WO2006074690A1 - Thermographie- verfahren und - vorrichtung zur bestimmung des schädigungszustandes eines bauteiles - Google Patents

Thermographie- verfahren und - vorrichtung zur bestimmung des schädigungszustandes eines bauteiles Download PDF

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WO2006074690A1
WO2006074690A1 PCT/EP2005/000208 EP2005000208W WO2006074690A1 WO 2006074690 A1 WO2006074690 A1 WO 2006074690A1 EP 2005000208 W EP2005000208 W EP 2005000208W WO 2006074690 A1 WO2006074690 A1 WO 2006074690A1
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microcracks
microplastic
zones
damage
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Inventor
Thomas Ummenhofer
Justus Medgenberg
Original Assignee
Technische Universität Carolo-Wilhelmina Zu Braunschweig
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Publication date
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Classifications

    • 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

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the damage state of a component. It further relates to an apparatus for carrying out the method.
  • DE 100 53 112 A1 proposes a method for quality assurance in order to determine material defects or delamination of superficially applied coatings (delaminations) in metallic or other semi-finished products or end products, which may have occurred during the production process.
  • the component to be tested is subjected to microwave signals and then the component is examined for the presence of material defects or individual large cracks by means of a thermographic analysis.
  • DE 100 59 854 A1 also proposes a method with which it can be determined whether a component has any damage.
  • ultrasound is introduced into the component and the effect is utilized that a defective point converts this sound into heat. So if there is a crack or a hole, it will light up selectively in a thermographic image.
  • thermography Further possibilities for detecting a defect in a component using thermography are proposed in DE 197 03 484 A1 by means of a thermal excitation in the form of thermocouples and in DE 101 53 592 A2 by means of a laser beam.
  • the probable service life of components is determined by dynamic fatigue tests in suitably equipped testing machines, if the expected load history is known, or comparative samples of critical detail points in such testing machines are examined to assess existing, older components complete failure can be driven.
  • the object of the invention is to propose a method for determining the degree of damage of a component that can be made non-destructive and allows a more realistic determination of the degree of damage of the component.
  • a device suitable for this purpose should be proposed. This object is achieved by a method for determining the degree of damage of a component, in which an active excitation of the component is made, a section of the surface of the excited component is recorded with a thermographic device, which also exists on the surface of the component small cracks, microcracks and microplastic zones with a crack length or dimension of less than 2 mm, in which the thermographic device supplies the recorded images with the small cracks, microcracks and microplastic zones of an evaluation unit, the evaluation unit the mapped distribution of small cracks, microcracks and microplastic zones according to a predetermined method systematically evaluates the damage level of the component from the evaluated data of the distribution of small cracks, microcracks and microplastic zones.
  • a device for carrying out the method with an excitation source for exciting the component with a thermographic device for receiving a section of the surface of the excited component with the existing on the surface of the component small cracks, microcracks and microplastic zones with a crack length or dimension of less than 2 mm, with an evaluation unit for evaluating the images taken by the thermographic device and for determining the degree of damage of the component from the evaluated data of the distribution of small cracks, microcracks and microplastic zones.
  • thermography is used here so as not to detect a specific crack or material defect or other defect.
  • the active excitation of the device creates a thermal image that also takes into account small cracks, microcracks and microplastic zones, and then evaluates the distribution or population of small cracks, microcracks and microplastic zones to derive the actual distribution from the resulting distribution map To take damage degree.
  • the life of the loaded component can be predicted much more precisely, and all this, without a relevant impairment or significant damage to the component must be made. At most, very thick anticorrosive layers should be removed before the thermal imaging.
  • small cracks are understood to mean cracks with an average length of 100 ⁇ m to 2 mm in accordance with essential parts of the art.
  • Microcracks are cracks with a length of the order of the grain size or several grain sizes; that is, they have a length of about 10 ⁇ m to about 100 ⁇ m.
  • Microplastic zones are areas from which microcracks and small cracks can form or grow out of continuous stress or that form or accompany the end of a growing crack. They also have dimensions of the order of one or more grain sizes.
  • micro-cracks and micro-plastic zones can already be made visible with a length of a few 10 ⁇ m with the thermographic technique, ie with a length of significantly less than 2000 ⁇ m (equal to 2 mm).
  • micromechanical damage or micro-damage small cracks, microcracks and microplastic zones are sometimes referred to as micromechanical damage or micro-damage, which terms are also assigned other meanings.
  • the invention provides an application of thermography and thermographic detection of small scratches, microcracks and microplastic zones to systematically determine the crack and microcrack population and to reuse the data for damage analysis.
  • the inventive method is also applicable to the subsequent damage analysis on otherwise difficult to access components on site, even at critical points of detail. Of course, the method is also applicable to samples of critical detail points in the laboratory, if desired.
