1 - Ansaldo, Gioia del Colle, Italien
2 - NUTECH GmbH, Neumünster, Deutschland
3 - Universität-GH Essen, Essen, Deutschland
4 - GKSS-Forschungszentrum, Geesthacht, Deutschland
5 - Interturbine Germany GmbH, Deutschland

I N H A L T

Einleitung Röntgenuntersuchung Ergebnisse und Diskussion Zusammenfassung und Ausblick Schrifttum

1 Einleitung

Laser- (LB) und Elektronenstrahlschweißen (EB) findet zunehmend in der Automobilindustrie, im Anlagen- und Apparatebau und ebenso in der Flugzeugindustrie Anwendung. Die Energiedichte dieser Schweißverfahren kann in einem weiten Bereich variiert werden, so daß ein minimaler Wärmeeintrag möglich ist [1]. Bauteile können mit einer hohen Vorschubgeschwindigkeit geschweißt werden und zeigen so keinen oder nur geringen Verzug. Beide Faktoren verbessern die Wettbewerbsfähigkeit von LB- und EB-Schweißverfahren, und geringere Stückkosten als mit konventionellen Schweißverfahren sind bauteilabhängig möglich. Hinsichtlich der Qualität der Schweißverbindungen müssen die Kriterien der Zulassungsstellen wie z.B. des Germanischen Lloyd, des Technischen Überwachungsvereins oder Det Norske Veritas erfüllt werden, was eine zerstörungsfreie Untersuchung der geschweißten Bauteile nach dem Schweißen notwendig macht. Zu diesem Zweck sind in den letzten sieben Jahren verschiedene Normen und Richtlinien zum Laser- und Elektronenstrahlschweißen herausgegeben worden [2 - 17]. In Anbetracht der zerstörungsfreien Prüfverfahren (ZfP) ,die verwendet werden können, wie z.B. Röntgenprüfung, Farbeindringverfahren und Ultraschalluntersuchung (US), sind diese abhängig von der Bauteilgeometrie, dem Werkstoff, der Blechdicke und dem Verwendungszweck einsetzbar [18 - 28].

Bild 1: Querschliff einer EB-geschweißten Stumpfnaht, Blechdicke t = 12 mm

Bild 2: Röntgenbild einer 4,5 mm dicken handgeschweißten Stumpfnaht

Bild 3: Röntgenbild einer 3 mm dicken LB-geschweißten Stumpfnaht

LB- und EB-Schweißnähte besitzen selbst bei Blechdicken von 12 mm für gewöhnlich eine Breite von unter 2 mm (Bild 1). Das bedeutet, daß das zu untersuchende Volumen im Vergleich zu Standard-Schweißprozessen gering ist und es somit aufgrund der schmalen Schweißnaht zu Schwierigkeiten bei der sicheren Interpretation von Röntgenfilmen kommen kann (Bild 2, 3). Um ein Hilfsmittel zur schnellen und zuverlässigen zerstörungsfreien Bewertung der Güte von LB- und EB-Schweißnähten zu erhalten, sind während des von der EU geförderten BRITE/EURAM-Projektes (Assessment of Quality of Power Beam Weld Joints, ASPOW) typische Schweißfehler gesammelt und so dokumentiert worden, daß ein erster einfacher Schweißfehlerkatalog herausgegeben werden kann.

In dieser Arbeit werden die Möglichkeiten und Schwierigkeiten von Röntgenuntersuchungen an LB- und EB-Schweißnähten aufgezeigt und erläutert.

2 Röntgenuntersuchung

2.1 Untersuchungsgeräte


Bild 4: Röntgenuntersuchungseinrichtung mit 160 kV Röhre

Das verwendete Röntgengerät ist mit 160 kV bis 320 kV Standard- Röhren ausgestattet. Dies erlaubt die Untersuchung von Stahlplatten bis zu einer Blechdicke von 80 mm (Al: 160 mm) (Bild 4). Zusätzlich kann eine 200 kV Mikrofokusröhre eingesetzt werden, mit der bis ca. 3 mm Blechdicke Ungänzen ab einer Größe von 10 µm aufgelöst werden können [29]. Neben der Aufnahme von Röntgenfilmen bietet die Anlage gleichzeitig mit allen o.a. Röhren die Möglichkeit von "on-line-Untersuchungen" mittels Radioskopie. Zur Erstellung der Filme für den Schweißfehlerkatalog wurde ausschließlich die 160 kV-Röhre eingesetzt, um möglichst nahe an der üblichen betrieblichen Praxis zu prüfen. Es wurden weder besondere Vergrößerungstechniken noch der Einsatz der µ-Fokus-Röhre gewählt.

