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Title:
METHOD FOR CHARACTERISING WORKPIECES CONSISTING OF ELECTRICALLY CONDUCTIVE MATERIALS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2005/005972
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for characterising workpieces (3) consisting of an electrically conductive material or of a composite material comprising a layer or a substrate (1) of said electrically conductive material. According to said method, an electrically conductive zone (5) of the workpiece (3) is inductively heated by means of a planar coupling of an electromagnetic impulse and a local temperature distribution over the surface of the workpiece (3), which results from said inductive heating process during the coupling operation and/or at a temporal interval after the coupling of the electromagnetic impulse, is detected. The method is characterised in that the inductive heating process is carried out at an excitation frequency of = 20 kHz, which is selected in such a way that the penetration depth of the electromagnetic impulse in the electrically conductive zone (5) is greater than or equal to the depth of concealed defective points (4) that are to be detected in the electrically conductive zone (5) and/or is greater than or equal to a thickness of the layer or substrate (1) of the electrically conductive material. The inventive method permits concealed defective points in metallic workpieces or non-electrically conductive layers that are applied to said workpieces to be detected with a high detection sensitivity. The method also enables the highly accurate determination of the layer thickness of non-electrically conductive layers on metallic substrates.

Inventors:
WALLE GUENTER (DE)
Application Number:
PCT/DE2004/001445
Publication Date:
January 20, 2005
Filing Date:
July 06, 2004
Export Citation:
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Assignee:
FRAUNHOFER GES FORSCHUNG (DE)
WALLE GUENTER (DE)
International Classes:
G01N25/72; (IPC1-7): G01N25/72
Foreign References:
US5562345A1996-10-08
EP0378006A11990-07-18
EP0629852A21994-12-21
US4109508A1978-08-29
Other References:
WALLE G ET AL: "ZERSTOERUNGSFREIE PRUEFUNG MITTELS THERMOGRAPHISCHER VERFAHREN NON-DESTRUCTIVE TESTING WITH THERMOGRAPHIC TECHNIQUES", TECHNISCHES MESSEN TM, R.OLDENBOURG VERLAG. MUNCHEN, DE, vol. 66, no. 9, September 1999 (1999-09-01), pages 312 - 321, XP000923890, ISSN: 0171-8096
Attorney, Agent or Firm:
Gagel, Roland (München, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Verfahren zur Charakterisierung von Werkstücken (3) aus einem elektrisch leitfähigen Material oder aus einem Materialverbund mit einer Schicht oder einem Substrat (1) aus dem elektrisch leitfähigen Material, bei dem ein elektrisch leitfähiger Bereich (5) des Werkstücks (3) durch flächige Einkopplung eines elektromagnetischen Impulses induktiv erwärmt und eine aus der induktiven Erwärmung resultierende örtliche Temperatur verteilung an einer Oberfläche des Werkstücks (3) während der Einkopplung und/oder in zeitlichem Abstand zum Beginn der Einkopplung des elektro magnetischen Impulses erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass die induktive Erwärmung mit einer Anregung frequenz f von 5 20 kHz erfolgt, die so gewählt ist, dass eine Eindringtiefe des elektro magnetischen Impulses in den elektrisch leit fähigen Bereich (5) größer oder gleich einer Tiefe von zu erfassenden verdeckten Fehlstellen (4) im elektrisch leitfähigen Bereich (5) und/oder größer oder gleich einer Dicke der Schicht bzw. des Substrates (1) aus dem elektrisch leitfähigen Material ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die induktive Erwärmung mit einer Anregungs frequenz f von 5 10 kHz erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkopplung des elektromagnetischen Impulses und die Erfassung der Temperatur verteilung während einer kontinuierlichen Relativbewegung zwischen dem Werkstück (3) und einer Einrichtung (6) zur Einkopplung des elektromagnetischen Impulses erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass für die Erfassung der Temperaturverteilung eine Zeilenkamera (8) eingesetzt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Nachweis von Fehlstellen (4) in dem elektrisch leitfähigen Material ein Abstand Ax zwischen der Zeilenkamera (8) und der Mitte einer für die Einkopplung der elektromagnetischen Impulse eingesetzten Spule (6) wie folgt gewählt wird : Axv (z2/a), wobei z der Tiefe der zu erfassenden Fehlstellen, a der WärmeDiffusivität s Materials und v der Geschwindigkeit der Relativbewegung entspricht.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Nachweis von Fehlstellen (4) nahe an der Oberfläche des elektrisch leitfähigen Materials oder zur Charakterisierung einer dünnen, elektrisch nicht leitfähigen Schicht auf dem elektrisch leitfähigen Material die Erfassung der Temperaturverteilung während der induktiven Erwärmung erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei ebenen Werkstücken (3) mit Dicken <= 3 mm die Einkopplung des elektromagnetischen Impulses und die Erfassung der Temperaturverteilung von unterschiedlichen Seiten des Werkstückes (3) erfolgen.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Werkstücken (3) aus einem Materialverbund aus einem Substrat (1) aus dem elektrisch leitfähigen Material und einer Schicht (2) aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material die Erfassung der Temperaturverteilung in einem Wellenlängenbereich erfolgt, bei dem das elektrisch nicht leitfähige Material Infrarotstrahlung stark absorbiert.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Werkstücken aus einem elektrisch leitfähigen Material über eine vorgebbare Länge des elektromagnetischen Impulses eine Aufheizdauer At s 0, 5 * (z /a) gewählt wird, wobei z der Tiefe der zu erfassenden Fehlstellen (4) und a einer Diffusivität des elektrisch leitfähigen Materials entspricht.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Werkstücks (3) zumindest zwischen der Einkopplung des elektromagnetischen Impulses und der Erfassung der Temperatur verteilung durch Anblasen mit einem kontinu ierlichen oder gepulsten Gasstrom (10) gekühlt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturverteilung zeitaufgelöst erfasst wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass aus charakteristischen Messgrößen eines zeitlichen Temperaturverlaufs an der Oberfläche eine Dicke einer auf der Schicht oder dem Substrat (1) aus dem elektrisch leitfähigen Material aufgebrachten elektrisch nicht leitfähigen Schicht (2) des Materialverbundes bestimmt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass aus charakteristischen Messgrößen eines zeitlichen Temperaturverlaufs an der Oberfläche unterschiedliche Tiefen von Fehlstellen (4) in dem elektrisch leitfähigen Material bestimmt werden.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Dicke der elektrisch nicht leitfähigen Schicht (2) auf dem Substrat (1) aus dem elektrisch leitfähigen Material die Temperatur an der Oberfläche der elektrisch nicht leitfähigen Schicht (2) zu einer Zeit tm (D2/a) nach Beginn der induktiven Erwärmung ausgewertet wird, wobei D der zu erwartenden Schichtdicke und a der WärmeDiffusivität des Materials entsprechen.
15. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Detektion von Fehlstellen (4) in einer elektrisch nicht leitfähigen Schicht (2) auf dem Substrat (1) aus dem elektrisch leitfähigen Material oder von Fehlstellen (4) im elektrisch leitfähigen Substrat (1) die örtliche Temperatur verteilung an der Oberfläche der elektrisch nicht leitfähigen Schicht (2) zu einer Zeit tm ~ (D2 a) nach Beginn der induktiven Erwärmung ausge wertet wird, wobei D der Dicke der elektrisch nicht leitfähigen Schicht (2) und a der Wärme Diffusivität der elektrisch nicht leitfähigen Schicht (2) entsprechen.
16. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass aus charakteristischen Messgrößen eines zeitlichen Temperaturverlaufs an der Oberfläche nach Beginn der Einkopplung des elektro magnetischen Impulses in das elektrisch leitfähige Material eine Wandstärke des elektrisch leit fähigen Materials bestimmt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Temperatur zu einer bestimmten Zeit t >W2/a nach Beginn der Einkopplung des elektromagnetischen Impulses eine Wandstärke des elektrisch leitfähigen Materials bestimmt wird, wobei W einer geschätzten Wandstärke und a der WärmeDiffusivität des Materials entsprechen.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kompensation von Inhomogenitäten der Temperaturverteilung, die durch Geometrieeinflüsse des Werkstückes (3) bedingt sein können, eine Referenzmessung an einem Referenzprüfobjekt derselben Geometrie mit denselben Messparametern durchgeführt wird wie die Messung am Werkstück (3), wobei aus der Referenzmessung Referenzmess daten erhalten werden, die für jeden Messzeitpunkt von Messdaten, die am Werkstück erhalten wurden, subtrahiert und mit einem konstanten OffsetWert addiert werden.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der Temperaturverteilung mittels InfrarotStrahlungsmesstechnik erfolgt.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche l bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitfähige Bereich mit elektromagnetischen Impulsen beaufschlagt wird, deren magnetische Feldlinien zu erfassende Fehlstellen (4) unter unterschiedlichen Winkeln durchdringen.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitfähige Bereich mit elektromagnetischen Impulsen beaufschlagt wird, deren magnetische Feldlinien bei rissartigen Fehlstellen so orientiert sind, dass sie annähernd parallel zu den Rissen verlaufen.
Description:
Verfahren zur Charakterisierung von Werkstücken aus elektrisch leitfähigen Materialien

