The Largest Open Access Portal of Nondestructive Testing (NDT)

Um den hohen Qualitätsansprüchen von Stahlerzeugnissen gerecht zu werden, ist bereits eine hohe Qualität des Ausgangsmaterials erforderlich. Die Homogenität der mechanisch-technologischen Eigenschaften, wie z.B. die Härte bei Grobblechen, stellt ein wichtiges Qualitätsmerkmal dar. Beispielsweise dürfen Pipelinestähle für den Sauergaseinsatz eine Härte von 250 HV10 nicht überschreiten. Für diese Aufgabenstellung wurde das am Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP entwickelte 3MA-X8 Prüfsystem (3MA = Mikromagnetische Multiparameter- Mikrostruktur- und Spannungs-Analyse) zur Detektion von lokalen Härteinhomogenitäten (sogenannte Hardspots) weiterentwickelt und für den Praxiseinsatz optimiert. Dieses System kombiniert drei unabhängige Prüf-verfahren mit unterschiedlicher Eindringtiefe und Sensitivität, um im Hinblick auf Störeinflüsse (z.B. Restmagnetfelder, Zunder) im Material eine stabile und zuverlässige Bewertung zu ermöglichen. Aus diesen Prüfverfahren werden charakteristische Merkmale extrahiert, die mit Hilfe von maschinellen Lernalgorithmen und einer mobilen Härteprüfung als Referenzmethode eine Auflösung von Härteunterschieden von mindestens +/- 30 HV10 bei einem minimalen Durchmesser von 10 mm detektieren. Im Rahmen einer von der Firma ROSEN beauftragten und begleiteten Qualifizierungsstudie wurden praxisrelevante Untersuchungen durchgeführt. Ein wesentlicher Punkt dieser Studie betraf die Untersuchung der im Walzwerk vorhandenen Einflussfaktoren und der damit verbundenen Stabilität des Systems um Hardspots zuverlässig unter Praxisbedingungen zu detektieren.

In verschiedenen Industriebereichen werden die Oberflächen hochbelasteter Materialien und Bauteile speziell behandelt, um ihre Widerstandsfähigkeit hinsichtlich Verschleiß, Korrosion und Belastungen zu erhöhen. Durch Kugelstrahlen, Laser-Behandlung oder andere Methoden werden absichtlich Eigenspannungen induziert. Um diese in oberflächennahen Bereichen zu charakterisieren, können Rayleigh-Wellen genutzt werden. In diesem Beitrag untersuchen wir die Robustheit zweier Inversionsmethoden zur Rekonstruktion der vorliegenden Spannungsprofile aus Rayleigh-Wellen-Dispersionsdaten unter der Annahme verschiedener Materialkonstanten. Die Studie basiert auf synthetischen Daten mit limitierter Bandbreite in Verbindung mit Oberflächenprofilen, die repräsentativ für das Kugelstrahlen sind. Eine Formulierung basiert auf einer Taylor-Entwicklung, während die zweite auf einer stückweise linearen Expansion basiert, die mittels Singular Value Decomposition regularisiert wird. Wir zeigen, dass die Qualität der Taylor-basierten Methode sehr stark von den Material-konstanten abhängt, während die zweite Methode erfolgreich zur Inversion des Spannungsprofils herangezogen werden kann, da die Materialkonstanten nur einen geringen Einfluss auf diese haben. Wir berichten über die Simulation der Wellenausbreitung mittels Störungstheorie zur Berechnung der Rayleigh-Wellen-Dispersionsdaten in Abhängigkiet des Spannungsprofils, stellen die beiden inversen Ansätze vor und präsentieren die Resultate unserer Auswertung. Abschließend diskutieren wir die beiden Ansätze mit Blick auf deren praktische Anwendbarkeit und hinsichtlich geplanter weiterer Arbeiten.

