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Evaluation of high spatial resolution imaging of magnetic stray fields for early damage detection
(2016)
Metal magnetic memory (MMM) technique with associated ISO 24497-1:3 is gaining considerable interest in the magnetic NDT community. In contrast to traditional Magnetic Flux Leakage (MFL) testing, the inspection objects are not intentionally magnetized by an external magnetic field. Due to the physical coupling between mechanical stress and magnetization of ferromagnetic materials, it is assumed that the distribution of the residual MFL correspond to the internal stress of the specimen, or in the most general sense, to a degradation of the material.
Usually, MMM measurements are performed by relatively bulky magnetic inspection sensors. The evaluation of local magnetic field distribution is limited thereby. Highprecision GMR (Giant Magneto Resistance) measurements in the micrometer regime can provide a higher degree of information due to better spatial resolution.
We present a concise summary of studies on the correlation of magnetic structure and microstructure of steels. In particular, we compare residual stress measurements in S235JRC steel welds by means of neutron diffraction with high resolution magnetic field mappings. Results indicate a qualitative correlation between residual stresses and local stray field variation. In addition, stray field measurements of plastically deformed specimens for quasi-static and cyclic loading cases are discussed. The present study concludes that GMR sensors can detect inhomogeneous plastic deformations of S235JR steel in a very early stage, without specific signal processing according to the ISO 24497-1:3.
The measurement of spontaneous magnetic stray fields of ferromagnetic materials is considered as a new method of non-destructive testing, the Metal Magnetic Memory method. Usually fluxgate sensors with spatial resolution in the order of a few millimeters are used as receivers. This contribution discusses the application of GMR (Giant Magneto Resistance) sensors with a spatial resolution in the micrometer range. Studies reveal that GMR sensors can detect clear demarcated plastic deformations in S235JR steel. Furthermore we present high spatial resolution magnetic measurements of deformation induced martensite formation of AISI 304 metastable austenitic steel for different deformation states.
Magneto resistive (MR) sensors are suited for a wide range of different applications. Especially due to their small sizes and their frequency-independent behaviour, they are eligible candidates for non-destructive testing methods where high spatial resolution is required. The use of specialized magnetic field probes enables not only a defect evaluation, but also a localized characterization of ferromagnetic materials.
This paper presents some NDT (non-destructive testing) examples concerning magnetic flux leakage applications (MFL) and eddy current testing (ET). For MFL-testing we used an NDT-adapted GMR (Giant MR) sensor array for the detection of small inclusions in thin steel sheets. We also investigated the effects of microstructure on magnetic properties using GMR sensors. The ET-example describes an MR array probe consisting of 32 MR-elements, an ASIC, subsequent readout components and a one-wire excitation to generate eddy currents inside the material (developed in the EU-funded IMAGIC-project , 2011-2014, 7th Framework Programme). Using this MR-probe we achieved results with a better spatial resolved defect detection of neighbouring boreholes compared to “conventional” ET-probes.
Main concept of magnetism and, therefore, of magnetic imaging can be subdivided into different levels, macroscopic, magnetic domain, and atomic. While conventional sensor solutions cover only the macroscopic level, the spatial resolution of GMR (Giant Magneto Resistance) sensors go down to the domain scale. In addition, those low cost sensors are well suited for automotive and industrial applications, particularly high-speed solutions. Main reason is their outstanding performance in terms of high spatial resolution, high accuracy, high bandwidth combined with field sensitivity, energy efficiency and durability.
In contrast to industrial use, down to the present day GMR sensors do not get beyond scientific scope in case of non-destructive testing (NDT) applications. Nevertheless, there are scientific and industrial NDT applications in which adapted GMR sensor can be promising compared to the conventional NDT methods.
This contribution summarizes findings at the BAM over the last decade which demonstrates the preeminent properties of GMR-based testing solutions. This comprises the active and passive testing of different materials with hidden defects and flaws near geometric boundaries like edges where conventional methods meet their limits. Another promising application for adapted GMR sensors is the characterization of magnetic materials, where the sensors provide additional information on microstructure, mechanical stress state, phase transformations and their interaction with magnetic fields. The examples show the need and benefit of NDT adapted GMR sensors.
This talk presents a new application for high-spatial resolution eddy current testing (ET) with magneto resistive (MR) sensor arrays. With rising popularity and availability of additive manufacturing (AM), companies mainly in the aerospace sector, set high requirements on quality control of AM parts, especially produced with selective laser melting (SLM). Since it was shown that those parts are prawn to flaws like pores or cracks, every part needs to be tested. Therefore, NDT Methods, like ET, could help to characterize SLM parts. Research on ET has shown, that offline ET with high spatial resolution MR sensor arrays is possible and that flaws as small as 50 µm could be detected while significantly reducing testing time. In this talk a first approach on automated online ET method for testing SLM parts is proposed. An approach with hundreds of MR sensor is made to maintain spatial resolution and short testing times. Classic signal conditioning methods are used to reduce cost and complexity while maintaining high testing bandwidths. The proposed idea enables further research on automated generation of testing reports, process control or automated flaw curing.
