Visualisierung von Randschichtfehlern in Aluminiumguss

Transkript

1 DGZfP-Jahrestagung Vortrag 17 Visualisierung von Randschichtfehlern in Aluminiumguss Gerhard MOOK, Juri SIMONIN, Fritz MICHEL, Mathias LUTHER, Christian BORCHERT, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Kurzfassung. Die Universität Magdeburg entwickelt im Innovativen Regionalen Wachstumskern AL-CAST automatisierbare Verfahren zum objektiven Nachweis von Randschichtfehlern in Al-Guss. Zur elektromagnetischen Prüfung wurde ein zeilenförmiger Bewegtfeldsensor entwickelt, der in der Lage ist, die Leitfähigkeitssignatur auf einer Breite von 60 mm lückenlos bis in eine Tiefe von über 1 mm abzubilden. Kernstück ist ein volldigitales Wirbelstromsystem, das durch die Verwendung von mikroelektronischen Großserienkomponenten sehr preisgünstig ist. Zur Ultraschallprüfung werden Rayleighwellen angeregt und das sich ausbildende Wellenfeld mit Hilfe eines scannenden Laservibrometers aufgezeichnet. Verdeckte Hohlräume stellen eine lokale Steifigkeitsverringerung dar, die zu einer stärkeren Auslenkung der Oberfläche führt. An Testkörpern werden die Prüfparameter optimiert und verschiedene Auswerteverfahren erprobt, deren Ergebnisse vorgestellt werden. 1. Einführung Unter Randschichtfehlern sollen in erster Linie dicht unter der Oberfläche verborgene Fehlstellen verstanden werden, deren Gefährdungspotenzial sich entfaltet, wenn sie bei der mechanischen Bearbeitung angeschnitten werden und als nicht tolerierbare Oberflächenfehler zutage treten. Die Aufgabe der zerstörungsfreien Prüfung besteht im Nachweis und der Bewertung dieser Fehler, so dass ihr Auftauchen an der Oberfläche vermieden werden kann. Dazu sind bekannte Verfahren wie die klassische Ultraschallbzw. Durchstrahlungsprüfung nicht wirtschaftlich einsetzbar. Äußern sich die Fehler in lokalen Leitfähigkeits- oder Steifigkeitsveränderungen, könnten elektromagnetische oder berührungslose Ultraschallverfahren eine Alternative bilden. Tabelle 1 gibt einen Überblick über die Wirkung verschiedener Randschichtfehlerarten auf die lokale Leitfähigkeit bzw. Steifigkeit. Tabelle 1: Wirkung bestimmter Randschichtfehler auf ausgewählte Werkstoff- bzw. Werkstückeigenschaften Randschichtfehlerart lokale Leitfähigkeitsänderung Steifigkeitsänderung Poren Verringerung Verringerung Einschlüsse Verringerung oder Erhöhung Verringerung oder Erhöhung Risse Verringerung Verringerung 1

2 2. Elektromagnetischer Bewegtfeldsensor 2.1 Bildgewinnung Ein wechselstromgespeistes offenes Spulensystem induziert Wirbelströme im leitfähigen Werkstoff. Die Dichte und räumliche Verteilung dieser Wirbelströme hängt von der Spulengeometrie, der Frequenz und einigen Werkstoffeigenschaften wie der elektrischen Leitfähigkeit und magnetischen Permeabilität ab. Darüber hinaus spielt die Werkstückgeometrie eine Rolle. Zur Gewinnung des elektromagnetischen Fingerabdrucks des Prüfbereiches kann ein Einzelsensor Spur für Spur systematisch über die Oberfläche bewegt werden. Der Realund der Imaginärteil des Messsignals werden ortsgetreu aufgezeichnet und hinsichtlich der interessierenden Werkstoffeigenschaften ausgewertet [1]. Da zu diesem Zweck die Signalphase gedreht wird, nennt man die entstehenden Bilder nicht Real- und Imaginärteilbild sondern einfach X- bzw. Y-Bild, je nach dem, ob die entstehende X- oder Y-Komponente dargestellt wird. Die auf diese Weise gewonnenen hochqualitativen Bilder setzen jedoch eine anspruchsvolle Scanmechanik voraus und benötigen viel Scanzeit [2, 3]. Darüber hinaus schränkt die verfügbare Scanmechanik die prüfbare Objektgeometrie auf ebene oder einachsig gekrümmte Oberflächen ein. Kompliziertere Oberflächen müssen nach wie vor manuell ohne Bildgewinnung geprüft werden. Bild 1: Elektromagnetische Bildgewinnung mittels scannenden Wirbelstromsensors 2.2 Sensoren Das Wirbelstromverfahren eignet sich für Oberflächen- und oberflächennahe Fehler. Die Eindringtiefe der Wirbelströme wird durch den Skineffekt begrenzt und hängt von den Werkstoffeigenschaften und der Prüffrequenz ab. Je niedriger die Prüffrequenz, desto tiefer dringen die Wirbelströme ins Material vor. Jedoch sinkt dabei auch die Empfindlichkeit der Messspule. Um diesen Effekt zu kompensieren, werden Spulen mit hoher Windungszahl, Ferritkernen und als präzise ausbalancierte Multidifferenzsysteme verwendet. Alternativ 2