Der aktuelle Stand der Wirbelstromprüfung sieht gewöhnlich einen kontaktbehafteten Messaufbau vor. Dieser ist jedoch nicht immer einsetzbar bzw. optimal. Zum einen können Bauteiloberfläche und der Sensor dadurch Abnutzungen oder/Beschädigungen erfahren, zum anderen besitzt das Bauteil in vielen Fällen eine besondere Geometrie. Problematisch an einer kontaktlosen Messung ist die Tatsache, dass der Abstand des Sensors zur Oberfläche des Prüfobjekts einen bedeutenden Einfluss auf die Prüfaussage hat. So kann durch steigenden Abstand das Signal-Rausch-Verhältnis sinken oder durch Schwanken des Sensors oder der Mechanik (Manipulator, Roboter) kann es zu fehlerhaften Prüfergebnissen kommen. Aktuell ist es bereits möglich, eine kontaktlose, robotergestützte Messung durchzuführen. Jedoch ist die Programmierung dieser Roboter sehr aufwendig und muss für jede Abweichung des Prüflings von der bereits bestehenden Geometrie neu konfiguriert werden. Es gibt auch die Möglichkeit, eine Regelung über optische Verfahren mittels hochauflösenden Kameras zu realisieren, welche jedoch in der Regel sehr teuer sind. Dieser Beitrag berichtet über einen Ansatz den Abstand eines Wirbelstrom-Sensorarrays zur Prüfoberfläche sowohl konstant, als auch verkippungsfrei zu halten. Das wurde unter anderem durch einen Hexapod (sog. Steward Plattform) und Regressionsanalyse realisiert. Der Hexapod ist in der Lage, sich in allen sechs Freiheitsgraden zu bewegen. Mittels Regressionsanalyse werden die von drei weiteren Wirbelstrom-Sensoren gelieferten Daten hinsichtlich ihres Abstandes zu Prüfoberfläche ausgewertet. Dadurch ist es möglich, eine beliebig gekrümmte Oberfläche mit gleichbleibendem Abstand und ohne Verkippen zu prüfen und damit ein stets vergleichbares Prüfergebnis zu erzielen.

Zur einfachen Interpretation von Wirbelstromprüfdaten ist es sinnvoll, sowohl die Amplitude des Signals, als auch dessen Position auf dem Prüfobjekt miteinander in Verbindung zu bringen. Bei großen oder aufwändig geformten Prüfkörpern ist es jedoch oft schwierig deutlich zu machen, an welcher Stelle die entsprechenden Prüfdaten aufgenommen wurden. Zu diesem Zweck wurde im Fraunhofer IZFP eine Methode entwickelt, die Prüfdaten auf einem Modell des Prüfkörpers abzubilden. Neben der Zuweisung der Prüfdaten zum 3D-Modell gehört dazu auch ein Verfahren, welches die geprüfte Fläche des Modells in eine zweidimensionale Form überführt. Ziel ist dabei, die Ortsinformation der Daten auf dem Modell beizubehalten, jedoch eine unkomplizierte Art der Darstellung verwenden zu können. Zur Überführung von der 3D- in die 2D-Darstellung wird das Modell in all seine Teiloberflächen zerlegt und diese Oberflächen aufgefaltet. Im Gegensatz zu vielen gängigen Methoden, die verwendet werden, um Modelle im 2D-Raum abzubilden, bietet dieser Ansatz den Vorteil, dass eine genaue Zuordnung aller Teilsegmente zwischen 3D- und 2D-Modell möglich ist. Des Weiteren bietet sich die Möglichkeit, Prüfdaten mithilfe der beim Auffalten des Modells gewonnenen Informationen möglichst schnell einem Punkt auf dem 2D-Modell zuzuordnen. Dieses Verfahren ermöglicht es beispielsweise, Daten, die in verschiedenen Prüfungen aufgenommen werden, auf dem Modell zusammenzufassen und leicht zu überblicken. In diesem Beitrag stellen wir einige Details dieser Methode vor.

