Einsatz der induktiv angeregten Shearografie für die zerstörungsfreie Prüfung von hochfesten Strukturklebungen

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1 DGZfP-Jahrestagung 2017 More info about this article: Einsatz der induktiv angeregten Shearografie für die zerstörungsfreie Prüfung von hochfesten Strukturklebungen Igor KRYUKOV 1, Stefan BÖHM 1 1 Universität Kassel - Fachgebiet für Trennende und Fügende Fertigungsverfahren (tff), Kassel Kontakt i.kryukov@uni-kassel.de Kurzfassung. Zum Fügen von unterschiedlichen Materialien ohne thermische Gefügebeeinflussung und zur Realisierung von Gewichtseinsparungen hat das Kleben in den vergangenen Jahren in den industriellen Anwendungen zunehmend an Bedeutung gewonnen. Der Klebprozess ist jedoch ein empfindlicher Fertigungsprozess, bei dem ein hohes Maß an Überwachung und Dokumentation des Fertigungsprozesses notwendig ist. Darüber hinaus erfordern modernes Qualitätsmanagement und die Produkthaftung, die Qualität der erzeugten Produkte lückenlos zu erfassen und zu dokumentieren. Die aktuell eingesetzten zerstörungsfreien Prüfverfahren (ZfP) wie Ultraschall- oder Durchstrahlungsprüfung sind aufgrund der hohen Prüfdauer häufig nicht innerhalb der Serienfertigung realisierbar, sodass in der Praxis meist auf den Einsatz zerstörender Prüfverfahren ausgewichen wird. Die Shearografie ist ein optisches, gut automatisierbares zerstörungsfreies Prüfverfahren, welches sich auch für den Einsatz zur Qualitätskontrolle von Klebverbindungen anbietet. Bei diesem großflächigen und berührungslosen Verfahren wird durch kohärente Beleuchtung das entstehende Speckle-Muster der Oberfläche des Prüfobjektes erfasst. Aus der Vergleich von Speckle-Mustern zweier Belastungszustände lassen sich ortsaufgelöst Änderung von Deformationen bestimmen. Zur Belastung des Prüfobjektes haben sich thermische oder mechanische Anregungsarten (z.b. Halogenlampen, Unterdruck usw.) bewährt. Fehler in einer Klebnaht führen zu einer lokalen Änderung der Verformung und können mit der Shearografie detektiert werden. Somit lassen sich Fehlstellen aufgrund der lokalen Änderungen der Steifigkeit im Bauteil detektieren. Im Rahmen dieses Papers wird das Einsatzpotential der Shearografie zur Ermittlung unterschiedlicher Fehlerarten (fehlender Klebstoff, Poren im Klebstoff sowie Kissing Bonds) dargestellt. Die Deformationen werden durch Induktionsanregungen erzeugt, wobei artgleiche und artungleiche Strukturklebungen verschiedener Werkstoffe (Tiefziehstahl, CFK) hinsichtlich der Fehlererkennung verglichen werden. Als Klebstoff wird ein 2K-PUR-Klebstoff eingesetzt. 1. Einführung Die Fügetechnologie Kleben hat als stoffschlüssiges Fügeverfahren in der industriellen Fertigung in den letzten Jahrzehnten enorm an Bedeutung gewonnen. Zu den Vorteilen des Klebens zählen das Verbinden von unterschiedlichen Werkstoffen, eine flächige Spannungsverteilung sowie die Tatsache, dass die Fügeteile durch den Fügeprozess nicht Lizenz: 1