Technisches Anwendungsgebiet Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Charakterisierung von Werkstücken aus einem elektrisch leitfähigen Material oder aus einem Materialverbund mit einer Schicht oder einem Substrat aus dem elektrisch leitfähigen Material, bei denen ein elektrisch leitfähiger Bereich des Werkstücks durch flächige Einkopplung eines elektromagnetischen Impulses induktiv erwärmt und eine aus der induktiven Erwärmung resultierende örtliche Temperaturverteilung an einer Oberfläche des Werkstücks während der Einkopplung und/oder in zeitlichem Abstand zum Beginn der Einkopplung des elektromagnetischen Impulses erfasst wird.

Das vorliegende Verfahren betrifft dabei insbesondere das Anwendungsgebiet der zerstörungsfreien Prüfung von Werkstücken, um bspw. Lunker, Delamina- tionen oder Fremdmaterialeinschlüsse in den Werkstücken <BR> erkennen zu können. Neben der Prüfung von Werkstücken, die ausschließlich aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen, können auch Verbundmaterialien, wie bspw. Klebeverbindungen von metallischen Bauteilen mit nichtmetallischen Komponenten, bspw. im Hinblick auf Klebefehler wie Delaminationen oder Ablösungen, mit dem vorliegenden Verfahren untersucht werden. Weiterhin lassen sich die dem Verfahren unterzogenen Werkstücke auch dahingehend charakterisieren, welche Schichtdicken

nichtmetallische Schichten auf einem metallischen Substrat oder einer metallischen Schicht aufweisen.

Für die zerstörungsfreie Charakterisierung von Werkstücken im Hinblick auf Fehlstellen oder Schicht- dicken sind unterschiedliche Techniken bekannt. Ein Beispiel stellt die optische Anregung mit Licht dar, mit dem ein Bereich des Werkstückes erwärmt und aus einer aus der Erwärmung resultierenden Temperatur- verteilung an der Oberfläche des Werkstücks Rück- schlüsse auf Fehlstellen im Werkstück gezogen werden können. Diese thermische Technik durch optische Anregung hat jedoch den Nachteil, dass gerade bei metallischen Materialien das Absorptionsvermögen für Licht relativ gering ist, so dass nur wenig Wärme- energie durch Lichtabsorption in das Werkstück eingebracht werden kann. Dies führt zu einem sehr geringen Nachweisvermögen für Fehlstellen, das proportional zur ins Material eingebrachten Wärme- energie steigt. Ein weiterer Nachteil der optischen Anregungstechniken besteht darin, dass die Wärmeenergie in der Regel nur im oberflächennahen Bereich des Prüfobjektes erzeugt wird, so dass Fehlstellen in größerer Tiefenlage unter der Oberfläche nur sehr schwer nachgewiesen werden können.

Aus der DE 199 33 446 Cl ist ein Verfahren zum Nachweis von Fehlern in metallischen Bauteilen bekannt, das ebenfalls eine Charakterisierung der Bauteile mit einer thermischen Prüftechnik offenbart. Bei diesem Verfahren wird die Technik der induktiven Anregung eingesetzt, bei der das Werkstück durch flächige Einkopplung eines elektromagnetischen Impulses induktiv

erwärmt und eine aus der induktiven Erwärmung resultierende örtliche Temperaturverteilung an einer Oberfläche des Werkstücks in zeitlichem Abstand zur Einkopplung des elektromagnetischen Impulses erfasst wird. Der zu überprüfende Bereich des Werkstücks wird dabei in eine Spule eingeführt, über die der elektro- magnetische Impuls in die Oberfläche des Werkstücks eingekoppelt wird und dort Wirbelströme induziert, die diesen Bereich aufwärmen. Als Anregungsfrequenz werden hierbei Frequenzen von 50 kHz-200 kHz eingesetzt, mit denen aufgrund der geringen Eindringtiefe lediglich der Bereich unmittelbar an oder unter der Oberfläche auf Fehlstellen, insbesondere auf zur Oberfläche hin geöffnete Risse, untersucht werden kann.

