Risse in Verbindungselementen können die strukturelle Integrität und Sicherheit bei technischen Anwendungen beeinträchtigen. Die frühzeitige Erkennung dieser Risse ist entscheidend. Dieser Artikel befasst sich mit traditionellen und modernen Methoden der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP), wobei Techniken wie die Wavelet-Analyse und elektromagnetische Impulse im Mittelpunkt stehen. Der Leser erfährt mehr über die neuesten Fortschritte bei der Risserkennung und ihre praktischen Anwendungen, die die Zuverlässigkeit und Haltbarkeit von Verbindungselementen in verschiedenen Branchen gewährleisten.
Dieser Artikel gibt einen Überblick über den aktuellen Stand der Risserkennungstechnologien, einschließlich ihrer Vorteile und Grenzen, sowie über aktuelle Themen und zukünftige Entwicklungsrichtungen. Er basiert auf bestehenden Methoden zur Erkennung von Rissen in Verbindungselementen, wobei der Schwerpunkt auf der Wavelet-Analyse und der zerstörungsfreien Prüfung mittels elektromagnetischer Impulse liegt.
Verbindungselemente werden in verschiedenen technischen Bereichen wie Maschinenbau, Bauwesen, Brücken und Ölförderung in großem Umfang eingesetzt. Als grundlegende Komponente großer Strukturen sind Verbindungselemente anfällig für verschiedene Defekte wie Risse, Korrosion, Gruben und vom Menschen verursachte Schäden während des Betriebs.
Rissdefekte stellen eine erhebliche Bedrohung für die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Strukturen und Einrichtungen dar, weshalb die Risserkennung ein wesentlicher Aspekt der Strukturbewertung ist. Die Risserkennung umfasst die Identifizierung und Bewertung von Rissen in mechanischen Strukturen, um deren Lage und Ausmaß zu bestimmen.
Mit dem Fortschritt des modernen Maschinenbaus, der Elektronik und der Computertechnologie hat sich die zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) erheblich verbessert, was zur Entwicklung fortschrittlicher Rissprüfverfahren geführt hat.
Dieser Artikel gibt einen Überblick über die traditionellen Rissprüfmethoden und konzentriert sich auf die modernen ZfP-Methoden, die auf der Wavelet-Analyse und elektromagnetischen (Wirbelstrom-)Impulsen basieren. Darüber hinaus werden aktuelle Themen und künftige Entwicklungsrichtungen im Bereich der Rissprüfverfahren für Verbindungselemente beleuchtet.
Es gibt zahlreiche traditionelle Verfahren zur Risserkennung, die in zwei Gruppen eingeteilt werden können: konventionelle und unkonventionelle Erkennungsmethoden.
Zu den konventionellen Nachweismethoden gehören die Wirbelstromprüfung, die Eindringprüfung, die Magnetpulverprüfung, die Strahlungsprüfung und die Ultraschallprüfung. Zu den unkonventionellen Nachweismethoden gehören dagegen die Schallemissionsprüfung, die Infrarotprüfung und die laserholografische Prüfung.
Gegenwärtig sind konventionelle Prüfverfahren für die einfache Risserkennung in technischen Bereichen wie dem Maschinenbau, dem Bauwesen und der Ölförderung weit verbreitet. Die verwendeten Methoden variieren je nach Einrichtung.
So wird die Ultraschallprüfung vor allem zur Prüfung von Metallplatten, Rohren, Stangen, Guss- und Schmiedeteilen und Schweißnähten sowie von Betonstrukturen wie Brücken und Wohngebäuden eingesetzt. Die Röntgenprüfung wird hauptsächlich zur Prüfung von Gussteilen und Schweißnähten in Branchen wie Maschinenbau, Waffen, Schiffbau, Elektronik, Luft- und Raumfahrt, Petrochemie und anderen eingesetzt. Die Magnetpulverprüfung wird hauptsächlich für die Prüfung von Guss- und Schmiedeteilen sowie von Schweißnähten eingesetzt. Die Eindringprüfung wird hauptsächlich für die Prüfung von Guss-, Schmiede- und Schweißteilen, pulvermetallurgischen Teilen sowie von Nichteisen- und Eisenmetallprodukten aus Keramik, Kunststoff und Glas verwendet. Die Wirbelstromprüfung wird hauptsächlich zur Fehlererkennung und Materialsortierung von leitenden Rohren, Stäben und Drähten eingesetzt.
