Zerstörungsfreie Materialprüfung
Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD
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Neue hochfeste, schmelzschweißbare Al-Legierungen geben die Grundvoraussetzung für die Einführung der Schweißtechnik als Verbindungstechnik für die Fertigung von Rumpfschalen im Flugzeugbau. Mit dem Laserstrahlschweißen (LBW) steht ein geeignetes Verfahren zur Verfügung, das die erforderlichen Verbindungen wirtschaftlich herstellen kann. In dem vorliegenden Bericht wird das verwendete Qualitätssicherungskonzept kurz dargestellt. Die in diesem Konzept angewendeten zerstörungsfreien Prüfverfahren werden näher erläutert. Die für dieses Schweißverfahren typischen Schweißfehler, deren Detektion und Relevanz für das Bauteil werden besprochen.
Die Außenhaut von großen Verkehrsflugzeugen besteht seit langer Zeit standardmäßig aus der aushärtbaren Aluminiumlegierung Al-Cu-Mg (2024 T 3). Seit einigen Jahren ist die Substitution dieser Legierung durch eine gleichwertige, schmelzschweißbare Al-Legierung von Typ Al-Mg-Si-Cu (6013) möglich. Diese Legierung weist gegenüber der Legierung 2024 folgende Vorteile auf.
| 3% geringer |
| 12% höher |
| besser |
| besser |
| (niedriger) |
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Abb 1: Flugzeugrumpfstruktur in herkömmlicher Bauweise
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Mit dieser Legierung ist die Grundvoraussetzung für die Einführung der Schweißtechnik in die Fertigung von luftfahrtspezifischen Schalenstrukturen gegeben. Das Bild 1 zeigt typische konventionelle Haut/Stringerverbindungen. Eine Substitution der seit Jahrzehnten erfolgreich eingesetzten Niet- und Klebeverfahren zur Verbindung der Außenhaut mit den Stringern und Spanten ist aber nur möglich, wenn auch geeignete Schweißverfahren zur Verfügung stehen.
Mit dem Laserstrahlschweißen steht nun ein geeignetes Verfahren zur Verfügung, das wirtschaftlich solche Verbindungen herstellen kann.
Um dieses Schweißverfahren erfolgreich im Flugzeugbau einsetzen zu können, ist es notwendig, entsprechende zerstörungsfreie Prüfverfahren zur Verfügung zu haben, um die definierte Schweißqualität sicher nachweisen zu können. Nur auf dieser Basis werden die hohen Anforderungen an die Strukturintegrität erfüllt. Eine Substitution der herkömmlichen Verbindungstechniken wird aber nur dann möglich sein, wenn der Gesamtprozess des Laserstrahlschweißens einschließlich der notwendigen Prüfungen einen wirtschaftlich Vorteil erbringt.
Durch die Überwachung des Schweißprozesses soll schon in dieser Phase das geforderte Qualitätsniveau der Schweißnaht sichergestellt werden, um die zusätzliche zerstörungsfreie Endprüfung auf ein Minimum begrenzen zu können, ohne ein Risiko einzugehen.
Ziel unserer Arbeiten ist es, dass mit Abschluss der Schweißung auch die zerstörungsfreien Prüfungen durchgeführt, bewertet und dokumentiert sind.
3.1 Optimale Haut/Stringerverbindung
Nach verschiedenen überlegungen und Experimenten wurde der T-Stoß als optimale Laserstrahlschweißung für die Haut/Stringerverbindung ermittelt. Bei diesem T-Stoß wird von beiden Seiten gleichzeitig mit CO2-Lasern geschweißt. Das Bild 2 zeigt einen Querschliff von einer solchen Haut/Stringerverbindung. Die maximalen Wünsche an die Schweißnaht lassen sich aus diesem Querschliff ableiten:
In der realen Fertigung ist diese optimale Qualität nicht immer zu erreichen. Sie ist aber für den geplanten Verwendungszweck auch nicht erforderlich. Es ist aber Ziel des angewendeten Qualitätssicherungskonzeptes, die definierte Qualität sicherzustellen.