2 zwangsläufig thermisch beansprucht werden. Aufgrund dieser und weiterer Vorteile ergibt sich das enorme Potential dieser Fügetechnologie für den Leichtbau. Je nach Einsatzzweck (z. B. Verbinden, Dichten, Dämpfen) lassen sich Klebstoffe in verschiedene Festigkeitsklassen einteilen, wobei Strukturklebstoffe hohe Festigkeits- mit vergleichsweise geringen Dehnungen verbinden. [1] Die technologischen Eigenschaften einer Klebung werden wesentlich vom Fügeprozess beeinflusst. Um qualitativ hochwertige Klebungen zu erhalten, muss die Verbindung unter optimalen Prozessparametern (u. a. Mischungsverhältnis, Durchmischung, Klebstoffapplikation, Aushärtung) erzeugt werden. Abweichungen der Prozessparameter können die Belastbarkeit der Klebnaht reduzieren bzw. zum vorzeitigen Versagen führen [2]. Nach DIN EN ISO 9001 gehört der Prozess Kleben somit zu den speziellen Prozessen, die eine ausreichende Überwachung und Dokumentation des Fertigungsprozesses fordern. Aufgrund der Produkthaftung ist es für die Industrie somit von besonderer Wichtigkeit, die Qualität einer Klebverbindung bereits während der Fertigung bewerten zu können. Hieraus leitet sich der große Bedarf der Klebstoffanwender nach ZfP ab. Anforderungen an ZfP-Systeme ergeben sich hinsichtlich der Detektierbarkeit (relevante Fehler müssen identifiziert werden können), der Fähigkeit der online-detektion in Verbindung mit einer guten Automatisierbarkeit (Möglichkeit der 100 %-Kontrolle) sowie der wirtschaftlichen Faktoren (Anschaffungs-, Betriebs- und Wartungskosten). Die Shearografie ist ein zerstörungsfreies Prüfverfahren, welches das Potential besitzt, all diese Anforderungen zu erfüllen. 2. Shearografie Die Shearografie ist ein optisches und damit berührungsloses Messverfahren mit sehr kurzen Messzeiten. Durch die Wahl geeigneter Objektive lassen sich große Messfenster realisieren. Die Messauflösung liegt dabei im Bereich der verwendeten Lichtwellenlänge. Als Messgröße dient bei der Shearografie der Verformungsgradient der Objektoberfläche. Abb. 1. Schematischer Aufbau eines Shearografiesystems mit Strahlengang nach [3] Ein Shearografiesystem besteht aus einer kohärenten Lichtquelle (z. B. Laserdioden) sowie einem Shearografiesensor (siehe Abb. 1). Das kohärente Licht wird an der Oberfläche des optisch rauen Prüfobjektes diffus reflektiert und durch das Abbildungssystem auf dem Detektor abgebildet und aufgezeichnet. Durch Überlagerung der reflektierten Wellen durch konstruktive bzw. destruktive Interferenz entstehen an jedem Messpunkt des Detektors helle bzw. dunkle Speckle. Die aufgezeichnete Abbildung des Speckle-Musters ist somit charakteristisch für die Oberfläche des Prüfobjektes sowie der Lagebeziehung des Objektes 2

3 zum Shearografiesensor. Durch das Verrechnen von Speckle-Bildern des Prüfobjektes in zwei Zuständen (z. B. Ausgangszustand und verformter Zustand) lässt sich die Verformung der Objektoberfläche darstellen. Fehler und Inhomogenitäten im Prüfobjekt führen zu einer lokalen Oberflächendeformation im Vergleich zu fehlerfreien Bereichen und können so detektiert werden. [3, 4] Um ein Objekt mittels Shearografie zu prüfen, werden sehr geringe (i. d. R. für das menschliche Auge kaum wahrnehmbar) erzwungenen Deformationen erzeugt, die das Prüfobjekt nicht dauerhaft beeinträchtigen. Die dazu verwendeten Anregungsarten werden in thermische Anregung (z. B. Halogenstrahler, Blitzlampe), mechanische Anregung (z. B. Unterdruck, Überdruck) sowie in dynamische Anregung (z. B. Piezoaktor, Lautsprecher) eingeteilt. [3] 3. Probengeometrie Für die Untersuchungen wurde ein 2K-PUR Klebstoff eingesetzt (E-Modul 1000 MPa, Zugfestigkeit 23 MPa, Reißdehnung 17%, Shore-D Härte 65, Glasübergangstemperatur 48 C, Temperaturbeständigkeit bis +125 C). Die Klebschichtdicke betrug 0,25 mm. Als Substrate