Thermografie in der Metallindustrie

Die Temperatur ist im gesamten Prozess des Gießens ein zentraler und entscheidender Faktor für die Eigenschaften und somit Qualität des Endproduktes. Dies beginnt bereits mit der Einhaltung der materialspezifischen Schmelztemperatur zum Erreichen der optimalen Konsistenz der Metallschmelze. Denn neben der Schmelzebehandlung beeinflusst die Temperatur auch die Erstarrung der Schmelze und die daraus resultierende Mikrostruktur, welche wiederum über die Härte und Festigkeit des fertigen Gussstücks bestimmt.

Mit einer einmaligen Bestimmung der Temperatur, über eine berührende Messung vor Beginn des Gießvorgangs, ist eine Prozessführung auf Basis der bestehenden Erfahrungen zum Abkühlverhalten möglich. Diese gerät jedoch an ihre Grenzen, wenn Gießgeschwindigkeit und/oder -dauer stärkeren Schwankungen unterliegen. Um auch für diese Fälle sicherzustellen, dass die erforderliche Mindesttemperatur der Metallschmelze bis zum Prozessende eingehalten wird, ist die berührungslose Temperaturmessung mittels Thermografie eine zuverlässige Methode. Zusätzlich lässt sich über die dadurch ermöglichte Verringerung der vorzuhaltenden Temperaturreserve eine Optimierung des Energieeinsatzes erreichen.

Mehr Sicherheit in der Gießerei-Industrie

Gussformen (vor allem Dauerformen) sowie Schmelzöfen und Gießpfannen unterliegen bei ihrer Nutzung einem technologisch bedingten Verschleiß. Damit dennoch zu jeder Zeit die Sicherheit für Mensch und Umwelt gewährleistet werden kann, ist auch hier die thermografische Überwachung sinnvoll. Mit Hilfe von Wärmebildkameras im langwelligen Infrarotbereich (LWIR) können beispielsweise Lecks und Risse in Formen und Öfen oder Auskolkungen an feuerfesten Auskleidungen zuverlässig identifiziert und daraus Sicherheitsmaßnahmen abgeleitet werden. Durch die gezielte Reparatur der Fehlstellen sinkt die im Prozess benötigte Energie und hohe Kosten, die mit einem Produktionsausfall verbunden wären, werden vermieden. Gleichzeitig lassen sich damit schwere Unfälle wie das Auslaufen der Schmelze aus durchgebrochenen Pfannen verhindern.

Die Warmumformung ist für viele Branchen wie den Fahrzeugbau und die Bauindustrie sowie deren Zulieferer ein Verfahren von großer Bedeutung, da die so gefertigten Teile sehr leicht und dennoch äußerst stabil sind. Um in diesem Prozess eine gleichbleibend hohe Fertigungsqualität zu gewährleisten, unterliegen alle Fertigungsschritte einer strengen Qualitätsüberwachung.

Sämtliche Warmumformungsprozesse finden oberhalb der Rekristallisationstemperatur eines Metalls statt. Dies ermöglicht hohe Umformgrade bei zugleich geringen Umformkräften.

Modernste Verfahrensvarianten des Presshärtens arbeiten darüber hinaus mit einer regelbaren Werkzeugkühlung, durch welche sich verschiedene Abkühlraten und damit unterschiedliche Härtegrade innerhalb ein und desselben Werkstücks erreichen lassen. Eine laufende thermografische Überwachung erlaubt sowohl die Kontrolle der Prozessbedingungen bei jedem einzelnen Pressvorgang als auch eine frühzeitige Erkennung von beginnenden systematischen Abweichungen.

Durch das Schweißen sollen zwei Werkstücke unter Anwendung von Druck und/oder Wärme stoffschlüssig und dauerhaft miteinander verbunden werden, sodass diese den vorgegebenen Qualitätskriterien entsprechen. Die Thermografie ist eine etablierte Methode zur Überwachung der Einhaltung vorgegebener Temperaturen während des Schweißprozesses oder zur zerstörungsfreien Prüfung bereits gefertigter Schweißverbindungen.

Wie zwei Fügepartner miteinander verschweißt werden, ist von dem jeweiligen Schweißverfahren abhängig. Während beispielsweise beim Laserschweißen das Material der Fügepartner mit einem Laser aufgeschmolzen wird, um sie miteinander zu verbinden, wird beim Widerstandsschweißen Strom zur Wärmeerzeugung induziert, um die Verbindungspartner bis zum Erreichen der Schweißtemperatur zu erhitzen und anschließend unter Einwirkung großer Kraft miteinander zu verbinden. 

Unabhängig davon, welches Verfahren zum Einsatz kommt, ist die Einstellung und Steuerung der Temperatur bei allen wärmebasierten Schweißverfahren essenziell, um qualitativ hochwertige Ergebnisse zu erzielen.

An dieser Stelle kommen Thermografiekameras zur Anwendung. Mit deren Hilfe wird die Einhaltung der Prozesstemperaturen und deren zeitlicher Verlauf während des gesamten Schweißvorganges überwacht. Relevant sind dabei meistens die Erfassung der Temperaturverteilung auf den Oberflächen der Fügepartner, die Detektion thermischer Auffälligkeiten sowie die Messung der Schmelz- bzw. Liquidustemperaturen. Auch in der abschließenden Qualitätskontrolle findet die Thermografie Anwendung, wenn Bauteile hinsichtlich ihrer Stabilität auf Fehlstellen, wie beispielsweise Risse, Lunker und Bindefehler untersucht werden. Hier kommt im speziellen Fall die Aktivthermografie zum Einsatz, bei welcher mit Hilfe externer Anregungsquellen, z. B. durch Laser, Induktoren oder Blitzlampen Energie in das Bauteil eingebracht wird. Dies wiederum führt im zeitlichen Verlauf zu lokalen Temperaturunterschieden an der Oberfläche, wenn Fehlstellen im Inneren vorhanden sind.

Anders als das Schweißen, ist das Löten ein Fügeverfahren, bei welchem Metalle durch das Schmelzen von Lot miteinander verbunden werden. Die zu verbindenden Bauteile selbst werden dabei nicht an- oder aufgeschmolzen. Eine Herausforderung ist es, die Fügepartner auf die Arbeitstemperatur des Lotes zu bringen, um Abrisse zu vermeiden.

Weiterhin sollen beim Löten poröse Abrissflächen und Poren vermieden werden, die durch die Überhitzung des Lotes oder des Flussmittels beim Lötvorgang entstehen können. Wie bei den Schweißverfahren ist es also auch beim Löten empfehlenswert, die Prozesstemperatur jederzeit während des Lötvorganges zu prüfen und entsprechend zu steuern.