Die bisher beschriebenen Verfahren eignen sich schlecht für die Erfassung von tiefer liegenden verdeckten Fehlstellen in elektrisch leitfähigen Materialien sowie zur Charakterisierung von elektrisch nicht leitenden Schichten auf elektrisch leitfähigen Substraten.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Charakterisierung von Werkstücken aus einem elektrisch leitfähigen Material oder aus einem Materialverbund mit einer elektrisch leitfähigen Schicht oder einem elektrisch leitfähigen Substrat anzugeben, mit dem auch tiefer liegende Fehlstellen mit hoher Genauigkeit erfasst werden können. Das Verfahren soll sich auch zur Bestimmung der Schichtdicke nicht leitender Materialschichten auf einem elektrisch leitfähigen Substrat oder einer

elektrisch leitfähigen Schicht eines Materialverbundes eignen.

Wege zur Ausführung der Erfindung Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.

Beim vorliegenden Verfahren zur Charakterisierung von Werkstücken wird ein elektrisch leitfähiger Bereich des Werkstücks durch flächige Einkopplung eines elektromagnetischen Impulses induktiv erwärmt und eine aus der induktiven Erwärmung resultierende örtliche Temperaturverteilung an einer Oberfläche des Werkstücks während der Einkopplung und/oder in zeitlichem Abstand zum Beginn der Einkopplung des elektromagnetischen Impulses erfasst. Die induktive Erwärmung wird dabei mit einer Anregungsfrequenz von < 20 kHz durchgeführt, die so gewählt ist, dass die Eindringtiefe des elektro- magnetischen Impulses in den elektrisch leitfähigen Bereich größer als eine Tiefe von zu erfassenden verdeckten Fehlstellen im elektrisch leitfähigen Bereich und/oder größer als eine Dicke der elektrisch leitfähigen Schicht bzw. des elektrisch leitfähigen Substrates ist.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird mittels eines Frequenzgenerators über einen entsprechenden Induktor, insbesondere eine Aufsatzspule, in bestimmten Fällen auch eine das Prüfobjekt umfassende Spule, das zu untersuchende Werkstück induktiv, impulsartig

relativ großflächig angeregt, vorzugsweise über zumindest die Hälfte seiner Breite. Der angeregte elektrisch leitfähige Bereich des Werkstücks, in den die elektromagnetischen Impulse eingekoppelt werden, wird aufgrund von Wirbelstromverlusten aufgeheizt, die durch die mit dem elektromagnetischen Impuls induzierten Wirbelströme bedingt sind. Durch die vorliegende Wahl der Anregungsfrequenz werden insbesondere Fehlstellen im Werkstück erfasst, die deutlich von der Werkstückoberfläche entfernt liegen, bspw. in einem Bereich von 0,5 mm Tiefe. Durch geeignete Einstellung der Anregungsfrequenz können unterschiedliche Tiefenbereiche erfasst werden.

Für die Charakterisierung der Werkstücke können bei dem vorliegenden Verfahren zwei unterschiedliche physikalische Phänomene ausgenutzt werden. Beim Nachweis von voluminösen Fehlstellen, wie bspw. Lunker oder Fremdmaterialeinschlüsse, von Rissen unter der Oberfläche sowie von schräg zur Oberfläche liegenden Rissen in Metallbauteilen wird in erster Linie der sog.

Wirbelstromeffekt ausgenutzt. Bei diesem Effekt bewirkt eine erhöhte Wirbelstromdichte in der Umgebung eines Fehlers eine verstärkte Aufheizung, die anschließend an r Oberfläche des Werkstücks lokal erkannt werden kann. Die Eindringtiefe der Wirbelströme, d. h. die Eindringtiefe des elektromagnetischen Impulses, sollte dabei so gewählt werden, dass sie zumindest der Tiefen- lage der nachzuweisenden Fehler entspricht. Durch Variation der Frequenz und damit der Eindringtiefe besteht hierbei die Möglichkeit, unterschiedliche Tiefenbereiche des elektrisch leitfähigen Materials gezielt im Hinblick auf Fehlstellen zu untersuchen.

Damit bietet diese Technik grundsätzlich auch die Möglichkeit, die Tiefenlage von Fehlstellen zu ermitteln.

Zur Nutzung des Wirbelstromeffektes ist es bei rissartigen Fehlern außerdem von Vorteil, die Spule zur Einkopplung des elektromagnetischen Impulses so zu gestalten bzw. zu orientieren, dass die Spulenströme senkrecht zu einem Riss verlaufen, d. h. dass die magnetischen Feldlinien der Spule parallel zum Riss orientiert sind. Dies resultiert in der größten Wirbel- stromdichte in der Umgebung des Fehlers. Da der Verlauf der Risse in der Regel vorher nicht bekannt ist, wird in dieser Ausgestaltung das Werkstück unter ver- schiedenen Orientierungen der Spule bzw. mit zumindest zwei Spulen unterschiedlicher Orientierung vermessen, so dass in jedem Fall eine der Orientierungen eine höhere Nachweisempfindlichkeit gegenüber einem der- artigen Riss aufweist.

In einer alternativen Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens wird der Wärmeleitungseffekt zum Nachweis von Fehlstellen in elektrisch nicht leitfähigen Schichten auf elektrisch leitfähigen Substraten oder Schichten sowie zur Bestimmung der Dicke derartiger aufgebrachter Schichten ausgenutzt.