3 dazu gewinnen nichtinduktive Empfänger an Bedeutung, unter denen der GMR-Sensor eine herausragende Stellung einnimmt [4]. Mit Hilfe dieser Sensoren können sogar Gleichfelder gemessen werden. Ihre Vorteile bestehen in der Integrationsfähigkeit (die Sensoren sind im Schaltkreisgehäuse erhältlich) und im geringen Preis. Ihre Nachteile sind bestimmte Nichtlinearitäten, Sättigungseffekte und Hysteresiseigenschaften der Kennlinie, die durch magnetische und elektrische Maßnahmen kompensiert werden müssen. Darüber hinaus sind sie nur begrenzt an komplexe Prüfgeometrien ampassbar. Bislang konnten GMR-Sensoren die Leistungsfähigkeit von induktiven Sensoren für Wirbelstromanwendungen nicht übertreffen. Für die gesuchten Randschichtfehler sollten einfache induktive Sensoren einsetzbar sein, wobei sich nicht axiale Sende-Empfanganordnungen durch eine hohe Prüftiefe auszeichnen [4, 5]. Sie sind unter der Bezeichnung Halbtransmissionssensor, Fernfeldsensoren bzw. Pitch-Catch-Sensoren bekannt geworden. Bild 2 zeigt das Prinzip dieses Sensors. Das elektromagnetische Wechselfeld der Sendespule dringt nach den bekannten Gesetzen in den Werkstoff ein. Die Empfangsspule wertet jedoch nur denjenigen Teil des Gesamtfeldes aus, der - vermittelt über die Wirkung der Wirbelströme - Informationen über den Fehlerbereich trägt. Bild 2: Nicht axiale Sender-Empfängeranordnungen und Verlauf der magnetischen Feldlinien Im Beitrag P4 der vorliegenden Berichte-CD [6] wird dieser Sensor näher beschrieben. 2.3 Elektronische Feldbewegung Anstelle des Abtastens der Oberfläche mit einem einzigen Sensor können mehrere Sensoren zu einem Bewegtfeldsensor kombiniert werden, dessen Elemente durch eine spezielle Elektronik simultan oder multiplex angesteuert werden. Im Rahmen des Wachstumskerns AL-CAST wurden zunächst 32 Sende- und Empfangsspulen zu einem Zeilensensor kombiniert. Das speziell entwickelte Wirbelstromgerät arbeitet volldigital, so dass die wesentlichen Funktionen durch preisgünstige Rechentechnik realisiert werden. Bild 3 zeigt links den Zeilensensor schematisch. Rechts im Bild ist das Prüfergebnis an einem Aluminiumblech mit verdeckten Flachbodenbohrungen zu erkennen. Die Geschwindigkeit der elektronischen Feldbewegung liegt derzeit zwischen 0,4 und 3 m/s. Zur Bildgewinnung wird der Zeilensensor mit Geschwindigkeiten zwischen 6 und 48 mm/s mechanisch verschoben. Für den Handbetrieb kann eine mechanische Wegerfassung ergänzt werden. 3

