Physikalische Grundlage
Beim Wirbelstromprüfverfahren (ET — Eddy Current Testing) wird durch eine mit Wechselstrom gespeiste Spule ein zeitlich veränderliches Magnetfeld erzeugt, das im elektrisch leitfähigen Prüfgegenstand Wirbelströme induziert. Diese Wirbelströme erzeugen ihrerseits ein Gegenfeld, das die Impedanz der Prüfspule verändert — diese Impedanzänderung ist das Messsignal.
Eine fundamentale Eigenschaft von Wirbelströmen ist die Skineffekt-bedingte Abnahme der Stromdichte mit der Tiefe: Die Wirbelstromamplitude nimmt von der Oberfläche nach innen exponentiell ab.
Mathematische Beschreibung der Eindringtiefe
Die Standardeindringtiefe δ (auch: Eindringtiefe, Skin-Tiefe) ist definiert als die Tiefe, in der die Wirbelstromdichte auf 1/e ≈ 37 % (also um 63 %) ihres Oberflächenwerts abgefallen ist:
δ = 1 / √(π · f · μ₀ · μᵣ · σ)
mit:
- f — Prüffrequenz in Hz
- μ₀ = 4π × 10⁻⁷ H/m (magnetische Feldkonstante)
- μᵣ — relative Permeabilität des Werkstoffs (Stahl: >> 1; Aluminium, Kupfer, Titan: ≈ 1)
- σ — elektrische Leitfähigkeit in S/m
Praktische Näherungsformel (δ in mm, f in Hz, σ in MS/m):
δ ≈ 503 / √(f · μᵣ · σ)
Eindringtiefen für typische Werkstoffe
| Werkstoff | σ (MS/m) | μᵣ | δ bei 1 kHz | δ bei 10 kHz | δ bei 100 kHz |
|---|---|---|---|---|---|
| Aluminium (rein) | 37 | 1 | 2,6 mm | 0,83 mm | 0,26 mm |
| Kupfer | 58 | 1 | 2,1 mm | 0,66 mm | 0,21 mm |
| Titan (Ti-6Al-4V) | 0,6 | 1 | 20,5 mm | 6,5 mm | 2,1 mm |
| Baustahl (S235) | 5 | 200 | 0,5 mm | 0,16 mm | 0,05 mm |
| Austenitischer Stahl | 1,4 | 1 | 13,5 mm | 4,3 mm | 1,35 mm |
Standardeindringtiefe und Dreifache Standardeindringtiefe
- 1 × δ: Wirbelstromdichte auf 37 % — in der Praxis noch messbarer Beitrag.
- 2 × δ: Wirbelstromdichte auf ca. 14 % — schwaches Signal.
- 3 × δ: Wirbelstromdichte auf ca. 5 % — praktische Grenze der Nachweisbarkeit (95 % Abfall). Fehler tiefer als 3δ sind mit ET in der Regel nicht mehr zuverlässig detektierbar.
Frequenzwahl in der Praxis
Die Frequenzwahl ist der wichtigste Parameter bei der Einrichtung einer ET-Prüfung:
- Hohe Frequenz (100 kHz – 2 MHz): Geringe Eindringtiefe; optimal für Oberflächenfehler (Risse, Korrosionsgrübchen) und Beschichtungsdicke.
- Niedrige Frequenz (0,1–10 kHz): Größere Eindringtiefe; für Fehler unter Oberflächen, Korrosion unter Beschichtungen (CUI), Wanddickenmessung von Rohren.
- Mehrfrequenz-ET: Simultane Messung auf 2–4 Frequenzen; Unterdrückung von Störsignalen (z. B. Stützen, Durchmesseränderungen) durch algebraische Kombination.
Phase-Amplitudendiagramm (Impedanzebene)
Signale werden in der komplexen Impedanzebene (X-Y-Diagramm) dargestellt. Die Phase des Signals (Winkel zwischen X- und Y-Achse) ist charakteristisch für die Fehlertiefe: Oberflächenfehler liefern anderen Phasenwinkel als tieferliegende Fehler. Durch Phasenrotation kann zwischen Oberflächen-, Nahoberflächen- und tiefliegenden Fehlern unterschieden werden. Aufhebungssignale durch Liftoff (Abheben der Sonde) werden durch Phasensteuerung vom Fehlersignal getrennt.
Praktische Konsequenzen und Grenzen
ET ist grundsätzlich nur für elektrisch leitfähige Werkstoffe geeignet. Der Skineffekt beschränkt die Nachweistiefe bei ferromagnetischen Stählen auf wenige Zehntel Millimeter (bei typischen Prüffrequenzen). Daher ist ET primär ein Oberflächen- und Nahoberflächen-Prüfverfahren: für Risse, Korrosion, Schichtdickenmessung, Materialunterscheidung. Für tieferliegende Fehler sind UT, RT oder weitere Verfahren erforderlich.