WO2005005972A1 - Verfahren zur charakterisierung von werkstücken aus elektrisch leitfähigen materialien - Google Patents

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WO2005005972A1
WO2005005972A1 PCT/DE2004/001445 DE2004001445W WO2005005972A1 WO 2005005972 A1 WO2005005972 A1 WO 2005005972A1 DE 2004001445 W DE2004001445 W DE 2004001445W WO 2005005972 A1 WO2005005972 A1 WO 2005005972A1
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electrically conductive
conductive material
workpiece
coupling
layer
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Günter WALLE
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/72—Investigating presence of flaws
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B21/00—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant
    • G01B21/02—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness
    • G01B21/08—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness for measuring thickness
    • G01B21/085—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness for measuring thickness using thermal means

Definitions

  • the present invention relates to a method for characterizing workpieces made of an electrically conductive material or of a composite material with a layer or a substrate made of the electrically conductive material, in which an electrically conductive area of the workpiece is inductively heated and coupled by the surface coupling of an electromagnetic pulse a local temperature distribution resulting from the inductive heating on a surface of the workpiece is recorded during the coupling and / or at a time interval from the start of the coupling of the electromagnetic pulse.
  • the present method relates in particular to the field of application of the non-destructive testing of workpieces, in order, for example, to be able to detect cavities, delaminations or foreign material inclusions in the workpieces.
  • composite materials such as adhesive bonds between metallic components and non-metallic components, for example with regard to adhesive defects such as delamination or detachment, can also be examined using the present method.
  • the workpieces subjected to the process can also be characterized as to what layer thicknesses have non-metallic layers on a metallic substrate or a metallic layer.
  • optical excitation with light with which an area of the workpiece is heated and conclusions can be drawn about defects in the workpiece from a temperature distribution on the surface of the workpiece resulting from the heating.
  • this thermal technique by means of optical excitation has the disadvantage that the absorption capacity for light is relatively low, particularly in the case of metallic materials, so that only little thermal energy can be introduced into the workpiece by light absorption. This leads to a very low detection capacity for defects, which increases in proportion to the thermal energy introduced into the material.
  • Another disadvantage of optical excitation with light with which an area of the workpiece is heated and conclusions can be drawn about defects in the workpiece from a temperature distribution on the surface of the workpiece resulting from the heating.
  • Excitation techniques consist of the fact that the thermal energy is usually only generated in the area of the test object close to the surface, so that defects at a greater depth below the surface can only be detected with great difficulty.
  • DE 199 33 446 Cl discloses a method for the detection of defects in metallic components, which likewise discloses characterizing the components with a thermal testing technique.
  • the technique of inductive excitation is used, in which the workpiece is inductive by the surface coupling of an electromagnetic pulse heated and a local temperature distribution resulting from the inductive heating is detected on a surface of the workpiece at a time interval for the coupling of the electromagnetic pulse.
  • the area of the workpiece to be checked is inserted into a coil, via which the electromagnetic pulse is coupled into the surface of the workpiece and induces eddy currents there, which heat this area.
  • Frequencies from 50 kHz to 200 kHz are used as the excitation frequency, with which, due to the small depth of penetration, only the area immediately on or below the surface can be examined for defects, in particular for cracks that are open towards the surface.
  • the object of the present invention is to provide a method for characterizing workpieces made of an electrically conductive material or of a material composite with an electrically conductive layer or an electrically conductive substrate, with which even deeper-lying defects can be detected with high accuracy.
  • the procedure is also intended to determine the
  • an electrically conductive area of the workpiece is inductively heated by area coupling of an electromagnetic pulse and a local area resulting from inductive heating
  • the inductive heating is carried out with an excitation frequency of ⁇ 20 kHz, which is selected such that the depth of penetration of the electromagnetic pulse into the electrically conductive area is greater than a depth of hidden imperfections to be detected in the electrically conductive area and / or greater than a thickness the electrically conductive layer or the electrically conductive
  • Inductor in particular an attachment coil, in certain cases also a coil comprising the test object, the workpiece to be examined inductively, in a pulse-like manner excited over a relatively large area, preferably over at least half of its width.
  • the excited electrically conductive area of the workpiece, into which the electromagnetic pulses are injected, is heated up due to eddy current losses which are caused by the eddy currents induced by the electromagnetic pulse.
  • the present selection of the excitation frequency in particular detects defects in the workpiece that are clearly distant from the workpiece surface, for example in a range of> 0.5 mm depth. Different depth ranges can be detected by suitably setting the excitation frequency.
  • two different physical phenomena can be used in the present method. When detecting voluminous imperfections, such as cavities or foreign material inclusions, cracks under the surface as well as oblique to the surface
  • the heat conduction effect is used to detect defects in electrically non-conductive layers on electrically conductive substrates or layers and to determine the thickness of such layers applied.
  • This technique is not only suitable for determining the layer thickness, but also for the detection of defects such as delaminations between the coating and the metallic substrate.
  • the excitation frequency is chosen so that the depth of penetration into the electrically conductive area below the electrically non-conductive layer is greater than or equal to the thickness the metallic layer or the metallic substrate.
  • the layer thickness of the electrically non-conductive layer can be measured.
  • the layer thickness results from the time in which the heat flow from the heated substrate underneath reaches the surface of the workpiece.
  • the temporal course of the temperature or, for example, only the temperature on the surface at a specific time after the coupling of the electromagnetic pulse is evaluated.
  • the use of the heat flow from the interior of the material to the surface can also be used to detect delamination in metal components where cracks are roughly parallel to the surface.
  • the penetration depth of the eddy currents should be selected so that it is greater than or equal to the workpiece thickness for workpieces with a thickness of ⁇ 3 mm and for the thickness of the workpieces> 3 mm corresponds at least to the expected depth of the defects.
  • Fiber defects, uneven fiber distribution and the like possible with the present method since such fibers are electrically conductive.
  • the low excitation frequencies suitably selected in the present case allow fiber layers lying deeper below the surface to be examined with high accuracy.
  • the inductive heating technology is combined with an active cooling technology with cooling of the surface by convection (for example compressed air or cooled compressed air).
  • the cooling takes place here by means of a gas flow, in particular a pulsed air flow, directly after the pulsed heating by blowing on the surface.
  • the defined cooling ensures that an increased heat flow from the inside of the material to the
  • This negative temperature contrast (signal) is due to the fact that no heat was generated in the defect area and, on the other hand, to the fact that the heat flow from the interior of the material below the defect is disrupted by the latter. In the vicinity of this negative signal, however, there is a positive temperature contrast when using the eddy current effect, due to the increased heat generation in the vicinity of the defect as a result of an increased eddy current density. In many cases, the active cooling of the surface improves the measurement result.
  • the workpiece and the device for coupling the electromagnetic pulse are moved relative to one another during the measurement. This can be done by moving the workpiece below the inductor or by moving the inductor over the workpiece. In this way, the workpiece can be measured very quickly by scanning. The measurement takes place during the movement of the inductor at a speed v relative to
  • This dynamic measurement technique has the advantage of a more homogeneous lateral heating of the test object compared to a static measurement and thus better error detection or a more precise determination of the layer thickness.
  • the dynamic measurement prevents the camera image field from being disturbed by the inductor and also enables the use of relatively inexpensive infrared line scan camera systems.
  • the dynamic measurement technology in particular enables the very fast inspection of the workpieces, as is required for many applications.
  • a frequency generator with at least one transmitting antenna in the form of a coil is used to carry out the present method.
  • the temperature distribution is recorded using infrared radiation measurement technology, for example using a suitable infrared camera.
  • the technology also enables a test arrangement in which the coil and the infrared measuring system are located on different sides of the test object. This can avoid any interference with the measurement by the coil (in the camera image). In addition, reflections caused by the coil are avoided.
  • the present method works quickly and without contact and is therefore basically suitable for the online inspection of components.
  • flat or voluminous defects in metals lying below the surface can be sensitively detected and characterized.
  • the technology enables metallic materials to be compared to conventional optical pulse thermography or login thermography better energy input, especially in cases in which a blackening of the surface to increase the absorption of optical radiation is not possible.
  • the technology makes it possible to detect defects that are deeper below the surface in metallic materials. Furthermore, the characterization of defects in non-metallic coatings on metallic substrate materials is possible with a significantly better sensitivity than with conventional methods.
  • the technology enables frequency optimization and optimization of the pulse duration of the inductive excitation for an improved analysis of defects with regard to depth and extent.
  • the method also enables the determination of wall thicknesses or layer thicknesses, for example of metallic components or of non-metallic layers on metallic substrates, with greater accuracy than with conventional thermal techniques.