Diese Technik eignet sich nicht nur zur Schichtdicken- bestimmung, sondern auch zum Nachweis von Fehlstellen wie etwa Delaminationen zwischen der Beschichtung und dem metallischen Substrat. Die Anregungsfrequenz wird hierbei so gewählt, dass die Eindringtiefe in den elektrisch leitfähigen Bereich unterhalb der elektrisch nicht leitfähigen Schicht größer oder gleich der Dicke

der metallischen Schicht bzw. des metallischen Substrats ist. Die Eindringtiefe 8 ist hierbei gegeben durch 8 f p0 p wobei f die Anregungsfrequenz, LO die Vakuum- permeabilität, p die relative Permeabilität des metallischen Materials und o die elektrische Leit- fähigkeit sind. Durch diese Wahl der Eindringtiefe wird eine homogene Aufheizung des metallischen Substrates erreicht, von dem aus sich der Wärmestrom durch die elektrisch nicht leitfähige Schicht bis zur Oberfläche des Werkstücks ausbreitet. Bei Vorliegen von Fehl- stellen in dieser Schicht wird der Wärmestrom bei der Ausbreitung gestört, so dass diese Störung nach einer gewissen Zeit an der Oberfläche anhand der Temperatur- verteilung als lokaler Temperaturkontrast zur Umgebung erkannt werden kann. Da der Wärmestrom nur einmal den Weg von der Fehlstelle zur Oberfläche zurücklegen muss, unterliegt er einer deutlich geringeren Dämpfung als ein Wärmestrom, der vom oberflächennahen Bereich zur Fehlstelle und von dort zurück zur Oberfläche diffun- diert. Daher ergibt sich bei dem Einsatz des vor- liegenden Verfahrens eine verbesserte Fehlererkenn- barkeit als bei anderen bekannten Verfahren.

Bei einer zeitaufgelösten Erfassung der örtlichen Temperaturverteilung auf der Oberfläche der elektrisch nicht leitenden Schicht, bei der diese Temperatur- verteilung über einen bestimmten Zeitraum entweder kontinuierlich oder schrittweise erfasst wird, kann die Schichtdicke der elektrisch nicht leitenden Schicht

gemessen werden. Die Schichtdicke ergibt sich dabei aus der Zeit, in der der Wärmestrom vom darunter liegenden aufgeheizten Substrat bis an die Oberfläche des Werk- stücks gelangt. Hierbei wird der zeitliche Verlauf der Temperatur oder beispielsweise auch nur die Temperatur an der Oberfläche zu einer bestimmten Zeit nach Ein- kopplung des elektromagnetischen Impulses ausgewertet.

Die Nutzung des Wärmestroms aus dem Material- inneren zur Oberfläche lässt sich auch zum Nachweis von Delaminationen in Metallbauteilen einsetzen, bei denen Risse in etwa parallel zur Oberfläche vorliegen.

Hierbei sollte die Eindringtiefe der Wirbelströme so gewählt werden, dass sie für Werkstücke mit einer Dicke < 3 mm größer oder gleich der Werkstückdicke ist und für eine Dicke der Werkstücke > 3 mm mindestens der zur erwartenden Tiefenlage der Fehlstellen entspricht.

Auch die Charakterisierung von Kohlefaser- verstärkten Kunststoffmaterialien ist im Hinblick auf Faserfehler, ungleichmäßige Faserverteilung und dgl. mit dem vorliegenden Verfahren möglich, da derartige Fasern elektrisch leitfähig sind. In diesem Falle können durch die vorliegend geeignet gewählten niedrigen Anregungsfrequenzen tiefer unter der Ober- fläche liegende Faserlagen noch mit hoher Genauigkeit untersucht werden.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens wird die induktive Heiztechnik mit einer aktiven Kühltechnik mit Kühlung der Ober- fläche durch Konvektion (z. B. Druckluft oder gekühlte Druckluft) kombiniert. Die Kühlung erfolgt hierbei

mittels eines Gasstromes, insbesondere eines impuls- förmigen Luftstromes, direkt im Anschluss an die impulsförmige Aufheizung durch Anblasen der Oberfläche.

Durch die definierte Kühlung wird erreicht, dass sich ein verstärkter Wärmestrom vom Materialinneren zur Oberfläche hin einstellt, der dazu führt, dass sich der direkt oberhalb der Fehlstelle ausbildende negative Temperaturkontrast verstärkt. Dieser negative Temperaturkontrast (Signal) ist dadurch bedingt, dass im Fehlstellenbereich keine Wärme erzeugt wurde und andererseits dadurch, dass der Wärmestrom aus dem Materialinneren unterhalb der Fehlstelle von dieser gestört wird. In der Nachbarschaft dieses negativen Signals ergibt sich hingegen bei Nutzung des Wirbel- stromeffektes ein positiver Temperaturkontrast, bedingt durch die verstärkte Wärmeerzeugung in der Umgebung der Fehlstelle in Folge einer erhöhten Wirbelstromdichte.

Durch die aktive Kühlung der Oberfläche wird in vielen Fällen eine Verbesserung des Messergebnisses erreicht.

In einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens werden das Werkstück sowie die Einrichtung zur Einkopplung des elektromagnetischen Impulses während der Messung relativ zueinander bewegt.

Dies kann durch Bewegung des Werkstücks unterhalb Induktors oder auch durch Bewegung des Induktors über das Werkstück erfolgen. Auf diese Weise kann das Werkstück durch Abscannen sehr schnell vermessen werden. Die Messung erfolgt während der Bewegung des Induktors mit einer Geschwindigkeit v relativ zum Prüfobjekt oder umgekehrt. Diese dynamische Messtechnik hat gegenüber einer statischen Messung den Vorteil einer homogeneren lateralen Aufheizung des Prüfobjektes

und damit einer besseren Fehlererkennbarkeit bzw. einer genaueren Schichtdickenbestimmung. Durch die dynamische Messung wird eine Störung des Kamerabildfeldes durch den Induktor vermieden und zudem der Einsatz relativ preiswerter Infrarot-Zeilenkamerasysteme ermöglicht.

Die dynamische Messtechnik ermöglicht insbesondere die sehr schnelle Prüfung der Werkstücke, wie sie für viele Anwendungen erforderlich ist.

Für die Durchführung des vorliegenden Verfahrens wird ein Frequenzgenerator mit zumindest einer Sende- antenne in Form einer Spule eingesetzt. Die Temperatur- verteilung wird mit Hilfe einer Infrarotstrahlungs- messtechnik, bspw. mit einer geeigneten Infrarotkamera aufgezeichnet.

Bei relativ dünnen, ebenen Prüfobjekten (Dicke s 3 mm) ermöglicht die Technik auch eine Prüfanordnung, bei der sich die Spule und das Infrarotmesssystem auf unterschiedlichen Seiten des Prüfobjekts befinden.

Dadurch kann jegliche Störung der Messung durch die Spule (im Kamerabild) vermieden werden. Darüber hinaus werden durch die Spule bedingte Reflexionen vermieden.

