DE102021132982A1 - Process for non-destructive thermographic testing of test objects for defects - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien thermografischen Prüfung von Prüfobjekten auf mindestens einen Defekt mit folgenden gegebenenfalls mehrfach durchführbaren Schritten.a. Beaufschlagung der Oberfläche des Prüfobjekts mit einem Fluid, wobei das Fluid auf eine Relativgeschwindigkeit zur Probenoberfläche braucht wird, und durch das Fluid eine Veränderung der Temperatur der Oberfläche des Prüfobjekts erfolgt.b. Detektion der von der Oberfläche des Prüfobjekts emittierten Wärmestrahlung wobei Schritt b) entweder zumindest teilweise gleichzeitig mit Schritt a) erfolgt oder in unmittelbarem Anschluss an Schritt a) durchgeführt wird.The invention relates to a method for non-destructive thermographic testing of test objects for at least one defect, with the following steps, which can be carried out several times if necessary. a. Applying a fluid to the surface of the test object, the fluid being used at a speed relative to the sample surface, and the temperature of the surface of the test object being changed by the fluid.b. Detection of the thermal radiation emitted by the surface of the test object, step b) either taking place at least partially at the same time as step a) or being carried out immediately after step a).
Description
Anmelderin:Applicant:
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.Fraunhofer Society for the Promotion of Applied Research e.V.
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Messtechnik und bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Untersuchung eines Prüfobjekts auf einen Materialdefekt.The invention is in the field of measurement technology and relates in particular to a method and a device for examining a test object for a material defect.
In vielen Industriebereichen, z. B. in der Automobilindustrie oder bei der Herstellung und/oder Wartung von Flugzeugen müssen Bauteile, wie Komponenten des Fahrgestells oder der Triebwerke zur Detektion von Defekten wie Oberflächenrissen bei der Fertigung einer Prüfung auf Materialdefekte unterzogen werden.In many industrial sectors, e.g. B. in the automotive industry or in the manufacture and / or maintenance of aircraft components, such as components of the chassis or the engines to detect defects such as surface cracks during production must be tested for material defects.
Der derzeitige Stand der Technik bietet mit Verfahren wie der Farbeindringprüfung, Ultraschallverfahren, der Wirbelstromprüfung und der aktiven Thermografie hierzu verschiedene Möglichkeiten. Hierbei wird ein Prüfobjekt auf Materialdefekte, insbesondere Risse, auf der Oberflächen oder im Inneren untersucht.The current state of the art offers various options for this with methods such as dye penetrant testing, ultrasonic methods, eddy current testing and active thermography. Here, a test object is examined for material defects, in particular cracks, on the surface or inside.
Bei der Farbeindringprüfung wird auf die Prüfobjektoberfläche ein intensiv farbiges Farbeindringmittel (Kontraster) aufgebracht, welches durch die Kapillarkräfte in die Defektstruktur gesogen wird. Nach Ablauf der Einwirkzeit des Kontrasters wird die Prüfobjektoberfläche gereinigt. Anschließend wird ein Entwickler, wie beispielsweise Kalkpulver, auf die Prüfobjektoberfläche aufgetragen. Dieser absorbiert den in den zur Oberfläche hin geöffneten Defekten verbliebenen Kontraster, wodurch die Defekte durch einfachen Farbkontrast sichtbar gemacht werden.In the dye penetrant test, an intensively colored dye penetrant (contrast) is applied to the surface of the test object, which is sucked into the defect structure by capillary forces. After the exposure time of the contraster has expired, the surface of the test object is cleaned. A developer, such as lime powder, is then applied to the test object surface. This absorbs the contrast agent remaining in the defects that are open to the surface, making the defects visible by simple color contrast.
Die Farbeindringprüfung leidet jedoch einerseits unter dem vergleichsweise hohen personellen Aufwand zur Durchführung, da das Prüfobjekt vor und nach der Prüfung gereinigt werden muss, sowie andererseits unter den regelmäßig umwelt- und gesundheitsschädlichen Kontrastern.However, the dye penetrant test suffers on the one hand from the comparatively high personnel effort to carry it out, since the test object has to be cleaned before and after the test, and on the other hand from the contrast agents that are regularly harmful to the environment and health.
Ein weiteres Verfahren ist die Ultraschallprüfung. Hierzu wird auf die Prüfobjektoberfläche ein Koppelmittel aufgetragen. Ein Ultraschall-Prüfkopf der gleichzeitig als Sender und Empfänger fungiert, wird anschließend über die Prüfobjektoberfläche bewegt. Die ins Material gesendeten Ultraschallwellen werden an Defektstellen im Material reflektiert und vom Prüfkopf wieder registriert.Another method is ultrasonic testing. For this purpose, a coupling agent is applied to the test object surface. An ultrasonic probe, which acts as a transmitter and receiver at the same time, is then moved over the surface of the test object. The ultrasonic waves sent into the material are reflected at defect points in the material and registered again by the probe.
Das Ultraschallprüfverfahren leidet jedoch unter der begrenzten Anwendbarkeit bei Prüfobjekten mit komplexeren Geometrien (das Ultraschallsignal wird jeweils nur an Oberflächen reflektiert, die dem Prüfkopf direkt zugewandt sind, so dass etwa Hinterschneidungen nicht gemessen werden können) und der Notwendigkeit eines Koppelmittels. Da die Ultraschallprüfung auf der Detektion eines Laufzeitunterschiedes reflektierter Ultraschallwellen beruht, eignet sich diese zudem eher für die Detektion von im Prüfobjektvolumen befindlichen Defekten; dagegen ist die Detektion von oberflächlichen Rissen nicht möglich.However, the ultrasonic testing method suffers from the limited applicability for test objects with more complex geometries (the ultrasonic signal is only reflected on surfaces that are directly facing the probe, so that undercuts, for example, cannot be measured) and the need for a couplant. Since the ultrasonic test is based on the detection of a transit time difference of reflected ultrasonic waves, it is also more suitable for the detection of defects in the test object volume; on the other hand, the detection of superficial cracks is not possible.
