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We report on recent developments in the detection of surface breaking cracks using
flying laser spot thermography. Application of an infrared camera for mapping the
thermal radiation after excitation with a diode laser equipped with an optical scanner
allows us to examine a surface containing cracks in an entirely non-destructive,
contactless and fast way, without even moving the camera. We developed an efficient
and robust algorithm that can be applied directly to the recorded thermal sequences,
and that derives a single image containing all crack signatures. For this crack detection
technique, no specific synchronisation between laser and camera is required. Hence,
our approach is suitable for an upgrade of existing thermographic systems. The
feasibility of the proposed procedure is proven by testing an artificial test sample and a
piece of rail that comprises roll contact fatigue cracks and by comparing the results
with magnetic particle testing.
The paper presents numerical methods to detect and classify defects and inhomogeneities by means of active thermography. The objective is to determine the wall thickness of structure elements with an inaccessible back wall, for example, of pipes or Containers. As test specimens we used approximately 2 cm thick PVC samples with spatial variations in the back wall geometry. Flash lamps provided the heating. To know the thickness of the wall, we used two inversion methods and compared the results achieved. One is an iterative echo defect shape method and already tested on Steel test specimens with good reconstruction results. The second one is the Levenberg-Marquardt method, applied here to thermographic data for non-destructive testing. Since data capturing using active thermography and the presented numerical methods can easily be automated, the combination of these two procedures is a promising approach providing a broad area of application.
In dieser Arbeit wird ein kameragestütztes Verfahren zur Flying-
Spot-Thermografie vorgestellt. Die Anregung wird über einen Diodenlaser mit einem optischen Scanner realisiert. Bei der Auswertung kommt ein effizienter und robuster Algorithmus zum Einsatz, der direkt auf die mit der Kamera aufgenommene Thermografiesequenz angewendet werden kann, ohne auf eine
Synchronisation zwischen Kamera und Lasersystem angewiesen zu sein. Daher eignet sich diese Herangehensweise besonders zur Nachrüstung bestehender Thermografiesysteme.
Die prinzipielle Eignung dieser Methode wird anhand einer Messung an einem Schienenstück mit Rollkontaktermüdungsrissen gezeigt. Als Referenzverfahren werden die Magnetpulverprüfung und eine auf GMR (Giant Magnetoresistance)- Sensoren basierende Streufeldmessung herangezogen. Mit dem thermografischen Verfahren konnten sämtliche enthaltenen Fehler erkannt werden. Dabei wurden Risse im mm-Abstand getrennt nachgewiesen, was etwa der geometrischen Auflösung der eingesetzten Kamera entspricht.
In diesem Beitrag werden numerische Verfahren zur Erkennung und Charakterisierung von Fehlstellen, Schichtdicken, Wanddicken und Inhomogenitäten mittels aktiver Thermografie vorgestellt. Eine uantitative Beurteilung der nicht immer zugänglichen Rückwand eines Bauteils (Minderdicken) ist durch Inversion thermografischer Messdaten möglich. Diese quantitativen Informationen können durch iterative Methoden vom Gauß-Newton-Typ (Inversion) gewonnen werden. Als reale Prüfobjekte werden ca. 2 cm dicke PVC-Platten mit örtlich variierender Rückwandgeometrie untersucht. Die Erwärmung erfolgt mit
Blitzlampen, welche die PVC-Platte kurzzeitig um mehrere K erwärmt. Ein wichtiger Teil der Inversion ist die Simulation des Experiments, welche mit Finite-Elemente-Methoden (FEM) in 2D realisiert wird. Da Inversion und active Thermografie automatisierbar sind, bietet die Kombination breite Anwendungsgebiete innerhalb der Industrie.
Active thermography is a nowadays widely used NDT method making use of thermal material properties for defect detection. Basically, the sample is heated and the resulting surface temperature is recorded by an IR camera. For laser thermography a laser is used to heat the sample locally. The resulting spherical heat flow allows the detection of voids in arbitrary orientation. In this work, a method is presented which is suitable for the quantitative characterization of depth and angle of surface cracks. The main idea is to evaluate the crack-caused asymmetries of the laser's thermal footprint. The heat is introduced at fixed reference positions relative to the crack. In this paper a data analysis procedure is presented which allows the crack depth and angle to be described by only two characteristic scalar parameters. By investigating artificial test specimens with spark eroded notches, the feasibility of this method is validated. Furthermore, the behavior of the characteristic parameters with variations of crack angle, depth and experimental conditions is studied systematically by FEM simulations, showing that these parameters are well behaved.
