EINES BAUTEILES

5 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Schädigungszustandes eines Bauteiles. Sie betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Der Zustand von Bauteilen ist in vieler Beziehung interessant. Bei neuen Bau- 10 teilen schlägt beispielsweise die DE 100 53 112 A1 ein Verfahren für die Qualitätssicherung vor, um Materialfehler oder Ablösungen von oberflächlich aufgebrachten Beschichtungen (Delaminationen) bei metallischen oder anderen Halbzeugen oder Endprodukten festzustellen, die während des Herstellungsvorganges entstanden sein können. Dazu wird das zu prüfende Bauteil mit Mikrowellen- 15 Signalen beaufschlagt und anschließend mit einer thermographischen Analyse das Bauteil auf das Vorhandensein etwa von Materialfehlern oder einzelner großer Risse untersucht.

Auch die DE 100 59 854 A1 schlägt ein Verfahren vor, mit dem festgestellt wer- 20 den kann, ob ein Bauteil einen Schaden aufweist. Hierbei wird Ultraschall in das Bauteil eingeleitet und der Effekt genutzt, das eine schadhafte Stelle diesen Schall in Wärme umwandelt. Falls also ein Riss oder ein Loch vorhanden ist, leuchtet dieser in einem Thermographiebild selektiv auf.

25 Weitere Möglichkeiten zur Feststellung eines Fehlers in einem Bauteil unter Einsatz der Thermographie werden in der DE 197 03 484 A1 mittels einer thermischen Anregung in Form von Thermoelementen und in der DE 101 53 592 A2 mit Hilfe eines Laserstrahls vorgeschlagen.

30 In vielen Fällen ist es jedoch weniger relevant, einen Materialfehler oder einen anderen mehr oder weniger großen Schaden an einem Bauteil zu kennen und dieses Bauteil etwa im Rahmen der Qualitätssicherung auszusondern. Stattdessen geht es etwa um die Materialermüdung von Bauteilen, die beispielsweise zeitlich veränderlichen Belastungen ausgesetzt sind. Dieses erfolgt bisher mit

35 nicht zerstörungsfreien Methoden.

So wird beispielsweise die voraussichtliche Lebensdauer von Bauteilen durch dynamische Ermüdungsversuche in entsprechend ausgerüsteten Prüfmaschinen ermittelt, sofern die voraussichtliche Belastungsgeschichte bekannt ist, oder es werden zur Einschätzung von bereits vorhandenen, älteren Bauteilen Ver- gleichsproben kritischer Detailpunkte in derartigen Prüfmaschinen untersucht, die vom Neuzustand bis zum vollständigen Versagen gefahren werden können.

Eine nachträgliche Bestimmung der schon eingetretenen Schädigung durch eine Materialermüdung an realen Bauteilen ohne Vorhandensein eines technischen Anrisses ist nur in Sonderfällen möglich und erfolgt im Regelfall bisher rechnerisch. Eine messtechnische Erfassung dieses wahren Schädigungsgrades ist bisher noch nicht möglich. Forschungsaktivitäten zur Ermittlung der Schädigung von derartigen Bauteilen richten sich bisher darauf, die Änderungen von mikromagnetischen Eigenschaften der Bauteile auszunutzen, Schallemissionen oder die Änderungen des globalen elektrischen Widerstandes des gesamten Bauteiles zu untersuchen, globale Temperaturänderungen bei den Ermüdungsversuchen zu prüfen oder auch die Änderungen der Energiedissipation bei Erreichen von konkreten Schwellwerten der Schädigung heranzuziehen.