4 Bild 3. Visualisierung von verdeckten Flachbodenbohrungen in einem Aluminiumblech. Links: linearer Bewegtfeldsensor, rechts: Ergebnisbild Dieses Prinzip kann auf ein Sensorfeld erweitert werden [7], mit dem beliebig gekrümmte Oberflächen prüfbar sind, da eine mechanische Sensorbewegung entfällt. Die Bilder können zwecks Dokumentation und späterer Analyse gespeichert werden. Bild 4 zeigt als praktisches Beispiel ein Aluminiumgussteil, auf dessen Oberfläche visuell keine Anomalien erkennbar sind (Bild 4a). Der Bewegtfeldsensor macht jedoch charakteristisch geformte Strukturen sichtbar (Bild 4b), die erst nach dem Abarbeiten von 1 mm Randschicht auch optisch wahrnehmbar sind Bild 4c). Bild 4. Visualisierung verdeckter Anomalien in Aluminiumguss, a) Foto des Prüfbereiches, b) elektromagnetische Signatur des Prüfbereiches, c) Foto nach dem Abarbeiten von 1 mm Randschicht 3. Akustische Oberflächenwellen Akustische Oberflächenwellen sind eine Spielart von Grenzflächenwellen, die sich an der Oberfläche von Festkörpern ausbreiten. Zwei Wellentypen sind für die Randschichtprüfung interessant. Auf massiven Objekten lassen sich Rayleighwellen anregen, die mit zunehmender Tiefe sehr schnell abklingen. Die Eindringtiefe wird mit etwa einer Wellenlänge angegeben. Die Teilchenbewegung ist vornehmlich senkrecht zur Oberfläche orientiert. Mit abnehmender Dicke können sich Rayleighwellen in Lambwellen [8] verwandeln, wenn das Bauteil parallele Oberflächen aufweist. Beide Oberflächen bewegen sich synchron entweder im symmetrischen oder asymmetrischen Mode. Da plattenartige Objekte die Wellen führen, spricht man von Platten- oder geführten Wellen. Beide Wellenmoden sind dispersiv, d.h. ihre Phasengeschwindigkeit hängt von dem Produkt aus Frequenz und Plattendicke ab [9]. 4

5 3.1 Anregung und Visualisierung von Oberflächenwellen Unter den verschiedensten Möglichkeiten der berührenden und berührungslosen Ultraschallanregung ist die Anregung mit applizierten piezoelektrischen Wandlern eine der robustesten und für das Studium der Wechselwirkung der Wellen mit Randschichtfehlern prädestinierte Anregungsart [10-14]. Zur Visualisierung der Oberflächenwellen sind ebenfalls verschieden Methoden bekannt. Die am einfachsten handhabbare Variante besteht in der Verwendung eines scannenden Laservibrometers, das die Normalkomponente der Oberflächengeschwindigkeit misst. Bild 5 zeigt den Versuchsaufbau schematisch. Bild 5: Versuchsaufbau zur Erzeugung und Visualisierung von Oberflächenwellen in Aluminium Die Vibrometersoftware fügt die gemessenen lokalen Bewegungen zu einem Gesamtbild zusammen. Bild 6a) zeigt beispielhaft die Wellenausbreitung in CFK (Erregung durch integrierte Piezoplättchen [15]) und in einem Aluminiumblech. Während die Dämpfung in CFK so groß ist, dass Reflexionen vom Rand das Wellenbild kaum überlagern, sind im Aluminiumblech wegen dieser Reflexionen keine Wellenfronten erkennbar (Bild 6b). Damit ist die Fehlerdetektion als Störung der Wellenfront nicht praktikabel. Einen Ansatz zur Beobachtung der Wellenbewegung zeigt Bild 6c), in dem der Weg der lokalen Extremwerte über einen 360 -Winkel aufzeichnet wird. Bild 6: Lambwellenausbreitung in 1,5-mm-CFK-Platte (a) und in 1,5-mm-Al-Blech: b) Momentaufnahme der Lambwellen, c) Wege der Extremwerte bei 360 -Phasenumlauf 5