Für die Rissprüfung von Verbindungselementen können Ultraschallprüfung und Wirbelstromprüfung eingesetzt werden. In einer experimentellen Studie wurden zum Beispiel die besten Wirbelstrom-Erkennungsparameter für kleine Risse in Verbindungselementen ermittelt. Die Ergebnisse der Studie zeigten, dass die besten Erkennungsparameter eine lineare Beziehung zwischen den Wirbelstromerkennungsparametern für kleine Risse und dem Phasensignal aufweisen, was für die Verbesserung der Genauigkeit der Erkennung kleiner Risse in Stäben und die Auswahl der Wirbelstromerkennungsparameter für externe Verbindungselemente wichtig ist. Die Wirbelstromdetektion weist jedoch mehr Störfaktoren auf und erfordert spezielle Signalverarbeitungstechniken.
Eine weitere Methode zur Risserkennung ist die Lamb-Wellenausbreitungs-Energiespektrum-Struktur-Risserkennungsmethode, die für ihre starke Durchdringungsfähigkeit, hohe Empfindlichkeit, Schnelligkeit und Bequemlichkeit bekannt ist. Allerdings gibt es Einschränkungen wie blinde Flecken und Blockaden, die dazu führen können, dass enge Risse übersehen werden. Außerdem ist es schwierig, die gefundenen Fehler quantitativ und qualitativ zu charakterisieren.
Bei den meisten Verbindungselementen werden Magnetpulverprüfungen und fluoreszierende Fehlererkennungsmethoden eingesetzt. Diese Methoden sind relativ effizient, aber sie verbrauchen Arbeitskräfte und Material und können die menschliche Gesundheit schädigen. Außerdem sind fehlende Inspektionen oft auf menschliche Faktoren zurückzuführen.
Wenn herkömmliche Prüfverfahren Risse in Verbindungselementen nicht erkennen, können alternativ unkonventionelle Prüfverfahren eingesetzt werden.
Drei häufig verwendete unkonventionelle Methoden zur Risserkennung sind:
1) Schallemissionstechnik.
Die Acoustic Emission Technologie ist weithin als die fortschrittlichste Methode zur Risserkennung in drucktragenden Geräten anerkannt. Sie wurde erfolgreich bei der Sicherheitsbewertung von Druckbehältern und Pipelines sowie bei der Erkennung von Rissen in der Luft- und Raumfahrt und in Verbundwerkstoffen eingesetzt. Im Bereich der Rissdiagnose bei rotierenden Maschinen wurde sie hauptsächlich zur Erkennung von Rissen in rotierenden Wellen, Getrieben und Lagern eingesetzt.
Einer der Hauptvorteile von Acoustic Emission ist, dass es sich um eine dynamische Erkennungsmethode handelt, bei der Energie verwendet wird, die von dem zu prüfenden Objekt ausgestrahlt wird und nicht von außen. zerstörungsfreie Prüfung Ausrüstung wie Ultraschall- oder Durchstrahlungsprüfung. Dadurch ist sie sehr empfindlich gegenüber Defekten und in der Lage, den Status aktiver Defekte in der gesamten Struktur zu erkennen und zu bewerten.
Allerdings gibt es auch einige Nachteile zu beachten. Die Erkennung von Schallemissionen wird durch das geprüfte Material stark beeinflusst und kann durch elektrische und mechanische Geräusche in der Prüfumgebung gestört werden. Außerdem kann die Genauigkeit der Erkennung durch eine geringe Positionierungsgenauigkeit eingeschränkt sein, und die aus der Risserkennung gewonnenen Informationen sind oft begrenzt.
2) Infrarot-Detektion.
Die Technologie der zerstörungsfreien Infrarotprüfung (NDT) wird in einer Vielzahl von Industriezweigen eingesetzt, z. B. in der Energietechnik, der Petrochemie, der mechanischen Verarbeitung, der Branderkennung, der Pflanzenanalyse und der Erkennung von Fehlern in Materialien und Komponenten.
Einer der Hauptvorteile der Infrarot-ZfP ist, dass es sich um eine berührungslose Prüftechnik handelt, die sicher, zuverlässig, für den Menschen unschädlich und hochempfindlich ist. Sie hat einen großen Erfassungsbereich, ist schnell und hat keinen Einfluss auf das zu prüfende Objekt. Außerdem bietet sie eine hohe räumliche Auflösung über große Entfernungen.
Allerdings gibt es auch einige Nachteile zu beachten. Die Erkennungsempfindlichkeit von Infrarot hängt vom Wärmeemissionsgrad des Prüfstücks ab und kann durch Oberflächenstörungen und Hintergrundstrahlung beeinträchtigt werden. Die Auflösung der Originalprobe ist gering, was die genaue Messung von Form, Größe und Position von Fehlern erschwert, insbesondere wenn diese klein oder tief verborgen sind.
Außerdem ist die Interpretation der Testergebnisse komplex und erfordert Referenzstandards, und die Bediener müssen geschult werden, um die Technologie effektiv zu nutzen.
3) Laserholografische Erkennung.