Zerstörungsfreie Prüfverfahren ermöglichen es, die gewünschte bzw. notwendige Qualität, insbesondere von sicherheitskritischen Komponenten, zu gewährleisten und kommen in unterschiedlichen Bereichen des Produktlebenszyklus zum Einsatz: In Hinblick auf die aufstrebende Technologie der pulverbettbasierten additiven Fertigung von Metallbauteilen ist es möglich bzw. sogar notwendig, den Herstellungsprozess zerstörungsfrei zu überwachen, um definierte und reproduzierbare Bauteileigenschaften sicherzustellen. Ein Überwachen des Prozesses kann beispielsweise mittels optischer Verfahren erfolgen. Eigenspannungszustände, die maßgeblich von der Prozessgeschichte sowie der anschließenden thermischen und mechanischen Belastung in der Weiterverarbeitung abhängen, können mittels der Kombination aus Ultraschallmessung und a-priori Daten aus Konstruktion und Fertigung lokal bestimmt werden. Zum Monitoring der Bauteileigenschaften bieten sich je nach Anwendungsfall und Material bzw. Materialkombination beispielsweise Ultraschallverfahren und Thermographie an. In Kombination mit einem Lebensdauermodell, welches den Effekt von Defekten beschreibt, kann somit ein gezieltes Lebensdauermanagement betrieben werden. Eine integrative Betrachtung der bisher in jedem Schritt des Produktlebenszyklus isoliert zur Verfügung stehenden Daten bietet zahlreiche Vorteile. Durch einen umfangreichen Datentransfer zwischen den einzelnen Bereichen können kritische Stellen identifiziert und mit Hinblick auf das Lebensdauermanagement gezielt berücksichtigt werden. Das verwendete Lebensdauermodell sowie die Prüfzyklen und -stellen ließen sich somit an die lokalen Eigenschaften anpassen. Allgemein können erhobene Messdaten, die in dem zugeordneten ZfP-Bereich nicht für eine Prüfaussage genutzt werden, in anderen zerstörungsfreien Prüfungen im Produktlebenszyklus hilfreiche oder sogar essentielle Zusatzinformation darstellen. Zur Erweiterung der Lebensdauervorhersage auf einer datengetriebenen Basis stellt die Informationsweitergabe von Rohdaten entlang des Produktlebenszyklus als ununterbrochene Kette ein zentrales Element der intelligenten ZfP dar. Vor diesem Hintergrund wird ein Konzept für ein intelligentes Lebensdauermanagement am Beispiel von Metall-CFK Hybridstrukturen vorgestellt.

Die Arbeitsweise elektromagnetischer Ultraschallwandler (EMUS-Wandler), die kein Koppelmittel benötigen, beruht im Falle ferromagnetischer Untersuchungsobjekte unter anderem auf Magnetostriktion und Villari-Effekt. Diese Effekte sind auch im hörbaren Schallbereich nutzbar, wobei sich die Wandlertechnik erheblich vereinfachen und gleichzeitig für mikromagnetische Analysen nutzen lässt. Es wurde ein robuster magneto-akustischer Hybridwandler für sowohl dynamische magnetostriktive als auch mikromagnetische Analysen im hörbaren Frequenzbereich entwickelt und in Anwendungen erprobt. Ein für die Reaktorsicherheitsforschung vor dem Hintergrund der Laufzeitverlängerung relevanter Anwendungsfall ist die Bewertung von Materialzuständen durch eine austenitische Plattierung hindurch. Die aufgrund der niedrigen Arbeitsfrequenz erreichte magnetostriktive Anregung des ferromagnetischen Grundmaterials mit energiereichen Sendepulsen ist entscheidend für diese Anwendung. Der Beitrag erläutert das Funktionsprinzip der neuartigen Wandlertechnik und zeigt Anwendungsfelder auf.

In kristallinen Feststoffen tritt bei magnetischen, elektrischen und mechanischen Vorgängen anelastisches Materialverhalten auf. Als solches werden Prozesse bezeichnet, bei denen eine Änderung einer äußeren magnetischen, elektrischen oder mechanischen Kraft zu einer retardierten Einstellung einer magnetischen, elektrischen oder mechanischen Gleichgewichtslage führt. Die zerstörungsfreie Charakterisierung dieser Prozesse stellt höchste Anforderungen an Messgenauigkeit und Auflösungsvermögen eines Verfahrens. Vor diesem Hintergrund wurde untersucht, ob elektromagnetisch angeregte Ultraschall- (EMUS-) Messungen prinzipiell geeignet sind, um anelastisches Materialverhalten im Zugversuch an C45 Stahl zu charakterisieren. Die Messungen wurden in Transmission mit Rayleighwellen der Frequenz 1 MHz durchgeführt. Zunächst wurden Einflussgrößen, die sich zum Teil mit den Anelastizitätsphänomenen überlagern, identifiziert und Möglichkeiten systematisch untersucht, deren Auswirkungen auf die Messungen zu minimieren. Anschließend wurden Zugversuche zur qualitativen Bestimmung des anelastischen Verhaltens durchgeführt. Die erkannten Änderungen der Ultraschall-Laufzeit wurden auf den Snoek-Effekt und den magneto-elastischen (Villari-) Effekt zurückgeführt. Diese Effekte bieten das Potential, künftig als Basis einer neuartigen zerstörungsfreien Messtechnik eingesetzt zu werden.