Bildgebende Analyse der Remanenzflussdichte

Einführung

Die zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) von Widerstandspressschweißverbindungen stellt nach wie vor eine große Herausforderung dar. Ultraschallbasierte Methoden, die sich etabliert haben, stoßen bei der Bewertung von Blechkombinationen mit deutlich unterschiedlichen Blechdicken und bei großen Elektrodeneindrucktiefen an ihre Grenzen. Die bildgebende Analyse der Remanenzflussdichte zeigt in einem abge-schlossenen und Forschungsvorhaben (IGF-Nr. 17.539 BR, IGF-Nr. 19.208 BR) genau in diesen Grenzbereichen hohes Potential. Dabei wird die Fügeverbindung durch Spulen nach dem Schweißen magnetisiert. Anschließend wird das eingeprägte Magnet-feld bzw. die Remanenzflussdichte flächig vermessen. Abbildung 1  zeigt den maßstabs-gerechten Vergleich zwischen zerstörend und zerstörungsfrei geprüfter Probe.

© Christian Mathiszik

Theoretische Grundlagen

Materialien und Werkstoffe können nach ihrem magnetischen Verhalten in dia-, para- und ferromagnetische Stoffe eingeteilt werden. Die relative Permeabilität μr liegt bei diamagnetischen Werkstoffen knapp oberhalb von eins (μ_r≳1) und bei para-magnetischen Werkstoffen knapp unterhalb von eins (μ_r≲1). Ferromagnetische Werkstoffe verstärken ein von außen anliegendes Magnetfeld in ihrem Inneren. Ihre relative Permeabilität ist weit größer als eins (μ_r≫1). Der Zusammenhang zwischen magnetischer Flussdichte B im Inneren des Werkstoffes und dem äußeren Magnet-feld H kann mit Gleichung 1 beschrieben werden. Diese Beziehung weist keine Linearität auf, was Anhand einer typischen Magnetisierungskurve1 ersichtlich wird (Abbildung 2). Mit zunehmender magnetischen Feldstärke des äußeren Magnetfeldes nimmt die magnetische Flussdichte zunächst rapide zu (Abbildung 2, Kurve a). Dabei richten sich die magnetischen Momente parallel zum äußeren Magnetfeld aus. Ab einer bestimmten magnetischen Feldstärke sind alle magnetischen Momente ausgerichtet und die magnetische Flussdichte nimmt mit steigender magnetischer Feldstärke nicht weiter zu. Der Werkstoff ist magnetisch gesättigt. Wird anschließend das äußere Magnetfeld entfernt, bleibt eine Restmagnetisierung B_r im Material erhalten (Abbildung 2, Kurve b). Die Restmagnetisierung wird als Remanenz bezeichnet.

© R. P. Feynman, R. B. Leighton und M. Sands

Wird die Fügestelle durch Magnetisierungsspulen nach dem Schweißen magnetisiert beeinflusst die Größe der Schweißlinse das von außen wirkende Magnetfeld. Bei entsprechend hoher magnetischer Feldstärke richten sich die magnetischen Momente im Inneren der Probe parallel zu den Feldlinien des Magnetfeldes aus. Abbildung 3 zeigt die Verläufe der magnetischen Feldlinien aus FEM-Simulationen während der Magnetisierung einer kleinen und einer großen Schweißlinse. Es werden signifikante Unterschiede im Verlauf der Feldlinien deutlich. Bei einer großen Schweißlinse kommt es zu einer stärkeren Konzentration der magnetischen Feldlinien senkrecht zur Querschnittsfläche in der Fügeebene als bei der kleinen Schweißlinse. Dies bestimmt die Ausprägung der messbaren Remanenz an der Oberfläche der Proben. Dieser Zusammenhang wird mit dem immer vorhandenen Spalt zwischen den Blechen (beispielsweise Luft, Verzinkung, Klebstoffe) begründet. Während der Spalt eine relative Permeabilität von μ_r ≈ 1 aufweist, ist die relative Permeabilität der Schweißlinse viel größer (ferromagnetische Eigenschaften

© Christian Mathiszik

Experimenteller Versuchsaufbau

Video 1 zeigt den schematischen Prozessablauf. Nach dem Schweißen wird die Fügeverbindung beidseitig mittels Magnetisierungsspulen magnetisiert. Anschließend wird die Remanenzflussdichte an der Blechoberfläche mit einem Hallsensor durch mäanderförmiges Scannen der Proben gemessen.

Veröffentlichungen

Weiterführende Themen

Prozessbegleitende Ultraschallmessung