Thermo-induktive Prüfung von metallischen Teilen

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1 DACH-Jahrestagung 2008 in St.Gallen - Di.5.A.2 Thermo-induktive Prüfung von metallischen Teilen Beate OSWALD-TRANTA, Montanuniversität, Lehrstuhl für Automation, Leoben, Österreich Kurzfassung. Bei der thermo-induktiven Prüfung wird das Werkstück kurzzeitig induktiv erwärmt und die Wärmeausbreitung wird mit Hilfe einer Infrarotkamera beobachtet. Oberflächenrisse führen zu einer inhomogenen Temperaturverteilung und dadurch können Risse im Infrarotbild detektiert werden. Das Verfahren kann für elektrisch leitende Materialien verwendet werden, in denen Wirbelstrom induziert werden kann. Damit ist die Prüfmethode für metallische Produkte sehr gut geeignet und bietet eine Alternative zur Wirbelstrom- und zur Magnetpulverprüfung. Die Methode hat den Vorteil, dass sie vollkommen berührungslos ist und auch die Induktionsspule in einem größeren Abstand vom Werkstück platziert werden kann, als es vergleichsweise bei der Wirbelstrommethode der Fall ist. Es wurden sowohl magnetische als auch nichtmagnetische Proben mit dieser Technik auf Risse untersucht. Weiters wurden analytischen Rechnungen und Finite Element Simulationen durchgeführt und die Ergebnisse mit den Messungen verglichen, wobei eine sehr gute Übereinstimmung gefunden wird. Die Prüftechnik kann für halbfertige Langprodukte schnell und voll automatisiert erfolgen. Im Falle von Einzelteilen, wie Schmiede- und Gussstücke, muss für eine voll-automatisierte Prüfung die geometrie-bedingte Temperaturerhöhung von der durch Risse verursachten Temperaturerhöhung mit Hilfe von Bildverarbeitungsroutinen unterschieden werden. Es wurden auch Erfolg versprechende Ansätze für eine vollautomatisierte Prüfung von Gussteilen mit hoher Taktrate gemacht. Einführung Eine vollständige Qualitätskontrolle wird in vielen Industriebereichen nicht nur für sicherheitsrelevante Teile, sondern auch für Halbprodukte gefordert, um weitere Arbeitsschritte an fehlerhaften Teilen zu vermeiden. Damit die Prüfung nicht mit menschlichen Faktoren behaftet wird, besteht die Bestrebung, die Prüfung möglichst vollautomatisiert durchzuführen. Oberflächenrisse in metallischen Produkten und Halbprodukten, werden heutzutage hauptsächlich mit Wirbelstrom-, mit Magnetpulveroder mit Eindringprüfung detektiert. In den letzten Jahren aber werden immer öfters thermografische Prüfverfahren eingesetzt, nachdem die Infrarotkameratechnik in den letzten Jahren sich sehr stark entwickelt hat. Bei einer aktiven thermografischen Prüfung wird zuerst Wärme ins Material gebracht und deren Ausbreitung wird mit Infrarotkamera betrachtet. Risse, Inhomogenitäten stören die Ausbreitung der Wärme und dadurch werden sie in den Temperaturbildern sichtbar. Wärme kann in verschiedener Weise, z.b. per Laser oder per Blitzlampe in einem Material erzeugt werden. Für metallische Werkstücke ist die induktive Erwärmung ein sehr effizienter Weg: der Wirbelstrom entsteht direkt im Material und dadurch ist die Erwärmung unabhängig von den Oberflächeneigenschaften. Weiters, die Methode ist vollkommen berührungslos und die Induktionsspule kann in einem 1

