DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Wirbelstromangeregte Lockin-Thermografie - Prinzip und Anwendungen

G. Riegert, Th. Zweschper, A. Dillenz, G. Busse
Institut für Kunststoffprüfung und Kunststoffkunde (IKP), Abteilung Zerstörungsfreie Prüfung (ZfP), Universität Stuttgart, Pfaffenwaldring 32, D-70569 Stuttgart, Germany,
Tel: +49(0)711/685-2572, Fax: +49(0)711/685-4635, mailto: riegert@ikp.uni-stuttgart.de
Kontakt: Dipl.-Ing. Gernot Riegert

Zusammenfassung

Konventionelle Wirbelstromprüfung nutzt zur Defekterkennung lokale Phasenverschiebungen, die die Impedanzänderung einer Sender/Empfänger Spule anzeigen. Der Nachteil dieser Methode ist die lange Untersuchungszeit, bedingt durch das Abscannen der Bauteiloberfläche. Die Lockin-Thermografie mit induktiver Bauteilanregung durch Wirbelstrom vermeidet diesen Nachteil: Induktions-Lockin-Thermografie (ILT) nutzt eine unmittelbar bildgebende Infrarotkamera zur phasenempfindlichen Abbildung induktiv erwärmter Bereiche. Der zeitabhängige Temperaturverlauf als Antwort auf die modulierte Anregung erlaubt eine schnelle Darstellung von Defekten; ein langsames, punktweises Abscannen der Oberfläche ist also nicht mehr nötig.

1. Einleitung - Prinzip

Während bei der Abkühlungsthermografie (z.B. mit Blitzlampenanregung) einzelne Temperaturbilder der Abkühlungssequenz analysiert werden, basiert die Lockin- (oder Phasen-) Thermografie [1-5] auf der Analyse thermischer Wellen, die das Ausbreitungsverhalten periodischer Temperaturänderung (erzeugt z.B. durch intensitätsmodulierte Halogenlampen) beschreiben. Der Wärmefluss wird dabei so codiert, dass er mittels Fourieranalyse wieder decodiert werden kann, wobei die uncodierten Störeinflüsse herausfallen, also z.B. auch der Gleichanteil des Temperaturfeldes. Messtechnisch handelt es sich um eine Schmalbandfilterung mit entsprechender Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses, wobei die Ausnutzung des Phasenwinkels die Störanfälligkeit nochmals reduziert. Ungleichmäßige Erwärmung oder Spiegelungen, die die Auswertung bei Abkühlungsthermografie stark erschweren, spielen bei solchen Phasenbildern keine Rolle. Leider werden mit dieser Anregungsmethode aber nicht nur die Defekte dargestellt, sondern auch die intakten thermischen Strukturen, was bei der Fehlererkennung zu Problemen führen kann.

Wenn anstelle der optischen Anregung (z.B. durch Lampen) die zu untersuchenden Proben mit Leistungs-Ultraschall beaufschlagt werden, erwärmen sich praktisch nur die Defekte, da sie durch Hysterese die mechanischer Energie in Wärme umsetzen. Eine Infrarotkamera erfasst diese lokale Erwärmung [6,7]. Auch bei dieser Anregungsart lässt sich wieder die Lockin-Technik anwenden: Ultraschall-Lockin-Thermografie, ULT [8,9]. Das defektselektive Abbilden mittels ULT hat aber den Nachteil, dass der Ultraschallkonverter mechanisch an das Bauteil angekoppelt werden muß. Ein defektselektives Verfahren mit berührungsloser Anregung wäre vorteilhaft: die Induktions-Lockin-Thermografie (ILT).