  • the method variant in which a scanning technique is used has the advantage that a more homogeneous heating and thus a further improved error detection is possible.
  • this variant also enables a further increased test speed and / or a more cost-effective implementation in test practice.
  • the present method enables, in particular, the testing of electrically conductive materials with regard to delamination, obliquely running cracks, cavities and other inhomogeneities under the surface. They enable the characterization of composite materials, for example also adhesive bonds, from non-metallic coatings on metallic substrates with regard to defects in the substrate Coating or in the interface between substrate and coating.
  • FIG. 1 shows an example of a device for carrying out the method in which the test object does not move during heating
  • 2 shows another example of a device for carrying out the method, in which the test object continuously moves past the measuring device during the measurement
  • 3 shows examples of the application of the present method to different test objects
  • FIG. 4 shows an example of a thermographic image and the temperature profile over time for different coatings to illustrate the present method.
  • FIG. 1 shows a first example of the components of an apparatus for carrying out the present method.
  • an electromagnetic pulse is generated by means of a frequency generator 8 via a specially adapted flat top coil 6.
  • the flat top coil 6 is positioned a short distance above the test object 3, so that the electromagnetic pulse is coupled flatly into the workpiece.
  • This coupling of the electromagnetic pulse induces eddy currents in an electrically conductive region 5 of the workpiece 3, which lead to the heating of this region 5 as a result of eddy current losses.
  • the heated electrically conductive area 5 is indicated schematically in FIG. 1 by the rectangle.
  • the present selection of the excitation frequency of ⁇ 20 kHz ensures that the penetration depth of the electromagnetic pulse is large enough not only to be able to detect defects located directly below the surface. Furthermore, as will be explained in more detail below, the greater penetration depth means that the layer thickness can be one on an electrically conductive substrate or one electrically conductive layer applied non-electrically conductive layer, for example a polymer coating, can be determined. Defects in this electrically non-conductive layer can also be detected.
  • FIG. 3a shows an example of such a situation in which the exciting induction coil 6 is operated at a frequency at which the generated electromagnetic pulse (the magnetic fields and thus also the eddy current fields) the workpiece 3 consisting of the metallic substrate 1 and the non-electrically conductive layer 2 applied thereon completely penetrates.
  • This heat flow is disturbed by defects 4 in the coating, such as delaminations, and brings about a local, negative temperature contrast relative to the environment during the heating process on the surface of the coating 2, by means of which the defect can be identified.
  • This technique enables increased detection of defects of all kinds in the
  • the same homogeneous heating of the metallic substrate 1 is carried out and the heating process on the layer surface is recorded and evaluated in a time-resolved manner.
  • the method enables a much more precise determination of the layer thickness, in particular in the case of larger layer thicknesses (> 1 mm), than can be achieved with other thermal techniques by optical pickling from the outside.
  • the present method When testing workpieces 3 made of a metallic material to detect voluminous defects, such as cavities or foreign material inclusions, of cracks under the surface and of cracks lying at an angle to the surface, the present method enables improved detection of deeper, hidden defects, by using the eddy current effect.
  • the penetration depth of the electromagnetic pulses is chosen so that it corresponds at least to the depth of the defect 4 to be detected (cf. FIG. 3b).
  • the eddy current effect is understood here to mean the phenomenon that no eddy currents can form in the area of imperfections in the electrically conductive material and thus no heating takes place.
  • Temperature contrast relative to the environment By varying the excitation frequency and thus the penetration depth, there is also the possibility of specifically examining different depth ranges of the material with regard to defects, that is to say performing a type of thermal tomography with which layers of the material of different depths are imaged. In principle, the present method also offers the possibility of determining the depth of defects.
  • the temperature profile on the workpiece surface with the start of inductive excitation is recorded in a time-resolved manner over a suitably selected period and then evaluated.
  • the detection of the temperature distribution is indicated in FIG. 1 in addition to the device 6 for coupling the electromagnetic pulse, but in this example takes place at the same location on the workpiece 3.
  • either the workpiece 3 can be moved under the infrared camera 7 by the appropriate distance immediately after heating, or the infrared camera 7 detects this area including the overlying coil 6. Delaminations, blowholes or, for example, inclined cracks will change depending on their depth under the
  • the surface of the measurement can be further improved by actively cooling the surface.
  • This additional cooling is indicated by the cooling nozzles 9 in FIG. 1, through which the measured area 5 is also impulsed with a cooling air flow immediately following the pulsed heating.
  • the defined cooling ensures that an increased heat flow from the material interior (fault area) towards the surface, which results in a clear negative temperature contrast directly above the flaw. In the vicinity of this negative signal, however, there is a positive temperature contrast due to the increased heat generation in the vicinity of the defect as a result of an increased eddy current density.
  • the following parameters can be selected, for example, for carrying out the method.
  • the penetration depth of the electromagnetic pulse is chosen to be approximately equal to the thickness of this substrate material. This results in an excitation frequency of approx. 10 kHz. This excitation frequency enables a homogeneous heating of the metallic substrate, so that the layer thickness can be determined with high accuracy.
  • the depth of penetration of the electromagnetic pulse should be selected to be approximately equal to the depth of the defects. This results in an excitation frequency of approx. 400 Hz, with which errors at this depth can be detected with good evidence.
  • the measurements can of course also be carried out with pulse sequences, the temperature distribution on the surface between the individual electromagnetic pulses being measured simply or in a time-resolved manner.
  • a lock-in technique for further improving the measuring accuracy is of course also possible with the present method.
  • the induction coil 6 is to be designed in such a way that on the one hand sufficient energy is coupled into the material and on the other hand the heating is as homogeneous as possible.
  • inhomogeneities caused by the inductive excitation or the geometry of the test object can also be compensated, so that the temperature fields caused by the defects can be optimally recognized. If defects are to be proven, for which the response time, i.e. the time from the start of the excitation to the occurrence of the error signal, is relatively short, it can make sense to use a specially designed coil system with few turns, in which it is possible to intervene with the infrared camera system to look through the individual coil turns at the test object surface.
  • test step to test step is in such If the test object or the coil system is moved in such a way that, in the first or previous test step, areas of the test object hidden by the coil system are visible in subsequent test steps.
  • Appropriately adapted coils allow relatively large test objects to be examined across the board in just a few test steps.
  • the device shown in FIG. 2 for carrying out this dynamic measurement technique in which the test object is continuously moved past below the coil system and the infrared camera - or vice versa - comprises in the same way a frequency generator 8 and in this case a narrow, elongated element trained coil 6, an infrared line camera 8 and optionally a compressed air nozzle 9 to act on a region of the
  • Test object 3 with a cooling air flow.
  • the scanning speed, the time resolution of the infrared measuring system and the arrangement of the line scan camera and coil system are selected in such a way that a comprehensive examination of the test object is possible.
  • the test object 3 is continuously moved relative to the coil 6 and the infrared camera 7 or 8.
  • the advantage of such a scanning technique is that on the one hand a more homogeneous lateral heating of the test object with a better one associated with it
  • v L / ⁇ t and with the above value for ⁇ t: v ⁇ 2 x L x ( ⁇ / z 2 ).
  • the heating-up time ⁇ t does not necessarily have to satisfy the above inequality. In this case, it is sufficient to consider the following two equations.
  • FIG. 4 shows, as an example, a thermographic image of a composite material made of polymer layers on a steel plate (FIG. 4a) and temperature curves over time on the different coatings (FIG. 4b).
  • a material composite with a polymer layer consisting of 8 different layer thicknesses from 1.0 mm to 2.1 mm on a steel plate was examined with the present inductive excitation technique.
  • the temperature distribution on the surface of the polymer coating can be detected in a color-coded manner at a specific time after heating, the individual colors in the present illustration being recognizable only by the color changes indicated by the lines.
  • the different layer thicknesses which increase from left to right, can be clearly seen from the gradually decreasing temperatures from left to right.
  • the diagram shows the temperature profile for each of the 8 layer thicknesses as a function of time. It is found that the respective layer heats up more quickly and reaches a higher maximum temperature the lower the layer thickness. The uppermost curve represents the layer with the smallest layer thickness. As the layer thickness increases, the temperature rise decreases significantly. It can be seen from these measurements that clear conclusions can be drawn about the layer thicknesses of the polymer layers from the time-resolved temperature distribution on the surface of the workpiece or from the temperature at a specific time after the start of the excitation.
  • the present method and the associated device enable the use of induction systems with lower frequencies, which are fundamentally simpler and therefore cheaper to implement technically than those with higher frequencies. At lower frequencies, high performance can also be achieved with less effort. Water cooling of the inductors can generally also be dispensed with at these frequencies, which also simplifies the system. Lower frequencies also mean a lower health risk when using the induction systems.
