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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur berührungslosen und zerstörungsfreien Prüfung von Bauteilen mittels Wärmeflussthermografie. Mit Wärmeflussthermografie können Defekte, wie z.B. Fügefehler, Lunker, Risse o.ä., detektiert werden. Dabei wird ausgenutzt, dass sich der Wärmestrom in defektfreien und in Bereichen, in denen Defekte vorhanden sind, voneinander unterscheidet. Nach Anregung durch eine bereichsweise Abkühlung oder Erwärmung kann die Bauteiloberflächentemperatur über einen vorgegebenen Oberflächenbereich mit einer Thermografiekamera zeit- und/oder ortsaufgelöst erfasst werden. Durch Auswertung der Temperaturverteilung mit geeigneten Bildverarbeitungsalgorithmen kann das Vorhandensein sowie die Lage und Tiefe von Defekten bestimmt werden.
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Neben der Lock-In-Thermografie ist die Impuls-Thermografie bereits verbreitet. Bei Letztgenannter wird eine gepulste Erwärmung oder Abkühlung von Bauteilen durch einen Energieeintrag durchgeführt.
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Dabei wird am häufigsten eine Erwärmung durch Bestrahlung der Bauteiloberfläche mit leistungsstarken Blitzlampen eingesetzt, die elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich des sichtbaren, des NIR und des MWIR-Spektralbereichs emittieren. Durch Absorption der Strahlung an der Oberfläche wird diese in Wärme umgewandelt und das Bauteil ausgehend vom bestrahlten Bereich der Oberfläche erwärmt, wobei die Erwärmung lokal von der jeweiligen Wärmeleitfähigkeit, -kapazität und Dichte beeinflusst ist. Eine solche technische Lösung ist z.B. in
DE 101 50 633 A1 erwähnt.
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Mit Blitzlampen können zwar eine hohe Energiedichte bei kurzer Impulsdauer im Millisekundenbereich und auch Berührungsfreiheit erreicht werden. Für eine gleichmäßige Bestrahlung ausreichend großer Flächen ≥ 100 mm im Durchmesser sind aber großformatige Reflektoren mit Durchmessern bis zu 400 mm erforderlich, die für viele Applikationen wegen der dadurch bedingten schwierigen Handhabbarkeit und Manipulierbarkeit an komplex gestalteten Bauteilen nicht oder nur bedingt geeignet sind. Personen im Umfeld müssen vor der Strahlung geschützt werden, wofür Einhausungen erforderlich sind. Es muss auch ein Splitterschutz wegen der Gefahr bei der Zerstörung von Blitzlampen während des Betriebes vorgesehen werden. Blitzlampen stellen auch einen Kostenfaktor dar, da ihre Anschaffungskosten erhöht und ihre Lebensdauer (ca. 100.000 Blitze) begrenzt sind.
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Der Absorptionsgrad der auf die Bauteiloberfläche auftreffenden elektromagnetischen Strahlung hängt vom Bauteilwerkstoff und der Oberflächenbeschaffenheit ab, so dass der Wirkungsgrad begrenzt sein kann, worauf auch die Einfallswinkel der elektromagnetischen Strahlung insbesondere bei konturierten Oberflächen an Bauteilen Einfluss haben können.
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Aus
DE 101 50 633 A1 ist es u.a. neben Blitzlampen und Lasern bekannt, auch ein heißes Arbeitsgas gepulst mit kleinen Pulszeiten für die Wärmeflussthermografie einzusetzen. Dabei werden keine Möglichkeiten für eine konkrete Realisierung angegeben.
