Termovizní kontrola svarových spojů

Kritickými místy, která do značné míry rozhodují o splnění funkčních požadavků, jsou spoje mezi jednotlivými součástmi konstrukce. Vývoj a optimalizace moderních spojovacích metod jsou jedny z klíčových předpokladů pro úspěšnou realizaci konstrukčního řešení. S tím je ovšem spojená i problematika průběžné (on-line) nedestruktivní kontroly a hodnocení svarových spojů, kterou je kvůli zvyšujícím se nárokům na kvalitu a produktivitu nutné řešit. Jedním z hlavních požadavků při realizaci moderních konstrukčních řešení je použití nových metod NDT, které umožní posouzení kvality svarových spojů a zajistí bezporuchový provoz.

Termografické (také termovizní) systémy lze používat nejen k mapování a měření teplotního ovlivnění. V současné době jsou využívány například v letectví při opravách, v hutnictví jako automatická kontrola za tepla tvářených polotovarů, při obrábění, kde lze identifikovat zvýšené tření u rotačních strojů, u kontroly tepelného odporu (narušení izolací, kontrola stavebních konstrukcí), kontroly úniků médií a netěsností, kontroly proudění v potrubích aj. Zároveň je lze využít i pro zkoušení kvality výrobků (v oblasti NDT se obvykle používá mezinárodní zkratka IRT = Infra Red Termography – tzn. infračervená termografie), což je moderní diagnostická metoda uplatňující se při zkoušení dílů, u kterých se mění rozložení teploty na povrchu.

Termografie obecně pracuje na základě skutečnosti, že každé reálné těleso vyzařuje tepelnou energii v podobě elektromagnetického záření. K detekci záření jsou využívány tzv. termokamery, které umožňují zobrazení povrchových teplot na kontrolovaných předmětech. V případě, že vhodně orientovaná necelistvost ovlivní rozložení teploty povrchu, je možné změnu s pomocí termokamery zaregistrovat. Termografie umožňuje detekci plošných i objemových vad, které leží na povrchu či pod povrchem (max. hloubka závisí na zkoušeném materiálu a na použité technice zkoušení). Podobný detekční dosah má například magnetická prášková metoda nebo metoda vířivých proudů. Termografie na rozdíl od těchto metod umožňuje získat rychlý přehled o stavu velkoplošných výrobků.

K nerovnoměrnému rozložení teploty může dojít především při úniku tepla ze samotného tepelného zdroje, např. při nadměrném tření nebo zvýšeném elektrickém odporu. Předmět může teplo nerovnoměrně přenášet v místech, kde jsou určité typy vad, např. vměstky, dutiny, či v místech, kde je materiál porušen.

Infračervená termografie se zabývá bezkontaktním měřením a analýzou teplotního pole povrchu těles. Princip měření spočívá v zachycení energie vyzařované povrchem zkoumaného objektu v infračerveném spektru elektromagnetického záření a její převedení na elektrický signál. Na základě množství zachycené energie a její časové závislosti lze zobrazit povrchové a časové rozložení teplotního pole. Zachycený obraz povrchového teplotního pole se nazývá termogram. Nese v sobě informaci nejen o stavu vnitřní energie objektu (teplota), ale i o povrchových vlastnostech ovlivňujících schopnost vyzařování IR záření (emisivita) a okolních podmínkách (vliv atmosféry a projev tzv. odražené zdánlivé teploty). Analýzou termogramu lze, kromě jiného, získat informace spojené s vytvářením povrchového teplotního pole, s mechanismy šíření tepla a s mechanismy přeměny tepelné energie hmoty na infračervené záření.

Elektromagnetické záření je souhrnný název pro záření o různých vlnových délkách. Podle vlnových délek lze rozlišovat jednotlivé druhy elektromagnetického záření, které tvoří celé spektrum.

Elektromagnetické spektrum záření

Termokamera (IR kamera, infračervená kamera, termovize, termovizní kamera) je přístroj, který vytváří obraz z infračerveného záření podobně jako běžná kamera ze záření viditelného. Namísto oblasti viditelného spektra (tj. vlnové délky v rozsahu 390 – 790 nm) pracují termokamery v jisté části infračervené oblasti elektromagnetického záření. Termokamera je určena pro měření rozsahu teplot od –40 °C až do +3 000 °C s rozlišením až 0,015 stupně. Parametry zohledňovanými při výběru termokamery jsou spektrální citlivost, rozsah měřených teplot, teplotní citlivost, přesnost měření, optické rozlišení a rozlišení senzoru, opakovací frekvence a SW vybavení kamery.

K výhodám termokamer patří bezkontaktní měření, které může být realizováno pod el. napětím nebo za chodu zařízení na vzdálenost až několika desítek metrů, velmi krátká doba snímkování (u speciálních typů termokamer lze pořídit až tisíce snímků za sekundu), možnost měření několika objektů najednou, snadná digitalizace, přenos a archivace snímků, vzsok8 citlivost, univerzálnost použití.

Pomocí termokamer lze detekovat kvalitu vstupních polotovarů, jako je max. teplota, tvar předmětu, a to včetně některých materiálů průhledných ve viditelném spektru. Díky vysoce citlivým detektorům s teplotní citlivostí až 0,015 °C lze odhalit dutiny v kompozitních materiálech a pěnových výrobcích. Pomocí speciálního softwaru lze měřit dynamiku chladnutí svaru kovových i nekovových objektů.