Weiter bekannt ist die Wirbelstromprüfung. Bei der Wirbelstromprüfung werden in einem elektrisch leitenden Prüfobjekt mittels einer ersten Spule Wirbelströme erzeugt, welche mit einer zweiten Spule detektiert werden. Durch die unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften von Defekten im Vergleich zu defektfreien Bereichen des Prüfobjekts kann daher durch die Veränderung der erzeugten Wirbelströme (Wirbelstromdichte) auf das Vorhandensein von Defekten im Prüfobjekt geschlossen werden.Eddy current testing is also known. In the eddy current test, eddy currents are generated in an electrically conductive test object using a first coil, which are detected with a second coil. Due to the different electrical properties of defects compared to defect-free areas of the test object, the change in the generated eddy currents (eddy current density) can indicate the presence of defects in the test object.
Das Wirbelstromverfahren leidet jedoch unter der Fehleranfälligkeit im Hinblick auf Abhebeeffekte (des Prüfkopfs), sowie des für die Detektion kleiner Defektstrukturen erforderlichen entsprechend kleinen, gleichzeitig prüfbaren Oberflächenbereichs, was bei größeren Objekten zu langen Messzeiten führt.However, the eddy current method suffers from the susceptibility to errors with regard to lifting effects (of the probe) and the correspondingly small surface area that can be tested at the same time, which is required for the detection of small defect structures, which leads to long measurement times for larger objects.
S. Danesi et al., „Cooling down thermography: principal results for NDE“. In: Proceedings of the International Society for Optical Engineering, Thermosense XX, Orlando, 1998, S. 266-274 beschreibt ein Verfahren zur zerstörungsfreien Thermografieprüfung durch Erwärmung eines Bauteils in einem Ofen und anschließender Betrachtung der Temperaturverteilung mittels einer Infrarotkamera.S. Danesi et al., Cooling down thermography: principal results for NDE. In: Proceedings of the International Society for Optical Engineering, Thermosense XX, Orlando, 1998, pp. 266-274 describes a method for non-destructive thermographic testing by heating a component in an oven and then viewing the temperature distribution using an infrared camera.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, zumindest einen der Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Verfahren und/oder eine Vorrichtung zur Untersuchung eines Prüfobjekts auf einen Materialdefekt bereit zu stellen, mit dem insbesondere ein weniger aufwendigeres, präziseres und/oder ohne problematische Kontrastmittel (oder dergleichen) arbeitendes Verfahren realisierbar ist.An object of the invention is therefore at least one of the disadvantages of the prior art To overcome technology and to provide a method and/or a device for examining a test object for a material defect, with which in particular a less complex, more precise and/or without problematic contrast agent (or the like) working method can be implemented.
Im Wesentlichen besteht Bedarf, die Untersuchung eines Prüfobjekts auf einen Materialdefekt zu verbessern und insbesondere eine schnellere Prüfung als nach dem Stand der Technik zu ermöglichen, den Aufwand, insbesondere auch den Reinigungsaufwand, bei der Untersuchung des Prüfobjekts zu reduzieren und/oder eine solche Prüfung deutlich universeller als nach dem Stand der Technik durchführen zu können; beispielsweise sollte diese auch dergestalt erfolgen können, dass im Rahmen eines Herstellungsprozesses verschiedene Bauteile (insbesondere im Hinblick auf das Material des Bauteils und/oder dessen geometrische Form) geprüft werden, auch solche, die aufgrund geringer Emissivität des Materials mit herkömmlichen Thermografieverfahren nicht untersuchbar sind. Zumindest eine dieser Aufgaben wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Unteransprüche und die Beschreibung lehren vorteilhafte Weiterbildungen.Essentially, there is a need to improve the examination of a test object for a material defect and in particular to enable faster testing than in the prior art, to reduce the effort, especially the cleaning effort, when examining the test object and/or to carry out such a test significantly to be able to carry out more universally than according to the state of the art; For example, this should also be able to be done in such a way that various components (in particular with regard to the material of the component and/or its geometric shape) are checked as part of a manufacturing process, including those that cannot be examined using conventional thermographic methods due to the low emissivity of the material. At least one of these objects is solved by the subject matter of the independent claims. Subclaims and the description teach advantageous developments.
Ein Verfahren zur Prüfung der Oberfläche und/oder oberflächennaher Bereiche eines Prüfobjekts auf einen Materialdefekt umfasst im Wesentlichen folgende sequenziell oder zeitgleich und/oder mehrfach hintereinander ablaufenden Schritte (scannendes Verfahren):
- a) Beaufschlagung der Oberfläche des Prüfobjekts mit einem Fluid, wobei das Fluid auf eine Relativgeschwindigkeit zur Probenoberfläche gebracht wird, und durch das Fluid eine Veränderung der Temperatur der Oberfläche des Prüfobjekts erfolgt. Die Veränderung der Oberflächentemperatur wird dabei insbesondere in dem Moment (oder zeitlich nachgelagert hierzu) bewirkt, wenn das Fluid auf die Oberfläche auftrifft.
- b) Detektion der von der Oberfläche des Prüfobjekts emittierten Wärmestrahlung, wobei Schritt b) entweder zumindest teilweise gleichzeitig mit Schritt a) erfolgt oder in unmittelbarem Anschluss an Schritt a) durchgeführt wird.
- a) Applying a fluid to the surface of the test object, the fluid being brought to a speed relative to the sample surface, and the temperature of the surface of the test object being changed by the fluid. The change in the surface temperature is brought about in particular at the moment (or chronologically subsequent thereto) when the fluid impinges on the surface.
- b) detection of the thermal radiation emitted by the surface of the test object, step b) either taking place at least partially at the same time as step a) or being carried out immediately after step a).
