DE102008012533A1

DE102008012533A1 - Verfahren zum Prüfen eines Bauteils, insbesondere eines gefügten Bauteils auf innere Fehler und/oder Oberflächenfehler mittels Thermografie

Info

Publication number: DE102008012533A1
Application number: DE102008012533A
Authority: DE
Inventors: Robert Strohmeyer
Original assignee: Inpro Innovationsgesellschaft fuer Fortgeschrittene Produktionssysteme in der Fahrzeugindustrie mbH
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2008-03-04
Filing date: 2008-03-04
Publication date: 2009-09-10
Anticipated expiration: 2028-03-05
Also published as: DE102008012533B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen eines Bauteils, insbesondere eine gefügten Bauteils auf Oberflächenfehler und/oder innere Fehler mittels Thermografie, bei dem das Bauteil abgekühlt wird und die dabei entstehenden Verzerrungen des Oberflächentemperaturfeldes des Bauteils mittels einer Wärmebildkamera erfaßt und anschließend rechnermäßig ausgewertet werden. Um für eine anfänglich verhältnismäßig große Abkühlgeschwindigkeit vergleichbar der bei einer Blitzanregung auf der anregungsseitigen Bauteiloberfläche bei zugleich homogener konvektiver Anregung für die Thermografie zu sorgen, wird erfindungsgemäß eine verhältnismäßig geringe Menge einer Flüssigkeit wie Wasser in einer Zerstäuberdüse mittels Druck eines Gasstroms wie Druckluft zu einem Spray wie Wasserspray zerstäubt, die Bauteiloberfläche des zu prüfenden Bauteils von dem aus der Zerstäuberdüse gelenkten Wasserspray impulsartig beaufschlagt, von den sich hierbei stark abkühlenden Tropfen des Wassersprays augenblicklich mit verhältnismäßig steilem Temperaturgradienten abgekühlt und zugleich homogen für die Thermografie konvektiv angeregt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen eines Bauteils, insbesondere eines gefügten Bauteils auf innere Fehler und/oder Oberflächenfehler mittels Thermografie, bei dem das Bauteil abgekühlt wird und die dabei entstehenden Verzerrungen des Oberflächentemperaturfeldes des Bauteils mittels einer Wärmebildkamera erfaßt und anschließend rechnermäßig ausgewertet werden.
Es ist bekannt, zur zerstörungsfreien Prüfung von Bauteilen auf Oberflächen und/oder innere Fehler mittels Thermografie als konvektive Anregung einen Warm- oder Kaltluftstrom auf die Oberfläche des Bauteils zu lenken ( DE 198 38 858 A1 ). Bei einer derartigen konvektiven Anregung mit Kaltluft z. B. mittels eines Wirbelrohres ist der Emissionsgrad auf der Bauteiloberfläche auf der Anregungsseite nahezu vernachlässigbar und die Energie wird gleichmäßig in das Bauteil eingekoppelt, so daß sich eine homogene Temperaturverteilung ergibt. Als Nachteil erweist sich jedoch eine geringe Abkühlgeschwindigkeit auf der anregungsseitigen Bauteiloberfläche, so dass auf Grund langer Anregungszeiten ein starker lateraler Wärmefluss im Bauteil auftritt. Hierdurch ist eine Detektion von tiefliegenden oder kleinen Fehlern im Bauteil bzw. von Verbindungsflächen erschwert.
Bekannt ist auch ein Verfahren zur Charakterisierung von Werkstücken aus einem elektrisch leitfähigen Material oder aus einem Materialverbund mit einer Schicht oder einem Substrat aus elektrisch leitfähigem Material ( WO 2005/005972 A1 ), bei dem ein elektrisch leitfähiger Bereich des Werkstücks durch flächige Einkopplung eines elektromagnetischen Impulses induktiv erwärmt und direkt im Anschluß an die impulsförmige Aufheizung eine Kühlung mittels eines impulsförmigen Luftstroms durch Anblasen der Oberfläche des Werkstücks erfolgt. Hierdurch soll erreicht werden, dass sich ein verstärkter Wärmestrom vom Materialinneren zur Oberfläche