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Ausgehend von Möglichkeiten zur konvektiven Temperierung mit Warm- und Kaltluft wird in
DE 20 2006 016 452 U1 vorgeschlagen, Druckluft aus einem gefüllten Druckbehälter in sehr kurzer Zeit, die im Bereich 0,5 bis 1 s liegen soll, auf ein Bauteil über eine Düse zu richten. Expansionsbedingt kühlt sich dabei die vorab komprimierte Luft ab, so dass mit der kalten Luft die Bauteiloberfläche ebenfalls abgekühlt wird. Hierbei können aber nur relativ kleine Temperaturgradienten von ca. 20 bis 30 K erreicht werden, wenn ein Bauteil bei üblicher Raumtemperatur detektiert werden soll. Größere Temperaturdifferenzen lassen sich aber lediglich durch sehr stark erhöhte Luftdrücke im Druckbehälter erreichen. Hier steigen aber die Kosten und die Sicherheitsanforderungen exponentiell. Außerdem ist ein sehr hoher Druckluftverbrauch zu verzeichnen, da bei einem Puls der Druckbehälter in der Regel vollständig wegen des erforderlichen hohen Druckabfalls geleert wird, um die erforderliche Abkühlung der Luft zu erreichen. Der Druckbehälter muss nach jedem einzelnen Puls dann wieder mit komprimierter Luft gefüllt werden, bis ein ausreichender Innendruck im Druckbehälter erreicht ist, was wiederum zu Verzögerungen bei der nachfolgenden Detektion an einem Bauteil führt.
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Gegebenenfalls sind auch mehrere solcher Kaltluftpulse erforderlich, um auswertbare Temperaturdifferenzen in einem zu detektierenden Bereich eines Bauteils erreichen zu können. Bei kleinen hervorgerufenen Temperaturgradienten an Bauteilen sinkt der Temperaturkontrast, was sich auf die Detektionsergebnisse bei der thermografischen Auswertung nachteilig, insbesondere bezüglich der Aussagefähigkeit auswirkt.
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Es ist auch eine hohe Lärmbelästigung zu verzeichnen.
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Aus
DE 198 38 858 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur zerstörungsfreien Materialprüfung und - charakterisierung bekannt.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung Möglichkeiten für eine effiziente und genaue Bestimmung von Defekten an Bauteilen mittels Wärmeflussthermografie anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Ein Verfahren zur Prüfung ist mit Anspruch 15 definiert.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
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Erfindungsgemäß wird ein aufgeheiztes Arbeitsgas mit erhöhter Strömungsgeschwindigkeit, bevorzugt heiße Luft, gepulst auf einen Bereich der Oberfläche eines Bauteils durch mindestens eine Düse gerichtet. Der Bereich kann dann mit einer Thermografiekamera detektiert werden. Die Thermografiekamera kann dabei so positioniert und ausgerichtet sein, dass sie den vom heißen Arbeitsgas beeinflussten Bereich mit seiner Umgebung direkt erfasst oder an der abgewandten Seite des Bauteils angeordnet ist, um die Detektion von dort vornehmen zu können. Die letztgenannte Anordnungsmöglichkeit bietet sich bei dünnen Bauteilen, wie z.B. Blechen an.
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Das unter erhöhtem Druck stehende Arbeitsgas kann in gepulster Form nach Öffnung eines Auslassventils zu einem Arbeitsgaserhitzer und von dort durch die mindestens eine Düse auf den jeweiligen zu detektierenden Bereich des Bauteils gerichtet werden. Auslassventil und Arbeitsgaserhitzer werden mit einer elektronischen Steuerung gesteuert, so dass die Heizleistung des Arbeitsgaserhitzers immer dann entsprechend erhöht ist, wenn das Auslassventil geöffnet ist. Dabei kann die Heizleistung ausgehend von einem Bereitschaftswert unmittelbar bei Öffnung aber auch kurz vor dem Öffnen sprunghaft erhöht werden. Beim Schließen des Auslassventils kann die Heizleistung wieder bis zum Bereitschaftswert abfallen.
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Der Bereitschaftswert der Heizleistung sollte bevorzugt so gewählt sein, dass eine Vorerwärmung gegeben ist und dadurch die Erhöhung der Temperatur des Arbeitsgaserhitzers von einem erhöhten Temperaturwert ausgehen kann und dadurch auch eine höhere Temperatur oder eine steilere Temperaturflanke des das Bauteil konvektiv erwärmenden heißen Arbeitsgases in der kurzen Zeit eines Pulses, bevorzugt kleiner 1 s, erreicht werden kann. Der Bereitschaftswert sollte bei mindestens 5 % der maximalen Heizleistung eines Arbeitsgaserhitzers, die bei geöffnetem Auslassventil eingesetzt ist, liegen.
