Wirbelstromprüfung erklärt: 5 Schlüsselaspekte für zuverlässige Metallinspektion

Wissenswertes und zu berücksichtigende Faktoren

Als Unternehmen, das umfangreich mit Spezialmetallen arbeitet, setzt Metal Cutting Corporation häufig Wirbelstromprüfung (ECT) ein, um Materialien auf Fehler wie Risse oder Lunker zu untersuchen. Dieses Verfahren nutzt elektromagnetische Induktion, um Fehler an der Oberfläche oder im Untergrund leitfähiger Materialien, einschließlich Metallen, zu detektieren und zu charakterisieren. Neben der Fehlererkennung kann das ECT-Verfahren auch zur Dicken- und Leitfähigkeitsmessung eingesetzt werden.

Im Folgenden finden Sie 5 interessante Fakten zur Wirbelstromprüfung.

Wirbelstromprüfung ist ein zerstörungsfreies Prüfverfahren

Die Wirbelstromprüfung ist eine wichtige Methode der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) – eine der Techniken, die in Wissenschaft und Industrie eingesetzt werden, um Inspektionen und Messungen durchzuführen, die sicherstellen, dass:

• Strukturbauteile und Systeme zuverlässig, sicher und kosteneffizient funktionieren
• Die Prüfung selbst die Teile oder Materialien nicht beschädigt und ihre künftige Verwendung und Funktion nicht beeinträchtigt

Es gibt eine Vielzahl von ZfP-Techniken, ständig werden neue entwickelt. Die einfachste Methode ist die Sichtprüfung, die entweder das bloße Betrachten eines Teils auf sichtbare Oberflächenunregelmäßigkeiten oder den Einsatz computergesteuerter optischer Systeme zur Erkennung und Vermessung von Bauteilmerkmalen umfasst.

Einige der in der ZfP eingesetzten Technologien sind bekannt, da sie auch in der Medizin Anwendung finden, wie die Radiografie (RT), die Gammastrahlung oder Röntgenstrahlen nutzt, um Fehler oder innere Strukturen sichtbar zu machen. Ein weiteres Beispiel ist die Ultraschallprüfung (UT), bei der hochfrequente Schallwellen zur Detektion von Unregelmäßigkeiten oder Änderungen der Materialeigenschaften eingesetzt werden.

Die Magnetpulverprüfung (MT) verwendet ein Magnetfeld in einem ferromagnetischen Material und eine Bestäubung mit Eisenpulver, um einen sichtbaren Indikator für Oberflächenfehler zu erzeugen. Die Dichtheitsprüfung (LT) findet Lecks in druckbeaufschlagten Teilen mittels verschiedener Methoden – von elektronischen Hörgeräten über Druckmessgeräte bis hin zu einfachen Seifenblasentests.

Eine weitere Methode ist die Akustische Emissionsprüfung (AE), die Unregelmäßigkeiten durch Detektion von akustischen Energieausbrüchen aufspürt. Häufig begegnet uns die Helium-Leckprüfung, die das zweitleichteste Element nutzt, um einen Leckpfad zu finden, mit oder ohne Einsatz der Durchdringungsprüfung (PT), die sichtbare oder fluoreszierende Farbstoffe verwendet.

Bei der Wirbelstromprüfung – der ZfP-Technik, auf die wir uns bei Metal Cutting konzentrieren – werden elektrische Ströme (Wirbelströme) in einem leitfähigen Material erzeugt, indem es einem aufbauenden und zusammenbrechenden Magnetfeld ausgesetzt wird. Die Stärke dieser Wirbelströme kann gemessen werden; Fehler oder Materialveränderungen verursachen Unterbrechungen im Stromfluss und weisen so auf Probleme im geprüften Material oder Bauteil hin.

Sie ist im täglichen Leben von kritischer Bedeutung

Auch wenn nicht jeder von Wirbelstromprüfung und ZfP gehört hat, berühren diese Methoden unser aller Leben, vielleicht sogar täglich. Denn sie werden in einer breiten Palette von Industrien eingesetzt – nicht zuletzt in solchen, wo Bauteilversagen verheerende Schäden und Verluste verursachen könnte.

