Zerstörungsfreie Materialprüfung
Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD
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Die Ultraschall-Burst-Phasen-Thermografie ist eine bildgebende zerstörungsfreie Prüfmethode, die durch Ultraschallanregung in Verbindung mit thermischen Wellen die selektive Abbildung von Defekten ermöglicht. Besonders die Anwendung der Phasenthermografie (z.B. Lock-In Technik) ergibt Vorteile wie Unterdrückung von Temperaturgradienten sowie Erkennung der Defekt-Tiefenlage. Ultraschall-Bursts (relativ kurze Pulse) ermöglichen eine gegenüber der bewährten Lock-In-Methode kürzere Messdauer und bessere Reproduzierbarkeit.. Anwendungsbeispiele aus dem Bereich nichtmetallischer Werkstoffe belegen dies.
Der Einsatz moderner nichtmetallischer Werkstoffe in sicherheitsrelevanten Anwendungen erfordert leistungsfähige zerstörungsfreie Prüfverfahren, die unanfällig gegen Störungen sind und Fehler mit hoher Sicherheit nachweisen. Thermische bildgebende Verfahren mit Wärmeeinbringung sind besonders geeignet, weil sie die berührungslose Inspektion großer Flächen in kurzer Zeit ermöglichen.
Man unterscheidet die externe Wärmeeinbringung durch optische oder konvektive intensitätsmodulierte Anregung der Probenoberfläche ("Lock-In-Thermografie" [1,2,3,4]) und die interne Wärmeerzeugung z.B. durch Ultraschalleinkopplung ("Ultraschall Lock-In-Thermografie" [5] und "Ultraschall-Burst-Phasen-Thermografie" [6]). Im Falle externer Anregung wird die Wechselwirkung thermischer Wellen, die an der Oberfläche des Prüfobjektes durch Absorption modulierter Strahlung erzeugt werden, mit verborgenen thermischen Grenzflächen bildhaft erfasst.
Im Falle interner Anregung nutzt man die Tatsache, dass in geschädigten Bereichen des Bauteils der mechanische Verlustwinkel meistens erhöht ist. Leitet man Schall in ein defektbehaftetes Bauteil ein, dann wird er bevorzugt an den schadhaften Stellen hysteresebedingt in Wärme umgewandelt. Bei Betrachtung mit einer Thermografiekamera leuchten also diese geschädigten Stellen im Thermografiebild selektiv auf. Erfolgt die Anregung mit amplitudenmoduliertem Ultraschall, dann gehen von den Defekten thermische Wellen mit dieser Modulationsfrequenz aus, die mittels Fourier-Analyse [7,8] nachgewiesen werden. Die Phasenbilder der gemessenen Temperaturantwort zeichnen sich dadurch aus, dass störende Inhomogenitäten (z.B. der Oberflächenemissivität [9]) und Temperaturgradienten [7] unterdrückt werden. Die Verwendung von Ultraschallanregung (statt der optischen) in Verbindung mit thermischen Wellen ergibt also ein zuverlässiges, da defektselektives bildgebendes Verfahren [10].
Das Funktionsprinzip der ultraschallangeregten Thermografie basiert auf der Kombination elastischer und thermischer Wellen zur defektselektiven Schadenserkennung [11,12]. Dabei wird ein moduliertes Ultraschallsignal, mit einer typischen Frequenz von 20 kHz - 100 kHz und einer überlagerten Modulation (z.B. sinusförmig mit sehr tiefen Frequenzen im mHz Bereich oder als Burst mit einer Dauer im ms bis Sekunden-Bereich) in das zu untersuchende Bauteil eingeleitet. Abb. 1 zeigt den für die Ultraschall-Thermografie verwendeten Versuchsaufbau [5]. Für jedes Bildpixel wird mittels Fouriertransformation die Phasen- und Amplitudeninformation aus der resultierenden thermischen Welle berechnet.
Abb 1: Messsystem der ultraschallangeregten Thermografie, basierend auf der Cedip Jade II MW Infrarotkamera.
