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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.
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.
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.
Im Bereich der optisch angeregten Thermografie haben sich Blitzlampen (impulsförmig-flächige Erwärmung) und Halogenlampen (moduliert-flächige Erwärmung) für die spezifischen Regime Impuls- und Lockin-Thermografie etabliert.
Mittels eines rasternden fokussierten Lasers wird die Flying-spot Laserthermografie z.B. zur Risserkennung (Dauerstrichbetrieb) und die photothermische Materialcharakterisierung (hochfrequent moduliert)implementiert. Durch die Verfügbarkeit neuer Technologien (schnelle und hochauflösende IR-Kameras, brillante innovativer Lichtquellen und performante Datenakquisitions- und Verarbeitungstechnik) wird ein Paradigmenwechsel von den getrennt voneinander stehenden photothermischen und thermografischen Techniken hin zu einer einheitlichen quantitativen Mess-und Prüftechnik ermöglicht, die schneller und präziser ist. Ähnlich wie ein LED-Array, jedoch mit einer um zwei Größenordnungen höheren Bestrahlungsstärke, steht jetzt eine neuartige brillante Laserquelle, das VCSEL-Array (vertical-cavity surface-emitting laser) zur Verfügung, welches die starke Beschränkung der zeitlichen Dynamik der etablierten Lichtquellen aufhebt und gleichzeitig spektral sauber von der Detektionswellenlänge getrennt ist. Es vereint somit das schnelle zeitliche Verhalten eines Diodenlasers mit der hohen optischen Bestrahlungsstärke und dem großen Beleuchtungsbereich von Blitzlampen. Darüber hinaus kann die Erwärmung auch strukturiert vorgenommen werden, da einzelne Bereiche des VCSEL-Arrays unabhängig voneinander angesteuert werden können. Dieser neue Freiheitsgrad ermöglicht die Entwicklung ganz neuer thermografischer ZfP-Verfahren.
Im Bereich der optisch angeregten Thermografie haben sich Blitzlampen (impulsförmig-flächige Erwärmung) und Halogenlampen (moduliert-flächige Erwärmung) für die spezifischen Regime Impuls- und Lockin-Thermografie etabliert.
Mittels eines rasternden fokussierten Lasers wird die Flying-spot Laserthermografie z.B. zur Risserkennung (Dauerstrichbetrieb) und die photothermische Materialcharakterisierung (hochfrequent moduliert)implementiert. Durch die Verfügbarkeit neuer Technologien (schnelle und hochauflösende IR-Kameras, brillante innovativer Lichtquellen und performante Datenakquisitions- und Verarbeitungstechnik) wird ein Paradigmenwechsel von den getrennt voneinander stehenden photothermischen und
thermografischen Techniken hin zu einer einheitlichen quantitativen Mess-und Prüftechnik ermöglicht, die schneller und präziser ist. Ähnlich wie ein LED-Array, jedoch mit einer um zwei Größenordnungen höheren Bestrahlungsstärke, steht jetzt eine neuartige brillante Laserquelle, das VCSEL-Array (vertical-cavity surface-emitting laser) zur Verfügung, welches die starke Beschränkung der zeitlichen Dynamik der etablierten Lichtquellen aufhebt und gleichzeitig spektral sauber von der Detektionswellenlänge getrennt ist. Es vereint somit das schnelle zeitliche Verhalten eines Diodenlasers mit der hohen optischen Bestrahlungsstärke und dem großen Beleuchtungsbereich von Blitzlampen. Darüber hinaus kann die Erwärmung auch strukturiert vorgenommen werden, da einzelne Bereiche des VCSEL-Arrays unabhängig voneinander angesteuert werden können. Dieser neue Freiheitsgrad ermöglicht die Entwicklung ganz neuer thermografischer ZfP-Verfahren.
Die Detektion bzw. Charakterisierung von Oberflächenrissen in Stahl ist eine herausfordernde Aufgabe für die zerstörungsfreie Prüfung. Dies gilt insbesondere, wenn eine solche Prüfung bereits während der Produktion selbst erfolgen soll. Die hier vorgefundenen Randbedingungen, wie z.B. die hohen Probentemperaturen (>700°C) oder Vorschubgeschwindigkeiten von bis zu 0,9 m/min, machen die Anwendung etablierter und vor allem berührender ZfP-Methoden praktisch meist unmöglich. Laser-thermografische Verfahren können hier eine Alternative bieten, da sie berührungslos und schnell arbeiten. Wir stellen die Ergebnisse einer Weiterentwicklung der Laser-thermografischen Prüfung vor, bei der die Anwendbarkeit bzw. die Übertragbarkeit der Methode auf die Bedingungen der Stahlproduktion untersucht wurde.
Neben der Simulation der Produktionsbedingungen im Labor und der experimentellen Untersuchung der entscheidenden Einflussgrößen, wurden umfangreiche FEM-Simulationen durchgeführt. Mit Hilfe dieser theoretischen und experimentellen Ergebnisse wurde das Verfahren auch hinsichtlich der Analyse-Algorithmen weiterentwickelt, um eine zuverlässige und schnelle In-Line Prüfung während des Produktionsprozesses zu ermöglichen. Um zudem die Fähigkeiten der Thermografiekamera für schnelle online-Messungen und ihre Integrierbarkeit in verschiedene Anwendungssysteme zu verbessern, wurde die für die Verarbeitung der Detektordaten erforderliche Non-Uniformity Correction der Pixeldaten auf schneller Spezialhardware innerhalb der Kamera implementiert.
The aim of this work is to illustrate the contribution of signal processing techniques in the field of Non-Destructive Evaluation. A component’s life evaluation is inevitably related to the presence of flaws in it. The detection and characterization of cracks prior to damage is a technologically and economically significant task and is of very importance when it comes to safety-relevant measures. The Laser Thermography is the most effective and advanced thermography method for Non-Destructive Evaluation. High capability for the detection of surface cracks and for the characterization of the geometry of artificial surface flaws in metallic samples of laser thermography is particularly encouraging. This is one of the non- contacting, fast and real time detection method. The presence of a vertical surface breaking crack will disturb the thermal footprint. The data processing method plays vital role in fast detection of the surface and sub-surface cracks.
Currently in laser thermographic inspection lacks a compromising data processing algorithm which is necessary for the fast crack detection and also the analysis of data is done as part of post processing. In this work we introduced a raw data based image processing algorithm which results precise, better and fast crack detection. The algorithm we developed gives better results in both experimental and modeling data. By applying this algorithm we carried out a detailed investigation Variation of thermal contrast with crack parameters like depth and width. The algorithm we developed is applied for various surface temperature data from the 2D scanning model and also validated credibility of algorithm with experimental data.
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.