Rissprüfung

Einführung

In vielen Industriezweigen ist die Rissprüfung eine der wichtigsten zerstörungsfreien Prüfmethoden, so auch bei Triebwerksbauteilen, welche oft komplexe Geometrien auf- weisen, thermisch und mechanisch hochbelastet sind und sehr hohen Sicherheitsanforderungen genügen müssen. Es besteht daher zunehmend ein Bedarf an leistungsfähigen, wirtschaftlichen Rissprüfverfahren.

Hierbei hat in den letzten Jahren die Thermografie immer mehr an Bedeutung gewonnen. Eine gezielte Weiterentwicklung und die Kombination mit der Wirbelstromprüfung führte zu dem Verfahren "EddyTherm".

In Ausgabe 68 Dezember 1999 dieser Zeitschrift wurden Grundlagen und Vorteile des EddyTherm-Verfahrens vorgestellt und erste Ergebnisse diskutiert. Inzwischen konnte das Verfahren durch schnellere PC-Systeme, verbesserte Hochfrequenzgeneratoren und neue optimierte Auswertealgorithmen weiterentwickelt werden, so dass heute eine automatisierte Serienprüfung möglich wird.

Bisher wird die induktive Erwärmung hauptsächlich zur Werkstoffbearbeitung, zum Beispiel beim Härten oder In- duktionsschweißen, genutzt. Die dabei eingesetzten Hochfrequenzgeneratoren erzeugen über die Induktionsspulen für relativ lange Zeiträume magnetische Wechselfelder, die den Stromfluss und damit eine starke Erwärmung der Bauteile, hervorrufen. Die Idee bei EddyTherm ist, dass mit kur- zen Hochfrequenzimpulsen zwischen 50 und 200ms nur eine geringe, definierte Gesamterwärmung des Bauteils erzeugt wird. Risse stören hierbei den Verlauf der induzierten Ströme und verändern dadurch die Temperaturverteilung an der Bauteiloberfläche, so dass sie mit Hilfe einer geeig- neten Thermografiekamera sichtbar gemacht werden kön- nen. Abb. 1 zeigt einen Probekörper mit Riss. Oben ist schematisch der Stromverlauf und dessen Änderung an der Fehlstelle dargestellt. Unten erkennt man die resultierende Temperaturerhöhung an den Rissspitzen sowie entsprechende kältere Bereiche an den Rissflanken.

Ein wichtiger Aspekt, der bei allen induktiven Verfahren eine Rolle spielt, ist der so genannte Skin-Effekt. Abhängig von der Frequenz des Magnetfeldes und der relativen Per- meabilität des geprüften Werkstoffes ändert sich die Eindringtiefe des induzierten Stromes in das Material: Für den Nachweis kleiner Risse ist eine geringe Eindringtiefe von Vorteil, da dann ein großer Anteil des induzierten Stroms den Riss umfließt und die Stromdichteänderungen und damit die Temperaturunterschiede maximal werden. Einen starken Einfluss hat hier auch die Permeabilitätszahl (µr) des Werkstoffs. Bei paramagnetischen Materialien ist diese praktisch 1, während bei ferromagnetischen Werkstoffen Werte von 50 - 80000 erreicht werden.

Bei einer Anregungsfrequenz von 100 kHz beträgt die Strom-Eindringtiefe für eine paramagnetische Titanlegierung ca.1,0 mm, gegenüber 0,1 mm für ferromagnetisches Eisen.

FEM-Simulation

Durch den Bearbeitungsprozess Schleifen können in den Flanken der Füße von Turbinenschaufeln (Abb. 2) Risse entstehen, die dann sicher detektiert werden müssen. Wegen der komplexen Geometrie dieser Strukturen bietet sich zur Optimierung der Prüfkörper-Spulenanordnung die FEM-Simulation des induktiven Erwärmungsprozesses an, hier am Beispiel einer CF6-Turbinenschaufel vorgestellt.