DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Ultraschallangeregte Thermografie in der industriellen Anwendung

Th. Zweschper, A. Dillenz , R. Moser
Edevis GmbH, Nobelstr. 15, D-70569 Stuttgart
Tel: (0711) 6868 779 0, Fax: (0711) 6868 779 6, E-Mail: info@edevis.de, Web:www.edevis.de
Kontakt: Dipl.-Ing. Thomas Zweschper

Abstract

Die ultraschallangeregte Thermografie hat sich in den vergangenen Jahren in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung als defektselektives und schnelles Verfahren etabliert. Seit Anfang 2004 wird das Verfahren erstmals vollautomatisiert in der industriellen Serienfertigung erfolgreich eingesetzt.
Der physikalische Mechanismus, den die ultraschallangeregte Thermografie ausnutzt, ist die lokale Erhöhung mechanischer Verluste (z.B. Hysterese, Rissuferreibung) im Defektbereich. Hierzu leitet man Ultraschall in das Bauteil ein, der vorzugsweise im Defektbereich gedämpft wird und dabei Wärme erzeugt, die ihn selektiv im Sinne einer thermischen Dunkelfeldmethode hervortreten lässt. Die emittierte Wärme wird von einem Thermografiesystem detektiert, so dass der Defekt lokalisiert werden kann ("attenuation mapping").
Anhand verschiedener Beispiele aus Automobilindustrie, sowie aus dem Bereich der Luft- und Raumfahrt wird das Potenzial der frequenzmodulierten Ultraschallthermografie dargestellt.

Ultraschallangeregte Thermografie

Lockin Methode (ULT)

Im Gegensatz zur externen Wärmeeinbringung durch optische oder konvektive intensitätsmodulierte Anregung der Probenoberfläche wird bei der ultraschallangeregten Thermografie die interne hysteretische Wärmeerzeugung aufgrund Einkopplung hochfrequenter elastischer Wellen genutzt. Man nutzt die Tatsache, dass in geschädigten Bereichen des Bauteils der mechanische Verlustwinkel meistens erhöht ist. Wird Leistungsultraschall in ein defektbehaftetes Bauteil eingeleitet, dann wird er bevorzugt an den schadhaften Stellen hysteresebedingt in Wärme umgewandelt [1, 2]. Bei Betrachtung mit einer Wärmebildkamera leuchten 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 Lockin-Analyse nachgewiesen werden [3].
Da bei der ultraschallangeregten Lockin Thermografie (ULT) der Defekt als Wärmequelle fungiert und die thermische Welle im Gegensatz zur Reflexionsanordnung der optisch angeregten Lockin Thermografie nur den einfachen Weg zur Bauteiloberfläche zurücklegen muss, besitzt die ULT-Phase eine deutlich größere Tiefenreichweite.
Die Phasenbilder der gemessenen Temperaturantwort zeichnen sich dadurch aus, dass störende Inhomogenitäten (z.B. der variabler Emissionskoeffizient der Bauteiloberfläche) und Temperaturgradienten unterdrückt werden. Die Verwendung von Ultraschallanregung (statt der optischen) in Verbindung mit thermischen Wellen ergibt also ein zuverlässiges, da defektselektives bildgebendes Verfahren. Abbildung 1 zeigt schematisch das Prinzip der ultraschallangeregten Lockin Thermografie.


Abb 1: Schematische Darstellung des Prinzips der ultraschallangeregten Thermografie (ULT und UBP).

Burst Phasen Methode (UBP)