Das erfindungsgemäße Verfahren hat zunächst den Vorteil, dass der Gebrauchsnutzen des Prüfobjekts durch die Prüfung mit beschriebenem Verfahren nicht gemindert wird, da es sich um ein berührungsloses Verfahren handelt und die Beaufschlagungsdauer des Prüfobjekts mit dem Fluid so gewählt werden kann, dass keine negative Beeinflussung der Materialeigenschaften des Prüfobjekts stattfinden kann.First of all, the method according to the invention has the advantage that the usefulness of the test object is not reduced by testing with the method described, since it is a non-contact method and the duration of exposure of the test object to the fluid can be selected so that the material properties are not adversely affected of the test object can take place.
Ferner verbleiben auf der Oberfläche des Prüfobjekts üblicherweise keine Rückstände. Das wird erreicht, indem das Fluid in Bezug auf Verdampfungstemperatur und chemische Zusammensetzung derart gewählt wird, dass es nach Beaufschlagung (bzw. spätestens nach Durchführung der Messung gemäß Schritt b)) in wenigen Sekunden rückstandslos von der Prüfobjektoberfläche verdampfen kann und so keine nachträgliche Reinigung des Prüfobjekts notwendig ist.Furthermore, no residues usually remain on the surface of the test object. This is achieved by selecting the fluid in terms of evaporation temperature and chemical composition in such a way that after exposure (or at the latest after carrying out the measurement according to step b)) it can evaporate from the test object surface in a few seconds without leaving any residue and so no subsequent cleaning of the test object is necessary.
Die Abkühlung der Oberfläche kann durch unterschiedliche Maßnahmen realisiert werden. So kann die Abkühlung etwa durch Beaufschlagung der Prüfobjektoberfläche mit einem feinen Nebel aus einer Flüssigkeit erfolgen, wobei ein Flüssigkeitsfilm entsteht. Dieser Flüssigkeitsfilm kann beispielsweise mittels bewegter Luft (z.B. mit Hilfe eines Föns oder Gebläses) verdampft werden.The cooling of the surface can be realized by different measures. For example, cooling can take place by applying a fine mist of liquid to the surface of the test object, which creates a liquid film. This film of liquid can be evaporated, for example, by means of moving air (e.g. with the help of a hair dryer or blower).
Um die Anzahl an Arbeitsschritten zu reduzieren und so den zeitlichen Aufwand der Prüfung zu reduzieren, kann jedoch auch ein unter den anmeldungsgemäßen Prüfbedingungenbedingungen von selbst verdampfendes Fluid auf die Prüfobjektoberfläche aufgebracht werden. Insbesondere können als Fluid unter Druck stehende, verflüssigte Gase verwendet werden. Üblicherweise wird es sich dabei um Gase oder Gasgemische handeln, die zumindest einen Siedepunkt besitzen, der kleiner als 25 °C, in der Regel auch kleiner als 0°C und häufig kleiner als -20°C ist. Beispielsweise sind zu nennen Kohlenwasserstoffe, halogenierte Kohlenwasserstoffe oder Gemische davon. Beispielhaft seien an dieser Stelle die handelsüblichen Kältemittel Propan, Isobutan oder Tetrafluorethan sowie flüssiger Stickstoff genannt.However, in order to reduce the number of work steps and thus to reduce the time required for the test, a fluid which evaporates by itself under the test conditions according to the application can also be applied to the test object surface. In particular, pressurized liquefied gases can be used as the fluid. These will usually be gases or gas mixtures which have at least one boiling point which is less than 25.degree. C., generally also less than 0.degree. C. and frequently less than -20.degree. Mention may be made, for example, of hydrocarbons, halogenated hydrocarbons or mixtures thereof. The commercially available refrigerants propane, isobutane or tetrafluoroethane and liquid nitrogen may be mentioned here as examples.
Zur Steigerung der kühlenden Wirkung kann gemäß einer Ausführungsform das Fluid so gewählt werden, dass durch Ausnutzen eines Phasenwechsels vom flüssigen in den gasförmigen Zustand des beaufschlagten Fluids diese durch die entzogene Verdampfungswärme erhöht wird. Mit dem Verdampfen des Fluids werden dann also gleich mehrere Vorteile realisiert.In order to increase the cooling effect, according to one embodiment, the fluid can be selected in such a way that by utilizing a phase change from the liquid to the gaseous state of the applied fluid, this is increased by the extracted heat of vaporization. With the evaporation of the fluid, several advantages are then realized at the same time.
Das unter Druck stehende, verflüssigte Gas kann auf eine Relativgeschwindigkeit zur Probenoberfläche gebracht werden, indem über mindestens eine Dosiereinheit, wie z.B. einen Schlauch oder eine Düse, zur Prüfobjektoberfläche hin eine gerichtete Expansion des unter Druck stehenden Fluids erfolgt. Die Beaufschlagung der Probenoberfläche mit dem Fluid kann im Grundsatz aber auch drucklos durch ungerichtete Bedampfung erfolgen. Der Beaufschlagungsdruck korreliert hierbei positiv mit der aus der Druckdifferenz von komprimiertem Gas und Umgebungsdruck resultierenden Ausströmgeschwindigkeit des Fluids und damit mit einer erhöhten Relativgeschwindigkeit des Fluids zur ProbenoberflächeThe pressurized, liquefied gas can be brought to a speed relative to the sample surface by expanding the pressurized fluid in a directed manner towards the surface of the test object via at least one dosing unit, such as a hose or a nozzle. In principle, however, the sample surface can also be exposed to the fluid without pressure by means of non-directional vaporization. The impact pressure correlates positively with the outflow velocity resulting from the pressure difference between the compressed gas and the ambient pressure speed of the fluid and thus with an increased relative speed of the fluid to the sample surface
Zur Etablierung einer in-line Objektprüfung während des laufenden Produktionsprozesses kann mit dem anmeldungsgemäßen Verfahren eine Relativbewegung zwischen Probenoberfläche und Beaufschlagungsvorrichtung und Detektionsgerät realisiert werden, indem die Beaufschlagungsvorrichtung und das Detektionsgerät für thermische Strahlung beweglich oder starr und/oder die Substrathalterung beweglich oder starr ausgebildet sein kann. Weiterhin kann so die Prüfobjektoberfläche auch sukzessive abgescannt werden. Dies ermöglicht, dass Beaufschlagungsdruck und Düsenanordnung nicht zwingend an die Prüfobjektgröße angepasst werden müssen, sondern auch entsprechend den Materialparametern für ein ideales Prüfergebnis angepasst werden können.In order to establish an in-line object test during the ongoing production process, the method according to the application can be used to implement a relative movement between the sample surface and the application device and detection device, in that the application device and the detection device for thermal radiation can be designed to be movable or rigid and/or the substrate holder can be designed to be movable or rigid . Furthermore, the test object surface can also be scanned successively. This means that the impact pressure and nozzle arrangement do not necessarily have to be adjusted to the test object size, but can also be adjusted according to the material parameters for an ideal test result.