wurden eine Tiefziehstahllegierung (1 mm und 3 mm Dicke) sowie ein CFK- Gewebe (Dicke 1,5 mm) verwendet. Die Größe der Substrate betrug einheitlich 120 x 50 mm², die Überlappungslänge beider Substrate entlang der langen Seite 20 mm. Die daraus resultierende Klebfläche betrug 120 x 20 mm² (siehe Abb. 2). Als relevante Fehlertypen für eine strukturelle Verklebung gelten fehlender Klebstoff, Lufteinschlüsse, ungleichmäßige Klebstoffdicke, inhomogene Durchmischung (falsches Verhältnis von Harz und Härter), falsches Mischungsverhältnis (Fehlen von Harz oder Härter), Delaminationen (Ablösungen des Klebstoffs vom Substrat) sowie Kissing Bonds (berührender, aber nicht am Substrat haftender Klebstoff). Diese Fehlertypen wurden systematisch sowie reproduzierbar mit den genannten Substraten hergestellt und untersucht. Der Fehlernachweis erfolgte durch zerstörende Prüfung. Die einzelnen Fehlertypen wurden jeweils in drei Fehlergrößen (5 mm, 10 mm, 20 mm) über die komplette Breite der Klebnaht hergestellt. Die Positionierung des eingebrachten Fehlers kann Abb. 2 entnommen werden. Einzig der Fehlertyp ungleichmäßige Klebstoffdicke unterschied sich von dieser Geometrie. Der Fehler wurde bei diesen Proben über die ganze Klebnaht realisiert. So änderte sich die Klebschichtdicke bei diesem Fehlertyp kontinuierlich von 0,25 mm auf 0 mm. Als Referenzproben wurden ebenfalls fehlerfrei verklebte Proben hergestellt. Abb. 2. Schematische Darstellung der Probengeometrie sowie der Positionierung der eingebrachten Fehler 3

4 4. Prüfaufbau Für die Messung wurde ein SE2-Sensor der Firma isi-sys GmbH eingesetzt. Als Detektor fungierte ein 5 Megapixel CCD-Chip, die kohärente Beleuchtung wurde durch Laserdioden mit einer Wellenlänge von 658 nm realisiert. Für die vorliegenden Untersuchungen wurde eine thermische Anregung mittels Induktionsspulen in Transmissionsanordnung eingesetzt (siehe Abb. 3). Durch diese Anregungsquelle konnte mittels induzierten Wirbelströmen Wärme direkt im elektrisch leitenden Substrat erzeugt werden (anstatt an der Oberfläche z. B. wie bei Halogenstrahlern). Als Induktor wurde ein wassergekühlter Koaxialinduktor mit einer Induktionsfläche von 110 x 25 mm² eingesetzt, welche zentral mit einem Kopplungsabstand von 0,2 mm unter der Klebverbindung positioniert wurde. Der verwendete Induktionsgenerator hat eine Leistung von 5 kw, als Induktionsfrequenz wurde aufgrund der höheren Eindringtiefe die in dieser Systemkonfiguration kleinste verwendbare Frequenz von 12,5 khz verwendet [5]. Abb. 3. Darstellung des Prüfaufbaus mit Probenhalter und Induktor Um eine Störung der Messung durch eine Verschiebung der Prüfobjekte zu verhindern, wurden diese durch 4 Spanner sowie 2 Spannleisten zwischen den Spannern auf der Auflage fixiert sodass die Klebnaht reproduzierbar im Messfeld liegt (siehe Abb. 4). Zusätzlich konnte hierdurch eine Gesamtdeformation des Prüfkörpers reduziert werden, sodass die lokalen Deformationen als Folge von Fehlern klarer detektiert werden konnten. Abb. 4. Fixierung der Prüfkörper auf dem Messaufbau mit Messbereich (rote Umrandung), links: Fotografie, rechts: schematische Darstellung 4

