Wirbelstrom-Sensorarrays für den Blick unter die Oberfläche

Transkript

1 Wirbelstrom-Sensorarrays für den Blick unter die Oberfläche Prof. Dr.-Ing. habil. Gerhard Mook, Dr.-Ing. Fritz Michel, Dipl.-Ing. Juri Simonin, Magdeburg 1 Einführung Das Wirbelstromverfahren ist in der Lage, nicht nur die Bauteiloberfläche auf Fehlstellen wie Risse oder offene Poren zu untersuchen, sondern auch einige Millimeter tief in das Material hinein zu schauen. Dazu genügt die einseitige Zugänglichkeit des Bauteils, Koppelmittel werden nicht benötigt. Im Gegensatz zur Röntgentechnik oder Thermografie muss jedoch zur Bildgewinnung ein Sensor systematisch über die Oberfläche bewegt werden, wozu aufwändige mechanische Scanner erforderlich sind. Schritte auf dem Weg zum bildgebenden Wirbelstromsensor bilden Zeilen- und Flächensensoren, die die prinzipielle Machbarkeit der elektronischen Feldbewegung demonstrieren [1-13]. Ihr Nachteil ist jedoch der hohe Systempreis. Dank der in den letzten Jahren rasant gestiegenen Rechenleistung moderner Prozessoren sind heute selbst Notebooks in der Lage, komplexe Operationen wie die Demodulation von Wirbelstromsignalen, deren Aufbereitung und grafische Darstellung in Echtzeit auszuführen. Bild 1: Punktspreizfunktionen gängiger Wirbelstromsensoren Aus dem auch bei größerem Spacing scharf ausgeprägten Maximum resultieren gute Abbildungseigenschaften, die eine Bildnachbearbeitung entbehrlich machen. 2 Sensorelement 2.1 Punktspreizfunktion Für die bildgebende Wirbelstromprüfung sind bei der Sensorauswahl zunächst die Abbildungseigenschaften interessant. Der Vergleich unterschiedlicher Sensoren in Bild 1 zeigt, dass die bekanntesten Sensoren komplizierte Punktspreizfunktionen besitzen, die die Bildinterpretation schwierig gestalten. Basierend auf einer Reihe von Voruntersuchungen [14-19] wurde der Halbtransmissionssensor (auch Fernfeldbzw. Pitch-Catch-Sensor genannt) näher betrachtet. Er besteht aus einer nicht axialen Anordnung von Sendeund Empfangsspule und hat sich zum Beispiel in der Flugzeugprüfung bewährt. Bild 2 zeigt das Prinzip und seine Punktspreizfunktion in Abhängigkeit vom Abstand zwischen den Spulen (Spacing). Die Punktspreizfunktion erinnert an einen Mexikanerhut, dessen Oberteil wenig, die Krempe jedoch stärker vom Spacing abhängt. 2.2 Signale in der komplexen Ebene Das elektromagnetische Wechselfeld der Sendespule dringt nach den bekannten Gesetzen in den Werkstoff ein. Die Empfangsspule wertet jedoch nur einen Teil des Gesamtfeldes aus, der einen der Prüfaufgabe entsprechenden Werkstückbereich durchsetzt hat. Bild 3 macht diesen Gedanken anhand verdeckt liegender Fehler deutlich. Nur derjenige Teil des Gesamtfeldes ist von Interesse, der bis in das fehlergefährdete Gebiet vorgedrungen ist und dank der Verknüpfung mit dem Wirbelstromfeld Informationen über mögliche Fehler trägt. Da nicht nur der Fehlernachweis sondern häufig auch eine Fehlerbewertung gefordert ist, müssen Signalkriterien gefunden werden, die die Quantifizierung dieser Fehler ermöglichen. Mögliche Kriterien sind die Signalamplitude, die Amplitude einer Signalkomponente oder der Signalwinkel in der Messebene. Bild 4 zeigt theoretische und praktische Ergebnisse an verdeckten Fehlern. Bild 2: Punktspreizfunktion des Halbtransmissionssensors in Abhängigkeit vom Spacing (berechnet mit VIC-3D, Sabbagh Ass. Inc.)

