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Messen und Prüfen - Thermographie

Zerstörungsfreie Prüfverfahren – Überblick

Im Gegensatz zur zerstörenden Werkstoffprüfung bedeutet "Zerstörungsfreie Prüfung" (ZfP), dass durch die Prüfanwendung die Gebrauchseignung des Werkstoffs oder Prüflings in keiner Weise beeinflusst oder gar gemindert werden darf. Die ökonomischen Vorteile im Vergleich zu einer zerstörenden Prüfung sind damit in trivialer Weise offensichtlich. Die ZfP bedient sich der physikalischen Messtechnik und nutzt das gesamte Spektrum möglicher Energiewechselwirkungen, die die Physik zulässt. Grundsätzlich gilt jedoch die Bedingung, dass die eingebrachte Energie den Werkstoff nicht verändern darf.

Energieformen sind statische und quasi-statische elektrische, magnetische und mechanische Kraftfelder sowie dynamische Wellenfelder gleicher Art. Im unteren Bereich des elektromagnetischen Spektrums sind die quasi-statischen und dynamischen thermischen und Infrarotmethoden (z. B. Laserstrahlung) angesiedelt. In den Bereich der ganz hohen Frequenzen gehören Korpuskelstrahlungen, wie Röntgenstrahlung, g-Strahlung, Elektronen-, Ionen- und Neutronenstrahlung, die für radiographische, radioskopische und Computertomographie-Techniken genutzt werden.

Zur Prüfung werden die Werkstoffe ganz oder teilweise den genannten Energieformen ausgesetzt (Bild 1). Mögliche Wechselwirkungsmechanismen sind z. B. Reflexion, Beugung, Dämpfung, Streuung, Absorption, Resonanz und Relaxation. Je nach Aufgabe wird eine Energieform gewählt, die nach der Energiewechselwirkung zu einem möglichst hohen Nutzsignal führt.

Bild 1: Prinzip der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung (Fraunhofer IZFP Saarbrücken).

Bild 1: Prinzip der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung (Fraunhofer IZFP Saarbrücken).

Die notwendige Energie wird mit einer Leistungselektronik in Form elektromagnetischer Wellen, thermischer Strahlung, Korpuskelstrahlung oder mechanischer Schwingungen erzeugt. Das Bindeglied zum Prüfling ist ein Prüfkopf, der die Energie unmittelbar in das zu prüfende Bauteil überträgt und in manchen Fällen gleichzeitig als Empfänger dient. In diesem Fall spricht man von monostatischer Prüfung. Bei getrenntem Sende- und Empfangskopf liegt eine bistatische Prüfung vor. Für Empfangsprüfköpfe haben sich auch Begriffe wie Detektoren oder Sensoren eingebürgert.

Röntgenprüfung

Bei Festkörpern in der Produktion sind, verglichen mit der Medizin, hohe Energien bis 450 KV für die Röntgenröhren notwendig. Ausgenutzt wird grundsätzlich die Schwächung der Röntgenstrahlung beim Durchgang durch das Objekt. Diese erfolgt nach einem Exponentialgesetz entlang des Strahlenganges. Die durch die Schwächung geminderte Röntgenstrahlung wird mit einem Detektor empfangen, wenn sie rückseitig nach der Durchdringung das Objekt verlässt (Bild 2 am Beispiel der Tomographie).

Bild 2: Prinzip der Computertomographie (Fraunhofer IZFP Saarbrücken).

Bild 2: Prinzip der Computertomographie (Fraunhofer IZFP Saarbrücken).

Für technische Anwendungen besteht der Detektor in der Regel aus einem Bildwandler oder Halbleiterdetektoren, die nach dem Prinzip der Direktkonversion Röntgenstrahlen direkt in Ladungsträger umwandeln. Das Röntgenverfahren erfasst grundsätzlich Dichteunterschiede im Material. Daher sind voluminöse Hohlräume und lokale Dichteveränderungen wie Poren, Einschlüsse oder Lunker besonders gut für die Röntgenprüfung geeignet. Die Nachweisgrenze einer Pore liegt bei einem Durchmesser von etwa 2% der Bauteildicke. Rissartige Fehler können nur dann nachgewiesen werden, wenn der Risstiefenverlauf exakt in Strahlrichtung verläuft und der Riss zudem genügend geöffnet ist. Nur dann wird eine Dichteänderung bewirkt. In der Praxis ist für solche Fehlerarten daher immer eine Mehrwinkelradiographie oder Computertomographie notwendig.

