DE102012008531B4

DE102012008531B4 - Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung einer Fügeverbindung eines Bauteils mittels Induktions-Thermografie und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102012008531B4
Application number: DE201210008531
Authority: DE
Inventors: Dr. Kraska Martin; Fabian Hönl; Jan Rathmann
Original assignee: Inpro Innovationsgesellschaft fuer Fortgeschrittene Produktionssysteme in der Fahrzeugindustrie mbH
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2012-04-07
Filing date: 2012-04-07
Publication date: 2014-02-13
Anticipated expiration: 2032-04-08
Also published as: DE102012008531A1

Abstract

Verfahren zum zerstörungsfreien Prüfen einer Fügeverbindung eines Bauteils (8) mittels Induktions-Thermografie, bei dem das Bauteil (8) in einer Prüfzone (10) des Bauteils (8) mit einem Induktor (1), der gleichsinnig gewickelte Spulen mit ferromagnetischem Spulenkern (5) aufweist, thermografisch angeregt wird und das durch die induktive Anregung des Bauteils (8) bedingte Temperaturprofil in der Prüfzone (10) des Bauteils (8) mit einer Thermografiekamera (11) erfasst und mittels eines mit der Thermografiekamera (11) gekoppelten Rechners (19) ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den ferromagentischen Spulenkernen (5) der gleichsinnig gewickelten Spulen des Induktors (1) ein ein Sichtfenster für die Thermografiekamera (11) bildender Durchbruch ausgebildet wird, der auf die Anregungsoberfläche des Bauteils (8) in der Prüfzone (10) des letzteren ausgerichtet wird, in die Anregungsoberfläche des Bauteils von dem Induktor (1) ein Wärmeimpuls eingebracht wird, der einen transversalen Wärmefluss in der Anregungsoberfläche erzeugt und die Prüfzone (10) des Bauteils (8) homogen erwärmt, und zugleich die Thermografiekamera (11) auf der Seite der Anregungsoberfläche des Bauteils (8) positioniert und zu dem das Sichtfenster bildenden Durchbruch des Induktors (1) ausgerichtet wird, wobei eine hindernisfreie Sicht der Thermografiekamera (11) durch den Durchbruch des Induktors (1) hindurch auf die homogen erwärmte Prüfzone (10) des Bauteils (8) hergestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum zerstörungsfreien Prüfen einer Fügeverbindung eines Bauteils mittels Induktions-Thermografie, bei dem das Bauteil in einer Prüfzone des Bauteils mit einem Induktor, der gleichsinnig gewickelte Spulen mit ferromagnetischem Spulenkern aufweist, thermografisch angeregt wird und das durch die induktive Anregung des Bauteils bedingte Temperaturprofil in der Prüfzone des Bauteils mit einer Thermografiekamera erfasst und mittels eines mit der Thermografiekamera gekoppelten Rechners ausgewertet wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens der zuvor genannten Art, mit einem Induktor, der gleichsinnig gewickelte Spulen mit ferromagnetischem Spulenkern aufweist und von dem das Bauteil in einer Prüfzone des Bauteils thermografisch anzuregen ist, mit einer Thermografiekamera, von der das durch die induktive Anregung des Bauteils bedingte Temperaturprofil in der Prüfzone des Bauteils zu erfassen ist, und mit einem mit der Thermografiekamera gekoppelten Rechner für die Auswertung des von der Thermografiekamera erfassten Temperaturprofils des Bauteils.
Es ist bekannt, dass für die induktionsangeregte Thermografie die Anregungsbereiche innerhalb sehr kurzer Zeitintervalle (10–500 ms) homogen erwärmt werden müssen, da inhomogen Erwärmungen laterale Wärmeflüsse im Prüfbereich zur Folge haben und damit eventuell zu einer Überlagerung von Fehlbildern der Thermografiekamera führen können (Vrana, J.: Grundlagen und Anwendungen der aktiven Thermografie mit elektromagnetischer Anregung; Saarbrücker Reihe Materialwissenschaft und Werkstofftechnik * Band (Dissertation), Aachen: Shaker, 2009).