hin einstellt, wobei bei Vorliegen einer Fehlstelle der sich oberhalb dieser ausbildende negative Temperaturkontrast (Signal) verstärkt wird. In der Nachbarschaft dieses negativen Signals ergibt sich hingegen bei der Nutzung des Wirbelstromeffektes ein positiver Temperaturkontrast, bedingt durch die verstärkte Wärmeerzeugung in der Umgebung der Fehlstelle infolge einer erhöhten Wirbelstromdichte. Das Hervorrufen entgegengesetzter Temperaturkontraste durch die aktive Kühlung der Oberfläche soll eine Verbesserung des Messergebnisses in bestimmten Fällen erreicht werden. Auch hier erweist sich als Nachteil eine verhältnismäßig geringe Abkühlgeschwindigkeit auf der anregungsseitigen Bauteiloberfläche.
Bekannt ist schließlich eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art ( DE 20 2006 016 452 U1 ), mit der zur Minimierung des lateralen Wärmeflusses verhältnismäßig kurze Anregungszeiten für die Thermografie möglich sind. Hierzu ist ein von einer Druckluftzufuhr über ein Einlaßventil mit Druckluft gefüllter Druckbehälter vorgesehen, der über ein Auslaßventil mit einer im geringen Abstand von der Oberfläche des zu prüfenden Bauteils zu positionierenden Düse verbunden ist, von der ein bei Öffnung des Auslaßventils des Druckbehälters expansionsbedingter kalter Druckluftimpulse schlagartig auf die Bauteiloberfläche als Anregung für die Thermografie zu richten ist. Mit dieser Vorrichtung kann eine verhältnismäßig schnelle Temperaturänderung auf der Bauteiloberfläche erreicht werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art zur Verfügung zu stellen, mit dem auf sehr einfache Weise eine anfänglich verhältnismäßig große Abkühlgeschwindigkeit vergleichbar der bei einer Blitzanregung auf der anregungsseitigen Bauteiloberfläche bei zugleich homogener konvektiver Anregung für die Thermografie erzielbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem gattungsgemäßen Verfahren dadurch erreicht, daß eine verhältnismäßig geringe Menge einer Flüssigkeit wie Wasser in einer Zerstäuberdüse mittels Druck eines Gasstroms wie Druckluft zu einem Spray wie einem Wasserspray zerstäubt wird, und die Bauteiloberfläche des zu prüfenden Bauteils von dem aus der Zerstäuberdüse gelenkten Wasserspray impulsartig beaufschlagt, von den sich hierbei stark abkühlenden Tropfen des Wassersprays augenblicklich mit verhältnismäßig steilem Temperaturgradienten abgekühlt und zugleich homogen für die Thermografie konvektiv angeregt wird.
Vorzugsweise wird die verhältnismäßig geringe Wassermenge von einem Kaltluftstrom in der Zerstäuberdüse druckbeaufschlagt zerstäubt, wobei der Massenstrom des Wassers durch den Druck der Kaltluft eingestellt wird. Die Zerstäubung der verhältnismäßig geringen Wassermenge kann auch mittels einer selbstansaugenden Zerstäuberdüse erfolgen.
Vorzugsweise kann eine verhältnismäßig geringe Menge einer gekühlten Flüssigkeit in der Zerstäuberdüse mittels Druck des Gasstroms zu dem Spray zerstäubt werden, wodurch die Abkühlung des zu prüfenden Bauteils bei der impulsartigen Spraybeaufschlagung der Bauteiloberfläche werter erhöht werden kann.