  • the method is easy to handle, it is up to all requirements for mobility and can thus be used in technologically problematic environment. It is also universally applicable and is subject to virtually no restrictions on specific engineering applications.
  • the method can be used in particular for components made of metal, in which a material fatigue and a temporally variable load is particularly relevant and due to the estimated lifetimes is also of great importance. But also for other materials where material fatigue is relevant, the process can be used to advantage.
  • thermographic device uses a thermal imaging camera and a microscope objective. Especially through a microscope objective, a particularly high geometric resolution can be realized, which is of use for the evaluation of small cracks, microcracks and micro-plastic zones of appropriate benefit.
  • Figure 1 is a schematic representation of a structure on which the inventive method can be performed.
  • FIG. 1 shows a component 10, for example a metallic component, which is reproduced here purely schematically as an elongate rectangle, but may also have a completely different appearance.
  • This component 10 is subjected to a time-varying load 11. This is shown schematically here by two arrows that indicate tensile forces on the component 10 in different directions.
  • the component 10 Since the component 10 is subject to the time-varying loads 11 in the schematic representation over a relatively long period of time, a multiplicity of small cracks, microcracks 15 and micro-plastic areas have formed. Depending on the type of load and the duration of the load, small cracks, microcracks and microplastic zones can only occur very locally and in specific notch details.
  • the small cracks have a length of about 100 microns to 200 microns and the microcracks have a length of on average 10 microns to 100 microns and the microplastic regions have similar length dimensions. In general, the microcracks have lengths of several tens and the small cracks up to several hundred microns.
  • an active excitation 20 is supplied.
  • This is shown here in the form of a wave.
  • it can be microwaves, laser beams, ultrasound, mechanical and inductive excitations or else other shapes.
  • the excitation 20 of the component 10 results in a thermographically detectable structure, both as a snapshot and in the time sequence.
  • This thermal image can be taken with a thermographic device 30 which is directed to a section of the surface of the excited component 10.
  • the thermographic device 30 has a thermal imaging camera and an objective, in particular a microscope objective.
  • the thermographic device 30 has, in particular, a thermal resolution of 0.1 Kelvin or better and a pixel resolution of 50 ⁇ m or less or of the order of magnitude of the defect and forwards the recorded thermal image or images with the small cracks, microcracks and microplastic zones to an evaluation unit 40.
  • This evaluation unit 40 has in particular a computer and other suitable hardware (printers, screens, memory, etc.).
  • the evaluation unit 40 also knows parameters and methods for data evaluation of the images supplied by the thermographic device 30, and may include the location, the number, the length, the direction, the shape, etc. of the various small cracks, microcracks and the microplastic regions give a statement about the degree of damage of the observed component. The state of damage of the material of the component is determined by.
  • the small cracks, microcracks 15 and microplastic zones on the surface of the component 10 can be recognized, regardless of the quality of the surface of the component 10, even under possibly existing coatings, taken up by the thermographic device 30 and thus evaluated in the evaluation unit 40. As a result, a subsequent determination of the degree of damage of the component 10 on site is possible.
  • the method is therefore not limited to use in the laboratory on specially prepared test specimens. It is not shown that for positioning, in particular, the thermographic device 30 optionally a corresponding tripod or other aids can be used.
  • the transmission of the images or the information relating to these images from the thermographic device 30 to the evaluation unit 40 can be done in various ways, including a remote transmission belongs. The evaluation unit 40 therefore does not have to be in the immediate vicinity of the component 10.
  • excitation sources for the excitation 20 for activating the component 10 and for visualizing the small cracks, microcracks 15 and microplastic zones by means of thermography a wide variety of excitation sources are available. These include, inter alia, thermal excitation by lamps, heat sources, lasers and the like, excitation by inductively generated heat, excitation by current flow, excitation by ultrasound, which can be generated by converters, ultrasonic lasers or other devices, mechanical Excitation low frequency, an excitation by electromagnetic radiation outside the aforementioned examples.
  • the small cracks, microcracks and microplastic zones can then be affected by a local disturbance of the heat flow, the thermal heating behavior, the thermal decay behavior, by a conversion of mechanical energy into thermal energy in the small crack and microcrack area or by utilization of the thermoplastic or thermoelastic effect especially in consideration of the sign reversal to change their emission, transmission or reflection behavior in the infrared region excited and made visible with the help of the thermographic device with the thermal imaging camera in the form of digital images.
  • a variety of evaluation algorithms are available, such as Fourier transformations, wavelet analyzes, neural networks, and other common methods of digital image processing such as averaging, filtering, etc ..
  • the determination of the degree of damage of the examined structure of the component 10 can be done by correlation of parameters of the small crack, microcracking and microplastic zone population such as length, width, crack density, number, etc. or combinations thereof or a comparison of the determined small cracks, microcracks and microplastic zones with previously determinedinstallbildem ,
  • the invention makes it possible to determine the degree of damage during the service life and, in particular, during the operation of the component 10 to be examined.
