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- 3.2 Gefahrguttanks und Unfallmechanik (1)
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- 5.1 Mikrostruktur Design und Degradation (1)
- 5.2 Metallische Hochtemperaturwerkstoffe (1)
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Die Zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) ist ein wichtiges Werkzeug zur Qualitätssicherung sowie zur Überwachung sicherheitsrelevanter Bauteile. In der industriellen ZfP ist das Interesse an innovativen, kostengünstigen und sicherheitssteigernden ZfP-Methoden sehr groß. Die klassische Streuflussmethode ist die Magnetpulverprüfung, die sehr sensitiv auf Mikrorisse ist. Eine zuverlässige, automatische Prüfung ist hier aber nur bedingt und mit großem Aufwand zu erreichen. Die Lösung liegt im Einsatz von Magnetfeldsensoren, die zudem eine Bewertung der Defektgeometrie aufgrund der gemessenen Rissstreufelder ermöglicht. Insbesondere GMR-Sensoren (giant magneto resistance) eignen sich hierfür aufgrund ihrer kleinen Sensorelemente, welche eine hohe Ortsauflösung ermöglichen, und der sehr guten Feldempfindlichkeit. Jedoch sind kommerzielle GMR-Sensoren nicht an die Bedürfnisse der ZfP angepasst. Daher wurden während dieser Arbeit GMR-Sensoren dahingehend optimiert, dass sie für eine automatisierte Prüfung infrage kommen. Neben dem Design und der Charakterisierung der angepassten Sensoren wurden Messungen zur Detektionswahrscheinlichkeit durchgeführt. Um die Praxistauglichkeit zu untermauern, erfolgte ein quantitativer Vergleich mit alternativen ZfP- Oberflächenmethoden, der Wirbelstrom-, Magnetpulver- und Thermografieprüfung. Zusätzlich konnte der erfolgreiche Einsatz der GMR-Streuflussprüfung in einer industriellen, automatisierten Prüfeinrichtung unter Beweis gestellt werden.
Zunehmend werden hochpräzise Magnetfeldsensoren in der
Materialprüfung verwendet. Aus dem Zoo der Magnetfeldsensoren eignen sich
GMR-Sensoren (Giant Magneto Resistance) aufgrund ihrer hohen Feld-
Empfindlichkeit, ihrem hohen Signal-Rausch-Verhältnis sowie ihrer kleinen
Sensorflächen (verbunden mit einer hohen Ortsauflösung) hierfür im Besonderen.
Mit GMR-Sensoren wurden Risse untersucht und konnten mit einer Tiefe ≤ 50 µm
noch mit einem guten Signal-Rausch-Verhältnis aufgelöst werden. Die an
Prüfkörpern mit künstlich eingebrachten Defekten gemessenen Streufeldsignale
wurden anhand von analytischen Lösungen verifiziert. Anhand der analytischen
Lösungen wurden auch Defektparameter zu den aufgezeichneten Signalen
rekonstruiert.
Hohe Empfindlichkeit und Ortsauflösung sowie eine kurze Prüfzeit
sind Anforderungen an ein leistungsfähiges Prüfsystem basierend auf magnetischen
ZfP-Verfahren für die Oberflächenprüfung. Dieses soll das sichere Auffinden feinster
Risse mit Tiefen von weniger als 50 Mikrometern gewährleisten.
Um eine gute Ortsauflösung zu gewährleisten, müssen in der Regel der Defektgröße
angepasste Sensoren zum Einsatz kommen. Speziell im Fall von
Risslängen kleiner als ein Millimeter sollten die Sonden für die Streuflussprüfung
ebenfalls Wirkbreiten kleiner als ein Millimeter aufweisen. Durch die daraus folgenden
geringen Spurbreiten ergeben sich allerdings lange Prüfzeiten. Der
begrenzten Prüfzeit und präzisionsbedingten mechanischen Grenzen in der Verfahr-
Geschwindigkeit einer Sonde kann mit einem Multikanalansatz begegnet werden.
Eine hohe Anzahl an Kanälen wiederum führt zu einem Platzproblem in der
Prüfsonde, schließlich erfordert die Verstärkung schwacher Signale im eine Reihe
von aktiven Bauelementen.
Der Schlüssel zur Auflösung dieses Konflikts ist der Einsatz moderner Schaltkreise
wie Multiplexer und FPGA. In diesem Beitrag stellen wir am Beispiel eines
48 kanaligen Testaufbaus für die GMR-basierte Streuflussprüfung ein flexibles miniaturisiertes
Elektronikkonzept vor. Dabei gehen wir auf die einzelnen
Komponenten zur Ansteuerung der Sensoren und zur Signalkonditionierung ein.
Wir berichten vom Design, Aufbau und der Charakterisierung des Multikanalmoduls
und seiner Erprobung im realen Prüfeinsatz.
Size adapted GMR arrays for the automated inspection of surface breaking cracks in roller bearings
(2014)
Their small size together with a remarkable field sensitivity are the most prominent features of present-day GMR sensors paving the way for various applications in automated non-destructive testing (NDT). This work presents a prototype for fast and automated magnetic testing of roller bearings. A local magnetization unit excites the magnetic field inside the bearing. As a result of a design study and the following wafer fabrication the probe was equipped with NDT-adapted GMR sensor arrays in which 48 elements measures the field response. The detection of artificial and 40 µm deep defects could be resolved with a SNR better than 20 dB. In addition, we report of first results of a POD (Probability of Detection) analysis using GMR sensors to investigate bearings with EDM (electronic discharge machining) notches having depths down to 10 µm. Finally, we estimate successfully the depth of a 57 µm notch from the measured data.
