Wesentliche Variablen, die die Wirksamkeit der Wirbelstromprüfung beeinflussen

Was die Wirbelstromprüfung finden kann – und was nicht

In einem verwandten Artikel haben wir bereits einige interessante Fakten zum Wirbelstromprüfverfahren beleuchtet. Diesmal werfen wir einen genaueren Blick auf die Variablen, die die Wirbelstromprüfung (ECT) beeinflussen, was sie detektieren kann und wo ihre Grenzen liegen.

Nicht alle Fehler werden gleichermaßen erkannt

Die Art der Fehler in einem Material bestimmt die Effektivität der Wirbelstromprüfung. So werden Diskontinuitäten und Fehler, die parallel zum Fluss der Wirbelströme verlaufen – wie Radial- oder Punkttrisse – von den meisten ECT-Geräten nicht erfasst, da diese am besten für Längsfehler an einem Bauteil geeignet sind. Die Erkennung eines einzelnen Punkttrisses mit einer Radialspule erfordert eine spezielle Konfiguration mit mehreren rotierenden Sonden um den Umfang des Teils. Hinzu kommt, dass die Morphologie eines Risses sowohl ein Oberflächen- als auch ein innerer Fehler ist; das ECT-Verfahren muss daher mehrere Messwerte filtern.

Interne Fehler, die ausschließlich im Inneren von Metallteilen existieren, sind schwieriger oder sogar unmöglich zu detektieren, insbesondere bei dickeren Materialien, aufgrund des Skin-Effekts – der Tendenz, dass interne Fehler ein exponentiell schwächeres Wirbelstromsignal erzeugen als externe Fehler. Der technische Begriff für die Signalintensität in der Tiefe eines dickeren Teils ist Eindringtiefe. Bei Metal Cutting Corporation beträgt die Eindringtiefe unseres ECT-Systems für Molybdän und Wolfram etwa 0,050 Zoll (1,27 mm).

Wirbelstromprüfverfahren für nicht-radiale Fehler

Bei Metal Cutting liegt unser Fokus auf Ziehlinien und verlängerten Kornstrukturen. Ziehlinien sind häufiger und können in vielen verschiedenen Metallwerkstoffen auftreten. Es handelt sich entweder um Einschlüsse im Metall, die durch die Matrize gezogen wurden, oder um Matrizendefekte, die das Metall beim Ziehen beschädigen. In unserer Welt der refractory Metalle wie Molybdän und Wolfram werden die Werkstoffe durch Pulvermetallurgie hergestellt, gesintert und anschließend gestaucht und gezogen; sie befinden sich also nie im geschmolzenen Zustand, und ihre verlängerten Kornstrukturen sind ineinander verwoben. Dennoch besteht an den Korngrenzen das Potenzial für Lücken in Längsrichtung.

Praktischerweise ist das Wirbelstromprüfverfahren, bei dem ein langes Teil durch eine runde, hohle Spule geführt wird, ideal für die Erkennung dieser Fehlerarten. Schwierigkeiten bereitet ECT hingegen bei Radialrissen, die hochtransient sind – sie erscheinen und verschwinden schnell. Der Querschnitt, an dem der Riss liegt, kann so klein sein, dass der Wirbelstrom ihn nicht erfassen kann. Selbst ein Draht mit einem 90 %igen Radialriss wäre nur mit spezialisierten rotierenden Mehrspulen-Systemen detektierbar.

Tiefenwahrnehmung, aber keine Tiefenmessung

Selbst wenn ein interner Riss erkannt wird, lässt sich seine tatsächliche Tiefe mit dem Wirbelstromprüfverfahren nicht genau messen. Der Oszilloskop des Prüfgeräts zeigt eine grafische Darstellung des Rissmerkmals, analog zu einem Polardiagramm; wie bei einem Polardiagramm kann man in die Darstellung hinein- oder herauszoomen. Die grafische oder numerische Darstellung korreliert jedoch nicht mit den Abmessungen des Risses.

Obwohl die Tiefe eines internen Risses nicht gemessen werden kann, erhalten wir bei Metal Cutting häufig Zeichnungen, die beispielsweise vorschreiben, dass ein Riss nicht mehr als 10 % des Durchmessers betragen darf oder dass der Kunde einen Fehler größer als 0,001 Zoll (0,0254 mm) nicht akzeptiert. Die Herausforderung besteht darin, diese Anforderungen operational umzusetzen – beides ist ohne definierte Parameter schwierig. Der Prozentsatz des Durchmessers bezieht sich in der Regel auf die Tiefe, aber „ein Fehler nicht größer als“ ist oft nicht als Tiefe, Breite oder Länge definiert. Während sich nach Nachfrage fast immer herausstellt, dass die Länge nicht gemeint ist, sind Breite und Tiefe entscheidende Variablen im ECT-Verfahren, und das Auffinden von Fehlern von nur 0,001 Zoll in irgendeiner Dimension ist äußerst anspruchsvoll.