So hat sich bei Anregung eines Stahlblechs mittels eines nach Mazac bekannten Flachinduktors, der einen lateral gestreckten Punktinduktor mit einer um einen Plattenkern gewickelten Spule darstellt, am Ende eines Erwärmpulses einer Länge von t_Imp = 50 ms ein relativ homogenes Erwärmfeld mit ovalem Umriß einer Fläche von ca. 100 mm × 15 mm ergeben. Dieser Flachinduktor eignet sich daher besonders für eine Prüfung von linienförmigen Fügeverbindungen wie z. B. Laserschweißnähten im Automobilbau (Christian SRAJBR, Klaus DILGER, Simon DEHAAN, Christian LAMMEL, Alexander DILLENZ „Zerstörungsfreie Prüfung von Fügeverbindungen mit Induktions-Puls-Phasen-Thermografie”, Thermografie-Kolloquium 2011,- Vortrag 10).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art und eine Anordnung zu dessen Durchführung zur Verfügung zu stellen, mit dem bei einseitiger Zugänglichkeit der Fügeverbindung des zu prüfenden Bauteils eine Induktionsanregung gewährleistet wird, bei der die Prüfzone homogen erwärmt und gleichzeitig eine ungehinderte Sicht der Thermografiekamera auf die erwärmte Prüfzone gewährleistet wird. Zudem soll die thermografische Prüfung insbesondere bei randnahen Laserschweißnähten ermöglicht werden, ohne dass die bei der Induktionsanregung erzeugten Wirbelströme auch auf die der Anregungsoberfläche gegenüberliegende Oberfläche des Bauteils fließen und der Aufbau eines Temperaturgefälles in Dickenrichtung des zu prüfenden Bauteils behindert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß verfahrensmäßig dadurch gelöst, dass
zwischen den ferromagentischen Spulenkernen der gleichsinnig gewickelten Spulen des Induktors ein ein Sichtfenster für die Thermografiekamera bildender Durchbruch ausgebildet wird, der auf die Anregungsoberfläche des Bauteils in der Prüfzone des letzteren ausgerichtet wird,
in die Anregungsoberfläche des Bauteils von dem Induktor ein Wärmeimpuls eingebracht wird, der einen transversalen Wärmefluss in der Anregungsoberfläche erzeugt und die Prüfzone des Bauteils homogen erwärmt, und
zugleich die Thermografiekamera auf der Seite der Anregungsoberfläche des Bauteils positioniert und zu dem das Sichtfenster bildenden Durchbruch des Induktors ausgerichtet wird, wobei eine hindernisfreie Sicht der Thermografiekamera durch den Durchbruch des Induktors hindurch auf die homogen erwärmte Prüfzone des Bauteils hergestellt wird.
Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch ein Verfahren der eingangs erwähnten Art gelöst, das durch die Kombination der folgenden Verfahrensschritte gekennzeichnet ist:
zunächst wird ein von einem Induktor, der als Streifeninduktor aus zwei parallelen und im Abstand zueinander angeordneten Polplatten, die durch zwei im Abstand zueinander angeordnete ferromagnetische Spulenkerne mit jeweiliger gleichsinnig gewickelter Spule verbunden sind, auszubilden ist, in die Anregungsoberfläche des Bauteils einzubringender Wärmeimpuls zur Erzeugung eines transversalen Wärmeflusses in Abhängigkeit von dem zerstörungsfrei zu prüfenden Bauteil numerisch simuliert, indem die Kennwerte Abmessungen der Polplatten, Werkstoff der Polplatten, Abmessungen der Spulenkerne, Dicke des Spulendrahtes, Spalt zwischen Induktor und Anregungsoberfläche des Bauteils, Spulenhöhe, Erregerfrequenz, Widerstand und Induktivität für eine optimale Heizleistungsverteilung in Längsrichtung des Streifeninduktors optimiert werden,
dann wird der Induktor entsprechend der numerischen Simulation als Streifeninduktor aus den zwei parallelen und im Abstand zueinander angeordneten Polplatten gebildet, die durch die zwei im Abstand zueinander angeordnete ferromagnetische Spulenkerne mit jeweils gleichsinnig gewickelter Spule verbunden werden derart, dass zwischen den Spulenkernen ein als Sichtfenster für die Thermografiekamera dienender Durchbruch entsteht, der auf die Prüfzone der Anregungsoberfläche des Bauteils ausgerichtet wird,
darauf wird in die Prüfzone der Anregungsoberfläche des Bauteils mittels des Streifeninduktors der mittels der numerischen Stimulation vorausbestimmte, den transversalen Wärmefluss entsprechend der numerischen Simulation erzeugende Wärmeimpuls eingebracht, der in Dickenrichtung des Bauteils abfließt, ohne auch auf der der Anregungsoberfläche gegenüberliegenden Oberfläche des Bauteils zu fließen, wobei die Prüfzone des Bauteils homogen erwärmt wird, und
zugleich wird die Thermografiekamera auf der Seite der Anregungsoberfläche des Bauteils in Bezug zu dem das Sichtfester bildenden Durchbruch des Streifeninduktors ausgerichtet so positioniert, dass eine freie Sicht der Thermografiekamera durch den Durchbruch des Streifeninduktors hindurch auf die homogen erwärmte Prüfzone des Bauteils gewährt und das reflektierte Temperaturprofil des Bauteils von der Thermografiekamera durch den Durchbruch des Streifeninduktors hindurch ungehindert erfasst wird.
Vorzugsweise werden die von dem Induktor induktiv erzeugten Wirbelströme beim Einbringen des Wärmeimpulses in die Anregungsoberfläche des Bauteils parallel zu einer laserstahlgeschweißten I-Naht an einem Überlappungsstoß des Bauteils geführt, ohne dass die Wirbelströme auch auf der zur Anregungsoberfläche entgegengesetzten Oberfläche des Bauteils fließen, wobei ein Temperaturgefälle in Richtung der Dicke des Bauteils hinderungsfrei aufgebaut und von der Thermografiekamera durch den zwischen den Spulenkernen des Induktors gebildeten Durchbruch hindurch thermografisch erfasst wird.
Vorzugsweise werden der Induktor zusammen mit der Thermografiekamera bei deren Sichtrichtung durch den Durchbruch zwischen den Spulenkernen des Induktors hindurch und die Anregungsoberfläche des Bauteils relativ zueinander bewegt. Der Induktor und die Thermografiekamera können auch synchron zur Prüfzone des Bauteils bewegt werden, wobei die induktiv erzeugten Wirbelströme kantenparallel geführt werden und die Anregungsoberfläche in der Prüfzone kantennah gleichmäßig erwärmt wird.