Vor allem in der Automobilindustrie wird das Widerstandpunktschweißen im großen Unfang zur Verbindung von Blechen im Karosseriebau verwendet. Durch den anhaltenden Trend zum Leichtbau und den immer höheren Anforderungen an die passive Sicherheit kommt es hier zu einem verstärkten Einsatz innovativer hochfester Stähle. Obwohl es sich beim Punktschweißen um ein lange erprobtes Verfahren handelt, das sich anhand der Prozessparameter und regelmäßiger zerstörender Prüfung überwachen lässt, ist durch diese Entwicklung die Suche nach geeigneten zerstörungsfreien Prüfverfahren wieder aktuell. Wegen der hohen Produktionsgeschwindigkeiten in der automatisierten Fertigung muss sich das Prüfverfahren für eine hundertprozentige Prüfung vollautomatisch mit der typischen Taktrate von etwa einem Hertz durchführen lassen.
In dieser Arbeit wird zuerst die prinzipielle Durchführbarkeit der thermografischen Prüfung von Punktschweißverbindungen an speziell präparierten Proben überprüft. Auf dieser Grundlage wird eine Serienuntersuchung an 75 Proben, die sich auf drei Gruppen von Schweißparametern aufteilen und neben optimal geschweißten Proben typische Fehlerbilder repräsentieren, eine Serienuntersuchung gezeigt. Hierzu wird eine Blitzlichtanregung in Transmissionsanordnung verwendet.
Es kann gezeigt werden, dass sich mit einer geeigneten Datenaufbereitung die einzelnen Gruppen sicher trennen lassen. Durch eine statistische Bewertung der Ergebnisse kann unter Verwendung eines angepassten Gütekriteriums die Trennschärfe noch deutlich erhöht werden.
Impulse and lock-in thermography have been applied to detect delaminations of prototype solder joints, similar to those to be produced between Cu shunts and Cu busbar stabilisers at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN. Two infrared cameras with different detector materials and with different spectral ranges and two excitation techniques have been tested and compared for their ability to detect delaminations behind 2 and 3 mm thick Cu shunts. We have analyzed the signal to noise ratio (SNR) for each detected defect and are able to detect defects down to a nominal edge length of 4 mm behind 2 mm thick Cu shunts by using fast impulse thermography and a camera with a microbolometer array. For the 3 mm thick Cu shunt, on the other hand, the nominal 4 mm defect is only visible in the lock-in thermography phase images and the highest SNR has been achieved with a cooled InSb-based camera. In addition, numerical simulations show the influence of the minimum detectable defect size on the shunt thickness and that the developed on-site testing technique is sufficient to find all defects that are detectable theoretically.
Untersuchungen zur 2D- und 3D-Rekonstruktion von Rückwandgeometrien in der Impuls-Thermografie
(2012)
Spot welding is one of the most important technologies for joining sheet metal. While there are lot of approaches to non-destructive testing, quality assurance still mainly relies on welding parameter monitoring and destructive testing, leading to significant failure rates. In this paper an approach to spot weld testing using flash thermography is presented. The main focus of attention is on the identification of two typical error classes: stick welds and welds at the splash limit. Besides investigating the principal feasibility of thermography for zinc plated samples the results of a series test of spot welds joining 1 mm thick TRIP steel are shown. Based upon these results a statistical criterion is developed which allows a reliable classification of the named error classes.
In diesem Beitrag wird eine Methode zur Charakterisierung von
offenen Oberflächenrissen mittels aktiver Thermografie präsentiert. Hierzu wird die
Probe ortsfest lokal mit einem Laser erwärmt und die resultierende
Oberflächentemperatur mittels Infrarotkamera aufgenommen. Bei einer ungestörten
Probe ergibt sich ein rotationssymmetrisches Temperaturprofil. Betrachtet man
hingegen einen Bereich mit einem Oberflächenriss, so kommt es durch die Störung
des lateralen Wärmetransports zu einer unsymmetrischen Temperaturverteilung.
Durch die quantitative Analyse diese Unsymmetrie lassen sich Aussagen über
geometrische Parameter des Risses treffen.
