Impulsthermografie und FE-Simulation

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1 Impulsthermografie und FE-Simulation Möglichkeiten & Grenzen bei der Fehlererkennung in metallischen Werkstoffen Postl 1

2 INHALT Projekt Impulsthermografie Grundlagen Impulsthermografie & FE-Simulation Kugeleinschluss (Pore) Anbindungsfehler bei lasergeschweißten Überlappstößen Beispiele von Parameterstudien eindimensional vollfaktoriell Postl 2

3 PROJEKT Entwicklung eines Impulsthermografieprüfstandes für metallische Werkstoffe bisher Probleme bei metallischen Werkstoffen sehr schnell ablaufende Ausgleichsvorgänge hohe Anforderungen an das Kamerasystem (thermische, örtliche und zeitliche Auflösung) technologischer Fortschritt der Kameras neue Einsatzbereiche Forschungsbedarf Forschungspartner (gefördertes JOIN4+ Projekt) Projektleitung: plasmo Industrietechnik GmbH (Wien) Infratec GmbH (Dresden) Schweißtechnische Zentralanstalt (Wien) Postl 3

4 IMPULSTHERMOGRAFIE - Vorteile zerstörungsfrei berührungslos schnell flächenhaft Bildfolge eines Kugeleinschlusses [3] Postl 4

5 IMPULSTHERMOGRAFIE - Prinzip Aktive Thermografie: a) Reflexions- b) Transmissionsanordnung [2] Ablauf: 1) Erzeugung eines Wärmeflusses durch Anregung 2) Fehlerstelle hinterlässt Abdruck im Wärmefluss und damit in der Oberflächentemperatur 3) Aufzeichnung mit Thermografiekamera Postl 5

6 IMPULSTHERMOGRAFIE - Beispiel Temperaturverlauf (links) Temperaturkontrast (rechts) [2] Annahmen für dieses Beispiel Transmissionsanordnung Wärmefluss durch Materialfehler behindert Pixel 1 an der Fehlerstelle wichtige Parameter der Messung Aufnahmezeitraum ( transienten Bereich erfassen ) thermische, örtliche und zeitliche Auflösung Postl 6

7 SIMULATION systematische Untersuchung einer Problemstellung mittels Parameterstudien große Anzahl an Einflussfaktoren/Parameterkombinationen Bestimmung der Wirkzusammenhänge Aussage über generelle Machbarkeit Ableiten der Anforderungen an den Messaufbau Anregungsamplitude Anregungsdauer Auflösung der Infrarotkamera Messzeitraum Postl 7

8 REALE IMPULSTHERMOGRAFIE Ziel der Gliederung: Identifikation der relevanten Parameter für die Simulation Postl 8

9 REALE IMPULSTHERMOGRAFIE Ziel der Simulation: Grenzen und Möglichkeiten der Detektion (generelle Machbarkeit) allgemeingültige Simulationsergebnisse Idealisierung der Störeinflüsse Postl 9

10 REALE IMPULSTHERMOGRAFIE Postl 10

11 IDEALISIERTE IMPULSTHERMOGRAFIE Simulationsmodell nach der Idealisierung der Störeinflüsse [2] Die Interpretation der idealisierten Simulationsergebnisse in Bezug auf die reale Prüfsituation ist von einem erfahrenen Thermografen vorzunehmen Postl 11

12 VALIDIERUNGSMESSUNG Impulsthermografieprüfstand für die Probenvermessung der Firma Infratec a) Xenon-Blitzkopf b) Probe mit Emissionslack c) Infrarotkamera in Transmissionsanordnung Postl 12

13 VALIDIERUNGSMESSUNG - Kugeleinschluss Aufnahmezeitraum ca. 160 ms Postl 13

14 SIMULATION - Kugeleinschluss Modell des Kugeleinschlusses Postl 14

15 SIMULATION - Kugeleinschluss transiente Temperaturverteilung an der Oberfläche ( Darstellung als Kontrast zur allgemeinen Erwärmung ) Postl 15

16 SIMULATION - Kugeleinschluss Temperaturdifferenz T diff als Funktion des Ortes (t = 100 ms) R Radius (geometrische Ausdehnung) ΔT Temperaturkontrast Postl 16

17 EINDIMENSIONALE PARAMETERSTUDIE Temperaturkontrast ΔT als Funktion der Zeit [2] rote Punkte: Maxima der Kontrastverläufe Postl 17

18 EINDIMENSIONALE PARAMETERSTUDIE Radius als Funktion der Zeit [2] rote Punkte: Radien des jeweiligen Kontrastmaximums Postl 18

19 EINDIMENSIONALE PARAMETERSTUDIE T max [mk] R_ T max [mm] Kugeltiefe [mm] Kugeltiefe [mm] 1) Annahme: Eine Kamera mit einer Temperaturauflösung von 20 mk 2) ermöglicht eine maximale Detektionstiefe von ca. 1.7 mm (linkes Bild) 3) bei einem maximalen Radius von ca. 1 mm (rechtes Bild) Für eine sichere Fehlererkennung muss der im Radius liegende Bereich von mehreren Pixeln des Detektorchips erfassen werden. bestimmt Kombination von: - Pixelanzahl der Kamera - Objektivtyp - Kamera-Objekt-Abstand Postl 19

20 VALIDIERUNGSMESSUNG - Überlappstoß Postl 20

21 SIMULATION - Überlappstoß Modell des Anbindungsfehlers beim Überlappstoß Postl 21

22 SIMULATION - Überlappstoß transiente Temperaturverteilung an der Oberfläche Postl 22

23 VALIDIERUNGSMESSUNG - Überlappstoß T [K] t [ms] Vergleich von Simulation und Messung am Überlappstoß Messung Probe 1 Probe 2 Simulation Postl 23

24 VOLLFAKTORIELLE PARAMETERSTUDIE Ermöglicht die Analyse der Wirkzusammenhänge zwischen allen Modellparametern und den Zielgrößen. Modellparameter Anregungsdauer Anregungsamplitude Material Blechdicke Fehlergeometrie Fehlertiefe Zielgrößen ΔT max R_ΔT max Modellparameter und zu bestimmende Zielgrößen Postl 24

25 VOLLFAKTORIELLE PARAMETERSTUDIE R_ΔT max ΔT max P 1 P 2 P 3 P 3 P 4 P 5 P 6 Auswertungsbeispiel für ΔT max > 1K und R_ΔT max > 1mm (Bild: Plasmo) Postl 25

26 ERGEBNISSE erfolgreiche FE-Simulation der Impulsthermografie vollfaktorielle Parameterstudien Kugeleinschluss (Pore) Anbindungsfehler von I-Naht bei Überlappstoß Stahl und Aluminium Analysen zur Auswahl des Thermografiesystems Auflösung: thermisch, geometrisch, zeitlich benötigte Anregung Aluminium unter Einschränkungen möglich Proben für Prüfmittelfähigkeitsnachweise Postl 26

27 KONTAKT plasmo Industrietechnik GmbH (Wien) Dr. Grünberger (Projektleitung) Tel.: Infratec GmbH (Dresden) Dr. Mahler Tel.: Schweißtechnische Zentralanstalt (Wien) DI Basalka Tel.:

28 Impulsthermografie und FE-Simulation Möglichkeiten & Grenzen bei der Fehlererkennung in metallischen Werkstoffen Postl 28