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Non-destructive testing for surface crack detection and head check depth quantification at the gauge corner of railway tracks can be achieved using eddy current methods. With the extension of the tested zone to the running surface, rail defect signal types other than head checks can be measured. Due to their mostly irregular shape, a quantitation based on a calibration against regular test cracks of varying depth may not be linear. Estimates of the expected influence of more complex crack patterns may be obtained by a finite element simulation of sufficiently simple limiting cases, like two displaced or intersecting cracks or a simply branched or flexed crack. As a first step, a 3D finite element model of the HC10 eddy current probe distributed by Prüftechnik Linke und Rühe (PLR), Germany was built and verified against measured results from an (easily fabricated) reference block with isolated long cracks.
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.
Kurzfassung
Es wurde eine Prüftechnologie basierend auf dem Wirbelstromverfahren entwickelt, mit der es möglich ist, oberflächennahe Fehler in Schienen zu detektieren und zu bewerten.
Die bisherigen Untersuchungen haben gezeigt, dass Fahrkantenfehler (Head Checks) mit Risstiefen bis zu 10 mm bewertet werden können. Darüber hinaus werden weitere Inhomogenitäten und Fehler wie z. B. Schleuderstellen, Belgrospi's und Squats detektiert.
Für die Anwendung der Prüftechnologie kommen 4 Anwendungsgebiete in Frage:
Ausrüstung von Schienenprüfzügen,
Manuelle Schienenprüfung,
Ausrüstung von Schienenschleifzügen,
Ausrüstung von stationären Schienenprüfständen.
Die Prüftechnik befindet sich zur Zeit in der Erprobungsphase. Der Schienenprüfzug der Deutschen Bahn AG wird in Kürze mit einem achtkanaligen Prüfsystem ausgerüstet.
Ebenfalls im Erprobungseinsatz befindet sich ein Handprüfsystem zur manuellen Schienenprüfung.
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.
Infolge der Betriebsbeanspruchung unterliegen Eisenbahnschienen an
ihrer Fahrkante sog. Rollkontakt-Ermüdung. Diese entsteht bevorzugt in Bögen
durch eine Kaltverformung des Schienenstahls und zeigt sich anfänglich in einer erhöhten
Verfestigung des kontaktbeanspruchten Oberflächenbereichs. Im weiteren
Verlauf entstehen zahlreiche, flach in das Schieneninnere verlaufende Risse sog.
Head Checks. Diese Risse neigen ab einem gewissen Stadium dazu, in das Innere
der Schiene abzukippen, was im Endstadium zu einem Schienenbruch führen kann.
Seit einigen Jahren wird in Deutschland bei der DB AG das Wirbelstromverfahren
erfolgreich zur zerstörungsfreien Prüfung der Schädigungstiefe von Head Checks
eingesetzt. Hiermit wurde u. A. angestrebt, zuverlässige Planungsgrößen für den
Einsatz von Instandhaltungsmaßnahmen zu erhalten, durch deren gezielten Einsatz
ein weiteres Risswachstum wirkungsvoll unterbunden werden kann. Bereits bei einem
der ersten systematischen Einsätze der Wirbelstromprüfung an einer Bogenstrecke
mit hohem Betriebsaufkommen wurde auffällig, dass die Ermüdungsrisse
nicht gleichmäßig entlang des Bogens verteilt auftraten, sondern sich auf kurze Distanzen
Anhäufungen von Rissbefall mit intakten, unbefallenen Abschnitten abwechselten.
Solch wellenförmiges Auftreten von Head Checks wurde auch in den nachfolgenden
Prüfergebnissen der Wirbelstromprüfung vielerorts beobachtet. Aus der
Literatur war bekannt, dass sich die Ermüdungsrisse bevorzugt in verfestigten Materialzonen
bilden. Mit Hilfe von Härtemessungen konnte an verlegten und befahrenen
Schienen gezeigt werden, dass die unbefallenen Zonen etwa die Grundhärte des
Schienenwerkstoffes aufwiesen, während die mit Ermüdungsrissen befallenen Zonen
um ca. 10 25% erhöhte Härtewerte aufwiesen. Die Wirbelstromprüfung reagiert
sehr empfindlich auf Veränderungen der Materialeigenschaften. Somit lassen
sich Verfestigungen der o. g. Art leicht auch ohne jedes Vorhandensein von Ermüdungsrissen
bereits nachweisen. Im Zuge einer längerfristigen Beobachtung einer
neu gebauten Strecke konnte herausgefunden werden, dass sich nach einer gewissen
Betriebszeit wellenförmig verteilte Zonen mit Prüfsignalen, die auf Verfestigungen
schließen lassen auftraten. Im weiteren zeitlichen Ablauf bildeten sich Ermüdungsrisse
tatsächlich in den vorher bestimmten Stellen mit Verfestigung, während die
Zonen ohne diese Prüfsignale weitgehend rissfrei blieben. Diese Ergebnisse zeigen,
dass die Wirbelstromprüfung das Potential besitzt, mögliche Orte der Entstehung
von Ermüdungsrissen in einem extrem frühzeitigen Stadium nachzuweisen.