Alle bisher zur Ermittlung des Schädigungsgrades vorhandener Bauteile eingesetzten Verfahren sind unbefriedigend, da sie sich meist nur unzureichend mit den tatsächlich im Werkstoff des Bauteiles abspielenden Schädigungsvorgängen korrelieren lassen oder aber eine Zerstörung des Bauteiles in Kauf nehmen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zur Bestimmung des Schädigungsgrades eines Bauteiles vorzuschlagen, das zerstörungsfrei vorgenommen werden kann und eine realitätsnähere Bestimmung des Schädigungsgrades des Bauteiles ermöglicht. Außerdem soll eine dafür geeignete Vorrichtung vorgeschlagen werden.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung des Schädigungsgrades eines Bauteiles, bei dem eine aktive Anregung des Bauteils vorgenommen wird, ein Ausschnitt der Oberfläche des angeregten Bauteiles mit einer thermographischen Einrichtung aufgenommen wird, die auch auf der Oberfläche des Bauteiles vorhandenen Kleinrisse, Mikrorisse und mikroplastischen Zonen mit einer Risslänge oder Abmessung von weniger als 2 mm aufnimmt, bei dem die thermographische Einrichtung die aufgenommenen Abbildungen mit den Kleinrissen, Mikrorissen und mikroplastischen Zonen einer Auswertungseinheit zuführt, die Auswertungseinheit die abgebildete Verteilung der Kleinrisse, Mikrorisse und mikroplastische Zonen nach einem vorgegebenen Verfahren systematisch auswertet, und bei dem aus den ausgewerteten Daten der Verteilung der Kleinrisse, Mikrorisse und mikroplastischen Zonen eine Bestimmung des Schädigungsgrades des Bauteils vorgenommen wird.

Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, mit einer Anregungsquelle zur Anregung des Bauteils mit einer thermographischen Einrichtung zur Aufnahme eines Ausschnittes der Oberfläche des angeregten Bauteils mit den auf der Oberfläche des Bauteils vorhandenen Kleinrissen, Mikrorissen und mikroplastischen Zonen mit einer Risslänge bezie- hungsweise Abmessung von weniger als 2 mm, mit einer Auswertungseinheit zur Auswertung der von der thermographischen Einrichtung aufgenommenen Abbildungen und zur Bestimmung des Schädigungsgrades des Bauteiles aus den ausgewerteten Daten der Verteilung der Kleinrisse, Mikrorisse und mikroplastischen Zonen.

Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung arbeiten zerstörungsfrei, da die aktive Anregung des Bauteils keinerlei äußere Bearbeitung des Bauteils erfordert, sondern beispielsweise mit einem der auch aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren wie einer Anregung durch Mikrowellen, durch Thermo- elemente, durch Laser, durch Ultraschall, durch mechanische oder durch induktive Anregungen vorgenommen werden kann.

Erstmals wird die Thermographie hier eingesetzt, um nicht etwa einen konkreten Riss oder einen Materialfehler oder einen sonstigen Defekt festzustellen. Stattdessen wird durch die aktive Anregung des Bauteils ein Wärmebild erzeugt, das auch Kleinrisse, Mikrorisse und mikroplastische Zonen berücksichtigt, und wobei die Verteilung oder Population der Kleinrisse, Mikrorisse und mikroplastischen Zonen anschließend ausgewertet wird, um aus dem sich ergebenden Verteilungsbild Rückschlüsse auf den tatsächlich eingetretenen Schädigungsgrad zu nehmen.

Dadurch kann auch die Lebensdauer des belasteten Bauteils wesentlich präziser vorausgesagt werden, und zwar all dies, ohne das eine relevante Beeinträchtigung oder nennenswerte Beschädigung des Bauteiles vorgenommen werden muss. Allenfalls sehr dicke Korrosionsschutzschichten sollten vor der Thermo- bildaufnahme abgetragen werden.

Dies bedeutet beispielsweise, dass eine bereits Jahrzehnte in Betrieb befindliche Stahlbrücke mit dem erfindungsgemäßen Verfahren an Ort und Stelle untersucht werden kann, also ohne das Proben herausgeschnitten, Bohrungen eingeführt oder sonstige Zerstörungen vorgenommen werden müssen. Der ganz konkrete Schädigungsgrad durch den jahrzehntelangen Betrieb dieser Stahlbrücke kann erfindungsgemäß ermittelt und dadurch auch die voraussichtliche noch vorhandene Lebens- bzw. Haltbarkeitszeit der Stahlbrücke prognostiziert werden.

