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Catastrophic optical damage (COD) is analyzed during single current pulse excitation of 975 nm emitting diode lasers. Power transients and thermal images are monitored during each pulse. The COD process is unambiguously related to the occurrence of a thermal flash of Plancks radiation. We observe COD to ignite multiple times in subsequent pulses. Thermography allows for tracing a spatial motion of the COD site on the front facet of the devices. The time constant of power decay after the onset of COD has values from 400 to 2000 ns, i.e., an order of magnitude longer than observed for shorter-wavelength devices.
The spontaneous emission of a GaAs-based tapered laser diode emitting at λ = 1060 nm was measured through a window in the transparent substrate in order to study the carrier density distribution inside the device. It is shown that the tapered geometry is responsible for nonuniform amplification of the spontaneous/stimulated emission which in turn influences the spatial distribution of the carriers starting from below threshold. The carrier density does not clamp at the lasing threshold and above it the device shows lateral spatial hole-burning caused by high stimulated emission along the cavity center.
Wärmebehandlung und zerstöungsfreie Prüfung: Oberflächenrisse mit der Laser-Thermografie finden
(2014)
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.
Für die optische Erwärmung von Prüfteiloberflächen sind Blitz- und Halogenlampen Stand der Technik. Der Vorteil dieser Wärmequellen liegt in ihren relativ geringen Anschaffungskosten bei gleichzeitig hohen Leistungsdichten am Prüfobjekt. Nachteilig ist bei den Halogenlampen die Limitierung der möglichen Modulationsffequenz auf ca. 1 Hz für die Anwendung dieser Quelle in der Lockin-Thermografie. Blitzlampen bieten für gewöhnlich nur eine feste Blitzdauer bei einer geringen Taktrate. Beide Anregungsquellen müssen in Reflexionsanordnung mit Filtern betrieben werden um die entstehende thermische Eigenstrahlung als Störquelle zu eliminieren. Wir stellen Untersuchungen an Hochleistungs-LEDs für den Einsatz in der aktiven Thermografie vor. Diese Lichtquellen werden durch die rasante Entwicklung der möglichen Leistungsdichten nun auch für die thermografische ZfP interessant. Sie zeigen ähnlich dem Laser eine schmale und auf den Werkstoff abstimmbare spektrale Verteilung der Strahlungsleistung bei moderaten Kosten. Die zugrunde liegende Elektrolumineszenz generiert kaum Wärmestrahlung und ermöglicht dadurch die Prüfung während des Erwärmungsvorganges ohne größeren Aufwand. Modulationsfrequenzen über 100 Hz mit thermischen Eindringtiefen < 1 mm sind möglich. Dadurch qualifizieren sich die LEDs zur Anwendung in der Lockin-Thermografie von Metallen und zur oberflächennahen Prüfung von Schichtsystemen. Durch die fast verzögerungsffeie Reaktion der LED auf das steuernde Signal sind nahezu beliebige zeitliche Anregungsformen möglich. Mit solch flexiblen Anregungsformen ließen sich bereits bei den photothermischen Verfahren erfolgreich höhere Tiefenreichweiten und -auflösungen gegenüber den klassischen Methoden der monofrequenten Lockin - und energiereichen Kurzimpuls-Anregung erzielen. Untersuchungen dieser Möglichkeiten im praktischen Einsatz der HochleistungsLEDs werden vorgestellt und mit herkömmlichen Lichtquellen verglichen.