  • the method enables the improved characterization of delaminations, cavities, inclined cracks and foreign material inclusions in metallic materials or of defects, such as delaminations, in composite materials made of metals and non-metals. Furthermore, the method allows the wall thickness determination of metallic components or the characterization of layer thicknesses with greater accuracy than with conventional thermal techniques.
  • the process works completely without contact and is so fast that it also enables a 100% inspection in industrial quality assurance or a periodic inspection of safety-relevant components.
  • the method also enables the detection and characterization of imperfections in non-electrically conductive coatings on conductive substrates as well as the quantitative determination of layer thicknesses of non-metallic coatings on metallic substrates with high accuracy.
  • electrically conductive substrate non-electrically conductive coating workpiece or test object flaws electrically conductive area induction coil infrared camera infrared line camera compressed air nozzle compressed air jet

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Charakterisierung von Werkstücken (3) aus einem elektrisch leitfähigen Material oder aus einem Materialverbund mit einer Schicht oder einem Substrat (1) aus dem elektrisch leitfähigen Material, bei dem ein elektrisch leitfähiger Bereich (5) des Werkstücks (3) durch flächige Einkopplung eines elektromagnetischen Impulses induktiv erwärmt und eine aus der induktiven Erwärmung resultierende örtliche Temperaturverteilung an einer Oberfläche des Werkstücks (3) während der Einkopplung and/oder in zeitlichem Abstand zum Beginn der Einkopplung des elektromagnetischen Impulses erfasst wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die induktive Erwärmung mit einer Anregungsfrequenz von ≤ 20 kHz erfolgt, die so gewählt ist, dass eine Eindringtiefe des elektromagnetischen Impulses in den elektrisch leitfähigen Bereich (5) grösser oder gleich einer Tiefe von zu erfassenden verdeckten Fehlstellen (4) im elektrisch leitfähigen Bereich (5) und/oder grösser oder gleich einer Dicke der Schicht bzw. des Substrates (1) aus dem elektrisch leitfähigen Material ist. Mit dem vorliegenden Verfahren lassen sich verdeckte Fehlstellen in metallischen Werkstücken oder darauf aufgebrachten nicht elektrisch leitfähigen Schichten mit hoher Nachweisempfindlichkeit erfassen. Das Verfahren ermöglicht auch die Bestimmung der Schichtdicke nicht elektrisch leitfähiger Schichten auf metallischen Substraten mit hoher Genauigkeit.

Description

Verfahren zur Charakterisierung von Werkstücken aus elektrisch leitfähigen Materialien
Technisches Anwendungsgebiet Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Charakterisierung von Werkstücken aus einem elektrisch leitfähigen Material oder aus einem Materialverbund mit einer Schicht oder einem Substrat aus dem elektrisch leitfähigen Material, bei denen ein elektrisch leitfähiger Bereich des Werkstücks durch flächige Einkopplung eines elektromagnetischen Impulses induktiv erwärmt und eine aus der induktiven Erwärmung resultierende örtliche Temperaturverteilung an einer Oberfläche des Werkstücks während der Einkopplung und/oder in zeitlichem Abstand zum Beginn der Einkopplung des elektromagnetischen Impulses erfasst wird.
Das vorliegende Verfahren betrifft dabei insbesondere das Anwendungsgebiet der zerstörungsfreien Prüfung von Werkstücken, um bspw. Lunker, Delamina- tionen oder Fremdmaterialeinschlüsse in den Werkstücken erkennen zu können. Neben der Prüfung von Werkstücken, die ausschließlich aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen, können auch Verbundmaterialien, wie bspw. Klebeverbindungen von metallischen Bauteile mit nichtmetallischen Komponenten, bspw. im Hinblick auf Klebefehler wie Delaminationen oder Ablösungen, mit dem vorliegenden Verfahren untersucht werden. Weiterhin lassen sich die dem Verfahren unterzogenen Werkstücke auch dahingehend charakterisieren, welche Schichtdicken nichtmetallische Schichten auf einem metallischen Substrat oder einer metallischen Schicht aufweisen.
Für die zerstörungsfreie Charakterisierung von Werkstücken im Hinblick auf Fehlstellen oder Schicht- dicken sind unterschiedliche Techniken bekannt. Ein Beispiel stellt die optische Anregung mit Licht dar, mit dem ein Bereich des Werkstückes erwärmt und aus einer aus der Erwärmung resultierenden Temperatur- Verteilung an der Oberfläche des Werkstücks Rückschlüsse auf Fehlstellen im Werkstück gezogen werden können. Diese thermische Technik durch optische Anregung hat jedoch den Nachteil, dass gerade bei metallischen Materialien das Absorptionsvermögen für Licht relativ gering ist, so dass nur wenig Wärmeenergie durch Lichtabsorption in das Werkstück eingebracht werden kann. Dies führt zu einem sehr geringen Nachweisvermögen für Fehlstellen, das proportional zur ins Material eingebrachten Wärme- energie steigt. Ein weiterer Nachteil der optischen
Anregungstechniken besteht darin, dass die Wärmeenergie in der Regel nur im oberflächennahen Bereich des PrüfObjektes erzeugt wird, so dass Fehlstellen in größerer Tiefenlage unter der Oberfläche nur sehr schwer nachgewiesen werden können.
Aus der DE 199 33 446 Cl ist ein Verfahren zum Nachweis von Fehlern in metallischen Bauteilen bekannt, das ebenfalls eine Charakterisierung der Bauteile mit einer thermischen Prüftechnik offenbart. Bei diesem Verfahren wird die Technik der induktiven Anregung eingesetzt, bei der das Werkstück durch flächige Einkopplung eines elektromagnetischen Impulses induktiv erwärmt und eine aus der induktiven Erwärmung resultierende örtliche Temperaturverteilung an einer Oberfläche des Werkstücks in zeitlichem Abstand zur Einkopplung des elektromagnetischen Impulses erfasst wird. Der zu überprüfende Bereich des Werkstücks wird dabei in eine Spule eingeführt, über die der elektromagnetische Impuls in die Oberfläche des Werkstücks eingekoppelt wird und dort Wirbelströme induziert, die diesen Bereich aufwärmen. Als Anregungsfrequenz werden hierbei Frequenzen von 50 kHz - 200 kHz eingesetzt, mit denen aufgrund der geringen Eindringtiefe lediglich der Bereich unmittelbar an oder unter der Oberfläche auf Fehlstellen, insbesondere auf zur Oberfläche hin geöffnete Risse, untersucht werden kann.
Die bisher beschriebenen Verfahren eignen sich schlecht für die Erfassung von tiefer liegenden verdeckten Fehlstellen in elektrisch leitfähigen Materialien sowie zur Charakterisierung von elektrisch nicht leitenden Schichten auf elektrisch leitfähigen
Substraten.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Charakterisierung von Werkstücken aus einem elektrisch leitfähigen Material oder aus einem Materialverbund mit einer elektrisch leitfähigen Schicht oder einem elektrisch leitfähigen Substrat anzugeben, mit dem auch tiefer liegende Fehlstellen mit hoher Genauigkeit erfasst werden können. Das Verfahren soll sich auch zur Bestimmung der
Schichtdicke nicht leitender Materialschichten auf einem elektrisch leitfähigen Substrat oder einer elektrisch leitfähigen Schicht eines Materialverbundes eignen.