  • the invention makes possible a significant advance for lifetime prediction methods on real components.

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Abstract

Ein Verfahren zur Bestimmung des Schädigungsgrades eines Bauteiles dient zur Bestimmung insbesondere des Schädigungsgrades von zeitlich veränderlichen Belastungen (11) ausgesetzten Bauteilen. Es wird eine aktive Anregung (20) des Bauteils (10) vorgenommen. Ein Ausschnitt der Oberfläche des angeregten Bauteils (10) wird mit einer thermographischen Einrichtung (30) aufgenommen, die auch auf der Oberfläcihe des Bauteils (10) vorhandene Kleinrisse, Mikro­risse (15) and mikroplastischen Zonen mit einer Risslänge oder Abmessungen von weniger als 2 mm aufnirnmt. Die thermographische Einrichtung (30) führt die aufgenommenen Abbildungen mit den Kleinrissen, Mikrorissen (15) und mikro­plastischen Zonen einer Auswertungseinheit (40) zu. Die Auswertungseinheit (40) wertet die abgebildete Verteilung der Kleinrisse, Mikrorisse (15) und mikro­plastischen Zonen nach einem vorgegebenen Verfahren systematisch aus. Aus den ausgewerteten Daten der Verteilung der Kleinrisse, Mikrorisse (15) and mik­roplastischen Zonen wird eine Bestimmung des Schädigungsgrades des Bauteils (10) vorgenommen.

Description

THERMOGRAPHIE-VERFAHREN UND -VORRICHTUNG ZUR BESTIMMUNG DES SCHÄDIGUNGSZUSTANDES
EINES BAUTEILES
5 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Schädigungszustandes eines Bauteiles. Sie betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Der Zustand von Bauteilen ist in vieler Beziehung interessant. Bei neuen Bau- 10 teilen schlägt beispielsweise die DE 100 53 112 A1 ein Verfahren für die Qualitätssicherung vor, um Materialfehler oder Ablösungen von oberflächlich aufgebrachten Beschichtungen (Delaminationen) bei metallischen oder anderen Halbzeugen oder Endprodukten festzustellen, die während des Herstellungsvorganges entstanden sein können. Dazu wird das zu prüfende Bauteil mit Mikrowellen- 15 Signalen beaufschlagt und anschließend mit einer thermographischen Analyse das Bauteil auf das Vorhandensein etwa von Materialfehlern oder einzelner großer Risse untersucht.
Auch die DE 100 59 854 A1 schlägt ein Verfahren vor, mit dem festgestellt wer- 20 den kann, ob ein Bauteil einen Schaden aufweist. Hierbei wird Ultraschall in das Bauteil eingeleitet und der Effekt genutzt, das eine schadhafte Stelle diesen Schall in Wärme umwandelt. Falls also ein Riss oder ein Loch vorhanden ist, leuchtet dieser in einem Thermographiebild selektiv auf.
25 Weitere Möglichkeiten zur Feststellung eines Fehlers in einem Bauteil unter Einsatz der Thermographie werden in der DE 197 03 484 A1 mittels einer thermischen Anregung in Form von Thermoelementen und in der DE 101 53 592 A2 mit Hilfe eines Laserstrahls vorgeschlagen.
30 In vielen Fällen ist es jedoch weniger relevant, einen Materialfehler oder einen anderen mehr oder weniger großen Schaden an einem Bauteil zu kennen und dieses Bauteil etwa im Rahmen der Qualitätssicherung auszusondern. Stattdessen geht es etwa um die Materialermüdung von Bauteilen, die beispielsweise zeitlich veränderlichen Belastungen ausgesetzt sind. Dieses erfolgt bisher mit
35 nicht zerstörungsfreien Methoden. So wird beispielsweise die voraussichtliche Lebensdauer von Bauteilen durch dynamische Ermüdungsversuche in entsprechend ausgerüsteten Prüfmaschinen ermittelt, sofern die voraussichtliche Belastungsgeschichte bekannt ist, oder es werden zur Einschätzung von bereits vorhandenen, älteren Bauteilen Ver- gleichsproben kritischer Detailpunkte in derartigen Prüfmaschinen untersucht, die vom Neuzustand bis zum vollständigen Versagen gefahren werden können.
