DGZfP-JAHRESTAGUNG 2003

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Fehlerprüfung und Schabungskontrolle von Stumpfschweißnähten an Feinblechen und dünnwandigen Rohren
Erprobte Ultraschalltechniken mittels SH-Plattenwellen und EMUS-Prüfköpfen

Hans-Jürgen Salzburger, Gerhard Hübschen
Fraunhofer Institut zerstörungsfreie Prüfverfahren, Universität Geb. 37, 66123 Saarbrücken
Kontakt: Salzburger Hans-Jürgen Dr.-Ing.

Kurzfassung

Bei der Fertigung vieler Bauteile spielen schweißtechnische Fügeverfahren eine wesentliche Rolle. Insbesondere im Automobilbau werden zur Gewichtseinsparung Feinbleche und dünnwandiges Rohrmaterial eingesetzt. Mittels Laser stumpf verschweißte Feinbleche werden als Tailored Blanks für die direkte Umformung im Presswerk vorbereitet; bei der Fertigung von Auspuffrohren werden dünne Bänder zu Rohren vorgeformt und stumpf mittels Hochfrequenz längs geschweißt. Während die Laser-Schweißnaht des Tailored Blanks frei von Schweißfehlern sein muss, um dem Umform-Prozess standzuhalten, muss die Längsnaht eines Auspuffrohres möglichst eben und glatt sein, um nachteilige Kerbwirkungen während des Umformens und während des Betriebes (Korrosionsangriff) auszuschließen. Zu diesem Zweck wird die Schweißnaht innen und außen geschabt, wobei die Qualität der Innenschabung mit geeigneten zf-Prüfverfahren überwacht werden muss.

Anhand praktischer Beispiele wird das Potential geführter SH-Plattenwellen vorgestellt:

Die Ausbreitung dieser Wellen als dispersionsfreier Grundmode ermöglicht zum einen die empfindliche vollvolumetrische Fehlerprüfung der Laserschweißnähte von Tailored Blanks ohne Störung durch Dickenunterschiede der beiden gefügten Bleche. Andererseits bewirkt der dispersive Charakter der höheren Moden eine mit dem Grad der Dispersion zunehmende Störung der Ausbreitung durch lokale Dickenänderungen, wie dies durch Schweißnahtüberhöhungen (Wurzel, Raupe) gegeben ist. Durch Einsatz dispersiver Moden ist damit eine Beurteilung des Schabungsprozesses, insbesondere der Innenschabung möglich. In einem dritten Beispiel wird auf eine weitere Anwendung des dispersionsfreien Grundmodes der SH-Plattenwellen zur Prüfung auf Längsfehler in Gas-Pipelines eingegangen.

Der Beitrag beschreibt zum einen die gewählten Prüftechniken und die Prüfsysteme für die drei genannten Aufgaben und zeigt Beispiele aus dem betrieblichen Einsatz bzw. der betrieblichen Erprobung.

In allen Beispielen wurde die trockene Ultraschallprüfung mit Elektromagnetischen Ultraschall(EMUS)-Prüfköpfen zur Lösung dieser Aufgabe herangezogen und gerätetechnisch für online Einsätze umgesetzt.

1. Geführte Platten-Wellen

In dünnwandigen platten- oder rohrförmigen Produkten existieren geführte Ultraschallwellen, die sich als Plattenwelle in einem flachen Blech oder in der Wand eines Rohres mit einem im Vergleich zur Wellenlänge großen Krümmungsradius ausbreiten können (sowohl in axialer als auch in Umfangsrichtung). Man unterscheidet zwischen zwei Arten dieser Plattenwellen (Abb. 1 und 2):

  • die Lamb-Wellen, die in der Einfallsebene (Zeichenebene) schwingen
  • die SH-Wellen mit senkrecht zur Zeichenebene gerichteter Polarisation


Abb 1: Dispersionsdiagramm der Lamb-Wellen.


Abb 2: Dispersionsdiagramm der SH-Plattenwellen.

Das Ausbreitungsverhalten beider Polarisationen wird durch ihre Dispersionsdiagramme wiedergegeben. Kennzeichnend ist die von der Dicke d und der Ultraschallfrequenz f abhängige Geschwindigkeit fast aller Ausbreitungs-Moden mit Ausnahme des Grundmodes SS0 der SH-Plattenwellen. Dieser ist dispersionsfrei und breitet sich unabhängig von Dicke und Frequenz mit der Transversalwellen-Geschwindigkeit des Materials aus. Die höheren Moden werden ausbreitungsfähig bei unteren Grenzfrequenzen; ihre Geschwindigkeiten nähern sich mit wachsendem f*d asymptotisch an die Geschwindigkeiten der Rayleighwelle (Grundmoden der Lamb-Wellen) bzw. der räumlichen Transversal-Wellen an.

