DE102013003404B3

DE102013003404B3 - Verfahren und Prüfanlage zum zerstörungsfreien thermografischen Prüfen von Bauteilen auf innere und/oder Oberflächenfehler mittels Kaltluftanregung

Info

Publication number: DE102013003404B3
Application number: DE201310003404
Authority: DE
Inventors: Thomas Gigengack; Fabian Hönl; Jan Rathmann
Original assignee: Inpro Innovationsgesellschaft fuer Fortgeschrittene Produktionssysteme in der Fahrzeugindustrie mbH
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2013-02-28
Filing date: 2013-02-28
Publication date: 2014-06-05
Anticipated expiration: 2033-03-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Prüfanlage zum zerstörungsfreien thermografischen Prüfen von Bauteilen auf innere und/oder Oberflächenfehler, wobei das Bauteil mittels Kaltluftanregung eines Luftanregungssystems angeregt, der transiente Erwärmungs- und/oder Abkühlungsvorgang in dem Bauteil thermografisch erfasst, ein Thermografiefilm erstellt und dieser rechnermäßig ausgewertet wird. Um die Oberfläche des zu prüfenden Bauteils mittels Kaltluftanregung anregungsseitig abkühlen und/oder erwärmen zu können, ohne dass eine energieintensive zusätzliche Kühlung oder Vorwärmung der Luft notwendig ist, wird erfindungsgemäß das thermografisch zu prüfende Bauteil mittels einer Kaltluftströmung aus mindestens einer LAVAL-Düse angeregt, die derart zum zu prüfenden Bauteil ausgerichtet wird, dass eine Anströmung der Kaltluft an der Oberfläche des zu prüfenden Bauteils unter einem Anströmwinkel α von 0 [°] bis 90 [°] erfolgt, und die anregungsseitige Bauteiloberfläche des zu prüfenden Bauteils in mindestens einem Prüfbereich lokal abgekühlt und/oder erwärmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum zerstörungsfreien thermografischen Prüfen von Bauteilen auf innere und/oder Oberflächenfehler, bei dem das Bauteil mittels Kaltluftanregung eines Luftanregungssystems angeregt, bei Vorliegen von inneren Fehlern und/oder Oberflächenfehlern Verzerrungen des Oberflächentemperaturfeldes und des Temperaturgradienten des Bauteils erzeugt, die Verzerrungen des Oberflächentemperaturfeldes und des Temperaturgradienten von einer auf mindestens einen Prüfbereich des Bauteils auszurichtenden Thermografiekamera in einem Thermografiefilm erfasst und die Bilder des Thermografiefilms dann mittels eines mit der Thermografiekamera verbundenen, einen Rechner aufweisenden Bildauswertungssystems rechnermäßig ausgewertet werden.
Ferner betrifft die Erfindung eine Prüfanlage zum zerstörungsfreien thermografischen Prüfen von Bauteilen auf innere und/oder Oberflächenfehler zur Durchführung des Verfahrens, mit einem Kaltluftanregungssystem, einer Thermografiekamera und einem mit der Thermografiekamera verbundenen Rechner eines Bildauswertungssystem.
Bei der Wärmeflussthermografie werden neben der optischen, induktiven und Ultraschallanregung das Anblasen des zu prüfenden Bauteils mit warmer bzw. kalter Luft benutzt. Prüfverfahren mit Warm- bzw. Kaltluftanregung bieten dabei zum einen den Vorteil der berührungslosen Messung und sind zum anderen unabhängig vom Material des Prüfkörpers.
Aus der DE 198 38 858 A1 ist bekannt, dass als konvektive Anregung ein Warm- oder Kaltluftstrom auf die Oberfläche des Bauteils zu lenken ist. Bei einer derartigen konvektiven Anregung mit Kaltluft, z. B. mittels eines Wirbelrohres, ist der Emissionsgrad auf der Bauteiloberfläche auf der Anregungsseite nahezu zu vernachlässigen und die Energie wird gleichmäßig in das Bauteil eingekoppelt, so dass sich eine homogene Temperaturverteilung ergibt. Als nachteilig erweist sich jedoch eine geringe Abkühlungsgeschwindigkeit auf der anregungsseitigen Bauteiloberfläche, so dass auf Grund der langen Anregungszeit ein starker lateraler Wärmefluss im Bauteil auftritt. Hierdurch ist eine Detektion von tiefliegenden oder kleinen Fehlern im Bauteil bzw. von Verbindungsflächen erschwert.
Bei herkömmlichen Thermografieverfahren mit Kaltluftanregung wird ferner bisher der Joule-Thomson-Effekt ausgenutzt, wobei für die thermografische Anregung kommerziell erhältliche Unterschall-Flachstrahldüsen verwendet werden. Hierbei erfolgt eine Entspannung aus einem Drucktank, wobei die Abkühlung ΔT der Luft 0,25[K/bar] beträgt. Da übliche Druckluftanlagen ca. 8 [bar] liefern, beträgt die maximal mögliche Abkühlung lediglich wenige Kelvin. Für eine verbesserte zerstörungsfreie thermografische Prüfung von Bauteilen kann eine zusätzliche Kühlung der zugeführten Luft erfolgen, die neben den Kosten für die Druckluft noch weitere Kosten verursacht und daher nur in Ausnahmefällen verwendet wird.
Bei derartigen thermografischen Prüfverfahren mit Kaltluftanregung in Reflexionsanordnung z. B. an einer zu prüfenden Schweißnaht fallen die erhaltenen Unterschiede des digitalen Levels angebundener und nicht angebundener Bereiche der zu prüfenden Schweißnaht geringer aus, als dies bei Anregung der Schweißnaht in Transmissionsanordnung der Fall ist. Die hiermit verbundene Verschlechterung des Signal-Rauschverhältnisses kann durch Vergrößerung der Temperaturhübe kompensiert werden.