2 Bild 3: Nicht axiale Sender-Empfängeranordnung und Verlauf der magnetischen Feldlinien Die Berechnungen zeigen, dass sich der Abhebeeffekt zumindest bei kleinen Abständen beherrschen lässt, indem er, wie in der Wirbelstromtechnik üblich, in die x-achse gedreht wird. Die Signale verschieden überdeckter Fehler unterscheiden sich in Amplitude und Phasenlage und bieten somit gute Voraussetzungen für eine Fehlerbewertung. Bild 5: Gemessene Signale des Halbtransmissionssensors von verdeckten Fehlern Wie hängt die Amplitude des Fehlersignals vom Spacing ab? Um diese Frage zu beantworten, wurden die Berechnungen bei unterschiedlichem Spacing durchgeführt. Bild 6 zeigt die Fehleramplitude im Verhältnis zur Amplitude eines Abhebesignals (Lift-off) von 0,01 mm. Mit steigendem Spacing verringert sich das Signalverhältnis nur langsam. Für verdeckte Fehler von mehr als 2 mm Ligament verschiebt sich das maximale Signalverhältnis zur größeren Spacingwerten. Bild 4: Berechnete Signale des Halbtransmissionssensors von verdeckten Fehlern Die praktischen Untersuchungen in Bild 5 bestätigen diese Aussagen prinzipiell. Erkennbare Unterschiede gibt es lediglich bei zunehmender Sensorabhebung (Änderung der Richtung des Abhebesignals). Bild 6: Relatives Fehlersignal in Abhängigkeit von Spacing und Ligament Bild 7: Elektromagnetische Bildgewinnung mit Einzelsensor

3 3 Bildgewinnung 3.1 Prinzip der Wirbelstrombildgewinnung Bild 7 zeigt, wie ein Einzelsensor zur Bildgewinnung Spur für Spur systematisch über die Oberfläche bewegt wird. Der Real- und der Imaginärteil des Messsignals werden ortsgetreu aufgezeichnet und hinsichtlich der interessierenden Werkstoffeigenschaften ausgewertet [20-22]. Da zu diesem Zweck die Signalphase häufig 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 [23, 24]. 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. 3.2 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 nacheinander angesteuert werden. Über den USB-Port wird der Sensor an ein Notebook angeschlossen, das gemeinsam mit der Ansteuerelektronik und der Software ein volldigitales Wirbelstromprüfgerät bildet. Bild 8 zeigt den Aufbau schematisch. Die Geschwindigkeit der elektronischen Feldbewegung hängt von der Messzeit des Einzelelementes ab. Durch die Verwendung hochempfindlicher Spulen auf Ferritkernbasis konnte eine Messzeit von 625 µs realisiert werden. 3.3 Sensorzeile Ein erster Zeilensensor mit zwei gegeneinander versetzten Spulenzeilen zeigt die Tragfähigkeit des Konzeptes [25]. Mit 32 Spulen entstehen 31 Halbtransmissionssensoren, die in 20 ms vollständig abgearbeitet werden. Der Spulendurchmesser beträgt 2,5 mm, die Ortsauflösung ca. 1,5 mm. Bei einem Vorschub der Zeile von 1 mm pro Durchlauf ergibt sich eine maximale Vorschubgeschwindigkeit von 50 mm/s. Für den Handbetrieb kann eine mechanische Wegerfassung ergänzt werden. Die Leistungsfähigkeit des Zeilensensors wurde zunächst an einem Aluminiumblech mit verdeckten Flachbodenbohrungen erprobt. Die Ligamente der Bohrungen bewegen sich zwischen 0,1 und 0,5 mm, die Durchmesser zwischen 1 und 3 mm. Bild 9 zeigt das Abtastprinzip