Měření teplot během procesu svařování může sloužit jako zpětná vazba pro nastavování technologických parametrů a zároveň jako kontrola kvality prováděného svaru nebo pro určení velikosti TOO, kde došlo k degradaci mechanických vlastností základního materiálu. V některých případech měření teploty (prováděné on-line) v průběhu svařování pomáhá monitorovat a řídit (pokud je systém měření spojen zpětnou vazbou se svařovacím zdrojem) teplotní cyklus svařovacího procesu (především správné nastavení teploty předehřevu, teploty interpass apod.).

Kontrola kvality svarových spojů pomocí termografie zatím není příliš rozšířená, ani metody zkoušení nejsou ještě plnohodnotně zpracovány pro jednotlivé procesy svařování. Víceméně jde o různé výzkumné aktivity v oblasti kontroly výskytu pórozity, netěsností, nespojistostí apod. Častěji se tato metoda kontroly používá pro porovnávání aktuálního stavu po svaření s referenčním obrazem představujícím optimální podobu termogramu po svaření.

Mnohem více je zatím termografie v oblasti svařování používaná pro zmapování tepelného ovlivnění materiálu, tzn. registrace velikosti a podoby tzv. teplotního pole (= představuje souhrn okamžitých hodnot teplot ve všech bodech sledovaného prostoru), které slouží většinou pro definici teplotního zdroje, resp. verifikaci při numerických simulacích svařovacího procesu.

Jako nejzávažnější problém se ukazuje nízká (nebo neznámá) emisivita povrchů svařovaných materiálů (lze řešit nanesením povrchové vrstvy o známé emisivitě). Dalším problémem je ovlivnění měření samotným procesem vytvářejícím svar (el. oblouk, laser aj.). Měření nesmí být ovlivňováno jinými tepelnými zdroji z blízkého okolí. Je to možné řešit měřením zadní strany svařovaných materiálů nebo lze měřit v určité vzdálenosti od svaru. Dále mohou při měření nastat určité problémy s absorpcí a vedením tepla materiálem. Z hlediska měření teplot není typ svařovací technologie rozhodující, na druhou stranu však může znamenat různá omezení. Např. při laserovém svařování je nutné zajistit, aby nedošlo k poškození detektorů kamery intenzivním laserovým paprskem (ať už přímo, nebo odrazem), obzvláště spadá-li vlnová délka laseru do pracovní oblasti vlnových délek detektorů kamery (nutnost použití filtrů).

Významnou oblastí aplikací termografie je výzkum různých metod svařování používaných v automobilovém průmyslu, zejména kontrola kvality spojení ocelových plechů. Díky této technologii je možné vyhodnotit již během svařování, zda výsledný spoj bude vyhovující, podle předem nahraných dat v zařízení, kde jsou porovnávána a vyhodnocována. Kromě již zmíněných vlastností má použití termokamer v průmyslu výhodu, že je zobrazena celá oblast svaru a je možná velmi rychlá a snadná kontrola, která je použitelná i pro technologie, kdy svarové spoje jsou vytvářeny v krátkých časových rozmezích (1–2 s), jako je tomu např. u bodového odporového svařování.

Řešení podobných aplikací je dnes velmi aktuální téma, kde výzkumné práce intenzivně probíhají (ale většinou na úrovních jednotlivých firem – zejména automobilek nebo nadnárodních koncernů). Cílem nově vyvíjených systémů je nejen možnost 100% on-line kontroly všech svarů, ale i možnost vyhodnotit a doporučit vhodné úpravy procesu, resp. parametrů, pro dosažení optimálních výsledků.

Tento příspěvek vznikl jako stručné shrnutí studie vytvořené v rámci řešení projektu TRIO č. FV10757 s názvem „Termovizní systém pro nedestruktivní kontrolu svarových spojů“, který je financován z dotačních prostředků MPO.

Seznam použité literatury:

[1] Astarita, T., Cardone, G., Carlomagno, G. M., Meola, C.: A survey on infrared thermography for convective heat transfer measurements, Optics & Laser Technology, Vol. 32, s. 593–610, 2000.
[2] Moore, P. O., Maldague, X. P. V. (eds.): Nondestructive testing handbook, Volume 3: Infrared and thermal testing, American Society for Nondestructive Testing, Columbus, 2001, 718 s., ISBN 1-57117-044-8.
[3] Rogalski, A.: Infrared detectors: status and trends, Progress in Quantum Electronics, Vol. 27, s. 59 –210, 2003.
[4] Škeřík, M.: Infračervená termografie – Stupeň I, II – podklady pro školení dle ISO 9712, SNT-TC-1A a EN 4179 / NAS 410, ATG, 2012
[5] //www.infratec.de/fileadmin/downloads/pdf/2014_03_Thermografische_Lasernathpruefung_Automobil.pdf
[6] Sova, J., Kadlec, K.: Termokamery a pyrometry – princip měření, vlastnosti a využití, AllForPower 01/2014
[7] Sova, J., Kovář, J.: Termokamery a pyrometry, Automa 2/2014

Ústav strojírenské technologie FS ČVUT v Praze, Workswell

Doc. Ing. Ladislav Kolařík, Ph.D., IWE

Ladislav.Kolarik@fs.cvut.cz

//u12133.fsid.cvut.cz/