Vorteilhafterweise wird die Bauteiloberfläche des zu prüfenden Bauteils anschließend an ihre impulsartige Beaufschlagung mit dem aus der Zerstäuberdüse gelenkten Flüssigkeitsspray mit einem Luftstrom beaufschlagt, wobei die Abkühlung des zu prüfenden Bauteils durch Verdunstung weiter erhöht und die von dem Flüssigkeitsspray beaufschlagte Bauteiloberfläche zugleich getrocknet wird.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die eine auf die Bauteiloberfläche des zu prüfenden Bauteils auszurichtende Wärmebildkamera zur Erfassung von Verzerrungen des Oberflächentemperaturfeldes des Bauteils und einen mit der Wärmebildkamera verbundenen Rechner zur Bildauswertung aufweist, ist gekennzeichnet durch eine Zerstäuberdüse, die eingangsseitig sowohl mit einer ventilgesteuerten Wasserversorgung als auch mit einer ventilgesteuerten Luftversorgung verbunden ist derart, dass einem der Zerstäuberdüse zugeführten Luftstrom eine verhältnismäßig geringe Wassermenge zu deren feiner Zerstäubung mittels der Zerstäuberdüse zu zuführen ist, und deren Ausgang in einem Abstand im Bereich von 5 mm bis 100 mm von der Oberfläche des zu prüfenden Bauteils so zu positionieren ist, dass das aus der Zerstäuberdüse gelenkte Wasserspray zur impulsförmigen Spraykühlung des Bauteils auf die Bauteiloberfläche als Anregung für die Thermografie gerichtet ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird auf einfache und kostengünstige Weise eine verhältnismäßig hohe anfängliche Abkühlgeschwindigkeit des spraybeaufschlagten gefügten Bauteils bei hoher Homogenität der konvektiven Anregung für die Thermografie erreicht. So sind bei Verwendung einer ungekühlten Flüssigkeit Temperaturdifferenzen von 5°C unter Raumtemperatur mit der Spraykühlung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu erreichen, die in der Anfangsphase mit der Wirkung einer Blitzanregung vergleichbar ist. Bei Einsatz von gekühlter Flüssigkeit kann die Abkühlung weiter gesteigert werden.
Bevorzugt wird eine nach dem Vergaserprinzip arbeitenden Zerstäuberdüse verwendet, d. h. die ausströmende Druckluft erzeugt einen Unterdruck, durch die die verhältnismäßig geringe Wassermenge angesaugt wird. Der Abstand der Mündung der Zerstäuberdüse zur Oberfläche des zu prüfenden Bauteils wird beim erfindungsgemäßen Verfahren wesentlich größer als bei einer herkömmlichen Luft-Impulsanregung der Bauteiloberfläche des zu prüfenden Bauteils gewählt, und zwar im Bereich von 5 mm bis 100 mm.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nun anhand der einzigen Figur der Zeichnung beschrieben, die einen schematischen Aufbau der Vorrichtung zeigt. Einer Zerstäuberdüse 1, die nach dem Vergaser- Prinzip arbeiten kann, wird eingangsseitig sowohl über eine ein steuerbares Einlaßventil 3 aufweisende Wasserversorgungsleitung 2 eine verhältnismäßig geringe Wassermenge als auch über eine ein steuerbares Einlaßventil 5 aufweisende Druckluftleitung 4 Druckluft zugeführt, von der die Wassermenge in der Zerstäuberdüse 2 zu Wasserspray 6 zerstäubt wird. Die ausgangsseitige Mündung 7 der Zerstäuberdüse 2 ist auf die Oberfläche 8 eines zu prüfenden gefügten Bauteils 9 ausgerichtet und von der Bauteiloberfläche 8 in einem Abstand im Bereich von 3 mm bis 10 mm angeordnet. Die Oberfläche 8 des zu prüfenden Bauteils 9 wird von dem aus der Zerstäuberdüse 2 gerichteten Wasserspray 6 impulsartig beaufschlagt und von den sich hierbei stark abkühlen Tropfen des Wassersprays augenblicklich mit anfänglich verhältnismäßig steilem Temperaturgradienten abgekühlt. Zugleich wird eine auf die gegenüberliegende Bauteiloberfläche 8 ausgerichtete Wärmebildkamera 10 gestartet, von der entstehende Verzerrrungen des Oberflächentemperaturfeldes des Bauteils 9 erfaßt werden. Die Wärmebildkamera 10 ist mit einem Rechner 11 zur Bildauswertung verbunden. Wie durch Phasen FFT Bilder der rückseitigen Bauteiloberfläche 8 nachgewiesen ist, bedingt die Spraykühlung eine ausgezeichnete Homogenität der konvektiven Bauteilanregung und ermöglicht somit auf einfache Weise eine verbesserte Prüfung des gefügten Bauteils 9 auf Oberflächenfehler und/oder innere Fehler mittels Thermografie.