5 Der im Weiteren untersuchte Messbereich ist in Abb. 4 rot dargestellt. Bei allen Messungen befand sich der Messbereich auf dem oberen Substrat, d. h. der dem Shearografiesensor zugewandten Seite. Ausgewertet wurde der Bereich oberhalb der Klebnaht sowie ein Teil des anliegenden klebstofffreien Bereiches. So konnte sowohl der Bereich der Klebnaht sowie ein anschließender Teil des Substrates auf die lokalen Deformationsänderungen untersucht werden. Zur Erhöhung der diffusen Reflexion blanker Oberflächen (wie beispielsweise denen von Tiefziehstahl-Substraten) wurden alle Prüfkörper vor der Messung mit weißem Lack beschichtet. 5. Fehlerdetektion mittels induktiv angeregter Shearografie Für die Fehlerdetektion mittels induktiv angeregter Shearografie wurden bei allen Messreihen zunächst die Shearogramme von fehlerfreien Proben ausgewertet (siehe Abb. 5). Gut zu erkennen ist das Ende der Klebnaht (Abb. 5 schwarzer horizontaler Bereich im unteren Drittel des Shearogramms), sowie die Begrenzungen der Klebnaht am linken und rechten Rand. Die Klebnaht selbst erscheint größtenteils homogen. Die Shearogramme der fehlerfreien Proben werden für die Fehlerdetektion als Referenzwerte angenommen, um Abweichungen fehlerbehafteter Proben klarer identifizieren zu können. Abb. 5. Shearogramm einer i.o.-klebnaht (Tiefziehstahl 1 mm - Tiefziehstahl 1 mm) Im Verlauf der Messungen wurden alle Prüfkörper zuerst von einer, anschließend (um 180 um die Längsachse gedreht) von der anderen Seite untersucht. So konnten Einflüsse der Anregungsseite auf die Detektion der Fehler bestimmt werden. Zudem konnte so einerseits die Lage des Fehlers (besonders bei einseitigen Fehlern wie Delaminationen und Kissing Bonds) sowie andererseits der Einfluss der Substratstärke auf die Shearografiemessung besser analysiert werden. 5.1 Tiefziehstahl 1 mm - Tiefziehstahl 1 mm Für die Auswertung der Probenreihe Tiefziehstahl 1 mm - Tiefziehstahl 1 mm wurde eine Induktionsdauer von 0,1 s definiert. Bei einer Pulsweitenmodulation (PWM) von 200 konnten die eingebrachten Fehler am klarsten identifiziert werden. Abb. 6 zeigt die Shearogramme ausgewählter Prüfkörper. Dabei ist zu erkennen, dass einige Fehler aufgrund des besseren Signal-Rausch-Verhältnisses leichter zu erkennen sind, als andere (vgl. fehlender Klebstoff, Abb. 6 a), inhomogene Durchmischung, Abb. 6 b). Andere Fehler lassen sich nur schwer erkennen (vgl. Delamination, Abb. 6 c). Während bei diesen Fehlern die Größe der Fehlstelle an dem Shearogramm erkennbar ist, lassen sich Kissing Bonds nur aufgrund der Verformungsänderung von einem größeren Bereich erkennen (vgl. Kissing Bond, Abb. 6 d). Die genaue örtliche Einschränkung des Fehlers ist somit kaum möglich. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass bei dieser Probenreihe fehlender Klebstoff, Lufteinschlüsse und falsches Mischungsverhältnis sehr gut detektiert werden konnten. 5

6 Delaminationen und inhomogene Durchmischung konnten gut detektiert werden. Kissing Bonds, mittels PTFE-Spray erzeugt, konnten gut detektiert werden. Nicht erkennbar war der Fehlertyp ungleichmäßige Klebstoffdicke. Bei dieser Substratkombination konnten die Fehlertypen unabhängig von der Anregungsseite gleich gut detektiert werden. a b c d Abb. 6. Shearogramme fehlerbehafteter Prüfkörper (Tiefziehstahl 1 mm - Tiefziehstahl 1 mm); a: fehlender Klebstoff (20 mm), b: inhomogene Durchmischung, c: Delamination (5mm), d: Kissing Bond (10 mm) 5.2 Tiefziehstahl 1 mm - Tiefziehstahl 3 mm Bei der Probenreihe Tiefziehstahl 1 mm - Tiefziehstahl 3 mm wurde ebenfalls eine PWM von 200 verwendet. Einer Induktionsdauer von 0,1 s führte zu