Wirbelstromprüfung

Die Wirbelstromprüfung (engl. Eddy current method) ist ein elektrisches Verfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung. Es wird zur Prüfung elektrisch leitender Werkstoffe eingesetzt.

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Prinzip

Bei der Prüfung werden durch eine Spule, die ein wechselndes Magnetfeld erzeugt, im zu untersuchenden Material Wirbelströme induziert. Bei der Messung wird mittels eines Sensors, der meist auch die Erregerspule enthält, die Wirbelstromdichte durch das vom Wirbelstrom erzeugte Magnetfeld detektiert. Die gemessenen Parameter sind die Amplitude und die Phasenverschiebung zum Erregersignal. Zu deren Messung benutzt man üblicherweise eine zweite Spule im Sensor. Man spricht dann von einem Fluxgate-Magnetometer, welches im deutschen Sprachraum umgangssprachlich auch als Förster-Sonde bezeichnet wird. Gelegentlich werden auch andere Magnetfeldsensoren, wie GMR-Sensoren oder SQUIDs eingesetzt.

Bei der Wirbelstromprüfung wird der Effekt ausgenutzt, dass die meisten Verunreinigungen und Beschädigungen in einem elektrisch leitfähigen Material auch eine andere elektrische Leitfähigkeit oder eine andere Permeabilität als das eigentliche Material haben.

Da das Messsignal von den drei Parametern Leitfähigkeit, Permeabilität und Abstand zwischen Detektor und Materialoberfläche bestimmt wird, hat die Wirbelstromprüfung drei verschiedene Einsatzgebiete:

Rissprüfung

Bei der Rissprüfung wird der Sensor über oder durch das zu prüfende Objekt bewegt. So lange keine Beschädigung im Material ist, ist auch dessen elektrischer Widerstand homogen, und die Wirbelströme fließen gleichmäßig im Material. Hat das Prüfteil beispielsweise einen Einschluss eines Fremdmaterials, dessen spezifischer Widerstand kleiner als der des restlichen Materials ist, wird die elektrische Stromdichte im Einschluss größer sein als in der Umgebung. Umgekehrt verhält es sich bei einem Einschluss mit größerem spezifischen Widerstand oder einem Haarriss, um den der Strom herumlaufen muss. Auf jeden Fall verändert sich also die Wirbelstromdichte im Vergleich zum unbeschädigten Bauteil. Bei dieser Prüfung werden Sensoren verwendet, deren Spulen so geschaltet sind, dass kleine Änderungen der Materialeigenschaften oder des Abstands des Sensors von der Materialoberfläche weitgehend kompensiert werden.

Schichtdickenmessung

Bei der Schichtdickenmessung werden zwei Fälle unterschieden:

nichtleitende Schicht auf leitendem Material

In diesem Einsatzfall wird der Abstand des Sensors zu leitenden Oberfläche, der durch die Dicke der Beschichtung bestimmt wird, durch die Messung der Amplitude bestimmt.

leitende Schicht auf nichtleitendem Material

Mit steigender Dicke der leitenden Schicht wächst der stromduchflossene Querschnitt und damit auch die Amplitude des Signals, deren Auswertung die Schichtdicke ergibt.

Prüfung der Materialeigenschaften (Gefügeprüfung)

Änderungen in der Leitfähigkeit oder der Permeabilität werden zur Bestimmung von Werkstoffzuständen, Härte, Wärmebehandlung, Detektion von Schweißnähten oder zur Verwechslungsprüfung genutzt.

Durch die Veränderung der Frequenz der Anregungsspannung ändert sich die Eindringtiefe des Wirbelstroms (Skineffekt), womit eine Anpassung an die Prüfbedingungen möglich ist.

Praktische Durchführung einer Sortierprüfung auf Gefüge

Hier soll erläutert werden, wie Teile auf Gefüge bzw. Materialverwechslung geprüft und sortiert werden können.