Abb 2: Querschliff einer optimal laserstrahlgeschweißten Haut/Stringerverbindung.
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3.2 Phänomene bei der Laserstrahl-Tiefschweißung
Abb 3: Phänomene bei der Laserstrahl-Tiefschweißung, quer zur Schweißrichtung
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In dem Bild 3 sind die Phänomene der verwendeten Tiefschweißungen quer zur Schweißrichtung dargestellt.
Um Aussagen über die Stabilität eines Schweißprozesses zu erhalten, steht ein Spektrum von ca. 200 nm bis ca. 1400 nm (zuzüglich reflektierte Laserstrahlung bei 10,6 mm) zur Verfügung.
Dabei sind nachfolgend erwähnte spektrale Meßmethoden denkbar:
Ziel dieser Messung ist es, den Schweißprozess zu kontrollieren und in einem zweiten späteren Schritt auch zu regeln.
Die Entwicklungsphase für die T-Stoß-Laserstrahlschweißverbindung wurde mit zerstörungsfreien Prüfverfahren begleitet. Alle erstellten Schweißnähte wurden mit folgenden Verfahren geprüft:
Es hat sich gezeigt, dass mit zunehmender Optimierung der Schweißparameter das Auftreten der relevanten Fehler auf die für den Anwendungsfall zulässige Größe zurückgingen.
Um die Ergebnisse der zerstörungsfreien Prüfungen zu verifizieren, wurde eine große Anzahl metallographischer Schliffproben an signifikanten Befundbereichen durchgeführt.
Zur Ermittlung des Einflusses der verschiedenen, zerstörungsfrei ermittelten Fehler auf die Festigkeit der Schweißnahtverbindung wurden Kopfzugproben durchgeführt. Der Versuch wird schematisch in Bild 4 dargestellt.
Abb 4: Bestimmung der Schweißnahtfestigkeit mit der Kopfzugprobe.
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4.1 Ultraschallprüfung
Mit diesem Verfahren wird die innere Nahtqualität der Schweißverbindung geprüft. Es wird die Hochfrequenz-Ultraschall-Impuls-Echo-Technik mit fokussiertem Prüfkopf und Wasservorlaufstrecke angewendet. Die Einleitung des Ultraschalls ins Bauteil geschieht über Fließspaltankopplung. Die Schalen werden dabei mit einem portablen automatischen Scanner abgerastert.
Die so aufgenommenen Ultraschalldaten werden in einer speziellen bildgebenden Software abgelegt und weiterbearbeitet. Die Daten können als sogenanntes C-Bild, d. h. eine flächige, ortsabhängige Darstellung der Ultraschallmesswerte, ausgegeben werden.
Abb 5: Verifikation der US-Anzeigen
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Mit dem Ultraschallverfahren können folgende Fehlertypen aufgefunden werden:
Im Bild 5 ist das Prinzip der angewendeten US-Technik und ein typisches Messergebnis dargestellt.
Um die US-Anzeigen zu verifizieren, wurden Schliffe gemacht und auch Stringer abgeschält.
4.2 Fluoreszenz-Eindringprüfung
Die Eindringprüfung ist ein Verfahren, mit welchem zur Oberfläche hin offene Fehler gefunden werden. Im vorliegenden Fall wurde wegen der höheren Prüfempfindlichkeit ein fluoreszierender Eindringstoff verwendet. Die Auswertung geschieht dementsprechend unter UVA-Beleuchtung.
Mit dem Eindringverfahren werden folgende zur Oberfläche offene Fehler gefunden:
Typische Rissanzeigen der Längen 1 bis 4 mm werden im Bild 6 dargestellt. Durch Querschliffe wurden die Rissanzeigen verifiziert.
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Abb 6: Rissanzeigen mit der Fluoreszenz-Eindringprüfung.
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In der Technologiephase wurden die beim Laserstrahlschweißen auftretenden Fehler ermitteln und deren Relevanz für das Bauteil festgestellt. Es hat sich gezeigt, dass mit der Kombination der zerstörungsfreien Prüfverfahren Hochfrequenz-Ultraschall-Sicht- und Fluoreszenz-Eindringprüfung alle relevanten Fehler (Risse, Porennester, Bindefehler und Geometriefehler) mit großer Sicherheit detektiert werden. Diese drei Verfahren sind aber aufwendig und können nur nach dem Schweißen (offline) durchgeführt werden.
