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Organisationseinheit der BAM
Im Projekt wurden systematische Untersuchungen zur thermografischen Erkennung von Oberflächenrissen mit Rissbreiten von ca. 0,1 bis 200 µm anhand von standardisierten bzw. selbst erstellten metallischen Referenzprobekörpern durchgeführt. Zur lokalen Anregung wurde ein Hochleistungs-Diodenlasersystem verwendet. Alle für die erfolgreiche Prüfung wesentlichen Parameter des Prüfsystems wurden systematisch untersucht und bewertet. Hieraus wurden Vorschläge, Empfehlungen und Faustformeln für die Wahl der Prüfparameter, Referenzprüfkörper, geeignete Gerätekomponenten und Auswertungsalgorithmen sowie Hinweise zur Prüfungsdurchführung abgeleitet. Zur Absicherung der Aussagen und zum Anschluss des neuen Prüfverfahrens an den Stand der Technik wurden Referenzprüfungen und -messungen mit etablierten Verfahren durchgeführt. Zudem wurde die Grenze der Nachweisempfindlichkeit des Verfahrens demonstriert.
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.
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.
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.
The method described here allows to determine the size of the thermal contact between two metal sheets joined by spot welding. This size is a measure for the size of the weld nugget, i.e. the zone melted during the welding process, and thus the quality of the welded joint. The method applies active thermography in transmission or reflection setup. Especially the reflection setup offers an attractive possibility for non-destructive testing when components can be accessed from one side only. The spot weld region is optically heated by laser or flash light radiation. The weld nugget provides the mechanical joint, but also constitutes a thermal bridge between the two welded sheets. The latter will be exploited in this method. The better thermal contact at the weld Nugget contrasts with the surrounding material, where the heat transfer between the two sheets is comparatively low. A major advantage of the described method is the applicability on sheets without any surface treatment. This is achieved by a proper normalization of the data, allowing for a correction of the varying surface emissivity.
The paper presents an attempt for the calibration of an active
thermography method that is suitable for the non-destructive
evaluation of spot welds. Nowadays, the quality of spot welds is
commonly characterised by the application of random chisel tests,
which are time consuming, expensive and destructive. Recently a
non-destructive testing method by means of active thermography
was proposed that relies on the fact that the mechanical connection
formed by the spot weld also serves as a thermal bridge between
the two steel sheets joined in the welding process. It is shown in this
paper that this thermal bridge can be thermographically characterised
by extracting a measure for the spot weld diameter and hence the
quality of the spot weld. The determination of the absolute value
of the diameter hereby relies on a calibration of the testing system,
which is performed by means of X-ray computed tomography in this
study. The experiments were carried out using different experimental
approaches, namely transmission as well as reflection geometry
wSetup in reflectionith laser illumination. A comprehensive evaluation
of samples produced using different welding currents, hence different
quality, was carried out in order to validate the thermographic results.
Crack detection in metallic samples at high surface temperature, hostile and hazardous environments, etc. is challenging situation in any manufacturing industries. Most of the present NDE methods are suitable only for lower surface temperatures, especially room temperature. In this situation, we need a fast and non-contact NDT method which can be applied even in high sample surface temperature. Laser thermography is one of the techniques having a high potential in non-contact inspection. As a preliminary investigation, in this article, we have studied the potentiality of laser line thermography in crack detection at room temperature. In laser line thermography, a continuous wave (CW) laser is used to generate a laser line, which in turn is used to scan the metal surface. The heat distribution over the sample surface is recorded by an infrared thermal (IR) camera. Two different approaches are reported in this work. Firstly, a stationary laser line source and its interaction with cracks; secondly, moving laser line source scanning over a surface with crack. When the distance between crack centre to laser line centre increases, crack detectability will decrease; and when laser power increases, crack detectability will increase. A dedicated image processing algorithm was developed to improve the detectability of the cracks. To understand the heat transfer phenomenon, a simplified 3D model for laser thermography was developed for the heat distribution during laser heating and was validated with experimental results. Defects were incorporated as a thermally thin resistive layer (TTRL) in numerical modeling, and the effect of TTRL in heat conduction is compared with experimental results.
Crack detection in steel bars at high surface temperatures is a critical problem in any manufacturing industry. Surface breaking cracks are the major problems during the billet casting. Many NDT techniques are proven its capability in crack detection at room temperature. Here, we are demonstrating the possibility of exposure of cracks using laser line thermography at higher surface temperatures (up to 600 °C). A continuous-wave (CW) laser is used to excite the sample kept at higher surface temperatures. The temperature distribution over the sample due to the laser line scanning is captured using a temperature calibrated infrared (IR) thermal camera. The response of the sample temperature in crack detection is investigated using a validated FE model. The impact of the oxide layer in crack detection is investigated by using two types of samples; one without any oxide layer and the second is with the oxide layer. The influence of laser power in the detection of defects at high temperatures is studied. 3D numerical models were developed for the cases; when the sample is with oxide layer and without any oxide layer for a better understanding of physics. The surface temperature rise due to laser heating is higher for the scaled sample compared to the no-scale sample. The presence of the oxide layer above the parent metal will reduce the reflectivity of the surface. Lower reflectivity will lead to increased absorption of incident energy so that the surface temperature rise will be higher than the surface with no scale. Thermal contrast linearly depends on laser power, which means higher laser power will increase the defect detectability even at a higher surface temperature.