Wärmebehandlung und zerstörungsfreie Prüfung: Oberflächenrisse mit der Laser-Thermografie finden
(2015)
Die Thermografie als zerstörungsfreies Prüfverfahren erlaubt das Erkennen einer Vielzahl von Defekten in unterschiedlichsten Werkstoffen. Hierzu ist zum einen eine Energiequelle erforderlich, welche einen Wärmestrom im Werkstück erzeugt, und zum anderen eine Infrarot-Kamera, welche den orts- und zeitabhängigen Temperaturverlauf der Werkstückoberfläche analysiert. Neue Ansätze unter Verwendung von Lasern ermöglichen nun auch die Prüfung auf winzige Oberflächenrisse. Die aktuelle Grenze der Nachweisempfindlichkeit für mittels klassischer Thermografie nur schwer prüfbare hochreflektierende Metalloberflächen liegt mit Rissbreiten und -tiefen bis hinunter in den Sub-Mikrometerbereich und damit im Bereich der fluoreszierenden Magnetpulver- und Eindringprüfung. Dabei sind jedoch weder Verbrauchsmittel, noch eine Oberflächenpräparation notwendig und eine Prüfung kann berührungslos und automatisiert über Entfernungen bis in den Meter-Bereich erfolgen. Bei der Wärmebehandlung und insbesondere beim Randschichthärten mittels Laserstrahlung stehen ebenfalls hochleistungsfähige Energiequellen zur Erzeugung intensiver dynamischer Temperaturgradienten zur Verfügung. Damit eröffnet sich unmittelbar die Möglichkeit der Integration der thermografischen Prüfung in die Fertigung. Der Beitrag stellt die neuesten Entwicklungen der vielversprechenden Laser-Thermografie-Technik vor und zeigt, warum deren Einsatz potentiell die Standardprüfverfahren Magnetpulver- bzw. Eindringprüfung für eine Reihe von Prüfproblemen beerben könnte.
Widerstandspunktschweißen ist insbesondere im Automobilbau eine der wichtigsten Fügetechniken. Bislang erfolgt die Qualitätssicherung überwiegend durch stichprobenartige zerstörende Prüfung. Eine zerstörungsfreie Prüftechnik würde neben der Reduzierung der Prüfkosten auch eine Optimierung des Punktschweißverfahrens bedeuten, da prinzipiell jeder Schweißpunkt geprüft werden könnte und somit auch eine Reduzierung der Anzahl der Schweißpunkte möglich ist.
Es wird ein Verfahren vorgestellt, bei dem die Punktschweißverbindung zwischen zwei Stahlblechen optisch auf einer Blechseite mittels Laser oder Blitzlicht erwärmt wird. Die aufgeschmolzene Zone, die sogenannte Schweißlinse, stellt dabei neben der mechanischen Verbindung auch eine Wärmebrücke zwischen den beiden verschweißten Blechen dar, die bei diesem Verfahren ausgenutzt wird. Durch den verbesserten thermischen Kontakt zwischen den verschweißten Blechen an der Schweißlinse kontrastiert diese deutlich mit dem umgebenden Blechmaterial, bei dem der Wärmeübertrag zwischen den Blechen vergleichsweise gering ist. Dieser Kontrast im thermischen Verhalten kann mittels zeitabhängiger Thermografie gemessen werden.
Durch das hier vorgestellte Verfahren kann mittels aktiver Thermografie sowohl in Transmissions- als auch in Reflexionsanordnung die Größe des thermischen Kontaktes zwischen den beiden Blechen ermittelt werden, welche ein Maß für die Größe der Schweißlinse und damit für die qualitative Güte der Schweißung darstellt. Ein Vorteil des entwickelten Verfahrens ist seine Anwendbarkeit auf Bleche ohne Oberflächenbehandlung.
Sicherheitsrelevante und zyklisch hoch belastete Bauteile erfordern zur Vermeidung von kostenintensiven Ausfällen besonders stabile Prozessparameter. Bereits sehr kleine Randzonenfehler können unter zyklischer Bauteilbelastung zu Risswachstum und letztendlich zum Bauteilversagen führen. Die frühzeitige Erkennung von Randzonenfehler in Hochleistungsbauteilen wie z.B. Zahnräder, Ritzelwellen und Kurbelwellen erfordert daher eine leistungsfähige zerstörungsfreie Oberflächenrissprüfung, die es ermöglicht in den hochbeanspruchten Funktionsflächen auch Härterisse, Schleifrisse oder Zundereinschlüsse zu detektieren.
Hierzu sind in den letzten Jahren einige neue, innovative Oberflächenprüfverfahren wie die laserangeregte Thermografie und die Streuflussprüfung mit hochauflösenden GMR-Sensoren oder magnetooptischen Verfahren entwickelt worden. Zusätzlich zur hohen Empfindlichkeit zeichnen sich diese innovativen Verfahren durch einen schnellen und teils auch berührungslosen Einsatz aus. Da die noch relativ neu-en Verfahren naturgemäß noch nicht normativ verankert sind, wurden auch bereits erste Validierungen durchgeführt. Um die Leistungsfähigkeit der Verfahren eingehend zu untersuchen, erfolgten Testreihen an verschiedenen Testkörpern in Bezug auf Ortsauflösung, Empfindlichkeit, Automatisierung und Bewertung der Messsig-nale.