1: Zerstäuberdüse
2: Wasserversorgungsleitung
3: steuerbares Einlaßventil der Wasserversorgungsleitung
4: Druckluftleitung
5: steuerbares Einlaßventil der Druckluftleitung
6: Wasserspray
7: Mündung der Zerstäuberdüse
8: Bauteiloberfläche
9: Bauteil
10: Wärmebildkamera
11: Rechner

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19838858 A1 [0002]
- WO 2005/005972 A1 [0003]
- DE 202006016452 U1 [0004]

Claims

Verfahren zum Prüfen eines Bauteils, insbesondere eines gefügten Bauteils auf Oberflächenfehler und/oder innere Fehler mittels Thermografie, bei dem das Bauteil abgekühlt wird und die dabei entstehenden Verzerrungen des Oberflächentemperaturfeldes des Bauteils mittels einer Wärmebildkamera erfaßt und anschließend rechnermäßig ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine verhältnismäßig geringe Menge einer Flüssigkeit wie Wasser in einer Zerstäuberdüse mittels Druck eines Gasstroms wie Druckluft zu einem Spray wie Wasserspray zerstäubt wird, und die Bauteiloberfläche des zu prüfenden Bauteils von dem aus der Zerstäuberdüse gelenkten Wasserspray impulsartig beaufschlagt, von den sich hierbei stark abkühlenden Tropfen des Wassersprays augenblicklich mit verhältnismäßig steilem Temperaturgradienten abgekühlt und zugleich homogen für die Thermografie konvektiv angeregt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verhältnismäßig geringe Wassermenge von einem Kaltluftstrom in der Zerstäuberdüse druckbeaufschlagt zerstäubt wird, wobei der Massenstrom des Wassers durch den Druck der Kaltluft eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine verhältnismäßig geringe Menge einer gekühlten Flüssigkeit in der Zerstäuberdüse mittels Druck des Gasstroms zu dem Spray zerstäubt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteiloberfläche des zu prüfenden Bauteils anschließend an ihre Beaufschlagung mit dem aus der Zerstäuberdüse gelenkten Flüssigkeitsspray mit einem Luftstrom beaufschlagt wird, wobei die Abkühlung des zu prüfenden Bauteils durch Verdunstung weiter erhöht und die vom Flüssig keitsspray beaufschlagte Bauteiloberfläche zugleich getrocknet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäubung der verhältnismäßig geringen Wassermenge mittels einer selbstansaugenden Zerstäuberdüse erfolgt.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer auf die Bauteiloberfläche (8) des zu prüfenden Bauteils (9) auszurichtende Wärmebildkamera (10) zur Erfassung von Verzerrungen des Oberflächentemperaturfeldes des Bauteils (9) und mit einem mit der Wärmebildkamera (10) verbundenen Rechner (11) zur Bildauswertung, gekennzeichnet durch eine Zerstäuberdüse (1), die eingangsseitig sowohl mit einer ein steuerbares Einlaßventil (3) aufweisenden Wasserversorgungsleitung (2) als auch mit einer ein steuerbares Einlaßventil (5) Luftversorgungsleitung (4) verbunden ist derart, dass einem der Zerstäuberdüse (1) zugeführten Luftstrom eine verhältnismäßig geringe Wassermenge zu deren feiner Zerstäubung mittels der Zerstäuberdüse (1) zu zuführen ist, und deren Mündung (7) in einem Abstand im Bereich von 5 mm bis 100 mm von der Oberfläche (8) des zu prüfenden Bauteils (9) so zu positionieren ist, dass das aus der Zerstäuberdüse (1) tretende Wasserspray (6) zur impulsförmige Spraykühlung des Bauteils (9) auf die Bauteiloberfläche (8) als konvektive Anregung für die Thermografie gerichtet ist.