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Dabei sollte auch berücksichtigt werden, dass keine bzw. nur eine geringfügige Erwärmung am Bauteil vor der eigentlichen Detektion hierdurch auftritt.
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Bei einer solchen Ausführung und Vorgehensweise ist es vorteilhaft, eine Bypass-Leitung vorzusehen, mit der ein Auslassventil überbrückt werden kann. Über die Bypass-Leitung kann Arbeitsgas mit reduziertem Druck und kleinerem Volumenstrom zum Arbeitsgaserhitzer und von dort über die Düse(n) abgeführt werden. So kann am Arbeitsgaserhitzer eine Vorheizung, ohne Beschädigung und dadurch auch eine kleinere Zeitkonstante beim erforderlichen Aufheizen eines Arbeitsgaspulses, der auf die Bauteilüberfläche für eine Detektion gerichtet wird, erreicht werden.
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Um eine Beeinflussung der Bauteiltemperatur während der Bereitschaftszeit durch so ausströmendes über die Bypass-Leitung und auch den Arbeitsgaserhitzer geführtes Arbeitsgas zu vermeiden, kann ein Arbeitsgasströmungsumlenkelement an Düsen vorgesehen werden. Das mit geringerer Strömungsgeschwindigkeit ausströmende Arbeitsgas kann damit in seiner Strömungsrichtung so beeinflusst werden, dass kein oder nur ein sehr kleiner ggf. unerwünschter Einfluss auf die Bauteiltemperatur zu verzeichnen ist. Bei geöffnetem Auslassventil wird das Arbeitsgasströmungsumlenkelement so manipuliert, dass die Strömung des heißen Arbeitsgaspulses ohne weitere Behinderung auf die Oberfläche des Bauteils im für die Detektion vorgesehenen Bereich auftreffen kann. Das Arbeitsgasströmungsumlenkelement kann dabei ganz oder mit einem Teil daran verschwenkt werden. Das Arbeitsgasströmungsumlenkelement kann dabei eine Klappe aufweisen, die in Folge der Gravitationskraft so ausgerichtet sein kann, dass bei kleinem Arbeitsgasdruck eine Umlenkung der Strömung erfolgt und bei erhöhtem Druck bei einem Heizpuls und bei geöffnetem Auslassventil die Klappe verschwenkt und der Strömungsweg zur Bauteiloberfläche freigegeben wird. Die Veränderung der Strömungsrichtung des aus der/den Düse(n) austretenden Arbeitsgases kann aber auch synchron mit dem Auslassventil gesteuert werden.
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Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann auch mindestens ein Temperatursensor vorgesehen sein, um die Umgebungstemperatur und/oder die Bauteiltemperatur bestimmen zu können. Es kann aber auch die jeweilige Temperatur des Arbeitsgases bestimmt werden. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit einer zusätzlichen Regelung der Erwärmung des Arbeitsgases bei der gepulsten Erwärmung. So kann bei höherer Umgebungs- oder Bauteiltemperatur die Heizleistung und dadurch die Temperatur des Arbeitsgases erhöht werden, um entsprechende besser nutzbare größere Temperaturgradienten bei der Detektion erreichen zu können. Die Bauteiltemperatur kann aber auch vor einer Messung oder beispielsweise auch zwischen Messungen in vorgegebenen Intervallen mit Hilfe der ohnehin vorhandenen Thermografiekamera bestimmt werden. Es besteht auch die Möglichkeit der Regelung oder Steuerung der Heizleistung unter Berücksichtigung der Bauteilbeschaffenheit. Dabei kann die geometrische Gestalt im zu detektierenden Bereich, z.B. das jeweilige dort vorhandene Werkstoffvolumen, der Werkstoff mit seinen thermischen Eigenschaften bzw. ggf. vorhandene Wärmebrücken, berücksichtigt werden.