In den letzten Jahren wurden enorme Fortschritte bei der additiven Fertigung erzielt. So sind heutzutage industrielle Kleinserienfertigungen mit den 3D-Druckverfahren wirtschaftlich und konkurrenzfähig. Allerdings ist der Einsatz in Bezug auf sicherheitsrelevante Komponenten noch nicht vollumfänglich möglich. Grund hierfür sind die Materialeigenschaften 3D-gedruckter Komponenten, welche sich von den Eigenschaften konventionell gefertigter Materialien unterscheiden (Variationen im Gefüge, der Härte usw.). Ein Ansatz zur Lösung dieses Problems ist der Einsatz geeigneter online-Prüfverfahren zur Qualitätssicherung. Diese befinden sich –abgesehen von kamerabasierten Verfahren– aber noch im Entwicklungsstadium. Bei metallischen Werkstoffen stellt die Wirbelstromprüfung ein geeignetes Verfahren zur lagenweisen Online-Überprüfung des Fertigungsprozesses dar.
Der Beitrag gibt einen Überblick über die derzeitige Patentlage sowie den Stand der Forschung zum Einsatz der Wirbelstromprüfung beim 3D-Druck metallischer Komponenten. Am Beispiel des pulverbasierten SLM-Verfahrens (selective laser melting; selektives Laserschmelzen) werden zudem Arbeiten der BAM und erste Ergebnisse einer angepassten Wirbelstromtechnik unter Verwendung von GMR-Sensoren (giant magneto resistance) vorgestellt. Hier wird das Ziel verfolgt, hochauflösend kleinste Fehler und Poren (im Bereich ≈100 µm) in der Oberfläche zu detektieren und durch lagenweises Abrastern einen 3D-Datensatz für die Qualitätskontrolle zu erstellen. Schließlich soll das System in der Lage sein, aktiv in den Fertigungsprozess einzugreifen, wodurch entweder die Produktion fehlerhafter Bauteile gestoppt wird oder durch geeignete Maßnahmen Fehler ausgeheilt werden.
Additive Fertigung hat in den letzten Jahren aufgrund der hohen Flexibilität stark an Bedeutung gewonnen. Insbesondere in der Luft- und Raumfahrttechnik werden hohe Anforderungen an die Qualitätskontrolle additiv gefertigter Bauteile gestellt. Teile die mit dem selektiven Laserschmelzen (SLM) hergestellt werden, bilden schon währen des Fertigungsprozesses Poren oder Risse aus. Aus diesem Grund ist die zerstörungsfreie Prüfung jedes Bauteils notwendig. Erste Versuche haben gezeigt, dass die ex-situ Wirbelstromprüfung von SLM-Bauteilen mit hochauflösenden MR Sonden möglich ist und dass Fehler im Bereich von einiger µm detektiert werden können. In dem Vortrag wird eine automatisierte in-situ Wirbelstromprüfung von SLM-Bauteilen vorgestellt. Für die Prüfung wird eine Vielzahl hochauflösender MR Sensoren verwendet, um die benötige hohe Ortsauflösung bei gleichzeitig kurzer Prüfzeit zu erreichen. Zusätzlich werden klassische Methoden der Signalverarbeitung verwendet, um die Kosten und die Komplexität des Systems trotz hoher Prüffrequenz zu minimieren. Das vorgestellte System kann in der Zukunft helfen automatisiert Prüfberichte zu generieren, den SLM-Prozess zu kontrollieren oder automatisiert Fehlstellen auszuheilen.
Additive Fertigung hat in den letzten Jahren aufgrund der hohen Flexibilität stark an Bedeutung gewonnen. Insbesondere in der Luft- und Raumfahrttechnik werden hohe Anforderungen an die Qualitätskontrolle additiv gefertigter Bauteile gestellt. Teile die mit dem selektiven Laserschmelzen (SLM) hergestellt werden, bilden schon währen des Fertigungsprozesses Poren oder Risse aus. Aus diesem Grund ist die zerstörungsfreie Prüfung jedes Bauteils notwendig. Erste Versuche haben gezeigt, dass die ex-situ Wirbelstromprüfung von SLM-Bauteilen mit hochauflösenden MR Sonden möglich ist und dass Fehler im Bereich von einiger µm detektiert werden können. In dem Vortrag wird eine automatisierte in-situ Wirbelstromprüfung von SLM-Bauteilen vorgestellt. Für die Prüfung wird eine Vielzahl hochauflösender MR Sensoren verwendet, um die benötige hohe Ortsauflösung bei gleichzeitig kurzer Prüfzeit zu erreichen. Zusätzlich werden klassische Methoden der Signalverarbeitung verwendet, um die Kosten und die Komplexität des Systems trotz hoher Prüffrequenz zu minimieren. Das vorgestellte System kann in der Zukunft helfen automatisiert Prüfberichte zu generieren, den SLM-Prozess zu kontrollieren oder automatisiert Fehlstellen auszuheilen.