Obwohl oftmals die radioskopische Röntgenuntersuchung mit 160 kV Standard- oder 200 kV Mikrofokusröhre nützlicher erscheint, um Fehler eindeutig zu identifizieren [28], wurde sie hier nicht angewandt, da entsprechende Normen z.Zt. noch überarbeitet werden [21 - 23] oder gar nicht vorliegen.

2.2 Untersuchungsablauf
Für die Untersuchungen an Blechen wurde der Aufbau nach DIN EN 1435 [11] gewählt (Bild 5).

Bild 5: Anordung zur Röntgendurchstrahlungsprüfung von LB- und EB-Schweißnähten

Röhren- spannung KV	Focus-Größe mm2	Film-Focus Abstand mm	Film-Typ	Röhren Strom mA	Belichtungs- zeit min
160	1,5 x 1,5	700	Agfa D4	10	1,3
Tablelle 1: Bei der Röntgenuntersuchung LB- und EB-geschweißter Bleche verwendete Parameter

Tabelle 1 zeigt exemplarisch die verwendeten Filmbelichtungsparameter, um die erforderliche Schwärzung für einen ausreichenden Kontrast zu erzielen. Die Filmentwicklung erfolgte automatisch, gemäß dem vom Filmhersteller empfohlenen Standardverfahren. Die Beurteilung der Röntgenfilme erfolgte mit bloßem Auge oder im Falle von Uneindeutigkeit mit einem Vergrößerungsglas.

Alle geschweißten Bleche und die Röntgenfilme wurden von zwei Projektpartnern unabhängig voneinander untersucht und bewertet.

3 Ergebnisse und Diskussion

Die mittels Röntgenprüfung untersuchten LB- und EB-Stumpfschweißnähte sind hinsichtlich Werkstoff und Blechdicke in Tabelle 2 aufgeführt. Die Fehlerkriterien sind gemäß der Bewertungsgruppe B (streng) nach DIN EN 13919 [12 - 13] gewählt worden. Die meisten Fehler, die zu einer Ablehnung der Schweißnaht führten, waren Gasporen (Fehler 2011, in Anlehnung an [15]), besonders als Porennest (2013) und als verteilte Porosität (2014) (Bild 6).

Bild 6: Co2-LB-Schweißnaht mit unzuverlässiger (ISO DIS 13919-2, Bewertungsgruppe B) linear Porosität (2014; Werkstoff: Al-Legierung 6061, MlMg 1 SiCu, Blechdicke: 5 mm.

Bild 7: Rißablenkung von der Mitte einer LB-Schweißnaht über die Wärmeeinflußzone in den Grundwerkstoff einer angerissenen Probe unter monotoner Beanspruchung.

Bild 8: NdYAG-LB-Schweißnaht mit zulässigen (ISO DIS 13919-1, Bewertungsgruppe B) Poren; Werkstoff: A286, X5NiCrTi26-15,1.4980, Blechdicke: 3 mm

Bild 9: Röntgenbild mit als Bindefehler (401) und als Wurzelfehler (402) bewerteten Anzeigen; Werkstoff S235JRG2, 10038, Blechdicke: 4mm

Bild 10: Querschliff des Bereiches aus Bild 9

Bild 11: Röntgenbild mit einer als Bindefehler (401) bewerteten Anzeige; Werkstoff: Al-Legierung 2024, AlCu4Mg1, 3.1335, Blechdicke: 5mm

Bild 12: Querschliff des Bereiches aus Bild 11

Bild 13 Röntgenbild mit einer als Kerbe (5011) bewerteten Anzeige; Werkstoff: Al-Legierung 2024, AlCu4Mg1, 3.1335, Blechdicke: 5mm

Bild 14: Querschliff des Bereiches aus Bild 13

Blechdicke in mm	3	4	5	6	8	12	40
Werkstoff
Stähle		x	x		x	x	x
Ni-Legierung	x
Ti-Legierung	x
Al-Legierung	x		x	x
Tablelle 2: Werkstoffe und Blechdicke der mittels Röntgenstrahlung untersuchten LB- und EB-stumpfgeschweißten Bleche