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.
Mit der Wirbelstromprüfung ist die Bestimmung der Tiefe offener Risse in Metallen prinzipiell möglich und wird auch in unterschiedlichen Anwendungen durchgeführt. Hierbei haben die jeweiligen praktischen Prüfbedingungen jedoch erheblichen Einfluss auf die Qualität der Prüfaussage. Es werden einige grundlegende Effekte erläutert, die bei der Risstiefenbestimmung mit Wirbelstrom zu beachten sind. Ein spezieller Labormessplatz wird unter dem Aspekt möglicher Fehlbewertungen vorgestellt und Schlussfolgerungen für die praktische Anwendung werden gezogen. Anhand praktischer Beispiele aus der Schienenprüfung mit Wirbelstrom werden die Auswirkungen verschiedener Fehlereffekte bei der Risstiefenbestimmung gezeigt.
The recognition of surface damage on rails is of critical importance in order to guarantee a high level of safety for normal train operation. Without early recognition systems, defect damage (e.g. cracks) in the rail, will increase in size and can eventually lead to fracture of the rail. Special grinding trains are in general use for rail maintenance and are employed to machine down worn rails and prevent surface damage in an early stadium. The company SPENO INTERNATIONAL SA along with the BAM, DB AG and other partners have integrated an eddy current instrument into a grinding train. The equipment has been developed for detection of Head Check type defects and provides information on defect position and depth. Initial experiments were presented at the DACH-conference 2004 in Salzburg. This system has been continually developed and as will be shown is ready for practical application. It is named HC Grinding Scanner. The actual measuring system and results will be presented.
Development of adapted GMR-probes for automated detection of hidden defects in thin steel sheets
(2016)
Thin steel sheets with a thickness of 0.3 mm and less are the base materials of many everyday life products (cans, batteries, etc.). Potential inhomogeneities such as non-metallic inclusions inside the steel can lead to a rupture of the sheets when it is formed into a product such as a beverage can. Therefore, there is a need to develop automated NDT techniques to detect hidden defects and inclusions in thin sheets during production. For this purpose Tata Steel Europe and BAM, the Federal Institute for Materials Research and Testing (Germany), collaborate in order to develop an automated NDT-system. Defect detection systems have to be robust against external influences, especially when used in an industrial environment. In addition, such a facility has to achieve a high sensitivity and a high spatial resolution in terms of detecting small inclusions in the μm-regime. In a first step, we carried out a feasibility study to determine which testing method is promising for detecting hidden defects and inclusions inside ferrous thin steel sheets. Therefore, two methods were investigated in more detail – magnetic flux leakage testing (MFL) using giant magneto resistance sensor arrays (GMR) as receivers [1,2] and eddy current testing (ET). The capabilities of both methods were tested with 0.2 mm-thick steel samples containing small defects with depths ranging from 5 μm up to 60 μm. Only in case of GMRMFL-testing, we were able to detect parts of the hidden defects with a depth of 10 μm trustworthily with a SNR better than 10 dB. Here, the lift off between sensor and surface was 250 μm. On this basis, we investigated different testing scenarios including velocity tests and different lift offs. In this contribution we present the results of the feasibility study leading to first prototypes of GMR-probes which are now installed as part of a demonstrator inside a production line.
The development of non-destructive techniques (NDT) techniques for the in-service inspection of railroad wheels and gauge corners was the main activity of the NDT division VIII. 4 at BAM over the last 2 years. For such different components, two different inspection techniques were fundamentally chosen in order to fulfil the end-user requirements. Firstly the inspection of the wheelsrim and diskshould be carried out without dismantling the wheels and using ultrasonic techniques. On the other hand, the inspection of the railroad track surface at a train speed of about 70 km/h should be guaranteed using eddy current techniques. The above-mentioned tasks were a challenge for the lab staff. The accessibility for the wheel inspection was limited due to several impassable barriers such as sand tubes, etc. Eddy current application focused mainly on the detection of head check defects occurring at the gauge corner of the rail. Investigations carried out also showed, that other types of surface defects (e.g. Belgrospis, wheel burns, short-pitch corrugations, etc.) could easily be detected. Some aspects of the inspection system as well as an overview of test results are presented in the current contribution.