Die Anordnung der eingangs erwähnten Art zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens der zuvor erwähnten Art ist dadurch gekennzeichnet, dass
der Induktor zwischen den beiden im Abstand zueinander angeordneten ferromagnetischen Spulenkernen mit der jeweils gleichsinnig gewickelten Spule einen ein Sichtfenster für die Thermografiekamera bildenden Durchbruch aufweist, der auf die Anregungsoberfläche des Bauteils in der Prüfzone des letzteren auszurichten ist,
in die Anregungsoberfläche von dem Induktor ein Wärmeimpuls einzubringen ist, der einen transversalen Wärmefluss in der Anregungsoberfläche erzeugt und von dem die Prüfzone des Bauteils homogen erwärmbar ist,
die Thermografiekamera auf der Seite der Anregungsoberfläche des Bauteils positioniert und zu dem das Sichtfenster bildenden Durchbruch des Induktors ausgerichtet ist, wobei eine hindernisfreie Sicht der Thermografiekamera durch den Durchbruch des Induktors hindurch auf die homogen erwärmte Prüfzone des Bauteils gegeben ist, und
der Induktor mit der Thermografiekamera und die Anregungsoberfläche des Bauteils relativ zueinander zu bewegen sind.
Vorzugsweise weist der Induktor einen Rahmen aus zwei parallelen, im Abstand zueinander angeordneten ferromagnetischen Polplatten auf, die durch die beiden im Abstand zueinander angeordneten ferromagnetischen Spulenkerne der beiden gleichsinnig gewickelten Spulen verbunden sind und zwischen denen der Durchbruch des Induktors vorgesehen ist, der das Sichtfenster für die Thermografiekamera bildet.
Bevorzugt sind die beiden parallelen ferromagnetischen Polplatten des Induktors identisch rechteckförmig und mit geringer Stärke ausgebildet und die beiden die Polplatten verbindenden ferromagnetischen Spulenkerne mit der jeweiligen Spule jeweils an einem Ende des Induktors so positioniert sind, dass eine ungehinderte Sicht für die auf der Seite der Anregungsoberfläche angeordnete und auf letztere ausgerichtete Thermografiekamera zwischen den Polplatten hindurch auf die Prüfzone der Anregungsoberfläche des Bauteils gegeben ist, wobei der Eisenkern des Induktors durch die beiden parallelen rechteckigen Polplatten, die letztere verbindenden Spulenkerne und das zu prüfende Bauteil gebildet ist.
Die Höhe der beiden Spulenkerne, die jeweils an einem Ende des Induktors angeordnet sind und die beiden parallelen rechteckigen Spulenkerne verbinden, und damit die Höhe der jeweiligen auf den Spulenkernen aufgewickelten Spulen in Bezug zu der Kante jeder rechteckförmigen Polplatte, die der Anregungsoberfläche des zu prüfenden Bauteils zugewandt ist, kann variabel sei.
Vorzugsweise sind der Induktor und die Thermografiekamera, die auf den das Sichtfenster bildenden Durchbruch des Induktors ausgerichtet ist, zu einem kompakten Sensorkopf verbunden, der manuell oder mittels eines Roboters zu führen ist.
Die Aufteilung des Eisenkern des erfindungsgemäßen Streifeninduktors, der durch die beiden parallelen Polplatten des Streifeninduktors und die letztere verbindenden Spulenkerne sowie das zu prüfende Bauteil gebildet wird, zwischen den beiden Polplatten auf die zwei Spulenkerne bringt folgende Vorteile mit sich:

– Die Spulen können an den Enden des Induktors angeordnet werden und geben die Sicht für die Thermografiekamera zwischen den Polplatten frei.
– Die Polplatten tragen selbst keine Wicklungen und können sehr dünn ausgeführt werden. Hierdurch ist es möglich, z. B. die kompakte Baueinheit in Form eines Sensorkopfes aus dem Streifeninduktor und der mit diesem verbundenen Thermografiekamera sehr dicht an Störkonturen, z. B. im Bereich von Flanschen bei deren zerstörungsfreien Prüfung heranzuführen.
– Die Spulen können vergleichsweise weit entfernt von der Anregungsoberfläche des Bauteils angeordnet werden, so dass im Extremfall das Objektiv der Therrmografiekamera in den Durchbruch des Induktors zwischen den Polplatten und den beiden Spulen, die jeweils auf einem der die Polplatten verbindenden Spulenkerne gleichsinnig aufgewickelt sind, hineinragen kann. Die Höhe der Polplatten ist im Prinzip nicht begrenzt, solange deren Material ausreichend permeabel ist.

Mit dem erfindungsgemäßen Streifeninduktor ist bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine gleichmäßige Erwärmung der Prüfzone des Bauteils gewährleistet. Da der Induktor mit seinem Durchbruch auf die Prüfzone der Anregungsoberfläche des zu prüfenden Bauteils auszurichten ist, wird eine Verdeckung des reflektierten Temperaturprofils des thermografisch angeregten Bauteils durch den Induktor vermieden. Die baueinheitliche Kombination des erfindungsgemäßen Induktors und der Thermografiekamera zu einem kompakten Sensorkopf eignet sich ausgezeichnet für die thermografische Prüfung von Lasernähten bei einseitiger Zugänglichkeit des Bauteils, insbesondere in unmittelbarer Randnähe, z. B. bei einer Flanschnaht, wobei der kompakte Sensorkopf manuell oder mittels eines Roboters zu führen ist.
