DGZfP-JAHRESTAGUNG 2001 Zerstörungsfreie Materialprüfung

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD

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Beiträge: Vorträge: Kraftfahrzeugindustrie:

Die Ultraschallprüfung von Schweissverbindungen im Automobilbau

W. Roye, Hürth und S. Manthey, Rüsselsheim

Einleitung

Im modernen Automobilbau werden verschiedene Fügetechniken angewandt. Dazu gehören u.a. die Widerstandspunktschweissung, die Lasernahtschweissung, die Bolzenschweissung und die Schutzgas-Schweissung.

Für diese Verfahren wurden von Krautkrämer in Zusammenarbeit mit den Anwendern aus der Automobilindustrie Ultraschall-Prüfmethoden entwickelt, die im Rahmen dieses Beitrags erläutert werden.

Widerstandspunktschweissung

Schweißpunkte werden heute manuell und offline geprüft - manuell, weil nach dem heutigen Stand der Technik noch keine automatisierte Prüfung möglich ist, und offline, weil bisher eine online-Prüfung während des Schweißvorgangs noch nicht praxisgerecht durchgeführt werden kann. In Abbildung 1 ist zu erkennen, wie ein Prüfer den Prüfkopf auf einen Schweißpunkt aufsetzt.

Abb 1: Schweisspunkt-Prüfung.

Abb 2: Dialog-Prüfköpfe.

Für die Prüfung von Schweißpunkten werden spezielle Prüfköpfe eingesetzt. Sie beinhalten eine Wasservorlauf-Strecke mit einer flexiblen Gummi-Membran, siehe Abbildung 2. Damit ist gewährleistet, daß der Schall auch bei den typisch gekrümmten Schweisspunktoberflächen einwandfrei eingeleitet werden kann. Als Schallfrequenz wird üblicherweise 20 MHz gewählt. Die Schwinger-Durchmesser gibt es in Abstufungen zwischen 3.6 und 10 mm.

Die in das Blech eingeleiteten Schallwellen ergeben eine Wiederholungsechofolge aus dem Prüfobjekt. Dabei wird die Güte der Schweißung aus der Form dieser Echofolge abgeleitet, siehe Abbildung 3:

Abb 3: Schema zum Grundprinzip.

1. Bei einer einwandfreien Punktschweißung fallen die Amplituden der Folgeechos relativ schnell ab, weil das Schweißgefüge grobkörnig ist und deshalb eine hohe Schallschwächung aufweist. Die Echoabstände entsprechen der Gesamtdicke der geschweißten Bleche abzüglich des Elektrodeneindrucks.
2. Bei einem zu kleinen Schweißpunkt beobachtet der Prüfer neben der normalen Echofolge zusätzlich kleine Zwischenechos, die von der Grenzfläche zwischen den Blechen stammen. Damit läßt sich bestimmen, ob ein Linsendurchmesser kleiner ist als der Durchmesser des Schallbündels. Deshalb werden für verschiedene Linsen-Solldurchmesser Prüfköpfe mit entsprechendem Schwingerdurchmesser ausgewählt.
3. Liegt eine Kaltschweißung bzw. ein "Kleber" vor, dann ergibt sich eine langgezogene Echofolge aus dem doppelten Blech. Im Fall der Kaltschweißung liegt jedoch ein feinkörniges Gefüge vor, und dieses führt bei geringerer Schallschwächung zu einem flacheren Echoabfall.
4. Und schließlich führt eine nicht vorhandene Schweißung zu einer langen Echofolge mit kleinen Echoabständen, die der einfachen Blechdicke entsprechen.