Bei thermografischen Prüfverfahren, bei denen die Anregung mit Warmluft erfolgt, ist bisher eine vorherige Erhitzung der Luft notwendig, wodurch ebenfalls erhebliche Kosten entstehen und zusätzliche Brandschutzmaßnahmen ergriffen werden müssen.
Gemäß Siekmann, H. E. und Thamsen, P. U.; Strömungslehre Grundlagen; 2. Auflage; Berlin Heidelberg: Springer; 2008; S. 122–123, S. 130–131 und S. 139–146 sind LAVAL-Düsen bekannt, die zur Erzeugung von Überschallströmungen dienen und deren Hauptanwendungen sich bei LAVAL-Turbinen, Raketenschubdüsen, Überschallwindkanälen und bei der Messtechnik finden. Aus einem Kessel, in dem sich das Gas im Ruhezustand befindet, strömt das Gas durch einen konvergenten Teil zunächst im Zustand der Unterschallströmung (M < 1) aus. Der düsenförmige Teil verengt sich derart, dass sich die kritischen Größen des Gases, die eine Funktion des Isentropenexponenten κ sind, im engsten Querschnitt der Düse einstellen (M = 1). Hiernach herrscht im divergenten Teil der Düse Überschallströmung (M > 1). Für Luft betragen die kritischen Größen für den Isentropenexponenten κ = 1,4: p*/p₀ = 0,528, ρ*/ρ₀ = 0,634, a*/a₀ = 0,913.
Zudem ist aus der WO 2006/039947 A1 eine Strahldüse zum Abstrahlen von Oberflächen mit einem Strahlmittel bekannt, wobei die Strahldüse mehrere Austrittskanäle aufweist, die von einer gemeinsamen Hauptleitung ausgehen und jeweils als Lavaldüse ausgebildet sind. Die einzelnen Austrittskanäle können verteilt in einer gemeinsamen Ebene oder auch räumlich verteilt angeordnet sein. Durch geeignete Wahl der Düsenanordnung lässt sich je nach Anwendungszweck die Strahlleistung auf ein eng begrenztes Gebiet fokussieren oder auf eine größere, runde oder gegebenenfalls auch längliche Querschnittsfläche verteilen. Das Strahlprofil lässt sich dadurch günstig beeinflussen, dass die Einzeldüsen unterschiedliche Geometrien aufweisen, insbesondere unterschiedliche Querschnitte und/oder unterschiedliche Längen. Die Austrittskanäle der Strahldüse können jeweils an der engsten Stelle einen Querschnitt von weniger als 50 mm², vorzugsweise weniger als 20 mm² aufweisen.
Aus der DE 101 26 100 A1 ist außerdem ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung oder eines Formteils mittels Kaltgasspritzen bekannt, bei dem pulverförmige Spritzpartikel in einen Gasstrahl injiziert werden, für welchen ein Gas auf einen hohen Ausgangsdruck von bis zu 6,3 MPa gebracht und über eine Lavaldüse entspannt wird hervor. Das vorgewärmte Gas kann auf bis zu 3000 m/s beschleunigt werden.
Aus der DE 10 2007 038 024 A1 geht eine Düse für die Vorbehandlung und Reinigung von Oberflächen mittels CO₂-Schnee hervor. Die Ringdüse kann ausgehend vom Düseneinlauf als Lavaldüse ausgebildet sein, um die Strömungsgeschwindigkeit und damit den Strahlimpuls zu erhöhen.
In der älteren deutschen Patentanmeldung 10 2012 018 020.9 der Anmelderin ist ein thermografisches Prüfverfahren beschrieben, bei dem eine Relativbewegung zwischen dem zu prüfenden Bauteil sowie der Thermografiekamera und dem Anregungssystem bei der thermografischen Prüfung möglich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Prüfanlage zum zerstörungsfreien Prüfen von Bauteilen gemäß der eingangs erwähnten Art mit einem Luftanregungssystem zur Verfügung zu stellen, mit dem die Bauteiloberfläche des zerstörungsfrei zu prüfenden Bauteils anregungsseitig abzukühlen und/oder zu erwärmen ist, ohne dass eine energieintensive zusätzliche Kühlung oder Vorwärmung der Luft erforderlich ist. Das Luftanregungssystem soll die Temperatur der ausströmenden Luft insbesondere zudem um bis zu ΔT = 100 [K] abkühlen können.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren der eingangs erwähnten Art, indem

– das thermografisch zu prüfende Bauteil mittels einer Kaltluftströmung aus mindestens einer LAVAL-Düse angeregt wird, die derart zum zu prüfenden Bauteil ausgerichtet wird, dass eine wandparallele Anströmung der Kaltluft an der Oberfläche des zu prüfenden Bauteils erfolgt, und die anregungsseitige Bauteiloberfläche des zu prüfenden Bauteils in dem mindestens einen Prüfbereich lokal abgekühlt wird.

Die Anströmung der Luft erfolgt für eine linienhafte Abkühlung der Bauteiloberfläche des zu prüfenden Bauteils in mindestens einem Prüfbereich vorzugsweise wandparallel.
