Induktions-Lockin-Thermografie : ein neues Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung

Abstract

Die Qualitätssicherung von Bauteilen erfordert eine zuverlässige Defekterkennung (z.B. bei Inspektions- und Wartungsarbeiten), die jedoch durch die Anzeige intakter Bauteilstrukturen erschwert wird. Wenn selektiv nur Defekte auf die Anregung ansprechen, werden intakte Strukturen unterdrückt und somit die Wahrscheinlichkeit zur Defekterkennung ("Probability of Defect Detection" POD) erhöht. Die 1995 am IKP-ZfP entwickelte ultraschallangeregte Lockin-Thermografie (ULT) ist ein solches Verfahren, dessen Nachteil allerdings eine nicht kontaktfreie Anregung ist. Eine kontaktfreie und dennoch defektselektive Anregung ist die induktive Erwärmung durch Wirbelströme (Ohmsche Verluste). Die Wirbelströme erwärmen Defektstellen innerhalb der Wirbelstromeindringtiefe lokal stärker als ungeschädigte Bauteilbereiche.

Stand der bisherigen Technik ist die Transienten-Thermografie mit pulsartiger Induktionsanregung. Bei ihr wird zur Auswertung das Bild des stärksten Kontrasts aus der aufgenommenen Abkühlungssequenz untersucht. Impulsangeregte Transienten-Thermografie hat den Vorteil einer kurzen Messzeit, allerdings sind die Ergebnisbilder durch inhomogene Erwärmung, wie sie bei induktiver Erwärmung häufig auftritt, und lokale Variation des Emissionskoeffizienten stark beeinflusst.

Durch Anwendung der Lockin-Thermografie Methode auf die induktive Erwärmung werden die Nachteile der Transienten-Thermografie überwunden ("Induktions-Lockin-Thermografie" ILT). Im Gegensatz zur Transienten-Thermografie werden bei ILT die Wirbelstromamplituden (Frequenz von 30 bis 300 kHz) sinusförmig moduliert (zwischen 0,01 und 1 Hz), ähnlich der Amplitude bei ultraschallangeregter Lockin-Thermografie, während eine Infrarotkamera eine Infrarotbildsequenz über mehrere Anregungsperioden aufnimmt. Eine pixelweise Fouriertransformation der Sequenz berechnet dann ein Amplituden- und ein Phasenbild.

Die Vorteile - speziell der Phasenbilder - sind dieselben wie bei den anderen Lockin-Thermografie Methoden: im Vergleich zu einzelnen Infrarotbildern haben die ILT-Phasenbilder ein erheblich verbessertes Signal/Rausch-Verhältnis, und Temperaturgradienten werden unterdrückt. Außerdem ist die Tiefenreichweite an metallischen Werkstoffen mit ILT (begrenzt durch die thermische Eindringtiefe) im Vergleich zur konventionellen Wirbelstromprüfung, die durch den "Skin Effekt" begrenzt ist, deutlich gesteigert.

Am IKP-ZfP wurde im Rahmen eines DFG-Projekts eine ILT-Anlage konzipiert und aufgebaut. Sie wurde anschließend an verschiedenen Materialien und Fehlerarten erprobt und optimiert. Nach der theoretischen Herleitung der ILT-Tiefenreichweite wurde der tatsächliche Einfluss elektrischer und thermischer Materialeigenschaften auf die Tiefenreichweite an Modellproben untersucht. Eine weitere experimentelle Fragestellung war die Auflösungsgrenze von ILT bei der Defekterkennung. Neben der Inspektion von Modellproben wurde ILT auch zur Prüfung von Praxisbauteilen herangezogen. Die Palette der detektierten Fehlerarten ging von Oberflächenrissen (z.B. Ermüdungsrisse, Haarrisse) und Fügefehlern (z.B. Klebungen, Schweißungen) metallischer Bauteile bis zu Delaminationen und Impactschädigungen kohlefaserverstärkter Laminate, wie sie zunehmend in der Luft- und Raumfahrt relevant werden (z.B. CFK, C/C-SiC).

Die ILT-Ergebnisse wurden auch mit den Ergebnissen anderer am IKP-ZfP vorhandener moderner ZfP Verfahren verglichen. Dabei zeigte sich, dass ILT bei Defekten innerhalb der Wirbelstromeindringtiefe ähnlich defektselektive Ergebnisse liefert wie andere "Dunkelfeldmethoden" (z.B. ultraschallangeregte Thermografie und nichtlineare Vibrometrie), jedoch mit dem großen Vorteil einer berührungslosen Anregung.

Reliable defect detection is needed for quality assurance (e.g. in inspection and maintenance) but the superposition of intact sample features with defects makes their identification difficult. Intact structures have to be suppressed in order to improve the probability of defect detection (POD), this is possible if only defects respond to the excitation. Ultrasound activated lockin-thermography, developed at IKP-ZfP of Stuttgart University in 1995, is such a defect selective measurement technique as the injected elastic waves are converted into heat mainly in areas with enhanced mechanical losses (e.g. cracks and delaminations). A drawback of this kind of thermography is that the ultrasound excitation requires mechanical contact with the inspected sample. It can be replaced by a coil which induces eddy currents in conductive materials. In this case the material heats up due to electrical losses, which are monitored by an infrared camera. Cracks in the sample within the eddy current penetration depth heat up more than homogeneous material due to locally enhanced eddy current density and/or increased resistive losses. Thus a remote method with defect selective properties is obtained.

Until now, the state of the art is transient thermography with inductive pulse excitation where only the image of highest contrast out of the cooling sequence is analysed. Inductive transient thermography has the advantage of a short measurement duration, but it has also major drawbacks, due to the inhomogeneous heating performed by the induction coil.

The disadvantages of transient thermography can be overcome by using the phase angle for imaging instead of temperature amplitudes ("Induction-Lockin-Thermography" ILT). In ILT the eddy current amplitudes (frequency about 30 to 300 kHz) are modulated at the lockin frequency which is typically around 0.01 - 1 Hz. Fourier analysis at the low frequency compresses the information content of the whole thermographic sequence into just one amplitude and one phase image where constant temperature gradients caused by inductive heating are eliminated and the signal-to-noise ratio is improved.

If defects in metals are deeper inside the sample than the eddy current penetration depth, they can still be detected by using the lockin-technique. The heat from the near surface area propagates into the sample by diffusion (thermal waves), like in optically activated thermography. This allows for a highly improved depth range of ILT (limited by the thermal penetration depth) as compared to conventional eddy current testing that is limited by the "Skin Effect".

An ILT-system was designed and established at IKP-ZfP within a DFG-Project. The system was tested and optimised on different materials and kinds of defects. After theoretical considerations of the ILT depth range the actual influence of electrical and thermal material properties was investigated experimentally with different model samples. Another field of investigation was the resolution limit of ILT for defect detection. ILT was not only used on models but also for the inspection of real live samples. Defects like surface cracks (e.g. fatigue) and bonding defects (e.g. gluing, welding) in metals were detected as well as delaminations and impacts in aerospace relevant carbon fibre reinforced polymers and ceramics (CFRP and C/C-SiC).

The results of ILT were also compared to those of other modern NDE methods at the IKP-ZfP. These comparisons showed that, if the defects are within the eddy current penetration depth, the results of ILT have the same defect selective properties like those of other "dark field" methods (e.g. ultrasound activated thermography and non-linear vibrometry) but with the advantage of a remote excitation.