DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Ultraschallprüfung von Widerstandspunktschweißverbindungen an hochfesten Stahlverbindungen im Karosseriebau

Lambert Bösch, Haris Pasic, Josef Neges, MAGNA STEYR Fahrzeugtechnik, Graz (A) Marc Linkenbach, Star Engineering, Böblingen (D)
Kontakt: Dr. Lambert Bösch

Kurzfassung

Die Ultraschallprüfung von Widerstandspunktschweißungen hat sich bei unlegierten, weichen Karosseriestahlgüten als zuverlässige Methode der Qualitätssicherung erwiesen. Aufgrund des wachsenden Einsatzes von höherfesten Stählen im Karosseriebau (Dual Phase und TRIP) entsteht in der Automobilindustrie der Bedarf derartige Verbindungen sowohl im Rohbau als auch bei den Laboruntersuchungen prozesssicher prüfen zu können.
Nach Durchführung eines Prinzipnachweises der Ultraschallprüfung von Widerstandspunktschweißungen anhand der künstlich hergestellten Fehler im vollen Stahlmaterial, und dadurch festgestellten Grenzen des Verfahrens, wurde eine Versuchsreihe mit Widerstandspunktschweißungen an unterschiedlichen Blechqualitäten produziert und mittels Ultraschall untersucht. Um die Untersuchung möglichst praxisnahe zu gestalten wurden die Verbindungen aus den realen Konstruktionen der bei MAGNA STEYR Fahrzeugtechnik entwickelten und gefertigten Fahrzeuge ausgewählt. Die Verbindungen wurden durch gezielte Veränderung der Schweißparameter so geschweißt, dass unterschiedliche Fehlerarten bei einzelnen Untersuchungsreihen entstehen, um ihren Einfluss auf die anschließend durchzuführende Ultraschallprüfung und damit die Zuverlässigkeit diese Verfahrens zu ermitteln. Insgesamt wurden an ca. 2200 Verbindungen unterschiedlicher Blechkombinationen Fehlerarten wie "Kleine Schweißlinse", "Lose Verbindung", "Verbrannte Schweißlinse", "Pore", usw. untersucht. Die Ergebnisse geben einen Überblick über die Ähnlichkeit und Unterschiede der Ultraschallprüfung an Widerstandspunktschweißungen bei den untersuchten, herkömmlichen weichen Tiefziehgüten (DC04, DC05) und höherfesten Stahlblechen (H340X+Z100; H400T+Z100). Anhand der durchgeführten Versuchsreihen werden die Nachweisbarkeitsgrenzen bei einzelnen Fehlerarten mit unterschiedlichen Prüfköpfen aufgezeigt.

1. Einleitung

Es werden die eventuell vorhandenen Unterschiede bei der Ultraschallprüfung von Widerstandspunktschweißungen an höherfesten Stahlblechen (DP und TRIP) aus dem Karosseriebau im Vergleich zu weichen Tiefziehstahlgüten erläutert. Parallel sind anhand von Versuchsreihen Nachweisbarkeitsgrenzen und Eigenheiten der einzelnen Fehlerarten in Zusammenhang mit der Ultraschallprüfung aufzuzeigen. Geleitet durch diese Zielsetzung wurden die Untersuchungen in folgende Schritte unterteilt:

  • Nachweis der Eignung der Ultraschallprüfung zum Detektieren von Fehlerarten der Widerstandspunktschweißverbindungen anhand der Prüfung von definierten künstlichen Fehlern im vollen Material

  • Untersuchung der Nachweisbarkeit von herkömmlichen Fehlerarten an widerstandspunktgeschweißten Verbindungen der weichen Tiefziehstahlgüten (Versuchsreihe DA-01 und DA-02) mittels Ultraschallprüfmethode mit begleitender metallografischer Untersuchung


    Untersuchte Versuchsreihen
    DA-01 DA-02
    Blech 1 DC04 2 mm, blank DC04+ZE 75/75 2 mm
    Blech 2 DC04 2mm, blank DC04+ZE 75/75 2 mm
    Tab 1: Aufbau der Verbindungen DA-01, DA-02