Gegenüber der sinusartig modulierten Anregung der Lockin-Methode beschreitet die konventionelle Pulsthermografie einen anderen Weg: der Einsatz von kurzen optischen oder akustischen Anregungspulsen ermöglicht eine signifikante Verkürzung der Messdauer gegenüber der Lockin-Methode. Die so erhaltenen zeitabhängigen Thermografiebilder sind jedoch durch Inhomogenitäten der Probenoberfläche und Temperaturgradienten beeinflusst.
Einen Ausweg bietet die Ultraschall Burst-Phasen-Thermografie (UBP) [4, 5], die entsprechend der Pulsphasenthermografie [6-8] die Vorteile beider Verfahren - der Lockin wie der Pulsthermografie - verbindet. Zur Anregung der Probe werden kurze Ultraschallbursts verwendet. Der Temperaturverlauf der Aufheizung und des nachfolgenden Abkühlvorgangs wird mit einer Thermografiekamera aufgenommen und fouriertransformiert. Dadurch erhält man - wie bei der Lockin Methode - Phasenbilder mit ihren typischen, oben erwähnten Eigenschaften.
Ein weiterer Vorteil der Burstanregung gegenüber monofrequenten, sinusförmigen Signalen besteht im breiteren thermischen Antwortspektrum. So können mit nur einer Messung verschiedene Modulationsfrequenzen ausgewertet werden, was sich im Falle der sinusartigen Anregung nur mit mehreren aufeinanderfolgenden Einzelmessungen durchführen lässt. Da das Abklingverhalten und damit die Reichweite der thermischen Welle von der verwendeten Modulationsfrequenz abhängt, erlaubt das Phasenbild unmittelbar Rückschlüsse auf die Tiefenlage des Defektes im Bauteil.
Das Funktionsprinzip der Ultraschall Burst Phasen Thermografie basiert auf der Kombination elastischer und thermischer Wellen zur defektselektiven Schadenserkennung. Dabei wird ein Ultraschallburst, also ein Wellenzug (typischerweise mit einer Frequenz von 15 kHz - 50 kHz und einer Länge von einigen Hundertstelsekunden bis zu wenigen Sekunden) in das zu untersuchende Bauteil eingeleitet. Wie bei der Lockin Methode wird für jedes Bildpixel mittels Fouriertransformation die Phasen und Amplitudeninformation aus der resultierenden thermischen Welle berechnet.

Neben der Auswahl und konstruktiven Umsetzung einer geeigneten Ultraschalleinkoppelvorrichtung gibt es eine Vielzahl von Faktoren, die Einfluss auf Qualität und Aussagekraft der Messergebnisse haben. Neben Anregungsleistung, Anpressdruck des Konverters, Koppelmedium und- ort spielt die gewählte Signalform der Anregung eine entscheidende Rolle. Im folgenden wird auf die Vorteile der frequenzmodulierten Ultraschallanregung näher eingegangen.

Frequenzmodulation des Ultraschalls

Ultraschallkonverter und zu prüfendes Objekt bilden ein schwingendes System. Nicht selten kommt es aufgrund von Resonanz zu stehenden Wellenfeldern auf der Bauteiloberfläche. Hysteretische Verluste in den Schwingungsbäuchen führen zu Temperaturmustern, die eine Beurteilung der Messergebnisse erschweren. In den Intensitätsmaxima besteht eine gute Detektionsempfindlichkeit , während die Schwingungsknoten kein Signal liefern. Im schlimmsten Fall bleibt ein Defekt unentdeckt, wenn er sich im "blinden" Bereich eines Knotens befindet und gar nicht angeregt wird. Problematisch ist auch die Interpretation der sich abzeichnenden Schwingungsbäuche, die fälschlicherweise für Defekte gehalten werden könnten.

Solche stehende Wellenfelder sind bei geometrisch einfachen, z. B. plattenartigen Bauteilen (vgl. Abbildung 2), besonders ausgeprägt, tauchen aber auch bei komplexeren Strukturen, wenn auch in abgeschwächter Form, auf.

Abb 2: An einer monolithischen CFK-Platte thermisch nachgewiesene stehende Wellenfelder während eines monofrequenten Ultraschallbursts.

Mittels modifizierter digitaler Ultraschallgeneratoren ist nun Frequenzmodulation möglich. Der piezokeramiche Stapelaktor des Ultraschallkonverters schwingt während des Bursts nicht mehr monofrequent, sondern durchläuft mit einer Modulationsfrequenz von z.B. 5 Hz eine bestimmte Bandbreite (z. B. 30...50 kHz). Dem stehenden Wellenfeld werden laufende Wellen überlagert, ein diffuses Schallfeld ist die Folge. Die Temperaturmuster und "blinde" Bereiche aufgrund von Schwingungsknoten werden nahezu vollständig eliminiert, eine Defekterkennung wird wesentlich vereinfacht und somit sicherer. Frequenzmodulation ist auch bei amplitudenmoduliertem Ultraschall, wie er für Lockin Messungen verwendet wird, möglich.