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An einem Arbeitsgaserhitzer kann mindestens ein elektrisches Widerstandsheizelement vorhanden sein, an dem zu erwärmendes Arbeitsgas vorbei strömt. Bei mehreren vorhandenen elektrischen Widerstandsheizelementen können diese mit einer Kaskadenschaltung sukzessive in Abhängigkeit der jeweils gewünschten Arbeitsgastemperatur zu- oder wieder abgeschaltet werden.
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Bei der Erfindung können vorteilhaft Lavaldüsen eingesetzt werden. Mit solchen Düsenöffnungsgeometrien lassen sich bei den in Rede stehenden hohen Drücken und Strömungsgeschwindigkeiten günstige Strömungsverhältnisse, der auf die Bauteiloberfläche gerichteten Arbeitsgaspulse, mit geringer Divergenz und homogener Strömungsgeschwindigkeit sowie Temperaturverteilung innerhalb des Querschnitts der Arbeitsgasströmung erreichen.
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Düsen sollten austauschbar sein, um eine Anpassung an die jeweiligen Detektionsbedingungen in einfacher Form vornehmen zu können. Dabei kann die Bauteilgeometrie, die Oberflächengestalt eines Bauteiles oder die Größe eines Bereiches innerhalb dessen eine Detektion erfolgen soll bzw. auch die Wärmeleitfähigkeit des Bauteilwerkstoffs und Wärmekapazität des Bauteils berücksichtigt werden.
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Für die Verkürzung der erforderlichen Detektionszeiten kann es günstig sein eine Düse mit mehreren Düsenöffnungen oder auch mehrere einzelne Düsen vorzusehen. Dadurch kann bei einem Puls eine größere Fläche oder es können mehrere Bereiche gleichzeitig erwärmt werden. Mit einer geeigneten Thermografiekamera kann dann der entsprechend größere Bauteilbereich ohne zusätzliche Relativbewegung von Bauteil und Thermografiekamera detektiert werden. Es besteht dann aber auch die Möglichkeit einzelne Pulse des komprimierten und erwärmten Arbeitsgases sequentiell durch einzelne Düsenöffnungen oder Düsen auf unterschiedliche Bereiche der Bauteiloberfläche zu richten, diese an verschiedenen Positionen zu erwärmen und dort die Detektion vorzunehmen. Bei bestimmten Oberflächenkonturen von Bauteilen kann so auch das Arbeitsgas mit geeignetem Einfallswinkel, bevorzugt senkrecht auf die Bauteiloberfläche gerichtet werden. Wenn beispielsweise scharfe Kanten an der Bauteiloberfläche vorhanden sind, kann über zwei Düsen bzw. Düsenöffnungen mit entsprechender Anordnung und Ausrichtung eine günstige Erwärmung in einem Kantenbereich für die Auswertung mit Wärmeflussthermografie erreicht werden.
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Das komprimierte Arbeitsgas kann vorteilhaft über einen Druckgasbehälter, ein Auslassventil, den Arbeitsgaserhitzer durch die Düse(n) strömen. Der Druckgasbehälter bildet einen ausreichenden Puffer, so dass ein ausreichend hoher Druck und Volumenstrom an Arbeitsgas mit entsprechend hoher Strömungsgeschwindigkeit, bei hoher Pulsfrequenz mit dem heißen Arbeitsgas für die Wärmeflussthermografie zur Verfügung gestellt werden kann. Ein Druckgasbehälter kann an eine zentrale Druckgasversorgung aber auch an einen eigenen Verdichter angeschlossen sein. Von dort kann komprimiertes Arbeitsgas über ein Einlassventil, das bevorzugt ebenfalls an die elektronische Steuerung angeschlossen ist, in den Druckgasbehälter eingespeist werden. Dabei kann ein Drucksensor zur Bestimmung des Innendrucks des Druckgasbehälters vorhanden sein. Eine Einspeisung von komprimiertem Arbeitsgas kann aber auch nach jeder einzelnen Öffnung eines Auslassventils bzw. einer vorgebbaren Anzahl solcher Arbeitszyklen erfolgen.