Während die Ultraschall-Lockin-Thermografie auf der lokalen Erwärmung durch mechanische Verluste beruht, nutzt die Induktions-Lockin-Thermografie elektrische Verluste des Bauteils zur Erwärmung [10]. Die Anregung erfolgt berührungslos mit einer Induktionsspule, die in elektrisch leitenden Materialien Wirbelströme erzeugt. Durch den elektrischen Bauteilwiderstand bewirkt dies eine berührungslose Erwärmung. Risse werden stärker erwärmt, da an ihnen eine lokal erhöhte Wirbelstromdichte auftritt. Neben der pulsartigen Erwärmung mit Auswertung der Temperaturbilder [11] lassen sich auch bei dieser Anregungsart die Vorteile der Lockin-Technik und insbesondere der Phasenanalyse nutzen. Bei ILT (Bild 1) wird die Induktionsfrequenz von ca. 100 kHz mit der Lockin-Frequenz (ca. 0.01 - 1Hz) amplitudenmoduliert. Durch Fouriertransformation des zeitlichen Temperaturverlaufs an jedem einzelnen Pixel der aufgenommenen Thermografiebildsequenz erhält man ein Amplituden- und ein Phasenbild, die im Vergleich zum einzelnen Temperaturbild ein erheblich verbessertes Signal/Rausch-Verhältnis aufweisen, ähnlich wie beim Übergang der einfachen Abkühlungsthermografie zu ULT. Ein weiterer Vorteil von Phasenbildern ist die Unterdrückung der störenden Temperaturgradienten, die durch induktive Erwärmung auftreten.


Bild 1: Schematischer Aufbau der Induktions-Lockin-Thermografie (ILT)

Die zerstörungsfreie Bauteilprüfung mit ILT ist nicht auf metallische Werkstoffe beschränkt, da der Werkstoff lediglich eine Mindestleitfähigkeit aufweisen muß [12]. Induktions-Lockin-Thermografie lässt sich somit also auch z.B. auf CFK und kohlefaserverstärkte Keramiken anwenden [13].

2. Versuchsaufbau


Bild 2:
Oszillator mit Induktor

Die Messungen wurden mit einer Cedip Jade II Kamera (InSb-Detektor, 320x240 Pixel, Wellenlänge: 3-5 µm) durchgeführt. Die Induktionsanlage zur Bauteilanregung hat eine maximale elektrische Leistung von 1,5 kW. Der Frequenzbereich des Wirbelstromgenerators liegt zwischen 30 und 300 kHz. Die Induktorgröße beträgt 100x150 mm (Bild 2), die Induktionsfrequenz des Oszillators liegt bei etwa 101 kHz.

3. Anwendungsbeispiele

3.1. Risse in Stahl-Zugprobe

Bild 3:
Zugprobe mit Riss. ILT Phase 1,0 Hz

Das Erkennen von Rissen in Metallen ist das Hauptanwendungsgebiet für konventionelle Wirbelstromprüfung. ILT kann auch in diesem Bereich eingesetzt werden, wobei die ILT-Inspektion eine deutlich kürzere Messzeit gegenüber der konventionellen rasternden Wirbelstromprüfung aufweist. Als Beispiel wurde eine Messung an einer Stahlzugprobe (5 mm dick) mit einem von einer Bohrung ausgehenden Riss untersucht (Bild 3). Die Wirbelstromfrequenz betrug 102 kHz, die Lockin-Frequenz 1 Hz.

Im ILT-Phasenbild sind die Rissspitzen deutlich durch schwarze Punkte markiert. Die Messung an dem 240 x 75 mm großen Bauteil wurde in ca. 20 s durchgeführt.

3.2. Simulierte Delamination in Glare(r)

Glare® ist ein Verbundwerkstoff aus Glasfaserlagen und Aluminiumplatten. Anhand einer Modellprobe wurde untersucht, ob Delaminationen in diesem neuen Werkstoff mit ILT detektierbar sind. Dazu wurde eine runde PTFE-Folie zwischen zwei Lagen eingebracht und mit ILT in Transmissionsanordnung und zum Vergleich auch mit ULT untersucht (Bild 4).


Bild 4:
Glare® Modell-Probe (362x362 mm) mit Delamination, Phasenbilder bei 0,5 Hz

Die Delamination ist im ULT-Phasenbild gut zu erkennen (Bild 4, links). Im Defektbereich mit relativ zueinander beweglichen Lagen ist der mechanische Verlustwinkel erhöht. Im Ultraschallfeld kommt es daher zu Rissuferreibung und entsprechender lokaler Erwärmung. Bei der ILT-Messung erscheint die Fehlstelle größer (Bild 4, rechts): Die Delamination stellt für Wirbelströme ein Hindernis dar, sie werden deshalb am Rand der Fehlstelle verdichtet. Dies ist sichtbar als weißer Hof um eine schwarze Kreisfläche, die die eigentliche Delamination markiert. Der Kreis hat etwa dieselbe Größe wie die im ULT-Phasenbild detektierte Fehlstelle. Im ULT-Phasenbild ist links unten der an das Bauteil angekoppelte Ultraschallkonverter sichtbar, während das ILT-Phasenbild berührungslos in Transmissionsanordnung gewonnen wurde.

