8.7 Thermografische Verfahren
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Organisationseinheit der BAM
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.
The detection of cracks before the failure is highly significant when it comes to safety-relevant structures. Crack detection in metallic samples at high surface temperature is one of the challenging situation in manufacturing industries.
Laser thermography has already proved its detection capability of surface cracks in metallic samples at room temperature. In this work a continuous wave (CW) laser use to generate a laser, which is using to scan the metal surface with notch.
The corresponding heat distribution on the surface monitored using infrared thermal (IR) camera. A simplified 3D model for laser thermography is developed and validated with experimental results. A dedicated image processing algorithm developed to improve the detectability of the cracks. To understand the dependency of surface temperature, laser power, laser scanning speed etc. in defect detection, we carried out parametric studies with our validated model. Here we Report the capability of laser thermography in crack detection at elevated temperature.
Laser thermography has its roots in the late-1960s when Kubiak first used a focused light source to raster-scan a specimen containing surface breaking cracks and employed an infrared detector to monitor the blocking effect of the cracks on the heat flow. Nowadays, this technique has evolved into the flying-spot laser thermography. In the mid-1970s, when Rosencwaig and Gersho worked out the theory for the photoacoustic effect, they laid the foundation for the development of the photothermal testing methodology. The decisive difference to the flying-spot technique is that in the photothermal methodology, a high-frequency modulated laser beam is used, which explicitly uses the concept of the thermal wave.
Starting in the 1980s, infrared cameras came into play and enabled full-field thermal imaging, but this time, slow thermal light sources were used. Today, flash lamps (pulsed planar heating) and halogen lamps (modulated planar heating) have been established as the standard light sources for the specific regimes of pulsed and lock-in thermography.
Only recently, the availability of novel technologies – fast and high-resolution infrared cameras, innovative brilliant laser sources and high-performance data acquisition and processing technology – has enabled a paradigm shift from the separated photothermal and thermographic methodologies to a versatile tool for NDE that combines both approaches. In addition, the heating can also be spatially structured using laser arrays. This new degree of freedom allows the development of completely new thermography NDE methods.
In the talk, we present current activities with kilowatt-class high-power laser sources for advanced flying-spot, pulsed, lock-in and laser-projected thermography.
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 detection and characterization of surface breaking cracks in steel prior to damage is a technologically as well as economically important task especially for safety-relevant structures. Detection of small cracks already during the steel production process might significantly reduce the risk of failure and reduce production costs due to an obsolete post-processing.
However, the hostile environmental conditions (high temperature specimens) together with very strict requirements in current steel production (production speeds, in-line testing and evaluation) are challenging and render many well-established NDE techniques hardly applicable.
We present an approach to use laser thermographic testing as a fast, remote and contactless NDE method, that addresses these challenges and might ultimately allow for online crack detection.
The basic idea of laser thermographic testing, introduced by Kubiak in 1968, is the monitoring of the heat flow as induced by local heating. Disturbances within the heat flow generated by the presence of surface cracks can then be analyzed by image processing algorithms, as we have shown in previous work.
The aim of the presented work is to advance laser thermographic testing to be applicable to the specific conditions of steel production environments. This purpose was met by the development of a laboratory setup that allows us to simulate production conditions, as rolling speed, specimen temperature, laser heating power and study their influence on crack detection performance. This parametric study enabled us to develop and improve data processing and crack detection algorithms with the final goal of providing optimized in-line crack detection. The studies were accompanied by comprehensive FEM simulations to intensify the understanding of the contrast formation as well as the crucial parameters influencing the performance of the method.
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 diesem Beitrag werden Verfahren und Strategien basierend auf optischen und thermografischen Methoden zur Lokalisierung, Erfassung und Bewertung von Putzablösungen, Ablösungen von Fassadenelementen und Rissen vorgestellt. Abgelöste Fassadenbereiche und Risse zeigen dabei sowohl geometrische als auch thermische Auffälligkeiten, die im Rahmen eines Monitoring auch über größere Zeiträume verfolgt werden können. Als optische Verfahren werden die trackingbasierte taktile 3D‐Erfassung von Oberflächenmerkmalen und die Stereophotogrammetrie eingesetzt. Zur Charakterisierung verdeckter Ablösungen und Bauteile wird die aktive Thermografie mit natürlicher und künstlicher Erwärmung der Bauteiloberfläche verwendet. Systematische Untersuchungen an Probekörpern und Fallstudien (Magdeburger Dom, Wandbild in Cobbelsdorf, Giebichensteinbrücke) zeigen, wie u. a. mit der Verfahrenskombination die Schäden charakterisiert werden können.
Lockin thermography is a well-suited method for the characterization of structures made of both metal and fiber reinforced plastic. In most cases, only phase images are analyzed, although the amplitude images might contain useful information as well. Thus, systematic studies of lockin thermography are presented, assessing amplitude and phase images for the detection and quantification of defects in isotropic (steel) and anisotropic (carbon fiber reinforced plastic) materials. Characterized defects are flat bottom holes with different diameters and various remaining wall thicknesses as well as crossed notches at different depths. The excitation frequency was varied while keeping the number of analyzed excitation periods nearly constant for each material. The data analysis was focused on the detectability of the defects both in the amplitude and phase images, including the determination of the signal-to-noise ratio and of the spatial resolution. As a result, the limits of defect detectability and spatial resolution are given for each material
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.
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.