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Der Druck vor jedem Heizpuls im Druckbehälter sollte mindestens bei 5 bar gehalten sein, um eine Zufuhr von Arbeitsgas mit zumindest einem so hohen Druck zu gewährleisten. Es kann aber auch ein deutlich höherer Druck von ca. 15 bar und darüber hinaus im Druckgasbehälter vorgesehen und vorgehalten werden.
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Es kann ggf. auch auf einen Druckgasbehälter verzichtet werden, wenn ein geeigneter Verdichter eingesetzt werden kann. Dies kann beispielsweise ein Kolben- oder Kammerverdichter sein, der mit geeigneter auf die gewünschte Pulsfolgefrequenz angepasster Frequenz betreibbar ist.
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Erwärmtes Arbeitsgas mit einer Temperatur von mindestens 100 °C sollte mit einem Volumenstrom von mindestens 100 l/min, bevorzugt mindestens 200 l/min, besonders bevorzugt von mindestens 500 l/min bei einem Puls als heiße Gasströmung auf die Bauteiloberfläche gerichtet werden.
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Bei der Erfindung ist keine Speicherung von zumindest vorerwärmtem Arbeitsgas erforderlich, da die Aufheizung jeweils bei Bedarf nur für das jeweils erforderliche Arbeitsgasvolumen unmittelbar vor dem Auftreffen auf die Oberfläche des Bauteils mit dem Arbeitsgaserhitzer erreicht werden kann.
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Der Verbrauch an komprimiertem Arbeitsgas kann minimiert werden. Das Anströmen von heißem Arbeitsgas am Bauteil kann gezielt vorgenommen und so eine unerwünschte vorab Erwärmung am Bauteil vermieden werden.
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Die Vorrichtung kann in Verbindung mit einem Positioniersystem, beispielsweise einem Industrieroboter, eingesetzt werden. Dabei können alle aber auch nur einige der Elemente einer erfindungsgemäßen Vorrichtung damit bewegt werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit die häufig gewünschte Relativbewegung von Bauteil und Vorrichtung so vorzunehmen, dass allein das Bauteil bewegt wird.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann unmittelbar zur Qualitätskontrolle im Fertigungsprozess eingesetzt werden. Dadurch ergeben sich Möglichkeiten kurzfristig auf aufgetretene Fehler zu reagieren und das Qualitätsmanagement zu verbessern. Aufgetretene Fehler, beispielsweise beim Fügen oder Schweißen bzw. Werkstoffdefekte, können zeitnah erkannt werden.
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Die Prüfung kann auch an Bauteilen mit größerem Werkstoffvolumen bzw. mit größerer Dicke durchgeführt werden und ist nicht auf die Prüfung von z.B. Blechen begrenzt. Es kann mit höherer Pulsfolgefrequenz geprüft werden, so dass die erforderliche Zeit für die Prüfung von Bauteilen klein gehalten werden kann.
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Die erreichbare Temperaturänderung an Bauteilen, im Vergleich zu bekannten technischen Lösungen mit erwärmten oder gekühlten Gasen, ist größer oder es ist eine gleiche Temperaturerhöhung mit deutlich kleinerer Pulsdauer erreichbar, so dass die Prüfung mit größerer Genauigkeit und Empfindlichkeit durchführbar ist. So können auch kleinere, innerhalb des Bauteils tiefer liegende Defekte besser erkannt und auch lokalisiert werden. Daraus ergeben sich auch sicherere Aussagen, ob detektierte Defekte tolerabel sind oder das jeweilige defektbehaftete Bauteil dem Ausschuss zuzuordnen ist.
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Die eigentliche thermografische Detektion und Auswertung kann mit an sich bekannten Mitteln, in Verbindung mit der Thermografiekamera und entsprechender Software durchgeführt werden. Einschneidende Anpassungen sind nicht erforderlich.