Die laserholographische Erkennung wird in erster Linie für die Inspektion verschiedener Strukturen wie Wabenstrukturen, Verbundwerkstoffe, Hüllen von Feststoffraketenmotoren, Isolierschichten, Beschichtungen und Treibstoffkorngrenzflächen zur Fehlererkennung eingesetzt. Sie wird auch zur Bewertung der Qualität von Lötstellen auf Leiterplatten und zur Erkennung von Ermüdungsrissen in Druckbehältern eingesetzt.
Diese Methode bietet mehrere Vorteile, wie z. B. einfache Anwendung, hohe Empfindlichkeit, keine besonderen Anforderungen an das zu prüfende Objekt und die Möglichkeit, eine quantitative Fehleranalyse durchzuführen.
Einer der Nachteile besteht jedoch darin, dass tief vergrabene Debonding-Defekte nur erkannt werden können, wenn die Debonding-Fläche groß ist.
Darüber hinaus erfordert die laserholografische Erkennung in der Regel eine dunkle Raumumgebung und strenge Maßnahmen zur Schwingungsisolierung, wodurch sie für Prüfungen vor Ort weniger geeignet ist und gewisse Einschränkungen aufweist.
Mit den Fortschritten in Wissenschaft und Technik ist die Nachfrage nach fortschrittlicheren Risserkennungsmethoden in verschiedenen technischen Bereichen wie dem Maschinenbau, dem Bauwesen und der Ölförderung gestiegen. Dies hat zur Entwicklung neuer Technologien für die Risserkennung geführt.
Die Signalverarbeitung und die elektromagnetische (Wirbelstrom-) Impulsprüfung sind zwei der am häufigsten verwendeten und effektivsten neuen Technologien zur Risserkennung. Diese Methoden bieten effiziente und zuverlässige Lösungen für die Erkennung von Rissen in verschiedenen Anwendungen.
Mit den Fortschritten in der Signalverarbeitungstechnologie haben sich mehrere auf Signalverarbeitung basierende Risserkennungsmethoden herausgebildet, darunter Methoden im Zeitbereich, im Frequenzbereich und im Zeit-Frequenz-Bereich wie die Fourier-Transformation, die Kurzzeit-Fourier-Transformation, die Wigner-Ville-Verteilung, die Hilbert-Huang-Transformation (HHT) und die blinde Quellentrennung.
Von diesen Methoden ist die Wavelet-Analyse die am häufigsten verwendete und repräsentativste.
Die Methoden zur Risserkennung mit Hilfe der Wavelet-Analyse lassen sich in zwei Kategorien einteilen:
① Time Domain Response Analysis Methode:
Bei dieser Methode werden die singulären Punkte der Zersetzungskarte im Zeitbereich, die Änderung der Wavelet-Koeffizienten und die Energieänderung nach der Wavelet-Zerlegung verwendet. Ziel dieser Methode ist es, den Zeitpunkt des Auftretens eines Rissschadens zu ermitteln.
② Spatial Response Based Analysis Methode:
Bei dieser Methode wird die räumliche Position der Raumachse anstelle der Zeitachse des Zeitbereichsantwortsignals für die Wavelet-Analyse verwendet, wobei die Raumbereichsantwort als Eingabe dient. Diese Methode ermöglicht die Bestimmung der Lage des Risses.
Während die Wavelet-Methode selbst nur den Zeitpunkt des Schadenseintritts oder den Ort des Schadens bestimmen kann, hat die Wavelet-Methode mehr Anwendungsmöglichkeiten. Um kleine Risse zu erkennen, sollte die Wavelet-Analyse mit anderen Methoden kombiniert werden.
Die elektromagnetische Technologie kombiniert mehrere Funktionen wie Ultraschallerkennung, Wirbelstromabbildung, Wirbelstrom-Array und gepulste Wirbelstromerkennung zu fortschrittlichen neuen Technologien für die elektromagnetische Prüfung.
Zu den gängigen Technologien zur Risserkennung gehören die gepulste Wirbelstromprüfung, die gepulste Wirbelstrom-Wärmebildtechnik, die zerstörungsfreie Prüfung mit zwei Prüfköpfen unter Verwendung von gepulstem Wirbelstrom und elektromagnetischem Schallwandler (EMAT) sowie die Technologie der magnetischen Metallgedächtnisprüfung.
Bei der gepulsten Wirbelstromprüfung wird eine Spule mit einem Impulsstrom erregt, das von der Erkennungssonde induzierte transiente Antwortsignal im Zeitbereich analysiert und Risse quantitativ erkannt, indem der Spitzenwert, die Nulldurchgangszeit und die Spitzenzeit des Signals ausgewählt werden.
