DGZfP-JAHRESTAGUNG 2001 Zerstörungsfreie Materialprüfung

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

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Beiträge: Vorträge: Akustische Verfahren:

Turbulenzsensor zur Riss- und Porendetektion - Ein neues Prüfverfahren

Ziel, Nutzen

Ziel


• Prozesssicherung in der Fertigung.
• Fehler- und Kostensenkung durch innovative Prüftechnik.

Aufgabe


• Erkennung von Oberflächendefekten > 10 mm wie Risse und Poren auf beliebigen Materialien (Metall, Glas, Keramik, Beschichtungen...)

Lösung: Einsatz Turbulenzsensor


• Berührungslose und zerstörungsfreie Prüfung
  
• Robust gegenüber äußeren Einflüssen, beispielsweise optischen Oberflächeneigenschaften oder Staub-/ Ölbenetzung
  
• Einfacher, preiswerter Sensoraufbau
  
• Eindeutiges, leicht interpretierbares Meßsignal

Physikalisches Prinzip

Prinzip Turbulenzsensor (Patentanmeldung)


• Akustisches Signal durch Turbulenzbildung an kantigen Oberflächendefekten.
• Auf glatter Oberfläche: laminarer Luftstrom (r) Leise !
• An Kanten (Rissen, Poren): Turbulenzbildung (r) Lautes Rauschen !
• Messgröße: Rauschamplitude des Mikrofonsignals

Oberflächenabtastung

Eindimensionale Abtastung


1. Bespiel: Laserschweißnaht mit 6 künstlichen (erodierten) Poren. Poren-Æ: 100 mm, Tiefe: 50 - 300 mm
2. Beispiel: Laserschweißnaht mit 2 Poren.

Zweidimensionale Abtastung
Beispiel: Erkennung von Tiefziehdefekten
Darstellung als Grauwertbild:

• weiß: kein Rauschen,
• schwarz: intensives Rauschen.

Tiefgezogene Hülse, Durchmesser 16 mm

Abtastung der Hülsen-Mantelfläche Messfeld: 500 x 60 Punkte auf 50 x 6 mm2

Ausschnitt Messfeld

Einflussparameter Düsendurchmesser

Beobachtung:


• Mit zunehmendem Innendurchmesser der Anstrahldüse wird der Detektions-bereich ("Messfleck") größer, auch die Schallamplitude nimmt deutlich zu.

Einflussparameter Luftdruck, Arbeitsabstand

• Luftdruck p zu hoch: Permanentes Rauschen.
• Luftdruck p zu niedrig: Nur große oder keine Defekte erkennbar.
• Arbeitsabstand d zu groß oder zu gering: Permanentes Rauschen.
• Parameter p, d müssen in einem bestimmten Intervall liegen !
• Jeder Sensor wird an einem Norm-Riss vermessen (30 mm breit, 20 mm tief).
• Die Balken markieren die Druckbereiche, in denen der Norm-Riss eindeutig erkannt wird.
• Im rechteckigen Feld ist eine zuverlässige Detektion des Norm-Risses (oder größerer) möglich.

Fertigungstauglicher Sensoraufbau

Sensorkopf


• Glasdüse im Stahl-Schutzmantel.
• Hörrohr zur Fremdschallabschirmung.
• Freiblaseingang verhindert Hörrohrverschluß.
• Mikrofonkapsel mit Vorverstärker.

Fertigungstauglicher Sensorkopf

Abb:

Sensorsystem-Integration

Systemaufbau

Abb:

Kenndaten

Technische Kenndaten


• Typ. Arbeitsdruck: 0,1 - 1,0 bar
• Typ. Arbeitsabstand: 0,2 - 2,0 mm
• Typ. Düsen-Innendurchmesser: 0,05 - 0,4 mm
• Typ. Messfleckdurchmesser: 0,2 - 2,0 mm
• Typ. erkennbare Defektgröße: 10 mm - 1 mm
• Akustischer Frequenzbereich: 10 kHz - 30 kHz
• Max. Messfolgefrequenz: 1 kHz
• Max. Scangeschwindigkeit: ca. 100 mm/s (bei 30 mm min. Defektgröße)

Herstellkosten


• Sensorkopf und Auswerteelektronik (Prototyp):
  ca. 3.000,-

Abgrenzung zu anderen Prüfverfahren

Prüfverfahren	Einschränkungen
Wirbelstromprüfung	Nur geeignet für metallische Objekte, Kleinste detektierbare Defekte: ca. 100 mm, Geringer Abstand der Sonde vom Prüfling führt zu Verschleiß / Beschädigung der Sonde.
Profilometer (berührend)	Hohe Meßzeiten Verschleiß der Tastspitze Nur bedingt zerstörungsfrei
Bildverarbeitung, Streulichtanalyse, Streifenlichtanalyse	Nur bei homogenen optischen Eigenschaften (Helligkeit, Farbe, Glanz, Transparenz, Form) Komplexe, stark applikationsspezifische Auswertealgorithmik
Optische Höhenprofilvermessung (Weißlicht-Interferometrie, abtastende Autofokus- / Triangulationssensorik)	Nur bei homogenen optischen Eigenschaften (Helligkeit, Farbe, Glanz, Transparenz, Form) Hohe Meßzeiten
Hochspannungsprüfung	Nur für nichtleitende Werkstoffe Nur bei durchgängigen Rissen / Löchern
Verfahren zur Dichtheitsprüfung (mit Gasen und Flüssigkeiten, Ultraschalltransmissionsmessung)	Nur bei durchgängigen Rissen / Löchern Nur für spezielle Bauteilgeometrien
Röntgendurchstrahlung	Nur für grobe Defekte (Rißtiefe,-breite groß gegenüber Werkstoffdicke)
Klanganalyse	Nur bei speziellen akustischen Objekteigenschaften Eher geeignet für Volumendefekte, nicht Oberflächendefekte

Erster Fertigungseinsatz

Aufgabe


• Prüfung von 2 Laserschweißnähten auf Poren, Risse, vollst. Schweißung.

Umsetzung


• Einsatz des Turbulenzsensors in einer Prüflinie, unmittelbar nach Schweißung.
• Hubzylinder fährt den Sensorkopf nacheinander auf beide Schweißnähte.
• Prüfzeit: ca. 0,5 s pro Schweißnaht.

Ratiopotential


• Ersatz von 2 Dreischicht-Sichtprüfplätzen.

 

 

Prüflinie mit 6 Prüfstationen, direkt nach dem Laserschweißen. Erste Prüfstation: Turbulenzsensor.

Bisher: Manuelle Sichtprüfung. Turbulenzsensor im Einsatz.

Herausgeber: DGfZP, Programmierung: NDT.net

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