Elektronenschweißnähte und Laserstrahlschweißnähte prüfen

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Das Merkblatt DVS 3210 unterstützt das schweißtechnische Personal bei der Bewältigung von Fertigungs-, Aufsichts-, Prüf- und Qualitätssicherungsaufgaben. Es basiert auf den aktuell geltenden nationalen bzw. europäischen Normen für das zerstörende und zerstörungsfreie Prüfen von Schweißverbindungen an metallischen Werkstoffen und erläutert die Besonderheiten beim Anwenden dieser Verfahren zur Prüfung elektronen- und laserstrahlgeschweißter Verbindungen.

Bei diesem Beitrag handelt es sich um einen Auszug. Den vollständigen Beitrag finden Sie im Produkt „Die Schweißaufsicht im Betrieb“.

Zerstörungsfreie Prüfverfahren im Überblick

Beim Schweißen werden zur Überprüfung der Schweißnaht und des Schweißzusatzwerkstoffs bestimmte Prüfverfahren eingesetzt. Dabei wird grundsätzlich zwischen zerstörenden und zerstörungsfreien Prüfverfahren unterschieden.

Die nachstehend aufgelisteten Prüfungen gehören zu den zerstörungsfreien Prüfverfahren:

• Durchstrahlungsprüfung
• Eindringprüfung
• Magnetpulverprüfung
• Sichtprüfung
• Ultraschallprüfung
• Wirbelstromprüfung

Sichtprüfung bietet schnellen Überblick

Die erste Prüfung einer Schweißnaht erfolgt in fast allen Fällen durch Inaugenscheinnahme – ohne Hilfsmittel. Mithilfe einer solchen Sichtprüfung gemäß DIN EN ISO 17637 „Zerstörungsfreie Prüfung von Schweißverbindungen – Sichtprüfung von Schmelzschweißverbindungen“ können äußere Unregelmäßigkeiten festgestellt und beurteilt werden.

Hinweis Im Falle von Strahlschweißnähten wird aufgrund der geringen Nahtbreite und der entsprechend geringen Abmessungen von Unregelmäßigkeiten für die Sichtprüfung der Einsatz von Lupen (Vergrößerung etwa fünffach) empfohlen.

Im Zuge einer Sichtprüfung ist es möglich, mithilfe einer einfachen zusätzlichen Maßnahme auch Strahlpositionsabweichungen von der Nahtfuge und damit bestimmte innere Unregelmäßigkeiten (Bindefehler) zu überprüfen. Hierfür wird die Naht periodisch unterbrochen geschweißt. Durch das Messen des Abstands der Nahtmittenlage von der Nahtfuge lassen sich Unterschiede zwischen Strahlsoll- und Strahlistposition feststellen. Die Anzahl und Länge der Unterbrechungen hängen von der Nahtlänge sowie der Geometrie des Nahtverlaufs in Schweißnahtrichtung ab.

Eindringprüfung birgt Gefahr vorgetäuschter Risse

Bei der Durchführung einer Eindringprüfung gemäß DIN EN ISO 3452-1 „Zerstörungsfreie Prüfung – Eindringprüfung – Teil 1: Allgemeine Grundlagen“ muss im Falle von strahlgeschweißten Nähten berücksichtigt werden, dass starke Nahtschuppungen und scharfe Randkerben Risse vortäuschen können. Im Zweifelsfall muss zusätzlich eine Durchstrahlungsprüfung vorgenommen werden.

Anforderungen an die Magnetpulverprüfung

Die Magnetpulverprüfung für ferritische Stähle am Maßstab der DIN EN ISO 17638 „Zerstörungsfreie Prüfung von Schweißverbindungen – Magnetpulverprüfung“ kann für Laserstrahlschweißnähte ohne besondere Einschränkungen durchgeführt werden. Sind bei Elektronenstrahlschweißnähten infolge der Magnetpulverprüfung Instandsetzungsschweißungen erforderlich, so gilt es, im Vorfeld unbedingt auf das Entmagnetisieren zu achten.

