DGZfP-JAHRESTAGUNG 2002

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Nichtalltägliche Anwendungen der Wirbelstromprüfung an geschweißten Bauteilen

Dipl.-Ing. Dieter Linke, Dipl.-Ing.(FH) Sven Rühe; PLR GmbH Magdeburg
Kontakt: D. Linke

Die Wirbelstromprüfung an geschweißten Bauteilen findet seit Jahrzehnten Anwendung bei geschweißten Rohren als Außenprüfung und bei geschweißten eingebauten Rohren in Wärmtauschern als Innenprüfung.

Heute werden zunehmend in der Automobil- und Luftfahrtindustrie moderne Schweißverfahren eingesetzt. Im folgenden Beitrag wird über die Anwendung der Wirbelstromprüfung an Bauteilen berichtet, die mittels Reibschweißen, Laserstrahlschweißen, Auftragsschweißen und Elektronenstrahlschweißen hergestellt wurden.

Weiterhin werden Ausführungen zum Einsatz des Wirbelstromverfahrens zur Prozesssicherung beim Schweißen gemacht

1. Automobilventile

Das Auslassventil im Verbrennungsmotor wird neuerdings aus einem ferritischen Schaft und einem austenitischen Ventilteller gefertigt. Hierbei werden beide Materialien mittels einer Reibschweißung verbunden. Die Wulst wird nach dem Fügevorgang durch Abscheren entfernt und geglättet.

Durch das Reibschweißen kann es zu kleinen Bindefehlern kommen (umlaufenden Fehler). Vereinzelt treten auch kleine nadelartige oder punktförmige Fehler (Poren) auf.

Bisher konnte diese Schweißnaht durch eine konventionelle Wirbelstromprüfung, beispielsweise mit einer Differenzsonde nicht geprüft werden, da durch den sehr großen Permeabilitätssprung ein hohes Störsignal auftritt.

Durch die Entwicklung einer neuartigen Multidifferenzkernsonde, die einen speziellen Anstellwinkel zum Ventil aufweist, konnte dieser Störeffekt in eine anderen Phasenlage gelegt und somit kleinste Referenzfehler beim Anwender nachgewiesen werden.

In der Serienfertigung wir die hochfrequente Sonde 2 dynamisch über dem Bauteil verfahren [Bild 1]. Zusätzlich werden mit weiteren Sonden Bereiche des Ventiltellers und des übergangsradius zum Schaft geprüft.

Bild 1: Prüfung der Reibschweißnaht

2. Tassenstößel

Bei einem anderen Bauteil des Ventiltriebes, dem Tassenstößel, gab es die Aufgabe einer Prüfung der Laserschweißnaht, die die Außenhülle mit der Innenhülle verbindet. [Bild 2]

Bild 2: Darstellung der Laserschweißnaht eines Tassenstößels

Hier sollte die relativ aufwendige Sichtprüfung zur Qualitätskontrolle abgelöst werden.

Folgende Prüfkriterien wurden vorgegeben:

  • Feststellen ob Schweißnaht vorhanden oder nicht vorhanden
  • Nachweis von Poren in der Schweißnaht (max. vier Poren beeinträchtigen die Verbindung nicht, mehr als vier Poren sind auszusortieren)
  • Nachweis einer zu großen überlappung vom Schweißnahtanfang zum Schweißnahtende

Durch eine auf die Größenverhältnisse am Produkt angepasste Differenzsonde konnten diese Merkmale separiert und durch einen Feldversuch an einigen hundert Teilen die Zuverlässigkeit der Prüfung nachgewiesen werden.

Die Fehleranzeigen konnten mittels einer SPS gezählt und somit die geforderten Prüfkriterien erfüllt werden. Alle Fehler wurden durch eine Signalanalyse separiert.

Als Erfolg konnte auch der Nachweis von verdeckten Fehlern gewertet werden. Hier wurden auch verdeckte Poren gefunden, die vorher durch die Sichtprüfung nicht erkennbar waren.

3. Aluminium-Großkolben

Bei einer speziellen Ausführungsart von Aluminium-Großkolben für den Schiffbau wird im Bereich der Kolbennuten eine Elektronenstrahlschweißnaht angeordnet.

Diese Schweißnaht liegt auf dem Grund einer umlaufenden Nut oder eines Einstiches von ca. 8 mm Tiefe und ca. 4 mm Breite. [Bild 3]

Bild 3: Lage der Elektronenstrahlschweißnaht

Bisher wurde die Schweißnaht auf Oberflächenfehler mittels Penetrationsprüfung geprüft. Hier war besonders die Vorreinigung und noch mehr die Zwischenreinigung ein Problem für den Prüfer.

Für die Prüfung an diesem Bauteil wurde eine spezielle Sonde mit der Universität Magdeburg entwickelt.

Mit der formangepassten Sonde wird der Nutgrund abgefahren und geprüft.