In einer Ausführungsform kann durch die Änderung des Beaufschlagungsdrucks während des anmeldungsgemäßen Verfahrens die Fläche des gekühlten Bereichs und damit der Messbereich, sowie die Abkühlrate und damit die Analysegeschwindigkeit eingestellt werden.In one embodiment, the area of the cooled area and thus the measuring area, as well as the cooling rate and thus the analysis speed can be adjusted by changing the application pressure during the method according to the application.
Die Vergrößerung des Messbereichs kann außerdem durch eine Mehrzahl an lateral zur Bewegungsrichtung der Prüfung angebrachten Dosiereinheiten erzielt werden. Sowohl durch die Anzahl der Dosiereinheiten als auch durch die Erhöhung des Beaufschlagungsdrucks kann hierbei eine Vergrößerung des gekühlten Oberflächenbereichs des Prüfobjekts und damit eine Vergrößerung des Messbereichs erfolgen. Weiterhin kann auf gleichem Wege auch eine höhere Abkühlgeschwindigkeit und damit eine schnellere Prüfung realisiert werden. Typische Beaufschlagungsdrücke liegen hierbei im Bereich 1 - 10 bar.The enlargement of the measuring range can also be achieved by a number of dosing units attached laterally to the direction of movement of the test. Both the number of dosing units and the increase in the application pressure can result in an enlargement of the cooled surface area of the test object and thus an enlargement of the measuring range. Furthermore, a higher cooling rate and thus faster testing can be realized in the same way. Typical application pressures are in the range of 1 - 10 bar.
Üblicherweise wird das erfindungsgemäße Verfahren bei Raumtemperatur (und Normaldruck) durchgeführt werden. Gemäß einer Ausführungsform kann das Fluid dann eine geringere Verdampfungstemperatur als Raumtemperatur (25°C) und eine geringere Temperatur als das Prüfobjekt aufweisen. In diesem Fall wird das Fluid spätestens bei Kontakt mit der Prüfobjektoberfläche unter Entzug der Verdampfungswärme verdampfen. Allerdings kann die Verdampfung im Einzelfall auch schon vorher stattfinden. beispielsweise wenn über eine Düse expandiert wird und bereits kurz nach Verlassen der Düse der Verdampfungsvorgang abgeschlossen ist und zunächst nur eine Abkühlung des Umgebungsmediums (insbesondere der Umgebungsluft) erfolgt ist (wobei dieses dann gleichermaßen auf eine Relativgeschwindigkeit gebracht sein muss, so dass durch dieses inbesondere zusammen mit dem kalten Fluid die Abkühlung der Oberfläche bewirkt werden kann). Der Entzug der Verdampfungswärme führt, je nach Dauer der Beaufschlagung, zu einer Abkühlung der Prüfobjektoberfläche um einige 10°C, bei ausreichender Beaufschlagungsdauer im Wesentlichen bis hin zur Verdampfungstemperatur des verwendeten Fluids; mindestens erfolgt jedoch eine Abkühlung um die noise equivalent temperature difference (NETD) des verwendeten thermischen Detektionsgerätes. Häufig wird man allein aus Praktikabilitätsgründen eine Abkühlung um mindestens 10°C vorsehen. „Im Wesentlichen bis hin zur Verdampfungstemperatur“ bedeutet dabei eine Abkühlung um zumindest 80% der Differenz zwischen Raumtemperatur und Verdampfungstemperatur des beaufschlagten Fluids.The process according to the invention will usually be carried out at room temperature (and normal pressure). According to one embodiment, the fluid can then have a lower evaporation temperature than room temperature (25° C.) and a lower temperature than the test object. In this case, the fluid will evaporate at the latest when it comes into contact with the test object surface, removing the heat of vaporization. However, the evaporation can also take place earlier in individual cases. for example, when expansion is carried out via a nozzle and the evaporation process is already completed shortly after leaving the nozzle and initially only cooling of the surrounding medium (in particular the surrounding air) has taken place (whereby this must then likewise be brought to a relative speed so that this, in particular, with the cold fluid the cooling of the surface can be effected). Depending on the duration of exposure, the removal of the vaporization heat leads to a cooling of the test object surface by a few 10°C, with sufficient exposure time essentially up to the vaporization temperature of the fluid used; However, at least there is a cooling by the noise equivalent temperature difference (NETD) of the thermal detection device used. Cooling by at least 10°C will often be provided for reasons of practicability alone. “Essentially down to the evaporation temperature” means cooling by at least 80% of the difference between room temperature and the evaporation temperature of the fluid exposed to it.
