Impulsthermografie und FE-Simulation Möglichkeiten & Grenzen bei der Fehlererkennung in metallischen Werkstoffen
23.05.2014
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INHALT • Projekt • Impulsthermografie Grundlagen • Impulsthermografie & FE-Simulation – Kugeleinschluss (Pore) – Anbindungsfehler bei lasergeschweißten Überlappstößen
• Beispiele von Parameterstudien – eindimensional – vollfaktoriell
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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
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
• 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
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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 – – – –
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Anregungsamplitude Anregungsdauer Auflösung der Infrarotkamera Messzeitraum
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REALE IMPULSTHERMOGRAFIE
• Ziel der Gliederung: – Identifikation der relevanten Parameter für die Simulation
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REALE IMPULSTHERMOGRAFIE
• Ziel der Simulation: – Grenzen und Möglichkeiten der Detektion (generelle Machbarkeit) – allgemeingültige Simulationsergebnisse
Idealisierung der Störeinflüsse 23.05.2014
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REALE IMPULSTHERMOGRAFIE
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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.
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VALIDIERUNGSMESSUNG
Impulsthermografieprüfstand für die Probenvermessung der Firma Infratec
a) Xenon-Blitzkopf b) Probe mit Emissionslack c) Infrarotkamera in Transmissionsanordnung
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VALIDIERUNGSMESSUNG Kugeleinschluss
Aufnahmezeitraum ca. 160 ms
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SIMULATION - Kugeleinschluss
Modell des Kugeleinschlusses
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SIMULATION - Kugeleinschluss
transiente Temperaturverteilung an der Oberfläche ( Darstellung als Kontrast zur allgemeinen Erwärmung )
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SIMULATION - Kugeleinschluss
Temperaturdifferenz Tdiff als Funktion des Ortes (t = 100 ms)
R … Radius (geometrische Ausdehnung) ΔT …Temperaturkontrast
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EINDIMENSIONALE PARAMETERSTUDIE
Temperaturkontrast ΔT als Funktion der Zeit [2]
• rote Punkte: Maxima der Kontrastverläufe
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EINDIMENSIONALE PARAMETERSTUDIE
Radius als Funktion der Zeit [2]
• rote Punkte: Radien des jeweiligen Kontrastmaximums
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EINDIMENSIONALE PARAMETERSTUDIE R_ Tmax [mm]
Tmax [mK]
60 50 40 30 20 10 0.5
1.0 1.5 2.0 Kugeltiefe [mm]
2.5
1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.5
1.0 1.5 2.0 Kugeltiefe [mm]
2.5
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:
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- Pixelanzahl der Kamera - Objektivtyp - Kamera-Objekt-Abstand 19
VALIDIERUNGSMESSUNG - Überlappstoß
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SIMULATION - Überlappstoß
Modell des Anbindungsfehlers beim Überlappstoß 23.05.2014
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SIMULATION - Überlappstoß
transiente Temperaturverteilung an der Oberfläche 23.05.2014
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T [K]
VALIDIERUNGSMESSUNG - Überlappstoß
10 8 6 4 2 0 0
Messung Probe 1 Probe 2 Simulation 100
200
300 t [ms]
400
500
600
Vergleich von Simulation und Messung am Überlappstoß
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VOLLFAKTORIELLE PARAMETERSTUDIE Ermöglicht die Analyse der Wirkzusammenhänge zwischen allen Modellparametern und den Zielgrößen. Modellparameter
Zielgrößen
Anregungsdauer Anregungsamplitude Material Blechdicke Fehlergeometrie Fehlertiefe
ΔTmax R_ΔTmax …
Modellparameter und zu bestimmende Zielgrößen
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R_ΔTmax
VOLLFAKTORIELLE PARAMETERSTUDIE
ΔTmax
P1
P2
P3
P3
P4
P5
P6
Auswertungsbeispiel für ΔTmax > 1K und R_ΔTmax > 1mm (Bild: Plasmo)
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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
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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
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