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EFB-Forschungsbericht Nr. 287

Einsatz der Thermografie zur zerstörungsfreien Prüfung von Clinchverbindungen

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Klaus Dilger, Prof. Dr.-Ing. Stefan Böhm, Dipl.-Ing. Christian Srajbr, Institut für Füge- und Schweißtechnik IFS, Technische Universität Braunschweig - Prof. Dr.-Ing. Reimund Neugebauer, Dipl.-Ing. Tino Kühn, Dipl.-Math. Undine Leopold, Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz

92 Seiten (sw 63 teils farbige Abb., 12 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-321-9

Preis (Digital) EUR 70,00

Preis (Print) EUR 79,00

Zusammenfassung

Im Rahmen des Forschungsvorhabens EFB-AIF Nr. 14.890 BG wurden die Möglichkeiten der aktiven Thermografie für die zerstörungsfreie Prüfung von Clinchverbindungen untersucht. Die thermografischen Prüfungen wurden an Clinchverbindungen ohne Schneidanteil mit geteilter und ungeteilter Matrize durchgeführt. Die projektrelevanten Blechwerkstoffe waren eine Aluminiumle-gierung (Ecodal TL 091) mit einer Dicke von t = 1,2 mm und eine Stahllegierung (DC 04 +ZE) mit einer Dicke von t = 0,8 mm.

Es wurden sowohl gleichartige als auch hybride Verbindungen der Werkstoffe gefertigt. Zur Bestimmung der charakteristischen Fehlerbilder wurden Grundlagenun-tersuchungen an einfach überlappten Ein-Punkt-Proben dieser Werkstoffe durchgeführt; die Feh-ler dabei mit parallel gefügten metallographischen Schliffen verifiziert. Die thermografische Prü-fung erfolgte mit unterschiedlichen Anregungsmethoden, die verwendeten Verfahren waren op-tisch (Laser bzw. Blitzlampe), induktiv und ultraschallangeregt.

Die Versuche ergaben, dass sämtliche projektrelevanten Thermografieverfahren die Detektion eines Großteils der Fehler (Halsrisse sowie Lateralversätze und Ermüdungen der Clinchwerkzeu-ge) gewährleisten. Für eine Messung der Bodendicke hat sich jedoch nur die Anregung mit Puls-Phasen-Thermografie als praktikabel erwiesen, obgleich die modulierte Laseranregung in diesem Fall einen höheren Fehlerkontrast ermöglichte, sich aufgrund des erheblichen Anlagenaufwandes aber als nicht effizient erwies. Die Detektierung der Fehler ist werkstoff-, fügesystem- und o-berflächenunabhängig möglich. Zur Validierung der Ergebnisse und zur Überprüfung von Szena-rien einer möglichen ZfP-Einheit wurden fehlerbehaftete Realbauteile hergestellt und geprüft.

Diese Untersuchungen ergaben, dass die induktiv angeregte Lockin-Thermografie das größte Potential für eine Umsetzung als ZfP-System für Clinchpunkte besitzt. Die Umsetzung einer fügeprozessintegrierten Online-Prüfung direkt an der Clinchzange ist, auch bei der möglichen Verwendung von ungekühlten Kameras, vor allem aufgrund der deutlich höheren Kosten im Vergleich zu einer üblichen Auswertung von Prozesssignalen, nicht konkurrenzfähig. Ein thermografisches Prüfsystem ist vorwiegend für stichprobenartige Offline-Prüfungen geeignet. Das Konzept für ein solches System wurde veranschaulicht und die charakteristischen Fehlerbilder und Prozessgrenzen zusammengefasst.

Das Forschungsvorhaben „Einsatz der Thermografie zur zerstörungsfreien Prüfung von Clinchverbindungen“ wurde unter der Fördernummer AiF 14890 BG von der EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF e.V.) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWI) gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 287 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Inhalt

Kurzfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungen
Indizes
1 Einleitung
2 Problemstellung und Zielsetzung
3 Fügeverfahren Clinchen
3.1 Prinzip
3.2 Fehlerquellen und mögliche Fehler
3.3 Qualitätsüberwachung
4 Prüfverfahren aktive Thermografie
4.1 Prinzip
4.2 Anregungsmethoden
4.2.1 Lichtoptisch angeregte Verfahren
4.2.2 Laserangeregte Verfahren
4.2.3 Induktiv angeregte Verfahren
4.2.4 Ultraschallangeregte Verfahren
4.3 Auswertemethoden
5 Versuchseinrichtung und Durchführung
5.1 Ein-Punkt-Proben
5.2 Bauteilproben
5.3 Metallographie
5.4 Thermografische Messungen
6 Darstellung und Bewertung der Ergebnisse
6.1 Numerische Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse
6.2 Anpassung der thermografischen Kennwerte für das jeweilige Prüfverfahren an die jeweilige Prüfaufgabe
6.2.1 Überblick zu den getesteten Anregungsmethoden
6.2.2 Anregungsfrequenz
6.2.3 Wahl der Modulationsfrequenz
6.2.4 Einfluss der Aufzeichnungsdauer bei modulierten Verfahren
6.2.5 Einfluss der Anregungsform auf den Phasenkontrast
6.2.6 Einfluss der Auswertungsmethode auf den Fehlerkontrast
6.2.7 Einfluss von Anregungsseite bzw. Auswerterichtung
6.2.8 Einfluss der Positionierung von Anregung und Auswertung
6.2.9 Analyse und Auswertemethoden
6.3 Ergebnisse der metallographischen Untersuchungen
6.4 Ergebnisse der thermografischen Untersuchungen
6.4.1 Bestimmung der charakteristischen Fehlerbilder
6.4.2 Bestimmung der integralen Einflussgrößen
6.4.3 Systematisierung der Datenauswertung durch Datenkorrelation
6.4.4 Auswertung der statistisch verteilten Fehlertypen
6.4.5 Auswertung von Bodendickenabweichung
6.5 Mögliche Umsetzung eines Thermografiesystems
6.5.1 Verifikation der Ergebnisse an den Bauteilproben
6.5.2 Spalt- und Spannungsbeeinflussung der Ergebnisse bei Bauteilproben
6.5.3 Thermische Auflösung der Kamera
6.5.4 Laterale Auflösung der Kamera, Pixelauflösung
6.5.5 Möglichkeiten einer Einpunkt In-Prozess Messung
6.5.6 Mögliche Integration in einen Produktionsprozess
7 Wirtschaftliche Bedeutung des Forschungsthemas für kleine und mittelständische Unternehmen
7.1 Voraussichtliche Nutzung der angestrebten Forschungsergebnisse
7.2 Möglicher Beitrag zur Steigerung der Leistungs- und Wettbewerbsfähigkeit der kmU
7.3 Beabsichtigte Umsetzung der angestrebten Forschungsergebnisse
8 Zusammenfassung und Ausblick
9 Literaturverzeichnis
A Anhang
A.1 Überblick thermografische Ergebnisse
A.2 Fehlerkatalog
A.3 Übersicht über die gefertigten Ein-Punkt-Proben
A.4 Überblick numerische Fehlereinflussanalyse