Die Möglichkeiten der Nutzung der Dispersionsfreiheit des Grundmodes der SH-Plattenwellen bzw. der Dispersion der höheren Moden für die zfP wird im Folgenden anhand zweier Beispiele dargelegt:

Prüfung der Laserschweißnaht von Tailored Blanks
Diese Schweißnaht verbindet stumpf zwei unterschiedlich dicke Platinen; bei der Ultraschallprüfung darf der Dickensprung im Bereich der Schweißnaht kein zusätzliches Echo erzeugen. Der dispersionsfreie Grundmode SS0 breitet sich in beiden Platinen mit gleicher Geschwindigkeit aus; die Ultraschallwelle erfährt keine Änderung der akustischen Impedanz durch den Dickenübergang.

Überwachung der Schabung einer Hf geschweißten Längsnaht an dünnwandigen Rohren
Diese Schweißnaht verbindet ebenfalls stumpf die beiden Enden eines zum Rohr vorgeformten Bleches. Hier ist es gewünscht, eine Geometrieanzeige von vorhandener Wurzel und Raupe der Schweißnaht durch die Ultraschallwelle zu erhalten. Der erste dispersive Mode AS1 erkennt eine lokale Änderung der akustischen Impedanz, solange überstehende Wurzel und Raupe vorhanden sind, was zu einem Echosignal aus der Schweißnaht führt.

2. Anwendungsbeispiele der Ultraschall-Prüfung mit geführten SH-Plattenwellen

2.1 Prüfung der Laserschweißnähte von Tailored Blanks
Bei der Auslegung moderner Automobilkarosserien spielen Gewichtsreduzierung sowie Maximierung von Struktursteifigkeit und passiver Sicherheit (Crash-Verhalten) die Hauptrolle. Generell lässt sich das Gewicht durch Dickenverminderung bei Einsatz hochfester Stähle mit hohen Tiefzieheigenschaften reduzieren. Zu einer weiteren wesentlichen Gewichtseinsparung haben 'Tailored Blanks' beigetragen. Diese werden aus blanken feuer- oder galvanisch verzinkten Feinblech-Platinen (Dicken: einige Zehntel mm bis ca. 2 mm) unterschiedlicher mechanisch- technologischer Eigenschaften und Materialdicke zusammengesetzt und stumpf mittels Laser verschweißt. Nach ([1]) tragen Tailored Blanks wesentlich zu der insgesamt möglichen Gewichtseinsparung von 20% bei Verwendung des Werkstoffes Stahls beim Automobilbau bei. Typische Komponenten, die aus Tailored Blanks hergestellt werden, sind Längs- und Querträger, Türverstärkungsrahmen, Radhäuser oder Bodenbleche. Linear verlaufende Nähte werden z. Z. noch am häufigsten eingesetzt; jedoch geht der Trend weiter zu gekrümmten und Rundnähten.

Beim Laserschweißen werden die zu verschweißenden Bleche an den Schweißkanten nebeneinander angeordnet und mechanisch geklemmt. Das Schweißen erfolgt ohne Zusatzwerkstoff. Das Ergebnis ist eine sehr schmale Wärmeeinflusszone (WEZ), die nur unwesentlich die mechanisch/technologischen und metallurgischen Eigenschaften der geschweißten Blanks beeinflussen. Jedoch verlangt das Stumpfschweißen eine sehr präzise mechanische Vorbereitung der Schweißkanten, um eine gute Qualität der Schweißnaht zu erzielen. Der Schweißspalt darf höchstens 0,1 mm betragen; eine genaue Positionierung der Schweißkanten und eine ausreichend starke mechanische Klemmung sind notwendig. Während des Schweißens müssen jegliche durch Wärme bedingte Öffnungen des Schweißspaltes und laterale Verschiebungen des Laser Spots von der Schweißnahtposition vermieden werden.

