DE19703484A1 - Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Materialien und Materialverbunden auf innere Fehler mittels Thermografie - Google Patents

Description

Das Verfahren hat zum Ziel, zerstörungsfrei über einen großen Wandstärken- und Tiefenbereich innere Fehler (1) in Materialien und Materialverbunden, insbesondere in Konstruktionen und Verbindungen aus Kunststoff nachzuweisen, z. B. Poren, Fremdstoffeinschlüsse, Risse, ungenügende Materialbindung und andere Fehlstellen.

Besonders bei Kunststoffen und Materialverbunden aus Kunststoff ist die Anwendung klassischer zerstörungsfreier Prüfverfahren wie Durchstrahlungsprüfung und Ultraschallprüfung problematisch.

Bei der Durchstrahlungsprüfung entsteht wegen der geringen Dichteunterschiede zwischen Material und inneren Fehlern ein geringer Kontrast.

Das Fehlerbild wird außerdem oftmals von der komplizierten Geometrie des zu prüfenden Teiles überlagert.

Die Durchstrahlungsprüfung erfordert Strahlenschutzmaßnahmen, so daß während der Prüfung Störungen des normalen Arbeitsablaufes entstehen.

Bei der Ultraschallprüfung wird die Prüfung durch die starke Schallschwächung und ebenfalls durch Einflüsse der Werkstückgeometrie erschwert.

Außerdem ist das Verfahren der Ultraschallprüfung nur eingeschränkt als bildgebendes Verfahren nutzbar, was die Anschaulichkeit der Prüfergebnisse einschränkt.

Als Alternative ist das nachfolgend beschriebene thermografische Untersuchungsverfahren einsetzbar. Bisher wurden thermografische Verfahren erfolgreich bei der Detektion oberflächennaher Fehler angewendet.

Das neue Verfahren ist in der Lage, durch eine spezielle Wärmeführung und unter Anwendung hochauflösender Temperaturmeßeinrichtungen tiefer liegende innere Fehler nachzuweisen. Die Prüfung behindert den Arbeitsablauf in der Prüfumgebung nicht. Im Ergebnis der Prüfung entsteht ein mit der Bauteilgeometrie verknüpftes Fehlerbild. Einflüsse der Bauteilgeometrie können eliminiert werden.

Zum Nachweis innerer Fehler wird im zu untersuchenden Bereich (2) zwangsweise ein Wärmestrom erzeugt. Dieser wird an den Fehlstellen des Materials oder der Material­ verbindung gestört und bewirkt dabei eine Verzerrung des Oberflächentemperaturfeldes im Vergleich zum fehlerfreien Zustand.

Das Oberflächentemperaturfeld wird durch eine Temperaturmeßeinrichtung (3) sichtbar gemacht. Die Auflösung dieser Temperaturmeßeinrichtung (3) muß über einen großen Temperaturbereich hinreichend fein sein. Diese Forderung wird zum Beispiel von vorhandenen industriellen Infrarotthermografie-Kameras erfüllt.

Zur Erzeugung des Wärmestromes durch den zu untersuchenden Bereich (2) werden auf die Oberflächen des Prüfgegenstandes (5) in Nachbarschaft zu diesem Bereich (2) Temperierungseinheiten (4) aufgebracht. Die Temperierungseinheiten (4) arbeiten so, daß ein Teil als Heizelemente, die anderen als Kühlelemente wirken. Die Oberflächentemperaturen werden mittels der Temperierungseinheiten (4) nach einem vorgegebenen Wärmeprogramm eingeregelt, so daß sich ein bestimmter Wärmefluß durch den zu untersuchenden Bereich (2) ergibt. Die Oberfläche am zu untersuchenden Bereich (2) bleibt sich selbst überlassen. Die Analyse der örtlichen und zeitlichen Oberflächentemperaturverteilung an dieser freien Oberfläche wird zur Fehlerdetektion genutzt.

Folgende Wärmeprogramme finden dabei Anwendung:

• 1. Die Oberflächentemperatur wird von allen Temperierungseinheiten (4) zeitlich konstant geregelt. Die Oberflächentemperaturverteilung nähert sich nach einer bestimmten Zeit, die u. a. von der Temperaturleitfähigkeit des zu untersuchenden Materials und dem Wärmeübergang von Temperiereinrichtung (4) zum Material bestimmt wird, einem stationären Zustand. Durch Verlängerung der Haltezeit können kleinere und tiefer im Material liegende innere Fehler (1) detektiert werden. Neben der örtlichen Verteilung der Oberflächentemperatur ist auch die örtliche Verteilung der Temperatureinstellzeit zur Fehlerdetektion nutzbar.
• 2. Die Temperierungseinheiten (4) arbeiten so, daß sich die Oberflächentemperaturen in ihrem Bereich zeitlich und insbesondere periodisch ändern. Die Umschaltperiode oder Änderungsgeschwindigkeit variiert dabei in Abhängigkeit von der Materialdicke und der Temperaturleitfähigkeit des zu untersuchenden Materials. Neben der Aufnahme der örtlichen Oberflächentemperaturverteilung wird auch die örtliche Verteilung der Phase der sich periodisch ändernden Temperatur bzw. der Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur zur Fehlerdetektion genutzt.
• 3. Die Temperierungseinrichtungen (4) arbeiten so, daß die Oberflächentemperatur im Kontaktbereich kurzzeitig erhöht oder abgesenkt wird. Der zeitliche und örtliche Verlauf der Temperatur an der Oberfläche des zu untersuchenden Bereiches dient auch hier zur Fehlerdetektion.

Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung eines zwangsweisen Wärmestroms durch den zu untersuchenden Materialbereich (2) ist die Nutzung einer inneren Wärmequelle (6) zum Beispiel in Form von im Materialverbund vorhandenen Heizelementen, leitfähigen Schichten, HF-Strahlung absorbierenden Schichten bzw. beim Durchfluß von Heiz- oder Kühlmedien. Auch hier sind die oben genannten Wärmeprogramme realisierbar.

Die Temperaturverteilungen, Phasenverteilungen, Verteilungen der Einstellzeiten oder Temperaturänderungsgeschwindigkeiten werden digital abgespeichert und als Bild sichtbar gemacht. Mittels dem Prüfproblem angepaßter Bildverarbeitungsverfahren werden auf einem Rechner (7) die Fehlerdarstellungen kontrastiert.

Das beschriebene Prüfverfahren ist u. a. für die zerstörungsfreie Prüfung von Stumpfstoß­ schweißverbindungen an Kunststoffteilen anwendbar, insbesondere zur Prüfung von Stumpstoßschweißverbindungen an Kunststoffrohren (Fig. 1). Hierfür werden zu beiden Seiten der Rohrschweißnaht Heiz-Kühl-Manschetten (8) angebracht, die eine Realisierung der oben beschriebenen Wärmprogramme ermöglichen. Das Temperaturverteilungsbild im Schweißnahtbereich oder daraus abgeleitete Darstellungsformen werden durch eine Infrarotthermografie-Kamera erzeugt und zur Bearbeitung an einen Rechner übergeben. Desweiteren ist das Verfahren zur Prüfung von Heizwendelmuffenschweißungen an Kunststoffteilen, insbesondere Kunststoffrohren anwendbar (Fig. 2). Als Wärmequelle kann hier die Heizwendel verwendet werden.

Bezugszeichenliste

1

Innerer Fehler

2

Zu untersuchender Bereich

3

Temperaturmeßeinrichtung

4

Temperierungselemente

5

Prüfgegenstand

6

Innere Wärmequelle

7

Rechner

8

Heiz-Kühl-Manschetten.

Fig. 1 Prinzipskizze des Verfahrens zur zerstörungsfreien Prüfung von Stumpfstoßschweißverbindungen an Formteilen aus Kunststoff.

Fig. 2 Prinzipskizze des Verfahrens zur zerstörungsfreien Prüfung von Heizwendelmuffenschweißverbindungen.

Claims (9)

1. Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Materialien und Materialverbunden auf tiefer liegende innere Fehler (1), dadurch gekennzeichnet, daß durch den zu untersuchenden Bereich (2) zwangsweise ein Wärmefluß erzeugt wird, der an inneren Fehlern des zu untersuchenden Bereiches (2) gestört wird und es zu Rückwirkungen auf die Oberflächentemperaturverteilung kommt, die mittels einer Temperaturmeßeinrichtung (3) in ihrem örtlichen und zeitlichen Verlauf erfaßt und zur Fehlerdetektion ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwangsweise Erzeugung eines Wärmeflusses durch Temperierungseinrichtungen (4), die die Oberflächen des Prüfgegenstandes (5) in Nachbarschaft zum zu untersuchenden Bereich (2) temperieren, oder unter Nutzung innerer Wärmequellen (6) erfolgt, wobei nach einem bestimmten Wärmeprogramm ein Temperaturgradient im zu untersuchenden Bereich (2) eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß von den Temperierungseinrichtungen (4) bzw. von inneren Wärmequellen (6) an ihren Kontaktflächen zeitlich konstante (a), zeitlich veränderliche (b), insbesondere periodisch veränderliche (c) bzw. kurzzeitig erhöhte oder abgesenkte (d) Oberflächentemperaturen eingestellt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperierungseinrichtungen (4) an ihren Kontaktflächen zum Prüfgegenstand (5) eine konstante Temperatur einstellen und diese mindestens so lange aufrechterhalten, bis ein maximaler Fehlerkontrast erreicht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturmeßeinrichtung (3) Bilder von der Oberflächentemperaturverteilung im zu untersuchenden Bereich liefert und diese in digitaler Form zur Speicherung und Weiterverarbeitung einem Rechner (7) zur Verfügung stellt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Temperaturmeßeinrichtung (3) eine Infrarotthermografie-Kamera verwendet wird, die eine Temperaturauflösung <0,1 K über einen Temperaturbereich von -20°C bis 250°C aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Meßwertanalyse mittels spezieller Bildverarbeitungsalgoritmen erfolgt, die neben der örtlichen Temperaturverteilung aus Bildfolgen auch örtliche Verteilungen von Temperatureinstellzeiten, Temperaturänderungsgeschwindigkeiten und Phasenlagen bei periodischer Wärmeführung berechnen und Fehlerkontraste herausarbeiten, wobei eine Verminderung des Rauschanteils erfolgt und Kontraste, die durch die Bauteilgeometrie entstehen, eliminiert werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6 zur zerstörungsfreien Prüfung von Stumpfstoßschweißverbindungen an Kunststoffbauteilen, insbesondere an Rohren aus Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, daß die zwangsweise Erzeugung des Wärmeflusses durch die Rohrschweißnaht mittels zweier Heiz-Kühl-Manschetten (8) als Temperiereinrichtungen (4) erfolgt, die zu beiden Seiten der Schweißnaht angeordnet sind und ein Wärmeprogramm nach Anspruch 3 (a-d) gewählt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1 zur zerstörungsfreien Prüfung von Heizwendelmuffen­ schweißverbindungen, dadurch gekennzeichnet, daß als innere Wärmequelle (6) die Heizwendel der Schweißmuffe verwendet wird und ein Wärmeprogramm nach Anspruch 3 (a-d), insbesondere die impulsförmige Erwärmung (d) mittels kurzzeitigem Stromfluß durch die Heizwendel gewählt wird.