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Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
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Dabei zeigt:
- 1 in Form eines Blockschaltbildes einen Aufbau eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Die gezeigte Ausführungsform zeigt eine Vorrichtung, bei der ein Druckgasbehälter 7, hier mit einem Innenvolumen von ca. 10 l, über eine Leitung 13 an eine zentrale Luftdruckanlage angeschlossen ist. In der Leitung 13 ist ein elektronisch gesteuertes Einlassventil 12 vorhanden. Dadurch kann eine Einspeisung von Druckluft als Arbeitsgas in den Druckgasbehälter 7 erfolgen, wenn ein entsprechender Druckabfall im Druckgasbehälter 7, üblicherweise durch Verbrauch von Druckluft bei der Prüfung, aufgetreten ist.
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Druckluft, als Arbeitsgas kann über die sich an den Druckgasbehälter 7 anschließende zum Arbeitsgaserhitzer 9 geführte Leitung gelangen, wenn das Auslassventil 8 geöffnet worden ist. Die Öffnung erfolgt dabei für eine Prüfung jeweils für eine Zeit, die kleiner als eine Sekunde ist. Im mit elektrischer Widerstandsbeheizung betriebenen Arbeitsgaserhitzer 9 wird die als Puls mit erhöhtem Druck strömende Druckluft beim Durchströmen, also ohne Zwischenspeicherung, sprunghaft erwärmt. Bei entsprechend hoher Heizleistung können Gastemperaturen von ca. 600 °C erreicht werden. Der heiße Druckluftpuls 6 wird mit der Düse 10, die in einem Abstand von wenigen Zentimetern zur Oberfläche des Bauteils 5 angeordnet ist, als möglichst kollimierte Strömung auf diese Oberfläche gerichtet. Die Bauteiloberfläche wird dabei in diesem Bereich erwärmt und die Temperatur kann so in einer Zeit unterhalb 1 s um mehrere Grad Kelvin bis zu 50 K erhöht werden.
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Bei dem hier gezeigten Bauteil 5 handelt es sich um ein Bauteil 5, bei dem zwei Bleche durch Punktschweißen miteinander verbunden worden sind und die Qualität der Fügung geprüft werden soll.
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Dabei kann die Thermografiekamera 3 auf der Seite des Bauteils 5 angeordnet und auf die dortige Oberfläche 2 gerichtet sein, die der Oberfläche auf die die heiße Druckluft auftrifft, abgewandt ist.
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Bei dem gezeigten Beispiel ist auch eine Bypass-Leitung 14 vorhanden, mit der das Auslassventil 8 überbrückt werden kann. Bei geschlossenem Auslassventil 8 kann dann Druckluft aus dem Druckgasbehälter 7 zum Arbeitsgaserhitzer 9 gelangen. Dies kann dann der Fall sein, wenn dieser in einem Bereitschaftsmodus betrieben wird. So kann eine „Vorheizung“ erreicht werden, ohne dass der Arbeitsgaserhitzer 9 überhitzt und beschädigt wird. Während dieser Zeit kann die Heizleistung des Arbeitsgaserhitzers 9 auf einen Bereitschaftswert gehalten und dieser im „stand-by“ betrieben werden. Dies kann während des Einsatzes ständig, bis auf die Zeiträume in denen Druckluft durch das geöffnete Auslassventil 8 strömt, der Fall sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit ein solches „Vorheizen“ erst kurz vor dem nächsten Prüfpuls, z.B. wenige Sekunden davor, einzuleiten.
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In die Bypass-Leitung 14 kann ein Druckreduzierelement 15 geschaltet sein, um den Druck des Arbeitsgases bei dieser Betriebsweise und auch den Druckluftverbrauch zu verringern. Das Druckreduzierelement 15 kann die Bypass-Leitung 14 aber auch vollständig schließen.
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Das Einlassventil 12, das Auslassventil 8, das Druckreduzierelement 15, eine bei diesem Beispiel gesonderte Steuerung 11 für den Arbeitsgaserhitzer 9 sowie die Thermografiekamera 3 sind mit einer zentralen elektronischen Steuerung 4 verbunden. Bei diesem Beispiel ist dies ein Personalcomputer, mit dem auch die Auswertung der Detektionsergebnisse durchgeführt werden kann. Die genannten technischen Mittel können so je nach Bedarf und ggf. auch synchron betrieben und gesteuert werden. Ein am Bauteil 5 vorhandener Defekt 1 kann so sicher erkannt werden.