Ultraschallverfahren

Als Ultraschall werden mechanische Schwingungen und Wellen bezeichnet, deren Frequenzen oberhalb von einigen 10 kHz liegen. Während sich in Flüssigkeiten allein Druckwellen ausbreiten, die in Ausbreitungsrichtung schwingen, ist im Festkörper eine Vielfalt unterschiedlicher Moden möglich. Zum einen sind dies die Scherwellen, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung schwingen und in der Einfallsebene (Shear Vertical) oder senkrecht dazu (Shear Horizontal) polarisiert sein können. Zum anderen sind es die geführten Wellen, die einen Wellenleiter brauchen, wie freie Oberflächen, Plattenverbundstrukturen, Vollzylinder oder Rohrgeometrien.

Ultraschallwellen können durch drei verschiedene Effekte erzeugt werden:

  • Piezoelektrische Wandlung
  • Elektrodynamische und magnetostriktive Wandlung
  • Laserpulsanregung.

Die Piezoelektrische Wandlung beruht auf dem Piezoeffekt z. B. von Quarzen. Durch ein elektrisches Wechselfeld kann ein geeignet geschnittener Quarz zu periodischen oder gepulsten Schwingungen angeregt werden. Schwinger werden als Kolbenschwinger (Zylinder) oder Rechteckschwinger geliefert und führen Schwingungen in Dickenrichtung aus. Koppelt man diese Schwinger mittels Koppelmittel an die Oberfläche eines Festkörpers, so überträgt der Schwinger die Schwingung in das Bauteil. Piezoelektrisch können Prüfköpfe für Frequenzen bis zu 50 MHz (entsprechend 120 Mikrometer Wellenlänge) zuverlässig gebaut werden. In Ultraschallmikroskopen werden Frequenzen bis in den Gigahertzbereich verwendet, was dann zu Wellenlängen im Bereich von Mikrometern führt. Wegen der starken Absorption sind die Prüfungen jedoch dann auf oberflächennahe Bereiche beschränkt. Elektromagnetisch wird Ultraschall (EMUS) durch Lorentzkräfte und/oder durch magnetische und magnetostriktive Kräfte angeregt. Dazu bedient man sich speziell konstruierter Induktionsspulen, die z. B. einen mäanderförmigen Wicklungsverlauf haben (siehe Bild 3).

Bild 3: Elektromagnetischer Wandler für Ultraschall (Fraunhofer IZFP Saarbrücken).

Bild 3: Elektromagnetischer Wandler für Ultraschall (Fraunhofer IZFP Saarbrücken).

Diese Spulen werden von einem Stromimpuls von einigen Halbwellen durchflossen und erzeugen in der Wicklung durch Induktion Wirbelströme. Überlagert man diesen Wirbelströmen ein Magnetfeld mit der Induktion senkrecht zur Oberfläche, so entstehen periodisch alternierende Lorentzkräfte. Diese Kräfte bewirken Teilchenauslenkungen und erzeugen damit Ultraschall. Der wichtigste Vorteil von EMUS ist die Möglichkeit der berührungslosen Ankopplung, während die erreichbare oberste Frequenz des Ultraschalls beschränkt bleibt.

Bei Anregung mit Impulslasern wird ebenfalls kein spezielles Koppelmittel benötigt. Dabei kann der Schall auf zwei Arten erzeugt werden:

  • Im thermoelastischen Modus heizt der Laser die Oberfläche lokal auf, die sich dadurch pulsartig ausdehnt. Die Ausdehnung erfolgt mit Anstiegszeiten von einigen Nanosekunden und erzeugt breitbandig Ultraschall durch Druck-, Scher- und Oberflächenwellen.
  • Erhöht man die Laserleistung, so dass oberflächlich Material zu Plasma verdampft, steigt die Effektivität der Anregung durch zusätzliche nichtlineare Effekte (Plasmadruck). Vorteile hat der Laserultraschall insbesondere bei der Prüfung heißer Teile.

