Zerstörungsfreie Prüfung metallischer Rumpfsegmente Möglichkeiten und Potenziale bildgebender Verfahren

Zerstörungsfreie Prüfung metallischer Rumpfsegmente Möglichkeiten und Potenziale bildgebender Verfahren Ulrike Dreßler DLR Köln, Institut für Werkstoff-Forschung Thomas Ullmann und Raouf Jemmali DLR Stuttgart, Institut für Bauweisen und Konstruktionsforschung Köln-Porz, Werkstoff-Kolloquium, 2. Dezember 2008

Übersicht NDT bei metallischen Flugzeugstrukturen FSW-Nähte Ultraschallprüfung Röntgenprüfung CT-Prüfung Neutronenstreuung NDT-Verfahren im direkten Vergleich Folie 2

NDT bei metallischen Flugzeugstrukturen Fertigung Serien- und Stichprobenprüfung Poren, Lunker Risse Schweißnähte Nietverbindungen überwiegend Ultraschallprüfung Fluggerätewartung Prüfung hoch belasteter Bauteilbereiche Risse Schweißnähte Nietverbindungen Impactschäden überwiegend Wirbelstromprüfung NDT-Verfahren Ultraschall Wirbelstrom Farbeindringverf. Magnetpulververf. Thermographie CT Folie 3

FSW-Nähte Friction Stir Welding (FSW) Werkzeug- Schulter Stift Ende zu verbindende Bleche Schweißnaht Anfang Defekte beim Reibrührschweißen: Lack of penetration (LOP): nicht durchgeschweißte Wurzel Root flaw: Ansammlung von Oxiden Hohlräume Tunnel Folie 4

Ultraschallprüfung HFUS 2400 Puls-Echo-Technik Kopplungsmedium: Wasser Ultraschallprüfkopf: hochfrequent (25 MHz), 25 mm Fokuslänge in Wasser Präzisionsscanner (Schrittweite: 50 µm) A B Folie 5

Ultraschallprüfung Blech # 500 senkrechte Beschallung 1) Tunnel 2) Tunnel 3) 1) C-Scan (Signalstärke) 2) D-Scan (Signaltiefe / Laufzeit des Echos) 3) Schliffbild mit Tunnel (Querschnitt) Tunnel Folie 6

Ultraschallprüfung Blech # 776 schräge Beschallung 1) C-Scan LOP 2) D-Scan LOP 3) Schliffbild mit LOP (Querschnitt) Detektion eines LOP bei schräger Beschallung (Öffnung ca. 15 µm) Folie 7

Ultraschallprüfung 1) D-Scan 2) Schliffbild (Querschnitt) Durchgängiger root flaw (Entstehung durch nicht ausreichendes Zerteilen der Aluminium-Oberflächen(oxid)schicht) Folie 8

Ultraschallprüfung Blech # 458 Überlappnaht FSW-Überlappnaht zwischen 2 Al-Blechen C-Scan D-Scan 1 mm Schliffbild mit Einschlüssen (Querschnitt) Folie 9

Ultraschallprüfung Blech # 447 Überlappnaht FSW-Überlappnaht zwischen 2 Al-Blechen C-Scan D-Scan 1 mm Schliffbild ohne Einschlüsse (Querschnitt) Folie 10

Computertomographieanlage CT-Großanlage v tome x L450 Standort: Institut für Bauweisen- und Konstruktionsforschung, DLR Stuttgart Röntgenröhren: 1.) 240 kv Mikrofokus 2.) 450 kv Minifokus Flächendetektor: Max. erfassbarer Bauteilbereich: Max. Bauteilgröße: Max. Bauteilgewicht: 2048 x 2048 Pixel à 0.2 mm (16 Bit) B = 800 mm (horizontal); H = 1000 mm (vertikal) ca. 1000 x 1800 mm (B x H) 100 kg Folie 11

Röntgenprüfung Blech # 500 250 mm 10 mm Folie 12

Röntgenprüfung Blech # 776 250 mm 10 mm Folie 13

CT-Prüfung Geometrie und Auflösung Grafik: Phoenix x-ray Grafik: Phoenix x-ray Auflösung Voxelgröße Pixelgröße V = Vergrößerung P M = wobei: M = FDD FOD Folie 14

CT-Prüfung Blech # 500 AVI 3D-Darstellung 2D-Darstellung (frontal, axial, sagittal) Folie 15

CT-Prüfung Blech # 500 2D-Schnittbilder in frontaler, axialer und sagittaler Orientierung #1 Folie 16

CT-Prüfung Blech # 500 2D-Schnittbilder in #3 frontaler, axialer und sagittaler Orientierung Folie 18

CT-Prüfung Blech # 500 AVI 3D-Darstellung (Oberfläche) 3D-Darstellung (Tiefenschnitt) Folie 20

CT-Prüfung Blech # 776 AVI 3D-Darstellung (Oberfläche) 3D-Darstellung (Tiefenschnitt) Folie 25

Neutronenstreuung Bragg sches Gesetz: n λ = 2d sinθ Quelle: Javier Santisteban Transmission: θ = 90 λ = 2d Folie 26

ZfP-Verfahren im direkten Vergleich Prüfmethode Erkennbare Details Anwendbarkeit auf größere Bauteile Informationsdichte Anmerkungen Ultraschallprüfung (wassergekoppelt) 10 µm gegeben hoch Tunnelbildung, root flaws, Einschlüsse etc. gut abbildbar Tiefeninformation, jedoch nur 2D- Abbildungen möglich Röntgenprüfung 5 µm gegeben mittel Tunnelbildung im Detail erkennbar AVI root flaws nur bedingt Keine Tiefeninformation abbildbar CT-Prüfung 5 µm bis 100 µm (abhängig v. Bauteilgröße!) gegeben (jedoch auf Kosten der Auflösung) sehr hoch Alle Arten von defekten mit höchster Auflösung darstellbar volle 3D-Information Bauteilgröße limitiert Auflösung Neutronenstreuung ab ca. 50 µm gegeben (jedoch auf Kosten der Auflösung) sehr hoch Messung der räumlichen Spannungsverteilung möglich Bestimmung einzelner Phasen Bestimmung von Texturen Bauteilgröße limitiert Auflösung Folie 27

ZfP-Verfahren im direkten Vergleich Übersicht nach Schlüsselkriterien Ultraschall Computertomographie Röntgendurchstrahlung Neutronenstreuung alle Fehler erfassbar +++ o (nur bedingt) +++ ++ Informationsdichte ++ (nur 2D-Darstellung) + (nur 2D-Darstellung) +++ +++ AVI ortsauflösend & defektselektiv ++ (nur 2D-Darstellung) ++ (bedingt weil nur 2-dimensional) +++ +++ schnell & flächendeckend ++ +++ o (nur bedingt) o (nur bedingt) Eignung für Großbauteile +++ +++ o (nur bedingt) o (nur bedingt) Folie 28

VDI-W Fachbeirat: Anwendungsnahe Zerstörungsfreie Werkstoff- und Bauteilprüfung VDI-Gesellschaft Werkstofftechnik Hamburg (GKSS) Berlin (HZB, BAM) Köln-Porz (DLR) Saarbrücken (FhG) Stuttgart (DLR) Fürth (FhG) Garching (FRM II) Folie 29