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Die Wirbelstromprüfung ist ein bewährtes Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung elektrisch leitfähiger Objekte im oberflächennahen Bereich. Nach einer Einführung in die Wirkungsweise, Möglichkeiten und Grenzen des Wirbelstromprüfverfahrens wird am Beispiel des Schreins der Heiligen Drei Könige gezeigt, wie sich mit dem Wirbelstromprüfverfahren unterschiedliche Metalllegierungen unter einer Vergoldung zerstörungsfrei identifizieren lassen.
Der Schrein der Heiligen Drei Könige wurde um das Jahr 1200 von Nikolaus von Verdun erschaffen, ca. 1750 von Johann Rohr und 1807 von Wilhelm Pollack restauriert. Die Restaurierungsarbeiten wurden jedoch nur unvollständig dokumentiert. Es ist bekannt, dass zu den unterschiedlichen Zeiten unterschiedliche Metalllegierungen als Grundmaterial unter der Vergoldung verwendet wurden. Mit Hilfe von Vergleichsproben aus einer Sammlung der Kölner Dombauverwaltung ließen sich die Akanthus-Prägungen des Schreins den verschiedenen Restaurierungen zuordnen.
An der BAM gibt es seit vielen Jahren Erfahrungen in der Entwicklung und im Bau speziell angepasster Wirbelstromsonden. Mit der Zielstellung, eine möglichst hohe Ortsauflösung zu erreichen, wurde vor einigen Jahren die sogenannte Eindrahtsonde (Patentanmeldung Nr. WO2015177341A1) entwickelt. Diese besteht aus der Kombination eines einzelnen dünnen Drahtes als Sender und GMR-Sensoren (giant magneto-resistance, Riesenmagnetwiderstand) als Empfänger. Beim Aufbau solcher Wirbelstromsonden hat sich der Einsatz sogenannter Starr-Flex-Leiterplatten bewährt. Der Aufbau und die Funktionsweise der Sensoren werden erläutert. Anhand spezieller Muster kleiner Vergleichsfehler werden Ortsauflösung, Richtungsabhängigkeit, Tiefenwirkung und Randeffekt hochauflösender Wirbelstromsonden aus Spulensystemen mit der Eindrahtsonde gegenübergestellt.
Composite-Druckgefäße für den Gefahrguttransport sowie für Wasserstoff- und Erdgasfahrzeuge bestehen aus einem lasttragenden Composite und einer gasdichten, metallischen oder polymeren Barriereschicht (Liner). Zur Untersuchung des Alterungsverhaltens solcher Composite-Druckgefäße wurde in der BAM das interdisziplinäre Themenfeldprojekt COD-AGE durchgeführt. Ziel des Projektes war die Entwicklung von Methoden und Modellen zur Beschreibung und Bestimmung des Alterungsverhaltens von Carbonfaser-Compositen am Beispiel von Druckgefäßen, um eine bessere Vorhersage der Alterung und der sicheren Gebrauchsdauer zu ermöglichen. Ein Schwerpunkt in diesem Projekt war die Bereitstellung geeigneter ZfP-Methoden. Dabei ging es sowohl um versuchsbegleitende Prüfungen, als auch um die mögliche Entwicklung von Prüfeinrichtungen für den späteren praktischen Gebrauch.
In dem Vortrag werden Prüfergebnisse der alterungsbegleitenden Wirbelstromprüfung an Composite-Druckgefäßen vorgestellt.
In Alterungsversuchen wurden Druckgefäße aus einem ca. 4 mm dicken Aluminiumliner und ca. 8 mm dicker CFK-Ummantelung untersucht. Typisches Einsatzgebiet solcher Druckgefäße sind Atemschutzgeräte der Feuerwehr. Die Druckgefäße wurden sowohl mit konventioneller Wirbelstromtechnik von außen und von innen als auch mit hochfrequenter Wirbelstromtechnik von außen geprüft. Es konnten sowohl Beschädigungen des metallischen Liners, als auch Strukturen des CFK-Geflechts nachgewiesen werden. Eine besondere mechanische Herausforderung bestand in der Prüfung der Innenseite der Liner, da hier eine zylindrische Fläche mit einem Innendurchmesser von 150 mm durch einen Zugang von nur 15 mm Durchmesser geprüft werden muss.
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.
In verlegten Eisenbahnschienen entstehen durch Rollkontaktermüdung rissartige Oberflächenschädigungen. Der geschädigte Bereich wird im Rahmen der Schieneninstandhaltung regelmäßig abgetragen, um zu verhindern, dass durch unkontrolliertes Risswachstum schwerwiegende Schienenschäden entstehen. Hierzu werden u. A. Schienenschleifzüge eingesetzt.
Früher wurde das Schleifergebnis einer Sichtprüfung unterzogen. Es kommt jedoch vor, dass Risse in der Oberfläche beim Schleifen zugeschmiert oder durch Schleifriefen maskiert werden, so dass diese nicht mehr sichtbar obwohl noch vorhanden sind.
An der BAM wurde ein Wirbelstromprüfsystem entwickelt, das sowohl zur Planung als auch der Qualitätskontrolle der Schieneninstandhaltung genutzt wird. Dieses System ist in der Lage, Schädigungen zu detektieren und deren Schädigungstiefe zu bestimmen, selbst dann, wenn optisch keine Schädigung zu erkennen ist.
Seit 2013 ist die Qualitätskontrolle mit Wirbelstromprüfsystemen bei der Schienenbearbeitung fest im Regelwerk der DB verankert.
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.
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.
Die Rissbildung durch Rollkontaktermüdung, der Materialverschleiß oder die Bildung von Einzelfehlern – aufgrund solcher Schädigungsarten wird die Lebensdauer der Schiene signifikant verkürzt. Mit entsprechenden Methoden der ZfP können diese Schäden an Schienen erkannt und bewertet werden. Ein sehr geeignetes Verfahren zur Feststellung von Schädigungen und Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche ist die Wirbelstromprüfung. Die zerstörungsfreie Prüfung der Schienenoberfläche durch das Wirbelstromverfahren wurde ursprünglich zur Detektion von Rollkontaktermüdungsrissen entwickelt. Anhand von Ergebnissen aus zahlreichen Prüfeinsätzen in den letzten Jahren wurde außerdem festgestellt, dass unter anderen auch Fehler wie Squats, Belgrospis, Eindrückungen oder Riffel in den Wirbelstromsignalen erkannt werden können. Aufgrund dieser Erfahrungen ist es möglich geworden, den Oberflächenfehlern in der Schiene ein charakteristisches Wirbelstromsignal zuzuordnen. Somit eröffnet sich die Möglichkeit die Wirbelstromprüfung an Schienen nicht ausschließlich zur Detektion von Rollkontaktermüdungsris-sen zu verwenden, sondern auch zur Feststellung von Einzelfehlern oder Materialveränderungen in der Oberfläche. Zusätzlich besteht das Potential durch Ultraschall erfasste Anzeigen, wie z.B. Schweißnähte, Squats etc. mit der Wirbelstromprüfung zu bestätigen und die Aussagesicherheit und Qualität dieser Prüfmethoden noch zu erhöhen.