2 größeren Abstand zum Werkstück platziert werden, als es vergleichsweise die klassische Wirbelstromprüfung es verlangt. 1. Messergebnisse Thermo-induktive Messungen wurden an verschiedenen metallischen Teilen durchgeführt. Der Teil wird dabei mit einem kurzen induktiven Strompuls aufgewärmt und die Temperaturverteilung und die zeitliche Änderung der Temperatur wird mit einer Infrarot Kamera aufgenommen. Abbildung 1a zeigt die Erwärmung eines Stahlgussteiles nach einem kurzen induktiven Puls. Auf der rechten Seite des Teiles ist ein Riss durch höhere Temperaturen sichtbar. Abbildung 1b zeigt, wie sich die Temperatur während und nach dem Erwärmungspuls an zwei ausgewählten Punkten ändert: Punkt 1 liegt am Riss und seine Temperaturerhöhung wird fast doppelt so hoch, wie die von Punkt 2, der an einer fehlerfreien Stelle liegt. 1 2 Abbildung 1a: Temperaturerhöhung nach einem kurzen induktivem Puls; Punkt 1 liegt an der Stelle des Risses, Punkt 2 demgegenüber an einer fehlerfreien Stelle. Abbildung 1b: Temperaturerhöhung der beiden Punkte, markiert in der Abbildung 1a, in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt. Abbildung 2a zeigt einen Drahtstück aus einer nicht-magnetischen Titan-Legierung nach kurzer induktiver Erwärmung. Ein Riss entlang des Drahtes, eine Überwalzung, wird durch die kühleren Temperaturwerte sichtbar. In Abbildung 2b sind die Temperaturen in drei ausgewählten Punkten in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt. Punkt 1 liegt an einer fehlerfreien Stelle, Punkt 2 und 3 sind am Riss platziert. Man kann beobachten, dass die Temperatur an der Oberfläche (Punkt 1 ) sofort sinkt, wenn die Heizung ausgeschaltet ist. Demgegenüber, in den Punkten am Riss steigt die Temperatur noch kurz an, bevor sie abklingt. D.h. in diesem Bereich fließt Wärme aus der Umgebung noch nach, auch wenn die Heizung schon ausgeschaltet ist. Die präsentierten Messergebnisse zeigen, dass Risse durch Inhomogenitäten in der Temperaturverteilung sichtbar werden. Aber magnetische und nicht-magnetische Materialien verhalten sich unterschiedlich: im ersten Fall verursacht der Riss eine zusätzliche Erwärmung, demgegenüber bei einem nicht-magnetischen Material ist der Riss durch eine geringfügigere Erwärmung detektierbar. Analytische Modelrechnungen und Finite Element Simulationen wurden durchgeführt, um dieses verschiedene Verhalten zu verstehen und zu beschreiben. 2

3 2 1 3 Abbildung 2a: Infrarotbild eines nichtmagnetischen Drahtstückes mit einem Längsriss (Überwalzung) Abbildung 2b: Temperaturerhöhung abhängig von der Zeit in den drei Punkten, markiert in der Abbildung 2a. 2. Modelrechnungen Der induzierte Wirbelstrom dringt im Wesentlichen nur in eine dünne Oberflächenschicht ein (sogenannter Skineffekt). Die Dicke dieser Schicht wird neben der Erregungsfrequenz auch durch Materialparameter, wie elektrische Leitfähigkeit und magnetische Permeabilität bestimmt. In Stahl mit einer magnetischen Permeabilität von 600 und bei einer Erregungsfrequenz von 200kHz beträgt diese Eindringtiefe etwa 0.03mm. Demgegenüber, bei einem nicht-magnetischen Stahl ist diese Tiefe deutlich größer, etwa 0.8 mm. Um die Temperaturverteilung zu berechnen, wird im ersten Schritt die Verteilung des Magnetfeldes bzw. die Verteilung des induzierten Wirbelstromes bestimmt [1]. Ist die Eindringtiefe des Wirbelstromes deutlich kleiner als die Risstiefe, folgt das magnetische Feld mit guter Näherung der Linie des Risses (siehe Abbildung 3a). Wenn die Eindringtiefe ähnlich groß oder größer ist, als die Risstiefe, wird das Magnetfeld aus den Ecken der beiden Seiten des Risses ins Innere des Materials verdrängt (siehe Abbildung 4a). a) b) c) Abbildung 3: a) Magnetisches Feld b) Joule sche Erwärmung c) Temperaturverteilung nach 0.01 Sek induktiver Erwärmung in einem magnetischen Material. 3

4 Im nächsten Schritt wird aus der Stromverteilung die Joule sche Erwärmung, d.h. die lokale Verteilung der durch den ohmschen Widerstand erzeugten Wärme kalkuliert. Abbildung 3b zeigt, dass im Falle eines magnetischen Materials fast entlang der gesamten Länge des Risses Wärme frei gesetzt wird. Demgegenüber, bei einem nicht-magnetischen Material an den Kanten des Risses, wo das Magnetfeld ins Innere gedrängt wurde, wird fast keine Wärme generiert und daher entsteht an der Spitze des Risses ein Hot-Spot (siehe Abbildung 4b). a) b) c) Abbildung 4: a) Magnetisches Feld b) Joule sche Erwärmung c) Temperaturverteilung nach 0.01 Sek induktiver Erwärmung in einem nichtmagnetischen Material. Im dritten Schritt wird die Temperaturverteilung mittels der Wärmediffusionsgleichung bestimmt. Um einen Riss herum in einem magnetischen Material entsteht eine Wärmestau (Abbildung 3c) hingegen in einem nicht-magnetischen Material entsteht eine weniger erwärmte Stelle (Abbildung 4c). In diesen weniger erwärmten Bereich fließt die Wärme nach, um die Temperaturunterschiede auszugleichen, was sehr gut mit den Beobachtungen der Messergebnisse übereinstimmt. Diese Modellrechnungen zeigen, wie die Temperaturverteilung durch Materialparameter und durch die Risstiefe bestimmt wird. Im Allgemeinen gilt, dass je tiefer ein Riss ist, desto größere Inhomogenität in der Temperaturverteilung wird verursacht. 3. Auswertung der Abklingzeit Im Falle von tiefen Rissen und homogenen Oberflächeneigenschaften ist es ausreichend, das Infrarotbild mit dem höchsten Kontrast am Ende der Heizperiode auf Inhomogenitäten auszuwerten. Wenn die Oberfläche verkratzt oder geschliffen ist, d.h. die Emissivität gering bzw. ungleichmäßig ist, oder eine gleichmäßige Erwärmung des Werkstückes technisch schwierig ist, ist die zuverlässige Auswertung eines einzigen Bildes nicht gewährleistet. Um diese Effekte zu vermeiden, ist es besser, die zeitliche Änderung der Temperatur in jedem einzelnen Punkt auszuwerten [2]. Abbildung 1b zeigt, dass sich die Temperatur am Riss in einem magnetischen Material schneller erhöht und sie klingt auch schneller ab. Die lokal höhere Temperatur in der näheren Umgebung des Risses 4