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Defekterkennung an keramikbeschichteten Metallstrukturen (Turbinenschaufel)
Keramische Beschichtung erlangen zunehmende Bedeutung für metallische Strukturen in Hochtemperaturanwendungen, z.B. Turbinenschaufeln im Kraftwerk- oder Luftfahrtbereich. Diese Beschichtungen können verschiedene Defektarten aufweisen, die zu Korrosion des Substrates und damit zum Versagen des Bauteils führen. In Abb. 3 ist das Untersuchungsergebnis einer Turbinenschaufel mit einem Haarriss in der etwa 10 µm dicken Beschichtung dargestellt. Abb. 3 a zeigt ein einzelnes Thermografiebild der Schaufel nach einer burstartigen Ultraschallanregung (100 ms, 2 kW). Neben einem starken Temperaturgradienten ist der Defekt als lokale Erwärmung in der rechten Bildhälfte schwach erkennbar. Das Phasenbild der Ultraschall-Burst-Phasen Thermografie (Abb. 3 b) zeigt den Schaden wesentlich deutlicher, da der Temperaturgradient unterdrückt wird und das Signal-Rausch-Verhältnis deutlich verbessert ist.
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Abb 2: Defekterkennung an einer Turbinenschaufel. Anregung mit Ultraschall-Burst (100 ms Anregungsdauer, 2000 W Ultraschallleistung). a: Thermografiebild zwei Sekunden nach der Pulsanregung, b: Phasenbild bei 0,24 Hz. | | |
Tiefenaufgelöste Messungen mit lassen sich mit der Ultraschall-Burst-Phasen-Thermografie verwirklichen: Die thermische Anregung erfolgt mit einem Ultraschall-Burst (= kurzer Wellenzug) im Gegensatz zur sinusförmig modulierten Anregung bei der Lock-in Methode. Aufgrund der breitbandigen thermischen Anregung des Bauteils lässt sich Information aus verschiedenen Tiefenlagen gewinnen. In Analogie zur Ultraschalltechnik, die lokale Laufzeiten ermittelt, lassen sich hier die im thermischen Antwortspektrum enthaltenen Frequenzen einer bestimmten Defekttiefe zuordnen. Hohe Frequenzen zeigen daher den oberflächennahen Bereich, während tiefe Frequenzen mit ihrer größeren Reichweite Informationen über Defekte im Bauteilinneren liefern. Daher ist es sinnvoll, die Bilder bei den einzelnen Frequenzen auszuwerten, um die Defekte einer bestimmten Tiefenlage zuordnen zu können. Hierzu wurde eine Probe mit vier Delaminationen in einem Tiefenbereich von 0,2 mm bis 2,2 mm hergestellt (Abb. 3). Sie wurde mit einem 100 ms langem Ultraschallburst beaufschlagt und das Antwortsignal dieser einen Messung anschließend bei verschiedenen Frequenzen ausgewertet. Im Phasenbild der Ultraschall-Burst-Phasen Thermografie bei 3 Hz führt nur der oberflächennächste Defekt zu einer änderung im Phasenwinkel (heller Fleck in Abb. 4a). Bei 1 Hz werden bereits drei Delaminationen in Tiefen von 0,2 mm bis 1,5 mm sichtbar (Abb. 4b). Erst bei einer Frequenz von 0,5 Hz zeigt sich der Defekt in 2,2 mm Tiefe (Abb. 4c). Bei 0,1 Hz sind alle Fehler deutlich zu sehen, allerdings verliert das Bild aufgrund lateraler Diffusionseffekte zunehmend an Abbildungsschärfe (Abb. 4d).
Abb 3: Tiefenlage der Delaminationen in der CFK-Probe.
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Abb 4: Phasenbilder der Ultraschall-Burst-Phasen Thermografie einer CFK-Probe mit Delaminationen in verschiedenen Tiefenlagen. Leistung 1000 W, Ultraschall-Frequenz 20 kHz, Burstdauer: 100 ms.
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Die vorgestellten Beispiele belegen, dass die Ultraschall Burst-Phasen-Thermografie eine schnelle, bildgebende und vor allem aussagesichere Prüfmethode ist. Der besondere Vorteil liegt in der defektselektiven Abbildungsmethode (ähnlich einem Dunkelfeldverfahren), die eine eindeutige und sichere Fehlererkennung ermöglicht. Referenzbilder der ungeschädigten Struktur werden hierbei nicht benötigt und der "human factor", also der Einfluss menschlicher Fehler wird deutlich reduziert.
Trotzdem sollte erwähnt werden dass die Einkopplung des Ultraschalls ins Bauteil noch weiter optimiert werden muss, um ein feldtaugliches und flexibel anwendbares Prüfverfahren zu erhalten.
| Herausgeber: DGfZP, Programmierung: NDT.net | START |
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