Wege zur Ausführung der Erfindung Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Beim vorliegenden Verfahren zur Charakterisierung von Werkstücken wird ein elektrisch leitfähiger Bereich des Werkstücks durch flächige Einkopplung eines elektromagnetischen Impulses induktiv erwärmt und eine aus der induktiven Erwärmung resultierende örtliche
Temperaturverteilung an einer Oberfläche des Werkstücks während der Einkopplung und/oder in zeitlichem Abstand zum Beginn der Einkopplung des elektromagnetischen Impulses erfasst. Die induktive Erwärmung wird dabei mit einer Anregungsfrequenz von < 20 kHz durchgeführt, die so gewählt ist, dass die Eindringtiefe des elektromagnetischen Impulses in den elektrisch leitfähigen Bereich größer als eine Tiefe von zu erfassenden verdeckten Fehlstellen im elektrisch leitfähigen Bereich und/oder größer als eine Dicke der elektrisch leitfähigen Schicht bzw. des elektrisch leitfähigen
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird mittels eines Frequenzgenerators über einen entsprechenden
Induktor, insbesondere eine Aufsatzspule, in bestimmten Fällen auch eine das Prüfobjekt umfassende Spule, das zu untersuchende Werkstück induktiv, impulsartig relativ großflächig angeregt, vorzugsweise über zumindest die Hälfte seiner Breite. Der angeregte elektrisch leitfähige Bereich des Werkstücks, in den die elektromagnetischen Impulse eingekoppelt werden, wird aufgrund von WirbelStromverlusten aufgeheizt, die durch die mit dem elektromagnetischen Impuls induzierten Wirbelströme bedingt sind. Durch die vorliegende Wahl der Anregungsfrequenz werden insbesondere Fehlstellen im Werkstück erfasst, die deutlich von der Werkstückoberfläche entfernt liegen, bspw. in einem Bereich von > 0,5 mm Tiefe. Durch geeignete Einstellung der Anregungsfrequenz können unterschiedliche Tiefenbereiche erfasst werden. Für die Charakterisierung der Werkstücke können bei dem vorliegenden Verfahren zwei unterschiedliche physikalische Phänomene ausgenutzt werden. Beim Nachweis von voluminösen Fehlstellen, wie bspw. Lunker oder Fremdmaterialeinschlüsse, von Rissen unter der Oberfläche sowie von schräg zur Oberfläche liegenden
Rissen in Metallbauteilen wird in erster Linie der sog. Wirbelstromeffekt ausgenutzt . Bei diesem Effekt bewirkt eine erhöhte Wirbelstromdichte in der Umgebung eines Fehlers eine verstärkte Aufheizung, die anschließend an der Oberfläche des Werkstücks lokal erkannt werden kann. Die Eindringtiefe der Wirbelströme, d. h. die Eindringtiefe des elektromagnetischen Impulses, sollte dabei so gewählt werden, dass sie zumindest d.er Tiefenlage der nachzuweisenden Fehler entspricht. Durch Variation der Frequenz und damit der Eindringtiefe besteht hierbei die Möglichkeit, unterschiedliche Tiefenbereiche des elektrisch leitfähigen Materials gezielt im Hinblick auf Fehlstellen zu untersuchen. Damit bietet diese Technik grundsätzlich auch die Möglichkeit, die Tiefenlage von Fehlstellen zu ermitteln. Zur Nutzung des Wirbelstromeffektes ist es bei rissartigen Fehlern außerdem von Vorteil, die Spule zur Einkopplung des elektromagnetischen Impulses so zu gestalten bzw. zu orientieren, dass die Spulenstrδme senkrecht zu einem Riss verlaufen, d.h. dass die magnetischen Feldlinien der Spule parallel zum Riss orientiert sind. Dies resultiert in der größten Wirbel- stromdichte in der Umgebung des Fehlers. Da der Verlauf der Risse in der Regel vorher nicht bekannt ist, wird in dieser Ausgestaltung das Werkstück unter ver- schiedenen Orientierungen der Spule bzw. mit zumindest zwei Spulen unterschiedlicher Orientierung vermessen, so dass in jedem Fall eine der Orientierungen eine höhere Nachweisempfindlichkeit gegenüber einem derartigen Riss aufweist.
In einer alternativen Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens wird der Wärmeleitungseffekt zum Nachweis von Fehlstellen in elektrisch nicht leitfähigen Schichten auf elektrisch leitfähigen Substraten oder Schichten sowie sur Bestimmung der Dicke derartiger aufgebrachter Schichten ausgenutzt. Diese Technik eignet sich nicht nur zur Schichtdickenbestimmung, sondern auch zum Nachweis von Fehlstellen wie etwa Delaminationen zwischen der Beschichtung und dem metallischen Substrat. Die Anregungsfrequenz wird hierbei so gewählt, dass die Eindringtiefe in den elektrisch leitfähigen Bereich unterhalb der elektrisch nicht leitfähigen Schicht größer oder gleich der Dicke der metallischen Schicht bzw. des metallischen Substrats ist. Die Eindringtiefe δ ist hierbei gegeben durch δ = 1 / (V π f μO μ σ) ,
wobei f die Anregungsfrequenz, μO die Vakuumpermeabilität, μ die relative Permeabilität des metallischen Materials und σ die elektrische Leit- fahigkeit sind. Durch diese Wahl der Eindringtiefe wird eine homogene Aufheizung des metallischen Substrates erreicht, von dem aus sich der Wärmestrom durch die elektrisch nicht leitfähige Schicht bis zur Oberfläche des Werkstücks ausbreitet. Bei Vorliegen von Fehl- stellen in dieser Schicht wird der Wärmestrom bei der Ausbreitung gestört, so dass diese Störung nach einer gewissen Zeit an der Oberfläche anhand der Temperaturverteilung als lokaler Temperaturkontrast zur Umgebung erkannt werden kann. Da der Wärmestrom nur einmal den Weg von der Fehlstelle zur Oberfläche zurücklegen muss, unterliegt er einer deutlich geringeren Dämpfung als ein Wärmestrom, der vom oberflächennahen Bereich zur Fehlstelle und von dort zurück zur Oberfläche diffundiert. Daher ergibt sich bei dem Einsatz des vor- liegenden Verfahrens eine verbesserte Fehlererkennbarkeit als bei anderen bekannten Verfahren.
Bei einer zeitaufgelδsten Erfassung der örtlichen Temperaturverteilung auf der Oberfläche der elektrisch nicht leitenden Schicht, bei der diese Temperaturverteilung über einen bestimmten Zeitraum entweder kontinuierlich oder schrittweise erfasst wird, kann die Schichtdicke der elektrisch nicht leitenden Schicht gemessen werden. Die Schichtdicke ergibt sich dabei aus der Zeit, in der der Wärmestrom vom darunter liegenden aufgeheizten Substrat bis an die Oberfläche des Werkstücks gelangt. Hierbei wird der zeitliche Verlauf der Temperatur oder beispielsweise auch nur die Temperatur an der Oberfläche zu einer bestimmten Zeit nach Einkopplung des elektromagnetischen Impulses ausgewertet.
Die Nutzung des Wärmestroms aus dem Material- inneren zur Oberfläche lässt sich auch zum Nachweis von Delaminationen in Metallbauteilen einsetzen, bei denen Risse in etwa parallel zur Oberfläche vorliegen. Hierbei sollte die Eindringtiefe der Wirbelströme so gewählt werden, dass sie für Werkstücke mit einer Dicke < 3 mm größer oder gleich der Werkstückdicke ist und für eine Dicke der Werkstücke > 3 mm mindestens der zur erwartenden Tiefenlage der Fehlstellen entspricht.
Auch die Charakterisierung von Kohlefaser- verstärkten Kunststoffmaterialien ist im Hinblick auf
Faserfehler, ungleichmäßige Faserverteilung und dgl . mit dem vorliegenden Verfahren möglich, da derartige Fasern elektrisch leitfähig sind. In diesem Falle können durch die vorliegend geeignet gewählten niedrigen Anregungsfrequenzen tiefer unter der Oberfläche liegende Faserlagen noch mit hoher Genauigkeit untersucht werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens wird die induktive Heiztechnik mit einer aktiven Kühltechnik mit Kühlung der Oberfläche durch Konvektion (z.B. Druckluft oder gekühlte Druckluft) kombiniert. Die Kühlung erfolgt hierbei mittels eines Gasstromes, insbesondere eines impuls- förmigen Luftstromes, direkt im Anschluss an die impulsförmige Aufheizung durch Anblasen der Oberfläche. Durch die definierte Kühlung wird erreicht, dass sich ein verstärkter Wärmestrom vom Materialinneren zur
Oberfläche hin einstellt, der dazu führt, dass sich der direkt oberhalb der Fehlstelle ausbildende negative Temperaturkontrast verstärkt . Dieser negative Temperaturkontrast (Signal) ist dadurch bedingt, dass im Fehlstellenbereich keine Wärme erzeugt wurde und andererseits dadurch, dass der Wärmestrom aus dem Materialinneren unterhalb der Fehlstelle von dieser gestört wird. In der Nachbarschaft dieses negativen Signals ergibt sich hingegen bei Nutzung des Wirbel- Stromeffektes ein positiver Temperaturkontrast, bedingt durch die verstärkte Wärmeerzeugung in der Umgebung der Fehlstelle in Folge einer erhöhten Wirbelstromdichte. Durch die aktive Kühlung der Oberfläche wird in vielen Fällen eine Verbesserung des Messergebnisses erreicht.
In einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens werden das Werkstück sowie die Einrichtung zur Einkopplung des elektromagnetischen Impulses während der Messung relativ zueinander bewegt. Dies kann durch Bewegung des Werkstücks unterhalb des Induktors oder auch durch Bewegung des Induktors über das Werkstück erfolgen. Auf diese Weise kann das Werkstück durch Abscannen sehr schnell vermessen werden. Die Messung erfolgt während der Bewegung des Induktors mit einer Geschwindigkeit v relativ zum
Prüfobjekt oder umgekehrt. Diese dynamische Messtechnik hat gegenüber einer statischen Messung den Vorteil einer homogeneren lateralen Aufheizung des PrüfObjektes und damit einer besseren Fehlererkennbarkeit bzw. einer genaueren Schichtdickenbestimmung. Durch die dynamische Messung wird eine Störung des Kamerabildfeldes durch den Induktor vermieden und zudem der Einsatz relativ preiswerter Infrarot-Zeilenkamerasysteme ermöglicht. Die dynamische Messtechnik ermöglicht insbesondere die sehr schnelle Prüfung der Werkstücke, wie sie für viele Anwendungen erforderlich ist. Für die Durchführung des vorliegenden Verfahrens wird ein Frequenzgenerator mit zumindest einer Sendeantenne in Form einer Spule eingesetzt. Die Temperaturverteilung wird mit Hilfe einer Infrarotstrahlungs- messtechnik, bspw. mit einer geeigneten Infrarotkamera aufgezeichnet.
Bei relativ dünnen, ebenen PrüfObjekten (Dicke ≤ 3 mm) ermöglicht die Technik auch eine Prüfanordnung, bei der sich die Spule und das Infrarotmesssystem auf unterschiedlichen Seiten des PrüfObjekts befinden. Dadurch kann jegliche Störung der Messung durch die Spule (im Kamerabild) vermieden werden. Darüber hinaus werden durch die Spule bedingte Reflexionen vermieden. Das vorliegende Verfahren arbeitet berührungslos und schnell und ist deshalb grundsätzlich für die Online-Prüfung von Bauteilen geeignet. Mit der vorgeschlagenen Prüftechnik können unter der Oberfläche liegende flächige oder voluminöse Fehlstellen in Metallen empfindlich nachgewiesen und charakterisiert werden. Die Technik ermöglicht bei metallischen Materialien im Vergleich zur herkömmlichen optischen Impuls-Thermographie oder Login-Thermographie eine bessere Energieeinbringung, insbesondere in solchen Fällen, in denen eine Schwärzung der Oberfläche zur Erhöhung der Absorption optischer Strahlung nicht möglich ist. Die Technik ermöglicht es, bei metal- lischen Materialien tiefer unter der Oberfläche liegende Fehlstellen noch zu detektieren. Weiterhin ist die Charakterisierung von Fehlstellen in nichtmetallischen Beschichtungen auf metallischen Substratmaterialien mit einer deutlich besseren Empfindlichkeit als mit herkömmlichen Verfahren möglich. Die Technik erlaubt eine Frequenzoptimierung sowie eine Optimierung der Impulsdauer der induktiven Anregung für eine verbesserte Analyse von Fehlstellen hinsichtlich Tiefenlage und Ausdehnung. Insbesondere ermöglicht das Verfahren neben der Fehlerdetektion auch die Bestimmung von Wandstärken oder Schichtdicken, bspw. von metallischen Bauteilen oder von nichtmetallischen Schichten auf metallischen Substraten, mit höherer Genauigkeit als mit herkömmlichen thermischen Techniken. Die Verfahrensvariante, bei der eine Scantechnik verwendet wird, hat den Vorteil, dass eine homogenere Aufheizung und damit eine weiter verbesserte Fehlernachweisbarkeit möglich ist. Bei vielen Anwendungen ermöglicht diese Variante zudem eine weiter gesteigerte Prüfgeschwin- digkeit und/oder eine preisgünstigere Realisierung in der Prüfpraxis. Das vorliegende Verfahren ermöglicht hierbei insbesondere die Prüfung elektrisch leitfähiger Materialien bezüglich Delaminationen, schräg einlaufenden Rissen, Lunkern u. a. Inhomogenitäten unter der Oberfläche. Sie ermöglichen die Charakterisierung von Verbundmaterialien, bspw. auch Klebeverbindungen, aus nichtmetallischen Beschichtungen auf metallischen Substraten im Hinblick auf Fehlstellen im Substrat, der Beschichtung oder im Interface zwischen Substrat und Beschichtung.
Das vorliegende Verfahren sowie die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand von Ausführungs- beispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert .
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Das vorliegende Verfahren sowie die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen: Fig. 1 ein Beispiel für eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bei der sich das Prüfobjekt während der Aufheizung nicht bewegt; Fig. 2 ein weiteres Beispiel für eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bei der sich das Prüfobjekt während der Messung kontinuierlich an der Messvorrichtung vorbei bewegt; Fig. 3 Beispiele für die Anwendung des vorliegenden Verfahrens bei unterschiedlichen PrüfObjekten; und Fig. 4 ein Beispiel für ein Thermografiebild sowie des zeitlichen Temperaturverlaufs bei unterschiedlichen Beschichtungen zur Veranschaulichung des vorliegenden Verfahrens . Wege zur Ausführung der Erfindung Figur 1 zeigt ein erstes Beispiel für die Bestandteile einer Vorrichtung zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens. Bei dem Verfahren wird mittels eines Frequenzgenerators 8 über eine speziell ange- passte flächige Aufsatzspule 6 ein elektromagnetischer Impuls erzeugt. Die flächige Aufsatzspule 6 wird in geringem Abstand über dem Prüfobjekt 3 positioniert, so dass der elektromagnetische Impuls flächig in das Werkstück eingekoppelt wird. Durch diese Einkopplung des elektromagnetischen Impulses werden Wirbelstrδme in einem elektrisch leitfähigen Bereich 5 des Werkstücks 3 induziert, die in Folge von Wirbelstromverlusten zur Aufheizung dieses Bereiches 5 führen. Der aufgeheizte elektrisch leitfähige Bereich 5 ist in der Figur 1 durch das Rechteck schematisch angedeutet . Durch geeignete Wahl der Anregungsfrequenz, d. h. der Zentralfrequenz des anregenden elektromagnetischen Impulses, kann eine unterschiedliche Eindringtiefe der Wirbelströme und somit eine unterschiedliche Tiefe der Aufheizung erreicht werden. Dies ermöglicht die Anpassung der Eindringtiefe und damit der Wirbelstromfelder an die Tiefe von Fehlstellen, die mit dem vorliegenden Verfahren erfasst werden sollen.
Durch die vorliegende Wahl der Anregungsfrequenz von < 20 kHz wird erreicht, dass die Ξindringtiefe des elektromagnetischen Impulses groß genug ist, um nicht nur unmittelbar unter der Oberfläche liegende Fehl- stellen erkennen zu können. Weiterhin kann, wie nachfolgend näher erläutert wird, durch die größere Eindringtiefe auch die Schichtdicke einer auf einem elektrisch leitfähigem Substrat oder einer elektrisch leitfähigen Schicht aufgebrachten nicht elektrisch leitfähigen Schicht, beispielsweise einer Polymer- beschichtung, bestimmt werden. Auch Fehlstellen in dieser elektrisch nicht leitenden Schicht lassen sich damit nachweisen. So wird insbesondere zur Schicht- dickenbestimmung nicht leitfähiger Schichten auf metallischen Substraten oder zum Nachweis von Fehlstellen wie etwa Delaminationen zwischen Beschichtungen und dem metallischen Substrat eine verbesserte Genauig- keit bzw. eine höhere Fehlernachweisbarkeit erreicht, wenn die Anregungsfrequenz so gewählt wird, dass die Eindringtiefe δ des elektromagnetischen Impulses zur Erzeugung von Wirbelströmen zumindest der Dicke Ds des metallischen Substratmaterials entspricht. Figur 3a zeigt beispielhaft eine derartige Situation, bei der die anregende Induktionsspule 6 mit einer Frequenz betrieben wird, bei der der erzeugte elektromagnetische Impuls (die Magnetfelder und damit auch die Wirbel- Stromfelder) das Werkstück 3 bestehend aus dem metal- lischen Substrat 1 und der darauf aufgebrachten nicht elektrisch leitfähigen Schicht 2 vollständig durchdringt. Die Eindringtiefe δ ist hierbei gegeben durch δ = 1/ (V π f μO μ σ) , wobei f der Anregungsfrequenz, μO der Vakuumpermeabilität, μ der relativen Permeabilität des metallischen Materials und σ der elektrischen Leitfähigkeit des metallischen Materials entsprechen. Durch die impulsartige induktive Anregung des metallischen Substrates 1 in dem gerade untersuchten Bereich 5 wird dieser Substratbereich impulsartig induktiv aufgeheizt, wobei sich ein instationärer Wärmestrom einstellt, der sich vom Substrat 1 zur Oberfläche der Beschichtung 2 ausbreitet . Durch die oben angeführte Wahl der Anregungsfrequenz wird eine homogene Aufheizung des metallischen Substrates 1 erreicht, so dass ein gleichmäßiger, intensiver Wärmestrom in das Beschichtungs- material 2 hinein erzeugt wird. Dieser Wärmestrom wird von Fehlstellen 4 in der Beschichtung, wie bspw. von Delaminationen, gestört und bewirkt einen lokalen, negativen Temperaturkontrast relativ zur Umgebung während des Aufheizprozesses auf der Oberfläche der Beschichtung 2, anhand dessen die Fehlstelle erkannt werden kann. Diese Technik ermöglicht eine erhöhte Nachweisbarkeit für Fehlstellen aller Art in der
Beschichtung 2 , da der Wärmestrom nur einmal den Weg von der Fehlstelle 4 zur Oberfläche zurücklegen muss, so dass die Dämpfung wesentlich geringer ist als im Falle einer thermischen Anregung von der Oberfläche her.