Im Gegensatz zur Röntgenprüfung ist die Ultraschallprüfung auch für den Nachweis rissartiger Werkstoffinhomogenitäten geeignet. Zur Darstellung von Werkstofffehlern haben sich bildgebende Ultraschallverfahren durchgesetzt, bei denen die Bauteile vollautomatisiert abgetastet werden (synthetische Aperturverfahren). Die gewonnenen Prüfdaten werden als Funktion des Prüfkopfortes bei der Abtastung dargestellt.

Neben der Prüfung auf Fehler wird Ultraschall auch zur Gefügecharakterisierung eingesetzt. Hier verwendet man vor allem hohe Frequenzen, um Ultraschallstreuung zu erzeugen. Der polykristalline Festkörper streut den Ultraschall an Korn (Kristallit)- und Phasengrenzen, d. h. überall an inneren und äußeren Grenzflächen, an denen ein Sprung in der Schallimpedanz (Produkt aus Dichte und Schallgeschwindigkeit v) stattfindet. Die Streuamplitude wächst mit der dritten Potenz aus der Korngröße und mit der vierten Potenz der Prüffrequenz, was erklärt, warum mit Frequenzen zwischen 8 und 10 MHz gearbeitet wird. Ziel entsprechender Prüfanwendungen ist insbesondere die Ortung der Phasengrenze zwischen gehärtetem Deckgefüge und nicht gehärtetem Vergütungsgefüge nach dem induktiven Härten.

Wirbelstromprüfung

Die Prüfung mit Wirbelstrom kann ausschließlich an elektrisch leitenden Materialien durchgeführt werden. Dazu wird der Prüfling entweder lokal in den Einflussbereich eines induktiven Sensors (Tastspule) gebracht oder der Prüfling durchläuft eine umfassende Prüfspule. In beiden Fällen wird ein durch einen konstanten Strom erzeugtes Magnetfeld eingeprägt. Die an der Spule abgreifbare elektrische Spannung ist proportional zu ihrer Impedanz.

Das in der Prüfspule erzeugte Magnetfeld induziert im Prüfling nach dem Induktionsgesetz von Faraday Wirbelströme, die im Prüfling nur Tangentialkomponenten besitzen. Mit den Wirbelströmen verkettet ist ein sekundäres magnetisches Wechselfeld, welches nach dem Energiesatz (Lenzsche Regel) dem Primärfeld entgegen wirkt. Die Prüfspule sieht das Gesamtfeld als Superposition von Primär- und Sekundärfeld (Bild 4).

Bild 4: Prinzip der Wirbelstrom-Tastspulenprüfung (Fraunhofer IZFP Saarbrücken).

Bild 4: Prinzip der Wirbelstrom-Tastspulenprüfung (Fraunhofer IZFP Saarbrücken).

Die Impedanz wird von mehreren Einflussgrößen beeinflusst. Den größten Effekt hat die Änderung des Abstands des Prüflings von der Spule, der damit auch berührungslos gemessen werden kann. Wird eine Tastspule dagegen mit konstantem Abstand von der Oberfläche über ein Bauteil geführt, wird die Impedanz von lokalen Eigenschaften des Prüflings bestimmt. Über einen Vergleich mit Gutteilen können auf diese Weise auch Gefügeveränderungen durch Härten oder sonstige Fehlstellen, wie z. B. Risse, erkannt werden.

Wirbelstromverfahren können in vollautomatisierten Fertigungsprozessen angewendet werden. Sie erkennen sowohl Werkstofffehler als auch Gefügeveränderungen und Eigenspannungsentwicklung. Zur Störeffektunterdrückung werden digitale Filtertechniken eingesetzt. Besonders erwähnenswert ist dabei die Mehrfrequenz-Wirbelstromtechnik, bei der adaptiv lernende Filter durch einen Kalibrierprozess erarbeitet werden.

Optische Prüfungen

Von allen weltweit eingesetzten ZfP-Verfahren hat die sogenannte "Sichtprüfung" den höchsten Verbreitungsgrad. Mit bloßem Auge oder mit einer Lupe sucht der Prüfer nach Besonderheiten und Auffälligkeiten anhand einer Prüfanweisung. Am häufigsten verbreitet ist die Sichtprüfung bei den Betreibern von Flugzeugen. Nach dem "Damage Tolerance Prinzip" ist es der Pilot selbst, der vor jedem Start eine Sichtprüfung durchführt, kombiniert mit einer Prüfung mechanisch bewegbarer Teile, wie zum Beispiel der Gängigkeit einer Propellerdrehung. Große Anwendungsbreite hat die Sichtprüfung auch im Chemie- und Kraftwerksbetrieb sowie beim wiederkehrenden Begehen von Brücken und Tunneln von Autobahnen und Eisenbahnstrecken.