Eine nachträgliche Bestimmung der schon eingetretenen Schädigung durch eine Materialermüdung an realen Bauteilen ohne Vorhandensein eines technischen Anrisses ist nur in Sonderfällen möglich und erfolgt im Regelfall bisher rechnerisch. Eine messtechnische Erfassung dieses wahren Schädigungsgrades ist bisher noch nicht möglich. Forschungsaktivitäten zur Ermittlung der Schädigung von derartigen Bauteilen richten sich bisher darauf, die Änderungen von mikromagnetischen Eigenschaften der Bauteile auszunutzen, Schallemissionen oder die Änderungen des globalen elektrischen Widerstandes des gesamten Bauteiles zu untersuchen, globale Temperaturänderungen bei den Ermüdungsversuchen zu prüfen oder auch die Änderungen der Energiedissipation bei Erreichen von konkreten Schwellwerten der Schädigung heranzuziehen.
Alle bisher zur Ermittlung des Schädigungsgrades vorhandener Bauteile eingesetzten Verfahren sind unbefriedigend, da sie sich meist nur unzureichend mit den tatsächlich im Werkstoff des Bauteiles abspielenden Schädigungsvorgängen korrelieren lassen oder aber eine Zerstörung des Bauteiles in Kauf nehmen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zur Bestimmung des Schädigungsgrades eines Bauteiles vorzuschlagen, das zerstörungsfrei vorgenommen werden kann und eine realitätsnähere Bestimmung des Schädigungsgrades des Bauteiles ermöglicht. Außerdem soll eine dafür geeignete Vorrichtung vorgeschlagen werden. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung des Schädigungsgrades eines Bauteiles, bei dem eine aktive Anregung des Bauteils vorgenommen wird, ein Ausschnitt der Oberfläche des angeregten Bauteiles mit einer thermographischen Einrichtung aufgenommen wird, die auch auf der Oberfläche des Bauteiles vorhandenen Kleinrisse, Mikrorisse und mikroplastischen Zonen mit einer Risslänge oder Abmessung von weniger als 2 mm aufnimmt, bei dem die thermographische Einrichtung die aufgenommenen Abbildungen mit den Kleinrissen, Mikrorissen und mikroplastischen Zonen einer Auswertungseinheit zuführt, die Auswertungseinheit die abgebildete Verteilung der Kleinrisse, Mikrorisse und mikroplastische Zonen nach einem vorgegebenen Verfahren systematisch auswertet, und bei dem aus den ausgewerteten Daten der Verteilung der Kleinrisse, Mikrorisse und mikroplastischen Zonen eine Bestimmung des Schädigungsgrades des Bauteils vorgenommen wird.
Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, mit einer Anregungsquelle zur Anregung des Bauteils mit einer thermographischen Einrichtung zur Aufnahme eines Ausschnittes der Oberfläche des angeregten Bauteils mit den auf der Oberfläche des Bauteils vorhandenen Kleinrissen, Mikrorissen und mikroplastischen Zonen mit einer Risslänge bezie- hungsweise Abmessung von weniger als 2 mm, mit einer Auswertungseinheit zur Auswertung der von der thermographischen Einrichtung aufgenommenen Abbildungen und zur Bestimmung des Schädigungsgrades des Bauteiles aus den ausgewerteten Daten der Verteilung der Kleinrisse, Mikrorisse und mikroplastischen Zonen.
Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung arbeiten zerstörungsfrei, da die aktive Anregung des Bauteils keinerlei äußere Bearbeitung des Bauteils erfordert, sondern beispielsweise mit einem der auch aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren wie einer Anregung durch Mikrowellen, durch Thermo- elemente, durch Laser, durch Ultraschall, durch mechanische oder durch induktive Anregungen vorgenommen werden kann. Erstmals wird die Thermographie hier eingesetzt, um nicht etwa einen konkreten Riss oder einen Materialfehler oder einen sonstigen Defekt festzustellen. Stattdessen wird durch die aktive Anregung des Bauteils ein Wärmebild erzeugt, das auch Kleinrisse, Mikrorisse und mikroplastische Zonen berücksichtigt, und wobei die Verteilung oder Population der Kleinrisse, Mikrorisse und mikroplastischen Zonen anschließend ausgewertet wird, um aus dem sich ergebenden Verteilungsbild Rückschlüsse auf den tatsächlich eingetretenen Schädigungsgrad zu nehmen.
Dadurch kann auch die Lebensdauer des belasteten Bauteils wesentlich präziser vorausgesagt werden, und zwar all dies, ohne das eine relevante Beeinträchtigung oder nennenswerte Beschädigung des Bauteiles vorgenommen werden muss. Allenfalls sehr dicke Korrosionsschutzschichten sollten vor der Thermo- bildaufnahme abgetragen werden.
Dies bedeutet beispielsweise, dass eine bereits Jahrzehnte in Betrieb befindliche Stahlbrücke mit dem erfindungsgemäßen Verfahren an Ort und Stelle untersucht werden kann, also ohne das Proben herausgeschnitten, Bohrungen eingeführt oder sonstige Zerstörungen vorgenommen werden müssen. Der ganz konkrete Schädigungsgrad durch den jahrzehntelangen Betrieb dieser Stahlbrücke kann erfindungsgemäß ermittelt und dadurch auch die voraussichtliche noch vorhandene Lebens- bzw. Haltbarkeitszeit der Stahlbrücke prognostiziert werden.