  • Untersuchung der Nachweisbarkeit von herkömmlichen Fehlerarten an widerstandspunktgeschweißten Verbindungen der höherfesten Stahlgüten mittels Ultraschallprüfmethode (Versuchsreihe DA-03 und DA-04) mit begleitender metallografischer Untersuchung


    Untersuchte Versuchsreihen
    DA-03 DA-04
    Blech 1 DC05+ZE 100/100 1,2 mm H420LA+ZE 75/75 1,8 mm
    Blech 2 H340X-Z 140 2,0 mm H400TD+Z 1,8 mm
    Blech 3 H340X-Z 140 2,5 mm -
    Tab 2: Aufbau der Verbindungen DA-03, DA-04

2. Betrachtung der verwendeten Werkstoffe

In den folgenden Punkten wird auf die Werkstoffe und deren charakteristische Eigenschaften eingegangen, an denen die untersuchten Widerstandspunktschweißungen hergestellt wurden. Es wurden sowohl blanke als auch beschichtete (schmelztauchverzinkt oder elektrolytisch verzinkt) Bleche verwendet. Die untersuchten Werkstoffpaarungen wurden teilweise anhand der tatsächlich eingesetzten Materialien bei bestimmten Verbindungen der Karosseriekonstruktion von in Serie produzierten Fahrzeugen ausgewählt.

2.1 Weiche, unlegierte Stähle

Weiche Stähle zum Kaltumformen sind in der Regel unlegierte Stähle (DC01-DC05) mit Kohlenstoffgehalten je nach Stahlgüte zwischen max. 0,02% (z.B. DC06) und 0,12% (z.B. DC01), die zur Beruhigung der Schmelze und zur Abbindung des Stickstoffs Aluminium im Bereich von einigen Hundertstelprozent enthalten (nach DIN EN 10130). Lediglich die sogenannten Spezialtiefziehstähle sind vakuumentkohlt (typisch 0,003 % Kohlenstoff) und mit Ti und/oder Nb zur vollständigen Abbindung von Kohlenstoff und Stickstoff legiert. Diese Stähle sind frei von den "Zwischengitteratomen" C und N, die als Ti/Nb-Karbonitride abgebunden sind. Diese Stähle werden als sogenannte IF-Stähle (Interstitial Free) bezeichnet. Sie weisen unter allen Kaltumformstählen die besten Umformeigenschaften auf, sind alterungsbeständig und haben keine ausgeprägte Streckgrenze (z.B. DC06+ZE75/75, Bezeichnung nach Norm DIN EN 10152).
Die untersuchten Stähle tragen die Bezeichnungen: DC04, DC04+ZE75/75, DC05+ZE75/75

Schweißeignung:

Die gute Schweißeignung leitet sich vor allem aus ihren niedrigen Kohlenstoff- und Mangangehalten ab, die einer zu hohen Aufhärtung in der Schweißlinse und in der WEZ entgegenwirken. Sie lassen sich sowohl mit höherfesten als auch mit anderen unlegierten Stählen sehr gut verschweißen. Sie werden als uneingeschränkt schweißgeeignet bezeichnet, wobei bei verschiedenen Oberflächenbeschichtungen verfahrensspezifische Anpassungen durchgeführt werden müssen.

2.2 Höherfeste Stähle

Die Suche nach besseren Werkstoffkonzepten mit günstigeren Verfestigungsmechanismen in Bezug auf das Bruchdehnung-Festigkeitsverhältnis führte die Werkstoffforschung zur Entwicklung der Gruppe der Mehrphasenstähle. Die Festigkeitssteigerung wird dadurch erzielt, dass harte Phasen neben weichen Phasen in das Gefüge eingebracht werden. Die obere Grenze der heute erzielbaren Festigkeiten von höherfesten Werkstoffen, die im Automobilbau Anwendung finden, werden durch die Complexphasen- (CP) und Martensitphasenstähle (MS) nach oben hin abgerundet. Die Festigkeit von CP-Stählen liegt bei 800 MPa (N/mm²), die der MS bei 1400 MPa (N/mm² ) [1].
Es wurden ein Dualphasenstahl und ein TRIP-Stahl (TRIP= Transformation Induced Plasticity) in Kombination mit einem mikrolegiertem, höherfestem Stahl (s. unten) untersucht.