Die Erfindung wird nun unter Bezug auf die Zeichnungen erläutert. In diesen sind:
1 eine schematische Perspektivansicht einer ersten Ausführungsform des im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Streifeninduktors,
2 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
3 ein elektrisches Schaltbild der beiden Spulen des Induktors, die gleichsinnig gewickelt jeweils auf einem der beiden Spulenkerne des Induktors aufgewickelt sind,
4 eine der 1 entsprechende schematische Perspektivansicht einer zweiten Ausführungsform des Induktors als Streifeninduktor,
5 eine schematische Perspektivansicht der zweiten Ausführungsform des Streifeninduktors in randnaher Zuordnung zur Anregungsoberfläche eines zu prüfenden Bauteils,
6 eine der 3 entsprechende schematische Perspektivansicht der zweiten Ausführungsform des Streifeninduktors in einer randnahen Zuordnung zur Anregungsoberfläche des zu prüfenden Bauteils jedoch bei nur teilweisem Schluss des Eisenkreises durch letzteres,
7 eine Draufsicht auf eine schematisch dargestellte erste Variante der zweiten Ausführungsform des Induktors, bei der die quer zu den Polplatten verlaufenden Spulen besonders schlank ausgeführt sind,
8 eine Perspektivansicht schräg von oben einer schematisch dargestellten zweiten Variante der zweiten Ausführungsform des Induktors in besonders flacher Bauform,
9 eine perspektivische Modelldarstellung aus einer Simulation einer an eine Lasernahtprüfung angepasste Variante der zweiten Ausführungsform des Induktors als Streifeninduktor in Zuordnung zu dem zu prüfenden Bauteil,
10a bis 10c Darstellungen, aus denen die maximale Heizleistungsdichte in kW/m² aus der Simulation nach 9 in der Seitenansicht, der Draufsicht und einer Stirnansicht des Streifeninduktors hervorgeht,
11a bis 11c jeweils eine Seitenansicht mit zugeordneter Draufsicht des Streifeninduktors gemäß der Simulation bei jeweiliger unterschiedlicher Höhenanordnung der beiden Spulen des Induktors in Bezug zur Anregungsoberfläche des zu prüfenden Bauteils und der sich jeweils ergebenden maximalen Heizleistungsdichte,
12 ein Diagramm, aus der die Veränderung der Temperatur (°C) während der induktiven Anregung über die Zeit (frames) hervorgeht.
13 ein Diagramm, aus dem die Veränderung der Temperatur (°C) während der induktiven Anregung in Längsrichtung, Querrichtung und längs der Diagonalen der Prüfzone eines geprüften Bauteils über die Zeit (px) hervorgeht.
Aus 1 geht eine erste Ausführungsform des Induktors 1 der erfindungsgemäßen Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung hervor, bei der der Induktor 1 einen einstückigen Rahmen 2 aus ferromagnetischen Material aufweist, der zwei parallele, im Abstand zueinander angeordnete rechteckförmige ferromagnetische Polplatten 3 besitzt, die an ihren Enden 4 jeweils über einstückig mit diesen ausgebildeten, verhältnismäßig schlanken Spulenkerne 5 derart verbunden sind, dass zwischen letzteren ein Durchbruch 6 des Induktors 1 gebildet ist, der von oben eine freie Sicht in den Raum zwischen den Polplatten 3 des Induktors 1 gewährt. Auf den beiden Spulenkernen 5, die im Querschnitt rechteckförmig sind und deren obere Fläche mit der jeweiligen Oberkante der beiden Polplatten 1 fluchtet, ist jeweils eine Spule 7 vorgesehen. Die beiden Spulen 7 sind, wie 3 zeigt, gleichsinnig gewickelt und in Reihe geschaltet.
Zur zerstörungsfreien Prüfung einer Fügeverbindung eines Bauteils 8 wird, wie aus 2 ersichtlich ist, in dessen Anregungsoberfläche 9 mittels des Induktors 1 ein einen transversalen Wärmefluss erzeugender Wärmeimpuls induktiv eingebracht, wobei der Durchbruch 6 zwischen den Spulenkernen 5 des Induktors 1 auf die die Fügeverbindung umfassende Prüfzone 10 der Anregungsoberfläche 9 des zu prüfenden Bauteils 8 ausgerichtet und die Prüfzone 10 des Bauteils 1 homogen erwärmt wird.
Zugleich wird auf der Seite der Anregungsoberfläche 9 des zu prüfenden Bauteils 8 eine Thermografiekamera 11 zum Durchbruch 6 im Induktor 1 ausgerichtet so positioniert, dass eine ungehinderte Sicht der Thermografiekamera 11 durch den Durchbruch 6 des Induktors 1 hindurch auf die homogen erwärmte Prüfzone 10 des Bauteils 8 gegeben ist und das reflektierte Temperaturprofil des zu prüfenden Bauteils 8 von der Thermografiekamera 11 durch den Durchbruch 6 des Induktors 1 hindurch sichtfrei erfasst wird. Das von der Thermografiekamera 11 erfasste reflektierte Temperaturprofil des geprüften Bauteils 8 wird dann mittels eines mit der Thermografiekamera gekoppelten Rechners 19 ausgewertet.