Mit den eingangs genannten Verfahren ist dies nicht möglich. Diese berücksich- tigen Kleinrisse, Mikrorisse und mikroplastische Zonen nicht, werten sie nicht aus und interessieren sich letztlich auch nicht für sie, da dies im Rahmen der Qualitätssicherung naturgemäß auch nicht erforderlich ist.

Die Existenz von Kleinrissen, Mikrorissen und mikroplastischen Zonen nach ent- sprechenden Belastungen ist an sich bekannt; ihre Beobachtung auf Metalloberflächen erfolgte bisher lichtmikroskopisch, wobei die Oberflächen der Bauteile vor dem Aufbringen der Belastung poliert wurden. Auch röntgenographische oder elektronenmikroskopische Aufnahmetechniken sind eingesetzt worden.

Allerdings ist es nicht möglich, mit diesen Verfahren eine Bestimmung des Schädigungsgrades von belasteten Bauteilen vorzunehmen, da ein bei diesem Verfahren stets erforderliches nachträgliches Polieren stets zur Zerstörung der Kleinriss- und Mikrorisspopulation führt, die ja gerade untersucht werden soll. Röntgenographische Aufnahmen könnten unter Umständen ohne ein Polieren auskommen, allerdings ist für derartige Aufnahmen dann ein derart hoher gerätetechnischer Aufwand erforderlich, dass wiederum Messungen vor Ort praktisch ausgeschlossen sind. Auch diese Verfahren führen damit nicht zum Erfolg.

Erst der Gedanke, Kleinrisse, Mikrorisse und mikroplastische Zonen und ihre Verteilung und die daraus abgeleiteten Parameter zur Charakterisierung des Schädigungsgrades heranzuziehen und diese Kleinrisse, Mikrorisse und mikroplastische Zonen mittels thermographischer Methoden sichtbar und auswertbar zu machen, führt zu einem brauchbaren Verfahren zur Bestimmung des Schädigungsgrades von Bauteilen.

Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung werden in Übereinstimmung mit wesentlichen Teilen der Fachwelt unter Kleinrissen solche Risse mit einer durchschnittlichen Länge von 100 μm bis 2 mm verstanden. Mikrorisse sind Risse mit einer Länge in der Größenordnung der Korngröße oder mehrerer Korngrößen; das bedeutet, dass sie eine Länge von etwa 10 μm bis zu etwa 100 μm besitzen. Mikroplastische Zonen sind Bereiche, aus denen bei andauernder Belastung Mikrorisse und Kleinrisse entstehen oder herauswachsen können oder die sich am Ende eines wachsenden Risses bilden oder ihn begleiten. Sie haben ebenfalls Abmessungen in der Größenordnung einer oder mehrerer Korngrößen.

Wie Versuche gezeigt haben, lassen sich mit der thermographischen Technik Mikrorisse und mikroplastische Zonen bereits mit einer Länge von einigen 10 μm sichtbar machen, also mit einer Länge von deutlich weniger als 2000 μm (gleich 2 mm).

Zusammenfassend werden gelegentlich Kleinrisse, Mikrorisse und mikroplastische Zonen auch als mikromechanische Schädigung oder Mikroschädigung bezeichnet, welche Begriffe aber auch mit anderen Bedeutungen belegt sind.

Mit der Erfindung wird eine Anwendung der Thermographie und der thermographischen Erfassung von Kleinrissen, Mikrorissen und mikroplastischen Zonen zur systematischen Bestimmung der Kleinriss- und Mikrorisspopulation und die Weiterverwendung der Daten im Hinblick auf eine Schädigungsanalyse geschaffen. Anwendbar ist die erfinderische Methode auch zur nachträglichen Schädigungsanalyse an sonst nur schwer zugänglichen Bauteilen vor Ort, auch an kritischen Detailpunkten. Natürlich ist das Verfahren auch an Proben aus kritischen Detailpunkten im Labor anwendbar, wenn dies gewünscht wird.

Besonders vorteilhaft ist es, dass das erfindungsgemäße Verfahren zur nachträglichen Bestimmung des Schädigungsgrades eines Bauteiles ohne alle Vorkenntnisse der Belastungsgeschichte dieses Bauteiles möglich wird.

