Sicherstellung der Schweißqualität durch zerstörungsfreie Techniken

Viele ZfP-Technologien können eingesetzt werden, um eine ordnungsgemäße Herstellung und Funktionalität sicherzustellen. Quelle: Olympus

Handheld-Röntgenfluoreszenz im Einsatz für die Analyse der Schweißnahtzusammensetzung. Quelle: Olympus

Tragbarer Ultraschall-Fehlerdetektor mit manueller Winkelstrahltechnik zur Beurteilung von Rissen, Verschmelzungen und Porosität von Schweißnähten über das AScan-Display. Quelle: Olympus

Manuelle Phased-Array-Schweißnahtprüfung mit Mehrwinkel-Sektorscantechniken zur Unterstützung der Visualisierung volumetrischer Fehler. Quelle: Olympus

Vollautomatischer Schweißnaht-Scan um den Rohrumfang mittels Phased-Array-Bildgebung zur volumetrischen Schweißnahtprüfung. Quelle: Olympus

Die zerstörungsfreie Prüfung (NDT) bietet die Möglichkeit, verschiedene Aspekte der Material- und Produktqualität zu überwachen, ohne die Teileintegrität zu beeinträchtigen. Viele ZfP-Technologien können eingesetzt werden, um eine ordnungsgemäße Herstellung und Funktionalität sicherzustellen. Drei solcher Techniken – Ultraschall, Wirbelstrom und Röntgenfluoreszenz – können in Fertigungsabläufen gemeinsam eingesetzt werden, um die Verwendung geeigneter Materialien sicherzustellen, Risse in der Nähe der Oberfläche zu erkennen und eine volumetrische Erkennung kritischer Defekte zu ermöglichen.

Ultraschalluntersuchung

Die Ultraschallprüfung (UT) ist eine der ältesten und etabliertesten ZfP-Technologien und wird seit Mitte des 20. Jahrhunderts weit verbreitet eingesetzt. UT nutzt Impulse hochfrequenter Schallwellen, um versteckte Risse, Hohlräume, Porosität und andere interne Diskontinuitäten in Metallen, Verbundwerkstoffen, Kunststoffen und Keramiken zu erkennen. Da sich Schallwellen auf vorhersehbare Weise durch Materialien ausbreiten und von Defekten und Unvollkommenheiten wie Rissen reflektiert werden, kann der innere Zustand von Schweißnähten oder anderen Teststücken durch Überwachung des Musters der Ultraschallechos, die UT erzeugt, bestimmt werden.

Ultraschall-Fehlerprüfgeräte sind kleine, mikroprozessorgesteuerte Instrumente, die sowohl für den Einsatz in der Werkstatt als auch vor Ort geeignet sind. Sie umfassen typischerweise einen Ultraschallimpulsgeber/-empfänger, Hardware und Software zur Signalerfassung und -analyse, eine Wellenformanzeige und ein Datenprotokollierungsmodul. Herkömmliche Prüfgeräte bieten eine Wellenformanzeige zur Analyse, während fortschrittliche Phased-Array-Instrumente die Möglichkeit bieten, Querschnittsbilder des Prüfstücks zu erzeugen, ähnlich wie bei der medizinischen Ultraschallbildgebung.

Die Schweißnahtprüfung ist die häufigste industrielle Anwendung für Ultraschallprüfungen. Die Ultraschall-Fehlererkennung ist eine Vergleichstechnik. Sonden, sogenannte Wandler, erzeugen hochfrequente Schallwellen und werden über eine Flüssigkeits- oder Gelschicht mit dem Prüfling gekoppelt. Ein geschulter Bediener verwendet geeignete Referenzstandards zusammen mit Kenntnissen über die Ausbreitung von Schallwellen und allgemein anerkannten Testverfahren, um spezifische Echomuster zu identifizieren und sie mit den Echomustern zu vergleichen, die von intakten Bereichen und von repräsentativen Fehlern erzeugt werden. Durch diesen Prozess ist ein Bediener in der Lage, den Zustand des Prüfstücks zu bestimmen. In Fertigungsanwendungen können Metall- und Kunststoffschweißnähte sowie die meisten Arten von Klebeverbindungen geprüft werden.

Wirbelstrom

Die Wirbelstromprüfung (EC) basiert auf den Prinzipien des Magnetismus. Es wird häufig in der Luft- und Raumfahrtindustrie und anderen Fertigungsanwendungen eingesetzt, bei denen dünne Metalle auf mögliche Sicherheits- oder Qualitätsprobleme untersucht werden müssen. Zusätzlich zur Erkennung von Rissen in Metallblechen, Rohren und gefertigten Teilen kann Wirbelstrom für bestimmte Metalldickenmessungen eingesetzt werden, z. B. zur Identifizierung von Korrosion unter der Flugzeughaut, zur Messung der Leitfähigkeit, zur Überwachung der Auswirkungen von Wärmebehandlungen und zur Bestimmung der Dicke nichtleitender Beschichtungen wie Farbe , über leitfähigen Substraten.