und das Ergebnis in Form des Y-Scans. Alle Bohrungen sind erkennbar. Hinter der Farbcodierung verbirgt sich zunächst nur die Amplitude der Y-Komponente des Wirbelstromsignals. Bild 10 zeigt eine mögliche Anwendung. Für detailliertere Auswertungen wäre es sinnvoll, das Fehlerligament als Farbe zu kodieren, um sofort eine Aussage über die Restwanddicke treffen zu können. Eine Möglichkeit dazu wird von den Autoren in [26] beschrieben. Bild 8: Schematischer Aufbau des elektromagnetischen Bewegtfeldsensors (Zeile und Array) Bild 9: Visualisierung von verdeckten Flachbodenbohrungen in einem Aluminiumblech. Oben: linearer Bewegtfeldsensor, unten: Y-Scan Bild 10: Visualisierung verdeckter Anomalien in Aluminiumguss, a) Foto des Prüfbereiches, b) elektromagnetische Signatur des Prüfbereiches mit erkennbaren Anomalien, c) Foto nach dem Abarbeiten von 1 mm Randschicht

4 3.4 Ebenes Sensorarray Die Bilder 11 und 12 zeigen Ergebnisse eines ebenen Arrays mit einer aktiven Fläche von 38 x 44 mm an einem Testblech. Alle Fehler sind erkennbar und können über die Phasenlage des Signals bezüglich ihres Ligaments ausgewertet werden. Bild 13 verdeutlicht, dass sich die gesamte Elektronik im Bild 13: Das 16x16-Wirbelstromarray am Notebook. Es bildet eine Fläche von 38 x 44 mm ab Array-Gehäuse (60 x 60 x 85 mm) befindet, so dass die Verbindung zum Notebook auf ein einfaches USB-Kabel reduziert werden konnte, über das auch die Stromversorgung erfolgt. Das Array setzt sich aus 16 x 16 Spulen zusammen, die einzeln angesteuert werden. Jede Spule kann sowohl senden als auch empfangen (Halbtransmissionsmode) und auch beides gleichzeitig (parametrischer Mode). Somit verteilen sich über die aktive Fläche des Arrays 256 parametrische und 705 Halbtransmissionssensoren, die zusammen 961 Sensoren bilden und die Fläche mit einer Ortsauflösung von ca. 1,5 mm abbilden. Mit 0,625 ms Sensormesszeit wird das komplette Array in 0,64 s abgefragt, so dass sich eine Bildrate von 1,56 Bilder pro Sekunde ergibt. 3.5 Freiformarray Für nicht ebene Oberflächen wurde eine Technik entwickelt, die es erlaubt, in der Negativform des Prüfbereiches 256 Spulen anzuordnen. Es entsteht ein robuster Formkörper, der manuell oder robotisch auf dem Prüfobjekt platziert werden kann (Bild 14). Die Software erlaubt die Aufzeichnung von Bildfolgen, so dass aufeinanderfolgende Prüfbereiche oder Bauteile vollständig dokumentiert werden können. Bild 15 zeigt links das Sensorarray und einen halbkugelförmigen Testkörper mit verdeckten Bohrungen. Rechts sind 4 Wirbelstrombilder unterschiedbild 11: Das ebene Array liefert Wirbelstrombilder verdeckter Flachbodenbohrungen in Aluminiumblech Bild 12: Ebenes Array auf einem Testköper, Gehäuse BxTxH = 60 x 60 x 82 mm Bild 14: Freiformarray auf einem halbkugelförmigen Testköper mit verdeckten Bohrungen