Mit den eingangs genannten Verfahren ist dies nicht möglich. Diese berücksich- tigen Kleinrisse, Mikrorisse und mikroplastische Zonen nicht, werten sie nicht aus und interessieren sich letztlich auch nicht für sie, da dies im Rahmen der Qualitätssicherung naturgemäß auch nicht erforderlich ist.
Die Existenz von Kleinrissen, Mikrorissen und mikroplastischen Zonen nach ent- sprechenden Belastungen ist an sich bekannt; ihre Beobachtung auf Metalloberflächen erfolgte bisher lichtmikroskopisch, wobei die Oberflächen der Bauteile vor dem Aufbringen der Belastung poliert wurden. Auch röntgenographische oder elektronenmikroskopische Aufnahmetechniken sind eingesetzt worden. Allerdings ist es nicht möglich, mit diesen Verfahren eine Bestimmung des Schädigungsgrades von belasteten Bauteilen vorzunehmen, da ein bei diesem Verfahren stets erforderliches nachträgliches Polieren stets zur Zerstörung der Kleinriss- und Mikrorisspopulation führt, die ja gerade untersucht werden soll. Röntgenographische Aufnahmen könnten unter Umständen ohne ein Polieren auskommen, allerdings ist für derartige Aufnahmen dann ein derart hoher gerätetechnischer Aufwand erforderlich, dass wiederum Messungen vor Ort praktisch ausgeschlossen sind. Auch diese Verfahren führen damit nicht zum Erfolg.
Erst der Gedanke, Kleinrisse, Mikrorisse und mikroplastische Zonen und ihre Verteilung und die daraus abgeleiteten Parameter zur Charakterisierung des Schädigungsgrades heranzuziehen und diese Kleinrisse, Mikrorisse und mikroplastische Zonen mittels thermographischer Methoden sichtbar und auswertbar zu machen, führt zu einem brauchbaren Verfahren zur Bestimmung des Schädigungsgrades von Bauteilen.
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung werden in Übereinstimmung mit wesentlichen Teilen der Fachwelt unter Kleinrissen solche Risse mit einer durchschnittlichen Länge von 100 μm bis 2 mm verstanden. Mikrorisse sind Risse mit einer Länge in der Größenordnung der Korngröße oder mehrerer Korngrößen; das bedeutet, dass sie eine Länge von etwa 10 μm bis zu etwa 100 μm besitzen. Mikroplastische Zonen sind Bereiche, aus denen bei andauernder Belastung Mikrorisse und Kleinrisse entstehen oder herauswachsen können oder die sich am Ende eines wachsenden Risses bilden oder ihn begleiten. Sie haben ebenfalls Abmessungen in der Größenordnung einer oder mehrerer Korngrößen.
Wie Versuche gezeigt haben, lassen sich mit der thermographischen Technik Mikrorisse und mikroplastische Zonen bereits mit einer Länge von einigen 10 μm sichtbar machen, also mit einer Länge von deutlich weniger als 2000 μm (gleich 2 mm).
Zusammenfassend werden gelegentlich Kleinrisse, Mikrorisse und mikroplastische Zonen auch als mikromechanische Schädigung oder Mikroschädigung bezeichnet, welche Begriffe aber auch mit anderen Bedeutungen belegt sind. Mit der Erfindung wird eine Anwendung der Thermographie und der thermographischen Erfassung von Kleinrissen, Mikrorissen und mikroplastischen Zonen zur systematischen Bestimmung der Kleinriss- und Mikrorisspopulation und die Weiterverwendung der Daten im Hinblick auf eine Schädigungsanalyse geschaffen. Anwendbar ist die erfinderische Methode auch zur nachträglichen Schädigungsanalyse an sonst nur schwer zugänglichen Bauteilen vor Ort, auch an kritischen Detailpunkten. Natürlich ist das Verfahren auch an Proben aus kritischen Detailpunkten im Labor anwendbar, wenn dies gewünscht wird.
Besonders vorteilhaft ist es, dass das erfindungsgemäße Verfahren zur nachträglichen Bestimmung des Schädigungsgrades eines Bauteiles ohne alle Vorkenntnisse der Belastungsgeschichte dieses Bauteiles möglich wird.
Weitere Vorteile liegen in dem relativ geringen gerätetechnischen Aufwand, der erforderlich wird. Das Verfahren ist leicht handhabbar, es ist allen Anforderungen an die Mobilität gewachsen und kann damit auch in technologisch problematischem Umfeld eingesetzt werden. Es ist außerdem universell einsetzbar und unterliegt praktisch keinen Einschränkungen auf spezielle ingenieurtechnische Anwendungsgebiete.