Die Aufgabe der Erfindung wird ferner auch durch ein Verfahren der eingangs erwähnten Art gelöst, indem

– das thermografisch zu prüfende Bauteil mittels einer Kaltluftströmung aus mindestens einer LAVAL-Düse angeregt wird, die derart zum zu prüfenden Bauteils ausgerichtet wird, dass die Anströmung der Kaltluft auf die Oberfläche des zu prüfenden Bauteils wandnormal unter einem Anströmwinkel von α = 90 [°] erfolgt, und die anregungsseitige Bauteiloberfläche des zu prüfenden Bauteils an der Auftreffposition des Staustrahls aufgrund der Wandreibung des gebündelten und auf Überschall beschleunigten Kaltluftstrahls in dem mindestens einen Prüfbereich des Bauteils lokal erwärmt wird.

Im Staupunkt der wandnormalen Kaltluftanströmung unter einem Anströmwinkel von α = 90 [°] auf die Oberfläche des zu prüfenden Bauteils erfolgt bevorzugt eine punktuelle Erwärmung der Bauteiloberfläche des zu prüfenden Bauteils in dem mindestens einen Prüfbereich.
Die Aufgabe der Erfindung wird außerdem durch ein Verfahren der eingangs erwähnten Art gelöst, indem

– das thermografisch zu prüfende Bauteil mittels einer Kaltluftströmung aus mindestens einer LAVAL-Düse angeregt wird, die derart zum zu prüfenden Bauteils ausgerichtet wird, dass die Anströmung der Kaltluft auf die Oberfläche des zu prüfenden Bauteils schräg unter einem Anströmwinkel von 0 [°] < α < 90 [°] erfolgt, und die anregungsseitige Bauteiloberfläche des zu prüfenden Bauteils in dem mindestens einen Prüfbereich des Bauteils lokal abgekühlt und/oder erwärmt wird.

Vorzugsweise wird der Abstand der Düsenöffnung der mindestens einen LAVAL-Düse zur Bauteiloberfläche bei der Anregung der Bauteiloberfläche des zu prüfenden Bauteils in Abhängigkeit vom Anströmwinkel α gewählt.
Ferner beträgt der Abstand des Mittelpunktes der Düsenöffnung der mindestens einen LAVAL-Düse zur Bauteiloberfläche bei der Anregung der Bauteiloberfläche des zu prüfenden Bauteils vorzugsweise 10 [mm] bis 50 [mm].
Außerdem wird die mindestens eine LAVAL-Düse bei der Anregung der Bauteiloberfläche des zu prüfenden Bauteils mit dem Kaltluftstrom bevorzugt robotergesteuert geführt.
Vorzugsweise sind die Parameter und Abmessungen der mindestens einen LAVAL-Düse derart angepasst, dass im divergenten Teil oder im Endquerschnitt kein senkrechter Verdichtungsstoß auftritt, der zu einer Erhöhung des Drucks und der Temperatur der Luft sowie einer Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit führt.
Auch sind die Parameter und Abmessungen der mindestens einen LAVAL-Düse bevorzugt derart angepasst, dass der Außendruck nicht unter den Auslegungsaußendruck fällt und ein Aufplatzen des Strahles (Expansionsfächer) vermieden wird.
Vorzugsweise wird für eine Temperaturdifferenz ΔT der Luft zwischen der Temperatur im Druckkessel T₀ und der Temperatur am Endquerschnitt T₂ der mindestens einen LAVAL-Düse von maximal 100 [K] gesorgt.
Die Aufgabe der Erfindung wird außerdem durch eine Prüfanlage der eingangs erwähnten Art gelöst, bei der das Kaltluftanregungssystem mindestens eine LAVAL-Düse umfasst, die derart zum zu prüfenden Bauteil ausgerichtet ist, dass eine wandparallele Anströmung der Kaltluft an der anregungsseitigen Bauteiloberfläche des zu prüfenden Bauteils in dem mindestens einem Prüfbereich gegeben ist. Hierbei wird die anregungsseitige Bauteiloberfläche des zu prüfenden Bauteils in mindestens einem Prüfbereich lokal abgekühlt.
Weiterhin wird die Aufgabe der Erfindung durch eine Prüfanlage der eingangs erwähnten Art gelöst, bei der das Kaltluftanregungssystem mindestens eine LAVAL-Düse umfasst, die derart zum zu prüfenden Bauteil ausgerichtet ist, dass eine Anströmung der Kaltluft auf die anregungsseitige Oberfläche des zu prüfenden Bauteils wandnormal unter einem Anströmwinkel von α = 90 [°] gegeben ist. Hierbei ist die anregungsseitige Bauteiloberfläche des zu prüfenden Bauteils an der Auftreffposition des Staustrahls aufgrund der Wandreibung des gebündelten und auf Überschall beschleunigten Kaltluftstrahls in mindestens einem Prüfbereich des Bauteils lokal zu erwärmen.
Auch wird die Aufgabe der Erfindung durch eine Prüfanlage der eingangs erwähnten Art gelöst, bei der das Kaltluftanregungssystem mindestens eine LAVAL-Düse umfasst, die derart zum zu prüfenden Bauteil ausgerichten ist, dass eine Anströmung der Kaltluft schräg unter einem Anströmwinkel von 0 [°] < α < 90 [°] auf die anregungsseitige Oberfläche des zu prüfenden Bauteils gegeben ist. Hierbei wird die anregungsseitige Bauteiloberfläche des zu prüfenden Bauteils in mindestens einem Prüfbereich des Bauteils lokal abgekühlt und/oder erwärmt
Vorzugsweise beträgt der Düsenquerschnitt im Halsteil der mindestens einen LAVAL-Düse der Prüfanlage 0,8 [mm] bis 2 [mm].
Die Prüfanlage ist bevorzugt in einer Produktionsanlage für eine Labor-, Nearline, Inline- oder Offline-Prüfung einzusetzen.