Um einen zu kleinen Schweißlinsendurchmesser zu ermitteln, wird der Linsendurchmesser mit dem Durchmesser des Schallbündels verglichen: Ist der Linsendurchmesser zu klein, dann entstehen Zwischenechos. Das setzt voraus, daß der Prüfer den Prüfkopf zentral auf den Schweißpunkt aufsetzt. Steht der Prüfkopf nicht genau auf der Mitte, dann entstehen ebenfalls Zwischenechos. Das bedeutet, daß eine ausreichend große Schweißlinse als "zu klein" bewertet werden kann. Umgekehrt ist es aber nicht möglich, daß eine zu kleine Linse als "gut" bewertet werden kann. Das Prüfergebnis liegt also im Hinblick auf den Linsendurchmesser immer auf der sicheren Seite, es sei denn, daß der Prüfer grundsätzliche Fehler macht, z.B. eine falsche Verstärkungseinstellung oder einen falschen Prüfkopf benutzt.

Lasernahtschweissung

Zur Prüfung von überlappten Laserschweissnähten wurden zunächst verschiedene Prüfmethoden erprobt.

Dabei hat sich die Durchschallungs - Methode als das geeignete Verfahren erwiesen, womit die Probleme der Zugänglichkeit und der ungleichmässigen Oberfläche von Lasernähten umgangen werden, siehe Abbildung 4.

Abb 4: Laserschweissnaht.

Die Durchschallungsanordnung ist in Abbildung 5 dargestellt. Der Sendeprüfkopf S sendet eine Schallwelle aus, die sich als geführte Welle ausbreitet. Ist nun die Lasernaht L in Ordnung, dann kann der Empfangsprüfkopf E die Schallwelle mit einer hohen Schalldruckamplitude empfangen. Im Fall einer ungenügenden Durchschweissung fällt die Amplitude des Empfangssignals ab.

Abb 5: Prüfschema.

Erste Prototypen bestanden aus Winkelprüfkpfen mit einer Halterung, die den Abstand von Sender und Empfänger konstant hält. Um eine gleichmässige Ankopplung zu gewährleisten, wurde eine Fliesswasserankopplung vorgesehen. Damit aber ergab sich ein weiteres Problem: Wegen der nachfolgenden Lackierung der Karosserie darf zur Ultraschallprüfung keine Flüssigkeit zur Ankopplung verwendet werden.

Aus diesem Grund wurde schliesslich ein Rollen-Prüfkopfsystem entwickelt, welches eine trockene Ankopplung gestattet, s. Abbildung 6. Dieses System, das neben den Prüfkopfrollen noch zwei weitere Führungsrollen besitzt, erlaubt eine zügige und leicht handhabbare Prüfdurchführung.

Abb 6: Rollenprüfkopfsystem.

Allerdings trat bei den Testversuchen ein weiteres, zuvor nicht berück-sichtigtes Problem auf: Die üblicherweise für Rollenprüfköpfe verwendeten Silikonreifen beeinträchtigen das Benetzungsverhalten der Karosseriebleche, was ebenfalls einen negativen Einfluss auf die Lackiereigenschaft hat. Aus diesem Grund werden die Rollen heute aus einem PU-Kunststoff hergestellt.

Die praktische Anwendung zeigt, dass mit dieser Methode alle relevanten Durchschweiss-Fehler in den überlappten Laserschweissnähten einwandfrei nachgewiesen werden können.

Schutzgas-Schweissung

Verschiedene Komponenten, z.B. Türscharniere, werden mit dem MAG-Schweissverfahren verbunden, siehe Abbildung 7.

Abb 7: MAG-Schweissungen.

Es handelt sich, wie bei den überlappten Laserschweissnähten, um eine Schweissgeometrie, die nicht mit Hilfe der Ultraschall-Impuls-Echo-Technik zu prüfen ist. Aus diesem Grund wird auch hierbei das Durchschallungsverfahren gewählt.

Für diese Prüfaufgabe wurde ein Spezialprüfkopf-Paar entwickelt.:

Der Sendeprüfkopf W45/3xB2K enthält 3 Schwinger, die um 90⁰ versetzt sind, siehe Abbildung 9. Damit wird gleichzeitig eine Schallabstrahlung in 3 Richtungen erzeugt. Die Schallwellen durchlaufen die Schweissnaht als geführte Welle und können auf der anderen Seite mit dem Senkrechtprüfkopf K2MNE empfangen werden. Mit dem Ziel der einfachen Handhabung wurde der Sendeprüfkopf mit Magnetfüssen versehen. Der Prüfer muss nur den Empfangsprüfkopf manuell führen.