Untersuchungen an angerissenen Proben konnten belegen, daß Poren mit einer Größe von d = 0,1 t (t = Blechdicke in mm) und einer Poren-Gesamtfläche von maximal 0,7 % der Schweißnahtfläche sich nicht schädlich auf die Eigenschaften der Schweißnaht auswirken (Bild 7). Selbst wenn die Pore im Bezug auf die Schweißnahtbreite groß erscheint, so liegt ihre Größe noch unter dem Ablehnungs-Kriterium. Offensichtlich wirken bei den untersuchten Werkstoffen derartige Poren nicht als innere Kerben und fördern weder Rißentstehung noch deren Ausbreitung. Weiterhin ist die Sichtbarkeit von Poren gut, auch wenn sie klein und selten sind (Bild 8).

Weitaus schwieriger zu beurteilen sind linienförmige Fehler, wie Wurzelfehler (402), Kerben (5011) oder Decklagenunterwölbung (511), die nur bis zu einer bestimmten Größe erlaubt sind. Als ein Beispiel zeigt Bild 9 eine Anzeige, die als Bindefehler (401) und Wurzelfehler (402) bewertet wurden. Nach der Untersuchung eines metallographischen Schliffes dieses Schweißnahtbereiches wurde eine Decklagenunterwölbung (5011) festgestellt (Bild 10). Wichtig ist hierbei zu bemerken, daß bei dem Fehler 511 eine Kerbtiefe von h = 0,1 t erlaubt ist und bei 5011 lediglich h = 0,05 t. Beide Fehler erlauben einen Maximalwert von 0,5 mm. In diesem Fall ist die Schweißnaht von beiden Prüfern unabhängig voneinander zurückgewiesen worden. In allen Fällen, in denen eine Schweißnaht nicht eindeutig zu bewerten war, entschieden sich die Prüfer für den kritischeren Defekt und wiesen die Schweißnaht zurück. Weitere Beispiele hierzu zeigen die Bilder 11 bis 14. Aufgrund der Tatsache, daß eine quantitative Beurteilung der Fehler anhand des Röntgen-Graustufenbildes gemäß den Anforderungen B nach DIN EN 13919 nicht möglich war, führte jede lineare Anzeige zu einer Zurückweisung der Schweißnaht, wie es in [2] vorgeschlagen wird.

Ein weiteres Problem ist die Unterscheidung zwischen einer Unterwölbung (515) und einer Kerbe (5011) aufgrund der für Laser-Schweißnähte charakteristischen feinwelligen Schuppigkeit (Bild 15).

Auch hier gibt es für beide Fehlerarten Unterschiede bezüglich der Grenzen der Anforderungen B nach DIN EN 13919. Während die kritische Defektgröße beim Fehler 5011 h = 0,05 t beträgt, ist sie beim Fehler 515 h = 0,1 t. Die maximal zulässige Größe ist in beiden Fällen 0,5 mm. Da beide Fehler auf dem Röntgenbild mehr oder weniger gleich erscheinen, entschieden sich die Prüfer aus Sicherheitsgründen für eine Zurückweisung der Schweißnaht, ungeachtet der Tatsache, daß einige dieser Bleche die Kriterien gemäß den Anforderungen B nach DIN EN 13919 erfüllen. Die doppelte Prüfung der Bleche erbrachte annähernd ähnliche Ergebnisse. Fast alle Fehler wurden von beiden Prüfern unabhängig voneinander entdeckt. Auffällige Unterschiede traten nur auf, wenn Röntgenfilme vom Typ D4 mit solchen vom Typ D7 miteinander verglichen wurden. Im Falle der höheren Auflösung der Filme vom Typ D4 wurde es den Prüfern ermöglicht, lineare Anzeigen als Bindefehler (401) oder als Wurzelfehler (402) zu unterscheiden. Diese Anzeichen waren bei der Verwendung von Filmen mit einer geringeren Auflösung als D4 nicht sichtbar. Beide Arten von Filmen sind in den Normen zulässig.

4 Zusammenfassung und Ausblick

LB- und EB-Schweißnähte bedeuten für die zerstörungsfreie Röntgenuntersuchung eine besondere Herausforderung. Selbst wenn nicht alle Ungänzen richtig bewertet wurden, lagen die Prüfer in ihrer Beurteilung stets auf der sicheren Seite, vorausgesetzt es wurde ein hochauflösender Film (D4) verwendet.