Das vorliegende Verfahren arbeitet berührungslos und schnell und ist deshalb grundsätzlich für die Online-Prüfung von Bauteilen geeignet. Mit der vorge- schlagenen Prüftechnik können unter der Oberfläche liegende flächige oder voluminöse Fehlstellen in Metallen empfindlich nachgewiesen und charakterisiert werden. Die Technik ermöglicht bei metallischen Materialien im Vergleich zur herkömmlichen optischen Impuls-Thermographie oder Login-Thermographie eine

bessere Energieeinbringung, insbesondere in solchen Fällen, in denen eine Schwärzung der Oberfläche zur Erhöhung der Absorption optischer Strahlung nicht möglich ist. Die Technik ermöglicht es, bei metal- lischen Materialien tiefer unter der Oberfläche liegende Fehlstellen noch zu detektieren. Weiterhin ist die Charakterisierung von Fehlstellen in nicht- metallischen Beschichtungen auf metallischen Substrat- materialien mit einer deutlich besseren Empfindlichkeit als mit herkömmlichen Verfahren möglich. Die Technik erlaubt eine Frequenzoptimierung sowie eine Optimierung der Impulsdauer der induktiven Anregung für eine verbesserte Analyse von Fehlstellen hinsichtlich Tiefenlage und Ausdehnung. Insbesondere ermöglicht das Verfahren neben der Fehlerdetektion auch die Bestimmung von Wandstärken oder Schichtdicken, bspw. von metal- lischen Bauteilen oder von nichtmetallischen Schichten auf metallischen Substraten, mit höherer Genauigkeit als mit herkömmlichen thermischen Techniken. Die Verfahrensvariante, bei der eine Scantechnik verwendet wird, hat den Vorteil, dass eine homogenere Aufheizung und damit eine weiter verbesserte Fehlernachweisbarkeit möglich ist. Bei vielen Anwendungen ermöglicht diese Variante zudem eine weiter gesteigerte Prüfgeschwin- <BR> <BR> diglieit und/oder eine preisgünstigere Realisierung in der Prüfpraxis. Das vorliegende Verfahren ermöglicht hierbei insbesondere die Prüfung elektrisch leitfähiger Materialien bezüglich Delaminationen, schräg ein- laufenden Rissen, Lunkern u. a. Inhomogenitäten unter der Oberfläche. Sie ermöglichen die Charakterisierung von Verbundmaterialien, bspw. auch Klebeverbindungen, aus nichtmetallischen Beschichtungen auf metallischen Substraten im Hinblick auf Fehlstellen im Substrat, der

Beschichtung oder im Interface zwischen Substrat und Beschichtung.

Das vorliegende Verfahren sowie die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand von Ausführungs- beispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Das vorliegende Verfahren sowie die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand von Ausfüh- rungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen : Fig. 1 ein Beispiel für eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bei der sich das Prüfobjekt während der Aufheizung nicht bewegt ; Fig. 2 ein weiteres Beispiel für eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bei der sich das Prüfobjekt während der Messung kontinuierlich an der Messvorrichtung vorbei bewegt ; Fig. 3 Beispiele für die Anwendung des vorliegenden Verfahrens bei unter- schiedlichen Prüfobjekten ; und Fig. 4 ein Beispiel für ein Thermografiebild sowie des zeitlichen Temperaturverlaufs bei unterschiedlichen Beschichtungen zur Veranschaulichung des vorliegenden Verfahrens.

Wege zur Ausführung der Erfindung Figur 1 zeigt ein erstes Beispiel für die Bestand- teile einer Vorrichtung zur Durchführung des vor- liegenden Verfahrens. Bei dem Verfahren wird mittels eines Frequenzgenerators 8 über eine speziell ange- passte flächige Aufsatzspule 6 ein elektromagnetischer Impuls erzeugt. Die flächige Aufsatzspule 6 wird in geringem Abstand über dem Prüfobjekt 3 positioniert, so dass der elektromagnetische Impuls flächig in das Werkstück eingekoppelt wird. Durch diese Einkopplung des elektromagnetischen Impulses werden Wirbelströme in einem elektrisch leitfähigen Bereich 5 des Werkstücks 3 induziert, die in Folge von Wirbelstromverlusten zur Aufheizung dieses Bereiches 5 führen. Der aufgeheizte elektrisch leitfähige Bereich 5 ist in der Figur 1 durch das Rechteck schematisch angedeutet. Durch geeignete Wahl der Anregungsfrequenz, d. h. der Zentralfrequenz des anregenden elektromagnetischen Impulses, kann eine unterschiedliche Eindringtiefe der Wirbelströme und somit eine unterschiedliche Tiefe der Aufheizung erreicht werden. Dies ermöglicht die Anpassung der Eindringtiefe und damit der Wirbelstrom- felder an die Tiefe von Fehlstellen, die mit dem vor- liegenden Verfahren erfasst werden sollen.

Durch die vorliegende Wahl der Anregungsfrequenz von < 20 kHz wird erreicht, dass die Eindringtiefe des elektromagnetischen Impulses groß genug ist, um nicht nur unmittelbar unter der Oberfläche liegende Fehl- stellen erkennen zu können. Weiterhin kann, wie nachfolgend näher erläutert wird, durch die größere Eindringtiefe auch die Schichtdicke einer auf einem elektrisch leitfähigem Substrat oder einer elektrisch

leitfähigen Schicht aufgebrachten nicht elektrisch leitfähigen Schicht, beispielsweise einer Polymer- beschichtung, bestimmt werden. Auch Fehlstellen in dieser elektrisch nicht leitenden Schicht lassen sich damit nachweisen. So wird insbesondere zur Schicht- dickenbestimmung nicht leitfähiger Schichten auf metallischen Substraten oder zum Nachweis von Fehl- stellen wie etwa Delaminationen zwischen Beschichtungen und dem metallischen Substrat eine verbesserte Genauig- keit bzw. eine höhere Fehlernachweisbarkeit erreicht, wenn die Anregungsfrequenz so gewählt wird, dass die Eindringtiefe b des elektromagnetischen Impulses zur Erzeugung von Wirbelströmen zumindest der Dicke Ds des metallischen Substratmaterials entspricht. Figur 3a zeigt beispielhaft eine derartige Situation, bei der die anregende Induktionsspule 6 mit einer Frequenz betrieben wird, bei der der erzeugte elektromagnetische Impuls (die Magnetfelder und damit auch die Wirbel- stromfelder) das Werkstück 3 bestehend aus dem metal- lischen Substrat 1 und der darauf aufgebrachten nicht elektrisch leitfähigen Schicht 2 vollständig durch- dringt. Die Eindringtiefe 8 ist hierbei gegeben durch 8 = 1/ ( z f O M 6), wobei f der Anregungsfrequenz, p0 der Vakuumpermeabilität, p der relativen Permeabilität <BR> <BR> <BR> s metallischen Materials und # der elektrischen Leit- fähigkeit des metallischen Materials entsprechen. Durch die impulsartige induktive Anregung des metallischen Substrates 1 in dem gerade untersuchten Bereich 5 wird dieser Substratbereich impulsartig induktiv aufgeheizt, wobei sich ein instationärer Wärmestrom einstellt, der sich vom Substrat 1 zur Oberfläche der Beschichtung 2 ausbreitet. Durch die oben angeführte Wahl der Anregungsfrequenz wird eine homogene Aufheizung des