Gelingt es die Prozess-Parameter (Laserleistung, Schweißgeschwindigkeit, Fokuspunkt des Laserstrahls, Inertgas Atmosphäre) innerhalb eines optimierten Prozessfensters konstant zuhalten, ist das Stumpfschweißen mittels Laser ein sehr robuster Prozess. Treten jedoch Abweichungen in der Vorbereitung der Schweißkanten und/oder der Prozessparameter auf, können die in Abbildung 3 beispielhaft dargestellten Fehler auftreten. Das geschweißte Blank muss dann verschrottet werden.


Abb 3: Querschliffe typischer Schweißfehler beim Laserschweißen.

Wegen der erwähnten Unsicherheiten der Teilevorbereitung und des Prozesses selbst ist eine 100%ige zerstörungsfreie Prüfung aller Schweißnähte auf Innen- und Oberflächenfehler unerlässlich und von der Automobilindustrie gefordert. Die eingesetzte Prüftechnik muss die unterschiedlichen Fehlertypen sicher nachweisen, auch bei Vorhandensein eines Dickensprunges im Bereich der Schweißnaht ([2,3]).

Aufgrund hoher Produktionsvolumen muss die Prüfung in den Produktionsprozess integriert werden und fehlerhafte Blanks direkt aussortieren. Die Prozessintegration erfordert eine Inspektionsgeschwindigkeit von > 0.5 m/s und eine einfach zu automatisierende und kostengünstige online Signalauswertung.

Abbildung 4 zeigt einen in der Fertigungslinie der Tailored Blanks GmbH der ThyssenKrupp Stahl AG integrierten EMUS-Prüfkopf. Detailansichten des Prüfkopfes und der Halterung sind in Abbildung 5 wiedergegeben.


Abb 5:
Detailansicht des Prüfkopfes (links: Prüfkopfsohle) und der Prüfkopfhalterung.

Abb 4:
EMUS-Prüfkopf in einer Laser-Schweißanlage für Tailored Blanks.

Die Prüfung erfolgt in der klassischen Impulsecho-Technik unter Nutzung spiegelnd reflektierter und gebeugter Signale aus der Schweißnaht. Gemäß Abbildung 6 wird der Prüfkopf auf einer der Oberflächen des dünneren Blanks aufgesetzt und strahlt den Ultraschallimpuls schräg in Richtung der Schweißnaht. Der Abstand des Prüfkopfes zur Schweißnaht ergibt sich aus der Lage des Fokuspunktes der S/E-Anordnung.

Aus der Schweißnaht zurückkommende Echosignale werden mittels zwei getrennten Empfängern als spiegelnd reflektierte und gebeugte Signale aufgenommen. Deren Maximalwerte werden als getrennte Amplitudenortskurven beim Verfahren des Prüfkopfes dargestellt . Damit ist eine Unterscheidung zwischen den von lang gestreckten Fehlern (ungenügende Durchschweißung, Versatz, Bindefehlern) reflektierten Anteilen und den von lokalen globularen Fehlern (Löcher, Poren) gebeugten Anteilen gegeben.


Abb 6: Prinzip der Prüfung der Laser-Schweißnähte.

Abbildung 7 zeigt im oberen Teilbild die aufgenommenen Messdaten einer Prüffahrt mit einer der beschriebenen Anlagen. Eine sehr klare Anzeige erfolgte über die spiegelnde Reflexion (obere Messkurve) und das Blank wurde von der Anlage aussortiert. Die visuelle Nachkontrolle ergab keinen Befund. Erst im Querschliff bzw. im Elektronen-Mikroskop (unteres Teilbild) konnte die Ursache für die Anzeige geklärt werden: nämlich ein Flankenbindefehler am Übergang der Schweißnaht zum dickeren Blech.


Abb 7: Anzeige eines Flankenbindefehlers in einer Laser-Schweißnaht.

2.2 Schabungskontrolle
Das Prinzip der Schabungskontrolle von Rohr-Längs-Schweißnähten beruht auf der Kombination der Impuls-Echo- und der Impuls-Durchschallungstechnik mit dem umlaufenden dispersiven Mode AS1. Der Prüfkopf wird - in Umfangsrichtung gesehen - um ca. 90° von der Schweißnaht versetzt positioniert (Abbildung 8). Der Prüfkopf empfängt neben dem Echo der Schweißnaht(E) und deren Folgesignale die Folge der Umlaufsignale(U). Mittels eines elektronischen Auswerte-Tores wird das Echo der Schweißnaht ausgeblendet; der Maximalwert des Echos wird digitalisiert und online während der Prüfung dargestellt (Abbildung 10).