Die gute Nachricht: Die Tiefe eines internen Risses kann mithilfe der Phase des ECT-Signals und anderer Tricks, die wir bei Metal Cutting durch jahrelange Erfahrung mit dem Wirbelstromprüfverfahren erlernt haben, abgeschätzt werden. Unser System verwendet stationäre Sonden – ein Aspekt, den wir bei der Verwendung von Referenzproben zur Ermittlung optimaler Einstellungen für Frequenz, Amplitude, Phase, Empfindlichkeit, Filterung und andere Variablen berücksichtigen, die das „Rezept“ für das ECT-Verfahren ausmachen – und wir verfügen zudem über eine Zwei-Spulen-Konfiguration, die den gleichzeitigen Einsatz von Absolut- und Differentialsonden ermöglicht.

Weitere Faktoren, die das Wirbelstromprüfverfahren beeinflussen

Es gibt eine Reihe weiterer Variablen, die das Wirbelstromprüfverfahren und seine Ergebnisse beeinflussen.

Eigenschaften des Prüfmaterials

Die Eigenschaften des zu prüfenden Materials können den Fluss der Wirbelströme beeinflussen. So kann das ECT-Verfahren bei nicht-reinen Materialien, die Kombinationen von Metallen mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften sind, an Grenzen stoßen. Die Metalle in einer Legierung sind im Allgemeinen nicht perfekt homogen über die gesamte Länge des Materials verteilt, was die Festlegung einer Basislinie für Wirbelströme erschwert. Zudem enthalten selbst reine Elementmetalle Spurenelemente, wie nicht-flüchtige Rückstände (NVRs) von weit unter 1 %, die als Fehler auftauchen. Solche Materialschwankungen erzeugen Rauschen, das uns zwingt, die tatsächliche Empfindlichkeit zu reduzieren, unabhängig von der theoretischen Empfindlichkeit des ECT-Verfahrens.

Oberflächenbeschaffenheit des Materials

Obwohl man Wirbelstromprüfung gerne mit Röntgenstrahlen vergleicht, ist die Realität eine andere: Anders als bei Röntgenstrahlen wirkt die Gesamtheit des geprüften Materials auf die elektrischen Eigenschaften des ECT-Verfahrens ein, und die Oberflächenbeschaffenheit kann die Ergebnisse verfälschen.

Da eine rauere Oberflächenbeschaffenheit Rauschen erzeugt, müssen die Einstellungen der ECT-Ausrüstung angepasst werden, damit Oberflächenrauschen nicht mit Materialfehlern verwechselt wird. Wenn beispielsweise Fehler größer als 0,001 Zoll (0,0254 mm) identifiziert werden sollen, wird dies zu einem Schwellenwertproblem. Ein Fehler, der das Zehnfache der umgebenden Fläche beträgt, fällt deutlich auf. Was aber, wenn ein 0,001 Zoll großer Fehler von einer rauen Oberfläche mit Rillen von 0,0009 Zoll (0,0229 mm) Tiefe umgeben ist? Die Unterscheidung dieser 0,0001 Zoll (0,00254 mm) Variation ist für ECT äußerst schwierig.

Spulenfüllfaktor

Für das bloße Auge scheint der Spulenfüllfaktor ein Verhältnis zwischen dem Außendurchmesser des Materials und dem Innendurchmesser der Spule zu sein. Genauer ist der Füllfaktor jedoch das Verhältnis zwischen der Fläche der Spule und der Fläche des Materials. Die Bestimmung des korrekten Verhältnisses zwischen Spule und Material stellt sicher, dass das Prüfteil während des Scans frei beweglich ist und die Spule die notwendigen Wirbelströme erzeugt.

Position des Materials in der Spule

Idealerweise sitzt das zu prüfende Teil im wahren Zentrum der Spule, aber realistisch gelingt dies selten. Einfache Durchmesserabweichungen des Materials, selbst innerhalb der Toleranz, beeinträchtigen die zentrierte Positionierung. Auch die Vorrichtung – sowohl im ursprünglichen Design als auch nach Verschleiß im Betrieb – kann dazu führen, dass das wahre Zentrum eher theoretisch als praktisch ist.

Vibration

Die Vibration der ECT-Maschine selbst sowie die Vibration der Zuführeinrichtung, die das Teil in die Spule bringt, erzeugen Rauschen, das den Wirbelstromfluss stören oder Falschsignale erzeugen kann, die als Fehler im Prüfmaterial interpretiert werden.

Fazit zur ECT

Keine dieser Variablen macht das Wirbelstromprüfverfahren unmöglich, aber sie bedeuten, dass es nicht für dimensionsmessende Zwecke eingesetzt werden kann. Zwar kann das Verfahren zur Schätzung von Abmessungen verwendet werden, doch offensichtlich liefert dies nicht die Genauigkeit einer echten metallografischen Probe und Untersuchung des Prüflings. Dennoch ist die Wirbelstromprüfung ein wertvolles Werkzeug, das Metal Cutting Corporation effektiv zur Inspektion von Materialien auf Fehler einsetzt und das ein wichtiger Bestandteil unseres QMS-Standards ist – und es uns ermöglicht, hochwertige Präzisionsmetallteile zu liefern, die den engen Kundenspezifikationen entsprechen.