Zerstörungsfreie Prüfung metallischer Rumpfsegmente – Möglichkeiten und Potenziale bildgebender Verfahren
Thomas Ullmann und Raouf JemmaliDLR Stuttgart, Institut für Bauweisen und Konstruktionsforschung
Ulrike DreßlerDLR Köln, Institut für Werkstoff-Forschung
Köln-Porz, Werkstoff-Kolloquium, 2. Dezember 2008
Werkstoff-Kolloquium – 2. Dezember 2008Folie 2
Übersicht
NDT bei metallischen Flugzeugstrukturen
FSW-Nähte
Ultraschallprüfung
Röntgenprüfung
CT-Prüfung
Neutronenstreuung
NDT-Verfahren im direkten Vergleich
Werkstoff-Kolloquium – 2. Dezember 2008Folie 3
NDT bei metallischen Flugzeugstrukturen
SchweißnähteSchweißnähte
NietverbindungenNietverbindungen
RisseRisse
Poren, LunkerPoren, Lunker
NDT-Verfahren
UltraschallWirbelstromFarbeindringverf.Magnetpulververf.
Fluggerätewartung
NietverbindungenNietverbindungen
SchweißnähteSchweißnähte
RisseRisse
ImpactschädenImpactschäden
überwiegendUltraschallprüfung
überwiegendWirbelstromprüfung
ThermographieCT
Fertigung⇒ Serien- und Stichprobenprüfung
⇒ Prüfung hoch belasteter Bauteilbereiche
Werkstoff-Kolloquium – 2. Dezember 2008Folie 4
FSW-Nähte
Werkzeug-Schulter Ende
zu verbindende Bleche
Schweißnaht
Stift
Anfang
Friction Stir Welding (FSW)
Defekte beim Reibrührschweißen:
Lack of penetration (LOP): nicht durchgeschweißte Wurzel
Root flaw: Ansammlung von Oxiden
Hohlräume
Tunnel
Werkstoff-Kolloquium – 2. Dezember 2008Folie 5
Ultraschallprüfung
Puls-Echo-Technik
HFUS 2400
Ultraschallprüfkopf: hochfrequent (25 MHz), 25 mm Fokuslänge in WasserPräzisionsscanner (Schrittweite: 50 µm)
A B
Kopplungsmedium: Wasser
Werkstoff-Kolloquium – 2. Dezember 2008Folie 6
Ultraschallprüfung
1)
2)
1) C-Scan (Signalstärke)2) D-Scan (Signaltiefe / Laufzeit des Echos)
Tunnel
Tunnel
Tunnel
3)
3) Schliffbild mit Tunnel (Querschnitt)
Blech # 500 – senkrechte Beschallung
Werkstoff-Kolloquium – 2. Dezember 2008Folie 7
UltraschallprüfungBlech # 776 – schräge Beschallung
1) C-Scan
2) D-Scan
LOP
LOP
3) Schliffbild mit LOP (Querschnitt)
Detektion eines LOP bei schräger Beschallung (Öffnung ca. 15 µm)
Werkstoff-Kolloquium – 2. Dezember 2008Folie 8
Ultraschallprüfung
1) D-Scan
2) Schliffbild (Querschnitt)
Durchgängiger root flaw(Entstehung durch nicht ausreichendes Zerteilen der Aluminium-Oberflächen(oxid)schicht)
Werkstoff-Kolloquium – 2. Dezember 2008Folie 9
UltraschallprüfungBlech # 458 – Überlappnaht
C-Scan
D-Scan
Schliffbild mit Einschlüssen (Querschnitt)
FSW-Überlappnahtzwischen 2 Al-Blechen
1 mm
Werkstoff-Kolloquium – 2. Dezember 2008Folie 10
UltraschallprüfungBlech # 447 – Überlappnaht
C-Scan
D-Scan
FSW-Überlappnahtzwischen 2 Al-Blechen
Schliffbild ohne Einschlüsse (Querschnitt)
1 mm
Werkstoff-Kolloquium – 2. Dezember 2008Folie 11
Computertomographieanlage
100 kgMax. Bauteilgewicht:
ca. 1000 x 1800 mm (B x H)Max. Bauteilgröße:
B = 800 mm (horizontal); H = 1000 mm (vertikal)Max. erfassbarer Bauteilbereich:
2048 x 2048 Pixel à 0.2 mm (16 Bit)Flächendetektor:
Röntgenröhren:1.) 240 kV Mikrofokus2.) 450 kV Minifokus
Standort:Institut für Bauweisen- und Konstruktionsforschung, DLR Stuttgart
CT-Großanlage v|tome|x L450
Werkstoff-Kolloquium – 2. Dezember 2008Folie 12
Röntgenprüfung
250
mm
10 mm
Blech # 500
Werkstoff-Kolloquium – 2. Dezember 2008Folie 13
RöntgenprüfungBlech # 776
250
mm
10 mm
Werkstoff-Kolloquium – 2. Dezember 2008Folie 14
CT-Prüfung
MP
ngVergrößeruPixelgrößeV == wobei:
FODFDDM =
Auflösung ⇒ Voxelgröße
Geometrie und Auflösung
Grafik: Phoenix|x-ray