Wie in 2 der Doppelpfeil 12 symbolisiert, ist der Induktor 1 geeigneterweise in einem Anstand d = 1 mm parallel zur Anregungsoberfläche 9 des zu prüfenden Bauteils 8 führbar, wobei das auf den Durchbruch 6 des Induktors 1 ausgerichtete Objektiv 13 der Thermografiekamera 11 oberhalb des Induktors 1 stets in einem Abstand von h = 120 mm zu der Anregungsoberfläche 9 des zu prüfenden Bauteils 8 positioniert bleibt. Am Induktor 1 kann ein nicht dargestellter Abstandssensor vorgesehen sein, mit dem der Abstand h des Induktors 1 zur Prüfzone 10 des Bauteils 8 während der zerstörungsfreien Prüfung der Fügeverbindung konstant zu halten ist.
4 zeigt eine zweite, bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäß eingesetzten Induktors 1 in Form eines sogenannten Streifeninduktors, der sich insbesondere zur zerstörungsfreien Prüfung von lasergeschweißten I-Nähten am Überlappungsstoß eines Bauteils 8 eignet. Die beiden parallelen ferromagnetischen Polplatten 3 des Streifeninduktors 1 sind, wie 4 zeigt, identisch rechteckförmig und mit geringer Stärke ausgebildet. Die beiden die Polplatten 3 verbindenden ferromagnetischen Spulenkerne 5 weisen einen kreisrunden Querschnitt auf und sind jeweils an den gegenüberliegenden Ende 4 des Streifeninduktors 1 unterhalb dessen Oberkante 14 so angeordnet, dass zwischen ihnen ein verhältnismäßig großräumiger Durchbruch 6 des Streifeninduktors 1 gebildet ist, der eine ungehinderte Sicht für die auf der Seite der Anregungsoberfläche 9 des zu prüfenden Bauteils 8 zu positionierende und mit ihrem Objektiv 13 von oben auf den Durchbruch 6 des Streifeninduktors 1 auszurichtende Thermografiekamera 11 gewährt. Der geschwungen geführte Pfeil 15 in 4 symbolisiert, dass der vom magnetischen Fluss durchsetzte Eisenkreis des Streifeninduktors 1 durch die beiden parallelen rechteckförmigen Polplatten 3, die beiden letztere verbindenden ferromagnetischen Spulenkerne 5 und das zu prüfende Bauteil 8 gebildet wird.
5 zeigt den Einsatz des Streifeninduktors 1 in Nähe der Randkante 16 der Anregungsoberfläche 9 des zu prüfenden Bauteils 8 und verdeutlicht, dass die bei der induktiven Anregung erzeugten Wirbelströme 17 zwischen den beiden ferromagnetischen Polplatten 3 des Streifeninduktors 1 nahezu parallel in Längsrichtung der Randkante 16 des Bauteils 8 verlaufen, ohne auch auf der der Anregungsoberfläche 9 gegenüberliegenden Oberfläche des Bauteils 8 zu fließen, deren Erwärmung damit minimal ist.
6 zeigt eine der 5 entsprechende Anordnung des Streifeninduktors 1 in Nähe der Randkante 16 des zu prüfenden Bauteils 8, wobei eine der beiden ferromagnetische Polplatte 3 des Streifeninduktors 1 geringfügig in Bezug zur Randkante 16 des zu prüfenden Bauteils 8 nach außen versetzt ist, d. h. der vom magnetischen Fluss durchsetzte Eisenkreis durch das zu prüfende Bauteil 8 ist nur teilweise geschlossen. Wie der den 5 und 6 zugeordnete jeweilige Skalierungsmaßstab deutlich macht, reduziert sich die Heizleistung W/m² bei diesem teilweisem Schluss des Eisenkerns durch das zu prüfende Bauteil 8 infolge des steigenden magnetischen Widerstands und des dadurch sinkenden Koppelfaktors, und zwar von max. 332 W/m² bei der Anordnung des Streifeninduktors 1 zum Bauteil 8 nach 5 auf max. 134 W/m² bei der Anordnung des Streifeninduktors 1 zum Bauteil 8 nach 6. Da die ferromagnetischen Polplatten 3 des Streifeninduktors 1 nach den 3 bis 6 mit sehr geringer Stärke hergestellt sein können und zudem selbst keine Spulenwicklungen 7 tragen, kann der Streifeninduktor 1 in Kombination mit der auf den Durchbruch 6 im Streifendetektor 1 ausgerichteten Thermografiekamera 11 mit seinen Bauteil 8 nahen Kanten 17 sehr dicht an Störkonturen wie z. B. im Bereich von Flanschen herangeführt werden, wodurch letztere bei einseitiger Zugänglichkeit bequem zerstörungsfrei zu prüfen sind.
Aus 7 geht eine erste Variante der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäß eingesetzten Induktors hervor, bei der die quer zu den ferromagnetischen Polplatten 3 verlaufenden Spulenkerne 5 mit jeweiliger Spule 7 besonders schlang ausgeführt sind, wodurch der Durchbruch 6 des Streifeninduktors 1 zwischen dessen ferromagentischen Polplatten 3 geräumiger und die Sicht der mit dem Streifeninduktor 1 kombinierten Thermografiekamera 11 durch den Durchbruch 6 hindurch auf die erwärmte Prüfzone 10 des Bauteils 8 verbessert wird.