Forschungen von Yang Binfeng und anderen an der National University of Defense Technology haben gezeigt, dass gepulster Wirbelstrom Risse unterschiedlicher Tiefe mit nur einem Scan quantitativ erfassen kann. Einige Forscher verwenden Oberschwingungsspulen als alternative Technologie für die gepulste Wirbelstromprüfung.
Der Spitzenwert des gepulsten Wirbelstromsignals wird jedoch leicht durch andere Faktoren wie den Lift-off-Effekt beeinflusst, und auch die Erkennungsfähigkeit der gepulsten Wirbelstromsonde kann sich auf die Risserkennung auswirken.
Gepulste Wirbelstromprüfgeräte verwenden Spulen als Prüfsensoren, einige auch Hall-Sensoren. In den letzten Jahren haben Super-Quanten-Interferenzgeräte begonnen, im Bereich der zerstörungsfreien Prüfung eingesetzt zu werden.
Die gepulste Wirbelstrom-Wärmebildtechnik eliminiert den Abhebeeffekt bei anderen Erkennungsmethoden und gewährleistet genaue Bildergebnisse. Einige Forscher verwenden YNG-Laserstrahlen mit einer Gauß'schen Strahlform auf der Oberfläche von BlecheSie nutzen die Technologie der gepulsten Wirbelströme und der elektromagnetischen Schallwandler zur Risserkennung. Sie erkennen Risse, indem sie eine plötzliche Änderung der Ultraschallwellenform oder einen plötzlichen Anstieg der Frequenzkomponenten feststellen, wenn der Laserstrahl den Riss bestrahlt.
Die derzeitige Forschung auf dem Gebiet der Risserkennung in Verbindungselementen stützt sich hauptsächlich auf traditionelle Methoden. Um die Erkennungstechnologie voranzutreiben und den Herausforderungen der praktischen Anwendung zu begegnen, verlagert sich der Schwerpunkt der Risserkennung auf zwei Schlüsselbereiche: statistische Erkennungsmethoden, die Unsicherheiten berücksichtigen, und die Erkennung von Mikrorissen in Verbindungselementen.
Die inhärente Ungewissheit bei der Erkennung von Rissschäden erfordert die Anwendung statistischer Methoden zur Lösung von Problemen der Systemidentifizierung. Mit den Fortschritten in der Forschung zur Schadenserkennung liegt der Schwerpunkt zunehmend auf probabilistischen, auf statistischen Theorien basierenden Methoden, insbesondere bei der Systemidentifikation und Mustererkennung.
Es gibt zwar mehrere Methoden zur Erkennung von Mikrorissen in Verbindungselementen, wie z. B. die industrielle Computertomografie (ICT) und die Laser-Ultraschallprojektion mit lasergestützter Erwärmung, aber jede hat ihre Grenzen. Die ICT-basierte Mikrorisserkennung kann Probleme mit der Bildqualität und der Detailauflösung haben, wenn der Grauwertkontrast zwischen dem Riss und dem Hintergrund unzureichend ist. Außerdem ist die genaue Definition des räumlichen Bereichs, der alle Mikrorisse enthält, mit der Software VG Studio MAX eine Herausforderung. Die Laser-Ultraschall-Projektionsmethode ist zwar vielversprechend, aber kompliziert in der Bedienung und ungeeignet für raue Umgebungen, was auf die Notwendigkeit einer weiteren Verfeinerung hinweist.
Da sich die industriellen Anforderungen mit der wirtschaftlichen Entwicklung verändern, werden die Anforderungen an die Methoden zur Rissprüfung von Verbindungselementen immer strenger. Zukünftige Detektionssysteme müssen bieten:
Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, werden neue Technologien wie maschinelle Lernalgorithmen für die Mustererkennung, fortschrittliche zerstörungsfreie Prüfverfahren wie Phased-Array-Ultraschall und neuartige Sensortechnologien erforscht. Die Integration dieser Technologien mit herkömmlichen Methoden kann zu robusteren und vielseitigeren Risserkennungssystemen für Verbindungselemente in verschiedenen industriellen Anwendungen führen.
Zur Erkennung von Rissschäden an Verbindungselementen wurden umfangreiche Forschungsarbeiten durchgeführt, aber die derzeitigen Methoden und Indikatoren zur Schadenserkennung beschränken sich auf traditionelle Erkennungsmethoden. Angesichts der Kosten für Prüfgeräte, der Umgebung, in der sie eingesetzt werden, und menschlicher Faktoren ist die Erkennung von Mehrfachrissen und Mikrorissen in Verbindungselementen ein aktuelles Forschungsgebiet.
Die Entwicklungsrichtung bei der Rissprüfung von Verbindungselementen besteht darin, eine schnelle Positionierung und genaue Quantifizierung zu erreichen, die Erkennungsgenauigkeit und -zuverlässigkeit zu verbessern und eine schnelle und effektive Risserkennung zu erzielen.
Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.
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