Kosmetiknaht charakterisiert Wirbelstromprüfung

Das Wirbelstromverfahren gemäß DIN EN ISO 15549 „Zerstörungsfreie Prüfung – Wirbelstromprüfung – Allgemeine Grundlagen“ kommt bei schmelzgeschweißten Nähten zum Einsatz, bevorzugt das Mehrfrequenzverfahren. Obligatorisch beim Wirbelstromverfahren ist das Abarbeiten der Nahtober- und -unterseite bzw. das Schweißen einer Kosmetiknaht.

Ultraschallprüfung bei Elektronenstrahlschweißungen an unterschiedlichen Werkstoffen

Eine Prüfung strahlgeschweißter Nähte kann in bewährter Manier mithilfe eines konventionellen Ultraschalls gemäß DIN EN ISO 17640 „Zerstörungsfreie Prüfung von Schweißverbindungen – Ultraschallprüfung – Techniken, Prüfklassen und Bewertung“ erfolgen. Probleme bereiten lediglich geringe Wanddicken (< 3 mm), weil sich die Ultraschallwellen in diesen Fällen überwiegend nur auf der Werkstückoberfläche ausbreiten. Das Ultraschallverfahren bietet sich vor allem für Elektronenstrahlschweißungen an unterschiedlichen Werkstoffen an, wenn als Folge von elektrischen Thermospannungen die Gefahr unbeabsichtigter Strahlablenkungen und damit von Bindefehlern gegeben ist.

Hinweis Bei der Verwendung von elektromagnetisch und koppelmedienfrei erzeugtem Ultraschall (sogenannte EMUS-Technik) können inzwischen auch strahlgeschweißte Nähte in dünnwandigen Blechen (z.B. Tailored Blanks) einer Beurteilung unterzogen werden. Dieses Verfahren ist dadurch charakterisiert, dass eine Ultraschallplattenwelle das Volumen der Schweißnaht über die komplette Blechdicke durchdringt. Mithilfe der am Defekt reflektierten bzw. gebeugten Ultraschallwelle werden Fehlstellen in der Naht detektiert.

Anforderungen an die Durchstrahlungsprüfung

Bei der Durchführung von Durchstrahlungsprüfungen gemäß

• DIN EN ISO 19232-1 „Zerstörungsfreie Prüfung – Bildgüte von Durchstrahlungsaufnahmen – Teil 1: Ermittlung der Bildgütezahl mit Draht-Typ-Bildgüteprüfkörper“,
• DIN EN ISO 19232-4 „Zerstörungsfreie Prüfung – Bildgüte von Durchstrahlungsaufnahmen – Teil 4: Experimentelle Ermittlung von Bildgütezahlen und Bildgütetabellen)“,
• DIN EN ISO 17636-1 „Zerstörungsfreie Prüfung von Schweißverbindungen – Durchstrahlungsprüfung – Teil 1: Röntgen- und Gammastrahlungstechniken mit Filmen“ und
• DIN EN ISO 17636-2 „Zerstörungsfreie Prüfung von Schweißverbindungen – Durchstrahlungsprüfung – Teil 2: Röntgen- und Gammastrahlungstechniken mit digitalen Detektoren)“

müssen bei strahlgeschweißten Nähten die Ober- und Unterseiten abgearbeitet werden, um auf dem Film oder Bildschirm das Überlagern von Anzeigen äußerer und innerer Unregelmäßigkeiten im Bereich der schmalen Schmelzzonen zu verhindern. Anderenfalls müssen die Schweißnähte schräg durchstrahlt werden. Um das Erkennen von Merkmalen zu erhöhen, werden für das Prüfen von Strahlschweißnähten bevorzugt Mikrofokusröhren verwendet.

