DE19703484A1 - Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Materialien und Materialverbunden auf innere Fehler mittels Thermografie - Google Patents
Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Materialien und Materialverbunden auf innere Fehler mittels ThermografieInfo
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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.
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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1997103484 DE19703484A1 (de) | 1997-01-31 | 1997-01-31 | Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Materialien und Materialverbunden auf innere Fehler mittels Thermografie |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE1997103484 DE19703484A1 (de) | 1997-01-31 | 1997-01-31 | Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Materialien und Materialverbunden auf innere Fehler mittels Thermografie |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE19703484A1 true DE19703484A1 (de) | 1998-08-06 |
Family
ID=7818850
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE1997103484 Withdrawn DE19703484A1 (de) | 1997-01-31 | 1997-01-31 | Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Materialien und Materialverbunden auf innere Fehler mittels Thermografie |
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Country | Link |
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- 1997-01-31 DE DE1997103484 patent/DE19703484A1/de not_active Withdrawn
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