Abb 8: Prinzip der Ultraschall-Kontrolle der Schweißnaht-Schabung.


Abb 9: Prüfkopf (links) und Prüfkopf-Halterung in der Schabe-Anlage.

Der eingesetzte Prüfkopf ist in einer Aufsicht auf die Prüfkopf-Sohle im linken Teilbild der Abbildung 9 dargestellt. Im zentralen Bereich befindet sich eine Anordnung von Permanentmagneten; oben und unten sind die Flächen eines U-förmigen HF-Übertragers zu erkennen, auf den die Sende- und Empfangsspule aufgebracht sind. Die Prüffrequenz ist 0,8 MHz ([4]). Im rechten Teilbild ist die Haltevorrichtung des Prüfkopfes dargestellt. Der Prüfkopf ist im zentralen Bereich des Halters - verdeckt hinter dem Rohr - angebracht; die Schweißnaht befindet sich im oberen Scheitelpunkt des Rohres. Das Rohr wird abgestützt durch eine Rollenführung in einem Abstand von ca. 0,2 mm entlang des Prüfkopfes geführt.

In den beiden Teilbildern der Abbildung 10 sind die bei einer Messung mit 1m/s Rohrgeschwindigkeit aufgezeichneten Echomaxima für eine Gesamtlänge von 16 m dargestellt. Bei schlechter Schabung ist der mittlere Pegel der Echo-Maxima über die gesamte erfasste Länge von 16 m bei ca. 60% Bildschirmhöhe (BSH); der Abfall des Pegels im letzten Drittel des Scans weist auf eine allmählich zunehmende Verbesserung der Schabung hin. Die Oszillationen im linken Drittel des Scans zeigen ein periodisches Auftreten gut bzw. schlecht geschabter Bereiche hin. Bei guter Schabung (rechtes Teilbild) liegt der Signalpegel über die gesamte geprüfte Länge bei 10% BSH.

Abb 10: Ultraschallergebnisse bei ‚Schlechter' und ‚Guter' Schabung.

2.3 Gas-Pipeline Prüfmolch EmatScanŇ CD
Die Integrität von Öl- und Gaspipelines ist weltweit sowohl aus wirtschaftlichen Gründen als auch aus Gründen der Sicherheit und des Umweltschutzes von höchster Bedeutung. Für die automatisierte zerstörungsfreie Prüfung von Pipelines werden so genannte Prüfmolche eingesetzt, die mit dem Betriebsmittel durch die Pipeline gepumpt werden. Am stärksten verbreitet und eingesetzt sind Prüfmolche, die nach dem magnetischen Streufluss-Verfahren korrosionsbedingte lokale Änderungen des Innen- und Außendurchmessers bzw. auch rissartige Längsfehler an der Innenoberfläche der Rundnähte detektieren. Diese werden sowohl in Öl- als auch in Gas-Pipelines eingesetzt. Für die quantitative Vermessung der für den weiteren Betrieb der Leitung ausschlaggebenden Restwandstärke und für die zunehmend wichtiger werdende Kontrolle der Längsschweißnähte auf so genannte Spannungsriss-Korrosion (insbesondere an den Außenoberflächen) ist aber nur ein Ultraschall-Prüfverfahren optimal geeignet. Für Gas-Pipelines stellen sich die oben genannten Notwendigkeiten einer wiederkehrenden zerstörungsfreien quantitativen Kontrolle der Wandstärke und der Rissfreiheit der Längsnähte umso mehr, da die Betriebsdrücke höher und das korrosive Schädigungspotential des Mediums wesentlich größer sind als bei Öl-Leitungen. Die klassische Art der Ultraschall-Prüfung scheidet jedoch aus, da aus Gründen der Spannungsrisskorrosion jede Art von Feuchte (Koppelmedium) in der Rohrleitung zu vermeiden ist; es wird daher sogar auf die Trocknung des transportierten Gases großen Wert gelegt.

Aus den genannten Gründen besteht sowohl bei den Betreibern von Gaspipelines als auch bei den Herstellern von Prüfmolchen ein sehr hoher Bedarf an koppelmittelfrei arbeitenden Ultraschalltechniken zur Korrosions- und Rissprüfung in Gas-Pipelines.

In enger Kooperation mit dem Auftraggeber PII Pipetronix, Stutensee sowie weiteren Forschungseinrichtungen war ein Prüfmolch EmatScan ŇCD (Electro Magnetic Acoustic Transducer Crack Detection) für Erdgaspipelines zu entwickeln und als erster Prototyp in einer 36"-Version zu realisieren.