3.3. Impactschäden in CFK

Bild 5:
ULT im Vergleich zu ILT an CFK-Probe mit Impactschäden

Bei kohlefaserverstärkten Kunststoffen (CFK) ist vor allem das Erkennen von Impactschäden problematisch, da diese an der Einschlagseite praktisch keine sichtbaren Schäden hinterlassen und trotzdem das Laminat im Inneren oder an der Rückseite des Bauteils durch Delamination erheblich schwächen können. Es wurde eine Impactprobe mit ILT und ULT untersucht (Bild 5).

Die Phasenbilder der ULT und der ILT unterscheiden sich stark hinsichtlich der scheinbaren Defektgröße (wobei zu erwähnen ist, dass das ILT-Bild durch die Reflexionsanordnung perspektivisch verzerrt erscheint). Im ILT-Phasenbild (Bild 5, rechts oben) sind die Impactschäden durch drei kleine längliche kontrastreiche Streifen markiert, außerdem ist die Laminatstruktur (45/-45) zu erkennen. Die zwei dunklen Ellipsen im Phasenbild wurden durch kreisrunde Piezo-Aktuatoren verursacht, die für andere Untersuchungen auf der Rückseite der Probe aufgeklebt waren.

Das ULT-Phasenbild (Bild 5, links oben) zeigt Bereiche mit erhöhtem mechanischem Verlustwinkel, also vor allem die tieferliegenden, stärker ausgedehnten Reibungsbereiche der im Tiefenprofil konusartigen Impactschäden. Man erkennt 4 Impactschäden, also einen mehr als im ILT-Phasenbild, bei dem in diesem Bereich das Signal/Rausch-Verhältnis zu klein ist. Das ILT-Amplitudenbild (Bild 5, rechts unten) zeigt, dass dieser signalschwache Bereich aufgrund der stark inhomogenen Erwärmung durch die Induktionsspule kalt geblieben ist. Im Amplitudenbild sind keine Impactschäden sichtbar, es ist somit sehr viel aussageschwächer als das Phasenbild. Die im Rauschen verborgene Information wird mit der Fourieranalyse aus dem gesamten Bilderstapel der Sequenz aufgrund der Codierung extrahiert. Zudem erfolgt bei der Phasenwinkelberechnung eine interne Normierung durch Quotientenbildung, so dass im Phasenbild, das nur die lokale Verzögerung des Wärmetransport darstellt, die Inhomogenitäten der Leistungszufuhr erfolgreich unterdrückt werden. Bei Bereichen, in denen die Temperaturmodulation nur schwach ausgeprägt ist (schwarze Bereiche im Amplitudenbild), sinkt im Phasenbild lediglich das Signal/Rausch-Verhältnis, wie im gezeigten Beispiel im Bereich des vierten Impactschadens.

Durch die völlig unterschiedlichen Erwärmungsmechanismen bei ULT und ILT erscheinen die Impactschäden in den Phasenbildern sehr verschieden. Da bei der Wirbelstromanregung nur elektrisch leitfähige Materialien erwärmt werden, bei CFK also die Kohlefasern, spricht ILT hauptsächlich auf Faserbrüche an, weil diese die lokalen elektrischen Eigenschaften der Probe ändern [14]. Diese Brüche treten im Spitzenbereich des Konus auf, während es in dessen unteren Bereich zu Schubversagen und Delamination kommt, auf die ULT reagiert. Beide Verfahren ergänzen also einander zur Defektcharakterisierung.

