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Anwendungsbreiche und Grenzen der Blitzthermografie - Entwicklung eines anwendungsnahen Standards
(2012)
Dieser Beitrag fasst die Untersuchungsergebnisse zu den Verfahrensgrenzen der Blitzthermografie zur Ortung und Charakterisierung von Fehlstellen in Metallen zusammen. Regeln zur Abschätzung von Eindringtiefe und Tiefenauflösung werden vorgestellt und überprüft. Weiterhin werden Vorgehensweisen zur Optimierung des Intensitätskontrastes von Fehlstellenanzeigen vorgestellt.
Einfache analytische Abschätzungen werden durch eine Vielzahl von experimentellen Untersuchungen an Kupfer- und Stahl-Probekörpern ergänzt. Dabei wurden sowohl die Parameter der Blitzlichtanregung als auch der Messwerterfassung umfassend variiert.
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.
In diesem Beitrag werden die Möglichkeiten der Ortung von Fehlstellen in Cu Lötverbindungen unterhalb verschiedener Cu Blechdicken mit aktiver Thermografie demonstriert. Dabei wurden die Anregung mit Blitzlicht und die periodische Anregung mit der Lock-In Technik miteinander verglichen. Die Vor- und Nachteile der Anwendung unterschiedlicher IR-Kamerasysteme, einer gekühlten InSb-Quantendetektor IR-Kamera und einer Mikrobolometer IR-Kamera, werden dargestellt. Als objektives Kriterium wurde das SNR für unterschiedliche Fehlstellengrößen herangezogen.
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.
Carbon fiber reinforced polymer (CFRP) specimens with artificial delaminations and with impact damage have been characterized using active thermography with flash excitation. Systematic investigations have been performed in four different experimental configurations of flash lamps and infrared (IR) camera in transmission as well as in reflection alignment. It is shown here that the diffusivities determined for the sound and for the damaged areas give a good measure for damage characterization. Although reflection measurements also give information about defect depth, reflection measurements from only one side are not sufficient for assessing the whole cross section of the specimens. Thus, depending on sample thickness the lateral size of damage could only be determined from reflections measurements from both sides or from transmission measurements. In this paper, measurement accuracy and limits of flash thermography for the investigation of CFRP specimens are presented in detail together with quantitative data concerning the defects.
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.
Active thermography is well suited for the detection of delaminations and cracks in façade elements like plaster and tiles. Not only artificial heating but also solar heating can be used if the adjustment of the façade and the weather conditions are suitable. Optical methods like laser scanners, photogrammetric methods and crack tracking sensors are providing geometrical 3D data which can be used for a 3D mapping of thermograms and for providing data with higher geometrical resolution. Thus, by the combination and fusion of these data, a comprehensive mapping and monitoring of damages of façade systems is possible.