Für die vollvolumetrische Erfassung der gesamten Wanddicke mit einer Minimalanzahl von Prüfköpfen zur Abdeckung des kompletten Umfanges erwies sich auch hier der Grundmode der SH-Plattenwelle als am besten geeignet. Diese Wellenart ist besonders empfindlich für den Nachweis senkrecht zur Schallausbreitungsrichtung liegender, rissartiger Fehler und Rissfeldern (SCC, Stress Corrosion Cracking). Neben den SH-Wellen wurde als zweiter Wellentyp die an der Rohrinnenseite in Umfangsrichtung sich ausbreitende Rayleigh-Welle eingesetzt. Auch dieser Wellentyp wird mittels EMUS-Prüfköpfen angeregt und empfangen. In Kombination mit den Ergebnissen der SH-Plattenwelle lassen sich Aussagen über die Fehlertiefe erreichen und die Unterscheidung von Innen- und Außenfehler vornehmen. In umfangreichen Vorversuchen und theoretischen Modellierungen wurden die optimalen Anregungsfrequenzen ermittelt und an Original-Pipeline-Rohren und Versuchständen abgesichert.

Im Sommer 2002 wurde der erste EmatScan ŇCD und der vollständige Sensorsatz fertig gestellt. Abb 11 zeigt beispielhaft den fertigen Prüfkopf für SH-Wellen mit optimiertem Verschleißschutz eingebaut in einer federnd gelagerten Aufhängung.


Abb 11: EmatScan CD - Ausführung des SH-Wellen Prüfkopfes.
Abb 12:

Nach einer mehrmonatigen Test- und Optimierungsphase mit zahlreichen Zugversuchen an Testrohren mit künstlichen Fehlern und natürlichen Rissfeldern konnte das Prüfsystem seine erste Leistungsfähigkeit in einer Erdgaspipeline in Kanada unter Beweis stellen.

Abbildung 12 zeigt den Molch beim Einschleusen in einen Leitungsabschnitt der TransCanada Pipeline. In dieser Pipeline sind natürliche Rissfelder bekannter Tiefe vorhanden. Diese wurden auf Anhieb mit ausreichendem Signal-Rauschverhältnis detektiert und in Ausdehnung, Tiefe und Lage richtig bewertet.

Zusammenfassung

Es wurde aufgezeigt, dass die Ultraschallprüfung mit geführten SH-Wellen neuartige zfP-Lösungen für platten- und rohrförmige Erzeugnisse bietet. Die dispersionsfreie Ausbreitung des Grundmodes ermöglicht deren Einsatz in MultiThickness Produkten und ermöglicht langreichweitige Prüfungen. Die Dispersion der höheren Moden kann zur Informations Gewinnung über lokale Dickenänderungen genutzt werden.

Die trockene koppelmittelfreie EMUS-Technik erleichtert die Einbindung in die Fertigungslinien bzw. macht die Anwendung der beschriebenen Techniken erst möglich.

Anhand der vorgestellten Beispiele wurde die Umsetzung in betriebliche Prüfanlagen und Prüfsysteme demonstriert.

Literatur

  1. ULSAB Ultra Light Steel Auto Body-Projekt, Porsche Engineering Services, Projekt phase 1, 1995
  2. Salzburger, H.-J.: Trockene Ultraschallprüfung der Laserschweißnähte von Tailored Blanks. In: Stahl und Eisen 119 (1999), Nr.1, S.51-53
  3. Mohrbacher, H. ; Salzburger, H.-J.: Qualitätsüberwachung der Laserschweißnähte von Tailored Blanks mittels geführter Ultraschallwellen und EMUS-Prüfköpfen In: Deutsche Gesellschaft für Zerstörungsfreie Prüfung e.V. -DGZfP-, Berlin: Zerstörungsfreie Materialprüfung. Band 1 Berlin: DGZfP, 1999, S.349-357
  4. Salzburger, H.-J.; Hübschen, G.: Miniaturisierung und Erhöhung des Frequenzbereiches von EMUS-Winkelprüfköpfen durch Einsatz von Hochfrequenz-Übertragern. In: Deutsche Gesellschaft für Zerstörungsfreie Prüfung e.V. (DGZfP): DACH Jahrestagung 1996 Zerstörungsfreie Materialprüfung Teil 1 :

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