6 3.2 Identifikation des Wellenmodes Die einfachste Art der Identifikation des Wellenmodes ist die Bestimmung der Dispersion der Wellen. Dazu wird bei verschiedenen Anregungsfrequenzen die Ausbreitungsgeschwindigkeit bestimmt. In CFK lassen sich bei Anregung durch ein eingebettetes Piezoplättchen zwei Wellenmoden erkennen und auswerten (Bild 7). Ihr Dispersionsdiagramm entspricht qualitativ den in [9] berechneten Verläufen und macht so den symmetrischen (schnellen) und antisymmetrischen (langsamen) Mode identifizierbar. Der antisymmetrische Mode ist zur zerstörungsfreien Prüfung wegen der besseren Wechselwirkungsfähigkeit kürzerer Wellen geeigneter als der symmetrische Mode. Bild 7. Modeidentifikation anhand der Dispersion von Lambwellen in CFK, Anregung mit eingebettetem Piezoplättchen Um Lambwellen in Aluminiumblech zu erzeugen, können Piezoplättchen nur appliziert werden. Diese Anregungsart bevorzugt den antisymmetrischen Mode [16]. Bei der Visualisierung des Wellenfeldes konnte auch nur ein Mode ausgemacht werden. Sein Dispersionsverhalten ist für verschiedene Blechdicken in Bild 8 dargestellt und macht ihn als antisymmetrischen Lambwellenmode erkennbar. Bild 8: Dispersion der Lambwellen-Phasengeschwindigkeit in Aluminiumblechen 6

7 3.3 Nachweis verdeckter Fehler Die Detektionsfähigkeit des antisymmetrischen Lambwellenmodes wurde anhand verdeckter Flachbodenbohrungen überprüft. Aufgrund der lokal reduzierten Steifigkeit sollte die Schwingamplitude der Oberfläche hier erhöht sein. Bild 9 zeigt die Verteilung der Amplitude der Oberflächengeschwindigkeit in einem Frequenzbereich um 700 khz. Bild 9: Verteilung der Normalkomponente der Oberflächengeschwindigkeit eines Al-Bleches mit verdecken Flachbodenbohrungen In massiven Aluminiumteilen können anstelle von Lambwellen Rayleighwellen angeregt werden. Bislang wurden drei Anregungsarten erprobt, die schematisch in Bild 10 zusammengefasst wurden. Mit v max ist die maximale Schallschnelle (Bewegungsgeschwindigkeit der Oberfläche) und mit c die ermittelte Phasengeschwindigkeit bezeichnet. Es zeigt sich, dass die Anregung mit vollflächig appliziertem Piezoplättchen die größten Werte der Schallschnelle produziert (Bild 10a). Weder die Anregung unter 45 an der Kante noch die Verwendung eines Keils, der knapp oberhalb des zweiten kritischen Winkels liegt, reichen an diese Werte heran. Die ermittelte Phasengeschwindigkeit deutet in allen Fällen auf Rayleighwellen hin, wenngleich hier Überlagerungen mit Volumenwellen nicht auszuschließen sind. Bild 10: Abschätzung der Effizienz verschiedener Anregungsarten von Oberflächenwellen in Aluminium 7