Grafik: Phoenix|x-ray
Werkstoff-Kolloquium – 2. Dezember 2008Folie 15
CT-PrüfungBlech # 500
AVI
3D-Darstellung2D-Darstellung (frontal, axial, sagittal) ⇒
Werkstoff-Kolloquium – 2. Dezember 2008Folie 16
CT-PrüfungBlech # 500
2D-Schnittbilder in
frontaler, axialer und
sagittaler Orientierung
#1
Werkstoff-Kolloquium – 2. Dezember 2008Folie 17
CT-PrüfungBlech # 500
2D-Schnittbilder in
frontaler, axialer und
sagittaler Orientierung
#2
Werkstoff-Kolloquium – 2. Dezember 2008Folie 18
CT-PrüfungBlech # 500
2D-Schnittbilder in
frontaler, axialer und
sagittaler Orientierung
#3
Werkstoff-Kolloquium – 2. Dezember 2008Folie 19
CT-PrüfungBlech # 500
2D-Schnittbilder in
frontaler, axialer und
sagittaler Orientierung
#4
Werkstoff-Kolloquium – 2. Dezember 2008Folie 20
CT-PrüfungBlech # 500
AVI
3D-Darstellung (Oberfläche) 3D-Darstellung (Tiefenschnitt)
Werkstoff-Kolloquium – 2. Dezember 2008Folie 21
CT-PrüfungBlech # 776
2D-Schnittbilder in
frontaler, axialer und
sagittaler Orientierung
#1
Werkstoff-Kolloquium – 2. Dezember 2008Folie 22
CT-PrüfungBlech # 776
2D-Schnittbilder in
frontaler, axialer und
sagittaler Orientierung
#2
Werkstoff-Kolloquium – 2. Dezember 2008Folie 23
CT-PrüfungBlech # 776
2D-Schnittbilder in
frontaler, axialer und
sagittaler Orientierung
#3
Werkstoff-Kolloquium – 2. Dezember 2008Folie 24
CT-PrüfungBlech # 776
2D-Schnittbilder in
frontaler, axialer und
sagittaler Orientierung
#4
Werkstoff-Kolloquium – 2. Dezember 2008Folie 25
CT-PrüfungBlech # 776
AVI
3D-Darstellung (Oberfläche) 3D-Darstellung (Tiefenschnitt)
Werkstoff-Kolloquium – 2. Dezember 2008Folie 26
NeutronenstreuungBragg’sches Gesetz: θλ sindn ⋅=⋅ 2
Transmission:°= 90θd2=λ
Quelle: Javier Santisteban
Werkstoff-Kolloquium – 2. Dezember 2008Folie 27
ZfP-Verfahren im direkten Vergleich
AVI
Messung der räumlichen Spannungsverteilung möglich
Bestimmung einzelner PhasenBestimmung von TexturenBauteilgröße limitiert Auflösung
sehr hochgegeben (jedoch auf Kosten der Auflösung)
ab ca. 50 µmNeutronenstreuung
Alle Arten von defekten mit höchster Auflösung darstellbar
volle 3D-InformationBauteilgröße limitiert Auflösung
sehr hochgegeben (jedoch auf Kosten der Auflösung)
≥ 5 µm bis ≥ 100 µm(abhängig v. Bauteilgröße!)
CT-Prüfung
Tunnelbildung im Detail erkennbar
„root flaws“ nur bedingtKeine Tiefeninformation abbildbar
mittelgegeben≥ 5 µmRöntgenprüfung
Tunnelbildung, „root flaws“, Einschlüsse etc. gut abbildbar
Tiefeninformation, jedoch nur 2D-Abbildungen möglich
hochgegeben≥ 10 µmUltraschallprüfung (wassergekoppelt)
AnmerkungenInformations-dichte
Anwendbarkeit auf größere Bauteile
Erkennbare Details
Prüfmethode
Werkstoff-Kolloquium – 2. Dezember 2008Folie 28
ZfP-Verfahren im direkten Vergleich
AVI
o (nur bedingt)
o (nur bedingt)
++++++Eignung für Großbauteile
o (nur bedingt)
o(nur bedingt)
+++++schnell & flächendeckend
++++++++(bedingt weil nur 2-dimensional)
++(nur 2D-Darstellung)
ortsauflösend & defektselektiv
+++++++(nur 2D-Darstellung)
++(nur 2D-Darstellung)
Informations-dichte
+++++o(nur bedingt)
+++alle Fehler erfassbar
Neutronen-streuung
Computer-tomographie
Röntgen-durchstrahlung
Ultraschall
Übersicht nach Schlüsselkriterien
Werkstoff-Kolloquium – 2. Dezember 2008Folie 29
VDI-W Fachbeirat:Anwendungsnahe Zerstörungsfreie Werkstoff- und Bauteilprüfung
Köln-Porz (DLR)
Berlin (HZB, BAM)
Hamburg (GKSS)
Saarbrücken (FhG)
Fürth (FhG)
Stuttgart (DLR)
Garching (FRM II)
VDI-GesellschaftWerkstofftechnik