Abb 8: Prüfschema für die Schutzgasschweissung.

Abb 9: Spezialprüfkopf W45/3xB2K.

In Abbildung 10 ist die praktische Handhabung dargestellt. Feldversuche in Verbindung mit der zerstörenden Prüfung belegen, dass alle festigkeitsrelevanten Schweissfehler mit dem hier beschriebenen Durchschallungsverfahren sicher nachgewiesen werden können.

Abb 10: Prüfdurchführung.

Abb 11: Prüfung einer Sitzbefestigung.

Dieselbe Methode lässt sich auch zur Prüfung von anderen Komponenten anwenden, Z.B. zur Prüfung der MAG-Schweissung an der Befestigungsvorrichtung für Sitze im Pkw. Die Abbildung zeigt die Geometrie des Bauteils und wie im vorigen Beispiel den Sende- und den Empfangsprüfkopf.

In allen Fällen ergibt sich für eine gute Schweissverbindung eine hohe Amplitude des Durchschallungs-Signals und im Fall eines Schweissfehlers wird die Signalamplitude kleiner oder verschwindet ganz.

Abb 12a : "Gute Verbindung"

Abb 12b : "Schlechte Verbindung"

Bolzenschweissung

Zur Prüfung von Bolzenschweissungen, siehe Abbildung 13, werden bisher nur mechanische Prüfmethoden eingesetzt, die auf Abzug-, Knick- oder Abdreh-Belastung basieren. Dabei ist aber problematisch, dass eine Vorschädigung und damit ein späteres Versagen der geprüften Schweissverbindung nicht ausgeschlossen werden kann.

Abb 13: Bolzenschweissung.

Abb 14: Prüfanordnung.

Ultraschallversuche mit einer Einschallung in Richtung der Längsachse des Bolzens - entweder von der Bolzenseite oder der Blechseite aus - führten nicht zu befriedigenden Ergebnissen.

Aus diesem Grund wurde von Krautkrämer eine Prüfmethode entwickelt, die auf einer quer zur Bolzenachse verlaufenden Durchschallung beruht. In Abbildung 14 ist die Prüfanordnung schematisch dargestellt: Mit zwei Winkelprüfköpfen - einem Sendeprüfkopf und einem Empfangsprüfkopf - wird die Schweisslinse durchschallt.

Mit einer speziellen Vorrichtung werden die Prüfköpfe in einem definierten Abstand gehalten. Die Halterung lässt sich am Bolzen so fixieren, dass eine Parallelverschiebung und eine Drehung um den Bolzen ermöglicht wird.

Die Prüfköpfe sind so angeordnet, dass die Abstände von der Schweisslinse den Nahfeldlängen entsprechen. Auf diese Weise wird die natürliche Fokussierung des Schallfeldes genutzt um eine möglichst hohe Wechselwirkung mit der Schweisslinse zu erzielen.

Die aus dem Schweissbad erstarrte Schweisslinse ist grobkörniger als das gewalzte Blech. Bei der Durchschallung der Linse wird der Schall geschwächt und somit ergibt sich eine reduzierte Signalamplitude im Vergleich zur Durchschallung des Bleches.

Wird nun das Prüfkopfpaar seitlich verschoben und die gemessene Schalldruckamplitude über den Verschiebeweg aufgetragen, dann kann der Schweisslinsendurchmesser anhand der 3- oder 6-dB-Breite der Amplitudendynamik bestimmt werden.

Zur Bestimmung der Rundheit der Linse lässt sich das etwas exzentrisch angeordnete Prüfkopfpaar um die Achse des Bolzens drehen. Dabei ergibt sich ebenfalls eine Amplitudendynamik aus der die Gleichmässigkeit der Schweisslinse abgelesen werden kann.

Erste Versuche in der Praxis belegen, dass mit Hilfe dieser Prüfanordnung alle relevanten Schweissfehler nachgewiesen werden können.

Herausgeber: DGfZP, Programmierung: NDT.net

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