Stand der Technik ist es heute, die Teile mit mehreren Frequenzen zu prüfen. Der Prüfaufbau sieht häufig so aus, dass zwei Spulenpaare (jeweils aus Sender- und Empfängerwicklung bestehend) mit den Senderwicklungen gleichsinnig und den Empfängerwicklungen gegensinnig verschaltet sind. In dem einen Spulenpaar ist fest ein Gutteil positioniert, als Ausgleich, um die Pegel in einen einfacher zu beherrschenden Bereich herunterzubekommen. Das andere Spulenpaar wird von Hand oder automatisch mit den zu prüfenden Teilen beschickt.

Bevor eine Sortierprüfung beginnen kann, sind zunächst eine Anzahl von bekannten Gutteilen als Referenz im Prüfgerät abzuspeichern. Dabei werden in Versuchen und durch die Erfahrung des Benutzers bereits gewisse Frequenzen ausgewählt, mit denen für den Anwendungsfall die besten Trennungsbedingungen erreicht werden. Die Teile werden mit einer Anzahl von Signalen verschiedener Frequenz beaufschlagt, z. B. sieben Frequenzen von 25 Hz bis 25 kHz. Für jede Frequenz wird die „Antwort“ der Teile gespeichert, woraus das Prüfgerät dann die Toleranzfelder ermittelt, in denen die zu prüfenden Teile liegen müssen. Wird auch nur für eine Frequenz dieser Bereich nicht erreicht, dann ist das Teil als Schlechtteil auszusortieren.

Diese Art der Prüfung auf das Gefüge eines Werkstoffes ist sehr empfindlich auf auch nur geringe Abweichungen, durch die Verwendung mehrerer Frequenzen werden auch unerwartete Fehler gut erkannt, und dennoch ist der Durchsatz sehr hoch. Je nach Art der Überprüfung und Größe und Geometrie der Teile und erforderlicher Genauigkeit der Sortierung sind bis zu ca. zehn Teile pro Sekunde prüfbar und sortierbar.

Die Prüfung von Hand kommt vor allem für Stichproben, Versuche und kleine Teilemengen in Betracht. Für eine 100%-Überprüfung wird in der Regel eine automatisch arbeitende Anlage in die Produktionsstraße integriert, SPS-gesteuert und voll an den Produktionsablauf angepasst. Im Idealfall wird der bisherige Durchsatz durch Erweiterung um so eine Anlage nicht verringert, was eine enorme Qualitätssteigerung ohne Einbußen an Produktivität bedeutet.

Gerade bei automatisierter Prüfung ist zu unterscheiden zwischen dynamischer und statischer Prüfung. Die dynamische Prüfung erlaubt höheren Durchsatz, welche man sich durch geringere Genauigkeit erkauft. Dabei werden die Teile in einem kontinuierlichen Fluss (entweder vereinzelt oder aneinander anliegend) durch das Spulenpaar transportiert, während die Position der Teile durch geeignete Sensorik überwacht wird, um die Prüfung im richtigen Zeitpunk zu starten und zu beenden. Bei etlichen zu prüfenden Teiletypen und Materialkombinationen ist dieses Verfahren generell unmöglich, da die Trennung zu ungenau wird. Häufig eingesetzt wird die dynamische Prüfung bei der Überprüfung von Kugeln (für Kugellager), um die richtige Wärmebehandlung oder Oberflächenhärtung zu erkennen. Dabei wird kein Durchlaufspulenpaar verwendet, sondern eine von einer Seite den Prüflingen zugewandte Sonde, in einer ähnlichen Bauart, wie sie sonst eher bei der Rissprüfung üblich ist.

Bei der statischen Prüfung wird der Prüfling in der Spule angehalten und im Ruhezustand geprüft. Obwohl der eigentliche Vorgang der Prüfung nicht länger dauert, so verringert das mechanische handling der Teile den Durchsatz unter Umständen erheblich; das Teil muss angehalten werden, man muss eine gewisse Zeit abwarten, damit das Teil auch wirklich zur Ruhe gekommen ist, und danach muss es wieder abtransportiert und letztlich sortiert werden.