BAM und TATA Steel untersuchen gemeinsam, ob sich die Prüfung von ferritischen Feinblechen mit einer Stärke von etwa 0,2 mm während der Fertigung durch den Einsatz von GMR-Sensorik verbessern lässt. Hierzu wurde eine Vorstudie an Feinblechen mit eingebrachten Mikronuten durchgeführt. Diese Nuten variieren in ihrer Tiefe zwischen 5 μm und 60 μm und wurden verdeckt mit ZfP-angepassten GMR-Sensorarrays geprüft. Die Ergebnisse der Vorstudie zeigten, dass bei verdeckter Prüfung schon kleinste Defekte mit einer Tiefe von 10 μm - gleichbedeutend mit einer Restwanddicke von 90 % – mit einem SNR > 6 dB detektiert werden konnten, wobei der Abstand der Prüfsonde zur Oberfläche bis zu 500 μm betrug. Zudem wurden in der Vorstudie Untersuchungen zur Prüfgeschwindigkeit und Praxistauglichkeit durchgeführt.
Basierend auf den hier gewonnenen Ergebnissen wird ein erster Demonstrator für eine zuverlässige Prüfung eines Teilbereiches von 50 mm des Feinbleches innerhalb einer Produktionslinie aufgebaut. Zum Einsatz kommen Prüfsonden mit jeweils 24 GMR-Sensorelementen. Hierbei wird das Ziel einer umfassenden Prüfung des Feinblechs über die gesamte Breite von 1200 mm angestrebt. Eine besondere Herausforderung stellt dabei die hohe Anzahl von mehr als 1000 Sensorelementen dar. Das hierfür entwickelte Prüfkonzept umfasst neben einer angepassten Erzeugung des Magnetfeldes die Entwicklung einer geeigneten schnellen und sicheren Elektronik für die neuen Mehrkanalprüfköpfe. Neben der Vorstellung des Prüfkonzeptes und seiner Eigenschaften vergleichen wir die erzielten Prüfergebnisse an verschiedenen Vergleichsfehlern mit denen der Vorstudie.
In vielen Bereichen der Technik haben Konstruktionen unter Einsatz von CFK-Bauteilen und Komponenten die klassischen Metalle abgelöst. Die zerstörungsfreie Prüfung solcher CFK-Bauteile gewinnt somit zunehmend an Bedeutung. Ein mögliches Prüfverfahren ist dabei die Wirbelstromprüfung. Aufgrund der relativ geringen elektrischen Leitfähigkeit von CFK-Komponenten kommt hierbei häufig die sogenannte HF-Wirbelstromprüfung zum Einsatz.
In verschiedenen Untersuchungen der BAM konnten jedoch auch mit Wirbelstromprüfsystemen in niedrigen Frequenzbereichen gute Ergebnisse erzielt werden. Um die Möglichkeiten und Grenzen dieser konventionellen Wirbelstromprüfung auszuloten, wurden Messungen an Versuchskörpern durchgeführt, welche bereits bei der Validierung der Blitz- und Lock-in-Thermografie für neue Verfahrensnormen erfolgreich eingesetzt wurden. Ein Typ dieser Versuchskörper sind Flachproben aus CFK von 6 mm Dicke. In diesen wurden Flachbodenbohrungen mit Durchmessern zwischen 4 mm und 24 mm eingebracht. Die Restwandstärken liegen zwischen 0,06 mm und 3,66 mm. Ein weiterer CFK-Versuchskörper hat die Geometrie eines Stufenkeiles. Bei verschiedenen Stufenkeilen sind Wanddicken zwischen 1,4 mm und 5,4 mm realisiert worden. In diesen wurden künstliche quadratische Delaminationen mit Kantenlängen zwischen 2 mm und 20 mm eingebracht. Die Ergebnisse der Wirbelstromprüfung werden denen der aktiven Thermografie gegenübergestellt.
Zur Nachbildung von Kompositwerkstoffen wurden die flachen Versuchskörper mit geeigneten Versuchskörpern aus Aluminium und Stahl kombiniert. Die Wirbelstromprüfungen wurden mit einem handelsüblichen Prüfgerät im Frequenzbereich zwischen 500 Hz und 3 MHz und entsprechend angepassten Sensoren durchgeführt.
Häufig müssen rotierende metallische Bauteile im Betrieb auf das Entstehen rissartiger Fehler überwacht werden. Hierbei besteht im Allgemeinen die Anforderung, trotz extrem schwieriger Umweltbedingungen eine sichere Prüfaussage zu gewährleisten. Es wurden Untersuchungen durchgeführt, inwieweit passive induktive Sensoren in der Lage sind, diese Anforderungen zu erfüllen. Hierzu wurden verschiedene einfache Sensormodelle aufgebaut und an verschiedenen Vergleichsfehlern erprobt. Die Ergebnisse der Untersuchungen werden vorgestellt. Insbesondere die Möglichkeiten und Grenzen dieser einfachen Sensortypen werden herausgearbeitet.