5 licher Testfehler zusammengestellt, die im parametrischen Mode gewonnen wurden. Das Foto im Bild 14 zeigt den kompletten Sensor auf dem Testkörper. Förderung Das diesem Bericht zugrundeliegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 03WKU03B gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren. 4 Schrifttum Bild 15: Wirbelstrom-Freiformarray zur bildgebenden Prüfung nicht ebener Bauteilbereiche. Links: Array und Testkörper, rechts: Wirbelstrombilder verdeckter Testfehler 3.6 Einsatzmöglichkeiten Die Herstellung gekrümmter Sensorzeilen für konvexe Bauteilbereiche ist möglich. Damit ergeben sich Prüfmöglichkeiten, die bisher an der Machbarkeit oder dem Aufwand gescheitert sind. Bild 16 zeigt schematisch mögliche Anwendungen gekrümmter Sensorzeilen. Neben dem Einsatz an rotationssymmetrischen Objekten können beliebige konvexe Oberflächen oder einzelne Abschnitte bildgebend geprüft werden. Bild 16: Mögliche Anwendungen gekrümmter Sensorzeilen Die Ausführung von Freiformarrays ist in verschiedensten Variationen vorstellbar, von denen Bild 17 einige andeutet. Links ist eine Bauteilecke dargestellt, auf die ein entsprechend geformtes Array aufgesetzt werden kann. In der Mitte ist die Idee der Prüfung von Butzen dargestellt, wobei das Array über die Butze gestülpt wird und diese vollflächig prüft. Auch für komplizierte Freiformflächen wie Turbinenschaufeln erscheint die Arraytechnik geeignet. Bild 17: Wo weder mechanisch gescannt noch per Sensorzeile geprüft werden kann, können Freiformarrays zum Zuge kommen. Der Prüfbereich ist gelb gekennzeichnet [1] Scholz, A.: Sondenmatte - neuer Weg für die Oberflächenprüfung mit Wirbelstrom. Proc. DGZfP Annl. Conf. Trier May pp [2] Grimberg, R.; Savin, A.; Leitoiu, S.; Bruma, A.; Steigmann, R.; Udpa, L.; Udpa, S.: Automated Eddy Current Data Analysis. 4 th International Conference on NDT, Hellenic Society for NDT, Chania, Crete-Greece, October 2007 [3] Pelletier, E.; Grenier, M.; Chahbaz, A.; Bourgelas, T.: Array Eddy Current for Fatigue Crack Detection of Aircraft Skin Structures. Proc. V th International Workshop, Advances in Signal Processing for Non Destructive Evaluation of Materials. Québec City (Canada), 2-4 Aug [4] Sollier, T.; Talvard, M.; Aïd, M.: Use of EC Sensor Arrays on Thin Films. Electromagnetic Nondestructive Evaluation (IV), S.S. Upda et al. (Eds.), IOS Press, 2000 [5] Gilles-Pascaud, C.; Lorecki B.; Pierantoni, M.: Eddy current array probe development for nondestructive testing. 16 th World Conference on NDT, Montreal, Canada Aug 30 - Sep 3, 2004 [6] Joubert, P.-Y.; Le Diraison, Y.; Pinassaud, J.; Satie, L.: Eddy Current Imager for the Detection of Buried Flaws in Large Metallic Structures. Proc. 9 th ECNDT, Berlin, 2006, paper Tu [7] Perez, L.; Dolabdjian, C.; Waché, C.W.; Butin, L.: Advance in magnetoresistance magnetometer performances applied in eddy current sensor arrays. 16 th World Conference on NDT, Montreal, Canada, Aug 30 - Sep 3, 2004 [8] Decitre, J.-M.; Premel, D.; Mangenet, G.; Juliac, E.; Feist, W.D.: Flexible EC Array Probe for the Inspection of Complex Parts developed within the European VERDICT Project. Proc. 9 th ECNDT, Berlin, 2006, paper Tu [9] Gilles-Pascaud C.; Lorecki B.; Pierantoni M.: Eddy Current Array Probe Development for Nondestructive Testing. 