DGZfP-JAHRESTAGUNG 2002

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Rationelle Wirbelstromprüfung mit Sonden von großer Wirkbreite: Vielseitigkeit gezeigt anhand der Prüfung von Turbinenschaufeln

Ludwig Bär, Siemens AG, Corporate Technology, Erlangen;
Werner Heinrich & Jörg Friedrich, Siemens AG, Power Generator, Berlin
Kontakt: L. Bär

Die Wirbelstromprüfung liefert im Gegensatz zu anderen Oberflächenprüfverfahren elektrische Defektsignale, die problemlos einer objektiven, automatisierten Auswertung zugeführt werden können. Für großflächige Prüflinge jedoch kann die konventionelle Wirbelstromprüfung in der Regel nur schwer mit alternativen Verfahren, wie z.B. Farbeindring- und Magnetpulverprüfung konkurrieren. Mechanisch erhöhte Wirkbreiten durch rotierende Sonden schieden dann aus, wenn die Topographie des Prüfkörpers gekrümmt ist.

Wir zeigen anhand von Anwendungsbeispielen die Möglichkeit auf, unter Verwendung von flächigen Sonden vorteilhaft große Flächen abzutasten und stark gekrümmte Oberflächen zu erfassen. Dies wurde erreicht durch den Einsatz von speziell entworfenen Sondenkörpern und unter Verwendung von flächigen Folienantennen.

Drei sehr unterschiedliche Prüfprobleme an der Turbinenschaufel werden vorgestellt:

  • Schaufelblatt: Oberfläche mit schwacher, variabler, doppelter Krümmung.
  • Eintritts-/Austrittskanten: Oberfläche mit starker, nicht konstanter Krümmung.
  • Schaufelfuß: konkave Oberfläche mit starker, konstanter Krümmung.

Vorteile und Grenzen der Verfahren werden diskutiert und Erfahrungen aus dem praktischen Einsatz werden gegeben.

Die Anwendbarkeit der Verfahren beschränkt sich keineswegs auf die Turbinenschaufel. Sie lassen sich leicht auf viele Probleme in der Defekterkennung an metallischen Oberflächen übertragen.

Keywords:
Wirbelstromprüfung, Turbinenschaufel, Oberflächen- Rissprüfung

Wirbelstromverfahren gelten eher als Exoten, wenn es um Standardprüfungen an Turbinenschaufeln geht. Optische Sichtprüfungen, wie Farbeindring-Prüfung und Magnetpulver-Verfahren sind in der Regel die Verfahren der Wahl. In den letzten Jahren hat sich verstärkt die Thermographie etabliert, besonders in der Fertigung von vergüteten Schaufeln. Gegenüber diesen flächigen Methoden lastet der Wirbelstromprüfung der Makel an, sie sei ungeeignet für große Flächen und komplexe Topologien. Wir wollen in diesem Artikel zeigen, dass mit geeigneten Wirbelstromsonden gerade die Aufgaben der großflächigen Prüfung und der gekrümmten Oberflächen vorteilhaft bewältigt werden können.

1 Die flächige Wirbelstromantenne

Fig 1: Massenherstellung der Antennenfolien

Als Antenne verwendeten wir eine ebene Spulenanordnung aus einer differentiell gewickelten Signalspule und einer diese umfassenden Erregerspule. Die Windungen sind aus der Kupferbeschichtung einer flexiblen Leiterbahn geätzt. Mit den gängigen mikrolithographischen Methoden ist bei einer Leiterdicke von 35 µm eine Spurbreite von 50µm möglich. Durch diese dichte Packung der Leiterbahnen lassen sich Antennen mit hinreichend hoher Induktivität bei genügender Stromtragfähigkeit realisieren. Das Herstellungsverfahren mittels mikrolithographischer Prozesse birgt eine Reihe von Vorteilen:

  • Die Antennen werden im CAD-Verfahren am Rechner entworfen. Der Layoutvorgang ist dadurch sehr einfach, aber gleichzeitig variabel.
  • Der Entwurf wird automatisch und mit hoher Präzision umgesetzt.
  • Identische Antennen lassen sich in großer Stückzahl kostengünstig herstellen.
Fig 2: Lay-Out der Wirbelstrom-Antenne

Wir haben eine Antennenanordnung mit einem kleinen Abstand der Differenzspulen gewählt. Quer zu dieser Gradiometerachse ist die Antenne in die Breite gezogen.

Dadurch behält die Antenne eine gute Ortsauflösung in Abtast-Richtung und hat gleichzeitig durch die große Schleifbreite eine hohe Wirkbreite.