Zur Messung der Schichtdicke der nichtmetallischen Schicht 2 wird die gleiche homogene Aufheizung des metallischen Substrates 1 vorgenommen und der Aufheiz- prozess an der Schichtoberfläche zeitaufgelöst erfasst und ausgewertet. Durch Anwendung eines Algorithmus, der auf dem Vergleich des gemessenen, zeitlichen Temperaturverlaufs mit einem geeignet berechneten Verlauf beruht, ist es möglich, die Schichtdicke zu ermitteln. Das Verfahren ermöglicht hierbei insbesondere bei größeren Schichtdicken (> 1mm) eine wesentlich genauere Schichtdickenbestimmung, als dies mit anderen thermischen Techniken durch optische Auf eizung von außen erreichbar ist .
Bei der Prüfung von Werkstücken 3 aus einem metallischen Material zum Nachweis von voluminösen Fehlstellen, wie bspw. Lunkern oder Fremdmaterial- einschlüssen, von Rissen unter der Oberfläche sowie von schräg zur Oberfläche liegenden Rissen wird mit dem vorliegenden Verfahren durch Nutzung des Wirbelstrom- effektes ein verbesserter Nachweis gerade von tiefer liegenden, verdeckten Fehlstellen ermöglicht. Die Eindringtiefe der elektromagnetischen Impulse wird hierbei so gewählt, dass sie zumindest der Fehlertiefenlage der zu erfassenden Fehlstellen 4 entspricht (vgl. Fig. 3b) . Unter dem Wirbelstromeffekt wird hierbei das Phänomen verstanden, dass sich im Bereich von Fehlstellen des elektrisch leitfähigen Materials keine Wirbelströme ausbilden können und somit keine Erwärmung stattfindet. Andererseits wird die Ausbreitung der Wirbelströme durch die Fehlstellen gestört, was zu einer lokalen Erhöhung der Wirbelstromdichte in der Umgebung der Fehlstellen und somit zu einer verstärkten Wärmeerzeugung in diesem Bereich führt. Durch diesen Mechanismus wird in der Fehlerumgebung aktiv zusätzliche Wärme erzeugt, die zur Oberfläche diffundiert und dort das Fehlersignal, einen
Temperaturkontrast relativ zur Umgebung, bewirkt. Durch Variation der Anregungsfrequenz und damit der Eindringtiefe besteht auch die Möglichkeit, unterschiedliche Tiefenbereiche des Materials gezielt im Hinblick auf Fehlstellen zu untersuchen, also eine Art thermische Tomographie durchzuführen, mit der unterschiedlich tiefe Schichten des Materials abgebildet werden. Damit bietet das vorliegende Verfahren grundsätzlich auch die Möglichkeit, die Tiefenlage von Fehlstellen zu ermitteln.
Bei der induktiven Aufheizung des elektrisch leitfähigen Bereiches 5 wird im vorliegenden Beispiel mittels eines Infrarotkamerasystems 7 der Temperaturverlauf an der Werkstückoberfläche mit Beginn der induktiven Anregung zeitaufgelöst über einen geeignet gewählten Zeitraum erfasst und anschließend ausge- wertet. Die Erfassung der Temperaturverteilung ist in der Figur 1 zwar neben der Einrichtung 6 zur Einkopplung des elektromagnetischen Impulses angedeutet, findet aber in diesem Beispiel an der gleichen Stelle des Werkstückes 3 statt . Hierbei kann entweder das Werkstück 3 unmittelbar nach der Aufheizung um die entsprechende Distanz unter die Infrarotkamera 7 weiter bewegt werden, oder die Infrarotkamera 7 erfasst diesen Bereich einschließlich der aufliegenden Spule 6. Delaminationen, Lunker oder z.B. auch schräg liegende Risse werden sich je nach ihrer Tiefenlage unter der
Oberfläche zu unterschiedlichen Zeiten nach Beginn der impulsförmigen Anregung in einem charakteristischen Temperaturkontrast an der Oberfläche abbilden. Dabei werden die Tiefenlage und die laterale Ausdehnung der Fehlstellen anhand der charakteristischen zeitlichen und örtlichen Temperaturverläufe ausgewertet, die mit der Kamera 7 erfasst werden.
Bei der Nutzung des Wirbelstromeffektes zum Nachweis von Fehlstellen kann durch eine aktive Kühlung der Oberfläche eine weitere Verbesserung des Mess- ergebnisses erzielt werden. Diese zusätzliche Kühlung ist durch die Kühldüsen 9 in der Figur 1 angedeutet, durch die der vermessene Bereich 5 direkt im Anschluss an die impulsförmige Aufheizung ebenfalls impulsförmig mit einem kühlenden Luftström beaufschlagt wird. Durch die definierte Kühlung wird erreicht, dass sich ein verstärkter Wärmestrom vom Materialinneren (Fehler- bereich) zur Oberfläche hin einstellt, der dazu führt, dass sich direkt oberhalb der Fehlstelle ein deutlicher negativer Temperaturkontrast einstellt. In der Nachbarschaft dieses negativen Signals ergibt sich hingegen ein positiver Temperaturkontrast bedingt durch die verstärkte Wärmeerzeugung in der Umgebung der Fehlstelle in Folge einer erhöhten Wirbelstromdichte.
Für die Schichtdickenbestimmung einer Polymer- beschichtung oder keramischen Beschichtung 2 auf einem nicht ferromagnetischen Metallsubstrat 1, bspw. aus austenitischem Stahl, können bspw. die folgenden Parameter für die Durchführung des Verfahrens gewählt werden. Bei einer Dicke des Substratmaterials des metallischen Substrates 1 von 2 mm wird die Eindringtiefe des elektromagnetischen Impulses in etwa gleich der Dicke dieses Substratmaterials gewählt. Daraus ergibt sich eine Anregungsfrequenz von ca. 10 kHz. Diese Anregungsfrequenz ermöglicht eine homogene Aufheizung des metallischen Substrates, so dass sich die Schichtdicke mit hoher Genauigkeit bestimmen lässt.
Zum Nachweis eines Lunkers in einer ferro- magnetischen Stahlplatte, bei der sich die Fehlstellen in einer Tiefenlage s von etwa 1,5 mm befinden, sollte die Eindringtiefe des elektromagnetischen Impulses etwa gleich der Tiefenlage der Fehlstellen gewählt werden. Hieraus ergibt sich eine Anregungsf equenz von ca. 400 Hz, mit der Fehler in dieser Tiefe mit gutem Nachweis- vermögen erfasst werden können.
