Impulsthermografie und FE-Simulation Möglichkeiten & Grenzen bei der Fehlererkennung in metallischen Werkstoffen 23.05.2014 Postl 1
INHALT Projekt Impulsthermografie Grundlagen Impulsthermografie & FE-Simulation Kugeleinschluss (Pore) Anbindungsfehler bei lasergeschweißten Überlappstößen Beispiele von Parameterstudien eindimensional vollfaktoriell 23.05.2014 Postl 2
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) 23.05.2014 Postl 3
IMPULSTHERMOGRAFIE - Vorteile zerstörungsfrei berührungslos schnell flächenhaft Bildfolge eines Kugeleinschlusses [3] 23.05.2014 Postl 4
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 23.05.2014 Postl 5
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 23.05.2014 Postl 6
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 23.05.2014 Postl 7
REALE IMPULSTHERMOGRAFIE Ziel der Gliederung: Identifikation der relevanten Parameter für die Simulation 23.05.2014 Postl 8
REALE IMPULSTHERMOGRAFIE Ziel der Simulation: Grenzen und Möglichkeiten der Detektion (generelle Machbarkeit) allgemeingültige Simulationsergebnisse Idealisierung der Störeinflüsse 23.05.2014 Postl 9
REALE IMPULSTHERMOGRAFIE 23.05.2014 Postl 10
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. 23.05.2014 Postl 11
VALIDIERUNGSMESSUNG Impulsthermografieprüfstand für die Probenvermessung der Firma Infratec a) Xenon-Blitzkopf b) Probe mit Emissionslack c) Infrarotkamera in Transmissionsanordnung 23.05.2014 Postl 12
VALIDIERUNGSMESSUNG - Kugeleinschluss Aufnahmezeitraum ca. 160 ms 23.05.2014 Postl 13
SIMULATION - Kugeleinschluss Modell des Kugeleinschlusses 23.05.2014 Postl 14
SIMULATION - Kugeleinschluss transiente Temperaturverteilung an der Oberfläche ( Darstellung als Kontrast zur allgemeinen Erwärmung ) 23.05.2014 Postl 15
SIMULATION - Kugeleinschluss Temperaturdifferenz T diff als Funktion des Ortes (t = 100 ms) R Radius (geometrische Ausdehnung) ΔT Temperaturkontrast 23.05.2014 Postl 16
EINDIMENSIONALE PARAMETERSTUDIE Temperaturkontrast ΔT als Funktion der Zeit [2] rote Punkte: Maxima der Kontrastverläufe 23.05.2014 Postl 17
EINDIMENSIONALE PARAMETERSTUDIE Radius als Funktion der Zeit [2] rote Punkte: Radien des jeweiligen Kontrastmaximums 23.05.2014 Postl 18
EINDIMENSIONALE PARAMETERSTUDIE T max [mk] R_ T max [mm] 60 50 40 30 20 10 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Kugeltiefe [mm] 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 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 23.05.2014 Postl 19
VALIDIERUNGSMESSUNG - Überlappstoß 23.05.2014 Postl 20
SIMULATION - Überlappstoß Modell des Anbindungsfehlers beim Überlappstoß 23.05.2014 Postl 21
SIMULATION - Überlappstoß transiente Temperaturverteilung an der Oberfläche 23.05.2014 Postl 22
VALIDIERUNGSMESSUNG - Überlappstoß T [K] 10 8 6 4 2 0 0 100 200 300 400 500 600 t [ms] Vergleich von Simulation und Messung am Überlappstoß Messung Probe 1 Probe 2 Simulation 23.05.2014 Postl 23
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 23.05.2014 Postl 24
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) 23.05.2014 Postl 25
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 23.05.2014 Postl 26
KONTAKT plasmo Industrietechnik GmbH (Wien) Dr. Grünberger (Projektleitung) Tel.: +43 1 236 26 07-0 Infratec GmbH (Dresden) Dr. Mahler Tel.: +49 351 871-8620 Schweißtechnische Zentralanstalt (Wien) DI Basalka Tel.: +43 1 798 26 28-24 23.05.2014 27
Impulsthermografie und FE-Simulation Möglichkeiten & Grenzen bei der Fehlererkennung in metallischen Werkstoffen 23.05.2014 Postl 28