den Messdaten mit dem besten Signal-Rausch-Verhältnis. Bei den ersten Messreihen dieser Probenserie wurde die 3 mm-tiefziehstahl-seite zum Induktor, die 1 mm-tiefziehstahl-seite zum Shearografiesensor ausgerichtet. Hier zeigte sich ein ähnliches Detektionsvermögen wie bei der Probenreihe Tiefziehstahl 1 mm - Tiefziehstahl 1 mm. Fehlender Klebstoff, inhomogene Durchmischung und falsches Mischungsverhältnis konnten sehr gut, die Delaminationen gut detektiert werden. Lufteinschlüsse konnten insgesamt nur schwer detektiert werden. Eine Detektion des Fehlertyps ungleichmäßige Klebstoffdicke und Kissing Bonds konnte nicht realisiert werden. Durch das Wenden der Prüfobjekte wurde anschließend das dickere Substrat (3 mm) auf der Oberseite zum Sensor hin ausgerichtet. Aufgrund der höheren Steifigkeit des zum Sensor ausgerichteten Substrates ergab sich ein anderes Detektionsverhalten. So konnte einzig der Fehlertyp falsches Mischungsverhältnis (siehe Abb. 7) gut detektiert werden, bei dem die Harz-Komponente fehlte. In diesem Bereich konnte keine Aushärtung stattfinden. 6

7 Schwer zu erkennen war der Fehlertyp inhomogene Durchmischung. Alle anderen eingebrachten Fehler konnten nicht detektiert werden. Abb. 7. Shearogramm des Fehlers falsches Mischungsverhältnis (Tiefziehstahl 1 mm - Tiefziehstahl 3 mm) bei Anregung von Seiten der 1 mm-tiefziehstahl-seite 5.3 Tiefziehstahl 1 mm CFK 1,5 mm Bei der Probenreihe Tiefziehstahl 1 mm - CFK 1,5 mm wurde die Pulsweitenmodulation in Abhängigkeit von der Anregungsseite gewählt. So betrug die PWM bei Anregung des Stahlsubstrates 200, bei Anregung des CFK-Substrates 150. Die eindeutigsten Shearogramme wurden bei einer Induktionsdauer von 0,1 s generiert. Bei der Probenausrichtung, bei der das CFK-Substrat zum Sensor ausgerichtet wurde, konnte eine Vielzahl von Fehlern erkannt werden. Zu den sehr gut detektierbaren Fehlertypen zählen Lufteinschlüsse und Delaminationen (siehe Abb. 8). Gut erkennbar waren die Fehlertypen inhomogene Durchmischung und falsches Mischungsverhältnis. Fehlender Klebstoff konnte nur schwer, ungleichmäßige Klebstoffdicke sowie Kissing Bonds konnten nicht detektiert werden. Abb. 8. Shearogramm des Fehlers Delamination (20 mm) (Tiefziehstahl 1 mm CFK 1,5 mm) Das Positionieren des Tiefziehstahlsubstrates zum Sensor führte dazu, dass kaum ein Fehlertyp erkannt werden konnte. Einzig falsche Mischungsverhältnisse sowie Delaminationen konnten detektiert werden. Alle anderen Fehlertypen waren bei der Anordnung nicht detektierbar. Die Gründe dafür liegen in der höheren Steifigkeit des Stahlsubstrates. 5.4 CFK 1,5 mm CFK 1,5 mm Die Induktionsdauer sowie die Induktionsleistung der Probenreihe CFK 1,5 mm - CFK 1,5 mm mussten deutlich erhöht werden, um eine ausreichende Wärmemenge in den Substraten zu erzeugen. So konnten die besten Messergebnisse bei einer Induktionsdauer von 0,6 s und einer PWM von 700 generiert werden. Bei dieser artgleichen Substratkombination konnten keine Einflüsse der Ausrichtung der Probe zum Sensor festgestellt werden. Die Fehlertypen fehlender Klebstoff, falsches Mischungsverhältnis (siehe Abb. 9) sowie Delaminationen konnten jeweils gut detektiert werden. Die Fehlertypen Lufteinschlüsse, ungleichmäßige Klebstoffdicke, inhomogene Durchmischung sowie Kissing Bonds konnten hingegen nicht detektiert werden. 7