metallischen Substrates 1 erreicht, so dass ein gleich- mäßiger, intensiver Wärmestrom in das Beschichtungs- material 2 hinein erzeugt wird. Dieser Wärmestrom wird von Fehlstellen 4 in der Beschichtung, wie bspw. von Delaminationen, gestört und bewirkt einen lokalen, negativen Temperaturkontrast relativ zur Umgebung während des Aufheizprozesses auf der Oberfläche der Beschichtung 2, anhand dessen die Fehlstelle erkannt werden kann. Diese Technik ermöglicht eine erhöhte Nachweisbarkeit für Fehlstellen aller Art in der Beschichtung 2, da der Wärmestrom nur einmal den Weg von der Fehlstelle 4 zur Oberfläche zurücklegen muss, so dass die Dämpfung wesentlich geringer ist als im Falle einer thermischen Anregung von der Oberfläche her.

Zur Messung der Schichtdicke der nichtmetallischen Schicht 2 wird die gleiche homogene Aufheizung des metallischen Substrates 1 vorgenommen und der Aufheiz- prozess an der Schichtoberfläche zeitaufgelöst erfasst und ausgewertet. Durch Anwendung eines Algorithmus, der auf dem Vergleich des gemessenen, zeitlichen Tem- peraturverlaufs mit einem geeignet berechneten Verlauf beruht, ist es möglich, die Schichtdicke zu ermitteln.

Das Verfahren ermöglicht hierbei insbesondere bei größeren Schichtdicken (2 lmm) eine wesentlich genauere Schichtdickenbestimmung, als dies mit anderen ther- mischen Techniken durch optische Aufheizung von außen erreichbar ist.

Bei der Prüfung von Werkstücken 3 aus einem metallischen Material zum Nachweis von voluminösen Fehlstellen, wie bspw. Lunkern oder Fremdmaterial-

einschlüssen, von Rissen unter der Oberfläche sowie von schräg zur Oberfläche liegenden Rissen wird mit dem vorliegenden Verfahren durch Nutzung des Wirbelstrom- effektes ein verbesserter Nachweis gerade von tiefer liegenden, verdeckten Fehlstellen ermöglicht. Die Eindringtiefe der elektromagnetischen Impulse wird hierbei so gewählt, dass sie zumindest der Fehler- tiefenlage der zu erfassenden Fehlstellen 4 entspricht (vgl. Fig. 3b). Unter dem Wirbelstromeffekt wird hierbei das Phänomen verstanden, dass sich im Bereich von Fehlstellen des elektrisch leitfähigen Materials keine Wirbelströme ausbilden können und somit keine Erwärmung stattfindet. Andererseits wird die Aus- breitung der Wirbelströme durch die Fehlstellen gestört, was zu einer lokalen Erhöhung der Wirbelstrom- dichte in der Umgebung der Fehlstellen und somit zu einer verstärkten Wärmeerzeugung in diesem Bereich führt. Durch diesen Mechanismus wird in der Fehler- umgebung aktiv zusätzliche Wärme erzeugt, die zur Oberfläche diffundiert und dort das Fehlersignal, einen Temperaturkontrast relativ zur Umgebung, bewirkt. Durch Variation der Anregungsfrequenz und damit der Eindring- tiefe besteht auch die Möglichkeit, unterschiedliche Tiefenbereiche des Materials gezielt im Hinblick auf Fehlstellen zu untersuchen, also eine Art thermische Tomographie durchzuführen, mit der unterschiedlich tiefe Schichten des Materials abgebildet werden. Damit bietet das vorliegende Verfahren grundsätzlich auch die Möglichkeit, die Tiefenlage von Fehlstellen zu ermitteln.

Bei der induktiven Aufheizung des elektrisch leitfähigen Bereiches 5 wird im vorliegenden Beispiel

mittels eines Infrarotkamerasystems 7 der Temperatur- verlauf an der Werkstückoberfläche mit Beginn der induktiven Anregung zeitaufgelöst über einen geeignet gewählten Zeitraum erfasst und anschließend ausge- wertet. Die Erfassung der Temperaturverteilung ist in der Figur 1 zwar neben der Einrichtung 6 zur Ein- kopplung des elektromagnetischen Impulses angedeutet, findet aber in diesem Beispiel an der gleichen Stelle des Werkstückes 3 statt. Hierbei kann entweder das Werkstück 3 unmittelbar nach der Aufheizung um die entsprechende Distanz unter die Infrarotkamera 7 weiter bewegt werden, oder die Infrarotkamera 7 erfasst diesen Bereich einschließlich der aufliegenden Spule 6.

Delaminationen, Lunker oder z. B. auch schräg liegende Risse werden sich je nach ihrer Tiefenlage unter der Oberfläche zu unterschiedlichen Zeiten nach Beginn der impulsförmigen Anregung in einem charakteristischen Temperaturkontrast an der Oberfläche abbilden. Dabei werden die Tiefenlage und die laterale Ausdehnung der Fehlstellen anhand der charakteristischen zeitlichen und örtlichen Temperaturverläufe ausgewertet, die mit der Kamera 7 erfasst werden.

Bei der Nutzung des Wirbelstromeffektes zum Nachweis von Fehlstellen kann durch eine aktive Kühlung der Oberfläche eine weitere Verbesserung des Mess- ergebnisses erzielt werden. Diese zusätzliche Kühlung ist durch die Kühldüsen 9 in der Figur 1 angedeutet, durch die der vermessene Bereich 5 direkt im Anschluss an die impulsförmige Aufheizung ebenfalls impulsförmig mit einem kühlenden Luftstrom beaufschlagt wird. Durch die definierte Kühlung wird erreicht, dass sich ein verstärkter Wärmestrom vom Materialinneren (Fehler-

bereich) zur Oberfläche hin einstellt, der dazu führt, dass sich direkt oberhalb der Fehlstelle ein deutlicher negativer Temperaturkontrast einstellt. In der Nachbarschaft dieses negativen Signals ergibt sich hingegen ein positiver Temperaturkontrast bedingt durch die verstärkte Wärmeerzeugung in der Umgebung der Fehl- stelle in Folge einer erhöhten Wirbelstromdichte.

