Untersuchungen zur wirbelstromangeregten Phasenwinkelthermografie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Qualitätssicherung von Bauteilen erfordert eine zuverlässige Defekterkennung (z.B. bei Inspektions- und Wartungsarbeiten), die jedoch durch die Anzeige intakter Bauteilstrukturen erschwert wird. Wenn selektiv nur Defekte auf die Anregung ansprechen, werden intakte Strukturen unterdrückt und somit die Wahrscheinlichkeit zur Defekterkennung (Probability of Defect Detection POD) erhöht. Die 1995 am IKP-ZfP entwickelte ultraschallangeregte Lockin-Thermografie (ULT) ist ein solches Verfahren, dessen Nachteil allerdings eine nicht kontaktfreie Anregung ist. Eine kontaktfreie und dennoch defektselektive Anregung ist die induktive Erwärmung durch Wirbelströme (Ohmsche Verluste). Die Wirbelströme erwärmen Defektstellen innerhalb der Wirbelstromeindringtiefe lokal stärker als ungeschädigte Bauteilbereiche. Stand der bisherigen Technik ist die Transienten-Thermografie mit pulsartiger Induktionsanregung. Bei ihr wird zur Auswertung das Bild des stärksten Kontrasts aus der aufgenommenen Abkühlungssequenz untersucht. Impulsangeregte Transienten-Thermografie hat den Vorteil einer kurzen Messzeit, allerdings sind die Ergebnisbilder durch inhomogene Erwärmung, wie sie bei induktiver Erwärmung häufig auftritt, und lokale Variation des Emissionskoeffizienten stark beeinflusst. Durch Anwendung der Lockin-Thermografie Methode auf die induktive Erwärmung werden diese Nachteile der Transienten-Thermografie vermieden (Induktions-Lockin-Thermografie, ILT). Im Gegensatz zur Transienten-Thermografie wird bei ILT die Wirbelstromamplitude (Frequenz von 30 bis 300 kHz) sinusförmig moduliert (mit Frequenzen zwischen 0,01 und 1 Hz), ähnlich der Amplitudenmodulation bei ultraschallangeregter Lockin-Thermografie, während eine Infrarotkamera eine Infrarotbildsequenz über mehrere Modulationsperioden aufnimmt. Eine pixelweise Fouriertransformation der Sequenz berechnet dann aus dem Bildstapel ein Amplituden- und ein Phasenbild. Die Vorteile - speziell der Phasenbilder - sind dieselben wie bei den anderen Lockin-Thermografie Methoden: im Vergleich zu einzelnen Infrarotbildern haben die ILT-Phasenbilder ein erheblich verbessertes Signal/Rausch-Verhältnis, und Temperaturgradienten werden unterdrückt. Auÿerdem ist die Tiefenreichweite an metallischen Werkstoffen mit ILT (begrenzt durch die thermische Eindringtiefe) im Vergleich zur konventionellen Wirbelstromprüfung, die durch den Skin Effekt begrenzt ist, deutlich gesteigert. Am IKT-ZfP wurde im Rahmen des DFG-Projekts eine ILT-Anlage konzipiert und aufgebaut. Sie wurde anschlieÿend an verschiedenen Materialien und Fehlerarten erprobt und optimiert. Nach der theoretischen Herleitung der ILT-Tiefenreichweite (die eine Faltung aus Skineffekt und thermischer Eindringtiefe ist) wurde der tatsächliche Einfluss elektrischer und thermischer Materialeigenschaften auf die Tiefenreichweite an Modellproben untersucht. Eine weitere experimentelle Fragestellung war die Auflösungsgrenze von ILT bei der Defekterkennung. Neben der Inspektion von Modellproben wurde ILT auch zur Prüfung von Praxisbauteilen herangezogen. Die Palette der detektierten Fehlerarten ging von Oberflächenrissen (z.B. Ermüdungsrisse, Haarrisse) und Fügefehlern (z.B. Klebungen, Schweiÿungen) metallischer Bauteile bis zu Delaminationen und Impactschädigungen kohlefaserverstärkter Laminate, wie sie zunehmend in der Luft- und Raumfahrt relevant werden (z.B. CFK, C/C-SiC). Die ILT-Ergebnisse wurden auch mit den Ergebnissen anderer am IKP-ZfP vorhandener moderner ZfP Verfahren verglichen. Dabei zeigte sich, dass ILT bei Defekten innerhalb der Wirbelstromeindringtiefe ähnlich defektselektive Ergebnisse liefert wie andere Dunkelfeldmethoden (z.B. ultraschallangeregte Thermografie und nichtlineare Vibrometrie), jedoch mit dem groÿen Vorteil einer berührungslosen Anregung.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Riegert, G.: Induktions-Lockin-Thermogra_e - ein neues Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung, Fakultät für Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie der Universität Stuttgart, Dissertation, 2007
- Riegert, G.: Lockin and burst-phase induction thermography for NDE. In: QIRT Journal III (2006), S. 141 _ 154
- Riegert, G.; Busse, G.: Induction-Lockin-Thermography and Induction-Burst-Phase Thermography for NDE applications. In: Balageas, D. (Hrsg.) ; Beaudoin, J.-L. (Hrsg.) ; Busse, G. (Hrsg.) ; Carlomagno, G. M. (Hrsg.): CD-ROM: Proceedings QIRT 2006. Padua, Italien, 2006
- Riegert, G.; Busse, G.: Induktions-Lockin-Thermogra_e (ILT). In: MP Materialprüfung Jahrg. 46 1-2 (2004), S. 33_35
- Riegert, G.; Gleiter, A.; Busse, G.: Möglichkeiten und Grenzen der wirbelstromangeregten Lockin-Thermogra_e. In: DGZfP - Berichtsband BB 98-CD. Berlin : DGZfP, 2005, V4
- Riegert, G.; Gleiter, A.; Busse, G.: Potential and restrictions of eddy current lockinthermography. In: Miles, J. J. (Hrsg.); Peacock, G. R. (Hrsg.); Knettel, K. M. (Hrsg.): Proceedings Thermosense XXVIII, Volume 6205. Bellingham, USA : SPIE, 2006, 8 Seiten
- Riegert, G.; Zweschper, Th.; Busse, G.: Eddy-Current Lockin-Thermography: Method and its potential. In: Journal de Physique IV France 125 (2005), S. 587_591
- Riegert, G.; Zweschper, Th.; Busse, G.: Induction-Lockin-Thermography: application and potential of an emerging NDE method. In: Proc. Condition Monitoring Cambridge. Chipping Norton, UK : Coxmoor Publishing Company, 2005, S. 433_439
- Riegert, G.; Zweschper, Th.; Busse, G.: Lockin thermography with eddy current excitation. In: QIRT Journal I [1] (2004), S. 21 _ 31
- Riegert, G.; Zweschper, Th.; Dillenz, A.; Busse, G.: Wirbelstromangeregte Lockin- Thermogra_e - Prinzip und Anwendungen. In: Berichtsband 89-CD. Berlin : DGZfP, 2004, V90
