Untersuchungen zu Mechanismus und technischer Umsetzung der akustischen Thermographie

Abstract

In dieser Arbeit wurde mit einem dafür neu entwickelten 3D-Laservibrometermesssystem gezeigt, dass die Erwärmung des rissfreien Bulk mit der lokalen Spannung im Material korreliert und durch die Dämpfung des Ultraschalls (innere Reibung) hervorgerufen wird. Für die Erwärmung von Rissen wurden neben der Dämpfung Reibung sowie plastische Verformung identifiziert. Die gemessene quadratische Abhängigkeit der Erwärmung von der lokalen Auslenkung des Prüfteils lässt sich im Bild der Reibung durch die zusätzliche Modulation der Normalkraft, die die Rissflanken aneinanderpresst, beschreiben. Wegen der kleinen Auslenkungen in den Bauteilen ist es notwendig, nicht von einem reinen Gleitreibungsfall, sondern vielmehr von einem stark von Haftreibung dominierten Modus auszugehen. Plastische Verformung wurde nur im Extremfall beobachtet. Zwar tritt an Rissspitzen eine lokale Spannungsüberhöhungen auf, Rissspitzenverrundung und Rissschließen verhindern jedoch meist plastische Verformung und Risswachstum.

Für die technische Umsetzung wurden die allgemein verwendeten Systeme auf Basis von Ultraschallschweißanlagen genauer untersucht und deren Unzulänglichkeiten - insbesondere hinsichtlich der Reproduzierbarkeit - aufgezeigt und begründet. Auf diesen Ergebnissen aufbauend wurde eine neue Technik entwickelt, die durch einen abstimmbaren Erreger erlaubt, die Lage der individuellen Eigenfrequenzen zu berücksichtigen und das Prüfteil resonant anzuregen. Auf diese Weise ließ sich außerdem die Effizienz steigern, da zum Erreichen derselben Auslenkungen des Prüfteils ein Piezoerreger mit geringerer Leistung genügt.

Schließlich wurden für eine technische Umsetzung notwendige Aspekte untersucht. Dazu gehören vor allem Methoden, die nicht automatisch gegebene Zerstörungsfreiheit zu charakterisieren und sicherzustellen. Daneben werden die Nachweisgrenzen, Techniken zur Aufbereitung der Infrarotdaten, die Gründe für das Auftreten von Fehlanzeigen sowie der Vergleich mit herkömmlichen ZfP-Methoden diskutiert.

In this thesis a newly developed 3D laser vibrometer system was used to show that the heating of the defect-free bulk correlates with the local stresses in the material and is caused by damping of the ultrasound. Two additional mechanisms that lead to crack heating were identified to be friction and plastic deformation. The measured quadratic relationship between heating and local displacements of the part is explained by an additional modulation of the normal force pressing the crack faces together. Due to the small displacements in the parts, it is necessary to think of a mechanism highly dominated by static rather than dynamic friction. Plastic deformation was only observed in rare occasions. Though at crack tips local stress concentration occurs, crack tip blunting as well as crack closure prevent plastic deformation and crack growth.

For the technical implementation commonly used systems based on ultrasonic welding equipment were investigated and their disadvantages - especially regarding reproducibility - were shown and explained. Based on these results a new technique has been developed, which uses a tunable exciter to take the individual eigen-modes of the specimen into account to perform a resonant excitation. That way also the efficiency could be enhanced, since an exciter with lower power is sufficient to gain the same displacements of the part.

Finally necessary aspects for a technical implementation were investigated. Of particular interest is to characterize and guarantee that the acoustic thermography is non-destructive. Besides, detection limits, post-processing techniques for the infrared data, causes for false calls and a comparison with conventional NDT methods are discussed.