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Wärmebehandlung und zerstöungsfreie Prüfung: Oberflächenrisse mit der Laser-Thermografie finden
(2014)
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.
Mit Laserlicht kann man eine Materialoberfläche berührungslos und schnell moduliert aufheizen. Dabei entsteht eine stark gedämpfte Wärmewelle, die tief ins Material eindringen kann. Erzeugt und überlagert man solche thermischen Wellen auf kohärente Weise, dann kann man damit versteckte Materialfehler zerstörungsfrei und sehr präzise aufspüren. Sogar eine bildgebende Tomografie ist denkbar.
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.
Die thermografische ZfP basiert auf der Wechselwirkung von thermischen Wellen mit Inhomogenitäten. Diese Inhomogenitäten hängen mit der Probengeometrie oder der Materialzusammensetzung zusammen. Obwohl die Thermografie für ein breites Spektrum von Inhomogenitäten und Materialien geeignet ist, ist die grundlegende Einschränkung die diffuse Natur der thermischen Wellen und die Notwendigkeit, ihre Wirkung lediglich an der Probenoberfläche radiometrisch messen zu können. Die Ausbreitung der thermischen Wellen von der Wärmequelle über die Inhomogenität zur Detektionsoberfläche führt zu einer Verschlechterung des räumlichen Auflösungsvermögens der thermografischen Technik. Ein neuer konzertierter Ansatz auf Basis einer räumlich strukturierten Erwärmung und einer Joint Sparsity des Signalensembles ermöglicht eine verbesserte Rekonstruktion von Inhomogenitäten.
Im Beitrag wird die Implementierung dieses Ansatzes auf Basis einer strukturierten Beleuchtung mit einem 1D-Laser-Array vorgestellt. Die einzelnen Emitterzellen des Laser-Arrays werden durch ein pseudozufälliges Binärmuster gesteuert und zusätzlich leicht verschoben. Die wiederholte Messung dieser verschiedenen Konfigurationen bei gleichzeitig konstanter Inhomogenität ermöglicht eine Rekonstruktion der Inhomogenität unter Ausnutzung der Joint Sparsity.
Using spatial and temporal shaping of laser-induced diffuse thermal wave fields in thermography
(2020)
The diffuse nature of thermal waves is a fun-damental limitation in thermographic nonde-structive testing. In our studies we investigated different approaches by shaping the thermal wave fields which result from heating. We have used high-power laser sources to heat metallic samples. Using these spatial and temporal shaping techniques leads to a higher detection sensitivity in our measurements with the infra-red camera. In this contribution we show our implementation of shaping laser-induced diffuse thermal wave fields and the effect on the defect reconstruction quality.
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.
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.
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.
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.