8 zeigt eine zweite Variante der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäß einsetzbaren Induktors 1 in besonders flacher Bauform, die speziell für engräumige Bedingungen bei der zerstörungsfreien Prüfung von Fügeverbindungen von Bauteilen bei nur einseitiger Zugänglichkeit letzterer geeignet ist.
9 zeigt eine perspektivische Darstellung eines einer an eine Lasernahtprüfung angepassten dritten Variante der zweiten Ausführungsform des Induktors als Streifeninduktor 1 in Zuordnung zu dem zu prüfenden Bauteil 8 gemäß einer Simulation. Für dieses Modell des Streifeninduktors 1, dessen beide zueinander parallelen und im Abstand zueinander angeordneten Polplatten 3 jeweils aus zwei Halbplatten gebildet sind, wurde mit simulationsgestützten Parameterstudien die Heizleistungsverteilung in Längsrichtung optimiert, und zwar mit folgenden Kennwerten:
Ferritplatten: 2 × L × B × H 128 mm × 50,8 mm × 5,1 mm (4 × PLT64/50/5, μ_r = 2100)
Spulenkörper: L × D 25 × 22 mm² (μ_r = 2300)
Draht: d = 1,8 mm
Spalt: S = 1 mm
Spulenhöhe: H = 20 mm
Spulenabstand: A = 90 mm
Bauteil: Stahlblech d = 1 mm
Erregerfrequenz: f = 8,5 kHz
Widerstand: R = 0,055 Ohm
Induktivität: L = 224 μH
und bei folgenden Randbedingungen:
Erregerfrequenz: f = 8,5 kHZ
Luftvolumen: V = 250 min × 187,5 mm × 250 mm
Wicklungszahl: N = 23 (doppellagig)
Leiterstorm: I = 4 A
Spulenstrom: I_S = 3680 A/m
Numerische Stabilisierung durch geringe el. Leitfähigkeit der Luft (100 (S/m))
Impedanzrandbedingungen für das Blech
Die erzielten Ergebnisse der numerischen Simulation
Heizleistungsdichteverteilung in W/m²
Oberflächenstromdichte in A/m
gehen aus den 10a bis 10c sowie aus den 11a bis 11c hervor.
So zeigen die 10a bis die 10c eine Seitenansicht bzw. eine Draufsicht bzw. eine Stirnansicht des Streifeninduktors 1, aus denen jeweils die maximale Heizleistungsdichte in kW/m² gemäß der Simulation hervorgeht.
Die 11a bis 11c zeigen zudem jeweils eine Seitenansicht mit zugeordneter Draufsicht des Streifeninduktors gemäß der Simulation für drei ausgewählte Beispiele der Höhenanordnung der beiden Spulen 7 des Streifeninduktors 1 in Bezug zur Anregungsoberfläche 9 des zu prüfenden Bauteils 8 die sich jeweils ergebende maximale Heizleistungsdichte in kW/m². So ergeben sich gemäß 11a bei einer Spulenhöhe H von 38 mm eine max. Heizleistungsdichte von 2,4 W/m^2,, gemäß 11b bei einer Spulenhöhe H von 20 mm eine max. Heizleistungsdichte von 2,5 W/m² und gemäß 11c bei einer Spulenhöhe H von 12 mm eine max. Heizleistungsdichte von 3,0 W/m². Der aus der Seitenansicht gemäß 11b hervorgehende gestrichelte Kurvenverlauf der Heizleistungsdichte zeigt dabei bei einer Spulenhöhe H von 20 mm den Zustand der angestrebten homogenen Erwärmung der Prüfzone 10 des Bauteils 8.
Ein Zustand der homogenen Erwärmung der Prüfzone 10 ist ebenfalls durch den Kurvenverlauf im Diagramm gemäß 12 symbolisiert, in dem die Temperatur in °C (Ordinate) über die Anzahl der Bilder der Thermorgafiekamera 11 pro Prüfvorgang (Abszisse) aufgetragen sind.
13 zeigt ein Diagramm, in dem die Temperatur in °C (Ordinate) über die Zeit in Pixeln (Abszisse) der von der Thermografiekamera 11 erfassten Prüfzone 10 des geprüften Bauteils 8 aufgetragen sind und aus dem ergänzend jeweils im Kurvenverlauf die Veränderung der Temperatur in Längsrichtung (strichpunktiert), in Querrichtung (ausgezogene Linienführung) und längs der Diagonalen (x-mäßige Linienführung) der Prüfzone 10 des geprüften Bauteils 8 gemäß der Simulation hervorgeht. Hierbei ist die von der Thermografiekamera 11 erfasste Prüfzone 10 des geprüften Bauteils 8 unten rechts in 13 gesondert als Rechteck mit den entsprechenden Kurvenverläufen in der Draufsicht gezeigt.