Ergebnisse

Risserkennung in Metallen

Die ultraschallangeregte Thermografie eignet sich hervorragend zum defektselektiven Darstellung von Rissen in Metall, Keramik etc. Dabei gelingt der Nachweis auch bei Rissen die zur Bauteiloberfläche hin nicht geöffnet sind und zwar unabhängig von deren Orientierung. Man nutzt die Tatsache, dass an den Rissufern der mechanische Verlustwinkel erhöht ist. Wie oben bereits erwähnt, wird dort die eingekoppelte elastische Energie in Wärme umgewandelt.
Aufgrund der geringen Prüfzeiten (Sekundentakt) bietet sich der Einsatz zur 100% Qualitätskontrolle geradezu an. Mittels geeigneter Auswertealgorithmen kann im Einzelfall eine vollautomatische Fehlererkennung implementiert werden.

Abb 3: Risserkennung an einem Gussbauteil mittels ultraschallangeregter Lo-ckin Thermografie. Phasensignatur bei 0,5 Hz (rechts) und gefiltertes Bild für die vollautomatische Fehlererkennung.
Abb 4: Nachweis von Rissen an den Flanken eines Zahnrads. Pulsphase bei 0,2 Hz (rechts).

Charakterisierung von Klebverbindungen

Aus Sicht des Konstrukteurs bringen Klebeverbindungen gegenüber anderen Fügetechniken einige Vorteile mit sich:

  • hohe Festigkeit,
  • gute Dämpfung (crashoptimierte Klebstoffsysteme),
  • Vermeidung von Korrosion,
  • vollflächiger Kraftschluss
  • Eignung zum Fügen unterschiedlicher Werkstoffe.

Der Leichtbau zwingt die Hersteller geradezu, über den Einsatz von Klebstoffen nachzudenken. Mittlerweile erreichen im modernen Automobilbau die Klebverbindungen eine Gesamtlänge von fast 100 m. Davon sind nicht wenige sicherheitsrelevant. Es wird daher zunehmend wichtiger die Qualität der Verklebung frühzeitig, d.h. idealerweise während bzw. unmittelbar nach dem Produktionsprozess sicherzustellen. Die ultraschallangeregte Thermografie bietet dabei neue und vielversprechende Ansätze. Sowohl Bereiche mangelhafter Adhäsion (Abbildung 5) als auch fehlender Klebstoff (Abbildung 6) können mit dieser Methode zuverlässig nachgewiesen werden.

Abb 5: Vorteile der frequenzmodulierten Anregung (rechts) am Beispiel einer fehlerhaften Klebverbindung. (Substrat: Aluminium, d= 1.5 mm). Die Nachweisempfindlichkeit ist gegenüber der monofrequenten Anregung (Mitte) deutlich verbessert
Abb 6: Nachweis künstlich eingebrachter Defekte in einer Automobiltür mittels ultraschallangeregter Thermografie. Phasensignatur bei 0,5 Hz (links) und Versuchsaufbau (rechts). Um störende stehende Wellenfelder zu eliminieren wurden Frequenz und Amplitude des Ultraschalls moduliert.

Faservertärkte Metalllaminate

Faser-Metall-Laminate (FML) sind heute potentielle Werkstoffe für Primärstrukturen von Großraumflugzeugen. Bei Glare(r) ("Glassfibre Reinforced Aluminum Laminate") handelt es sich um ein Metall-Faserverbund-Laminat (Schichtaufbau: im Wechsel Prepreg 0,1..0,2 mm und dünngewalztes Aluminium 0,2...0,5 mm). Glare(r) besitzt ausgezeichnete Eigenschaften bezüglich Schadenstoleranz (Impact, Korrosion, Blitzschlag), Feuerwiderstand und geringem Gewicht (Dichte 10% geringer als Aluminium). Des weiteren wird Glare(r) als Rissstopper eingesetzt. Die Vorteile von Glare(r) gegenüber den konventionellen Aluminiumlegierungen führten 2002 bei Airbus zu der Entscheidung diesen Werkstoff großflächig in der Rumpfstruktur des A380 einzusetzen (Gesamtmenge 4 Tonnen/Flugzeug).
Neben den höheren Materialkosten im Vergleich zu Aluminium (Faktor 5-10) führt vor allem die eingeschränkte Umformbarkeit zu Delaminationsgefahr bei der Bearbeitung. Sowohl in der Qualitätssicherung, als auch in Wartung und Instandsetzung konkurrieren derzeit verschiedene zerstörungsfreie Prüfverfahren. Einen besonders vielversprechenden Ansatz bietet hier die ultraschallangeregte Lockin Thermografie.
Abbildung 7 zeigt einen Glare-Testkörper, bei dem einlaminierte kreisförmige Teflonfolien zu einem lokal begrenzten Debonding führen. Auf diese Weise werden Delaminationen simuliert. In Abbildung 8 ist die Phasensignaturen der ultraschallangeregten Lockin Thermografie dargestellt. Die Verbundpartner GFK und Aluminium sind thermisch sehr unterschiedlich, d.h. die thermische Impedanzen liegen weit auseinander, was wiederum zu einem Reflexionskoeffizienten nahe 1 führt. Trotz dieses Umstands war es mittels relativ tiefer Anregungsfrequenzen möglich alle neun einlaminierten Teflonfolien zu detektieren. Auch hier wurden störende Stehwellenfelder durch Modulation der Ultraschallfrequenz eliminiert.

