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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Werkstücken auf eine mögliche Korrosionsschädigung.
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Unter Korrosion versteht man eine Reaktion eines Werkstoffes mit seiner Umgebung, die eine messbare Veränderung des Werkstoffes bewirkt. Die Korrosion von Metallen ist Gegenstand der Norm DIN EN ISO 8044, und auf die darin beschriebene Begriffsdefinition wird im Folgenden Bezug genommen. Eine Korrosionsprüfung von Werkstücken erfolgt im Zusammenhang mit der Qualitätssicherung und -überprüfung, sowie der Erprobung neuer Materialien im Bereich der Prozess- und Werkstofftechnik. Ebenso erfolgen Korrosionsprüfungen am Gesamtfahrzeug im Rahmen der Qualitätssicherung. Zur Korrosionsvermeidung werden Werkstoffe z. T. speziell behandelt bzw. durchlaufen verschiedene Prozesse. Im Speziellen sind dies beispielsweise das Verzinken (z. B. elektrolytische, feuerverzinkt) und nachfolgende Lackierprozesse (z. B. Kathodische Tauchlackierung, Decklackierung, u. a.). Eine kontinuierliche Qualitätssicherung solcher Prozessen im Fahrzeugbau beinhaltet in der Regel auch eine Korrosionsprüfung nach Klimawechseltestbelastungen (z. B. VDA-Klimawechseltest nach VDA 621–415, Salzsprühnebeltest nach DIN EN ISO 9227). Diese Korrosionsprüfungen an Werkstücken erfolgen beispielsweise durch das Vermessen der Ritzunterwanderung (DIN), oder Kreuzschnitt (DIN).
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Herkömmlicherweise werden diese Prüfungen manuell ausgewertet und unterliegen somit menschlichen Fehlern. Als zerstörungsfreie Qualitätsprüfung werden optische Verfahren wie z. B. Vieew der Fa. Atlas eingesetzt. Die Verwendung solcher bildgebender Verfahren hat den Nachteil, dass die Werkstückgeometrie einen entscheidenden Einfluss auf das Ergebnis besitzt und nicht alle Korrosionsprodukte, vor allem in ihrem Anfangsstadium, erkannt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein automatisierbares Verfahren zur Beurteilung von Korrosionsschäden an Bauteilen bereitzustellen, das reproduzierbare und einfach interpretierbare Mess- und Prüfergebnisse liefert.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Danach wird zur Erkennung von Korrosionsschäden die Impulsthermographie verwendet. Dabei wird das flächige Werkstoff mit Energie in Form eines Wärmepulses (IR-Strahlung) beaufschlagt. Die Energie wird mit Hilfe einer Anregungsquelle in eine erste Fläche des Werkstücks eingebracht. Auf der der Anregungsquelle gegenüberliegenden Seite des Werkstücks wird die Erwärmung des Werkstücks beobachtet. Die Erwärmung ist eine Folge eines Energietransports bzw. einer Wärmeleitung durch das Werkstück hindurch von der angeregten Seite auf die gegenüberliegende Seite. Die Beobachtung der durch das Werkstück transmittierten Energie erfolgt mittels einer orts- und zeitauflösenden Thermographiekamera, welche die Wärmeabstrahlung der Werkstückoberfläche misst. Die in einem bestimmten Werkstückbereich detektierte Wärmeintensität wird durch Werkstoffveränderungen des Werkstücks im Sinne der DIN EN ISO 8044 beeinflusst: So bewirkt eine Änderung in der Zusammensetzung von Materialien, wie z. B. Korrosion, dass sich die Wärmeleitfähigkeit in diesen Bereichen verändert. Das ist zum Einen auf die Veränderung der molekularen Struktur zurückzuführen, aber auch auf ein „Hintereinanderschalten” von verschiedenen Stoffen: Da Korrosionsfehler meist an der Oberfläche auftreten und das Material darunter jedoch nicht betroffen ist, entstehen zwei Schichten von Material, die die Wärmeleitfähigkeit reduzieren. Dadurch tritt an einigen Stellen mehr oder weniger Wärmestrahlung auf, als bei dem umgebenden Material. Diese Veränderung kann mit Hilfe von Wärmebildkameras aufgezeichnet werden.
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Die Impulsthermografie spielt hierbei eine entscheidende Rolle, das Verfahren erwärmt ein Material, je nach Material wenige Millisekunden bis zu mehreren Minuten, dabei nimmt eine Wärmebildkamera sowohl den Erwärmungsprozess, als auch die Abkühlung des Materials auf, die so entstehenden Bildmaterialien können nun ausgewertet werden. Regionen die Materialmutation aufweisen heben sich dabei vom gesunden Material ab.
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Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in einer schnellen und objektiven Auswertung von Standardkorrosionsproben. Darüber hinaus ist es mittels des vorgeschlagenen Verfahrens möglich, die Korrosionsentwicklung genauer zu studieren und Korrosionsprüfungszeiten zu verkürzen. Zusätzlich können auch optisch noch nicht sichtbare geschädigte Bereiche detektiert und untersucht werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen
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1 eine schematische Darstellung eines Prüfsystems zur Detektion von Korrosion an flächigen Werkstücken;
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2 ein mit Hilfe der Thermographiekamera der 1 aufgenommenes 2D-Sequenzbild eines lokal korrodierten Werkstücks mit einer Ritzunterwanderung;
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3 eine graphische Darstellung von Intensitätsverläufen an den in 2 angedeuteten Werkstückpositionen P01–P04 als Funktion der Zeit, wobei die Intensitätsmesswerte aus einer Sequenz zeitlich aufeinander folgender Einzelbilder gewonnen wurden.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Prüfsystems
1 zur Detektion und Charakterisierung von Korrosionsschäden
12 an flächigen Werkstücken
10 (hier am Beispiel eines lackierten Bleches
10' zur Untersuchung von Ritzunterwanderungen). Das Prüfsystem
1 umfasst eine Strahlungsquelle
2 zur impulsartigen Erwärmung des zu untersuchenden Werkstücks
10, eine Thermographiekamera
3 zur Aufnahme von Orts- und zeitaufgelösten Intensitätsbildern und eine Auswerteeinheit
4 zur Auswertung und Speicherung einer zeitlichen Folge von Intensitätsbildern. Die Strahlungsquelle
2 und die Thermographiekamera
3 sind an gegenüberliegenden Seiten
11,
11' des Werkstücks
10 angeordnet. Der prinzipielle Aufbau eines solchen thermographischen Prüfsystems ist aus der
DE 10 2006 057 802 A1 bekannt, deren Offenbarungsgehalt hiermit in die vorliegende Anmeldung übernommen wird.
