Identification of Material Defects in Metallic Materials Using Lorentz Force Eddy Current Testing

Uhlig, Robert Peter

Der Einsatz von metallischen Werkstoffen ist in Industrie und Baugewerbe von enormer Bedeutung. Die immer stärkere Ausnutzung bis zur Grenze der Belastbarkeit eines Materials macht eine genaue Untersuchung des eingesetzten Metalls erforderlich. Um sicherzustellen, dass ein Bauteil fehlerfrei ist und den geforderten Belastungen standhalten wird, ist meist eine 100%ige Überprüfung notwendig. Dazu steht eine Auswahl an zerstörungsfreien Werkstoffprüfverfahren zur Verfügung. Die Anwendbarkeit ist oft begrenzt oder kostspielig. Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Beschreibung des zerstörungsfreien Werkstoffprüfverfahrens mit dem Namen "Lorentzkraft-Wirbelstromprüfung" und dem experimentellen Funktionsnachweis. Das kontaktlose Messverfahren wurde vor Kurzem an der Technischen Universität Ilmenau erfunden und im Rahmen des Graduiertenkollegs 1567 weiter entwickelt. Diese Arbeit fasst die Ergebnisse der Grundlagenforschung im Bereich experimenteller zerstörungsfreier Werkstoffprüfung mittels Lorentzkraft-Wirbelstromprüfung zusammen, ohne den Anspruch zu erheben, unmittelbar industrielle Anwendungen zu ermöglichen. Das Verfahren "Lorentzkraft-Wirbelstromprüfung" bietet durch die Nutzung von magnetischen Gleichfeldern höhere Eindringtiefen als klassische Wirbelstrommessverfahren unter gleichen Einsatzbedingungen, die magnetische Wechselfelder einsetzen. Dies ermöglicht die Detektion von tiefliegenden Defekten innerhalb eines elektrisch leitfähigen nichtferromagnetischen Werkstoffes. Es wird gezeigt, wie Defekte sicher mit der Lorentzkraft-Wirbelstromprüfung erkannt werden (Detektion), wo sie sich befinden (Lokalisation) und bereitet mit der Beschreibung des direkten Problems die Rekonstruktion vor (inverses Problem). Zur Beschreibung des direkten Problems ist es notwendig, zunächst das Verhalten eines bewegten Festkörpers ohne Defekt in Wechselwirkung mit einem Magnetfeld zu beschreiben. Die Einführung eines relativ simplen Prototypmodels soll Grenzen des Verfahrens aufzeigen und gleichzeitig die grundlegenden Gesetzmäßigkeiten erklären. Als Funktionsnachweis werden experimentelle Daten für künstliche Defekte vorgestellt. Eine Beschreibung der Grenzen des Messverfahrens und eine Analyse des Messsignals werden am genutzten Versuchsaufbau durchgeführt und Vorschläge zur Erweiterung des Messbereichs gegeben.

The adoption of metallic materials in industry and building construction is of enormous importance. A precise inspection of the used metals is necessary due to the fact that the material is often exploited to the breaking point. To make sure, that a component is without defects and will withstand the applied loads, usually a 100% check-up is performed. Therefore, several nondestructive material testing techniques are available. The applicability is often limited or expansive. The dissertation at hand deals with the description of the nondestructive material testing technique named "Lorentz force eddy current testing" and the experimental functionality proof. The contactless measurement technique has been recently developed at the Ilmenau University of Technology and has been evolved in the framework of the Research Training Group 1567. This work summarizes the results of the basic research without the claim of direct applications in industry. The technique "Lorentz force eddy current testing" provides deeper penetration depths due to the use of direct magnetic fields compared to classical eddy current testing under same working conditions that use alternating magnetic fields . This enables the detection of deep lying defects inside of an electrically conducting not ferromagnetic material. In the dissertation is shown how to detect defects reliable (detection), where the defect is (localization) and prepares for reconstruction techniques (inverse problem) by providing the solution of the direct problem. To describe the direct problem it is necessary to describe the behavior of a moved solid state body in the vicinity of a direct magnetic field first. Using a conceptually simple prototype model some limits of the measurement technique are presented and the basic physical principle is explained. In order to prove the functionality of the measurement technique experimental data for specimens with artificial defects are presented. The determination of limits and the analysis of the measurement signal of the used experimental setup are performed. Suggestions for further improvement are given.

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Uhlig, Robert Peter: Identification of Material Defects in Metallic Materials Using Lorentz Force Eddy Current Testing. 2013.

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