Der anmeldungsgemäß realisierte Kühleffekt beeinflusst hierbei überwiegend die Prüfobjektoberfläche, insbesondere wenn er mit einem Entzug der Verdampfungswärme einhergeht, aber auch oberflächennahe Bereiche des Prüfobjekts zwischen 100µm und 3mm Tiefe; die realisierbare Abkühlung tieferer Schichten ist dabei auch abhängig von der thermischen Leitfähigkeit des Materials, aus dem das Prüfobjekt besteht. Dies hat zur Folge, dass auch nicht zur Oberfläche hin geöffnete Defekte im oberflächennahen Bereich detektiert werden können. Aufgrund seines Fachwissens ist dem Fachmann bekannt, wie lange die Beaufschlagung durchgeführt werden muss und gegebenenfalls wie viele Dosiereinheiten eingesetzt werden, damit bei gegebener Oberfläche des Prüfobjekts und gegebenem Material des Prüfobjekts auch Bereiche mit einer vorgegebenen Tiefe (Beabstandung von der Oberfläche) abgekühlt werden, so dass dort Defekte ermittelt werden können. Hierbei wird der Fachmann die während der Beaufschlagungsdauer verwendete Menge des Fluids und dessen spezifische Wärmekapazität und Umwandlungsenthalpie zugrunde legen. Zur besseren Differenzierung zwischen Oberflächendefekten und nicht zur Prüfobjektoberfläche geöffneten, oberflächennahen Defekten kann es zweckmäßig sein, mehrere Detektionsgeräte (Infrarotkameras) zu verwenden. So kann das Bild einer direkt auf den Beaufschlagungsbereich gerichteten Infrarotkamera mit dem Bild eines (in Bewegungsrichtung) hinter den Beaufschlagungsbereich gerichteten Detektionsgeräts abgeglichen werden. Da die Kühlwirkung im Beaufschlagungsbereich am größten ist werden dort sowohl Oberflächendefekte als auch oberflächennahe Defekte detektiert. Aufgrund der (nach Ende der Beaufschlagung) schnelleren Erwärmung im Volumen als an der Oberfläche, werden mit der zweiten Kamera somit die Oberflächendefekte erfasst. Durch einen Vergleich beider Bilder kann somit eine Differenzierung nach Lage der Defekte im Prüfobjekt vorgenommen werden.The cooling effect implemented according to the application primarily influences the test object surface, especially when it is accompanied by a withdrawal of the evaporation heat, but also near-surface areas of the test object between 100 μm and 3 mm depth; the achievable cooling of deeper layers is also dependent on the thermal conductivity of the material from which the test object is made. As a result, defects that are not open to the surface can also be detected in the near-surface area. Based on his specialist knowledge, the person skilled in the art knows how long the exposure must be carried out and, if necessary, how many dosing units are used so that with a given surface of the test object and given material of the test object, areas with a predetermined depth (distance from the surface) are also cooled, so that defects can be identified there. The person skilled in the art will base this on the amount of fluid used during the exposure period and its specific heat capacity and transformation enthalpy. For a better differentiation between surface defects and near-surface defects that are not open to the surface of the test object, it can be useful to use several detection devices (infrared cameras). In this way, the image of an infrared camera aimed directly at the impact area can be compared with the image of a detection device directed behind the impact area (in the direction of movement). Since the cooling effect is greatest in the impact area, both surface defects and defects close to the surface are detected there. Due to the faster heating in the volume (after the end of the impact) than on the surface, the surface defects are recorded with the second camera. By comparing both images, a differentiation can be made according to the position of the defects in the test object.
Verursacht durch die Abkühlung der Prüfobjektoberfläche kann gemäß einer Ausführungsform ein bei der Umgebungstemperatur gasförmiger Stoff (beispielsweise in Luft enthaltene Feuchtigkeit) auf der Prüfobjektoberfläche kondensieren oder resublimieren. Einerseits der Teil des beaufschlagten Fluids und/oder andererseits der Teil des in der Umgebungsatmosphäre befindlichen gasförmigen Stoffes, mit dem kein Phasenwechsel in den festen Zustand erfolgt, kann bedingt durch den Kapillareffekt in zur Oberfläche des Prüfobjekts geöffnete Defekte wie Risse oder Poren (sofern solche vorliegen) eindringen und insbesondere hineingesogen oder durch den Beaufschlagungsdruck in die Defekte hineingedrückt werden. Üblicherweise wird aber im Wesentlichen Fluid in den Defekten vorliegen. Da das Fluid in den lokalen Defekten länger verbleibt als auf der defektfreien Probenoberfläche, führt dies zu einer im Bereich der Defekte lokal stärkeren und länger anhaltenden Kühlungswirkung, welche als Temperaturkontrast zum umgebenden Bulk Material in Erscheinung tritt und daher besser detektiert werden kann.According to one embodiment, caused by the cooling of the test object surface a substance that is gaseous at the ambient temperature (e.g. moisture contained in air) condenses or re-sublimates on the test object surface. On the one hand, that part of the applied fluid and/or, on the other hand, that part of the gaseous substance in the ambient atmosphere with which there is no phase change to the solid state can, due to the capillary effect, open up to the surface of the test object, such as cracks or pores (if such are present). ) penetrate and in particular are sucked in or pushed into the defects by the impact pressure. Usually, however, essentially fluid will be present in the defects. Since the fluid remains in the local defects longer than on the defect-free sample surface, this leads to a locally stronger and longer-lasting cooling effect in the area of the defects, which appears as a temperature contrast to the surrounding bulk material and can therefore be better detected.