Auch wenn in der vorliegenden Beschreibung und den vorliegenden Ausführungsbeispielen jeweils nur von einem elektromagnetischen Impuls die Rede ist, so lassen sich die Messungen selbstverständlich auch mit Impulsfolgen durchführen, wobei zwischen den einzelnen elektromagnetischen Impulsen jeweils die Temperatur- Verteilung an der Oberfläche einfach oder zeitaufgelöst gemessen wird. Auch eine Lock-In-Technik zur nochmaligen Verbesserung der Messgenauigkeit ist bei dem vorliegenden Verfahren selbstverständlich möglich. Die Induktionsspule 6 ist bei den Messungen so zu gestalten, dass einerseits genügend Energie in das Material eingekoppelt wird und andererseits die Aufheizung möglichst homogen ist. Nach der impuls- förmigen, induktiven Energieeinbringung wird das Prüfobjekt mit einem Scansystem genügend schnell in die Messposition verfahren, in der mittels des Infrarotkamerasystems 7 die Auswertung des instationären Wärmeleitungsvorganges erfolgt, der durch die induktive Aufheizung angeregt wurde. Mittels eines Kompensations- Verfahrens unter Zuhilfenahme von Referenzproben können auch Inhomogenitäten, die durch die induktive Anregung bzw. die Geometrie des PrüfObjektes (charakteristisches Temperaturfeld) verursacht wurden, kompensiert werden, so dass die durch die Fehlstellen bedingten Temperatur- felcler optimal erkannt werden können. Sind Fehlstellen nachzuweisen, bei denen die Responszeit, d. h. die Zeit vom Beginn der Anregung bis zum Auftreten des Fehlersignals, relativ kurz ist, kann es sinnvoll sein, ein besonders ausgestaltetes Spulensystem mit wenigen Windungen einzusetzen, bei dem es möglich ist, mit dem Infrarotkamerasystem zwischen den einzelnen Spulenwindungen hindurch auf die Prüfobj ektoberflache zu blicken. Von Prüfschritt zu Prüfschritt wird in solchen Fällen das Prüfobjekt oder das Spulensystem so bewegt, dass im ersten bzw. vorhergehenden Prüfschritt vom Spulensystem verdeckte Bereiche des PrüfObjektes in nachfolgenden Prüfschritten sichtbar sind. Durch entsprechend angepasste Spulen können relativ große Prüfobjekte in wenigen Prüfschritten flächendeckend untersucht werden.
Neben dieser Technik bietet die folgende dynamische Messtechnik bei einigen Anwendungen besondere Vorteile bei der Durchführung des vorliegenden Verfahrens. Die in der Figur 2 gezeigte Vorrichtung zur Durchführung dieser dynamischen Messtechnik, bei der das Prüfobjekt unterhalb des Spulen- Systems sowie der Infrarotkamera kontinuierlich vorbei bewegt wird - oder umgekehrt, umfasst in gleicher Weise einen Frequenzgenerator 8 sowie eine in diesem Fall als schmales lang gestrecktes Element ausgebildete Spule 6, eine Infrarotzeilenkamera 8 sowie optional eine Druck- luftdüse 9 zur Beaufschlagung eines Bereiches des
PrüfObjektes 3 mit einem Kühlluftstrom. Bei dieser Technik werden die Scangeschwindigkeit, die Zeitauflösung des Infrarotmesssystems sowie die Anordnung von Zeilenkamera und Spulensystem so gewählt, dass eine • f1ächtendeckende Prüfung des PrüfObjektes möglich ist. Das Prüfobjekt 3 wird dabei kontinuierlich relativ zur Spule 6 sowie der Infrarotkamera 7 bzw. 8 bewegt. Der Vorteil einer solchen Scantechnik ist grundsätzlich, dass zum einen eine homogenere laterale Aufheizung des PrüfObjektes mit einer damit verbundenen besseren
Fehlererkennbarkeit bzw. genaueren Schichtdickenbestimmung möglich ist und zum anderen preiswertere Zeilenkamerasysteme für die Messung der Temperatur- ; feider eingesetzt werden können. Bei dieser Technik tritt auch keine Störung des Kamerabildfeldes durch die Aufheizspule 6 auf. Weiterhin wird durch diese Technik eine sehr schnelle Prüfung ermöglicht.
Bei der Anordnung der einzelnen Bestandteile der Vorrichtung sowie der Wahl der Scangeschwindigkeit ist zu berücksichtigen, dass Fehlstellen unterhalb der Prüfobjektoberfläche erst nach einer bestimmten Zeit nach Beginn der Aufheizung (Responszeit) den maximalen Temperaturkontrast ausbilden. Diese Zeit wird wesentlich bestimmt von den thermischen Materialparametern und der Tiefenlage der Fehlstellen unter der Oberfläche. Daher ist für einen optimalen Fehlernachweis ein bestimmter Abstand Δx zwischen der Spule 6 (Spulenmitte) und dem Messsystem, der Infrarotzeilenkamera 8, einzuhalten, der von der Scangeschwindigkeit, den thermischen Materialparametern und der zu erwartenden Fehlertiefenlage der Fehlstellen abhängig ist. Der Abstand Δx, die Geschwindigkeit v und die Spulenlänge L in Scanrichtung sind so zu wählen, dass Δx « v(z2 / α) (Gleichung 1) . Die Aufheizdauer Δt ergibt sich aus Δt = L / v. Für optimale Ergebnisse sollte Δt so gewählt werden, dass Δt > 0 , 5 (z2 / α) , wobei z der Tiefenlage der Fehlstelle unter der Oberfläche oder der abgeschätzten Dicke einer zu vermessenden Schicht, α = λ / p x c der Diffusivität des Materials, λ der Wärmeleitfähigkeit, p der Dichte und c der spezifischen Wärmekapazität entsprechen. Somit ergibt sich für die Geschwindigkeit in diesem Falle v = L / Δt und mit dem obigen Wert für Δt : v < 2 x L x (α / z2) . Bei typischen Werten, wie bspw. von Stahl von α = 12 mm2/s, L = 0,1 m und z = 2 mm ergibt sich hierbei für die Geschwindig- keit v ein Wert von v < 0,6 m/s. Für den Abstand Δx ergibt sich: Δx = 2 x L = 20 cm.
Werden bei der Messung andere Anforderungen, bspw. speziell hohe Prüfgeschwindigkeiten gefordert, so muss die Aufheizdauer Δt nicht unbedingt der obigen Ungleichung genügen. In diesem Falle ist es ausreichend, die folgenden beiden Gleichungen zu beachten. Der Abstand Δx zwischen der Spulenmitte und dem Mittelpunkt des Bildfeldes des Kamerasystems sollte so gewählt werden, dass Δx = v(z2 / α) und die Anregungs- leistung P bei Annahme einer rechteckfδrmigen Flachspule: P x Δt / (L x B) > 5 Ws/cm2 sind, wobei B der Breite der Spule entspricht. Mit L = 10 cm und einer Breite der Spule von 5 cm sowie einer Scangeschwindigkeit von z.B. v = 2 m/s (Δt = 0,05 s) ergibt sich eine Anregungsleistung P > 5000 W. Der Abstand Δx ergibt sich hier nach Gleichung 1 zu Δx « 67 cm. Figur 4 zeigt als Beispiel ein Thermografiebild eines Materialverbundes aus Polymerschichten auf einer Stahlplatte (Figur 4a) sowie zeitliche Temperaturverläufe auf den unterschiedlichen Beschichtungen (Figur 4b) . Hierbei wurde ein Materialverbund mit einer Polymerschicht aus 8 unterschiedlichen Schichtdicken von 1,0 mm bis 2,1 mm auf einer Stahlplatte mit der vorliegenden induktiven Anregungstechnik untersucht. Anhand des Thermografiebildes ist die Temperaturverteilung auf der Oberfläche der Polymerbeschichtung zu einer bestimmten Zeit nach der Aufheizung farbcodiert erfassbar, wobei die einzelnen Farben in der vorliegenden Darstellung nur durch die mit den Linien angedeuteten Farbwechsel erkennbar sind. Man erkennt deutlich anhand der sich von links nach rechts stufenförmig verringernden Temperaturen die unterschiedlichen Schichtdicken, die sich von links nach rechts erhöhen. Das Diagramm zeigt den Temperaturverlauf für jede der 8 Schichtdicken in Abhängigkeit von der Zeit . Man stellt fest, dass sich die jeweilige Schicht um so schneller aufheizt und eine um so höhere Maximaltemperatur erreicht, je geringer die Schichtdicke ist. Die oberste Kurve stellt dabei die Schicht mit der geringsten Schichtdicke dar. Mit zunehmender Schichtdicke verringert sich der Temperaturanstieg deutlich. Aus diesen Messungen ist ersichtlich, dass sich aus der zeitaufgelösten Temperaturverteilung an der Oberfläche des Werkstückes bzw. aus der Temperatur zu einer bestimmten Zeit nach Beginn der Anregung klare Rückschlüsse auf die Schichtdicken der Polymerschichten ziehen lassen.