Vorzugsweise erfolgt die Kaltluftanströmung des thermografisch zu prüfenden Bauteils durch eine Düse mit einer Vielzahl von Austrittskanälen, die von einer gemeinsamen Hauptleitung ausgehen und jeweils als LAVAL-Düse ausgebildet sind, wobei von der Vielzahl der Austrittskanäle mindestens ein Prüfbereich anzuregen ist. Eine gleichzeitige Anregung von einer Vielzahl von Prüfbereichen ist jedoch ebenfalls möglich.
Mit Beschleunigung der Luft auf Überschall (M > 1) kühlt sich die Luft in Abhängigkeit vom Druckverhältnis p₀/p₂ isentrop ab. Beispielsweise kann bei einem Druckverhältnis von p₀/p₂ = 2 eine Abkühlung der Luft um ΔT = 50 [K] erfolgen. Es ist besonders vorteilhaft eine angepasste LAVAL-Düse zu verwenden, um einen senkrechten Verdichtungsstoß im divergenten Teil oder am Endquerschnitt der LAVAL-Düse zu vermeiden, der zu einer Erhöhung der Temperatur des Luftstroms führt. Angepasste LAVAL-Düsen sind ebenfalls vorteilhaft, um Über- oder Unterexpansion im Freistrahl zu vermeiden, da der Strahl beim Aufplatzen in sogenannte Expansionsfächer zu Pulsationen neigt, die das zu prüfende Bauteil zu Schwingungen anregen können. Mit geeigneter Anpassung der Parameter und Abmessungen der LAVAL-Düse kann eine Temperaturdifferenz ΔT von bis zu 100 [K] erreicht werden, wodurch bei wandparalleler oder schräger Anströmung eine sehr hohe Abkühlungsgeschwindigkeit auf der anregungsseitigen Bauteiloberfläche erfolgt. Hierdurch wird eine Detektion von tiefliegenden oder kleinen Fehlern im Bauteil bzw. von Verbindungsflächen erleichtert und die Anregungszeit verkürzt. Bei wandnormaler Anströmung können äußerst aussagefähige Thermografiebilder durch punktuelle Erwärmung im Staupunkt des Kaltluftstrahls mit einem Spotdurchmesser von ca. 2 [mm] bis 12 [mm] erzielt werden. Erfindungsgemäß ermöglicht die Verwendung angepasster LAVAL-Düsen Strahlbündelung, wodurch der Abstand zwischen der LAVAL-Düse und dem zu prüfenden Bauteil erhöht werden kann. Die Emissivität der Oberfläche des zu prüfenden Bauteils kann zusätzlich durch Schwärzung der Bauteiloberfläche, z. B. durch Ruß oder Graphitspray, gesteigert werden. Die Erfindung ist zudem in besonders günstiger Weise für die fliegende Thermografie (Thermografie an the fly), d. h. bei einem thermografischen Prüfverfahren, bei dem eine Relativbewegung zwischen dem zu prüfenden Bauteil sowie der Thermografiekamera und dem Anregungssystem bei der thermografischen Prüfung erfolgt, geeignet. Mit in Stichversuchen getesteten LAVAL-Düsen konnten höhere thermische Hübe – in Verbindung mit einem wesentlich größeren Abstand zwischen Düse und Bauteil – erzielt werden, als dies mit der herkömmlichen Unterschall-Flachstrahldüse der Fall ist.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen sind:
1 eine schematische Schnittansicht einer LAVAL-Düse,
2 ein Diagramm des Temperaturverlaufs in Abhängigkeit vom Eingangsdruck,
3 eine schematische Ansicht einer Prüfanlage bei wandparalleler Anströmung,
4 ein schematisches Thermografiebild eines Bauteils bei wandparalleler Anströmung,
5 eine schematische Ansicht einer Prüfanlage bei wandnormaler Anströmung,
6 ein schematisches Thermografiebild eines Bauteils bei wandnormaler Anströmung, und
7 eine schematische Ansicht einer Prüfanlage bei Kaltluftanströmung unter einem schrägen Anströmwinkel von 0 [°] < α < 90 [°].
1 zeigt schematisch eine Schnittansicht einer LAVAL-Düse 1. Aus einem Druckkessel 14 strömt die Luft aus einer Öffnung mit sehr kleiner Größenordnung in den konvergenten Teilt der LAVAL-Düse 1 aus. Im Druckkessel 14 befindet sich die Luft im Ruhezustand mit v₀ = 0 [m/s]. Der Druck im Druckkessel p₀, die Dichte der Luft ρ₀ und die Temperatur der Luft T₀ sind konstant. Die Luft strömt aus dem Druckkessel 14 durch den konvergenten Teil 2 der LAVAL-Düse 1 im Zustand der Unterschallströmung aus. Während die Geschwindigkeit v der Luftströmung mit Verringerung der Querschnittsfläche A des konvergenten Einlaufteils 2 der LAVAL-Düse 1 ansteigt, verringern sich die Dichte ρ, der Druck p und die Temperatur T der Luft. Im Halsteil 3, d. h. am engsten Querschnitt A* der LAVAL-Düse 1, stellen sich die kritischen Größen der Luft ein. Für die Temperatur der Luft im Halsteil 3 gilt die kritische Größe T*/T₀ = 0,833. Nach Erreichen der Schallgeschwindigkeit steigt die Strömungsgeschwindigkeit v der Luft im divergenten Teil 4 der LAVAL-Düse 1 mit zunehmendem Querschnitt A weiter an, während sich die Dichte ρ, der Druck p und die Temperatur T der Luft weiter verringern. Am Endquerschnitt 5 der LAVAL-Düse 1 strömt die Luft mit maximaler Geschwindigkeit v₂ im Zustand einer Überschallströmung mit der Temperatut T₂ < T* < T₀ aus.