Zerstörende Prüfverfahren im Überblick

Worauf es bei Zugprüfungen zu achten gilt

Zur Ermittlung der Zugfestigkeit und der Bruchlage einer auf Zug beanspruchten Stumpfschweißverbindung gilt die Norm DIN EN ISO 4136 „Zerstörende Prüfung von Schweißverbindungen an metallischen Werkstoffen – Querzugversuch“. In der Norm finden Anwender die Maße von Zugproben aus Stahl. Die Norm gilt darüber hinaus auch für Zugproben aus Nichteisenmetallen.

Hinweis Bei der Bestimmung der Dehnung, Dehngrenze, Brucheinschnürung und Streckgrenze müssen Probemaße und sonstige Einzelheiten gesondert vereinbart werden. Hierbei gilt es zu beachten, dass beispielsweise für die ausschließliche Bestimmung der Schweißnahtdehnung aufgrund der extrem geringen Breite von Strahlschweißnähten ein erheblicher messtechnischer Aufwand erforderlich ist (Lasermessgeräte). Wird mit Zusatzwerkstoff strahlgeschweißt, können gemäß der DIN EN ISO 5178 „Zerstörende Prüfung von Schweißverbindungen an metallischen Werkstoffen – Längszugversuch an Schweißgut in Schmelzschweißverbindungen“ Zugproben aus reinem Schweißgut angefertigt werden, die für eine verhältnismäßig einfache Bestimmung der Dehnungswerte geeignet sind.

Bruchprüfungen im Rahmen von Schweißerprüfungen

Auch gekerbte Zugproben sind genormt, beispielsweise für den Fall, dass an umwandlungshärtenden Werkstoffen die Bruchlage im Schmelzzonenbereich erfolgen soll.

Hinweis Der Sinn und Zweck dieser Prüfungen besteht darin, im Rahmen von Schweißerprüfungen innere Unregelmäßigkeiten wie Bindefehler, Lunker, Poren und Schlackeneinschlüsse im Schmelzzonenbereich aufzuzeigen und Rückschlüsse auf die Handfertigkeit des Schweißers zu ziehen. Es handelt sich in diesen Fällen ausschließlich um Bruchprüfungen, die zwar auch für strahlgeschweißte Verbindungsnähte verwendet werden können, aber nicht zur Ermittlung der Zugfestigkeit geeignet sind.

Das gilt für Biegeprüfungen

Die einschlägige Norm für die Biegeprüfung von strahlgeschweißten Verbindungsnähten ist die DIN EN ISO 5173 „Zerstörende Prüfungen von Schweißnähten an metallischen Werkstoffen – Biegeprüfungen“. Für den Fall, dass das Ausweichen der Naht unter dem Biegedorn verhindert werden soll, müssen Längsbiegeproben verwendet oder die Proben mit der Biegerolle verformt werden. In der DIN EN ISO 5173 werden beide Optionen erläutert. Der Biegedorndurchmesser, dessen Auswahl von der jeweiligen Probendicke abhängt, wird entweder den entsprechenden Anwendernormen entnommen oder muss vor allem bei extrem geringen bzw. großen Probendicken gesondert vereinbart werden.

Kerbschlagbiegeversuch ist aufwendig

Bei der Kerbschlagprüfung tritt an Strahlschweißnähten ein Problem in besonderem Maße auf: das Ausweichen des Risses vom Kerbgrund in den unbeeinflussten Grundwerkstoff. Um reproduzierbare und aussagefähige Messwerte zu bekommen, wird momentan versucht, andere als die in der DIN EN ISO 9016 „Zerstörende Prüfung von Schweißverbindungen an metallischen Werkstoffen – Kerbschlagbiegeversuch – Probenlage, Kerbrichtung und Beurteilung“ festgelegten Probenformen zu verwenden. Generell gilt es zu beachten, dass Kerbschlagbiegeversuche an Strahlschweißnähten aufgrund der geringen Nahtbreite und gegebenenfalls auch geringen Nahtdicke aufwendig und in ihrer Aussage problematisch sind.