Die Wirbelstromprüfung basiert auf der Physik der elektromagnetischen Induktion. Bei einer Wirbelstromsonde fließt ein Wechselstrom durch eine Drahtspule und erzeugt ein oszillierendes Magnetfeld. Wenn die Sonde und ihr Magnetfeld in die Nähe eines leitfähigen Materials gebracht werden, beginnt sich ein kreisförmiger Elektronenfluss, ein sogenannter Wirbelstrom, durch das Metall zu bewegen, ähnlich wie wirbelndes Wasser in einem Bach. Der fließende Wirbelstrom erzeugt ein eigenes Magnetfeld, das durch Gegeninduktivität mit der Spule und ihrem Feld interagiert. Änderungen in der Metalldicke oder Defekte wie Risse in der Nähe der Oberfläche unterbrechen oder verändern den Wirbelstrom, was zu Änderungen der elektrischen Impedanz in der Spule führt. Die daraus resultierende Änderung der Impedanzamplitude und des Phasenwinkels kann von einem geschulten Bediener verwendet werden, um Änderungen am Prüfling zu erkennen.

Da Wirbelstrom am besten zur Erkennung von Oberflächenrissen eingesetzt wird, ist eine seiner praktischsten Anwendungen die Prüfung von Schweißkonstruktionen, die zyklischer Belastung ausgesetzt sind, was zur Ausbreitung von Ermüdungsrissen in kritischen Schweißbereichen führen kann. Die Wirbelstromprüfung leitfähiger Materialien bietet gegenüber konkurrierenden Prüftechniken mehrere Vorteile. Üblicherweise wird eine verdächtige Schweißnaht entfernt und gereinigt. Anschließend wird eine Magnetpartikel- oder Flüssigkeitseindringprüfung durchgeführt, um etwaige oberflächenbrechende Risse zu erkennen. Diese Techniken verursachen hohe Kosten für Verbrauchsmaterialien und erfordern eine Reinigung vor und nach der Inspektion. Für nichtferritische Materialien wie Aluminium und Edelstahl ist die Magnetpulverprüfung keine Option. Beim Wirbelstrom werden speziell entwickelte Schweißnahtprüfsonden mit Differentialspulensonden und Zweifrequenztechniken verwendet, um bei Bedarf raue Schweißnähte durch Farbe oder eine andere Beschichtung zu prüfen. Wirbelstrom-NDT ermöglicht die schnelle Inspektion großer Flächen ohne den Einsatz von Koppelflüssigkeiten.

Röntgenfluoreszenz

Röntgenfluoreszenz (XRF) basiert auf der Wechselwirkung von Materie mit Röntgenstrahlen, bei denen es sich um kurzwellige, hochenergetische Strahlen elektromagnetischer Strahlung handelt. Wenn ein primärer Röntgenstrahl auf eine Substanz trifft, regt er Elemente auf atomarer Ebene an, was zu Elektronenbewegungen führt. Jedes Element emittiert bei diesen Bewegungen charakteristische sekundäre (fluoreszierende) Röntgenstrahlen, die es ermöglichen, die elementare Zusammensetzung der Substanz zu identifizieren. RFA kann Elemente mit einer Ordnungszahl von 12 und mehr (Magnesium bis Uran) identifizieren. Im Gegensatz zu anderen Technologien ermöglicht die RFA eine qualitative und quantitative Materialcharakterisierung von Metallen und Legierungen. RFA wird zur Materialidentifizierung, Legierungsklassifizierung, Prozesskontrolle und Einhaltung gesetzlicher Vorschriften wie ROHS verwendet. RFA wird in Branchen wie Bergbau und Geologie, Schrott und Recycling, Edelmetallprüfung, Umweltsicherheit, Verbrauchersicherheit und allgemeine Fertigung eingesetzt. RFA arbeitet auf der Oberfläche eines Materials mit sehr geringer Durchdringung.

Für die Schweißnahtprüfung haben tragbare RFA-Instrumente drei Einsatzmöglichkeiten. Sie können zur Qualitätssicherung des eingehenden Schweißmaterials eingesetzt werden, um die Einhaltung der Bestellspezifikationen sicherzustellen. Da Schweißstäbe oft mit Flussmittel überzogen sind, besteht die richtige Vorgehensweise darin, einen Schweißpfützenpunkt zu erzeugen und den Punkt dann mit RFA zu analysieren. Nach dem Schweißen kann RFA eine Zusammensetzungsanalyse der Schweißnaht und des umgebenden Grundmetalls durchführen, um den Prozess zu prüfen und um nach der Oberflächenbehandlung wie Schleifen oder Bearbeiten abgelagertes Schweißmaterial zu identifizieren.

Die zerstörungsfreie Prüfung von Schweißnähten ist ein wichtiger Bestandteil jedes Qualitätskontrollprogramms. Während jede der drei beschriebenen Technologien sowohl Stärken als auch Schwächen aufweist, ermöglichen sie bei gemeinsamer Anwendung die umfassendste Beurteilung der Material- und Schweißqualität.

Daniel Kass ist Technologiespezialist bei Olympus SSA in Waltham, MA, mit mehr als 25 Jahren Erfahrung im Bereich der zerstörungsfreien Prüfung mit Schwerpunkt auf Ultraschall-, Wirbelstrom- und Phased-Array-Modalitäten. Er ist Autor und Co-Autor mehrerer Artikel und Konferenzpräsentationen zum Thema zerstörungsfreie Prüfung und Miterfinder mehrerer Patente. Für weitere Informationen senden Sie eine E-Mail an [email protected]