Was sind Wirbelströme?

Üblicherweise bewirken Menschen, die sich bewegen, etwas. Gilt das auch für Elektronen? Die Antwort lautet: ja. Ihre Bewegung, die einen Strom darstellt — den Wirbelstrom —, erzeugt ihrerseits ein magnetisches Wechselfeld, das dem anregenden Magnetfeld entgegenwirkt und es schwächt. Dieses durch die Wirbelströme erzeugte magnetische Wechselfeld wird als Sekundärfeld bezeichnet, das infolge des anregenden Magnetfelds entsteht. Das anregende magnetische Wechselfeld ist das Primärfeld.

Das primäre magnetische Wechselfeld wird üblicherweise durch wechselstromdurchflossene Spulen erzeugt. Diese sorgen dafür, dass das Primärfeld in den Werkstoff eindringt und die Wirbelströme anregt. Dadurch bewegen sich die „angeregten“ Elektronen auf gekrümmten Bahnen hin und her. Je höher die elektrische Leitfähigkeit des Werkstoffs, desto besser funktioniert die Erzeugung der Wirbelströme.

Die Wirbelströme selbst sind nicht passiv und erzeugen durch ihre Bewegung ein sekundäres magnetisches Wechselfeld, das das Primärfeld schwächt und somit außerhalb des Werkstoffs nachgewiesen werden kann. Das Sekundärfeld kann damit Aufschluss über das Verhalten der Wirbelströme im Inneren des Werkstoffs geben.

Wirbelströme sind Elektronen, die sich im Werkstoff auf gekrümmten Bahnen hin und her bewegen. Diese Elektronen können gewissermaßen als „Spione“ dienen — sie zeigen an, ob im Werkstoff alles so ist, wie es sein soll, oder ob es Störungen gibt. Eine solche Störung könnte zum Beispiel ein Riss in einem Metall sein. Für die bewegten Elektronen könnte dies ein großes Hindernis darstellen, das ihnen den Weg versperrt, sodass sie eine andere Route finden müssten. Um auf den Vergleich mit einer Großstadt zurückzukommen, könnte dies etwa eine gesperrte Straße sein.

Wie wirkt sich nun ein solches Hindernis auf die Elektronen im Werkstoff aus? Die Elektronen können sich nicht über das Hindernis hinwegbewegen, sodass hier kein Wirbelstrom fließt. Das bedeutet auch, dass es an der Stelle des Hindernisses kein sekundäres Magnetfeld gibt, was wiederum bedeutet, dass das primäre anregende Feld nicht geschwächt wird. Daraus folgt, dass sich Fehler in einem elektrisch leitfähigen Werkstoff über die Amplitude des magnetischen Wechselfelds nachweisen lassen, das aus der Überlagerung von anregendem Feld und Sekundärfeld resultiert.

Wenn die Elektronen durch das Hindernis zu einem Umweg gezwungen werden, der zusätzliche Zeit erfordert, so bedeutet dies — verglichen mit dem ungestörten Fall — eine zeitliche Verschiebung zwischen dem primären und dem sekundären Magnetfeld. Man spricht hier von einer Phasenverschiebung zwischen den beiden Feldern. Auch diese lässt sich messen.

Zum Auffinden von Fehlern im Werkstoff stehen somit Amplituden und Phasen der durch die Wirbelströme verursachten Magnetfeldänderungen zur Verfügung. Unterschiedliche Fehler im Werkstoff bewirken offensichtlich ein unterschiedliches Verhalten der Wirbelströme und ihrer Signale, was es ermöglicht, zwischen verschiedenen Fehlern zu unterscheiden. So liefern etwa Materialverluste oder Wandschwächungen durch Korrosion andere Signalantworten als Risse. Aus diesem Grund kann die Anwendung der Werkstoffprüfung mit Wirbelströmen sehr vielseitig sein.

Die in der Wirbelstromtechnik eingesetzten Messsonden bestehen normalerweise aus einer Sendespule zur Erzeugung des anregenden Primärfelds und einer Empfangsspule zur Messung des resultierenden Magnetfelds. Aus diesem Grund ist die Herstellung der Spulen verhältnismäßig einfach und kostengünstig.

Verwendet werden elektrische Spannungen und Ströme im Frequenzbereich bis zu einigen Megahertz. In der Regel werden die analogen Signale der Sonden in digitale Signale umgewandelt, sodass sich die Wirbelstromsignale schnell und einfach auswerten lassen. Da es sich um elektromagnetische Signale handelt, wirken sie schnell, und es lassen sich hohe Prüfgeschwindigkeiten erreichen. Die Signale sowie ihre Verarbeitung und Auswertung ermöglichen den Aufbau vollautomatischer Wirbelstrom-Prüfanlagen für die Online- oder Inline-Prüfung von Werkstücken während der Fertigung.