Solche dem Fertigungsprozess nachgeschalteten zerstörungsfreien Prüfungen können aber allenfalls während der Einführungsphase eines Serienbauteils bis zu einer beruhigten Serienfertigung aufrechterhalten werden.
Es ist somit erforderlich, durch geeignete Maßnahmen den Schweißprozess so abzusichern, dass nachfolgende QS-Maßnahmen auf ein Minimum reduziert werden können.
Im folgenden werden die im Zuge des BMBF-Programmes untersuchten Prozessüberwachungsverfahren dargestellt, wobei das Hauptaugenmerk auf solche Verfahren gerichtet ist, die sich direkt an den Laserschweißkopf anbauen lassen, mit der gegebenen Prozessgeschwindigkeit arbeiten und ihre Ausgabegröße in "real time" zur Verfügung stellen können.
Grundsätzlich werden für diese sogenannten Online-Verfahren drei Arbeitszonen betrachtet:
Abb 7: Online-Prüfverfahren
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In Bild 7 ist das beschriebene Konzept zusammenfassend dargestellt.
5.1 Schweißprozessüberwachung
Die Strahlenemission beim Laserstrahlschweißen überstreicht ein breites Spektrum. Wir erwarten, dass sich Schweißprozessstörungen verschiedenster Art auch im Prozessleuchten wiederspiegeln. Wir haben deshalb verschiedene Systeme auf ihr Aussagevermögen untersucht. Das System, das unter der Bezeichnung "Welding Monitor" vertrieben wird, bewertet mit breitbandigen Sensoren die Intensität des Prozessleuchtens. In Verbindung mit rechnergestützten Auswerteverfahren werden Schlüsse über die Einhaltung des Prozessfensters beim Laserstrahlschweißen gezogen.
In Zusammenarbeit mit dem LZH wurden Untersuchungen durchgeführt. Erste Ergebnisse zeigen, dass eine Reihe von möglichen Fehlern mit diesem System identifiziert werden können.
Insgesamt hat sich aber gezeigt, dass für unsere Aufgabenstellung die Aussagekraft z. Z. nicht ausreicht.
Die spektrale Siliziumgehaltbestimmung hat sich als ein wichtiges Qualitätssicherungsverfahren für die Rissfreiheit in der Schweißnaht herausgestellt. Umfangreiche Untersuchungen in der Erprobungsphase des Laserstrahlschweißens haben gezeigt, dass auftretende Risse immer Heißrisse sind und diese nur entstehen, wenn nicht genügend Silizium über den Zusatzdraht ins Schmelzbad gebracht wird.
Für die Online-überwachung der Zusatzdraht-Zuführung wird die für Silizium (Zusatzwerkstoff) charakteristische Spektrallinie und eine vom Grundwerkstoff (Al) charakteristische Linie gemessen. Aus dem Verhältnis der Intensitäten kann auf den Si-Gehalt im Schweißbad geschlossen werden.
Bild 8 zeigt den Messaufbau für die spektrale Si-Gehaltsbestimmung.
Abb 8: Prinzip der photospektrometrischen Si-Gehaltsbestimmung.
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Mit dieser Apparatur wurden Messungen zur Spektrallinienintensität von Si und Al bei gezielter Veränderung des Schweißzusatzdrahtes durchgeführt. Das Ergebnis ist im Bild 9 zu sehen. Die Schweißzusatzmenge ist gut über die Spektrallinienintensität zu bestimmen.
Abb 9: Spektrale Messung des Si-Gehaltes im Vergleich zu anderen Prüfergebnissen.
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5.2 Online-Schweißnahtprüfung
Die vorgenannten Verfahren ermöglichen eine sichere Überwachung des Schweißprozess selbst. Mit einer nachfolgenden unabhängigen zerstörungsfreien Schweißnahtprüfung erreichen wir die für den Flugzeugbau notwendige Sicherheit.