2.3 Mikrolegierte, kaltgewalzte Stähle mit höherer Streckgrenze zum Kaltumformen

In Abgrenzung zu den weichen, unlegierten Stählen (s. oben) weisen diese Stähle eine höhere Streckgrenze auf. Aufgrund der chemischen Zusammensetzung und der Herstellungsbedingungen des Stahles ergeben sich, gemessen an den höheren Streckgrenzenwerten, dennoch gute Kaltumformeigenschaften. Alle Stähle dieser Serie haben einen niedrigen Kohlenstoffgehalt (max. 0,1% nach DIN EN 10268) und sind besonders beruhigt. Bezogen auf den Lieferzustand beruhen die höheren Streckgrenzenwerte bei allen Stählen dieser Gruppe auf einer Kornfeinung (G >= 9 nach Euronorm 103-71) in Verbindung mit einer Mischkristallverfestigung. Typische Stähle aus dieser Gruppe sind z.B. H240 LA, H360 LA, H400 LA (Bezeichnung nach Norm EN 10268)
Diese Stähle eignen sich sowohl für elektrolytische als auch für eine Schmelztauchverzinkung.
Der hier untersuchte Stahl trägt die Bezeichnung: H420LA+ZE75/75

Schweißeignung:

Mikrolegierte Stähle mit und ohne Verzinkung sind mit den im Karosseriebau üblichen Verfahren und Ausrüstungen sehr gut schweiß- und lötgeeignet (außer Flammlöten). Bei verzinkten Blechen muss beim Laserstrahlschweißen durch bauteilabhängige, konstruktive Maßnahmen das Ausgasen des Zinkdampfes aus dem Schweißbereich gewährleistet werden.

2.4 Dualphasen (DP)-Stähle

Das Gefüge besteht aus ca. 80 % Ferrit und ca. 20 % inselförmig eingelagertem Martensit. Der Stahl (nach SEW097 Teil 2) besitzt gute isotrope Umformeigenschaften im höheren Festigkeitsniveau mit günstigem Rückfederungsverhalten, ein hohes Verfestigungs- und Energieabsorptionsvermögen und weist auch den Bake-Hardening-Effekt auf. Typische Anwendungsbeispiele für diese Stähle sind flache streckgezogene Profile in Türen, festigkeitsrelevante Struktur- und crashrelevante Teile, sowie Stahlfelgen. Die erzielbaren Zugfestigkeiten bewegen sich zwischen 500 - 700 N/mm² und einem Streckgrenzenbereich von 270 - 380 N/mm² [2].
Der untersuchte Stahl trägt die Bezeichnung: H340X-Z140 (Stahlbezeichnung nach Norm EN 10027-1).

Schweißeignung [3]:

Kaltgewalzte DP-Stähle mit und ohne Verzinkung neigen blechdicken- und bauteilabhängig zu Aufhärtungen im Schweißbereich und der Wärmeeinflusszone. Das Fügen durch Widerstandspunktschweißen ist unter Berücksichtigung dieser Eigenschaften möglich. Das nutzbare Prozessfenster ist gegenüber weichen Tiefziehgüten kleiner.
Bei Mischverbindungen zwischen DP-Stählen und TRIP-, Complexphasen- oder Martensitischen-Stählen sind weitere Einschränkungen möglich.

