DE102008034162A1

DE102008034162A1 - Verfahren und Vorrichtung zur scannenden Induktionsthermographie mit flexiblem Bewegungspfad

Info

Publication number: DE102008034162A1
Application number: DE102008034162A
Authority: DE
Inventors: Matthias Dr. Goldammer; Max Rothenfusser; Johannes Orlando Vrana
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-07-22
Filing date: 2008-07-22
Publication date: 2010-02-04
Anticipated expiration: 2028-07-23
Also published as: WO2010009918A1; DE102008034162B4; US20120002036A1; EP2300810A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Induktionsthermographie zur zerstörungsfreien Materialuntersuchung. Es sollen große Flächen von Bauteilen einfach untersucht werden können. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Relativbewegen eines Prüfteils (7) zu einer einen Induktor (1) aufweisenden Infrarotkamera (5) entlang eines beliebigen ein- oder mehrdimensionalen Pfades derart erfolgt, dass das Relativbewegen zum Bildaufzeichnen mit der Infrarotkamera (5) frei ist. Eine Zuordnung von Bewegungspfad und Bildaufzeichnung kann nachträglich erfolgen.

Description

Die vorliegend Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Induktionsthermographie zur zerstörungsfreien Materialuntersuchung.
Die Induktionsthermographie ist ein Verfahren zur zerstörungsfreien Materialuntersuchung. Dabei wird durch einen Wechselstrom, der in einer Spule, dem sogenannten Induktor, fließt, ein Strom im elektrisch leitfähigen Prüfobjekt induziert. Dies stellt 1a dar. Weist ein Bauteil einen Riss auf, muss der Strom, der durch das Prüfobjekt fließt, um einen derartigen Riss herumfließen. Dies stellt 1b dar. Aufgrund der erhöhten Stromdichte wird das Prüfobjekt am Riss stärker erwärmt. Dies ist mit einer Infrarotkamera nachweisbar. Dies stellt 1c dar. Es wird lediglich ein schmaler Bereich in der Nähe des Induktors erwärmt. Dies stellt 1d dar. Deshalb müssen für eine vollständige Prüfung von großen beziehungsweise komplex geformten Bauteilen viele einzelne Untersuchungen durchgeführt werden.
Für die Prüfung von großflächigen Bauteilen auf Risse werden herkömmlicherweise andere Methoden verwendet, wie dies beispielsweise die Farbeindringprüfung ist. Für Anwendungen der Induktionsthermographie werden herkömmlicherweise mehrere einzelne Untersuchungen zur Abdeckung einer größeren Fläche ausgeführt. Für eine großflächige Untersuchung von Bauteilen mittels Induktionsthermographie gibt es herkömmlicherweise wenige Ansätze.
In [1] wird Folgendes vorgeschlagen. Für Defekte, die im Inneren eines Materials liegen, wird das Prüfteil während der Messung, synchronisiert zur Frequenz der Kamera, verschoben. Das Prüfteil wird pro Kamerabild um einen Pixel verschoben. Ein derartiges Verfahren stellt 2 dar. Der Induktions generator arbeitet im Continuous Wave-Betrieb. Zur Rekonstruktion eines Bildes werden die Daten umsortiert. Die Auswertung geschieht schließlich durch Abziehen des Nullbildes oder durch den Fit eines Polynoms 6ten Grades und anschließender Auswertung der ersten oder zweiten Ableitung.
Die [2] wird ein Verfahren offenbart, bei dem ein Prüfteil vor einem Satz von Induktoren positioniert wird und die einzelnen Stellen nacheinander angeregt werden. Auf diese Weise lassen sich zwar auch komplexe Objekte prüfen, aufgrund der Verwendung von mehreren Induktoren ist das Verfahren aber sehr aufwändig.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein einfaches Verfahren und eine Vorrichtung der Induktionsthermographie anzugeben, mit dem große und/oder komplex geformte Bauteile schnell und zuverlässig hinsichtlich Materialfehler untersucht werden können. Es soll insbesondere eine große Fläche eines Bauteils einfach untersucht werden können.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch und eine Vorrichtung gemäß dem Nebenanspruch gelöst. Gemäß dem Stand der Technik wird ein Vollbild jedes Mal erzeugt, wenn das Prüfteil um eine Länge bewegt wird, die der projizierten Pixelbreite entspricht. Im Unterschied dazu ist gemäß der vorliegenden Erfindung das Relativbewegen des Prüfteils zu einer einen Induktor aufweisenden Infrarotkamera derart bereitgestellt, dass das Relativbewegen zum Bildaufzeichnen mit der Infrarotkamera ungekoppelt und/oder frei ist. Auf diese Weise können große Flächen eines Bauteils mit großer Geschwindigkeit einfach untersucht werden. Es erfolgt das Bewegen des Prüfteils entlang eines beliebigen ein- oder mehrdimensionalen Pfades. Es kann jede Stelle des Prüfteils erwärmt werden. Entweder bleiben die Infrarotkamera und der Induktor stationär, oder die Kamera wird zusammen mit dem Induktor verfahren, wobei die Probe stationär bleibt.