Als Flachspule hat die Antenne eine großen Abhebeffekt. Das bedeutet einen nennenswerten Signalverlust, wenn die Spule nicht dicht an der Probenoberfläche geführt wird. Gleichzeitig macht sich partielles Abheben (Kippeln) als Phantomsignal störend bemerkbar. Verwendet man das Trägermaterial der Leiterbahnen (in der Regel Polyimid) als Schleifauflage, eventuell noch zusätzlich geschützt durch eine Polyimidfolie als Opferschicht, so lässt sich ein definierter Abstand von wenigen 10µm zur Prüfoberfläche einstellen. Die Flexibilität des Trägermaterials erlaubt dies auch bei anspruchsvoller Topologie. Dies soll in den folgenden Kapiteln veranschaulicht werden.

Um mit der Antennenfolie messen zu können, bedarf es noch eines hinreichend stabilen Gehäuses, das die Folie stabilisiert und beim Abtasten des Prüflings führt. So entsteht aus der Antennenfolie eine einsatzfähige Sonde. Verschiedene technische Umsetzungen wurden von uns realisiert.

2 Starre Sonde für geräumte Nuten.

Es gibt bei der Turbine eine ganze Reihe von Prüfproblemen, bei denen die Krümmung einer Oberfläche über lange Wege hin konstant bleibt. Das sind z.B. geräumte Profile im Schaufelfuß oder die Gegenstücke dazu in der Radscheibe. Hier ist es möglich und vorteilhaft, mit einem starren Probenkörper abzutasten. Wir haben ein Verfahren entwickelt und getestet, das es selbst dem Prüfer vor Ort erlaubt, innerhalb weniger Minuten eine passende Sonde zur jeweilig vorgefundenen Geometrie zu fertigen. Der Prüfer bedient sich eines Vorrats an verdrahteten und mit einem Normstecker versehenen Antennenfolien, heftet diese in den zu prüfenden Nutgrund und baut eine Verschalung und füllt diese mit schnell härtendem 2-Komponenten-Gießharz. Die starre Sonde ist ein robustes und präzises Gegenstück der Nut. Sie lässt sich sicher im Profil führen. Eine schnelles und vollständiges Abtasten der Prüffläche in einem Zug ist möglich.

Fig 3: Anheften der Antennenfolie. Fig 4: fertige Verguss-Sonde.

Wir haben diese Sonden an Testkörpern mit Schaufelfußgeometrie qualifiziert. Die eingebrachten Defekte waren erodierte Schlitze mit den Maßen LxBxT 1x0,1x0,2µm³. Die Signale wurden mit denen einer kommerziell erhältlichen handgewickelten Drahtspulensonde in Fernfeld-Geometrie verglichen. Das Signal in der Phasenebene zeigt die gut ausgeprägt typische Doppelschleife einer Differenzsonde. Der Signalpegel der Foliensonde ist ca. doppelt so groß wie bei der Vergleichssonde. Allerdings ist der Signaluntergrund, hervorgerufen durch die Abtastbewegung deutlich höher, so dass der Signalgewinn im Endeffekt wieder verloren geht.

Fig 5: Vergleich der Signalpegel bei unterschiedlichen Messfrequenzen. Fig 6:

3 Weich hinterfütterte Sonde für das Schaufelblatt.

Für die Prüfung des Schaufelblattes z. B. sind Sonden mit hartem Gehäuse nicht geeignet. Die Krümmungsradien auf den Blattflächen sind zwar sehr groß, doch sie variieren beträchtlich über die Fläche. Abgesehen davon ist die Druckseite konkav und die Saugseite konvex gekrümmt. Eine Flachsonde für dieses Prüfproblem muss sich mit leichtem Druck weich an die Prüfoberfläche anschmiegen. Die Sonde, die wir für diesen Zweck entwickelt haben, ist aus mehreren Schichten aufgebaut. Zunächst ist die Trägerfolie mit den Leiterbahnen auf der Innenseite mit einem elastischen Film versteift. Dann folgt eine elastische Schaumstoffmatte als Verbindung zum starren Gehäuse. Weichheit und Dicke dieser Matte müssen auf die Krümmung und Rauhigkeit der Oberfläche abgestimmt werden.

Fig 7: Weich hinterfütterte Sonde auf dem Schaufelblatt.

Für das Abtasten starker Krümmungen, wie sie z.B. an Ein- und Austrittskante des Schaufelblattes zu finden sind, muss die weiche Hinterfütterung vorgeformt werden.