Hinzuweisen und zu betonen ist insbesondere auch, dass die Belastungsgeschichte der zu untersuchenden Bauteile sehr unterschiedlich sein kann. Hochrechnungen oder sonstige Betrachtungen für die Vergangenheit sind für die Durchführung des Verfahrens nicht erforderlich. Auch zeitlich stark veränderliche Belastungen, die zur Materialermüdung des Bauteiles geführt haben, und die bei herkömmlichen Betrachtungen stets problematisch sind, stören hier nicht. Auch ein Bauteil, das über Jahre stark belastet wurde, dann unbelastet geblieben ist und schließlich in einer anderen Belastungsrichtung wieder weiterbelastet wurde, kann in dem Zustand betrachtet werden, in dem es sich am Untersuchungszeitpunkt befindet, da die Untersuchung die konkret in diesem Moment vorhandenen Kleinrisse, Mikrorisse und mikroplastische Zonen aufnimmt und daraus den Schädigungsgrad feststellt, unabhängig davon, wie dieser in der Vergangenheit zustande gekommen ist. Damit wird eine wichtige Grundlage zur Überprüfung, Erhaltung und Weiternutzung aller ermündungsgefährdeten Strukturen geschaffen.
Das Verfahren kann insbesondere bei Bauteilen aus Metall eingesetzt werden, bei denen eine Materialermüdung und auch eine zeitlich veränderliche Belastung besonders relevant ist und aufgrund der geschätzten Lebensdauern auch von großer Bedeutung ist. Aber auch für andere Werkstoffe, bei denen eine Materialermüdung relevant ist, kann das Verfahren mit Nutzen eingesetzt werden.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die thermographische Einrichtung eine Ther- mobild-Kamera und ein Mikroskopobjektiv einsetzt. Gerade durch ein Mikroskopobjektiv kann eine besonders hohe geometrische Auflösung realisiert werden, die für die Auswertung der Kleinrisse, Mikrorisse und mikroplastischen Zonen von entsprechendem Nutzen ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigt:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Aufbaus, an dem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann.
Figur 1 zeigt ein Bauteil 10, beispielsweise ein metallisches Bauteil, das hier rein schematisch als längliches Rechteck wiedergegeben ist, aber auch ein ganz anderes Aussehen haben kann. Dieses Bauteil 10 ist einer zeitlich veränderlichen Belastung 11 unterworfen. Diese ist hier schematisch durch zwei Pfeile dargestellt, die in unterschiedliche Richtungen Zugkräfte auf das Bauteil 10 andeuten.
Da das Bauteil 10 in der schematischen Darstellung schon über einen längeren Zeitraum den zeitlich veränderlichen Belastungen 11 unterliegt, haben sich eine Vielzahl von Kleinrissen, Mikrorissen 15 und von mikroplastischen Bereichen gebildet. Je nach Belastungsart und Belastungsdauer können Kleinrisse, Mikrorisse und mikroplastische Zonen auch nur sehr lokal und in bestimmten Kerbdetails auftreten. Die Kleinrisse haben eine Länge von etwa 100 μm bis 200 μm und die Mikrorisse haben eine Länge von durchschnittlich 10 μm bis 100 μm und die mikroplastischen Bereiche besitzen ähnliche Längenabmessungen. Im Allgemeinen haben die Mikrorisse Längen von einigen zehn und die Kleinrisse bis zu einigen hundert μm.
Das Verfahren arbeitet jetzt damit, dass dem Bauteil 10 eine aktive Anregung 20 zugeführt wird. Diese ist hier in Form einer Welle abgebildet. Es kann sich je nach spezieller Ausführungsform um Mikrowellen, Laserstrahlen, Ultraschall, mechanische und induktive Anregungen oder auch andere Formen handeln. Insbesondere ist an eine Anregung im sogenannten Lock-in-Verfahren gedacht. Durch die Anregung 20 des Bauteils 10 entsteht eine thermographisch erfassbare Struktur, sowohl als Momentaufnahme als auch in dem zeitlichen Ablauf. Dieses Wärmebild kann mit einer thermographischen Einrichtung 30 aufgenommen werden, die auf einen Ausschnitt der Oberfläche des angeregten Bauteils 10 gerichtet ist. Die thermographische Einrichtung 30 weist eine Thermobildka- mera und ein Objektiv, insbesondere ein Mikroskopobjektiv, auf.