Die z.Zt. verfügbaren Normen können als ausreichend betrachtet werden, jedoch erfordern die besonderen Eigenschaften strahlgeschweißter Verbindungen eine besondere Schulung der Röntgenprüfer. Zur Erleichterung der Untersuchung von Röntgenfilmen ist der erste Entwurf eines Schweißfehlerkataloges von LB- und EB-Schweißnähten im Rahmen des ASPOW-Projektes entstanden und wird demnächst veröffentlicht. Darüber hinaus sollte in naher Zukunft die radioskopische Untersuchung von Schweißnähten mit in die Normenwerke aufgenommen werden.

Danksagung

Herr Fischer möchte diesen Beitrag Herrn Reinhard Dahme widmen, der 1996 plötzlich und unerwartet starb. Herr Dahme führte Herrn Fischer in die Möglichkeiten und Schwierigkeiten der Röntgenuntersuchung ein und ließ ihn an seiner über 20jährigen Erfahrung teilhaben. Diese Arbeit wurde von der EU unter der Nummer 1531-BE95-1099 finanziell unterstützt.

5 Schrifttum

1. G. Herziger; Grundlagen der Materialbearbeitung mit CO2-Hochleistungslasern. VDI-Berichte Nr.535 (1984)
2. Laser Welding in Ship Construction. Guidelines for the Approval of CO2-Laser Welding. Bureau Veritas, Det Norske Veritas, Germanischer Lloyd, Lloyds Register for Shipping, Registro Italiano Navale, (1996)
3. DIN EN 287 Teil 1; Prüfung von Schweißern -Schmelzschweißen- , Teil 1: Stähle, Beuth Verlag, 12205 Berlin (1992)
4. DIN EN 288 Teil 1; Anforderung und Anerkennung von Schweißverfahren für metallische Werkstoffe, Teil 1: Allgemeine Regeln für das Schmelzschweißen, Beuth Verlag, 12205 Berlin (1992)
5. pr EN 288 Teil 11; Anforderung und Anerkennung von Schweißverfahren für metallische Werkstoffe, Teil 11: Schweißverfahrensanweisung für das Laserschweißen. Beuth Verlag, 12205 Berlin (1994)
6. DIN EN 444; Zerstörungsfreie Prüfung. Grundlagen für die Durchstrahlungsprüfung von metallischen Werkstoffen mit Röntgen- und Gammastrahlen, Beuth Verlag, 12205 Berlin (1994)
7. DIN EN 462 Teil 1; Zerstörungsfreie Prüfung. Bildgüte von Durchstrahlungsaufnahmen Teil 1: Bildgüteprüfkörper (Drahtsteg). Ermittlung der Bildgütezahl, Beuth Verlag, 12205 Berlin (1994)
8. DIN EN 473; Qualifizierung und Zertifizierung von Personal der zerstörungsfreien Prüfung, Beuth Verlag, 12205 Berlin (1993)
9. DIN EN 719; Schweißaufsicht - Aufgaben und Verantwortung, Beuth Verlag, 12205 Berlin (1994)
10. prDIN EN 1321; Zerstörende Untersuchungen von Schweißnähten -Mikroskopische und makroskopische Untersuchungen von Schweißnähten-, Beuth Verlag, 12205 Berlin (1994)
11. DIN EN 1435; Zerstörungsfreie Prüfung von Schweißverbindungen. Durchstrahlungsprüfung von Schmelzschweißverbindungen. Beuth Verlag, 12205 Berlin (1997)
12. DIN EN 13919, Teil 1; Sicherung der Güte von Schweißarbeiten Elektronenstrahl- und Laserstrahl- Schweißverbindungen an Stahl. Richtlinie für Bewertungsgruppen für Unregelmäßigkeiten, Beuth Verlag, 12205 Berlin (1996)
13. DIN EN 13919, Teil 2; Sicherung der Güte von Schweißarbeiten Elektronenstrahl- und Laserstrahl- Schweißverbindungen an Al und Al-Legierungen. Richtlinie für Bewertungsgruppen für Unregelmäßigkeiten, Beuth Verlag, 12205 Berlin (1997)
14. DIN EN 25580; Betrachtungsgeräte für die industrielle Radiographie Minimale Anforderungen, Beuth Verlag, 12205 Berlin (1992) [15] DIN EN 26520; Einteilung und Erklärungen von Unregelmäßigkeiten in Schmelzschweißungen an Metallen, Beuth Verlag, 12205 Berlin (1991)