Die Empfindlichkeit der Sonden ist die selbe wie bei den starr vergossenen Sonden. Allerdings muss der Prüfer in der Führung der Sonde etwas geübt sein, da ungleichmäßiges Führen leicht zu Kippeffekten und Phantomsignalen führt. Die Sonde erlaubt ein schnelles Abprüfen kritischer Stellen am Schaufelblatt. Selbst eine vollständiges Abtasten des Bauteils ist in vertretbarer Zeit zu bewerkstelligen.

4 Steigerung der Empfindlichkeit.

Fig 8: Simulation des Wirbelstromfeldes: Geometrie des Problems.

Reicht die Empfindlichkeit einer drahtgewickelten Wirbelstromsonde nicht aus, dann greift der Sondenbauer zum Ferritkern. Für den Fall unserer lithographischen Flachspulen bedeutete dies, dass wir die Vorteile des einfachen Sondenbaus und die herausragenden Eigenschaften der Formanpassung wieder zunichte machen würden. Allenfalls ein Hinterlegen der Antenne mit ferritischem Material wäre vertretbar. Um den Signalgewinn durch eine solche Maßnahme abzuschätzen, führten wir eine zweidimensionale Simulation mit dem Programmpaket Maxwell von Ansoft durch. Als Simulationsparameter wurden die geometrischen Abmessungen und die Permeabilität des Ferriten variiert. Ein Simulationsschritt berechnete die Verstärkung des Erregerfeldes durch das magnetische Material in der Prüfoberfläche. Im zweiten Schritt wurde die Erhöhung des Wirbelstromfeldes am Ort der Empfängerspule betrachtet.


Fig 9: Simulation des Erregerfeldes: Permeabilität als Parameter.

Fig 10: Simulation des Wirbelstromfeldes: Abstand Spule-Ferrit als Parameter.

Als unkritischer Parameter zeigte sich die Permeabilität der Hinterfütterung. Der Effekt sättigt schon bei Permeabilitätszahlen von kleiner 100. Als kritischer Parameter erwies sich der Abstand des Ferriten zu den Leiterbahnen von Erreger- und Empfängerspule. Für Zwischenräume kleiner als 20µm kann eine Signalverstärkung um das fünffache erwartet werden.

Für die technische Realisierung orientierten wir uns an den Anforderungen für die oben beschriebenen Prüfaufgaben.

So bedurfte es einer Sonde mit einer flexiblen Antenneoberfläche. Anstelle der elastischen Versteifung arbeiteten wir ein ferrit-gefülltes Polymer hinter der Antennefolie ein. Die Permeabilität solcher FCP-Filme (ferritic composit polymer) ist etwa 10 bis 20. Mit diesem Sandwich lässt sich eine weich hinterfütterte Sonde realisieren.

Für die starr vergossenen Sonden füllten wir das Vergussmaterial mit Ferritpulver definierter Korngröße. Wir erreichten dadurch ebenfalls Permeabilitätszahlen von 10 bis 20. Das Vergussverfahren birgt den zusätzlichen Vorteil, dass das ferritische Material unmittelbar auf der Erreger- und Empfängerspule aufliegt, der kritische Abstand also minimiert ist.

Fig 11: Fig 12:

Mit beiden Sondentypen, FCP-Sonde und Verguss-Sonde erreichten wir im Frequenzbereich von 500kHz bis 2MHz einen Verstärkungsfaktor von 4. Das ist in guter Übereinstimmung mit den Abschätzungen der Simulation.

5 Zusammenfassung und Ausblick

Mit dem Einsatz von mikrolithographisch hergestellten, flachen Folienantennen kann die Herstellung von Wirbelstromsonden wesentlich vereinfacht und verbilligt werden.

Wir haben gezeigt, dass diese Sonden das Potential bergen, die Wirbelstromprüfung auch für große Flächen und für komplexe Topologien konkurrenzfähig zu machen gegenüber Prüfverfahren wie Farbeindring- und Magnetpulver-Prüfung.

Beispielhaft an Bauteilen der Turbine haben wir die Vielseitigkeit dieser neuen Sondenart aufgezeigt. Man sollte sich dabei stets vor Augen halten, dass das, was

  • an Schaufelfuß und Radscheibe gezeigt wurde, für alle geräumten Nuten gilt.
  • an der Schaufelblattfläche erfolgreich war, für alle leicht gekrümmten Oberflächen wiederholt werden kann.
  • an den Schaufelblattkanten funktioniert hat, für alle Kanten mit variabler Krümmung geeignet ist.

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net