Erkennung von Ermüdungsrissen an dickwandigen Stahlbauteilen mit Hilfe ultraschallangeregter Thermografie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die ultraschallangeregte Infrarotthermografie ist ein noch junges, in der Entwicklung befindliches Verfahren der Zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) metallischer Bauteile. Zur Erkennung von rissartigen Fehlstellen wird die Stahlstruktur mit Hilfe eines Leistungsultraschallwandlers zu Schwingungen angeregt, so dass Rissufer aneinander reiben und gegeneinander schlagen. Die lokal dissipierte Energie erwärmt den Rissbereich und macht ihn somit thermografisch sichtbar. Obwohl die akustische Thermografie seit einigen Jahren Forschungsgegenstand ist und bereits zur Prüfung von Serienbauteilen eingesetzt wird, konnten bisher kaum abgesicherte Aussagen zur Verlässlichkeit der Schadensdetektion und zur nachweisbaren Fehlergröße getroffen werden. Vor dem Hintergrund einer möglichen Anwendung im Stahlbau wurden daher zahlreiche Versuche mit Sweep- und monofrequenter Ultraschallanregung rissbehafteter Stahlbleche durchgeführt. Die Analyse der thermischen Antwort von kontrolliert ermüdeten Probekörpern mit Blechdicken von 6m m bis 14 mm und Risstiefen von 1 mm bis 40 mm ließ die Abschätzung der blechdickenabhängigen Riss-Nachweisgrenze von < 1 mm bis < 6 mm zu. In weiteren Versuchen, in denen die Rissflächen mit Hilfe einer Prüfmaschine statisch vorgespannt wurden, zeigte sich nicht nur, dass die Klaffung der Rissufer einen außerordentlich großen Einfluss auf die Rissdetektion hat, sondern dass auch der Ort der stärksten Erwärmung mit dem Vorspanngrad variiert. Langzeitversuche, bei denen Probekörper über 1500-mal angeregt wurden, haben ergeben, dass die maximale Risserwärmung exponentiell abnimmt und dass der wiederholt eingebrachte Leistungsultraschall auch bei 10 mm dicken Blechen zur Entstehung weiterer Risse führen kann. Die berührungslose Schwingungsmessung mit Hilfe eines Laservibrometers erlaubt es, die zugrundeliegenden Zusammenhänge zwischen Schwingungsamplituden und Erwärmung der Rissufer zu erforschen. Nachdem die starke Korrelation der differentiellen Wegamplitude beider Rissflanken gemäß Rissmodus II und III und der Wärmeleistung nachgewiesen werden konnte, wurden auf einem Punktraster gemessene 3D-Oberflächenschwingformen analysiert. Die Bewertung des differentiellen Schwingungsverlaufs der Rissflächen hinsichtlich möglicher Reibungswärme ergab bei Berücksichtigung der Normalkraftmodulation teilweise sehr gute Übereinstimmung mit thermografischen Ergebnissen. Neben den experimentellen Untersuchungen wurde ein Ansatz für die numerische Simulation der Ultraschallanregung, Rissflächenreibung und -erwärmung der Probekörper vorgeschlagen. Sowohl die Größenordnung der Dissipationsleistung als auch die bekannte, stark ausgeprägte Frequenzabhängigkeit der Risserwärmung zeigten guten Übereinstimmungen mit Versuchsergebnissen. Die Vorhersage der Erkennbarkeit von Rissen in beliebig komplexen Bauteilen wird daher möglich. Die Akzeptanz aktiver thermografischer Prüfmethoden wird weiter zunehmen, da vor allem im Maschinen- und Flugzeugbau laufend neue Anwendungsgebiete erschlossen werden. Die Voraussetzungen für eine verlässliche Anwendung der Ultraschall-Thermografie zur Risserkennung im Stahlbau sind jedoch nur teilweise erfüllt. Wie Versuche an einem mehrfach angerissenen Walzträger zeigten, ist die Problematik der mobilen Ankopplung des Ultraschallwandlers durch magnetische Anpressung lösbar. Der Bereich ausreichender Nachweisempfindlichkeit wird allerdings durch die Abhängigkeit von der Rissklaffung stark eingeschränkt. Nur sechs der acht vorhandenen Risse wurden verlässlich detektiert. Künftige Untersuchungen werden daher auch den Einsatz alternativer Anregungsquellen, wie z. B. elektrodynamischer Shaker, beinhalten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Ultrasound excited thermography of thick-walled steel load bearing members. QIRT Journal 6 (2009), S. 79-100
Plum, R., Ummenhofer, T.
- Structural-thermal FE simulation of vibration and heat generation of cracked steel plates due to ultrasound excitation used for vibrothermography. Quantitative Infrared Thermography 2010, Quebec City, Proceedings QIRT (2010), S. 763-770
Plum, R., Ummenhofer, T.
- Akustische Thermografie - Nachweisbare Fehlergröße von Rissen in plattenförmigen Stahlbauteilen. Thermografie-Kolloquium 2011, Stuttgart, DGZfP Berichtsband 130-CD (2011)
Plum, R., Ummenhofer, T.
- Ultraschallangeregte Thermografie zur Risserkennung im Stahlbau – Ein Verfahren auf dem Prüfstand. Stahlbau 80 (2011), S. 233-239
Plum, R., Ummenhofer, T.