Um ein besonders effektives Eindringen des Fluids in die Defekte zu bewirken, kann man sich den quantitativen Zusammenhang zwischen Oberflächenspannung und Viskosität eines Stoffes, sowie der Eindringtiefe in ein vollständig benetzbares Material zunutze machen. Dieser kann durch die Washburn-Gleichung L=√(γ*D*t*cosθ))/(4*η) beschrieben werden. Hierbei stellen L die Eindringtiefe in [m], γ die Oberflächenspannung in [N/m], D den durchschnittlichen Porendurchmesser in [m], t das betrachtete Zeitintervall in [s], θ den Kontaktwinkel zwischen Fluid und Materialoberfläche und η die Viskosität in [Pa*s] dar. Die Kenntnis der Washburn-Gleichung ermöglicht es dem Fachmann somit - da Oberflächenspannung und Viskosität des Fluids zur Beaufschlagung bekannt sind - abhängig vom zu detektierenden Defekt (beispielsweise zur Oberfläche geöffneter Poren mit einem bestimmten Durchmesser oder Risse mit einer bestimmten Rissbreite) zu entscheiden ob ein Fluid mit schlechter Oberflächenspannung und hoher Viskosität (z.B.) noch ausreichend ist um eine Eindringen zu gewährleisten.In order to bring about a particularly effective penetration of the fluid into the defects, one can make use of the quantitative relationship between surface tension and viscosity of a substance, as well as the penetration depth into a completely wettable material. This can be described by the Washburn equation L=√(γ*D*t*cosθ))/(4*η). Here L represents the penetration depth in [m], γ the surface tension in [N/m], D the average pore diameter in [m], t the considered time interval in [s], θ the contact angle between the fluid and the material surface and η the viscosity in [Pa*s]. The knowledge of the Washburn equation thus enables the person skilled in the art - since the surface tension and viscosity of the fluid to be applied are known - depending on the defect to be detected (e.g. pores with a certain diameter open to the surface or cracks with a certain crack width) to decide whether a fluid with poor surface tension and high viscosity (e.g.) is still sufficient to ensure penetration.
Beispielsweise sei diesbezüglich Isobutan genannt mit einem Verhältnis γ/η ≃ 0,0141 [N/m]/(6,77* 10^-3)[cP] = 2,08 N/(m*cP) und Propan mit einem Verhältnis γ/η ≃ 0,01017[N/m]/(7,47*10^-3)[cP] = 1,36 N/(m*cP) (jeweils bei 0°C und Normaldruck (1013,25 hPa), angegeben).For example, isobutane with a ratio γ/η≃0.0141 [N/m]/(6.77*10^-3)[cP]=2.08 N/(m*cP) and propane with a ratio γ/η ≃ 0.01017[N/m]/(7.47*10^-3)[cP] = 1.36 N/(m*cP) (each at 0°C and normal pressure (1013.25 hPa ), indicated).
Gemäß einer Ausführungsform kann ein Teil des auf die Prüfobjektoberfläche beaufschlagten Fluids, mit dem ein Phasenwechsel in den festen Zustand erfolgt einen Film auf der Prüfobjektoberfläche ausbilden, und/oder gegebenenfalls auch kondensiertes Gas aus der umgebenden Atmosphäre, insbesondere auch gefrorenen Wasserdampf enthalten bzw. daraus bestehen. Ein derartiger fester oder auch flüssiger Film führt zu einer erheblichen Anhebung der Emissivität der Prüfobjektoberfläche auf einen Wert von 0,8-1, so dass auch Materialien deren Emissivität unter normalen Bedingungen nicht ausreichend für eine thermografische Prüfung ist, mit dem Verfahren nach dieser Anmeldung thermografisch analysiert werden können, insbesondere auch Kunststoffe wie etwa PVC.According to one embodiment, part of the fluid applied to the surface of the test object, with which a phase change to the solid state takes place, can form a film on the surface of the test object and/or possibly also contain or consist of condensed gas from the surrounding atmosphere, in particular also frozen water vapor . Such a solid or liquid film leads to a significant increase in the emissivity of the test object surface to a value of 0.8-1, so that even materials whose emissivity under normal conditions is not sufficient for a thermographic test can be thermographically tested using the method according to this application can be analyzed, in particular plastics such as PVC.
Grundsätzlich ist anmeldungsgemäß eine Defekt-Detektierung auch dadurch möglich, dass es nach der Abkühlung der Prüfobjektoberfläche wieder zu einer langsamen Erwärmung auf Umgebungstemperatur und damit zu Wärmeströmungen im Material kommt. Diese erfolgen im Bulk Material des geprüften Objekts homogen, im Bereich von Defekten hingegen inhomogen. Bei zur Oberfläche geöffneten Defekten werden diese Inhomogenitäten durch die beschriebene stärkere und länger anhaltende lokale Kühlung des Materials in diesem Bereich noch zusätzlich verstärkt. Die Induzierung von für eine thermografische Prüfung hinreichenden Wärmeströmungen sind anmeldungsgemäß prinzipiell auch mit dem umgedrehten Prinzip, d.h. durch Erwärmung anstatt Abkühlung des Probenkörpers realisierbar. Da die Wärmeströmungen im Material direkt proportional zur Menge der dem Prüfobjekt im Messbereich entzogenen oder zugeführten Wärme sind, ermöglicht ein schnelles abkühlen oder erwärmen auch eine schnellere Durchführung der Prüfung nach dem anmeldungsgemäßen Verfahren.In principle, according to the application, a defect detection is also possible in that, after the surface of the test object has cooled down, it slowly warms up again to the ambient temperature and thus heat flows in the material. These occur homogeneously in the bulk material of the tested object, but inhomogeneously in the area of defects. In the case of defects that are open to the surface, these inhomogeneities are additionally intensified by the described stronger and longer-lasting local cooling of the material in this area. According to the application, heat flows sufficient for a thermographic test can also be induced using the reverse principle, i.e. by heating instead of cooling the test specimen. Since the heat flows in the material are directly proportional to the amount of heat withdrawn from or supplied to the test object in the measuring area, rapid cooling or heating also enables the test to be carried out more quickly according to the method according to the application.
Durch die Wärmeströmung im Material ist es daher auch möglich, Defekte zu detektieren, die keine direkte Öffnung zur Oberfläche des Prüfobjekts besitzen oder Defekte deren Öffnung zu klein für den vorstehend beschriebenen Kapillareffekt ist, mittels eines Detektionsgerätes für thermische Strahlung sichtbar zu machen. Hierfür ist dann die Messung nach Beendigung von Schritt a) erforderlich.Due to the heat flow in the material, it is therefore also possible to detect defects that do not have a direct opening to the surface of the test object or defects whose opening is too small for the capillary effect described above, using a detection device for thermal radiation to make them visible. For this purpose, the measurement after the end of step a) is then required.