Bezugszeichenliste

1: Induktor, Streifeninduktor
2: Rahmen aus ferromagnetischem Material
3: Polplatten
4: Enden der Polplatten
5: Spulenkerne
6: Durchbruch des Induktors
7: Spulen
8: zu prüfendes Bauteil
9: Anregungsoberfläche des Bauteils
10: Prüfzone des Bauteils
11: Thermografiekamera
12: Doppelpfeil
13: Objektiv der Thermografiekamera
14: Oberkante des Streifeninduktors
15: geschwungen geführte Pfeil
16: Randkante des Bauteils
17: Wirbelströme
18: dem Bauteil zugewandte Kanten des Induktors
19: Rechner

Claims

Verfahren zum zerstörungsfreien Prüfen einer Fügeverbindung eines Bauteils (8) mittels Induktions-Thermografie, bei dem das Bauteil (8) in einer Prüfzone (10) des Bauteils (8) mit einem Induktor (1), der gleichsinnig gewickelte Spulen mit ferromagnetischem Spulenkern (5) aufweist, thermografisch angeregt wird und das durch die induktive Anregung des Bauteils (8) bedingte Temperaturprofil in der Prüfzone (10) des Bauteils (8) mit einer Thermografiekamera (11) erfasst und mittels eines mit der Thermografiekamera (11) gekoppelten Rechners (19) ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den ferromagentischen Spulenkernen (5) der gleichsinnig gewickelten Spulen des Induktors (1) ein ein Sichtfenster für die Thermografiekamera (11) bildender Durchbruch ausgebildet wird, der auf die Anregungsoberfläche des Bauteils (8) in der Prüfzone (10) des letzteren ausgerichtet wird, in die Anregungsoberfläche des Bauteils von dem Induktor (1) ein Wärmeimpuls eingebracht wird, der einen transversalen Wärmefluss in der Anregungsoberfläche erzeugt und die Prüfzone (10) des Bauteils (8) homogen erwärmt, und zugleich die Thermografiekamera (11) auf der Seite der Anregungsoberfläche des Bauteils (8) positioniert und zu dem das Sichtfenster bildenden Durchbruch des Induktors (1) ausgerichtet wird, wobei eine hindernisfreie Sicht der Thermografiekamera (11) durch den Durchbruch des Induktors (1) hindurch auf die homogen erwärmte Prüfzone (10) des Bauteils (8) hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Induktor (1) induktiv erzeugten Wirbelströme (17) beim Einbringen des Wärmeimpulses in die Anregungsoberfläche (9) des Bauteils (8) parallel zu einer laserstahlgeschweißten I-Naht an einem Überlappungsstoß des Bauteils (8) geführt werden, ohne dass die Wirbelströme (17) auch auf der zur Anregungsoberfläche (9) entgegengesetzten Oberfläche des Bauteils (8) fließen, wobei ein Temperaturgefälle in Richtung der Dicke des Bauteils (8) hinderungsfrei aufgebaut und von der Thermografiekamera (11) durch den zwischen den Spulenkernen (5) des Induktors (1) gebildeten Durchbruch (6) hindurch thermografisch erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktor (1) zusammen mit der auf den Durchbruch (6) des Induktors (1) ausgerichteten Thermografiekamera (11) und die Anregungsoberfläche (9) des Bauteils (8) relativ zueinander bewegt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktor (1) und die Thermografiekamera (11) synchron zur Prüfzone (10) des Bauteils (8) bewegt und dabei die induktiv erzeugten Wirbelströme (17) parallel zur Randkante (16) des Bauteils (6) geführt werden und die Prüfzone (10) der Anregungsoberfläche (9) des Bauteils (8) in Nähe dessen Randkante (16) gleichmäßig erwärmt wird.
Verfahren zum zerstörungsfreien Prüfen einer Fügeverbindung eines Bauteils (8) mittels Induktions-Thermografie, bei dem die thermografische Anregung des Bauteils (8) durch einen induktiv erzeugten Wärmeimpuls erfolgt und das dadurch bedingte Temperaturprofil des Bauteils (8) mit einer Thermografiekamera (11) erfasst und mittels eines mit der Thermografiekamera (11) gekoppelten Rechners (19) ausgewertet wird, gekennzeichnet durch die Kombination der Verfahrensschritte: zunächst wird ein von einem Induktor (1), der als Streifeninduktor (1) aus zwei parallelen und im Abstand zueinander angeordneten Polplatten (3), die durch zwei im Abstand zueinander angeordnete ferromagnetische Spulenkerne (5) mit jeweiliger gleichsinnig gewickelter Spule (7) verbunden sind, auszubilden ist, in die Anregungsoberfläche (9) des Bauteils (8) einzubringender Wärmeimpuls zur Erzeugung eines transversalen Wärmeflusses in Abhängigkeit von dem zerstörungsfrei zu prüfenden Bauteil (8) numerisch simuliert, indem die Kennwerte Abmessungen der Polplatten (3), Werkstoff der Polplatten (3), Abmessungen der Spulenkerne (5), Dicke des Spulendrahtes, Wicklungsspalt, Spulenhöhe, Erregerfrequenz, Widerstand und Induktivität für eine optimale Heizleistungsverteilung in Längsrichtung des Streifeninduktors (1) optimiert werden, dann wird der Induktor (1) entsprechend den Kennwerten der numerischen Simulation als Streifeninduktor (1) aus den zwei parallelen und im Abstand zueinander angeordneten Polplatten (3) gebildet, die durch die zwei im Abstand zueinander angeordneten ferromagnetischen Spulenkerne (5) mit jeweils gleichsinnig gewickelter Spule (7) verbunden werden derart, dass zwischen den Spulenkernen (5) ein als Sichtfenster für die Thermografiekamera (11) dienender Durchbruch (6) entsteht, der auf die Prüfzone (10) der Anregungsoberfläche (9) des Bauteils (8) ausgerichtet wird, darauf wird in die Prüfzone (10) der Anregungsoberfläche (9) des Bauteils (8) mittels des Streifeninduktors (1) der mittels der numerischen Stimulation vorausbestimmte, den transversalen Wärmefluss entsprechend der numerischen Simulation erzeugende Wärmeimpuls eingebracht, der in Dickenrichtung des Bauteils (8) abfließt, ohne auch auf der der Anregungsoberfläche (9) gegenüberliegenden Oberfläche des Bauteils (8) zu fließen, wobei die Prüfzone (10) des Bauteils (8) homogen erwärmt wird, und zugleich wird die Thermografiekamera (11) auf der Seite der Anregungsoberfläche (9) des Bauteils (8) in Bezug zu dem das Sichtfester bildenden Durchbruch (6) des Streifeninduktors (1) ausgerichtet so positioniert, dass eine freie Sicht der Thermografiekamera (11) durch den Durchbruch (6) des Streifeninduktors (1) hindurch auf die homogen erwärmte Prüfzone (10) des Bauteils (8) gewährt und das reflektierte Temperaturprofil des Bauteils (8) von der Thermografiekamera (11) durch den Durchbruch (6) des Streifeninduktors (1) hindurch ungehindert erfasst wird.
Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, mit einem Induktor (1), der gleichsinnig gewickelte Spulen (7) mit je einem ferromagnetischem Spulenkern (5) aufweist und von dem das Bauteil (8) in einer Prüfzone induktiv anzuregen ist, mit einer Thermografiekamera (11), von der das durch die induktive Anregung des Bauteils (8) bedingte Temperaturprofil in der Prüfzone (10) des Bauteils (8) zu erfassen ist, und mit einem mit der Thermografiekamera (11) gekoppelten Rechner (19) für die Auswertung des von der Thermografiekamera (11) erfassten Temperaturprofils des Bauteils (8), dadurch gekennzeichnet, dass der Induktor (1) zwischen den beiden im Abstand zueinander angeordneten ferromagnetischen Spulenkernen (5) mit der jeweils gleichsinnig gewickelten Spule (7) einen ein Sichtfenster für die Thermografiekamera (11) bildenden Durchbruch (6) aufweist, der auf die Anregungsoberfläche (9) des Bauteils (8) in der Prüfzone (10) des letzteren auszurichten ist, in die Anregungsoberfläche (9) von dem Induktor (1) ein Wärmeimpuls einzubringen ist, der einen transversalen Wärmefluss in der Anregungsoberfläche (9) erzeugt und von dem die Prüfzone (10) des Bauteils (8) homogen erwärmbar ist, die Thermografiekamera (11) auf der Seite der Anregungsoberfläche (9) des Bauteils (8) positioniert und zu dem das Sichtfenster bildenden Durchbruch (6) des Induktors (1) ausgerichtet ist, wobei eine hindernisfreie Sicht der Thermografiekamera (11) durch den Durchbruch (6) des Induktors (1) hindurch auf die homogen erwärmte Prüfzone (10) des Bauteils (8) gegeben ist, und der Induktor (1) mit der Thermografiekamera (11) und die Anregungsoberfläche (9) des Bauteils (8) relativ zueinander zu bewegen sind.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktor (1) einen Rahmen (2) aus zwei parallelen, im Abstand zueinander angeordneten ferromagnetischen Polplatten (3) aufweist, die durch die beiden im Abstand zueinander angeordneten ferromagnetischen Spulenkerne (5) der beiden gleichsinnig gewickelten Spulen (7) verbunden sind und zwischen denen der Durchbruch (6) des Induktors (1) vorgesehen ist, der das Sichtfenster für die Thermografiekamera (11) bildet.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden parallelen ferromagnetischen Polplatten (3) des Induktors (1) identisch rechteckförmig und mit geringer Stärke ausgebildet sind, die beiden die Polplatten (3) verbindenden ferromagnetischen Spulenkerne (5) mit der jeweiligen Spule (7) jeweils an einem Ende (4) des Induktors (1) so positioniert sind, dass eine ungehinderte Sicht für die auf der Seite der Anregungsoberfläche (9) angeordnete und auf letztere ausgerichtete Thermografiekamera (11) zwischen den Polplatten (3) hindurch auf die Prüfzone (10) der Anregungsoberfläche (9) des Bauteils (8) gegeben ist, und dass der Eisenkreis des Induktors 1) durch die beiden parallelen rechteckigen Polplatten (3), die letztere verbindenden Spulenkerne (5) und das zu prüfende Bauteil (8) gebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (H) der beiden Spulenkerne (5), die jeweils an einem Ende (4) des Induktors (1) angeordnet sind und die die beiden parallelen rechteckigen Polplatten (3) verbinden, und damit die Höhe (H) der jeweiligen auf den Spulenkernen (5) aufgewickelten Spulen (7) in Bezug zu der Kante (18) jeder rechteckförmigen Polplatte (3), die der Anregungsoberfläche (9) des zu prüfenden Bauteils (8) zugewandt ist, variabel ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktor (1) und die Thermografiekamera (11), die auf den das Sichtfenster bildenden Durchbruch (6) des Induktors (1) ausgerichtet ist, zu einem kompakten Sensorkopf verbunden sind, der manuell oder mittels eines Roboters zu führen ist.