Aus 2 geht ein Diagramm des Temperaturverlaufs der am Endquerschnitt 5 ausströmenden Kaltluft 13 einer Ausführungsform einer LAVAL-Düse 1 in Abhängigkeit des Eingangsdrucks p₀ hervor. Beispielsweise beträgt die Temperatur T₂ der am Endquerschnitt 5 der LAVAL-Düse 1 ausströmenden Kaltluft 13 bei einem Eingangsdruck von p₀ ≈ 2 [bar] ungefähr 250 [K]. Mit ansteigendem Eingangsdruck p₀ fällt die Temperatur T₂ der am Endquerschnitt 5 ausströmenden Kaltluft 13 zunehmend niedriger aus. Senkrechte Verdichtungsstöße im divergenten Teil oder am Endquerschnitt der LAVAL-Düse, die zu einer Druck- und Temperaturerhöhung führen, sind in 2 nicht dargestellt.
In 3 ist eine Prüfanlage 6 zum zerstörungsfreien thermografischen Prüfen von Bauteilen 7 auf innere und/oder Oberflächenfehler bei wandparalleler Anströmung der Kaltluft 13 schematisch dargestellt. Das thermografisch zu prüfende Bauteil 7 wird mittels einer Kaltluftströmung aus einer LAVAL-Düse 1 angeregt, die derart zum zu prüfenden Bauteil 7 ausgerichtet ist, dass eine wandparallele Anströmung der Kaltluft 13 erfolgt. Die Prüfanlage 6 eignet sich insbesondere für eine linienhafte lokale Abkühlung der anregungsseitigen Bauteiloberfläche 8 des zu prüfenden Bauteils 7 in mindestens einem Prüfbereich 9. Das Luftanregungssystem kann die Temperatur der mit Überschallgeschwindigkeit ausströmenden Kaltluft 13 zudem um bis zu ΔT = 100 [K] abkühlen. Bei Vorliegen von inneren Fehlern und/oder Oberflächenfehlern werden Verzerrungen des Oberflächentemperaturfeldes und des Temperaturgradienten des entsprechenden Prüfbereiches 9 des Bauteils 7 erzeugt, die von einer auf den entsprechenden Prüfbereich 9 des Bauteils 7 auszurichtenden Thermografiekamera 10 in einem Thermografiefilm zu erfassen sind. Die Bilder des Thermografiefilms können dann mittels eines mit der Thermografiekamera 10 verbundenen Bildauswertungssystems 11 ausgewertet und als i. O. oder n. i. O. klassifiziert werden.
Aus 4 geht schematisch ein Thermografiebild eines zu prüfenden Bauteils 7 hervor, das wandparallel unter einem Anströmwinkel von α = 0 [°] mittels einer Kaltluftströmung 13 aus einer LAVAL-Düse 1 angeregt worden ist. Die anregungsseitige Bauteiloberfläche 8 des zu prüfenden Bauteils 7 ist mittels des beschleunigten Kaltluftstrahls 13 im Prüfbereich 9 des Bauteils lokal abgekühlt worden. Der Bereich der linienhaften Abkühlung 15 und dessen Form sowie die Abkühlgeschwindigkeit der Bauteiloberfläche 8 sind vom Abstand zwischen der Düsenöffnung der mindestens einen LAVAL-Düse 1 und der Bauteiloberfläche 8 sowie auch der Temperatur T₂ der Kaltluftströmung 13 und der Geschwindigkeit v₂ der Kaltluftströmung 13 als auch der Querschnittsfläche und -geometrie des Endquerschnitts A₂ der LAVAL-Düse 1 abhängig. Die wandparallele Anströmung der Bauteiloberfläche 8 eignet sich in besonders günstiger Weise zur thermografischen Prüfung von linienförmigen Prüfbereichen 9 eines Bauteils 7, beispielsweise von Schweißnähten bei fliegender Thermografie.
5 zeigt schematisch eine Prüfanlage 6 zum zerstörungsfreien thermografischen Prüfen von Bauteilen 7 auf innere und/oder Oberflächenfehler bei wandnormaler Anströmung der Kaltluft 13 mittels einer LAVAL-Düse 1 unter einem Anströmwinkel von α = 90 [°]. Beim Auftreffen des Staustrahls auf die anregungsseitige Bauteiloberfläche 8 des zu prüfenden Bauteils 7 wird das Bauteil 7 im Prüfbereich 9 aufgrund der Wandreibung des gebündelten und auf Überschall beschleunigten Kaltluftstrahls 13 im Staupunkt 12 lokal erwärmt. Die Prüfanlage 6 eignet sich insbesondere für eine punktuelle lokale Erwärmung der anregungsseitigen Bauteiloberfläche 8 des zu prüfenden Bauteils 7. Bei Vorliegen von inneren Fehlern und/oder Oberflächenfehlern werden Verzerrungen des Oberflächentemperaturfeldes und des Temperaturgradienten des entsprechenden Prüfbereiches 9 des Bauteils 7 erzeugt, die von einer auf den entsprechenden Prüfbereich 9 des Bauteils 7 auszurichtenden Thermografiekamera 10 in einem Thermografiefilm zu erfassen sind. Die Bilder des Thermografiefilms können dann mittels eines mit der Thermografiekamera 10 verbundenen Bildauswertungssystems 11 ausgewertet und als i. O. oder n. i. O. klassifiziert werden.
