Entwicklung, Untersuchung und Anwendung von GMR-Sensorarrays für die Zerstörungsfreie Prüfung von ferromagnetischen Bauteilen

Abstract

Die Zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) ist ein wichtiges Werkzeug zur Qualitätssicherung sowie zur Überwachung sicherheitsrelevanter Bauteile. In der industriellen ZfP ist das Interesse an innovativen, kostengünstigen und sicherheitssteigernden ZfP-Methoden sehr groß. Die klassische Streuflussmethode ist die Magnetpulverprüfung, die sehr sensitiv auf Mikrorisse ist. Eine zuverlässige, automatische Prüfung ist hier aber nur bedingt und mit großem Aufwand zu erreichen. Die Lösung liegt im Einsatz von Magnetfeldsensoren, die zudem eine Bewertung der Defektgeometrie aufgrund der gemessenen Rissstreufelder ermöglicht. Insbesondere GMR-Sensoren (giant magneto resistance) eignen sich hierfür aufgrund ihrer kleinen Sensorelemente, welche eine hohe Ortsauflösung ermöglichen, und der sehr guten Feldempfindlichkeit. Jedoch sind kommerzielle GMR-Sensoren nicht an die Bedürfnisse der ZfP angepasst. Daher wurden während dieser Arbeit GMR-Sensoren dahingehend optimiert, dass sie für eine automatisierte Prüfung infrage kommen. Neben dem Design und der Charakterisierung der angepassten Sensoren wurden Messungen zur Detektionswahrscheinlichkeit durchgeführt. Um die Praxistauglichkeit zu untermauern, erfolgte ein quantitativer Vergleich mit alternativen ZfP-Oberflächenmethoden, der Wirbelstrom-, Magnetpulver- und Thermografieprüfung. Zusätzlich konnte der erfolgreiche Einsatz der GMR-Streuflussprüfung in einer industriellen, automatisierten Prüfeinrichtung unter Beweis gestellt werden.

Non-destructive testing is important for both quality control and maintenance of safety-related components. Modern industry steadily undergoes competition and cost pressure. Therefore, new innovative testing methods are key to increase safety and cost-effectiveness. The conventional magnetic flux leakage testing method (MFL) using magnetic particle inspection (MP) is a manual procedure which is very sensitive in terms of the detection of micrometer-scaled cracks. An automated reliable testing however calls for adapted magnetic field sensors. Additionally the quantification of stray fields allows an evaluation of defect geometry. GMR sensors (giant magneto resistance) are particularly well-suited for this purpose. Their low costs, excellent field sensitivity, and capacity to be miniaturized lead to high resolution test results. However, drawbacks exist for commercial GMR sensors which include nonadaption for NDT applications. To overcome this drawback one objective of this thesis was to optimize the geometry of the sensing elements for a GMR sensor array. After characterization, the new sensor arrays were used for validation and investigation of a probability of detection. In addition, by comparing GMR-MFL with other testing methods related to surface breaking defects (eddy current testing, MP, thermography), it was possible to classify in a first step GMR MFL testing in NDT. Finally, an automated GMR was tested successfully established for industrial purposes.