Beispielsweise wird ECT zur Inspektion von Rohrleitungen und anderen Strukturen in Anwendungen wie Öl- und Gaspipelines, Kernreaktoren, chemischer Fertigung und kommunalen Wassersystemen eingesetzt. Tragbare ECT-Geräte kommen bei Vor-Ort-Inspektionen im Feld zum Einsatz, etwa bei der Suche nach Rissen in Brücken und Flugzeugkomponenten von Tragflächen bis zum Fahrwerk. Das macht ECT sowie andere ZfP-Methoden für die öffentliche Sicherheit unverzichtbar – sie helfen, katastrophale Ereignisse wie Pipelinebrüche, Brückeneinstürze und Flugzeugabstürze zu verhindern.

Selbst in der Welt kleiner Bauteile, wie den Metallkomponenten, die wir bei Metal Cutting fertigen, hat die Wirbelstromprüfung Auswirkungen auf die Sicherheit, wenn auch weniger sichtbar, aber dennoch kritisch. So nutzen wir dieses Verfahren zur Prüfung von Glas-Metall-Dichtungen in Bauteilen für Nachtsichtgeräte, die letztlich von Militärpersonal eingesetzt werden, das sie lange nach der Herstellung und fern der Heimat benötigen könnte.

Verschiedene Sonden für verschiedene Betriebsarten

ECT-Geräte umfassen Prüfsonden, die in vielfältigen Formen, Größen und Konfigurationen erhältlich sind. Diese Sonden weisen auch unterschiedliche Betriebsarten auf, je nachdem, wie die Prüfspulen verschaltet sind und wie sie mit der Prüfprobe interagieren.

So nutzt eine Absolutmesssonde eine einzelne Spule zur Erzeugung von Wirbelströmen, Detektion von Änderungen im Stromfeld und Lieferung eines Messwerts von einem einzelnen Punkt der Prüfprobe. Eine Differenzsonde verwendet zwei Spulen, um eine Vergleichsbasis für die Fehlererkennung zu schaffen, selbst in Materialien mit Inkonsistenzen; befindet sich eine Spule über einem Fehler und die andere über gutem Material, wird ein Differenzsignal erzeugt. Es gibt auch Reflexions- und Hybrid-Sondenmodi.

Ein Wechselstrom (AC) wird durch die Spule(n) geleitet, um ein aufbauendes und zusammenbrechendes Magnetfeld in und um die Spule(n) zu erzeugen. Wird die Sonde neben ein leitfähiges Material – die Prüfprobe – positioniert, erzeugt dieses wechselnde Magnetfeld die Wirbelströme innerhalb der Probe. Durch die Wechselwirkung des magnetischen Feldes der Spule und der Wirbelströme können wir Änderungen in Frequenz, Amplitude, Empfindlichkeit, Impedanz und anderen Charakteristika beobachten und messen, die auf das Vorhandensein eines Risses, Lunkers oder anderer Fehler in der Prüfprobe hinweisen.

Viele Faktoren beeinflussen die Wirbelstromprüfung

Neben Einstellungen wie Frequenz, Amplitude, Empfindlichkeit usw., die das „Rezept“ für die Wirbelstromprüfung ausmachen, gibt es weitere zu berücksichtigende Faktoren – Dinge, die den Fluss der Wirbelströme beeinflussen können, einschließlich der Eigenschaften des zu prüfenden Materials oder Teils. Einige sind vorteilhaft, andere erfordern Anpassungen der Einstellungen oder den Einsatz anderer Techniken zur Kompensation.

Offensichtlich hat die elektrische Leitfähigkeit des zu prüfenden Materials – also die Leichtigkeit, mit der Elektronen im Material fließen – einen Einfluss auf den Fluss der erzeugten Wirbelströme, ebenso die magnetische Permeabilität. Während die Messung der Permeabilität zur Materialsortierung nützlich sein kann, kann diese Eigenschaft Probleme bereiten. So erschwert das sogenannte „Rauschen“, das durch Permeabilitätsänderungen bei der Prüfung ferromagnetischer Materialien entsteht, den Einsatz von ECT an Kohlenstoffstahlschweißnähten. Allerdings können diese Probleme durch magnetische Sättigung, Mehrfrequenzprüfung oder Differenzspulenanordnungen überwunden werden.