Aus. 6 geht schematisch ein Thermografiebild eines zu prüfenden Bauteils 7 hervor, das wandnormal unter einem Anströmwinkel von α = 90 [°] mittels einer Kaltluftströmung 13 aus einer LAVAL-Düse 1 angeregt worden ist. Die anregungsseitige Bauteiloberfläche 8 des zu prüfenden Bauteils 7 ist im Staupunkt 12 des Staustrahls aufgrund der Wandreibung des gebündelten und auf Überschall beschleunigten Kaltluftstrahls 13 im Prüfbereich 9 des Bauteils 7 lokal erwärmt worden. Der Spotdurchmesser der punktuellen Erwärmung 16 liegt üblicherweise im Bereich von 2 [mm] bis 12 [mm]. Der Spotdurchmesser der punktuellen Erwärmung 16 ist zwar vom Abstand der Düsenöffnung der LAVAL-Düse 1 abhängig, jedoch ändert sich der Durchmesser mit zunehmendem Abstand zwischen der Bauteiloberfläche 8 und der Düsenöffnung nur geringfügig. Weitere Parameter, die den Durchmesser oder die Form der punktuellen Erwärmung 16 sowie die Erwärmungsgeschwindigkeit der Bauteiloberfläche 8 beeinflussen können, sind die Temperatur T₂, die Geschwindigkeit der Kaltluftströmung v₂ sowie die Querschnittsfläche und -geometrie des Endquerschnitts A₂ der LAVAL-Düse 1. Außerhalb des punktuellen Bereichs der Erwärmung 16 im Staupunkt 12 der ebenen Staupunktströmung erfolgt durch die Kaltluftströmung 13 ein lokaler Abkühlungsbereich 15 der Bauteiloberfläche 8, wobei sich zunächst ein Wandstrahl ausbildet und anschließend die Bildung eines ebenen turbulenten Wandstrahls erfolgt. In thermografischen Stichversuchen an einem geschwärzten Stahlblech konnte beispielsweise bei einem Eingangsdruck p₀ von 8 [bar] und einem engsten Querschnitt der LAVAL-Düse 1 von 2 [mm] die stärkste Staupunkterwärmung bei einem Abstand zwischen der Düsenöffnung und der Bauteiloberfläche 8 von 30 [mm] gemessen werden, während die stärkste Abkühlung bei einem Abstand von 10 [mm] aufgetreten ist. Die Erwärmung der Bauteiloberfläche 8 hat dabei maximal 3,2 [K] und die Abkühlung der Bauteiloberfläche 8 bis zu 8,5 [K] betragen. Die thermografisch ermittelbare Grenze zwischen dem Bereich der Erwärmung 16 und dem Bereich der Abkühlung 15 der Bauteiloberfläche 8 ist auf dem Thermografiebild ausgesprochen deutlich zu erkennen. Die wandnormale Anströmung der Bauteiloberfläche 8 eignet sich insbesondere zur thermografischen Prüfung von punktuellen Prüfbereichen 9 eines Bauteils 7, in denen beispielsweise ein Schweißpunkt vorliegt oder sich eine bereits lokalisierte Fehlstelle befindet oder vermutet wird.
7 zeigt eine Prüfanlage 6 zum zerstörungsfreien thermografischen Prüfen von Bauteil 7 auf innere und/oder Oberflächenfehler bei Anströmung der Kaltluft 13 mittels einer LAVAL-Düse 1 unter einem schrägen Anströmwinkel von 0 [°] < α < 90 [°]. Beim Auftreffen der Kaltluft 13 auf die anregungsseitige Bauteiloberfläche 8 des zu prüfenden Bauteils 7 wird das Bauteil 7 im Prüfbereich 9 lokal abgekühlt. Der Bereich und der Grad der Abkühlung 15 der Bauteiloberfläche 8 sind vom Anströmwinkel α sowie vom Abstand zwischen der Düsenöffnung der mindestens einen LAVAL-Düse 1 und der Bauteiloberfläche 8 als auch der Temperatur T₂ der Kaltluftströmung 13 und der Geschwindigkeit v₂ der Kaltluftströmung 13 sowie der Querschnittsfläche und -geometrie des Endquerschnitts A₂ abhängig. Mit zunehmendem Anströmwinkel α verringert sich die Länge der Ausdehnungsfläche der thermografisch ermittelbaren Abkühlung von einem schmalen linienhaften Abkühlungsbereich 15 zu einem eher elliptischen oder gar punktuellen Abkühlungsbereich 15, wobei sich die Länge des Abkühlungsbereichs 15 in Längsrichtung der Kaltluftströmung 13 zunehmend verringert und die Breite des Abkühlungsbereiches 15 in Querrichtung zunehmend erhöht. In thermografischen Stichversuchen konnte die Bauteiloberfläche 8 eines geschwärzten Stahlblechs bei einer Winkelvariation der Anströmung zwischen 0 [°] und 45 [°] beispielsweise um 2,6 [K] bis 8,5 [K] abgekühlt werden. Die Länge des Abkühlungsbereichs 15 variierte dabei von 18 [mm] bis 9 [mm], während sich die Breite des Abkühlungsbereichs 15 von 5 [mm] bis 8 [mm] veränderte. Unabhängig vom Anströmwinkel α konnte eine geringe Abkühldauer der Bauteiloberfläche ermittelt werden, deren Einfluss bei Prüfanlagen mit niedriger Taktzeit von hoher Bedeutung ist. Bei thermografischen Stichversuchen haben sich als vorteilhafte Parameter beispielsweise ein Abstand zwischen der Düsenöffnung der mindestens einen LAVAL-Düse 1 und der Bauteiloberfläche 8 von 35 [mm], ein Anströmwinkel α von 60 [°], ein engster Düsenquerschnitt von 2 [mm], ein Eingangsdruck p₀ von 8 [bar] und ein Luftdurchsatz von 5,4 [l/s] herausgestellt. Bei Vorliegen von inneren Fehlern und/oder Oberflächenfehlern werden Verzerrungen des Oberflächentemperaturfeldes und des Temperaturgradienten des entsprechenden Prüfbereiches 9 des Bauteils 7 erzeugt, die von einer auf den entsprechenden Prüfbereich 9 des Bauteils 7 auszurichtenden Thermografiekamera 10 in einem Thermografiefilm zu erfassen sind. Die Bilder des Thermografiefilms können dann mittels eines mit der Thermografiekamera 10 verbundenen Bildauswertungssystems 11 ausgewertet und als i. O. oder n. i. O. klassifiziert werden.