5 gleicht sich durch die hohe Wärmeleitfähigkeit des Materials sehr schnell mit der Temperatur des Werkstückes aus. Wenn man mit entsprechenden mathematischen Techniken die Abklingzeit der Temperatur für jeden einzelnen Punkt berechnet, wird der Riss gut sichtbar, siehe Abbildung 5. Abbildung 5: Abklingzeit, berechnet Abbildung 6: Abklingzeit für das nicht- von der in Abbildung 1 präsentierten Messung. Drahtstück. Zugehörige Messung ist magnetischen dargestellt in der Abbildung 2. Abbildung 2b zeigt, dass in einem nicht-magnetischen Material die Temperatur in der Nähe des Risses sogar nach der Abschaltung der Heizung ansteigt, was in sehr guter Übereinstimmung mit den Modelrechnungen ist. Die Auswertung der Abklingzeit für diesen Fall ist in Abbildung 6 dargestellt. Der Riss entlang des Drahtes wird sehr gut sichtbar und diese Auswertung eliminiert den Einfluss der inhomogenen Erwärmung und Oberflächeneffekte, wie Kratzer. 4. Vergleich der Ergebnisse Mit der Auswertung der Abklingzeit können feine Risse bis zu einer Tiefe von 20-30µm sichtbar gemacht werden. Diese Ergebnisse wurden einerseits mit Mikroskopaufnahmen von Schliffproben, andererseits mit Ergebnissen anderer Stand der Technik-Prüfungen verglichen. Abbildung 7 zeigt das Ergebnis einer Magnetpulverprüfung und Abbildung 8 einen Teil geprüft mit Eindringverfahren. Weitere Teile wurden noch mit Computer Tomographie geprüft um die Lage und die Tiefe der Risse sichtbar zu machen. All diese Vergleiche haben es bewiesen, dass die thermo-induktive Technik zusammen mit der Abklingzeitauswertung jeden Oberflächenriss mit einer mindest Tiefe von 20µm anzeigt. Die angezeigte Signalstärke hängt mit der Tiefe des Risses zusammen, d.h. nicht nur die Stelle aber auch seine Tiefe ist messbar. 5

6 Abbildung 7: Aufnahme von einem Gussteil, geprüft mit Magnetpulvertechnik. Abbildung 8: Aufnahme von einem Gussteil, geprüft mit Eindringverfahren. 5. Zusammenfassung, Ausblick Die thermo-induktiver Technik kann für die Detektion von Oberflächenrissen in metallischen Materialien verwendet werden. Mit geeigneten Auswertungsalgorithmen ist es möglich, Störfaktoren, wie ungleichmäßige Erwärmung oder Kratzer an der Oberfläche zu eliminieren. Die lokale Ausbreitung der Wärme hängt von der Risstiefe ab, damit ist es auch möglich, die Tiefe des Risses zu bestimmen. Die Methode ist berührungslos und bildgebend, damit kann man schnell, zerstörungsfrei die Prüfung durchführen. Mit Hilfe von Bildverarbeitungsalgorithmen können die Fehler detektiert und klassifiziert werden. Es wurden auch Erfolg versprechende Ansätze für eine voll-automatisierte Prüfung von Gussteilen mit hoher Taktrate umgesetzt. Referenzen [1] B.Oswald-Tranta, Thermo-inductive Crack Detection, Journal of Nondestructive Testing and Evaluation, Vol.22, Nos.2-3, 2007, p [2] B.Oswald-Tranta, Time-dependent evaluation of inductive pulse heating measurements, 9 th International Conference on Quantitative Infrared Thermography, Krakow, 2008, submitted. 6