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- 9.2 Versuchsanlagen und Prüftechnik (1)
Head Check Prüfung mit Wirbelstrom - Grundlagen, Fehlerquellen, Zuverlässigkeit der Prüfaussage
(2010)
Der Schrein der Heiligen Drei Könige im Kölner Dom ist einer der
bedeutendsten Goldschmiedearbeiten des Mittelalters in Europa. Der Schrein übertrifft
heute mit seiner Größe und künstlerischen Qualität alle noch erhaltenen Reliquiare
des Mittelalters. Diese kunstvoll verkleidete Truhe (2,10 Meter lang, 1,10
Meter breit und 1,51 Meter hoch) wiegt 515 Kilogramm, denn sie ist reich verziert
mit Goldblechen, vergoldeten Figuren und Blechen aus Silber und Kupfer, über 300
Gemmen, sowie 1741 Edelsteinen und Perlen.
Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung in Berlin unterstützte das
Rheinische Landesmuseum Bonn und die Kölner Dombauverwaltung bei den Untersuchungen
des Schreins der Heiligen Drei Könige mit dem Wirbelstromprüfverfahren.
Mit Hilfe von Leitfähigkeitsmessungen auf Basis des Wirbelstromverfahrens
konnte die gesamte Metalloberfläche des Dreikönigenschreins untersucht
werden. Durch Vergleich der Messwerte mit den zuvor untersuchten Fragmenten
konnten die unterschiedlichen Legierungen der Beschläge und Figuren des Schreins
identifiziert werden. Die besondere Schwierigkeit hierbei bestand darin, dass es sich
überwiegend um sehr dünne Bleche verschiedener Legierungen handelt, die eine
stark ausgebildete Reliefstruktur haben und die vergoldet wurden. Mit den Ergebnissen
ist der Nachweis gelungen, dass es schon im frühen 19. Jahrhundert eine äußerst
überzeugende kopistische Technik bei der Herstellung von Prägewerkzeugen gab.
Die Ergebnisse der Wirbelstromprüfung waren für die rheinländischen Kunsthistoriker
argumentativ von großer Bedeutung.
Die zerstörungsfreie Oberflächenprüfung an verlegten Eisenbahnschienen mit Wirbelstrom hat in den letzten Jahren durch ständige Weiterentwicklung und Verifizierung enorm an Bedeutung gewonnen. Es wurde u.a. angestrebt zuverlässige Planungsgrößen für den Einsatz von Instandhaltungsmaßnahmen zu erhalten, durch deren gezielten Einsatz Risswachstum unterbunden werden kann. Die Ursache für das Wachstum von Rissen in der Schiene liegt in der Materialermüdung des Werkstoffes infolge der Betriebsbelastungen im Rad-Schiene-Kontakt. Nach einer gewissen Beanspruchungsdauer kommt es an den Kontaktflächen der Fahrkante zu einer Kaltverfestigung des Schienenstahls. Durch fortschreitende Verfestigung des kontaktbeanspruchten Oberflächenbereichs der gehärteten Schicht wird der Werkstoff spröde und es bilden sich feine Risse aus. Die Risse wachsen anfangs unter einem flachen Winkel in das Schieneninnere hinein, neigen dann aber ab einem gewissen Stadium dazu in das Innere des Schienenkopfes abzukippen, was im Extremfall zu einem Schienenbruch führen kann. Diese Rollkontaktermüdungsrisse, auch genannt Head Checks, entstehen bevorzugt in der Fahrkante von bogenäußeren Schienen. Die Anwendung der Wirbelstromprüfung an der Schiene wurde bisher zur Ermittlung der Schädigungstiefe dieser Rollkontaktermüdungsrisse eingesetzt. Das Wirbelstromverfahren besitzt die Eigenschaft, sehr empfindlich auf alle Veränderungen der Materialeigenschaften an der Oberfläche zu reagieren. Daher wurde festgestellt, dass sich neben der Detektion von Rissen auch Fehler wie Eindrückungen oder Schlupfwellen, bis hin zu Materialveränderungen durch Schweißen oder Aufhärtungen in der Schienenoberfläche bestimmen lassen. Die Wirbelstromprüfung besitzt daher das Potenzial, mögliche Orte der Entstehung von Ermüdungsrissen in einem extrem frühzeitigen Stadium nachzuweisen. Ziel ist es, die rissgefährdeten Zonen schon im Zustand der Kaltverfestigung zu identifizieren. Dadurch können sich neue Aspekte für die präventive Schieneninstandhaltung ergeben.