Weitere Vorteile liegen in dem relativ geringen gerätetechnischen Aufwand, der erforderlich wird. Das Verfahren ist leicht handhabbar, es ist allen Anforderungen an die Mobilität gewachsen und kann damit auch in technologisch problematischem Umfeld eingesetzt werden. Es ist außerdem universell einsetzbar und unterliegt praktisch keinen Einschränkungen auf spezielle ingenieurtechnische Anwendungsgebiete.

Hinzuweisen und zu betonen ist insbesondere auch, dass die Belastungsgeschichte der zu untersuchenden Bauteile sehr unterschiedlich sein kann. Hochrechnungen oder sonstige Betrachtungen für die Vergangenheit sind für die Durchführung des Verfahrens nicht erforderlich. Auch zeitlich stark veränderliche Belastungen, die zur Materialermüdung des Bauteiles geführt haben, und die bei herkömmlichen Betrachtungen stets problematisch sind, stören hier nicht. Auch ein Bauteil, das über Jahre stark belastet wurde, dann unbelastet geblieben ist und schließlich in einer anderen Belastungsrichtung wieder weiterbelastet wurde, kann in dem Zustand betrachtet werden, in dem es sich am Untersuchungszeitpunkt befindet, da die Untersuchung die konkret in diesem Moment vorhandenen Kleinrisse, Mikrorisse und mikroplastische Zonen aufnimmt und daraus den Schädigungsgrad feststellt, unabhängig davon, wie dieser in der Vergangenheit zustande gekommen ist.

Damit wird eine wichtige Grundlage zur Überprüfung, Erhaltung und Weiternutzung aller ermündungsgefährdeten Strukturen geschaffen.

Das Verfahren kann insbesondere bei Bauteilen aus Metall eingesetzt werden, bei denen eine Materialermüdung und auch eine zeitlich veränderliche Belastung besonders relevant ist und aufgrund der geschätzten Lebensdauern auch von großer Bedeutung ist. Aber auch für andere Werkstoffe, bei denen eine Materialermüdung relevant ist, kann das Verfahren mit Nutzen eingesetzt werden.

Besonders bevorzugt ist es, wenn die thermographische Einrichtung eine Ther- mobild-Kamera und ein Mikroskopobjektiv einsetzt. Gerade durch ein Mikroskopobjektiv kann eine besonders hohe geometrische Auflösung realisiert werden, die für die Auswertung der Kleinrisse, Mikrorisse und mikroplastischen Zonen von entsprechendem Nutzen ist.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigt:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Aufbaus, an dem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann.

Figur 1 zeigt ein Bauteil 10, beispielsweise ein metallisches Bauteil, das hier rein schematisch als längliches Rechteck wiedergegeben ist, aber auch ein ganz anderes Aussehen haben kann. Dieses Bauteil 10 ist einer zeitlich veränderlichen Belastung 11 unterworfen. Diese ist hier schematisch durch zwei Pfeile dargestellt, die in unterschiedliche Richtungen Zugkräfte auf das Bauteil 10 andeuten.

Da das Bauteil 10 in der schematischen Darstellung schon über einen längeren Zeitraum den zeitlich veränderlichen Belastungen 11 unterliegt, haben sich eine Vielzahl von Kleinrissen, Mikrorissen 15 und von mikroplastischen Bereichen gebildet. Je nach Belastungsart und Belastungsdauer können Kleinrisse, Mikrorisse und mikroplastische Zonen auch nur sehr lokal und in bestimmten Kerbdetails auftreten. Die Kleinrisse haben eine Länge von etwa 100 μm bis 200 μm und die Mikrorisse haben eine Länge von durchschnittlich 10 μm bis 100 μm und die mikroplastischen Bereiche besitzen ähnliche Längenabmessungen. Im Allgemeinen haben die Mikrorisse Längen von einigen zehn und die Kleinrisse bis zu einigen hundert μm.

