Was ist eine Wirbelstromprüfung?

Die Wirbelstromprüfung ist ein zerstörungsfreies Prüfverfahren für elektrisch leitende Werkstoffe. Dazu wird die physikalische Eigenschaft der elektrischen Leitfähigkeit der Werkstoffe genutzt, um einen Stromfluss im Material zu generieren, den sogenannten Wirbelstrom.

Zunächst wird im Werkstoff ein Wirbelstrom induziert. Dazu wird ein wechselndes Magnetfeld mit einer Erregerspule erzeugt, indem man einen Wechselstrom an die Erregerspule anlegt. Diese erregt den Werkstoff. Die Wirbelströme im Werkstoff verursachen wiederum ein eigenes wechselndes Magnetfeld. Dieses Magnetfeld wird von einer Messspule empfangen. Hierbei entsteht ebenfalls ein Wechselstrom, welcher sich vom Erregerwechselstrom in der Höhe der Spannungsamplitude und der Phasenlage unterscheidet. So werden Unterschiede im Material sichtbar wie zum Beispiel Verunreinigungen (Einschlüsse, andere Materialzusammensetzungen, etc.) oder auch oberflächenoffene Beschädigungen (z.B. Risse, Poren oder Lunker) des Materials.

Bei der Wirbelstromprüfung wird daher in drei Prüfverfahren unterschieden:

1. Rissprüfung

Die Rissprüfung mit Wirbelstrom kann statisch oder dynamisch erfolgen.

Bei der dynamischen Rissprüfung werden entweder der Sensor, in dem die Erreger- und Messspule verbaut sind, oder das zu prüfende Teil in konstante Rotation versetzt. Der Sensor scannt dann die zu prüfende Oberfläche des Prüfteils ab. Weist die Oberfläche keine Einschlüsse oder Beschädigungen auf, fließen die Wirbelströme gleichmäßig im Material. Sobald aber ein Einschluss oder ein Riss in der Oberfläche des Prüfteils auftaucht, verändert sich der elektrische Widerstand und der Wirbelstrom wird kleiner oder muss „ausweichen“. Dadurch ändert sich die Wirbelstromdichte, sodass diese Änderung von der Messspule erfasst und ausgewertet wird. Diese Prüfung findet beispielweise in der Automobilbranche in Form einer automatisierten Prüfung in der Produktion von sicherheitsrelevanten und funktionskritischen Komponenten statt.

Bei der statischen Rissprüfung wird der Sensor manuell über die Oberfläche des Prüfteils bewegt. Diese Art der Prüfung findet unter anderem Anwendung bei Wartungsprüfungen von verschiedenen sicherheitsrelevanten Bauteilen in der Luftfahrtindustrie.

Fig.1: Wirbelstrom Prüfprinzip 

Abschließend kann man sagen, dass die Rissprüfung mittels Wirbelstroms eine gute Möglichkeit bietet, um oberflächenoffene Fehler zu finden, wie z.B. Risse oder Poren. 

Checkliste zur Wirbelstromrissprüfung:

• Ist das Material elektrisch Leitfähig?
• Sind Fehlerspezifikationen vorhanden?
• Ist eine Definition des Prüfbereichs vorhanden?
• Ist eine Rotationssymmetrie vorhanden?
  

2. Schichtdickenmessung

Die Schichtdickenmessung ist ein weiteres Feld der Wirbelstromprüfung, dabei wird ein Eisenkern eingesetzt, um den die Erregerspule und Messspule gewickelt sind. Durch die Erregerspule fließt typischerweise ein niederfrequenter Wechselstrom (magnetinduktive Messmethode). Wenn sich der Eisenkern mit den zwei Spulen nun einem magnetisierbaren Objekt wie zum Beispiel Eisen nähert, verstärkt das Eisen das magnetische Wechselfeld. Die Messspule registriert diese Verstärkung als Spannung. Wie hoch dieser Spannungsunterschied ausfällt, hängt von dem Abstand des Pols zum Eisenteil ab. Bei beschichteten Teilen entspricht dieser Abstand der Schichtdicke des zu prüfenden Teils.

Ferner wird bei der Schichtdickenmessung in zwei Effekte unterschieden:

• Magnetinduktiver Effekt: Bei der Erregung der Feldspule mit einer sehr niedrigen Prüffrequenz wird die magnetische Permeabilität des ferromagnetischen Grundwerkstoffes genutzt, um die Dicke von nicht ferromagnetischen Schichten wie zum Beispiel Kupfer oder Zink zu messen.
  
• Wirbelstrom Effekt: Bei der Erregung der Feldspule mit einer hohen Prüffrequenz wird die elektrische Leitfähigkeit des elektrisch leitenden Grundwerkstoffes genutzt, um die Dicke von nicht elektrisch leitenden Schichten wie beispielsweise Lack, Farbe , Eloxal, etc. zu messen.
  

3. Prüfung der Gefügeeigenschaften eines Materials

Bei der Prüfung auf Gefügeeigenschaften wird nochmals unterschieden in die Härteprüfung und die Materialverwechslungsprüfung.

Bei der Härteprüfung verändert sich zum Beispiel durch eine Wärmebehandlung die Gefügestruktur des Materials. Dadurch wiederum ändert sich die Leitfähigkeit oder die Permeabilität des Materials. Das zu prüfende Teil wird durch eine Spule geführt. In dieser sind zwei Wicklungen vorhanden, die Erreger- und die Messwicklung. Genau wie bei der Rissprüfung wird ein Wechselstrom auf die Erregerwicklung gegeben. Dadurch baut sich ein wechselndes Magnetfeld auf. Dieses induziert im zu prüfenden Material einen Wirbelstrom. Der Wirbelstrom erzeugt sein eigenes wechselndes Magnetfeld. Dieses wird wiederum durch die Messwicklung in einen Wechselstrom umgewandelt. Durch die Änderung der Spannungsamplitude und der Phasenlage kann die Auswertung erfolgen.

Bei der Materialverwechslungsprüfung wird der Effekt genutzt, dass verschiedene Materialien unterschiedliche Leitfähigkeiten bzw. Permeabilitäten aufweisen. Diese Unterschiede können von den Sensoren aufgenommen und so die Materialien voneinander getrennt werden wie zum Beispiel: Automatenstahl 9S20, Einsatzstahl C15, Vergütungsstahl, Baustahl St37, etc.

MAGNETOSCOP 1.070: Zur Messung der magnetischen Flussdichte und Permeabilität.

Checkliste zur Gefügeprüfung:

• Ist der Werkstoff oder das Material elektrisch leitfähig?
• Sind Leitfähigkeits- oder Permeabilitätsunterschiede vorhanden (Materialtrennung)?
• Kann ein Prüfbereich definiert werden (z.B. partiell gehärtete Teile)?

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