Bezugszeichenliste

1: LAVAL-Düse
2: konvergenter Teil (Einlaufteil)
3: engster Querschnitt (Halsteil)
4: divergenter Teil
5: Endquerschnitt
6: Prüfanlage
7: Bauteil
8: Bauteiloberfläche
9: Prüfbereich
10: Thermografiekamera
11: Bildauswertungssystem
12: Staupunkt
13: Kaltluft
14: Kessel (Druckkessel)
15: Bereich der Abkühlung
16: Bereich der Erwärmung
a*: Schallgeschwindigkeit
A: Querschnittsfläche
A*: Querschnittsfläche im Halsteil
A₂: Querschnittsfläche am Endquerschnitt
M: Machzahl
p: Druck
p₀: Druck im Druckkessel (Eingangsdruck)
p*: Druck am Halsteil
p₂: Druck am Endquerschnitt
ρ: Dichte der Luft
ρ₀: Dichte der Luft im Druckkessel
ρ*: Dichte der Luft am Halsteil
ρ₂: Dichte der Luft am Endquerschnitt
T: Temperatur der Luft
T₀: Temperatur der Luft im Druckkessel
T*: Temperatur der Luft am Halsteil
T₂: Temperatur der Luft am Endquerschnitt
v: Strömungsgeschwindigkeit der Luft
v₀: Strömungsgeschwindigkeit der Luft im Druckkessel
v*: Strömungsgeschwindigkeit der Luft am Halsteil
v₂: Strömungsgeschwindigkeit der Luft am Endquerschnitt

Claims

Verfahren zum zerstörungsfreien thermografischen Prüfen von Bauteilen auf innere und/oder Oberflächenfehler, bei dem das Bauteil mittels Kaltluftanregung eines Luftanregungssystems angeregt, bei Vorliegen von inneren Fehlern und/oder Oberflächenfehlern Verzerrungen des Oberflächentemperaturfeldes und des Temperaturgradienten des Bauteils erzeugt, die Verzerrungen des Oberflächentemperaturfeldes und des Temperaturgradienten von einer auf mindestens einen Prüfbereich des Bauteils auszurichtenden Thermografiekamera in einem Thermografiefilm erfasst und die Bilder des Thermografiefilms dann mittels eines mit der Thermografiekamera verbundenen, einen Rechner aufweisenden Bildauswertungssystems rechnermäßig ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass – das thermografisch zu prüfende Bauteil mittels einer Kaltluftströmung aus mindestens einer LAVAL-Düse angeregt wird, die derart zum zu prüfenden Bauteil ausgerichtet wird, dass eine wandparallele Anströmung der Kaltluft an der Oberfläche des zu prüfenden Bauteils erfolgt, und die anregungsseitige Bauteiloberfläche des zu prüfenden Bauteils in dem mindestens einen Prüfbereich lokal abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anströmung der Luft für eine linienhafte Abkühlung der Bauteiloberfläche des zu prüfenden Bauteils in dem mindestens einen Prüfbereich wandparallel erfolgt.
Verfahren zum zerstörungsfreien thermografischen Prüfen von Bauteilen auf innere und/oder Oberflächenfehler, bei dem das Bauteil mittels Kaltluftanregung eines Luftanregungssystems angeregt, bei Vorliegen von inneren Fehlern und/oder Oberflächenfehlern Verzerrungen des Oberflächentemperaturfeldes und des Temperaturgradienten des Bauteils erzeugt, die Verzerrungen des Oberflächentemperaturfeldes und des Temperaturgradienten von einer auf mindestens einen Prüfbereich des Bauteils auszurichtenden Thermografiekamera in einem Thermografiefilm erfasst und die Bilder des Thermografiefilms dann mittels eines mit der Thermografiekamera verbundenen, einen Rechner aufweisenden Bildauswertungssystems rechnermäßig ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass – das thermografisch zu prüfende Bauteil mittels einer Kaltluftströmung aus mindestens einer LAVAL-Düse angeregt wird, die derart zum zu prüfenden Bauteils ausgerichtet wird, dass die Anströmung der Kaltluft auf die Oberfläche des zu prüfenden Bauteils wandnormal unter einem Anströmwinkel von α = 90 [°] erfolgt, und die anregungsseitige Bauteiloberfläche des zu prüfenden Bauteils an der Auftreffposition des Staustrahls aufgrund der Wandreibung des gebündelten und auf Überschall beschleunigten Kaltluftstrahls in dem mindestens einen Prüfbereich des Bauteils lokal erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Staupunkt der wandnormalen Kaltluftanströmung unter einem Anströmwinkel von α = 90 [°] auf die Oberfläche des zu prüfenden Bauteils eine punktuelle Erwärmung der Bauteiloberfläche des zu prüfenden Bauteils in dem mindestens einen Prüfbereich erfolgt.