2.5 TRIP -Stähle

Das Gefüge dieser Stähle besteht aus einer ferritischbainitischen Grundmatrix die Restaustenitbestandteile enthalten, die bei der Umformung in harten Martensit umwandeln [4]. Der Restaustenit wird durch Legierungselemente stabilisiert, erst bei der Blechumformung wird er in Martensit umgewandelt. Damit verbunden werden hohe Dehnungen auch bei hohen Festigkeiten erzielt. Der Vorteil liegt in der guten isotropen Umformeigenschaft bei hohen Festigkeiten, sowie in der hohen Festigkeit (600 - 1000 N/mm2) selbst. Des weiteren besitzt der TRIP-Stahl ein sehr hohes Verfestigungsvermögen auch bei großer Formänderung, ein hohes Energieabsorptionsvermögen, das auch bei dynamischer Beanspruchung erhalten bleibt und ebenfalls Bake-Hardening-Potential. Anwendung findet diese Stahlgruppe bei Umformteilen mit hohen Streck- und Tiefziehanteilen, sowie bei den komplexen festigkeits- und crashrelevanten Strukturteilen. Der untersuchte Stahl trägt die Bezeichnung: H400TD+Z 100 (Beispiel)

Schweißeignung:

Kaltgewalzte TRIP-Stähle mit und ohne Verzinkung neigen blechdicken- und bauteilabhängig zu Aufhärtungen im Schweißbereich und der Wärmeeinflusszone. Das Fügen durch Widerstandspunktschweißen ist unter Berücksichtigung dieser Eigenschaften möglich.
Blechdickenabhängig ist beim Widerstandspunktschweißen die Anpassung der Elektrodengeometrie an die zu schweißenden Bleche notwendig. Das nutzbare Prozessfenster ist gegenüber weichen Tiefziehgüten kleiner.
TRIP-Stähle in Verbindung mit Martensitischen Stählen sind nicht schweißgeeignet.

3. Versuche an Proben künstlich hergestellten Fehlern

Diese Versuchsreihen sollen zeigen, in wie weit klar definierte Fehlergeometrien bei kleinen Linsen und Poren mit dem Ultraschallsystem im Labor nachgewiesen werden können.
Bei der Vorüberlegung der benötigten Genauigkeit zur Detektierung einer kleinen Linse, wurde von einer derzeitigen minimalen Blechdicke im Automobilbau von 0,8mm ausgegangen.
Aufgrund der Querschnittsverminderung der Verbindung durch Poren sind diese unerwünscht. In dieser Versuchsreihe soll die mindest detektierbare Porengröße für unterschiedliche Prüfköpfe ermittelt werden Die in allen Versuchsreihen verwendeten Prüfköpfe waren 20 MHz Prüfköpfe der Firma Krautkrämer/AGFA NDT bis auf den 3,6 mm Prüfkopf, der eine Ultraschallfrequenz von 15 MHz aufwies.


Übersicht der verwendeten Prüfköpfe:

Prüfkopfgröße ø Prüfkopfnummer
6 mm G20MN66751691
5,6 mm G20MN66750697
5 mm G20MN66749718
4,5 mm G20MN66748779
4 mm G20MN66747106
3,6 mm G15MN65990196

3.1 Nachweisbarkeitsgrenze von zu kleinen Linsen

Hier wurden Prüfobjekte in Form von Stufendrehteilen angefertigt (Abb. 1), die sich in dem Durchmesser d unterschieden. Es wurden folgende Größen für d gewählt: 2,5 mm; 3 mm; 3,5 mm; 4 mm; 4,5 mm; 5 mm; 5,5 mm und 6 mm. Mit jedem Prüfkopf wurden die Prüflinge jeder Stufengröße (entspricht Linsengröße) bis zur kleinsten Stufengröße von 2,5 mm geprüft.


Abb 1: Zeichnung Kleine Linse

Abb 2:
Prüfköpfe, Zentrierringe und Stufendrehteile aus Stahl

Mit Hilfe von selbst gefertigten Zentrieraufsätzen (Abb. 2 rechts oben) war es möglich, die verschiedenen US-Prüfköpfe (3,6 mm, 4 mm; 4,5 mm; 5 mm; 5,6 mm und 6,0 mm) exakt zentrisch auf das zu prüfende Stufendrehteil von oben aufzusetzen und die Signale anschließend zu messen und zur weiteren Auswertung zu speichern.