Unsere Untersuchungen haben gezeigt, dass die Schweißnahtlage und die Flankenwinkel einen wesentlichen Einfluss auf die Kopfzugfestigkeit haben. Im Bild 10 sind exemplarisch drei Nahtprofile gezeigt mit den dazu ermittelten Kopfzugfestigkeiten.
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Abb 10: Einfluss des Profilverlaufes auf die Kopfzugfestigkeit.
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Die optische Schweißnaht-Profilvermessung ist somit ein relevantes Qualitätskriterium. Mit dem verwendeten Gerät in Bild 11 können folgende Daten gemessen werden:
Abb 11: Gerät zur optischen Nahtprofilvermessung.
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Bei der praktischen Anwendung des Messsystems wird das Nahtprofil entlang einer Linie erfasst und die Messdaten in einem Rechner abgelegt. Aus den gemessenen Daten werden die Nahtgeometrie rekonstruiert und signifikante Kennwerte für die Schweißnahtlage und Geometrie extrahiert.
Eine typische Aufzeichnung von einer Profilvermessung wir im Bild 12 dargestellt. Das Bild zeigt den Profilverlauf von einer 5 m langen Schweißnaht, wobei der Flankenwinkel an einer Seite zur Hälfte deutlich aus dem Sollbereich liegt.
Abb 12: Gemessene Nahtflankenwinkel an einem Stringer.
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Die Wirbelstromprüfung ist ein weiteres Verfahren, das online nach dem Schweißen angewendet werden kann. Bei diesem zerstörungsfreien Prüfverfahren werden durch das Magnetfeld einer Messspule Wirbelströme in der Schweißnaht induziert. Diese prägen sich bei Fehlern unterschiedlich aus und erzeugen dadurch eine unterschiedliche Rückwirkung auf die Messspule.
Abb 13: Online-Wirbelstromprüfeinrichtung
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Abb 14: WS-Prüfung von Rissen in LBW-Naht |
Im obenliegenden Anwendungsfall werden die Schweißnähte mit einer speziell entwickelten Verfahreinrichtung abgefahren (Bild 13), wobei die Wirbelstromsonden an jeder Seite die Naht prüfen.
Mit dem Wirbelstromprüfsystem können folgende Fehlertypen aufgefunden werden:
Im Bild 14 werden Prüfergebnisse für natürliche Oberflächenrisse dargestellt, die mit dem Prüfsystem an Schweißnähten ermittelt wurden.
Die für das Qualitätssicherungskonzept von laserstrahlgeschweißten Aluminium T-Stoßnähten möglichen Prüf- und Messverfahren wurden erläutert.
Die Leistungsfähigkeit der entwickelten Verfahren wurden anhand einiger typischer bei dieser Laserstrahlschweißung auftretenden Fehler oder Nahtunregelmäßigkeiten dargestellt.
Mit der Kombination der zerstörungsfreien Prüfverfahren Hochfrequenz-Ultraschall-, Fluoreszenz-Eindring- und Sichtprüfung können alle relevanten Fehler (Risse, Porennester, Bindefehler und Geometriefehler) mit großer Sicherheit detektiert werden. Die drei Verfahren sind aber aufwendig und können nur nach dem Schweißen (offline) durchgeführt werden.
Solche dem Fertigungsprozess nachgeschalteten zerstörungsfreien Prüfungen können aber allenfalls während der Einführungsphase eines Serienbauteils bis zu einer beruhigten Serienfertigung aufrechterhalten werden.
Für die Serienfertigung sind aber Prüfverfahren erforderlich, die durch einer Prozessüberwachung während des Schweißens bzw. unmittelbar danach online eine Qualitätsaussage über das Schweißergebnis in "real time" zur Verfügung stellen.
Geeignete Prüfverfahren für das Online-Qualitätsicherungskonzept zur Prozessüberwachung und zur Endprüfung wurden vorgestellt. Sie haben in bestimmten Kombinationen ein hohes Potential für die Umsetzung in eine Serienschweißanlage.
| Herausgeber: DGfZP, Programmierung: NDT.net | START |
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