Verfahren zum zerstörungsfreien thermografischen Prüfen von Bauteilen auf innere und/oder Oberflächenfehler, bei dem das Bauteil mittels Kaltluftanregung eines Luftanregungssystems angeregt, bei Vorliegen von inneren Fehlern und/oder Oberflächenfehlern Verzerrungen des Oberflächentemperaturfeldes und des Temperaturgradienten des Bauteils erzeugt, die Verzerrungen des Oberflächentemperaturfeldes und des Temperaturgradienten von einer auf mindestens einen Prüfbereich des Bauteils auszurichtenden Thermografiekamera in einem Thermografiefilm erfasst und die Bilder des Thermografiefilms dann mittels eines mit der Thermografiekamera verbundenen, einen Rechner aufweisenden Bildauswertungssystems rechnermäßig ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass – das thermografisch zu prüfende Bauteil mittels einer Kaltluftströmung aus mindestens einer LAVAL-Düse angeregt wird, die derart zum zu prüfenden Bauteils ausgerichtet wird, dass die Anströmung der Kaltluft auf die Oberfläche des zu prüfenden Bauteils schräg unter einem Anströmwinkel von 0 [°] < α < 90 [°] erfolgt, wodurch die anregungsseitige Bauteiloberfläche des zu prüfenden Bauteils in dem mindestens einen Prüfbereich des Bauteils lokal abgekühlt und/oder erwärmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Düsenöffnung der mindestens einen LAVAL-Düse zur Bauteiloberfläche bei der Anregung der Bauteiloberfläche des zu prüfenden Bauteils in Abhängigkeit vom Anströmwinkel α gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine LAVAL-Düse bei der Anregung der Bauteiloberfläche des zu prüfenden Bauteils mit einem Kaltluftstrom robotergesteuert geführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturdifferenz ΔT der Luft zwischen der Temperatur im Druckkessel T₀ und der Temperatur am Endquerschnitt T₂ der mindestens einen LAVAL-Düse maximal 100 [K] beträgt.
Prüfanlage zum zerstörungsfreien thermografischen Prüfen von Bauteilen auf innere und/oder Oberflächenfehler zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, mit einem Kaltluftanregungssystem, einer Thermografiekamera und einem mit der Thermografiekamera verbundenen Rechner eines Bildauswertungssystem, dadurch gekennzeichnet, dass das Kaltluftanregungssystem mindestens eine LAVAL-Düse umfasst, die derart zum zu prüfenden Bauteil ausgerichtet ist, dass eine wandparallele Anströmung der Kaltluft an der anregungsseitigen Bauteiloberfläche des zu prüfenden Bauteils in dem mindestens einem Prüfbereich gegeben ist.
Prüfanlage zum zerstörungsfreien thermografischen Prüfen von Bauteilen auf innere und/oder Oberflächenfehler zur Durchführung des Verfahrens nach der Patentansprüche 1–8, mit einem Kaltluftanregungssystem, einer Thermografiekamera und einem mit der Thermografiekamera verbundenen Rechner eines Bildauswertungssystem, dadurch gekennzeichnet, dass das Kaltluftanregungssystem mindestens eine LAVAL-Düse umfasst, die derart zum zu prüfenden Bauteil ausgerichtet ist, dass eine Anströmung der Kaltluft auf die anregungsseitige Oberfläche des zu prüfenden Bauteils wandnormal unter einem Anströmwinkel von α = 90 [°] gegeben ist.
Prüfanlage zum zerstörungsfreien thermografischen Prüfen von Bauteilen auf innere und/oder Oberflächenfehler zur Durchführung des Verfahrens nach der Patentansprüche 1–8, mit einem Kaltluftanregungssystem, einer Thermografiekamera und einem mit der Thermografiekamera verbundenen Rechner eines Bildauswertungssystem, dadurch gekennzeichnet, dass das Kaltluftanregungssystem mindestens eine LAVAL-Düse umfasst, die derart zum zu prüfenden Bauteil ausgerichtet ist, dass eine Anströmung der Kaltluft schräg unter einem Anströmwinkel von 0 [°] < α < 90 [°] auf die anregungsseitige Oberfläche des zu prüfenden Bauteils gegeben ist.
Prüfanlage nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenquerschnitt im Halsteil der LAVAL-Düse 0,8 [mm] bis 2 [mm] beträgt.
Prüfanlage nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfanlage in einer Produktionsanlage für eine Labor-, Nearline-, Inline- oder Offline-Prüfung vorgesehen ist.
Prüfanlage nach einem der Ansprüche 9–13, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des Mittelpunktes der Düsenöffnung der mindestens einen LAVAL-Düse zur Bauteiloberfläche bei der Anregung der Bauteiloberfläche des zu prüfenden Bauteils 10 [mm] bis 50 [mm] beträgt.
Prüfanlage nach einem der Ansprüche 9–14, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter und Abmessungen der mindestens einen LAVAL-Düse derart angepasst sind, dass im divergenten Teil oder im Endquerschnitt ein Auftreten eines senkrechten Verdichtungsstoßes verhindert und somit eine Erhöhung des Drucks und der Temperatur der Luft sowie eine Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit vermieden wird.
Prüfanlage nach einem der Ansprüche 9–15, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter und Abmessungen der mindestens einen LAVAL-Düse derart angepasst sind, dass der Außendruck nicht unter den Auslegungsaußendruck fällt und ein Aufplatzen des Strahles (Expansionsfächer) vermieden wird.
Prüfanlage nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass für die Kraftluftanströmung des mindestens einen Prüfbereichs des thermografisch zu prüfenden Bauteils eine Düse mit einer Vielzahl von Austrittskanälen vorgesehen ist, die von einer gemeinsamen Hauptleitung ausgehen und jeweils als LAVAL-Düse ausgebildet sind.