Die thermographische Einrichtung 30 besitzt insbesondere eine thermische Auflösung von 0,1 Kelvin oder besser und eine Pixelauflösung von 50 μm oder weniger oder in der Größenordnung der Defektgröße und gibt das aufgenommene Wärmebild beziehungsweise die Abbildungen mit den Kleinrissen, Mikrorissen und mikroplastischen Zonen weiter an eine Auswertungseinheit 40. Diese Auswertungseinheit 40 weist insbesondere einen Computer und andere passende Hardware (Drucker, Bildschirme, Speicher, etc.) auf. Die Auswertungseinheit 40 kennt auch Parameter und Verfahren zur Datenauswertung der Abbildungen, die von der thermographischen Einrichtung 30 zugeführt werden, und kann aus der Lage, der Anzahl, der Länge, der Richtung, der Form etc. der verschiedenen Kleinrisse, Mikrorisse und der mikroplastischen Bereiche eine Aussage über den Schädigungsgrad des beobachteten Bauteils geben. Der Schädigungszustand des Werkstoffes des Bauteiles wird dadurch festgestellt.
Die Kleinrisse, Mikrorisse 15 und mikroplastischen Zonen auf der Oberfläche des Bauteils 10 können unabhängig von der Güte der Oberfläche des Bauteils 10 auch unter möglicherweise vorhandenen Beschichtungen erkannt, von der thermographischen Einrichtung 30 aufgenommen und damit in der Auswertungseinheit 40 ausgewertet werden. Dadurch wird auch eine nachträgliche Bestimmung des Schädigungsgrades des Bauteiles 10 vor Ort möglich. Das Verfahren ist also nicht auf die Anwendung im Labor an speziell angefertigten Probekörpern be- schränkt. Nicht dargestellt ist, dass zur Positionierung insbesondere der thermographischen Einrichtung 30 gegebenenfalls ein entsprechendes Stativ oder andere Hilfsmittel eingesetzt werden können. Auch die Übermittlung der Abbildungen oder der Informationen betreffend diese Abbildungen von der thermographischen Einrichtung 30 zu der Auswertungseinheit 40 kann auf verschiedenste Weise erfolgen, wozu auch eine Fernübertragung gehört. Die Auswertungseinheit 40 muss daher nicht in unmittelbarer Nähe des Bauteils 10 stehen.
Als Anregungsquellen für die Anregung 20 zur Aktivierung des Bauteils 10 und zur Sichtbarmachung der Kleinrisse, Mikrorisse 15 und mikroplastischen Zonen mit Hilfe der Thermographie stehen verschiedenste Anregungsquellen zur Verfügung. Hierzu gehören unter anderem auch eine thermische Anregung durch Lampen, Heizquellen, Laser und dergleichen, eine Anregung durch induktiv erzeugte Wärme, eine Anregung durch Stromfluss, eine Anregung durch Ultra- schall, die durch Konverter, Ultraschalllaser oder sonstige Vorrichtungen erzeugt werden kann, eine mechanische Anregung niederer Frequenz, eine Anregung durch eine elektromagnetische Strahlung auch außerhalb der vorgenannten Beispiele.
Je nach der Art der Anregungsquelle können die Kleinrisse, Mikrorisse und mikroplastischen Zonen dann durch eine lokale Störung des Wärmeflusses, des thermischen Aufheizverhaltens, des thermischen Abklingverhaltens, durch eine Umwandlung mechanischer in thermische Energie im Kleinriss- und Mikrorissbe- reich oder durch eine Ausnutzung des thermoplastischen beziehungsweise thermoelastischen Effektes insbesondere auch unter Beachtung der Vorzeichenumkehr zur Veränderung ihres Emissions-, Transmissions- oder Reflexionsverhaltens im infraroten Bereich angeregt und mit Hilfe der thermographischen Einrichtung mit der Thermobildkamera in Form digitaler Bilder sichtbar gemacht werden. Für die Auswertung der thermographischen Aufnahmen stehen eine Vielzahl von Auswertealgorithmen zur Verfügung, so etwa Fourriertransormationen, Wavelet- Analysen, neuronale Netze, auch weitere übliche Verfahren der digitalen Bildverarbeitung wie etwa die Mittelwertbildung, die Filterung, etc.. Die Ermittlung des Schädigungsgrades der untersuchten Struktur des Bauteils 10 kann durch eine Korrelation von Parametern der Kleinriss-, Mikroriss- und mikroplastische Zonenpopulation wie Länge, Breite, Rissdichte, Anzahl, etc. oder auch aus Kombinationen daraus oder einen Vergleich der ermittelten Kleinrisse, Mikrorisse und mikroplastische Zonen mit zuvor ermittelten Vergleichsbildem erfolgen.
Denkbar ist es auch, einen Ausschnitt des Bauteiles 10 zu scannen oder eine zoomähnliche Betrachtung des Bauteils 10 von einer makroskopischen Größenordnung bis hin zur mikroskopischen Betrachtung der Kleinrisse, Mikrorisse 15 und mikroplastischen Zonen des Bauteils 10 vorzunehmen und auszuwerten.