Die Detektion der Wärmestrahlung kann bereits bei Beaufschlagung der Prüfobjektoberfläche mit dem erfindungsgemäß eingesetzten Fluid, oder in direktem Anschluss daran erfolgen. In direktem Anschluss daran bezeichnet dabei den Zeitraum, indem, abhängig von der Wärmeleitfähigkeit des Materials und der NETD des verwendeten Detektionsgeräts, aufgrund des Temperaturunterschiedes zwischen gekühltem Prüfobjekt und Umgebungstemperatur noch Wärmeausgleichsströmungen im Material vorhanden sind, welche mit dem verwendeten Detektionsgerät erfasst werden können. Das Detektionsgerät für Wärmestrahlung kann zur Auswertung an eine Datenverarbeitungsanlage angeschlossen sein. Eine schematische Darstellung eines nach beanspruchtem Verfahren erfassten Infrarotsignals, d.h. der vom Prüfobjekt emittierten Wärmestrahlung, ist in
Das Verfahren nach dieser Anmeldung weist somit zumindest folgende Vorteile auf:
- Durch die Erhöhung der Emissivität der Prüfobjektoberfläche, sind auch Materialen der thermografischen Prüfung zugänglich, die mit herkömmlichen Thermografieverfahren nicht geprüft werden könnten.
- Die Verfahrensschritte Abkühlung der Prüfobjektoberfläche und Aufbringen eines Flüssigkeitsfilms können simultan erfolgen. Dadurch wird die Prüfung im Vergleich zu den bekannten Thermografieverfahren beschleunigt.
- By increasing the emissivity of the test object surface, materials can also be thermographically tested that could not be tested with conventional thermographic methods.
- The process steps of cooling the test object surface and applying a liquid film can be carried out simultaneously. This accelerates the test compared to the known thermographic methods.
Generell können alle Verfahrensschritte zeitgleich oder sequenziell erfolgen und mehrfach wiederholt werden. Bei zeitgleicher Ausführung bietet sich so die Möglichkeit einer scannenden Prüfung der Prüfobjektoberfläche in Echtzeit.In general, all process steps can take place simultaneously or sequentially and can be repeated several times. With simultaneous execution, this offers the possibility of a scanning test of the test object surface in real time.
Das anmeldungsgemäße Verfahren kann mit einer Vielzahl von Materialien, sowohl für das Fluid als auch für das Prüfobjekt durchgeführt werden. Auch Prüfobjekte, die aus mindestens zwei unterschiedlichen Materialien gebildet sind (und zwar hinsichtlich des Prüfobjekts insgesamt einerseits aber andererseits auch hinsichtlich der beaufschlagten Oberfläche), können mit dem anmeldungsgemäßen Verfahren untersucht werden. Daher ist es problemlos möglich, das Fluid so auszuwählen, dass es rückstandsfrei, insbesondere durch Verdampfen ohne Energiezufuhr wieder von der Prüfobjektoberfläche entfernt werden kann wodurch eine aufwändige Reinigung des geprüften Objekts entfällt. Ferner kann aufgrund der Vielzahl möglicher Fluide auch eine Anpassung des Fluids erfolgen, wenn temperaturempfindliche Materialien untersucht werden. Durch das rückstandsfreie Verdampfen, wird zudem eine zerstörungsfreie Werkstoffprüfung ermöglicht.The method according to the application can be carried out with a large number of materials, both for the fluid and for the test object. Test objects that are made of at least two different materials (in terms of the test object as a whole on the one hand, but also in terms of the surface that is acted upon on the other hand) can also be examined using the method according to the application. It is therefore possible without any problems to select the fluid in such a way that it can be removed from the test object surface again without any residue, in particular by evaporation, without the input of energy, which means that there is no need for time-consuming cleaning of the tested object. Furthermore, due to the large number of possible fluids, the fluid can also be adapted if temperature-sensitive materials are examined. The residue-free evaporation also enables non-destructive material testing.
Das Prüfobjekt kann insbesondere ein Metall (worunter anmeldungsgemäß auch Legierungen zu verstehen sind), eine Keramik und/oder ein Polymer umfassen oder daraus bestehen. Hierunter fallen auch Gemische oder Komposite von mehr als einem Metall, mehr als einer Keramik, mehr als einem Polymer oder auch von Metall und Keramik, Metall und Polymer oder Keramik und Polymer. Gemäß einer Ausführungsform ist das Prüfobjekt aus (mindestens) einem Material gebildet, das ausgewählt ist aus Aluminium oder Stahl, Aluminiumlegierungen oder Eisenlegierungen. Aluminiumhaltige Prüfkörper können nach dem Stand der Technik nicht ohne weiteres thermografisch auf Defekte hin geprüft werden.The test object can in particular include or consist of a metal (which according to the application also includes alloys), a ceramic and/or a polymer. This also includes mixtures or composites of more than one metal, more than one ceramic, more than one polymer or of metal and ceramic, metal and polymer or ceramic and polymer. According to one embodiment, the test object is formed from (at least) one material that is selected from aluminum or steel, aluminum alloys or iron alloys. According to the state of the art, aluminum-containing test specimens cannot easily be thermographically checked for defects.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Fluid ein verflüssigtes Gas wie Stickstoff, Kohlenwasserstoff, insbesondere Propan oder ein Butan, halogenierte Kohlenwasserstoff oder Gemisch der genannten Stoffe. Aufgrund der automatischen, rückstandslosen Verdampfung von der Prüfobjektoberfläche, ermöglicht die Verwendung derartiger Fluide die zeitgleiche Ausführung der Verfahrensschritte und erspart die aufwendige Reinigung des Prüfobjekts. Somit wird insgesamt eine im Vergleich zum Stand der Technik schnellere Prüfung ermöglicht. Außerdem erfolgt die Prüfung kontakt- und zerstörungsfrei.According to one embodiment, the fluid is a liquefied gas such as nitrogen, a hydrocarbon, in particular propane or a butane, a halogenated hydrocarbon or a mixture of the substances mentioned. Due to the automatic, residue-free evaporation from the test object surface, the use of such fluids enables the process steps to be carried out at the same time and saves the time-consuming cleaning of the test object. Overall, this enables a faster test compared to the prior art. In addition, the test is non-contact and non-destructive.