Ein Teil des Schallbündels wird hierbei aufgrund der vorhandenen Reflexionsfläche an der Verjüngung der oberen Prüflingshälfte (t) zurückgeworfen, wenn der Durchmesser d des Zapfenansatzes kleiner als der Wandlerdurchmesser des US-Prüfkopfes ist, da hier ein Übergang Stahl-Luft auftritt und der andere Teil erst nach der Gesamtdicke von 2t reflektiert wird. In diesem Zusammenhang wurde dann untersucht, ab welchem Stufendurchmesser d, der nach 2t reflektierte Schallanteil verschwindend klein ist. Dies lässt auf eine Aussage über die nachweisbare Linsengröße für den entsprechenden Prüfkopf zurückschließen.

Bei Drehteilen, welche exakt mit einer Dicke von t und 2t gefertigt wurden und das Verhältnis von reflektierter Fehlerschallfläche zu Rückwandfläche sehr groß war, ergab sich ein Signalverlauf ähnlich dem einer losen Verbindung. Dies begründet sich durch Signalüberlagerung nach einer bestimmten Laufzeit des Rückwand- und des Fehlerechos. Um dies eindeutig nachzuweisen wurde eine weitere Probe mit unterschiedlichen "simulierten" Blechdicken gefertigt, die nicht genau dem Blechdickenvielfachen eines einzelnen Bleches entsprach. Die gewählten Maße hierfür waren t=1,2 mm und eine Gesamtdicke von 4 mm, die Stufe hat einen Durchmesser d von 3 mm. Geprüft wurde mit 2 verschiedenen 20 MHz-Prüfköpfen und der Schwingerbreite von 6 mm und 4 mm. Hierbei konnte das Rückwandecho und Fehlerecho einwandfrei voneinander getrennt dargestellt werden (Abb. 3 und 4).


Abb 3: Prüfkopf 6mm
Punktreihe: Kleine Linse t ungleich
Bewertungshilfe: II
Punktname: US 6
Datum: 02.07.03
Uhrzeit: 12:16:59 PM
Anzahl der Bleche: 2
Befund: Lose
Blechdicke: 1,2 mm
Schallgeschwindigkeit: 5920 m/s
Verstärkung: 56 dB
Prüfkopfvorlauf: 19µs
Nullpunkt: 0 mm
Bildbreite: 20 mm


Abb 4: Prüfkopf 4mm
Punktreihe: Kleine Linse t ungleich
Bewertungshilfe: II
Punktname: US 4
Datum: 02.07.03
Uhrzeit: 12:24:16 PM
Anzahl der Bleche: 2
Befund: Lose
Blechdicke: 1,18 mm
Schallgeschwindigkeit: 5920 m/s
Verstärkung: 65 dB
Prüfkopfvorlauf: 18µs
Nullpunkt: 0 mm
Bildbreite: 20 mm

Nach dem dritten Rückwandecho in Abb. 3 u. 4 kann man erkennen, wie sich das Rückwandecho und das Fehlerecho von einander absetzen und so nicht mehr der Anschein entsteht, eine lose Verbindung zu haben, wie sie auch durch die automatische Auswertung der Software des Ultraschallprüfsystems vorgeschlagen wird.

Eine weitere Besonderheit, die noch auftrat und ggf. zu Schwierigkeiten bei der Signalauswertung und Deutung führt sind die minimal versetzten Echos (Abb. 5) nach den Fehlerechos und nach den Rückwandechos. Als Erklärung gab die Firma AGFA NDT in einem persönlichen Gespräch an, dies seien Wiederholanzeigen aus der Reflexion der Fügeebene und der Sensormembran, die dann mit Laufzeitversetzungen im Prüfkopf aufgenommen werden und zur Anzeige führen.