Die Erfindung erlaubt erstmalig eine Bestimmung des Schädigungsgrades während der Lebensdauer und insbesondere auch während des Betriebes des zu untersuchenden Bauteils 10. Die Erfindung ermöglicht einen deutlichen Fortschritt für Lebensdauer-Prognoseverfahren an realen Bauteilen.
Neben dem Einsatz im Bauwesen sind zahllose weitere ingenieurtechnische Anwendungsfelder denkbar, so im Kraftfahrzeugbau, bei Flugzeugen, im Kraftwerksbau, für Windkraftanlagen, im Brückenbau und bei diversen weiteren Stahlkonstruktionen und anderen Anwendungsfällen.
Aus der Angabe des Schädigungsgrades lässt sich nicht nur eine voraussichtliche weitere Lebensdauer des Bauteiles 10 abschätzen, sondern gegebenenfalls auch eine noch rechtzeitige Entscheidung über die Einleitung eventuell erforderlicher Sanierungsmaßnahmen treffen, um auf die Lebensdauer einzuwirken oder auch die Belastung für die Zukunft in bestimmte Richtungen oder Grenzen zu lenken. Versuche haben schon gezeigt, dass die Ermüdungsvorgänge bei der Materialermüdung mikrostrukturelle Veränderungen vor allem an den Bauteiloberflächen hervorrufen beziehungsweise dort initiiert werden. An der Oberfläche der Bauteile treten überlagerte Beanspruchungen aus Normal- und Biegedehnungen auf, die zudem auf durch den Herstellvorgang bedingte Kerben treffen können. Daraus ist zu schließen, dass speziell die auf der Oberfläche des Bauteiles 10 stattfindenden Veränderungen die eindeutige Charakterisierung des Materialermüdungszustandes erlauben. Die Bestimmung des Schädigungsgrades durch eine zweidimensionale Feststellung auf der Oberfläche des Bauteils ist damit signifikant und auch ausreichend.
Auch nicht oberflächenoffene Risse knapp unterhalb der Oberfläche können auf Grund der thermographischen Effekte aufgenommen und erfindungsgemäß berücksichtigt werden.
Bezugszeichenliste
Bauteil Belastung Mikrorisse
Anregung
thermographische Einrichtung
Auswertungseinheit

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung des Schädigungsgrades eines Bauteiles (10), bei dem
- eine aktive Anregung (20) des Bauteils (10) vorgenommen wird, ein Ausschnitt der Oberfläche des angeregten Bauteils (10) mit einer thermographischen Einrichtung (30) aufgenommen wird, die auch auf der Oberfläche des Bauteils (10) vorhandene Kleinrisse, Mikrorisse (15) und mikroplastische Zonen mit einer Risslänge beziehungsweise Abmessung von weniger als 2 mm aufnimmt, die thermographische Einrichtung (30) die aufgenommenen Abbildungen mit den Kleinrissen, Mikrorissen (15) und mikroplastischen Zonen einer Auswertungseinheit (40) zuführt, - die Auswertungseinheit (40) die abgebildete Verteilung der Kleinrisse,
Mikrorisse (15) und mikroplastischen Zonen nach einem vorgegebenen Verfahren systematisch auswertet und aus den ausgewerteten Daten der Verteilung der Kleinrisse, Mikrorisse (15) und mikroplastischen Zonen eine Bestimmung des Schädigungsgrades des Bauteiles (10) vor- nimmt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die thermographische Einrichtung (30) die Aufnahmen mittels einer Thermobildkamera und eines Mikroskopobjektivs vornimmt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Thermobildkamera mit einer thermischen Auflösung von 0,1 Kelvin oder besser eingesetzt wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermographische Einrichtung (30) eine Pixelauflösung von 50 μm oder weniger aufweist.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren an zeitlich veränderlichen Belastungen (11) ausgesetzten Bauteilen (10) durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren an metallischen Bauteilen (10) durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren während der Belastungen (11 ) des Bauteiles (10) vor Ort vorgenommen wird.
8. Vorrichtung zur Durchführung eines der vorgenannten Verfahren, mit einer Anregungsquelle zur Anregung (20) des Bauteils (10), mit einer thermographischen Einrichtung (30) zur Aufnahme eines Ausschnittes der Oberfläche des angeregten Bauteils (10) mit den auf der Oberfläche des Bauteils (10) vorhandenen Kleinrissen, Mikrorissen (15) und mikroplastischen Zonen mit einer Risslänge oder Abmessung von weniger als 2 mm, mit einer Auswertungseinheit (40) zur Auswertung der von der thermographischen Einrichtung (30) aufgenommenen Abbildungen und zur Bestimmung des Schädigungsgrades des Bauteiles (10) aus den ausgewerteten Daten der Verteilung der Kleinrisse, Mikrorisse (15) und mikroplastischen Zonen.
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