Das Verfahren arbeitet jetzt damit, dass dem Bauteil 10 eine aktive Anregung 20 zugeführt wird. Diese ist hier in Form einer Welle abgebildet. Es kann sich je nach spezieller Ausführungsform um Mikrowellen, Laserstrahlen, Ultraschall, mechanische und induktive Anregungen oder auch andere Formen handeln. Insbesondere ist an eine Anregung im sogenannten Lock-in-Verfahren gedacht.

Durch die Anregung 20 des Bauteils 10 entsteht eine thermographisch erfassbare Struktur, sowohl als Momentaufnahme als auch in dem zeitlichen Ablauf. Dieses Wärmebild kann mit einer thermographischen Einrichtung 30 aufgenommen werden, die auf einen Ausschnitt der Oberfläche des angeregten Bauteils 10 gerichtet ist. Die thermographische Einrichtung 30 weist eine Thermobildka- mera und ein Objektiv, insbesondere ein Mikroskopobjektiv, auf.

Die thermographische Einrichtung 30 besitzt insbesondere eine thermische Auflösung von 0,1 Kelvin oder besser und eine Pixelauflösung von 50 μm oder weniger oder in der Größenordnung der Defektgröße und gibt das aufgenommene Wärmebild beziehungsweise die Abbildungen mit den Kleinrissen, Mikrorissen und mikroplastischen Zonen weiter an eine Auswertungseinheit 40. Diese Auswertungseinheit 40 weist insbesondere einen Computer und andere passende Hardware (Drucker, Bildschirme, Speicher, etc.) auf. Die Auswertungseinheit 40 kennt auch Parameter und Verfahren zur Datenauswertung der Abbildungen, die von der thermographischen Einrichtung 30 zugeführt werden, und kann aus der Lage, der Anzahl, der Länge, der Richtung, der Form etc. der verschiedenen Kleinrisse, Mikrorisse und der mikroplastischen Bereiche eine Aussage über den Schädigungsgrad des beobachteten Bauteils geben. Der Schädigungszustand des Werkstoffes des Bauteiles wird dadurch festgestellt.

Die Kleinrisse, Mikrorisse 15 und mikroplastischen Zonen auf der Oberfläche des Bauteils 10 können unabhängig von der Güte der Oberfläche des Bauteils 10 auch unter möglicherweise vorhandenen Beschichtungen erkannt, von der thermographischen Einrichtung 30 aufgenommen und damit in der Auswertungseinheit 40 ausgewertet werden. Dadurch wird auch eine nachträgliche Bestimmung des Schädigungsgrades des Bauteiles 10 vor Ort möglich. Das Verfahren ist also nicht auf die Anwendung im Labor an speziell angefertigten Probekörpern be- schränkt.

Nicht dargestellt ist, dass zur Positionierung insbesondere der thermographischen Einrichtung 30 gegebenenfalls ein entsprechendes Stativ oder andere Hilfsmittel eingesetzt werden können. Auch die Übermittlung der Abbildungen oder der Informationen betreffend diese Abbildungen von der thermographischen Einrichtung 30 zu der Auswertungseinheit 40 kann auf verschiedenste Weise erfolgen, wozu auch eine Fernübertragung gehört. Die Auswertungseinheit 40 muss daher nicht in unmittelbarer Nähe des Bauteils 10 stehen.

Als Anregungsquellen für die Anregung 20 zur Aktivierung des Bauteils 10 und zur Sichtbarmachung der Kleinrisse, Mikrorisse 15 und mikroplastischen Zonen mit Hilfe der Thermographie stehen verschiedenste Anregungsquellen zur Verfügung. Hierzu gehören unter anderem auch eine thermische Anregung durch Lampen, Heizquellen, Laser und dergleichen, eine Anregung durch induktiv erzeugte Wärme, eine Anregung durch Stromfluss, eine Anregung durch Ultra- schall, die durch Konverter, Ultraschalllaser oder sonstige Vorrichtungen erzeugt werden kann, eine mechanische Anregung niederer Frequenz, eine Anregung durch eine elektromagnetische Strahlung auch außerhalb der vorgenannten Beispiele.