15. prDIN 8563, Teil 126; Anforderungen und Anerkennung von Schweißverfahren für metallische Werkstoffe. Schweißverfahrensprüfungen, Teil 126: Elektronen- und Laserstrahlschweißen, Beuth Verlag, Berlin (1997)
16. prEN 288 Teil 11 (ISO DIS 15002-4); Anforderungen und Anerkennung von Schweißverfahren für metallische Werkstoffe. Schweißanweisungen für Laserstrahlschweißen. CEN, Central Secretariat, Rue de Stassart 36, B 1050 Brussels (1994) s.a. CEN/TC 121/SC 1/W-5 N 9; Specification and Approval of Welding Procedures for Metallic Materials. Welding Procedure Tests for Electron and Laser Beam Welding. CEN, Central Secretariat, Rue de Stassart 36, B 1050 Brussels (1994)
17. AD-Merkblatt HP 0, Herstellung und Prüfung von Druckbehältern. Allgemeine Grundsätze für die Auslegung, Herstellung und damit verbundene Prüfungen. Beuth Verlag, 12205 Berlin (1996)
18. AD-Merkblatt HP 2/1, Herstellung und Prüfung von Druckbehältern. Verfahrensprüfung für Fügeverfahren. Verfahrensprüfung von Schweißverbindungen. Beuth Verlag, 12205 Berlin (1996)
19. AD-Merkblatt HP 5/2, Herstellung und Prüfung von Druckbehältern. Herstellung und Prüfung der Verbindungen. Zerstörungsfreie Prüfung der Schweißverbindungen. Beuth Verlag, 12205 Berlin (1988)
20. prEN13068 Part 1; Non-Destructive-Testing. Radioscopic Examination. Part 1: Quantitative Measurement of Imaging Properties. CEN, Central Secretariat, Rue de Stassart 36, B 1050 Brussels (1997)
21. prEN13068 Part 2; Non-Destructive-Testing. Radioscopic Examination. Part 2: Qualitative Control and Long Term Stability of Imaging Devices. CEN, Central Secretariat, Rue de Stassart 36, B 1050 Brussels (1997)
22. prEN13068 Part 3; Non-Destructive-Testing. Radioscopic Examination. Part 3: General Principles of Radioscopic Inspection of Construction Materials by X- and Gamma-Rays. CEN, Central Secretariat, Rue de Stassart 36, B 1050 Brussels (1997)
23. A.W.E.Nentwig, H.J.Cramer, D.Dobeneck; Schweißnahtprüfung an laserstrahlgeschweißten Al-Verbindungen unter dem Gesichtspunkt von Normen und Standards sowie Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen. Abschlußbericht BMFT-FB 13N5652, BMBF, Bonn (1992)
24. R. Frielinghaus; Ultrasonic Testing of Special Weld Shapes and Its Applications on Specially Welded Components. (Proc.Conf.) 9th Congress on Material Testing 1986, Scientific Soc. of Mechanical Engineers, Hung., Publ. by Gepipari Tudomanyos Egyesulet, Hung., 2, (1986) S.578-582
25. W. Jüptner, C. Binroth, H.A. Crostack, W. Bischoff; Schweißfehler on-line erkennen und bewerten. Untersuchungen zur Erfassung von Nahteigenschaften laserstrahlgeschweißter Bauteile mit dem CS-Impulswirbelstromverfahren, Qualität und Zuverlässigkeit, 37 (1992), 7, S. 420-427
26. H. Haferkamp, A. Kinzel, R. Benecke; Laser Beam Welding of HSS-Components for Car-Bodies. Laser Applications in the Automotive Industries, 25th ISATA Silver Jubilee Int. Symp. on Automotive Techn. and Automation, Florence, (1992) S.173-179
27. R.Dahme, A.Fischer; Röntgendurchstrahlung von Laserschweißnähten. (Proc.Conf.) Fortschrittliche ZfP - ein Instrument für Ökonomie und Ökologie. Jahrestagung der DGZfP, 9.-11.5.1994, Timmendorfer Strand, DGZfP, Unter den Eichen 87, 12205 Berlin (1995) S.213-220
28. R.Dahme, A.Fischer; Röntgenprüfung mit m-Fokus. (Proc.Conf.) 100 Jahre Röntgenstrahlen und die heutige Vielfalt industrieller ZfP-Praxis. Jahrestagung der DGZfP, 22.-24.5.1995, Aachen, DGZfP, Unter den Eichen 87, 12205 Berlin (1995) S.155-162

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