4. ILT-Tiefenreichweiten

Die Tiefenreichweite von ILT ist zum einen von den thermischen Eigenschaften der zu untersuchenden Probe abhängig, zum anderen aber auch von ihren elektrischen Eigenschaften. Bei der Induktionsanregung kommt es wegen des "Skin-Effekts" (in Analogie zum thermischen Skin-Effekt, der durch die thermische Eindringtiefe beschrieben wird) praktisch nur innerhalb der Wirbelstromeindringtiefe ds ("Skintiefe") zur Erwärmung. Die Dicke dieser Schicht, auf der die Wirbelstromamplitude auf 1/e des Oberflächenwertes abfällt, ist:

(1)

Bild 6:
Aluminium Sacklochprobe. Oben: Schematischer Aufbau, Unten: ILT-Phasenbilder

mit der Induktions-Kreisfrequenz w, der Permeabilitätskonstanten µ0 = 4 p*10-7 Vs/Am, der relativen Permeabilität µr und der elektrischen Leitfähigkeit k des Materials. Bei elektrisch gut leitfähigen Materialien (Metallen) wird daher nur eine dünne Oberflächenschicht erwärmt. Beispielsweise ist ds = 0,4 mm in Aluminium (k = 2*107 S/m, µr = 1) mit einer Induktionsfrequenz von 100 kHz. Dies entspricht einer Oberflächenheizung ähnlich wie bei der Optischen-Lockin-Thermografie - allerdings bei im Optischen teiltransparenten Proben. Die maximale Tiefenreichweite zur Fehlerdetektion ist bei diesen Materialien demnach eher von der thermischen Eindringtiefe (also der Modulationsfrequenz, die die thermische Skintiefe bzw. die Reichweite der erzeugten thermischen Wellen bestimmt) als von der Wirbelstromreichweite (also der Trägerfrequenz, die die Anregungstiefe ds bestimmt) abhängig. Dies wurde anhand einer Aluminium-Modellprobe mit Sacklochbohrungen in unterschiedlicher Tiefe untersucht (Bild 6).

Bei einer Lock-in Frequenz von 1,0 Hz sind noch Bohrungen hinter einer Restwandstärke von 1,0 mm zu erkennen (Bild 6, links unten). Bei Verringerung der Lock-in Frequenz auf 0,25 Hz sind auch Defekte bis zu einer Tiefe von 1,5 mm detektierbar (Bild 8, rechts unten). Bei der Tiefenreichweite ist also nicht die Wirbelstromreichweite von 0,4 mm maßgeblich, sondern die thermische Tiefenreichweite von 1,5 mm. Zur theoretischen Beschreibung dieser Zusammenhänge eignet sich das Rosencwaig-Gersho-Modell [15], weil es in Analogie zur Wirbelstromeindringtiefe die optische Eindringtiefe teiltransparenter Werkstoffe berücksichtigt. Bei elektrisch schlecht leitenden Materialien kann ds bei 100 kHz Wirbelstromfrequenz größer als die thermische Eindringtiefe sein, wie z.B. ds = 50 mm in CFK (k = 103 S/m, µr = 1). Dies entspricht dann eher einer "Volumenheizung" ähnlich wie der ultraschallangeregten Thermografie, aber mit dem Vorteil, dass die Anregung berührungslos erfolgt. Die Defekte werden in diesem Fall stärker erwärmt als die ungeschädigten Bauteilbereiche, da an ihnen die Wirbelstromlinien abgelenkt werden und sie sich damit an den Defekträndern verdichten. Man erhält also eine defekt selektive Erwärmung. Bei elektrisch schlecht leitenden Materialien spielt die thermische Eindringtiefe eine geringere Rolle. Bei CFK ist allerdings eine Begrenzung der Wirbelstromreichweite in Abhängigkeit der Faserorientierung und aufgrund von Abschirmung durch einzelne Kohlefaserlagen zu erwarten. Die Tiefenreichweite wäre somit ortsund richtungsabhängig.