Was Rauschen betrifft: Auch tatsächlicher Raumlärm ist ein physischer, umgebungsbedingter Faktor, der die Wirbelstromprüfung beeinflussen kann. Oft lässt sich dieses Rauschen jedoch herausfiltern, um ein klareres Signal zu erhalten. Wenn ein Prüfteil Kanten oder scharfe Geometrieänderungen aufweist, kann es zu einem „Kanteneffekt“ auf die Wirbelströme kommen; das Positionieren und Ausbalancieren der Sonde in Kanten nähe und das Scannen in diesem Abstand kann diesen Effekt vermeiden. Ebenso kann eine Probe mit komplexer Geometrie Falschsignale erzeugen, die durch Geometrieänderungen und nicht durch Materialfehler verursacht werden.

Eine weitere wichtige Überlegung ist der Spulenfüllfaktor, der festlegt, wie viel Raum ein zu prüfendes Rohr oder ein Stab in der Prüfspule einnehmen soll. Durch die Bestimmung des korrekten Abstands zwischen Spule und Prüfprobe kann sichergestellt werden, dass die Probe während des Scans frei beweglich ist und die Spule nah genug an der Probe ist, um Wirbelströme zu erzeugen und die Prüfung korrekt durchzuführen.

Die Frequenz des Wechselstroms, der durch eine ECT-Spule fließt, beeinflusst die Eindringtiefe des Wirbelstromfeldes in das Prümmaterial; mit zunehmender Tiefe nimmt die Intensität des Wirbelstromflusses ab. Die Tiefe eines Risses kann mit der Wirbelstromprüfung nicht genau gemessen werden, und das Verfahren detektiert auch keine Fehler wie Laminierungen, die parallel zum Wirbelstromfluss verlaufen. Risse, fehlende Schweißverbindungen und andere plattenartige Diskontinuitäten, die senkrecht zum Wirbelstromfluss stehen, werden jedoch erkannt.

Metal Cutting ist erfahren in ECT

Bei Metal Cutting setzen wir das Wirbelstromprüfverfahren häufig ein, um Wolfram- und Molybdänstäbe sowie andere Metallteile auf potenzielle Probleme wie Risse, Gruben und Brüche zu prüfen. Zudem nutzen wir ECT zur Suche nach Oberflächenfehlern an Rundstäben, Flachbändern und Kapillarrohren, die in Glas-Metall-Dichtungen verwendet werden. (Mehr dazu in unserem Blog Probleme mit der Glas-Metall-Dichtung in der Elektronik.)

Ob wir ein Material im Auftrag eines Kunden beschafft haben oder der Kunde das Material zur Bearbeitung beigestellt hat – wir sprechen mit dem Lieferanten oder Kunden, um herauszufinden, welche Einstellungen sie an ihren eigenen ECT-Geräten verwenden. So können wir unser gemeinsames, geteiltes „Rezept“ für erfolgreiches ECT erstellen, die Einstellungen nach Bedarf anpassen, entweder Absolut- oder Differenzmessungen verwenden und aus einer Reihe von Spulengrößen und Werkzeugoptionen wählen. Beim Durchführen von Stäben durch eine ECT-Spule achten wir zudem genau auf den Füllfaktor und verwenden eine Buchse, um den Stab so zu positionieren, dass er zentriert innerhalb, aber nie die Spule berührt.

Zusätzlich suchen wir oft nach einer Referenzprobe als Vergleichsbasis – besonders bei der Prüfung auf interne Fehler, die nicht sichtbar sind. Eine Referenzprobe ermöglicht es uns zu prüfen, ob wir mit unseren etablierten ECT-Einstellungen die gesuchten Fehler wahrscheinlich finden. Mithilfe einer Probe mit bekanntem Fehler können wir unsere Geräteeinstellungen so justieren, dass sie genau diesen spezifischen, verifizierten Fehler detektieren.

Eine gute Referenzprobe zu finden, kann schwierig sein. Schließlich möchte man eine Probe nicht aufschneiden, um einen internen Fehler zu verifizieren, und sie damit für künftige ECT-Nutzung zerstören. Wir können jedoch eine Probe verwenden, von der unser Lieferant oder Kunde basierend auf deren Prüfung und bestätigt durch frühere fehlgeschlagene ECT-Inspektion annimmt, dass sie einen Unterflächenfehler aufweist. Für externe Fehler können wir mit Lieferant oder Kunden zusammenarbeiten, um gezielt einen bestimmten Oberflächenfehler an einem Teil zu erzeugen, und diesen dann als gemeinsame Referenzprobe nutzen.