Eddy Current Technique is a powerful method for detection of surface notches and of buried flaws during inspection of metallic parts. Recent EC array probes have demonstrated a fast and efficient control of large surfaces. Nevertheless, when the size of flaws decreases or the defect is rather deep, traditional winding coil probes turn out to be useless. Magnetoresistive sensors present the advantages of flat frequency response and micron size. These sensors are hence very attractive for the detection of buried defects that require low frequencies because of skin depth effect. An optimization of the probe with magnetoresistive sensors as receivers has been made by simulations using CIVA software and finite elements methods with OPERA. EC probes for buried flaw detection have been designed. Experimental results have been compared with simulations.
We present a prototype for automated magnetic stray field testing of ferromagnetic roller bearings. For this purpose NDE-adapted GMR sensor arrays (giant magneto resistance) are used for the detection of surface breaking cracks. The sensors are miniaturized down to the lower µm-regime to achieve adequate spatial resolution. In doing so, sensor arrays with up to 48 elements are used to inspect the bearing surface within a few seconds only. In contrast to magnetic particle inspection (MPI), where the global magnetization requires a further inspection step and succeeding demagnetization, the presented prototype only locally magnetize the surface area in the vicinity of the GMR Sensors. For the local magnetization, the applied sub-surface magnetic field was simulated and proofed for detecting flaws with a depth of a few 10 µm. By multiplexing the sensor array with an adapted read out electronics we quasi simultaneously detect the normal field component of about 100µm above the surface. The detection of artificial notches with a depth of 40 µm and more could be resolved with a SNR better than 20 dB. The presented testing facility is fast and provides a step towards automated testing of safety relevant steel components.
Micro-cracks in a magnetized ferromagnetic material cause stray fields that can be observed using giant magnetoresistive (GMR) sensors. This work investigates the applicability of GMR sensors to the non-destructive evaluation of micro-cracks via the observation of stray fields. For this purpose, our measurement setup is assessed using a fast new sensitivity analysis based on adjoint states, employing the finite-element method. A model for the GMR sensor is developed and verified. We are able to resolve micro-cracks with an opening of 3 µm and a depth of 30 µm. GMR positioning inaccuracies are analyzed.
Seit einigen Jahren beschäftigt sich eine Gruppe der BAM mit der Entwicklung angepasster GMR-Sensorik (giant magneto resistance, Riesenmagnetwiderstand) für spezielle ZfP-Probleme. Hierbei wurden reichhaltige Erfahrungen auf dem Gebiet der automatisierten Streuflussprüfung mit GMR-Sensoren gesammelt (DACH-Tagung 2012, Graz).
Die an der BAM gewonnenen Erkenntnisse veranlassten Europas zweitgrößten Stahlhersteller, Tata Steel Europe, mit der BAM eine Lösung für ein spezielles Prüfproblem zu finden. Ziel ist es, dünne Bleche im Fertigungsprozess auf kleinste Inhomogenitäten automatisiert zu prüfen.
In einem ersten Schritt wurden durch die Tata Steel Europe 0,2 Millimeter starke Testbleche hergestellt, in die Fehler von 5-60 Mikrometern Tiefe eingebracht wurden. Anschließend wurden von der BAM vergleichende Prüfungen mit Wirbelstrom und GMR-Streufluss durchgeführt. Nur mit letzterer Methode gelang es, einen Teil der verdeckten Testfehler sicher zu detektieren. In einem zweiten Schritt wurden verschiedene Untersuchungen zur Praxistauglichkeit der Sensorik (Prüfgeschwindigkeit; Sensorabstand etc.) durchgeführt. Die Ergebnisse der verschiedenen Untersuchungen und ein möglicher Weg zum praktischen Einsatz der Sensorik werden vorgestellt.
We present a simulation study which pursues the objective to find probe geometries for a MR-based eddy current (EC) probe (MR magneto resistance, e.g., GMR giant magneto resistance, TMR tunnel magneto resistance). MR sensor technology exhibits two significant advantages compared with conventional coil systems. First, MR sensors are relatively frequency-independent within common EC-frequency ranges which enable us to operate them in hidden defects testing problems. Secondly, MR technology is well suited for miniaturization helping us to design small elements in the order of below 100 µm. In this paper simulation and experimental results obtained with the probes for low frequency application, i.e. for hidden defects detection are discussed.
Our simulations are based on two different approaches for a better validation, a commercial finite element method software (Opera, Vectorfields) and the semi-analytical software CIVA. We investigated both coil arrangement in order to excite sufficient high eddy currents inside the test samples and position of MR-elements at the array chip. In doing so the MR sensors were positioned that they are not exposed to excitation fields. In addition, different coil geometries, in particular coil length, e.g. Ι = 20 mm, were analyzed in order to generate a consistent eddy current distribution beneath an array of up to 32 MR-elements. To prove obtained probe principles we built GMR-EC-probes. The first test measurements are in good agreement with the simulations performed by BAM and CEA. On basis of our findings the IMAGIC consortium developed new MR-EC-probes using integrated ASIC technology.