Es können vorteilhaft ebenso größere beziehungsweise komplex geformte Prüfteile schnell auf Fehler geprüft werden. Es werden die Zeit und der Aufwand für die Prüfung deutlich reduziert und es wird ein einfach zu interpretierendes Ergebnisbild erhalten. Auf diese Weise ist auch eine Dokumentation der Ergebnisse einfach möglich. Des Weiteren ist es durch die Auswertung möglich, das Ergebnis ebenso automatisch auszuwerten.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das Relativbewegen mittels Verschiebetische für eine x-, eine y- und/oder eine z-Richtung ausgeführt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird das Relativbewegen mittels einer Fördereinrichtung, beispielsweise einem Förderband oder Rollenband, ausgeführt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt das Relativbewegen mittels einer Einrichtung zum Rotieren eines rotationssymmetrischen Prüfteils.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird das Relativbewegen mittels eines Roboters ausgeführt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird ein Induktionsgenerator im Continuous Wave-Modus betrieben.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird ein während eines Annäherns des Induktors erfolgendes Aufwärmen und/oder ein nach einem Passieren des Induktors einer Stelle des Prüfteils erfolgendes Abkühlen mit der Infrarotkamera aufgezeichnet, wobei jeweils zwei oder mehr Bilder aufgezeichnet werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt eine an einen Weg und an eine Geschwindigkeit angepasste Umsortierung der Kameradaten derart, dass ein Punkt einer Ergebnisserie eines zeitlichen Verlaufs der Temperatur einem Punkt des Prüfteils entspricht. Durch eine an den Weg und an die Geschwindigkeit angepasste Umsortierung der Daten, wobei die Kamera nicht mit der Verfahrgeschwindigkeit synchronisiert ist, entspricht ein Punkt der Ergebnisserie einem Punkt der Probe.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird mittels Auswertens der Daten unter Berücksichtigung des Aufwärmens und Abkühlens ein einzelnes Bild aus der Ergebnisseries erzeugt. Durch eine passende Auswertung der Daten im Aufwärm- und Abkühlprozess kann schließlich ein Ergebnis als ein Bild dargestellt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden Nullbildkorrektur- oder Puls-Phasen-Analyse-Auswertealgorithmen verwendet. Mögliche Auswertealgorithmen sind die Nullbildkorrektur oder die Puls-Phasen-Analyse, insbesondere bei Verwendung des Phasenbildes, das Emissivitätsunterschiede und Unterschiede in der Stromdichteverteilung unterdrückt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt ein Ausmaskieren von Bildbereichen ohne Informationen. Durch Ausmaskieren von Bildbereichen ohne Information lässt sich die Bildqualität verbessern. Derartige Bildbereiche entstehen beispielsweise dadurch, dass diese durch den Induktor überdeckt sind.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt ein Unterdrücken von durch die Form des Prüfteils bewirkten Geometrieeffekten mittels Abziehen einer Bildsequenz eines intakten Prüfteils von einem Bild eines defekten Prüfteils oder durch Subtraktion dieser beiden Ergebnisbilder nach der Auswertung durch eine Puls-Phasen-Analyse. Das heißt, es können Geometrieeffekte, beispielsweise infolge von Nuten oder Kan ten, durch Abziehen einer Sequenz eines Gutteils oder durch die Subtraktion der beiden Ergebnisbilder, nach der Auswertung durch beispielsweise der Puls-Phasen-Analyse, unterdrückt werden. Auf diese Weise sind Defekte besser zu erkennen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt ein Abspeichern eines Ergebnisbildes zur Schaddokumentation. Insbesondere kann ein durch Abziehen einer Sequenz eines Gutteils oder durch die Subtraktion von Ergebnisbildern erzeugtes Ergebnisbild schließlich zur Schaddokumentation abgespeichert werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt ein Positionieren des Prüfteils an einer Stelle, Aufnehmen eines Kamerabildes, Auswerten dieser Daten, Positionieren des Prüfteils an einer weiteren Stelle derart, dass insbesondere mittels Überlagern der Kamerabilder ein Ergebnisbild für das gesamte Prüfteil geschaffen wird. Dies ist ein punktweises Vorgehen. Es ist also eine weitere Möglichkeit die Probe zu verfahren, an dieser Stelle eine Aufnahme zu machen, diese Daten mit den vorher erwähnten Methoden auszuwerten und die Probe schließlich zur nächsten Stelle zu verfahren. Auf diese Weise ist es ebenso möglich durch Überlagern der Ergebnisbilder ein Ergebnisbild für das gesamte Prüfteil zu erhalten.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt ein Online-Auswerten während einer Aufnahme. Neben einer Offline-Auswertung ist ebenso eine Online-Auswertung während einer Aufnahme möglich.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt ein automatisches Auswerten. Es ist durch eine Online- oder Offline-Auswertung ebenso möglich, ein Ergebnis automatisch auszuwerten.
Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen
1a, 1b, 1c, 1d Darstellungen zur Wirkungsweise der Induktionsthermographie;
2 ein Ausführungsbeispiel einer herkömmlichen Vorrichtung zur Induktionsthermographie;
3a ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Induktionsthermographie;
3b ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Induktionsthermographie;
3c ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Induktionsthermographie;
3d ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Induktionsthermographie.
1a, 1b, 1c, 1d stellen die Wirkungsweise der Induktionsthermographie dar. 1a zeigt mit Bezugszeichen 1 einen Induktor beziehungsweise eine Spule, durch den/die ein Wechselstrom fließt. Bezugszeichen 2 bezeichnet die induzierten Ströme. Bezugszeichen 3 bezeichnet den Wechselstrom. Durch den Wechselstrom 3, der in der Spule beziehungsweise in dem Induktor 1 fließt, wird ein Strom im elektrisch leitfähigen Prüfobjekt induziert.
1b zeigt mit Bezugszeichen 4 einen Bereich mit erhöhter Stromdichte aufgrund eines Risses in dem Prüfobjekt. Dies bewirkt eine erhöhte Wärmeerzeugung an der Rissspitze. Das heißt, enthält ein Bauteil einen Riss, muss der Strom, der durch das Prüfobjekt fließt, um den Riss herum fließen.
1c bezeichnet mit Bezugszeichen 4 den Bereich mit erhöhter Stromdichte, der zu einer erhöhten Wärmeerzeugung an der Rissspitze führt. Bezugszeichen 5 kennzeichnet eine Infrarotkamera. Durch die erhöhte Stromrichtdichte wird das Prüfobjekt am Riss stärker erwärmt, was mit der Infrarotkamera 5 nachweisbar ist.
1d zeigt, dass lediglich ein schmaler Bereich in der Nähe des Induktors erwärmt wird. 1d zeigt eine Darstellung der Stromdichte in Abhängigkeit von der Strecke y.
2a zeigt ein Ausführungsbeispiel einer herkömmlichen Vorrichtung zur Induktionsthermographie gemäß [1]. Bezugszeichen 5 kennzeichnet eine Infrarotkamera, Bezugszeichen 6 einen Induktionsgenerator mit Induktor, Bezugszeichen 7 kennzeichnet ein Prüfteil, Bezugszeichen 8 bezeichnet eine Halterung für das Prüfteil. Bezugszeichen 9 bezeichnet einen Verschiebetisch. Für Defekte, die im Inneren des Materials liegen, wird gemäß dem Stand der Technik vorgeschlagen, das Prüfteil während der Messung, synchronisiert zur Frequenz der Kamera, zu verschieben, wobei pro Kamerabild das Prüfteil um ein Pixel verschoben wird.
3a zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Induktionsthermographie. Bezugszeichen 5 kennzeichnet eine Infrarotkamera, Bezugszeichen 6 einen Induktionsgenerator mit Induktor, Bezugszeichen 7 ein Prüfteil. Bezugszeichen 8 bezeichnet eine Halterung für das Prüfteil. Bezugszeichen 10 kennzeichnet einen Verschiebetisch für eine x-Richtung. Bezugszeichen 11 bezeichnet einen Verschiebetisch für eine y-Richtung. Bezugszeichen 12 bezeichnet einen Verschiebetisch für eine z-Richtung.
3b zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen. Vorrichtung zur Induktionsthermographie. Dabei bezeichnet Bezugszeichen 5 eine Infrarotkamera, Bezugszeichen 6 einen Induktionsgenerator mit Induktor und Bezugszeichen 7 ein Prüfteil. Bezugszeichen 13 bezeichnet ein Förderband oder ein Rollenband.
3c stellt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Induktionsthermographie dar. Bezugszeichen 5 bezeichnet eine Infrarotkamera. Bezugszeichen 6 einen Induktionsgenerator mit Induktor. Bezugszeichen 14 bezeichnet eine Einrichtung zum Rotieren des Prüfteils. Das Prüfteil ist mit dem Bezugszeichen 7 bezeichnet.
3d stellt ein viertes Ausführungsbeispiel eine erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Induktionsthermographie dar. Dabei erfolgt ein Positionieren eines Prüfteils 7 mittels eines Roboters 15. Bezugszeichen 5 bezeichnet eine Infrarotkamera. Bezugszeichen 6 bezeichnet einen Induktionsgenerator mit Induktor. Bezugszeichen 8 bezeichnet eine Halterung für das Prüfteil.
Literatur:

