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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.
Characterization of residual stress state by neutron diffraction and residual magnetic field mapping
(2016)
Based on the residual stress characterization of tungsten inert gas welded S235JRC+C plates by means of neutron diffraction, the evaluation of residual stress with high spatial resolution GMR (giant magneto resistance) sensors is discussed. The experiments performed indicate a correlation of residual stress changes and local residual magnetic stray fields.
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.
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.
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.
Die Magnetpulverprüfung ist eine weit verbreitete Prüfmethode für ferromagnetische Bauteile. Hierbei werden Oberflächenfehler wie Risse mit ferromagnetischem Pulver sichtbar gemacht, wodurch eine qualitative Bewertung des Bauteils ermöglicht wird. Allerdings können die Anzeigen kaum zu einer quantitativen Bewertung herangezogen werden. Hierfür sind Magnetfeldsensoren nötig, die die Stärke der Streufelder messen, wodurch z. B. die Tiefe der Risse abgeschätzt werden kann. Bei kommerziellen Magnetfeldsensoren sind die sensitiven Elemente auf Platinen angebracht bzw. in eine Verkapselung integriert. Hierdurch erhöht sich der Abstand der Elemente zur Oberfläche und kleine Fehler können unter Umständen nicht mehr detektiert werden. Auch wird eine automatisierte Prüfung komplexer Geometrien durch die starren Sonden erschwert.
Um Streufelder von kleinen Fehlern in komplexen Bauteilen quantitativ bewerten zu können, validiert die BAM den Einsatz neuartiger, flexibler Magnetfeldsensoren. Hierbei sind die sensitiven Elemente auf flexiblen Folien aufgebracht und lassen sich verformen, wodurch sie auf viele mögliche Oberflächenformen appliziert werden können. Es wird ein geringerer Abstand der Elemente zur Oberfläche erreicht und Streufelder von kleinen Defekten können besser aufgelöst werden. Zudem verlieren die Sensoren durch Verformung weder ihre Sensitivität noch werden sie hierdurch zerstört. Dies macht diese Sensoren zu perfekten Kandidaten für die quantitative Bewertung von Rissstreufeldern in komplex geformten, ferromagnetischen Bauteilen.
Der Beitrag präsentiert die Charakterisierung der Sensoren sowie erste Versuche an komplexen Bauteilen. Schließlich wird eine Einschätzung hinsichtlich weiterer Anwendungsmöglichkeiten gegeben.
In recent years, additive manufacturing technologies have gained in importance. Laser powder bed fusion can be used for complex functional components or the production of workpieces in small quantities. High safety requirements, e.g. in aerospace, demand comprehensive quality control. Therefore, non-destructive offline inspection methods such as computed tomography are used after production. Recently, online non-destructive testing methods such as optical tomography have been developed to improve profitability and practicality. In this presentation, the applicability of eddy current inspection using GMR sensors for online inspection of PBF-LB/M parts is demonstrated. Eddy current testing is performed for each layer during the production process at frequencies uo to 1.2 MHz. Despite the use of high-resolution arrays with 128 elements, the testing time is kept low by an adapted hardware. Thus, the measurement can be performed during the manufacturing process without significantly slowing down the production process. In addition to the approach, the results of an online eddy current test of a step-shaped test specimen made of Haynes282 are presented.
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.
In den letzten Jahren haben additive Fertigungstechnologien an Bedeutung gewonnen. Für komplexe Funktionsbauteile oder die Produktion von Werkstücken in kleinen Stückzahlen kann das Laser-Pulverbettschmelzen eingesetzt werden. Hohe Sicherheitsanforderungen, z. B. in der Luft- und Raumfahrt, erfordern eine umfassende Qualitätskontrolle. Daher werden nach der Fertigung zerstörungsfreie Offline-Prüfverfahren wie die Computertomographie eingesetzt. In jüngster Zeit wurden zur Verbesserung der Rentabilität und Praktikabilität zerstörungsfreie Online-Prüfverfahren wie die optische Tomographie entwickelt. In diesem Beitrag wird die Anwendbarkeit der Wirbelstromprüfung mit GMR Sensoren für die online Prüfung von PBF-LB/M Teilen demonstriert. Die Ergebnisse einer online Wirbelstromprüfung mit GMR Sensoren und einer Ein-Draht-Anregung werden gezeigt. Während des Produktionsprozesses wird für jede Lage eine Wirbelstromprüfung durchgeführt. Trotz hochauflösender Arrays mit 128 Elementen wird durch eine angepasste Hardware die Prüfdauer geringgehalten. So kann die Messung während des Beschichtungsvorgangs durchgeführt werden, ohne den Fertigungsprozess signifikant zu verlangsamen. Eine online Wirbelstromprüfung eines stufenförmigen Testkörpers aus Haynes282 über 184 Lagen zeigt, dass die Kanten nicht nur in der aktuellen Lage detektiert werden können, sondern auch in einer Tiefe von 400 µm, wenn eine Anregungsfrequenz von 1,2 MHz gewählt wird.