Neben den neuen Verfahren und ihren ersten Schritten hin zur Validierung kamen als Referenz auch die „klassischen“ Verfahren der Magnetpulver- und Wirbelstromprüfung zum Einsatz, deren Leistungsfähigkeit durch angepasste Sondenentwicklung auch für sehr kleine Oberflächendefekte nochmals unter Beweis gestellt wurde. Zusätzlich wurde an einigen Testkörpern eine hochauflösende CT durchgeführt. Die Ergebnisse dieses Vergleiches werden vorgestellt und Möglichkeiten sowie Grenzen der einzelnen Verfahren herausgearbeitet.
The detection and characterization of surface cracks in steel specimens prior to damage is a technologically and economically highly significant task and is of utmost importance when it comes to safety-relevant structures. In steel production where steel billets at high temperatures have to be inspected while moving a number of well-established NDT methods cannot be applied. Laser thermography however is a promising candidate to serve as a fast, non-contact and remote tool in this case. We present a study that shows that the crack detection capabilities of laser thermography can be extended also to specimens at high temperature. A combination of inductive and laser heating allows to systematically study the contrast formation as well as the optimization of the important measurement parameters. The experiments are accompanied by FEM simulations that provide a better insight of the physical correlations and support the experimental developments. The aim of these studies is to develop a system with high inspection speed and detection performance to be in-line operated under the hostile environment of steel production lines.
In-line laser thermography for crack detection at elevated temperature: A Numerical modeling study
(2016)
The detection and characterization of cracks prior to damage is a technologically and economically highly significant task and is of very importance when it comes to safety-relevant structures. The evaluation of a components life is closely related to the presence of cracks in it. Laser thermography has already high capability for the detection of surface cracks and for the characterization of the geometry of artificial surface flaws in metallic samples. Crack detection in metallic samples at high temperature is highly significant in present manufacturing scenario. During the casting process of billets, surface cracks form, due to the suboptimal cooling rates. These cracks reduce value of the billet and must be removed using machining process after cooling. This secondary process increases cost of manufacturing. In this work we developed a heat transfer model for laser thermography to study the thermal contrast variation with increase in surface temperature using finite element method (FEM). Here we are mainly concentrating the capability of the scanning laser thermography in crack detection which are in elevated temperature and numerical modeling study of thermal contrast variation of crack with respect increase in metal surface temperature. This study is important to prove the capability of laser thermography for crack detection in elevated temperature. Since we are using High power CW Laser to local heating of the metal surface which can give relatively high thermal contrast even at elevated temperature compare to other heating source. Here we are modeled and simulated 2D laser scanning across a surface breaking crack and developed an algorithm to produce the vicinity of crack. The algorithm we developed applied for various surface temperature data. And validated the credibility of the algorithm with experimental data.
Da die Thermografie als zerstörungsfreies Prüfverfahren noch vergleichsweise neu in der Anwendung ist, beziehen sich die aktuell veröffentlichten und überarbeiteten Normen und Richtlinien im Wesentlichen auf die grundlegenden Prinzipien des Verfahrens und die verschiedenen Anregungs- und Auswertungstechniken, auf die Begriffe und auf die Gerätetechnik.
Die grundlegenden Normen zum Prinzip des Prüfverfahrens, zu den Geräten und zu den Begriffen wurden in 2016 grundlegend überarbeitet und als CEN-Normen neu veröffentlicht. Im Anschluss dazu wird in 2017 der überarbeitete Normentwurf zur aktiven Thermografie veröffentlicht. Mit der Bearbeitung einer europäischen Norm zur Laserthermografie wurde begonnen.