Für die Schichtdickenbestimmung einer Polymer- beschichtung oder keramischen Beschichtung 2 auf einem nicht ferromagnetischen Metallsubstrat 1, bspw. aus austenitischem Stahl, können bspw. die folgenden Parameter für die Durchführung des Verfahrens gewählt werden. Bei einer Dicke des Substratmaterials des metallischen Substrates 1 von 2 mm wird die Eindring- tiefe des elektromagnetischen Impulses in etwa gleich der Dicke dieses Substratmaterials gewählt. Daraus ergibt sich eine Anregungsfrequenz von ca. 10 kHz.

Diese Anregungsfrequenz ermöglicht eine homogene Aufheizung des metallischen Substrates, so dass sich die Schichtdicke mit hoher Genauigkeit bestimmen lässt.

Zum Nachweis eines Lunkers in einer ferro- magnetischen Stahlplatte, bei der sich die Fehlstellen in einer Tiefenlage z von etwa 1, 5 mm befinden, sollte die Eindringtiefe des elektromagnetischen Impulses etwa gleich der Tiefenlage der Fehlstellen gewählt werden.

Hieraus ergibt sich eine Anregungsfrequenz von ca. 400 Hz, mit der Fehler in dieser Tiefe mit gutem Nachweis- vermögen erfasst werden können.

Auch wenn in der vorliegenden Beschreibung und den vorliegenden Ausführungsbeispielen jeweils nur von

einem elektromagnetischen Impuls die Rede ist, so lassen sich die Messungen selbstverständlich auch mit Impulsfolgen durchführen, wobei zwischen den einzelnen elektromagnetischen Impulsen jeweils die Temperatur- verteilung an der Oberfläche einfach oder zeitaufgelöst gemessen wird. Auch eine Lock-In-Technik zur noch- maligen Verbesserung der Messgenauigkeit ist bei dem vorliegenden Verfahren selbstverständlich möglich.

Die Induktionsspule 6 ist bei den Messungen so zu gestalten, dass einerseits genügend Energie in das Material eingekoppelt wird und andererseits die Aufheizung möglichst homogen ist. Nach der impuls- förmigen, induktiven Energieeinbringung wird das Prüfobjekt mit einem Scansystem genügend schnell in die Messposition verfahren, in der mittels des Infrarot- kamerasystems 7 die Auswertung des instationären Wärmeleitungsvorganges erfolgt, der durch die induktive Aufheizung angeregt wurde. Mittels eines Kompensations- verfahrens unter Zuhilfenahme von Referenzproben können auch Inhomogenitäten, die durch die induktive Anregung bzw. die Geometrie des Prüfobjektes (charakteristisches Temperaturfeld) verursacht wurden, kompensiert werden, so dass die durch die Fehlstellen bedingten Temperatur- felder optimal erkannt werden können. Sind Fehlstellen nachzuweisen, bei denen die Responszeit, d. h. die Zeit vom Beginn der Anregung bis zum Auftreten des Fehler- signals, relativ kurz ist, kann es sinnvoll sein, ein besonders ausgestaltetes Spulensystem mit wenigen Windungen einzusetzen, bei dem es möglich ist, mit dem Infrarotkamerasystem zwischen den einzelnen Spulen- windungen hindurch auf die Prüfobjektoberfläche zu blicken. Von Prüfschritt zu Prüfschritt wird in solchen

Fällen das Prüfobjekt oder das Spulensystem so bewegt, dass im ersten bzw. vorhergehenden Prüfschritt vom Spulensystem verdeckte Bereiche des Prüfobjektes in nachfolgenden Prüfschritten sichtbar sind. Durch entsprechend angepasste Spulen können relativ große Prüfobjekte in wenigen Prüfschritten flächendeckend untersucht werden.

Neben dieser Technik bietet die folgende dynamische Messtechnik bei einigen Anwendungen besondere Vorteile bei der Durchführung des vorliegenden Verfahrens. Die in der Figur 2 gezeigte Vorrichtung zur Durchführung dieser dynamischen Mess- technik, bei der das Prüfobjekt unterhalb des Spulen- systems sowie der Infrarotkamera kontinuierlich vorbei bewegt wird-oder umgekehrt, umfasst in gleicher Weise einen Frequenzgenerator 8 sowie eine in diesem Fall als schmales lang gestrecktes Element ausgebildete Spule 6, eine Infrarotzeilenkamera 8 sowie optional eine Druck- luftdüse 9 zur Beaufschlagung eines Bereiches des Prüfobjektes 3 mit einem Kühlluftstrom. Bei dieser Technik werden die Scangeschwindigkeit, die Zeitauf- lösung des Infrarotmesssystems sowie die Anordnung von Zeilenkamera und Spulensystem so gewählt, dass eine flächendeckande Prüfung des Prüfobjektes möglich ist.

Das Prüfobjekt 3 wird dabei kontinuierlich relativ zur Spule 6 sowie der Infrarotkamera 7 bzw. 8 bewegt. Der Vorteil einer solchen Scantechnik ist grundsätzlich, dass zum einen eine homogener laterale Aufheizung des Prüfobjektes mit einer damit verbundenen besseren Fehlererkennbarkeit bzw. genaueren Schichtdicken- bestimmung möglich ist und zum anderen preiswertere Zeilenkamerasysteme für die Messung der Temperatur-

felder eingesetzt werden können. Bei dieser Technik tritt auch keine Störung des Kamerabildfeldes durch die Aufheizspule 6 auf. Weiterhin wird durch diese Technik eine sehr schnelle Prüfung ermöglicht.