Es gelang Risse, die entlang des Nutgrundes liefen, zu detektieren und darzustellen. Ein weiteres hervorstechendes Merkmal dieser Spezialsonde war die sehr gute Phasenaufspaltung des Lift-Off Signals zum Fehlersignal, ohne eine Spreizung von Signalanteilen. [Bild 4]

Bild 4: X/Y-Signaldarstellung

4. Armaturen

An Armaturen kleiner Abmessungen (DN 15, 25, 50) z.B. Absperr- oder Drosselventile, ist die Prüfung einer Auftragsschweißung aus Stellit 21 auf Poren und Risse vorgeschrieben. [Bild 5]

Üblicherweise wird dabei die Penetrationsprüfung eingesetzt.

Neu war hier die bildgebende Prüfung mittels einer auf dem Ventilsitz laufenden Prüfsonde.

Die Prüfung konnte hier jetzt wesentlich schneller erfolgen und lieferte zusätzlich ein Dokument über die Prüffläche. [Bild 6].

Bild 5: Sondenführung am Ventilsitz (Schnittdarstellung) Bild 6: Wirbelstromscan

5. Geschweißtes Kühlwasserrohr

Eine andere Anwendung beschreibt die Prüfung von wiederstandsgeschweißten, rechteckigen Kühlwasserrohren an einem Schienenfahrzeug im eingebauten Zustand.

Hier wurde mittels einer Sichtprüfung Fehler in der geschweißten Wurzel festgestellt. Wurden solche Fehler in der Wurzel sichtbar, waren auch Risse an der Schweißnahtoberfläche vorhanden, dadurch entstanden Durchrisse.

Da viele Fahrzeuge überprüft werden mussten, kam die Prüfung mittels der Sichtprüfung nicht in Frage.

Mit einer speziell auf dies Prüfverfahren hin abgestimmten Oberflächenprüfsonde konnten alle kritischen Fehler in der Schweißnaht sicher detektiert und bewertet werden. [Bild 7]

Bild 7:Schweißnahtausführungen der Wurzellage

6. Lagebestimmung von Schweißnähten und Luftspalten

Neben der Fehlerprüfung an Bauteilen hat sich die Anwendung der Wirbelstromprüfung als ein Steuerungsmerkmal zur Prozesssicherung des Schweißens bewährt. Hierbei werden Wirbelstromsignale zur Prozesssteuerung benutzt.

6.1 Seitenstabilisatoren für Kraftfahrzeuge
Hierbei wird die Lage der widerstandsgeschweißten Längsschweißnaht eines Stabilisatorrohres bestimmt. Liegt diese Längsnaht im Biegeprozess des Rohres an der Außenlinie der Biegelinie, kann es zur Rissbildung kommen.

Das Wirbelstromsignal wird mit einer Regelschleife zum Drehen des Teiles gekoppelt.

Als sehr problematisch erwies sich bei diesem Bauteil die Detektion der Naht, weil kein Zusatzwerkstoff zum Einsatz kam. Das Problem wurde mittels Vormagnetisierung gelöst. Die Auswertung erfolgt mittels C-Scan, das Rohr wird durch Auswertung des Wirbelstromsignals gedreht. [Bild 8]

Bild 8: Prüfanordnung und Dokumentation

6.2 Längsgeschweißtes Rohr
Hierbei erfolgt die Steuerung bzw. Nachführung eines Laserschweißkopfes mit Hilfe der Wirbelstromprüfung. Während des Schweißprozesses kann es zur Verschiebung des Werkstückes zum Schweißwerkzeug, verursacht durch die Treibrollen, kommen.

Bei einer Nahtbreite von wenigen Millimetern kann dies zum Herauslaufen des Laserschweißkopfes führen.

Bisher war es Stand der Technik, diesen Prozess mit Hilfe von Fotozellen optisch nachzuführen. Die Wirbelstromtechnik ist hierbei genauer und schneller als die herkömmliche Nachführung. Der Laserschweißkopf kann mittels der Regeltechnik auf 5/100 mm Genauigkeit nachgeführt werden. Führende Rohrschweißunternehmen haben diese Technik bereits eingeführt und bestätigen den Erfolg dieser Untersuchungen. [Bild 9]

Bild 9: Versuchsaufbau des Prüfsystems

Zusammenfassung

In einigen Beispielen und Anwendungen wurde das Potential der Wirbelstromprüfung als Verfahren zur Fehlerprüfung dargestellt. Die günstige Automatisierbarkeit des Verfahrens ermöglicht, bisher aufwendige Prüfungen, beispielsweise mittels der Eindringprüfung zu ersetzen.

Anwendungen als Steuer- und Regelungselemente des Produktionsprozesses belegen vielfältige Möglichkeiten des Einsatzes der Wirbelstromprüfung.

In der Normung hat dies allerdings noch keinen großen Niederschlag gefunden. Hier sind überwiegend Grundlagen der Wirbelstromprüfung beschrieben.

In den Produktnormen fand die Wirbelstromprüfung bisher kaum einen Eingang. In der Norm DIN EN 1711 wird die Wirbelstromprüfung von Schweißnähten mittels Vektorauswertung beschrieben.

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net