Thermografische ZfP-Verfahren erlauben die Erkennung einer Vielzahl von Defekten in unterschiedlichsten Werkstoffen. Neue Ansätze unter Verwendung von Lasern ermöglichen darüber hinaus die Prüfung auf Oberflächenrisse. Wir stellen die neuesten Entwicklungen dieser vielversprechenden Technik vor und zeigen warum deren Einsatz potentiell die Standardprüfverfahren Magnetpulver- bzw. Eindringprüfung für eine Reihe von Prüfproblemen beerben könnte. Hierzu stellen wir die Prüfergebnisse zu unterschiedlichen metallischen Werkstoffen, Rissgrößen und -typen in Abhängigkeit der Prüfparameter vor. Die aktuelle Grenze der Nachweisempfindlichkeit für die mittels klassischer Thermografie schwer prüfbaren hochreflektierenden Metalloberflächen liegt mit Rissbreiten und -tiefen von weni-gen Mikrometern im Bereich der fluoreszierenden Magnetpulver- und Eindringprüfung. Dabei sind weder Verbrauchsmittel noch eine Oberflächenpräparation notwendig und eine Prüfung kann berührungslos und automatisiert über Entfernungen im Meter-Bereich erfolgen.
The paper presents a numerical method to detect and characterise defects and inhomogeneities by means of active thermography. The objective was to determine the wall thickness of structure elements with an inaccessible back wall, e.g., elements of pipes or containers. As test specimens we used PVC samples with the thickness of about 2 cm that had spatial variations in the back wall geometry. Flash lamps provided the heating. To measure the thickness of the wall, we employed the LevenbergMarquardt method, which we applied here to experimental thermographic data for non-destructive testing. We started the inversion procedure by making a rough first estimation of the back wall geometry following the echo defect shape method, and then we calculated the thickness of the back wall. We found reasonable reconstruction results which differed from the real value significantly below 1 mm at the defect centre, whereas the error wais increased at the edge of the defect, depending on its shape and depth.
We present a systematic study on the performance of laser-thermography for the detection of surface cracks in metallic components. Scanning a metallic surface with laser causes local heating that is mapped simultaneously by an IR-camera and allows identifying cracks with sub-µm openings. The detectability, however, depends on a number of acquisition parameters (e.g. scanning speed, laser power, IR-camera resolution) that typically relate on each other. Most importantly, the detection-sensitivity of surface breaking cracks is given by a particular combination for the acquisition parameter values. As a result, this sensitivity is adaptable within wide ranges allowing the detection of cracks with openings ranging from 200 to 0.1 µm at testing speeds of 100 to 0.05 cm²/s. By examining artificial as well as fatigue cracks, we demonstrate that the method can be even applied to shiny surfaces with no need of pretreatments, which makes it an entirely contactless, remote and automatable NDT technique. A comparison with magnetic particle testing shows that laser-thermography has the potential to become a strong competitor to conventional surface inspection methods in the future.
Der Large Hadron Collider (LHC) des europäischen Kernforschungszentrums CERN ist einer der weltweit größten und leistungsfähigsten Teilchenbeschleuniger. Um den Teilchenstrahl auf seiner Kreisbahn zu halten, werden mit Hilfe supraleitender Spulen sehr starke Magnetfelder erzeugt. Die hierzu benötigten hohen Ströme werden über Verbunddrähte aus Niob-Titan und Kupfer geleitet.
Die Drähte werden u.a. durch Ultraschallschweißungen miteinander verbunden. Eine mangelhafte Verbindung kann zur Erwärmung der Kontaktstelle und in Folge davon zum Zusammenbruch der Supraleitung führen. Auf Anfrage des CERN wurden an der BAM Untersuchungen zur Prüfbarkeit solcher Verbindungen bei Umgebungstemperatur durchgeführt. Es gelang, für einen Verbindungstypen einen Wirbelstromsensor für eine manuelle Prüfung zu entwickeln. Ein Prototyp des Sensors befindet sich beim CERN in der praktischen Erprobung. Das Sensorprinzip sowie Prüfergebnisse aus Labor und Praxis werden vorgestellt.
In this article, we present a measurement procedure to gain information about depth and angle of open surface cracks. The method is based on a local excitation with, e.g., a laser. The resulting surface temperature is recorded with an infrared camera. Based on this data, crack-caused anisotropies in the lateral heat flow can be detected and exploited to characterise the cracks.
The experimental set-up is based on a Nd:YAG laser. The beam is focused on the test sample by using an optical scanner to generate the required lateral heat flow. The time resolved temperature distribution is recorded with a high-speed infrared camera (InSb FPA, 3 to 5 µm) providing a frame rate of up to 500 Hz.
Up to now, only qualitative information was gained from measurements of this type. Whereas the local transient behaviour of temperature distribution provides also quantitative information of the crack parameters. The general concept of the method presented herein has already been published [1], but the mentioned publication is focused on the crack depth only.
In this paper, we can show that it is possible to simultaneously resolve the angle and depth and, in particular, the depth of non-perpendicular cracks.