Der Mensch mit der Fähigkeit seines Gehirns zu assoziieren, ist dabei in der Lage, komplexe Situationen bildhaft zu erfassen und typische Prüfbilder von Absonderlichkeiten zu speichern und wieder zu erkennen. In dieser Fähigkeit ist der Mensch auch heute jeder automatisierten Merkmalsextraktion und Mustererkennung überlegen. Allerdings von Nachteil ist beim Menschen das Phänomen, schnell zu ermüden oder der so genannte "human factor influence", mit dem man sämtliche emotionalen Einflussgrößen beschreibt, welche die Konzentration auf die Sache behindern, und die da sein können: Krankheit, persönliche private Probleme in der Familie und mit Kollegen, etc. An dieser Stelle bedarf es bei der Sichtprüfung einer engen Rückkopplung und des Vertrauens zum Vorgesetzten, um solche Einflüsse frühzeitig zu identifizieren.

In der Fertigung finden optische Prüfungen zunehmend automatisiert statt. Von besonderer Bedeutung ist dabei eine an die Aufgabe angepasste Beleuchtung, die hinsichtlich Intensität, Einfallsrichtung und Spektrum variiert werden kann. Die Datenaufnahme erfolgt über digitale Zeilen- oder Matrix-Kameras, die bei Bedarf auch mit sehr hohen Wiederholfrequenzen erhältlich sind. Die Auswertung der entstehenden Bildinformationen wird von Computern auf der Basis von PCs vorgenommen. Hier kommen neben Kontrastanhebungsfiltern Methoden der Merkmalsextraktion und Klassifikation zur Anwendung, die mit den derzeit verfügbaren Rechnern schon sehr komplex sein können. Die Anwendungen liegen bei der Oberflächenprüfung von Stoffen, Geweben und Papier genauso wie bei der Oberflächenprüfung von Feinblech im schnell laufenden Prozess nach dem Kaltwalzen. Das Sortieren von Teilen unterschiedlicher Geometrie ist ebenso eine Aufgabe wie die Überprüfung der Maßhaltigkeit gefertigter Teile.

Funktionsweise der thermographischen Prüfung

Die Wärmefluss-Thermographie ist eine Inspektionstechnik, mit deren Hilfe unterhalb der Oberfläche liegende und daher äußerlich nicht sichtbare Fehlstellen in Werkstücken erkannt werden können, indem der Wärmefluss bzw. die Wärmeleitfähigkeit in den Prüflingen analysiert wird. Grundsätzliche Vorteile der thermographischen Wärmefluss-Prüfverfahren sind das bildgebende Funktionsprinzip, die hohe Prüfgeschwindigkeit und die relativ einfache Automatisierbarkeit.

Bei der Thermographie-Prüfung wird die Tatsache ausgenutzt, dass neben dem sichtbaren Licht alle Körper mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt von 0 Grad Kelvin oder -273 Grad Celsius ein von ihrer Temperatur abhängiges Spektrum elektromagnetischer Wellen emittieren. Diese bleiben dem menschlichem Auge allerdings bei üblichen Temperaturen verborgen, da es sich um infrarote Strahlung handelt. Daher ist der Einsatz einer Thermographie-Kamera notwendig, mit deren Sensoren Infrarotstrahlung sichtbar gemacht werden kann. Mit einem besonders schnellen Sensor kann auch der Wärmefluss, der für die Erkennung von unsichtbaren Fehlern von entscheidender Bedeutung ist, beobachtet und gemessen werden.

Gerd Dobmann, Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP. Zerstörungsfreie Prüfverfahren. In: Norbert Bauer (Hrsg.). Leitfaden zur Wärmefluss-Thermographie. Zerstörungsfreie Prüfung mit Bildverarbeitung. Erlangen, 2005, S. 2-4. Mit freundlicher Genehmigung der Fraunhofer-Allianz Vision, Erlangen.

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