Anforderungen an makroskopische und mikroskopische Untersuchungen

Makroskopische und mikroskopische Untersuchungen gemäß DIN EN ISO 17639 „Zerstörende Prüfung von Schweißverbindungen an metallischen Werkstoffen – Makroskopische und mikroskopische Untersuchungen von Schweißnähten“ werden an Quer-, Längs- und Horizontalschliffen durchgeführt, um

• innere Unregelmäßigkeiten,
• die Schweißtiefe,
• die Breite der Schmelzzone in Abhängigkeit von der Schweißtiefe,
• die Ausdehnung der Wärmeeinflusszone sowie
• die Form und Verteilung von Erstarrungsstrukturen

aufzuzeigen und zu bewerten. Die DIN EN ISO 17639 enthält neben Angaben über einheitliche Bezeichnungen auch einen Leitfaden über die Anwendungsbereiche der beiden Untersuchungsmethoden. Die für makro- und mikroskopische Untersuchungen von Strahlschweißnähten wesentlichen Einzelheiten (z.B. Lage der Schliffebenen) finden sich in späteren Anwendernormen bzw. müssen gesondert vereinbart werden.

Härteprüfungen im Überblick

Härteprüfungen an Schweißnähten werden in folgenden beiden Normen erläutert:

• DIN EN ISO 9015-1 „Zerstörende Prüfung von Schweißverbindungen an metallischen Werkstoffen – Härteprüfung – Teil 1: Härteprüfung für Lichtbogenschweißverbindungen)“
• DIN EN ISO 9015-2 „Zerstörende Prüfung von Schweißverbindungen an metallischen Werkstoffen – Härteprüfung – Teil 2: Mikrohärteprüfung an Schweißverbindungen“

Von Bedeutung sind insbesondere die Abstände der Härteeindrücke untereinander sowie die Abstände zur Werkstückoberfläche sowie zum Übergang Schmelze zu Wärmeeinflusszone (Bestimmen der Maximalhärte bei umwandlungshärtenden Stählen).

Hinweis Bei Strahlschweißnähten, die grundsätzlich hohe Härtegradienten aufweisen, werden bevorzugt Klein- und Mikroprüflasten verwendet (HV0,1 bis HV5), sodass (zumeist geätzte) Mikroschliffe anzufertigen sind und die Norm DIN EN 1043-2 „Zerstörende Prüfung von Schweißverbindungen an metallischen Werkstoffen – Härteprüfung – Teil 2: Mikrohärteprüfung an Schweißverbindungen“ zur Anwendung gelangt.

Erfahrungsgemäß wird beim Strahlschweißen umwandlungshärtender Stähle die von Abnahmeorganisationen im Regelwerk festgelegte maximal zulässige Härte von 350 HV10 häufig erheblich überschritten. Biegeprüfungen an derartigen Nähten (Querbiegeprobe) zeigen jedoch, dass diese Härtemaxima wegen ihrer geringen Ausdehnung keine nachteiligen Auswirkungen auf das Zähigkeitsverhalten der Schweißverbindung haben. In besonderen Fällen (beispielsweise Schwingungsprüfungen) werden der Bauteilfunktion angepasste Zusatzprüfungen vorgenommen.

Diese Prüfungen kommen ebenfalls in Betracht

Für strahlgeschweißte Bauteile kommen – abhängig von Einsatz und Beanspruchung – einige weitere Prüfungen in Betracht, z.B.:

• Berstprüfung
• Betriebsfestigkeitsprüfung
• Korrosionsprüfung
• Schleuderprüfung
• Schwingungsprüfung
• Tiefungsprüfung
• Vakuumlecktest

Hinweis Bei diesen Prüfungen handelt es sich teilweise um noch nicht genormte Prüfmethoden, deren Einzelheiten einer gesonderten Vereinbarung bedürfen.

Autor: Ernst Schneider

Den kompletten Beitrag finden Sie in „Die Schweißaufsicht im Betrieb“.