16 th World Conference on NDT, Montreal, Canada, Aug 30 - Sep 3, 2004 [10] Meilland, P.: Novel Multiplexed Eddy-Current Array for Surface Crack Detection on Rough Steel Surface. Proc. 9 th ECNDT, Berlin, 2006, paper Tu [11] Sullivan, S.P.; Cecco, V.S.; Obrutsky, L.S.; Lakhan, J.R.; Park, A.H.: Validating Eddy Current Array Probes for Inspecting Steam Generator Tubes. NDTnet 1998 January, Vol.3 No.1 [12] Zilberstein, V.; Goldfine, N.; Washabaugh, A.; Weiss V.; Grundy, D.: The use of fatigue monitoring MWM-arrays in production of NDI-Standards with real fatigue cracks for reliability studies. 16 th World Conference on NDT, Montreal, Canada, Aug 30 - Sep 3, 2004 [13] Lafontaine, G.; Samson, R.: Eddy Current Array Probes for Faster, Better and Cheaper Inspections. NDTnet, October 2000, Vol. 5 No. 10 [14] Mook, G.; Hesse, O.; Uchanin, V.: Deep Penetrating Eddy Currents and Probes. 9. ECNDT, Berlin, , paper 176

6 [15] Yashan, A.; Bisle, W.; Meier, Th.: Inspection of Hidden Defects in Metal-Metal Joints of Aircraft Structures Using Eddy Current Technique with GMR Sensor Array. Proc. 9 th ECNDT, Berlin, 2006, paper Tu [16] Vacher, F.; Gilles-Pascaud, C.; Decitre, J.M.; Fermon, C.; Pannetier, M.; Cattiaux, G.: Non Destructive Testing with GMR Magnetic Sensor Arrays. Proc. 9 th ECNDT, Berlin, 2006, paper Tu [17] Reimche, W. et al.: 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 [18] Mook, G.; Michel, F.; Simonin, J.; Krüger, M.; Luther, M.: Visualization of Hidden Anomalies. 2 nd Dresden Airport Seminar: Reliability, Testing, Monitoring of Aerospace Components. Airport Dresden, 15. November 2006 [19] Mook, G.; Michel, F.; Simonin, J.; Krüger, M.; Luther, M.: Subsurface Imaging using Moving Electromagnetic Fields and Surface Acoustic Waves, 4 th International Conference in Non-Destructive Testing, Stuttgart, Germany, April 2-4, 2007 [20] Thomas, H.-M.; Weigelt, G.: Anwendung von Wirbelstromverfahren zur quantitativen Bestimmung der Tiefenausdehnung von Korrosionsschäden an Aluminiumstrukturen. DECHEMA-Final report, 11L [21] Mook, G.: Bildgebende Wirbelstromprüfung. 27. Proc. of Krajowa Konferencja Badan Nieniszczacych, Miedzyzdroje, October 1998, pp [22] Gramz, M.; Stepinski,T.: Eddy Current Imaging array sensors and flaw reconstruction, Research in Nondestructive Evaluation, 5, (1994), pp [23] Feist, W. D.; Mook, G.; Hinken, J. H.; Simonin, J.; Wrobel, H.: Electromagnetic detection and characterization of tungsten carbide inclusions in nonferromagnetic alloys, Advanced Engineering Materials 7 (2005) 9, pp [24] Mook, G.; Pohl, J.; Michel, F.: Non-destructive characterization of smart CFRP structures. Smart Mater. Struct. 12 (2003) pp [25] Mook, G.; Michel, F.; Simonin, J.; Krüger, M.; Luther, M.: Subsurface Imaging using Moving Electromagnetic Fields and Surface Acoustic Waves. In: Busse, G.; v. Hemelrijck, D.; Solodov, I.; Anastasopoulus, A.: Emerging Technologies in Non- Destructive Testing, Taylor & Francis, London, Leiden, New York, Philadelphia, Singapore, 2008, S [26] Mook, G.; Simonin, J.; Michel, F.: Elektromagnetischer Bewegtfeldsensor zur Bildgewinnung, ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung, DGZfP- Jahrestagung, , Fürth, Berichte CD, P4