerer.
Es ist praktisch unmöglich, die Systeme aufgrund der veröffentlichten Positioniergenauigkeit und anderer Faktoren zu vergleichen, denn dabei vergleicht man äpfel mit Birnen.
Das System muß - in welcher Konfiguration auch immer - folgende wichtige Kriterien erfüllen:
Die einfachste und wirkungsvollste Spezifikation für ein automatisches System sollte auf den Grundlagen der Wirbelstromprüfung und nicht auf irgendwelchen numerischen Werten für Positionsgenauigkeit, Reproduzierbarkeit der Treiberbewegungen usw. basieren. Sie kann formuliert werden, indem einige echte Teile (neuwertig und bereits in Betrieb) mit funkenerodierten Nuten in bestimmten Prüfbereichen zur Verfügung gestellt werden und diese Nuten mit einem bestimmten Signal-Rauschverhältnis dann gefunden werden müssen.
Alle anderen Anforderungen (z. B. die Gehäusefarbe) sind zweitrangig und treiben nur die Endkosten in die Höhe ohne zur einer besseren Prüfung beizutragen.
Die Autoren danken den vielen Bedienern und Technikern der diversen Wartungsbetriebe für ihre Vorschläge und Kommentare während der letzten Jahre - auch dafür, daß sie uns daran erinnert haben, daß man nie das Wesentliche aus den Augen verlieren sollte.
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