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Die Strahlungsquelle 2 und die Thermographiekamera 3 können stationär angeordnet sein; dies eignet sich insbesondere zur Prüfung von Werkstücken 10 mit einfachen, sich wiederholenden Geometrien. Weiterhin können Strahlungsquelle 2 und/oder Thermographiekamera 3 und/oder Werkstück 10 auch mit Hilfe von Manipulatoren bewegt werden, um Werkstücke mit komplexen Geometrien zu messen.
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Die Thermographiekamera 3 liefert zeitaufgelöste 2D-Wärmebilder des Bauteils 10. Diese zeitliche Folge von 2D-Wärmebildern wird in der Auswerteeinheit 4 analysiert, um mittels Abbildung und Auswertung des Zeitverlaufs in einem hochdimensionalen Parameterraum eine quantitative Bestimmung der Korrosionsschäden 12 zu erhalten.
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2 zeigt ein mit der Thermographiekamera 3 aufgenommenes Sequenzbild 50 eines Werkstücks 10 (hier: eines korrodierten Bleches 10' mit einer Lackschicht 14, einem Ritz 13 und einer Ritzunterwanderung 12'). Die in 2 mit P01 bis P04 gekennzeichneten Positionen entsprechen Bereichen direkt am Ritz 13 (Position P02), in einem Korrosionsbereich 12 (Korrosionsblase aufgrund von Ritzunterwanderung 12', Position 01), in unmittelbarer Umgebung der Korrosionsblase (Position P03) und in einem unkorrodierten Bereich (Position P04). 3 zeigt an diesen Positionen P01–P04 gemessene Intensitätskurven als Funktion der Zeit. Wie aus 3 ersichtlich ist, zeigen die zugehörigen Intensitätskurven unterschiedliche Zeitabhängigkeiten, was zur Erkennung und Charakterisierung von Korrosion 12, 12' auf dem Werkstück 10 genutzt werden kann. Hierbei ist zu beachten, dass bei den zu Positionen P03 und P04 gehörigen Kurven eine nicht optimale Ausleuchtung des Werkstücks 10, bedingt durch die Positionierung der Anregungsquelle 2 relativ zum Werkstück 10, zu berücksichtigen ist.
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Der Blitzimpuls der Strahlungsquelle 2 erfolgt bei einem vorgegebenen, definierten Zeitpunkt tB. Die Datenakquise wird bereits zu einem früheren Zeitpunkt t0 < tB gestartet, um eine definierte Nulllinie zu erhalten; diese ist in 3 als ein Geradenabschnitt zwischen den Bildern 0 und 20 erkennbar. Alle nach dem Zeitpunkt tB aufgenommenen Intensitäten werden als Erwärmung des jeweiligen Bereichs des Werkstücks 10 gegenüber dieser Starttemperatur gewertet. Ausgehend von dem Wärmeeintrag, der über den Blitzimpuls in das Werkstück 10 eingeleitet wird, benötigt die ausgestrahlte Wärmeenergie eine definierte Zeit, bis sie von der der Strahlungsquelle 2 zugewandten Werkstückseite 11 bis zu der der Kamera 3 zugewandten Werkstückseite 11' fließt. Im Anschluss erfolgt ein Anstieg der Temperatur mit einer Steigung, die von der lokalen Materialeigenschaft des Werkstücks 10 sowie Veränderungen auf den Werkstückseiten 11, 11', z. B. infolge von Korrosion 12, 12', abhängt.
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Das Verfahren zur Analyse von zeitaufgelösten Impulsthermographiespektren zur qualitativen Klassifizierung von Korrosionsschäden umfasst mehrere Schritte und bezieht sich immer auf ein einzelnes Kamerapixel (oder eine vordefinierte Region, bestehend aus mehreren benachbarten Kamerapixeln). Die gemessenen Intensitätskurven werden dabei auf verschiedene Kurvenparameter analysiert und somit mathematisch erfasst. Die Intensitätskurven werden dabei in drei unterschiedliche Bereiche eingeteilt, dem Anstieg, dem Maximum und dem Abfall. Unter Zuhilfenahme dieser Kurvenanalyse kann die Korrosionsschädigung sowohl quantitativ, als auch qualitativ bestimmt werden. Es ergibt sich somit ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Werkstücken 10, insbesondere nach Korrosionsprüfung, bei dem das Werkstück 10 impulsartig erwärmt wird und mit Hilfe der Thermographiekamera 3 eine zeitliche Folge von Intensitätsbildern 50 des Werkstückes 10 aufgenommen wird. Dabei wird die zeitliche Abhängigkeit der gemessenen Intensität ausgewertet und gekennzeichnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006057802 A1 [0013]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Norm DIN EN ISO 8044 [0002]
- DIN EN ISO 9227 [0002]
- DIN EN ISO 8044 [0006]