8 Zu einer ersten Abschätzung des Fehlernachweisvermögens wurde ein Aluminiumblock mit verdeckten Flachbodenbohrungen angefertigt. Wie bei den Blechen wurde auch hier die Verteilung der Amplitude der Oberflächengeschwindigkeit senkrecht zur Oberfläche aufgezeichnet. Zur Verbesserung des Reflexionsverhaltens wurde eine Retroreflexfolie aufgeklebt. In Bild 11 sind alle Fehler erkennbar. Darüber hinaus kommen Luftblasen unter der Retroreflexfolie wegen der fehlenden Oberflächenbewegung dunkel zur Anzeige. Bild 11: Verteilung der Normalkomponente der Oberflächengeschwindigkeit eines Aluminiumblockes mit verdecken Flachbodenbohrungen Schlussfolgerungen Lokale Leitfähigkeitsveränderungen, wie sie durch verdeckte Fehler hervorgerufen werden, sind mit Hilfe des elektromagnetischen Bewegtfeldsensors visualisierbar. Dazu braucht der Sensor nur in eine Richtung mechanisch geführt zu werden, die Bewegung senkrecht dazu wird elektronisch realisiert. Neben der Fehlerdetektion ist über die Signalphase und die Signalamplitude eine Fehlerquantifizierung möglich. Lokale Steifigkeitsänderungen sind zum Beispiel Folgen verdeckter Hohlräume, die als Poren oder Lunker in Gussteilen auftreten können. Regt man die Oberfläche zu mechanischen Schwingungen an, breiten sich unter bestimmten Umständen Oberflächenwellen aus, die mit Hilfe eines scannenden Laservibrometers sichtbar gemacht werden können. Sowohl Lambwellen in dünnwandigen Strukturen als auch Rayleighwellen in massiven Aluminiumkörpern sind geeignet, um die lokalen Steifigkeitsänderungen sichtbar zu machen. Danksagung Die Autoren danken dem Bundesministerium für Bildung und Forschung für die Förderung des Innovativen Regionalen Wachstumskerns AL-CAST, in dessen Rahmen die vorgestellten Ergebnisse entstanden. Referenzen [1] Thomas, H.-M.; Weigelt, G.: Anwendung von Wirbelstromverfahren zur quantitativen Bestimmung der Tiefenausdehnung von Korrosionsschäden an Aluminiumstrukturen. DECHEMA-Final report, 11L [2] Schmidt, A.; Mook, G.: Bildgebende Wirbelstromoberflächenrissprüfung. Berichtsband des 2. DGZfP- Kolloquiums "Qualitätssicherung durch Werkstoffprüfung, TH Zwickau,

9 [3] Feist, W. D.; Mook, G.; Hinken, J. H.; Simonin, J.; Wrobel, H.: Electromagnetic detection and characterization of tungsten carbide inclusions in non-ferromagnetic alloys. Advanced Engineering Materials 7 (2005) 9, pp [4] Mook, G.; Hesse, O.; Uchanin, V.: Deep Penetrating Eddy Currents and Probes. 9. ECNDT, Berlin, , paper 176 [5] Reimche, W.; Duhm, R.; Zwoch, S.; Bernard, M.; Bach, F.-W.: Development and Qualification of a Process-Oriented Nondestructive Test Method for Weld Joints to Operate With Remote Field Eddy Current Technique. Proc. 9 th ECNDT, Berlin, 2006, paper Fr [6] Mook, G.; Simonin, J.; Michel, F.: Elektromagnetischer Bewegtfeldsensor zur Bildgewinnung, Berichte der DGZfP-Jahrestagung, Fürth, , Beitrag P4 [7] Scholz, A.: Sondenmatte - neuer Weg für die Oberflächenprüfung mit Wirbelstrom. Berichte der DGZfP-Jahrestagung, Trier, Mai S [8] Lamb, H.: On Waves in an Elastic Plate. Proc. of the Roy. Soc. of London, Series A (1917) pp [9] Viktorov, I.A.: Rayleigh and Lamb waves: physical theory and applications. New York. Plenum Press [10] Fromme, P.: Defect detection in plates using guided waves. Diss. ETH Zürich, 2001 [11] Solodov, I.; Pfleiderer, K.; Gerhard, H.; Predak, S.; Busse, G.: New opportunities for NDE with aircoupled ultrasound. In: NDT & E International, Volume 39, Issue 3 (April 2006), S [12] Mook, G.; Pohl, J.; Michel, F.: Non-destructive characterization of smart CFRP structures. Smart Materials and Structures, 12 (2003) S [13] Staszewski, W.J.; Boller; C.; Tomlinson, G.R.: Health Monitoring of Aerospace Structures. John Wiley Sons, Chichester, 2003 [14] Staszewski, W.J.; Lee, B.C.; Mallet, K.; Scarpa, F.: Structural health monitoring using scanning laser vibrometry: I. Lamb wave sensing. Smart Materials and Structures 14 (2004) 2, pp [15] Krüger, M.; Mook, G.: Schadensdetektion adaptiver CFK-Piezokeramik-Verbunde mit Hilfe der Scanning Laser Vibrometrie, DGZfP-Jahrestagung 2005 Rostock, Bericht-CD-ROM, p30 [16] Tua, P.S.; Quekand, S.T.; Wang, Q.: Detection of cracks in plates using piezo-actuated Lamb waves. Smart Materials and Structures, 13 (2004):