Schweissnahtprüfung

Multidisziplinäre Aufgabe

Die Schweissnahtprüfung ist eine multidisziplinäre Aufgabe, bei der zahlreiche Techniken zum Einsatz kommen und mit der verschiedene Zwecke verfolgt werden. In diesem Abschnitt ist die Untersuchung von Schliffen auf geometrische Merkmale, Härte oder Gefüge beschrieben.

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Anwendung in der Praxis
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Zwei Untersuchungsebenen

Die Untersuchung materialographischer Schliffe von Schweißverbindungen findet normalerweise auf zwei Ebenen statt:

Makroebene

Stereomikroskop mit bis zu 50-facher Vergrößerung
Die makroskopische Untersuchung wird normalerweise an einem nicht eingebetteten Querschnitt durch eine Schweißverbindung vorgenommen, der mittels Trennen, Grob- oder Feinschleifen erhalten wurde. Die dadurch erhaltene Oberfläche lässt sich gut ätzen. Anschließend werden die makroskopischen Merkmale der Verbindung untersucht. Hierzu gehören unter anderem:

Schweißgeometrie
Anzahl und Größe der Schweißlagen
Eindringtiefe
Größe der Wärmeeinflusszone (WEZ)
Oberflächendefekte, wie Risse, Einschnitte, starke Verengungen, Konvexität und Winkel des Nahtübergangs
Interne Defekte, wie Risse, Porosität, Metalleinschlüsse, ungenügende Verschmelzung, fehlendes Eindringen und Schlacke
Defekte an der Verbindungsstelle, wie Wurzelrisse, Flankenrisse, Randkerben und falsche Ausrichtung

Mikroebene

Untersuchung mit Vergrößerungen bis zu 1.000x unter dem Lichtmikroskop
Für die mikroskopische Untersuchung und die Ermittlung des Härteverlaufs ist eine gut polierte, optisch plane Oberfläche erforderlich. Die mikroskopische Untersuchung dient in erster Linie der Aufdeckung von Schweißdefekten und der Gefügeanalyse, wie:

Hohlräume (Porosität, Schrumpfungsblasen, Mikrorisse)
Spezielle Phasen (Sigma-Phase bei Edelstahl)
Korngröße/-struktur
Schweißstruktur
Segregation
WEZ und Grundstruktur

SCHWEISSNAHTPRÜFUNG IN DER PRAXIS

Bei der Schweißnahtprüfung werden generell dieselben Techniken angewendet wie bei der materialographischen Prüfung oder der Härteprüfung. Die Eigenschaften einer Schweißnaht bieten jedoch spezielle Herausforderungen bei der materialographischen Präparation.

Trennen
Die am häufigsten verwendete Technik zum Heraustrennen eines geeigneten Stücks aus einem größeren Teil ist das Brennschneiden. In diesem Fall muss die Probe für die makroskopische und mikroskopische Untersuchung mittels Nasstrennschleifen entnommen werden. Dabei ist darauf zu achten, dass der Schnitt in einem angemessenen Abstand zu der vom Schneidbrenner erzeugten Wärmeeinflusszone liegt.

Um ein Verformen und Überhitzen der Trennfläche zu verhindern, gelten die allgemeinen Regeln für die richtige Wahl von Trennscheibe und Trennparametern.

Einbetten
Makroschliffe zur Verfahrensfreigabe werden aufgrund des Zeitdrucks in der Regel uneingebettet präpariert. Außerdem ist eine fein geschliffene Oberfläche für die makroskopische Begutachtung in der Regel ausreichend. Für die halbautomatische Präparation stehen verschiedene Probenhalter zur Aufnahme von uneingebetteten Querschliffen von Schweißproben zur Verfügung.

Wenn ein Einbetten erforderlich ist, kann zwischen Warm- und Kalteinbetten gewählt werden. Da Schweißproben in der Regel relativ groß sind, können rechteckige Formen für das Kalteinbetten gewählt werden.

Mechanische Präparation
Traditionell werden Makroschliffe von Schweißproben manuell mit Siliziumkarbidpapier mit immer feiner werdender Körnung bis 1.200 geschliffen. Bei größeren Proben oder längeren Schleifzeiten bietet eine kunststoffgebundene Diamantschleifscheibe wesentliche Vorteile im Hinblick auf Standzeit und gleichbleibende Abtragsrate.

Für die mikroskopische Untersuchung und die Ermittlung des Härteverlaufs muss die Präparation einen Polierschritt beinhalten.

Schweißproben können bedingt durch Phasenänderungen während des Schweißens oder die Verbindung unterschiedlicher Werkstoffe große Härteabweichungen über den Querschnitt aufweisen. Die Schweißzone kann auch harte Ausscheidungen oder Schweißfehler enthalten. Deshalb ist es wichtig, dass mit der gewählten Präparationsmethode der Erhalt aller Gefügebestandteile gewährleistet und eine Reliefbildung weitestgehend verhindert wird. In diesem Fall empfehlen sich halbautomatische oder automatische Präparationsgeräte, die gleichbleibende, reproduzierbare Polierergebnisse liefern, was eine genaue Gefügeanalyse erleichtert.

Ätzen
Abhängig von der Legierung und der erforderlichen Analyse kann ein chemisches oder elektrolytisches Ätzen gewählt werden. Das gebräuchlichste Ätzmittel für Baustähle und niedrig legierte Stähle ist Nital in unterschiedlichen Konzentrationen. Es kann aber auch eine 10%ige Ammoniumpersulfatlösung verwendet werden. Bei schwierig zu bearbeitenden Legierungen, wie Edelstählen und Nickellegierungen, sollte ein elektrolytisches Ätzen erwogen werden. Es bietet gegenüber dem chemischen Ätzen wichtige Vorteile, wie Schnelligkeit, einfache Durchführung und erhöhte Sicherheit aufgrund des minimalen Kontakts mit dem Ätzmittel.

Bei Applikationen, die eine detaillierte Analyse des Mikrogefüges verlangen, muss die Probe vor dem elektrolytischen Polieren und Ätzen bis zur Körnung 1.000 geschliffen werden.

Geometrische Merkmale
Die geometrischen Merkmale einer Schweißnaht werden normalerweise für jede Schweißnaht bzw. Gruppe von Schweißnähten einzeln vorgegeben. Die Fehleranalyse, Freigabe oder Kontrolle einer Schweißnaht wird deswegen in den meisten Fällen anhand einer ausführlichen Spezifikation durchgeführt. Art, Anzahl und Größe von Defekten im Inneren oder an der Oberfläche zur Bestimmung der Schweißqualität sind ebenfalls genau definiert.

Dank dieses hohen Maßes an Standardisierung können Messung, Zählung, Anzeige und Berichterstellung in Verbindung mit geometrischen Merkmalen und Defekten von Schweißnähten mithilfe eines speziellen Bilderfassungssystems optimiert werden.