[1] Steven M. Shepard et al., "Development of NDE Technique with Induction Heating and Thermography an Conductive Composite Materials", Thermal Wave Imaging, Inc. Farndale, Michigan, University of Delaware, Center for Composite Materials (UD-CCM), Newark, Delaware, July 2004
[2] Dr. Udo Netzelmann et al., "Zerstörungsfreie thermographische Methoden der Detektion von Fehlern an Massivumform-Teilen", Saarbrücken, Schmiede-Journal, Seiten 26–28, März 2007

Claims

Verfahren der scannenden Induktionsthermographie zur zerstörungsfreien Materialuntersuchung eines Prüfteils (7), gekennzeichnet durch Relativbewegen des Prüfteils (7) zu einem Induktor (1) mit Infrarotkamera (5) entlang eines beliebigen ein- oder mehrdimensionalen Pfades derart, dass das Relativbewegen zum Bildaufzeichnen mit der Infrarotkamera (5) unabhängig ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Relativbewegen mittels Verschiebetische (10, 11, 12) für eine x-, eine y- und/oder eine z-Richtung ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Relativbewegen mittels einer Fördereinrichtung, beispielsweise Förderband oder Rollenband (13), ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Relativbewegen mittels einer Einrichtung (14) zum Rotieren eines rotationssymmetrischen Prüfteils ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Relativbewegen mittels eines Roboters (15) ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Induktionsgenerator im Continuous Wave-Modus betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein während eines Annäherns des Induktors (1) erfolgendes Aufwärmen und/oder ein nach einem Passieren des Induktors (1) einer Stelle des Prüfteils (7) erfolgendes Abkühlen mit der Infrarotkamera (5) aufgezeichnet wird, wobei jeweils zwei oder mehr Bilder aufgezeichnet werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine an einen Weg und an eine Geschwindigkeit angepasste Umsortierung der Kameradaten derart erfolgt, dass ein Punkt einer Ergebnisserie eines zeitlichen Verlaufs der Temperatur einem Punkt des Prüfteils (7) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Auswertens der Daten unter Berücksichtigung des Aufwärmens und Abkühlens ein einzelnes Bild aus der Ergebnisserie erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Verwenden von Nullbildkorrektur- oder Puls-Phasen-Analyse-Auswertealgorithmen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Ausmaskieren von Bildbereichen ohne Information.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Unterdrücken von durch die Form des Prüfteils (7) bewirkten Geometrieeffekten mittels Abziehen einer Bildsequenz eines intakten Prüfteils (7) von einem Bild eines defekten Prüfteils (7) oder durch Subtraktion dieser beiden Ergebnisbilder nach der Auswertung durch Puls-Phasen-Analyse.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Abspeichern eines Ergebnisbildes zur Schaddokumentation.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Positionieren des Prüfteils (7) an einer Stelle, Aufnehmen eines Kamerabildes, Auswerten dieser Daten, Positionieren des Prüfteils (7) an einer weiteren Stelle derart, dass insbesondere mittels Überlagern der Kamerabilder ein Ergebnisbild für das gesamte Prüfteil geschaffen wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Onlineauswerten während einer Aufnahme.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch automatisches Auswerten.
Vorrichtung zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Relativbewegen des Prüfteils (7) zu einem Induktor (1) mit Infrarotkamera (5) entlang eines beliebigen ein- oder mehrdimensionalen Pfades derart, dass das Relativbewegen zum Bildaufzeichnen mit der Infrarotkamera (5) unabhängig ist.