Bei der Anordnung der einzelnen Bestandteile der Vorrichtung sowie der Wahl der Scangeschwindigkeit ist zu berücksichtigen, dass Fehlstellen unterhalb der Prüfobjektoberfläche erst nach einer bestimmten Zeit nach Beginn der Aufheizung (Responszeit) den maximalen Temperaturkontrast ausbilden. Diese Zeit wird wesent- lich bestimmt von den thermischen Materialparametern und der Tiefenlage der Fehlstellen unter der Ober- fläche. Daher ist für einen optimalen Fehlernachweis ein bestimmter Abstand Ax zwischen der Spule 6 (Spulen- mitte) und dem Messsystem, der Infrarotzeilenkamera 8, einzuhalten, der von der Scangeschwindigkeit, den thermischen Materialparametern und der zu erwartenden Fehlertiefenlage der Fehlstellen abhängig ist. Der Abstand Ax, die Geschwindigkeit v und die Spulenlänge L in Scanrichtung sind so zu wählen, dass #x # v(z2 / α) (Gleichung 1). Die Aufheizdauer At ergibt sich aus At = L/v. Für optimale Ergebnisse sollte At so gewählt werden, dass At > 0,5 (Z2/C), wobei z der Tiefenlage der Fehlstelle unter der Oberfläche oder der abge- schätzen Dicke einer zu vermessenden Schicht/a p x c der Diffusivität des Materials, der Wärmeleit- fähigkeit, p der Dichte und c der spezifischen Wärme- kapazität entsprechen. Somit ergibt sich für die Geschwindigkeit in diesem Falle v = L/At und mit dem obigen Wert für At : v : 2 x L x (a/Z2). Bei typischen Werten, wie bspw. von Stahl von a = 12 mm2/s, L = 0,1 m und z = 2 mm ergibt sich hierbei für die Geschwindig-

keit v ein Wert von v < 0,6 m/s. Für den Abstand Ax ergibt sich : Ax 2 x L = 20 cm.

Werden bei der Messung andere Anforderungen, bspw. speziell hohe Prüfgeschwindigkeiten gefordert, so muss die Aufheizdauer At nicht unbedingt der obigen Ungleichung genügen. In diesem Falle ist es aus- reichend, die folgenden beiden Gleichungen zu beachten.

Der Abstand Ax zwischen der Spulenmitte und dem Mittelpunkt des Bildfeldes des Kamerasystems sollte so gewählt werden, dass Ex v (Z2/) und die Anregungs- leistung P bei Annahme einer rechteckförmigen Flach- spule : P x At/ (L x B) 2 5 Ws/cm2 sind, wobei B der Breite der Spule entspricht. Mit L = 10 cm und einer Breite der Spule von 5 cm sowie einer Scangeschwin- digkeit von z. B. v = 2 m/s (At = 0,05 s) ergibt sich eine Anregungsleistung P 5000 W. Der Abstand Ax ergibt sich hier nach Gleichung 1 zu Ax 67 cm.

Figur 4 zeigt als Beispiel ein Thermografiebild eines Materialverbundes aus Polymerschichten auf einer Stahlplatte (Figur 4a) sowie zeitliche Temperatur- verläufe auf den unterschiedlichen Beschichtungen (Figur 4b). Hierbei wurde ein Materialverbund mit einer Polymerschicht aus 8 unterschiedlichen Schichtdicken von 1,0 mm bis 2,1 mm auf einer Stahlplatte mit der vorliegenden induktiven Anregungstechnik untersucht.

Anhand des Thermografiebildes ist die Temperatur- verteilung auf der Oberfläche der Polymerbeschichtung zu einer bestimmten Zeit nach der Aufheizung farb- codiert erfassbar, wobei die einzelnen Farben in der vorliegenden Darstellung nur durch die mit den Linien angedeuteten Farbwechsel erkennbar sind. Man erkennt

deutlich anhand der sich von links nach rechts stufen- förmig verringernden Temperaturen die unterschiedlichen Schichtdicken, die sich von links nach rechts erhöhen.

Das Diagramm zeigt den Temperaturverlauf für jede der 8 Schichtdicken in Abhängigkeit von der Zeit. Man stellt fest, dass sich die jeweilige Schicht um so schneller aufheizt und eine um so höhere Maximaltemperatur erreicht, je geringer die Schichtdicke ist. Die oberste Kurve stellt dabei die Schicht mit der geringsten Schichtdicke dar. Mit zunehmender Schichtdicke verringert sich der Temperaturanstieg deutlich. Aus diesen Messungen ist ersichtlich, dass sich aus der zeitaufgelösten Temperaturverteilung an der Oberfläche des Werkstückes bzw. aus der Temperatur zu einer bestimmten Zeit nach Beginn der Anregung klare Rück- schlüsse auf die Schichtdicken der Polymerschichten ziehen lassen.

Das vorliegende Verfahren sowie die zugehörige Vorrichtung ermöglichen den Einsatz von Induktions- anlagen mit niedrigeren Frequenzen, die sich grund- sätzlich einfacher und damit kostengünstiger technisch realisieren lassen als solche mit höheren Frequenzen.

Bei niedrigeren Frequenzen können zudem mit weniger Aufwand hohe Leistungen realisiert werden. Auch auf eine Wasserkühlung der Induktoren kann bei diesen Frequenzen in der Regel verzichtet werden, was die Anlage ebenfalls vereinfacht. Niedrigere Frequenzen bedeuten auch ein geringeres gesundheitliches Risiko beim Umgang mit den Induktionsanlagen. Das Verfahren ermöglicht die verbesserte Charakterisierung von Delaminationen, Lunkern, schräg liegenden Rissen und Fremdmaterialeinschlüssen in metallischen Materialien

oder von Fehlstellen, wie bspw. Delaminationen, in Materialverbunden aus Metallen und Nichtmetallen.

Desweiteren erlaubt das Verfahren die Wandstärke- bestimmung metallischer Komponenten oder die Charakterisierung von Schichtdicken mit einer größeren Genauigkeit als mit herkömmlichen thermischen Techniken. Das Verfahren arbeitet vollständig berüh- rungslos und ist so schnell, dass auch eine 100%- Prüfung in der industriellen Qualitätssicherung oder eine wiederkehrende Prüfung sicherheitsrelevanter Bauteile ermöglicht wird. Neben der Prüfung metal- lischer Materialien hinsichtlich unter der Oberfläche liegender voluminöser oder flächiger Fehlstellen ermöglicht das Verfahren auch den Nachweis sowie die Charakterisierung von Fehlstellen in nicht elektrisch leitfähigen Beschichtungen auf leitfähigen Substraten sowie die quantitative Bestimmung von Schichtdicken nichtmetallischer Beschichtungen auf metallischen Substraten mit hoher Genauigkeit.

Bezugszeichenliste 1 elektrisch leitfähiges Substrat 2 nicht elektrisch leitfähige Beschichtung 3 Werkstück bzw. Prüfobjekt 4 Fehlstellen 5 elektrisch leitfähiger Bereich 6 Induktionsspule 7 Infrarotkamera 8 Infrarotzeilenkamera 9 Druckluftdüse 10 Druckluftstrahl