Das vorliegende Verfahren sowie die zugehörige Vorrichtung ermöglichen den Einsatz von Induktionsanlagen mit niedrigeren Frequenzen, die sich grundsätzlich einfacher und damit kostengünstiger technisch realisieren lassen als solche mit höheren Frequenzen. Bei niedrigeren Frequenzen können zudem mit weniger Aufwand hohe Leistungen realisiert werden. Auch auf eine Wasserkühlung der Induktoren kann bei diesen Frequenzen in der Regel verzichtet werden, was die Anlage ebenfalls vereinfacht. Niedrigere Frequenzen bedeuten auch ein geringeres gesundheitliches Risiko beim Umgang mit den Induktionsanlagen. Das Verfahren ermöglicht die verbesserte Charakterisierung von Delaminationen, Lunkern, schräg liegenden Rissen und Fremdmaterialeinschlüssen in metallischen Materialien oder von Fehlstellen, wie bspw. Delaminationen, in Materialverbunden aus Metallen und Nichtmetallen. Desweiteren erlaubt das Verfahren die Wandstärke- bestimmung metallischer Komponenten oder die Charakterisierung von Schichtdicken mit einer größeren Genauigkeit als mit herkömmlichen thermischen Techniken. Das Verfahren arbeitet vollständig berührungslos und ist so schnell, dass auch eine 100%- Prüfung in der industriellen Qualitätssicherung oder eine wiederkehrende Prüfung sicherheitsrelevanter Bauteile ermöglicht wird. Neben der Prüfung metallischer Materialien hinsichtlich unter der Oberfläche liegender voluminöser oder flächiger Fehlstellen ermöglicht das Verfahren auch den Nachweis sowie die Charakterisierung von Fehlstellen in nicht elektrisch leitfähigen Beschichtungen auf leitfähigen Substraten sowie die quantitative Bestimmung von Schichtdicken nichtmetallischer Beschichtungen auf metallischen Substraten mit hoher Genauigkeit .
Bezugszeichenliste
elektrisch leitfähiges Substrat nicht elektrisch leitfähige Beschichtung Werkstück bzw. Prüfobjekt Fehlstellen elektrisch leitfähiger Bereich Induktionsspule Infrarotkamera Infrarotzeilenkamera Druckluftdüse Druckluftstrahl

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Charakterisierung von Werkstücken (3) aus einem elektrisch leitfähigen Material oder aus einem Materialverbund mit einer Schicht oder einem Substrat (1) aus dem elektrisch leitfähigen Material, bei dem ein elektrisch leitfähiger Bereich (5) des Werkstücks (3) durch flächige Einkopplung eines elektromagnetischen Impulses induktiv erwärmt und eine aus der induktiven Erwärmung resultierende örtliche Temperaturverteilung an einer Oberfläche des Werkstücks (3) während der Einkopplung und/oder in zeitlichem Abstand zum Beginn der Einkopplung des elektromagnetischen Impulses erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass die induktive Erwärmung mit einer Anregungsfrequenz f von ≤ 20 kHz erfolgt, die so gewählt ist, dass eine Eindringtiefe des elektromagnetischen Impulses in den elektrisch leit- fähigen Bereich (5) größer oder gleich einer Tiefe von zu erfassenden verdeckten Fehlstellen (4) im elektrisch leitfähigen Bereich (5) und/oder größer oder gleich einer Dicke der Schicht bzw. des Substrates (1) aus dem elektrisch leitfähigen Material ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die induktive Erwärmung mit einer Anregungs- frequenz f von ≤ 10 kHz erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Einkopplung des elektromagnetischen Impulses und die Erfassung der Temperaturverteilung während einer kontinuierlichen Relativbewegung zwischen dem Werkstück (3) und einer Einrichtung (6) zur Einkopplung des elektromagnetischen Impulses erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, dass für die Erfassung der Temperaturverteilung eine Zeilenkamera (8) eingesetzt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, dass zum Nachweis von Fehlstellen (4) in dem elektrisch leitfähigen Material ein Abstand Δx zwischen der Zeilenkamera (8) und der Mitte einer für die Einkopplung der elektromagnetischen Impulse eingesetzten Spule (6) wie folgt gewählt wird: Δx ~ v (z2 / α) , wobei z der Tiefe der zu erfassenden Fehlstellen, α der Wärme-Diffusivitat des Materials und v der Geschwindigkeit der Relativbewegung entspricht.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Nachweis von Fehlstellen (4) nahe an der Oberfläche des elektrisch leitfähigen Materials oder zur Charakterisierung einer dünnen, elektrisch nicht leitfähigen Schicht auf dem elektrisch leitfähigen Material die Erfassung der Temperaturverteilung während der induktiven Erwärmung erfolgt .
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei ebenen Werkstücken (3) mit Dicken <= 3 mm die Einkopplung des elektromagnetischen Impulses und die Erfassung der Temperaturverteilung von unterschiedlichen Seiten des Werkstückes (3) erfolgen.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Werkstücken (3) aus einem Materialverbund aus einem Substrat (1) aus dem elektrisch leitfähigen Material und einer Schicht (2) aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material die Erfassung der Temperaturverteilung in einem Wellenlängenbereich erfolgt, bei dem das elektrisch nicht leitfähige Material Infrarotstrahlung stark absorbiert.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Werkstücken aus einem elektrisch leitfähigen Material über eine vorgebbare Länge des elektromagnetischen Impulses eine Aufheizdauer Δt ≥ 0,5 * (z2 / α) gewählt wird, wobei z der Tiefe der zu erfassenden Fehlstellen (4) und α einer Diffusivität des elektrisch leitfähigen Materials entspricht.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Werkstücks (3) zumindest zwischen der Einkopplung des elektromagnetischen Impulses und der Erfassung der Temperaturverteilung durch Anblasen mit einem kontinuierlichen oder gepulsten Gasstxom (10) gekühlt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturverteilung zeitaufgelöst erfasst wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass aus charakteristischen Messgrößen eines zeitlichen Temperaturverlaufs an der Oberfläche eine Dicke einer auf der Schicht oder dem Substrat (1) aus dem elektrisch leitfähigen Material aufgebrachten elektrisch nicht leitfähigen Schicht (2) des Materialverbundes bestimmt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass aus charakteristischen Messgrößen, eines zeitlichen Temperaturverlauf an der Oberfläche unterschiedliche Tiefen von Fehlstellen (4) in dem elektrisch leitfähigen Material bestimmt werden.
14. Verfahren nach Anspruch 12 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Dicke der elektrisch nicht leitfähigen Schicht (2) auf dem Substrat (1) aus dem elektrisch leitfähigen Material die Temperatur an der Oberfläche der elektrisch nicht leitfähigen Schicht (2) zu einer Zeit tm ~ (D2 / α) nach Beginn der induktiven Erwärmung ausgewertet wird, wobei D der zu erwartenden Schichtdicke und α der Wärme-Diffusivitat des Materials entsprechen.
15. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Detektion von Fehlstellen (4) in einer elektrisch nicht leitfähigen Schicht (2) auf dem Substrat (1) aus dem elektrisch leitfähigen Material oder von Fehlstellen (4) im elektrisch leitfähigen Substrat (1) die örtliche Temperaturverteilung an der Oberfläche der elektrisch nicht leitfähigen Schicht (2) zu einer Zeit tm ~ (D2 / α) nach Beginn der induktiven Erwärmung ausgewertet wird, wobei D der Dicke der elektrisch nicht leitfähigen Schicht (2) und α der Wärme- Diffusivität der elektrisch nicht leitfähigen Schicht (2) entsprechen.
16. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass aus charakteristischen Messgrößen eines zeitlichen Temperaturverlaufs an der Oberfläche nach Beginn der Einkopplung des elektromagnetischen Impulses in das elektrisch leitfähige Material eine Wandstärke des elektrisch leitfähigen Materials bestimmt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Temperatur zu einer bestimmten Zeit t > ~ W2 / α nach Beginn der Einkopplung des elektromagnetischen Impulses eine Wandstärke des elektrisch leitfähigen Materials bestimmt wird, wobei W einer geschätzten Wandstärke und α der Wärme-Diffusivitat des Materials entsprechen.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kompensation von Inhomogenitäten der Temperaturverteilung, die durch Geometrieeinflüsse des Werkstückes (3) bedingt sein können, eine Referenzmessung an einem Referenzprüfobjekt derselben Geometrie mit denselben Messparametern durchgeführt wird wie die Messung am Werkstück (3) , wobei aus der Referenzmessung Referenzmessdaten erhalten werden, die für jeden Messzeitpunkt von Messdaten, die am Werkstück erhalten wurden, subtrahiert und mit einem konstanten Offset-Wert addiert werden.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der Temperaturverteilung mittels Infrarot-Strahlungsmesstechnik erfolgt.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitfähige Bereich mit elektromagnetischen Impulsen beaufschlagt wird, deren magnetische Feldlinien zu erfassende Fehlstellen (4) unter unterschiedlichen Winkeln durchdringen.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitfähige Bereich mit elektromagnetischen Impulsen beaufschlagt wird, deren magnetische Feldlinien bei rissartigen Fehlstellen so orientiert sind, dass sie annähernd parallel zu den Rissen verlaufen.
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