5. Zusammenfassung

Unsere Messungen mit Induktions-Lockin-Thermografie haben gezeigt, dass dieses robuste und berührungslose Verfahren nicht auf metallische Werkstoffe beschränkt ist, sondern dass es auch auf Materialien mit einer elektrischen Mindestleitfähigkeit wie z.B. CFK anwendbar ist. Dabei sind Fehlertypen wie Risse, Faserbrüche und Delaminationen schnell abbildbar. Die Tiefenreichweite des Verfahrens ist von den thermischen und den elektrischen Eigenschaften der Probe abhängig. Bei elektrisch gut leitfähigen Materialien entspricht ILT der optischen Anregung an opaken Materialien, bei elektrisch schlecht leitfähigen Materialien hingegen einer Volumenheizung wie bei optisch teiltransparenten Werkstoffen oder ähnlich wie bei der ultraschallangeregten Thermografie. Die Defekte werden in diesem Fall selektiv stärker erwärmt als ungeschädigte Bauteilbereiche. Mit ILT hat man damit ein Verfahren, das die defekt-selektive Fehlerdetektion der ULT mit einer berührungslosen Anregung kombiniert, wobei die variable Wirbelstromfrequenz einen zusätzlichen Freiheitsgrad bietet.

6. Danksagung

Die Autoren danken den Herren Dipl.-Ing Theodor Meier und Dipl.-Ing Dieter Scherling von Airbus-Bremen für die Bereitstellung der Glare(r) Modellprobe.

7. Literatur

  1. Nordal P.-E., Kanstad S.O.: Photothermal radiometry. Physica Scripta 20, 1979, p. 659-662
  2. Carlomagno, G. M.; Berardi, P. G.: Unsteady thermography in nondestructive testing. Proceedings of the 3rd Biannual Information Exchange, St. Louis/USA, S. 33-39, (1976)
  3. Busse, G. Optoacoustic phase angle measurement for probing a metal. Appl. Phys. Lett. Vol. 35, S. 759-760, (1979)
  4. Beaudoin, J. L.; Marienne, E.; Danjoux, R.; Egee, M.: Numerical system for infra-red scanners and application to the subsurface control of materials by photothermal radiometry. Infrared technology and applications. In: SPIE Vol. 590, S. 287, (1985)
  5. Kuo, P. K.; Feng, Z. J.; Ahmed, T.; Favro, L. D.; Thomas, R. L.; Hartikainen, J: Parallel thermal wave imaging using a vector lockin video technique. Photoacoustic and Photothermal Phenomena (Hrsg. P. Hess und J. Pelzl), Springer-Verlag, Heidel-berg, S. 415-418, (1988)
  6. Henneke, E.G.; Reifsnider, K.L.; Stinchcomb, W.W.: Thermography. An NDI method for damage detection. J. of Metals, 31, S. 11-15, (1979)
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  8. Rantala J.; Wu D.; Busse G.: Amplitude Modulated Lock-In Vibrothermography for NDE of Polymers and Composites. Research in Nondestructive Evaluation, Vol. 7, pp. 215-218, (1996)
  9. Dillenz, A.; Busse, G.; Wu, D.: Ultrasound lock-in thermography: feasibilities and limitations. Diagnostic imaging technologies and industrial applications. SPIE Vol. 3827, S. 10-15, (1999)
  10. P 42 03 272: "Verfahren zur phasenempfindlichen Darstellung eines effektmodulierten Gegenstandes", Patentschrift, 1992
  11. Bamberg J., Erbeck G., Zenzinger G., "EddyTherm: Ein Verfahren zur bildge-benden Rißprüfung metallischer Bauteile", ZfP-Zeitung 68, 1999, p. 60 - 62
  12. Mook, G.: Zerstörungsfreie Charakterisierung von carbonfaserverstärkten Kompositen mit Hilfe des Wirbelstromverfahrens. Proc. DGZfP-Jahrestagung 2001, ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung. Berichtsband 75-CD, Berlin, (2001)
  13. Riegert G., Busse G., "Induktions-Lockin-Thermografie - ein neues Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung", MP Materialprüfung, Jahrg. 46 1-2, 2004, p. 33-35
  14. Lemistre M. B., Balageas D. L., "A hybrid electromagnetic acousto-ultrasonic method for SHM of carbon/epoxy structures" SHM, Vol. 2, 2, 2003, p. 153-160
  15. Rosencwaig A., Gersho A.: "Theory of photoacoustic effect with solids". J. Appl. Phys. 47, 1976, p. 64-69

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