Auf nationaler Ebene werden zur Zeit Normen zu den verschiedenen Anregungstechniken erarbeitet. Anfang 2017 wurde der Normentwurf zur Impuls-Thermografie mit optischer Anregung veröffentlicht. Geplant sind weiterhin Entwurfsveröffentlichungen zur induktiv angeregten Thermografie sowie zur Lock-in-Thermografie mit optischer Anregung. Parallel dazu wurde die Überarbeitung der Norm zur Thermografischen Prüfung elektrischer Anlagen publiziert.
Mit der Richtlinie VDI/VDE 3511 Blatt 4 bis 4.4 gibt es ein anerkanntes Regelwerk für die rückführbare Temperaturmessung und Kalibrierung von Strahlungsthermometern, die bisher für Thermografiekameras fehlte. In 2016 wurde daher die VDI/VDE Richtlinie 5585 Blatt 1 zur messtechnischen Charakterisierung von Thermografiekameras als Entwurf veröffentlicht. In Bearbeitung ist momentan Blatt 2 zur Kalibrierung von Thermografiekameras mit dem Ziel, auch für Thermografiekameras anerkannte Regeln zur rückführbaren Temperaturmessung zu erstellen.
Im Beitrag werden die Anwendungsbereiche dieser Normen und Richtlinien vorgestellt und neue zukünftige Anwendungsbereiche in der Fertigung und Instandhaltung diskutiert.
Among the photothermal methods, full-field thermal imaging is used to characterize materials, to determine thicknesses of layers, or to find inhomogeneities such as voids or cracks. The use of classical light sources such as flash lamps (impulse heating) or halogen lamps (modulated heating) led to a variety of nondestructive testing methods, in particular lock-in and flash-thermography.
In vertical cavity surface emitting lasers (VCSELs), laser light is emitted perpendicular to the surface with a symmetrical beam profile. Due to the vertical structure, they can be arranged in large arrays of many thousands of individual lasers, which allows power scaling into the kilowatt range. Recently, a high-power yet very compact version of such a VCSEL-array became available that offers both the fast timing behavior of a laser as well as the large illumination area of a lamp.
Moreover, it allows a spatial and temporal control of the heating because individual parts of the array can be controlled arbitrarily in frequency, amplitude, and phase. In conjunction with a fast infrared camera, such structured heating opens up a field of novel thermal imaging and testing methods. As a first demonstration of this ansatz, we chose a testing problem very challenging to conventional thermal infrared testing: The detection of very thin subsurface defects perpendicularly oriented to the surface of metallic samples. First, we generate destructively interfering thermal wave fields which are then affected by the presence of defects within their reach. It turned out that this technique allows highly sensitive detection of subsurface defects down to depths in excess of the usual thermographic rule of thumb, with no need for a reference or surface preparation.
Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSELs) sind Diodenlaser, welche Laserstrahlung mit gutem Strahlprofil senkrecht zur Chipoberfläche emittieren. Aufgrund dieser vertikalen Bauweise können sie in großen Arrays zu vielen tausenden einzelnen Lasern zusammengefasst werden. Solch ein VCSEL-Array vereint das schnelle zeitliche Verhalten eines Diodenlasers mit der hohen optischen Bestrahlungsstärke und dem großen Beleuchtungsbereich von Blitzlampen oder LEDs und kann damit potentiell alle herkömmlichen Lichtquellen der Thermografie ersetzen.
Darüber hinaus kann der Prüfkörper mithilfe dieser Lichtquelle strukturiert erwärmt werden, da einzelne Bereiche des VCSEL-Arrays unabhängig voneinander angesteuert werden können. Dieser neue Freiheitsgrad ermöglicht die Entwicklung neuer thermografischer ZfP-Verfahren. Wir demonstrieren diesen Ansatz anhand eines für die konventionelle Thermografie nur sehr bedingt lösbaren Prüfproblems, der Detektion vertikal zur Oberfläche ausgerichteter, sehr dünner, verdeckter Defekte in metallischen Werkstoffen. Wir erzeugen hierzu destruktiv interferierende thermische Wellenfelder. Defekte im Einflußbereich dieser thermischen Wellenfelder stören die destruktive Interferenz und erlauben eine hochsensible Detektion bis in Tiefen jenseits der üblichen thermografischen Faustformel, ohne Referenz und ohne Oberflächenbehandlung.