8 Abb. 9. Shearogramm des Fehlers falsches Mischungsverhältnis (CFK 1,5 mm - CFK 1,5 mm) Bei den Messungen der eingebrachten Fehler konnte gleichzeitig die Lage der einzelnen Kohlenstofffasern visualisiert werden (siehe Abb. 9). Abweichungen in der Positionierung der Kohlenstofffasern, die bei der Fertigung entstehen können, konnten ebenfalls während der Messungen beobachtet werden. 6. Zusammenfassung Die vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass induktiv angeregte Shearografie zur zerstörungsfreien Prüfung von strukturellen Klebungen eingesetzt werden kann. Dabei zeigte es sich, dass die geprüften Substrate (z. B. verwendetes Material, Wandstärke) einen hohen Einfluss auf das Messergebnis haben. Ebenso zeigte sich der Einfluss der Prüfseite auf die Detektierung der eingebrachten Fehler bei unterschiedlichen Substrateigenschaften. Eine deutlich höhere Detektierbarkeit der Fehler konnte beobachtet werden, wenn das Substrat mit der geringeren Steifigkeit zum Shearografiesensor ausgerichtet war. Zusammenfassend konnten Fehlertypen mit plötzlich eintretenden Steifigkeitsänderungen detektiert werden. Stetige Änderungen der Steifigkeit wie beim Fehlertyp ungleichmäßige Klebstoffdicke konnten in den Messreihen nicht detektiert werden. Zudem war es bei der Probenreihe Tiefziehstahl 1 mm - Tiefziehstahl 1 mm möglich, mit Hilfe der induktiv angeregten Shearografie simulierte Kissing Bonds anhand der lokalen Verformungsgradienten um die Fehlstelle herum zu detektieren. Im Detail konnte gezeigt werden, das die induktive Anregung gut für Substrate aus Metall sowie CFK geeignet ist. Bei Metall-Metall-Strukturklebungen mit geringer Materialdicke konnten fehlender Klebstoff, falsches Mischungsverhältnis gut detektiert, sowie Lufteinschlüsse und Delaminationen detektiert werden. Die Prüfung von CFK-Metall- Strukturklebungen war gut realisierbar. Dabei waren die Fehlertypen Lufteinschlüsse, falsches Mischungsverhältnis bzw. inhomogene Durchmischung sowie Delaminationen gut bis sehr gut detektierbar. Bei CFK-CFK-Strukturklebungen konnten die Fehlertypen fehlender Klebstoff, falsches Mischungsverhältnis sowie Delaminationen nachgewiesen werden. Danksagung Das IGF-Vorhaben Einsatz der Optisch, Mechanisch und Induktiv angeregten Shearografie für die ZfP von hochfesten Strukturklebungen und elastischen Dickschichtklebungen, IGF- Projekt Nr N, der Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e. V. des DVS, Aachener Str. 172, Düsseldorf wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Für diese Förderung sei gedankt. Weiterhin gilt unser Dank dem projektbegleitenden Ausschuss für die konstruktive Unterstützung während der Projektbearbeitung. 8

9 Referenzen [1] Habenicht, G.: Kleben. Grundlagen, Technologien, Anwendungen. 6., aktualisierte Auflage. Springer- Verlag, Berlin, [2] Brockmann, W.; Geiß, P. L.; Klingen, J.; Schröder, B.: Klebtechnik. Klebstoffe, Anwendungen und Verfahren. Wiley-VCH Verlag, Weinheim, [3] Steinchen, W.; Yang, L. X.: Digital shearography. Theory and application of digital Speckle pattern shearing interferometry. SPIE Optical Engineering Press, Bellingham, Wash, [4] Hung, Y. Y.; Ho, H. P.: Shearography: An optical measurement technique and applications. In: Materials Science and Engineering R: Reports, Jahrgang 49, 2005, Seite [5] Benkowsky, G.: Induktionserwärmung. Härten, Glühen, Schmelzen, Löten, Schweißen. 5., stark bearbeitete Auflage. VEB Verlag Technik, Berlin,