Bei den mit dem Verfahren nach der Offenbarung dieser Erfindung detektierbaren Materialdefekten kann es sich insbesondere um zur Oberfläche hin geöffnete Risse und/oder Poren handeln. Ferner kann der Materialdefekt jedoch ein oberflächenparalleler Riss, ein Einschluss von Fremdmaterial - (also z.B. Oxide oder Partikel anderer Materialien, die nicht mit dem Grundmaterial des Prüfobjekts übereinstimmen), ein Lunker, eine Delaminationen und ein Bereich offener Porosität unter der Materialoberfläche sein. Auch mehrere der vorstehend genannten Defekte können gleichzeitig ermittelt werden. Insbesondere sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht zur Oberfläche hin geöffnete Defekte bzw. Einschlüsse üblicherweise in Tiefen von etwa bis zu 3 mm detektierbar, insbesondere in Tiefen von bis zu 100 µm. Die konkrete detektierbare Tiefe hängt dabei insbesondere von der Wärmeleitfähigkeit des Materials und der Beaufschlagungszeit während der Durchführung von Verfahrensschritt a) ab (wobei für eine lange Beaufschlagungszeit Schritt a) gegebenenfalls auch mehrfach wiederholt werden kann).The material defects that can be detected with the method according to the disclosure of this invention can in particular be cracks and/or pores that are open towards the surface. However, the material defect can also be a crack parallel to the surface, an inclusion of foreign material - (e.g. oxides or particles of other materials that do not match the base material of the test object), a blowhole, a delamination and an area of open porosity under the material surface. Several of the defects mentioned above can also be determined at the same time. In particular, with the method according to the invention, defects or inclusions that are not open towards the surface can usually be detected at depths of up to about 3 mm, in particular at depths of up to 100 μm. The specific detectable depth depends in particular on the thermal conductivity of the material and the exposure time during the implementation of method step a) (whereby step a) can optionally also be repeated several times for a long exposure time).
Figurenlistecharacter list
Ohne die Einschränkung der Allgemeinheit wird das erfindungsgemäße Verfahren nachstehend noch näher anhand von Figuren erläutert:
-
1 zeigt eine stark schematisierte Darstellung eines Verfahrens zur zerstörungsfreien thermografischen Prüfung von Prüfobjekten.
-
1 shows a highly schematized representation of a method for non-destructive thermographic testing of test objects.
Bedingt durch den Beaufschlagungsdruck und/oder den Kapillareffekt dringt das Fluid in den zur Oberfläche geöffneten Materialdefekt ein (5). Das Fluid verweilt länger in dem zur Oberfläche geöffneten Materialdefekt als auf der Prüfobjektoberfläche, so dass an Stellen mit zur Oberfläche geöffnetem Materialdefekt die Kühlungswirkung durch die Flüssigkeit mit niedriger Verdampfungstemperatur länger anhält (6). Dieser Wärmeunterschied kann mittels eines an einen Rechner zur Auswertung angeschlossenen thermischen Detektors (7) als Kontrast sichtbar gemacht werden. Das thermische Gleichgewicht stellt den Ausgangszustand des Prüfobjekts selbstständig wieder her. Die Untersuchung des Prüfobjekts erfolgt kontaktlos und zerstörungsfrei. Due to the impact pressure and/or the capillary effect, the fluid penetrates into the material defect that is open to the surface (5). The fluid stays longer in the material defect that is open to the surface than on the surface of the test object surface, so that the cooling effect of the liquid with a low evaporation temperature lasts longer in places where the material defect is open to the surface (6). This heat difference can be made visible as a contrast using a thermal detector (7) connected to a computer for evaluation. The thermal equilibrium automatically restores the initial state of the test object. The examination of the test object is contactless and non-destructive.
Skizzierter Verlauf des detektierten Infrarotsignals an einer defektfreien Prüfobjektoberfläche (1). Bei Beaufschlagung der defektfreien Prüfobjektoberfläche (Position A) mit dem Fluid kommt es zunächst zu einer Verringerung der emittierten Wärmestrahlung aufgrund der Verringerung der Temperatur der Probenoberfläche. Die Intensität des Infrarotsignals steigt nach Ende der Beaufschlagung jedoch rasch wieder auf den Ausgangswert an.Sketch of the detected infrared signal on a defect-free test object surface (1). When the fluid is applied to the defect-free test object surface (position A), there is initially a reduction in the emitted thermal radiation due to the reduction in the temperature of the sample surface. However, the intensity of the infrared signal quickly rises back to the initial value after exposure has ended.
Skizzierter Verlauf des detektierten Infrarotsignals im Bereich eines Defekts an der Prüfobjektoberfläche (2). Wie bei Position A kommt es auch in der Region eines Defekts (Position B) zu einer Verringerung der detektierten Infrarotstrahlung bei Beaufschlagung der Probenoberfläche mit dem Fluid. Durch die verstärkte Kühlwirkung im Bereich eines Defekts, fällt die Verringerung der emittierten Wärmestrahlung jedoch stärker aus und erreicht den Ausgangswert nach Ende der Beaufschlagung auch deutlich langsamer.Sketch of the detected infrared signal in the area of a defect on the test object surface (2). As with position A, there is also a reduction in the detected infrared radiation in the region of a defect (position B) when the sample surface is exposed to the fluid. However, due to the increased cooling effect in the area of a defect, the reduction in the emitted thermal radiation is greater and also reaches the initial value significantly more slowly after the impact has ended.
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
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- US 4480928 [0012]US4480928 [0012]
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Legal Events
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