Material: Glare(r)
Tiefenlage der Defekte:
  • zwischen den Lagen 1 und 2
  • zwischen den Lagen 2 und 3
  • zwischen den Lagen 3 und 4
  • zwischen den Lagen 4 und 5
  • zwischen den Lagen 5 und 6
  • zwischen den Lagen 6 und 7
  • zwischen den Lagen 7 und 8
  • zwischen den Lagen 8 und 9
  • zwischen den Lagen 9 und 10
  • Abb 7: Künstlich Defekte in einem Glare(r)3-10/9-0.4 - Testkörper (Delaminationen wurden mittels PTFE-Folie simuliert).


    Abb 8: Nachweis der Defekte mittels ultraschallangeregter Lockin Thermografie (Phase bei 0,01 Hz).

    Zusammenfassung

    Mit der ultraschallangeregten Thermografie steht der Industrie ein leistungsfähiges zerstörungsfreies Prüfverfahren zur Verfügung. Die defektselektive Darstellung von schadhaften Bereichen und das Eliminieren von Störeinflüssen mit Hilfe der Phasenauswertung robust ein
    Der Schritt zur vollautomatisierten Prüfung von großen Stückzahlen im Dreischichtbetrieb wurde mittlerweile erfolgreich vollzogen. Mittels geeigneter Anregungssignale, Auswertealgorithmen und Filterung der Rohdaten ist eine zuverlässige Fehlererkennung gewährleistet.

    Danksagung

    Die Autoren bedanken sich bei Herrn Hasenberg (LKT GmbH, Aachen), bei Herrn Prof. Böhm (Institut für Füge- und Schweißtechnik, Braunschweig), bei Herrn Scherling (Airbus Deutschland GmbH, Bremen) und bei Frau Steinke (Eurocopter Deutschland GmbH, Ottobrunn) für die angenehmen Kooperation und die zur Verfügung gestellten Testobjekte. Wir bedanken uns ebenfalls bei Herrn Strohfuß (BRANSON Ultraschall, Dietzenbach) für die schnelle und unbürokratische Unterstützung. Außerdem sei an dieser Stelle auch der CEDIP Infrared Systems (Croissy-Beaubourg, Frankreich) für den technischen Support gedankt.

    Literatur

    1. Mignogna, R. B.; Green, R. E. Jr.; Henneke, E. G.; Reifsnider, K.L.: "Thermographic investigations of high-power ultrasonic heating in materials" in Ultrasonics 7, 1981, pp. 159-163.
    2. Stärk, F.: "Temperature measurements on cyclically loaded materials" in Werkstofftechnik 13, Verlag Chemie GmbH, Weinheim, 1982, pp. 333-338
    3. Rantala, J.; Wu, D.; Busse, G.: "Amplitude Modulated Lock-In Vibrothermography for NDE of Polymers and Composites" in Research in Nondestructive Evaluation, Vol. 7, 1996, pp. 215-218.
    4. Patent DE 100 59 854.4
    5. Dillenz, A.; Zweschper, Th.; Busse, G.: Elastic wave burst thermography for NDE of subsurface features. In: Insight 42 Nr. 12 (2000), pp. 815-817
    6. Maldague, X.; Marinetti, S.: "Pulse Phase Infrared Thermography" in J. Appl. Phys, 79 [5], 1996, pp. 2694-2698.
    7. Maldague, X.; Marinetti, S.; Busse, G.: "Couturier, J.-P.: Possible applications of pulse phase thermography" in Progress in Natural Science, Supplement to Vol. 6, 1996, pp. 80-82.
    8. Galmiche, F.; Vallerand, S.; Maldague X.: "Pulsed Phase Thermography with the Wavelet Transform" in Review of Progress in Quantitative NDE, D.O. Thompson et D.E. Chimenti editors, Am. Institute of Physics, 19A, 2000, pp. 609-615.

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