Je nach der Art der Anregungsquelle können die Kleinrisse, Mikrorisse und mikroplastischen Zonen dann durch eine lokale Störung des Wärmeflusses, des thermischen Aufheizverhaltens, des thermischen Abklingverhaltens, durch eine Umwandlung mechanischer in thermische Energie im Kleinriss- und Mikrorissbe- reich oder durch eine Ausnutzung des thermoplastischen beziehungsweise thermoelastischen Effektes insbesondere auch unter Beachtung der Vorzeichenumkehr zur Veränderung ihres Emissions-, Transmissions- oder Reflexionsverhaltens im infraroten Bereich angeregt und mit Hilfe der thermographischen Einrichtung mit der Thermobildkamera in Form digitaler Bilder sichtbar gemacht werden.

Für die Auswertung der thermographischen Aufnahmen stehen eine Vielzahl von Auswertealgorithmen zur Verfügung, so etwa Fourriertransormationen, Wavelet- Analysen, neuronale Netze, auch weitere übliche Verfahren der digitalen Bildverarbeitung wie etwa die Mittelwertbildung, die Filterung, etc.. Die Ermittlung des Schädigungsgrades der untersuchten Struktur des Bauteils 10 kann durch eine Korrelation von Parametern der Kleinriss-, Mikroriss- und mikroplastische Zonenpopulation wie Länge, Breite, Rissdichte, Anzahl, etc. oder auch aus Kombinationen daraus oder einen Vergleich der ermittelten Kleinrisse, Mikrorisse und mikroplastische Zonen mit zuvor ermittelten Vergleichsbildem erfolgen.

Denkbar ist es auch, einen Ausschnitt des Bauteiles 10 zu scannen oder eine zoomähnliche Betrachtung des Bauteils 10 von einer makroskopischen Größenordnung bis hin zur mikroskopischen Betrachtung der Kleinrisse, Mikrorisse 15 und mikroplastischen Zonen des Bauteils 10 vorzunehmen und auszuwerten.

Die Erfindung erlaubt erstmalig eine Bestimmung des Schädigungsgrades während der Lebensdauer und insbesondere auch während des Betriebes des zu untersuchenden Bauteils 10. Die Erfindung ermöglicht einen deutlichen Fortschritt für Lebensdauer-Prognoseverfahren an realen Bauteilen.

Neben dem Einsatz im Bauwesen sind zahllose weitere ingenieurtechnische Anwendungsfelder denkbar, so im Kraftfahrzeugbau, bei Flugzeugen, im Kraftwerksbau, für Windkraftanlagen, im Brückenbau und bei diversen weiteren Stahlkonstruktionen und anderen Anwendungsfällen.

Aus der Angabe des Schädigungsgrades lässt sich nicht nur eine voraussichtliche weitere Lebensdauer des Bauteiles 10 abschätzen, sondern gegebenenfalls auch eine noch rechtzeitige Entscheidung über die Einleitung eventuell erforderlicher Sanierungsmaßnahmen treffen, um auf die Lebensdauer einzuwirken oder auch die Belastung für die Zukunft in bestimmte Richtungen oder Grenzen zu lenken.

Versuche haben schon gezeigt, dass die Ermüdungsvorgänge bei der Materialermüdung mikrostrukturelle Veränderungen vor allem an den Bauteiloberflächen hervorrufen beziehungsweise dort initiiert werden. An der Oberfläche der Bauteile treten überlagerte Beanspruchungen aus Normal- und Biegedehnungen auf, die zudem auf durch den Herstellvorgang bedingte Kerben treffen können. Daraus ist zu schließen, dass speziell die auf der Oberfläche des Bauteiles 10 stattfindenden Veränderungen die eindeutige Charakterisierung des Materialermüdungszustandes erlauben. Die Bestimmung des Schädigungsgrades durch eine zweidimensionale Feststellung auf der Oberfläche des Bauteils ist damit signifikant und auch ausreichend.

Auch nicht oberflächenoffene Risse knapp unterhalb der Oberfläche können auf Grund der thermographischen Effekte aufgenommen und erfindungsgemäß berücksichtigt werden.

Bezugszeichenliste

Bauteil Belastung Mikrorisse

Anregung

thermographische Einrichtung

Auswertungseinheit