Mechanische Belastung wie z. B. der Rollkontakt zwischen den Rollen und Lagerringen eines Wälzlagers oder der Rad-Schiene-Kontakt bei der Eisenbahn führen bei ferritischen Stählen zu einer Aufhärtung der Oberfläche. Die mit der Aufhärtung verbundene Versprödung begünstigt die Entstehung von Ermüdungsrissen. Zur Risstiefenbestimmung mit dem Wirbelstromprüfverfahren werden in der Regel Kalibrierkörper mit künstlichen Testfehlern aus dem Grundwerkstoff des Prüfteils verwendet. Die betriebsbedingte Aufhärtung der Prüfteiloberfläche bleibt bei der Kalibrierung unberücksichtigt. Die lokale Aufhärtung der Oberfläche führt zu einem ortsabhängigen Offset des Wirbelstromsignals in Richtung der Rissanzeigen und somit zu einer Überbewertung der Risstiefe. Bei einzelnen Rissen lässt sich der Effekt kompensieren, in dem das Wirbelstromgerät neben jedem Riss abgeglichen bzw. die Differenz zwischen dem Offset und der Rissanzeige berechnet wird. In der Realität liegen die Ermüdungsrisse jedoch oft so dicht nebeneinander, dass auf Grund der Überlagerung benachbarter Rissanzeigen weder ein Abgleich zwischen den Rissen noch eine Bestimmung des Offsets möglich ist. Finite-Elemente-Berechnungen ermöglichen es, die in der Realität stets kombiniert auftretenden Wirbelstromsignale der Ermüdungsrisse und der Oberflächenaufhärtung getrennt zu simulieren, um Erkenntnisse für eine Verbesserung der Risstiefenbestimmung zu erlangen.
Die Wirbelstromprüftechnik ist eine hochempfindliche Prüfmethode, mit der kleinste Materialschäden in metallischen Prüfkörpern nachgewiesen werden können. Die Prüfung kann berührungslos und bei sehr hohen Prüfgeschwindigkeiten durchgeführt werden. Dies sind beste Voraussetzungen für den Einsatz in automatischen Produktionsanlagen. Die Wirbelstromprüfung kann vielfach direkt in die Produktionslinie von Halbzeugen integriert werden. Zur Abdeckung der gewünschten Prüffläche werden je nach geforderter Prüfempfindlichkeit Durchlaufsensoren, Anordnungen von mehreren Tastsonden oder rotierende Sensoren eingesetzt. Die Entscheidung über das Vorhandensein einer unzulässigen Inhomogenität wird durch das Überschreiten einer festgelegten Signalschwelle festgestellt, wonach eine Aussortierung ausgelöst werden kann. Dieses einfache Kriterium versagt jedoch, wenn durch das Prüfteil Anzeigen hervorgerufen werden, die nach ihrer Herkunft unterschieden werden müssen. Beispielsweise könnte eine Prüfaufgabe so gestellt sein, daß in einem Prüfteil Poren geduldet werden, während rißartige Inhomogenitäten unzulässig sind. Anhand von Beispielen wird gezeigt, wie durch den Einsatz von speziellen Computeralgorithmen an flächenhaft gewonnenen Wirbelstrombildern eine Unterscheidung der Anzeigentypen durchgeführt werden kann.
Zusammenfassung
Inhomogenitäten in supraleitenden Hohlraumresonatoren eines Linearbeschleunigers führen beim Betrieb zu einem lokalen Zusammenbruch der Supraleitung (Quench) und begrenzen dadurch die maximale Leistung des Beschleunigers. Es wurde ein Prüfsystem zur Qualitätsüberwachung der Niob-Bleche entwickelt, aus denen die Resonatoren gefertigt werden. Die Bleche werden mit dem Wirbelstromverfahren berührungslos abgetastet, wobei ein in der BAM entwickelter Sondenhalter nach dem Luftkissenprinzip verwendet wird. Mit dem Prüfsystem lassen sich Poren und Verun-reinigungen mit einer Ausdehnung ab ca. 80 µm sowohl an der Oberfläche als auch verdeckt nachweisen.
Die Betriebsüberwachung der Radscheiben von Schienenfahrzeugen kann besonders wirt-schaftlich durchgeführt werden, wenn die Prüfung im eingebauten Zustand erfolgen kann. Hierzu kann z. B. eine Oberflächenprüfung nach dem Wirbelstromverfahren eingesetzt werden. Als Optimierungskriterien für die Sondenkonstruktion werden eine sehr hohe Prüfempfindlichkeit gegenüber kleinen Rissfehlern und eine gute Handhabbarkeit bei erschwerter Zugänglichkeit der Prüffläche gefordert. Hierzu wurde eine neuartige Wirbel-stromprüfsonde entwickelt. Die Besonderheit besteht darin, dass der Nachweis von sehr kurzen Rissen bei einer gleichzeitig großen Sensorspurbreite möglich ist. Der Zeitaufwand für die Radscheibenprüfung wird damit gegenüber dem bisherigen Stand der Technik um 2/3 reduziert.