Abb 5: Versetzte Echos

3.2 Nachweisbarkeitsgrenze von Poren

Hier wurden Prüfobjekte in Form von Scheiben mit zentrischen Sacklochbohrungen angefertigt (Abb. 6), die sich in dem Durchmesser d unterschieden. Es wurden folgende Größen für d gewählt: 1 mm; 1,5 mm; 2 mm; 2,5 mm; 3 mm; 3,5 mm; 4 mm; 5 mm. Die mit einem E gekennzeichneten Löcher wurden erodiert, die restlichen Sacklöcher wurden gebohrt (s. Abb.6).
Mit jedem Prüfkopf wurden die Prüflinge, angefangen mit der nächst kleineren Bohrungsgröße (entspricht einer Porengröße) bis zur kleinsten Bohrung von 1 mm geprüft.


Abb 6: Scheiben mit zentrischen Sacklochbohrungen


Abb 7: Zeichnung Sacklochbohrung (simulierte Pore)

Ein Teil des Schallbündels wird hierbei aufgrund der vorhandenen Reflexionsfläche an der Bohrung in der unteren Prüflingshälfte (t) zurückgeworfen, wenn das Ultraschallbündel auf den Bohrungsboden trifft, da hier ein Übergang Stahl-Luft auftritt und der andere Teil erst nach der Gesamtdicke von 2t reflektiert wird. Dies lässt eine Aussage über den Nachweis einer Pore zu. Bei manchen Bohrungsdurchmessern, siehe Abb. 8 trat eine Besonderheit (doppelter "Napoleonhut") beim Signalverlauf auf, die vorher zu erklären wäre:

Der erste, große Hut (von links nach rechts) entsteht durch Signalüberlagerung des Fehler- und des Rückwandechos. Das erste Echo (1) in Abb. 8 ist das der Bohrung, das 2. Echo (2) ist eine Überlagerung des ersten Rückwandechos und des 2. Fehlerechos. Das dritte Echo (3) auf dem Bild ist das 3. Echo der Bohrung. Nun beginnt der Anstieg, d.h. das 4. Echo (4) setzt sich folglich aus dem 2. Rückwandecho und dem 4. Fehlerecho der Bohrung zusammen, usw. Der Abfall der Amplitude, also des Napoleonhutes kommt durch den Einfluss der Schallschwächung im Material zustande.


Abb 8: Doppelter Napoleonhut
Punktreihe: Simulation Pore
Bewertungshilfe: II
Punktname: US6mm d=4mm
Datum: 24.04.03
Uhrzeit: 1:44:59 PM
Anzahl der Bleche: 2
Befund: Lose
Blechdicke: 1,95 mm
Schallgeschwindigkeit: 5920 m/s
Verstärkung: 61 dB
Prüfkopfvorlauf: 17 µs
Nullpunkt: 0 mm
Bildbreite: 40 mm

Der zweite, zeitlich versetzte, kleinere Napoleonhut in Abb. 8 kommt durch Beugungseffekte an den Bohrungskanten (Kantenstreuung) zustande. Diese Aussage wurde auch von der Firma AGFA NDT bestätigt. Anzumerken ist noch, dass diese Beugungseffekte (Kantenstreuung) bei den Bohrungen eine wesentlich stärkere Ausprägung als bei der Versuchsreihe Kleine Linse haben, wo keine dieser Effekte nachzuweisen war.

4. Versuche mit weichen, unlegierten Stählen

In der Versuchsreihe mit weichen, unlegierten Stählen werden die Widerstandspunktschweißungen an bereits bekannten und seit langem im Einsatz befindlichen Karosseriestahlgüten überprüft. Die bisherigen Erfahrungen beim Ultraschallprüfen von Widerstandspunktschweißungen beruhen weitgehend auf diesen Materialien. Anhand der bestehenden Erfahrungen wurden für diese Versuchsreihen die in Tabelle 1 angeführten Werkstoffe ausgewählt.
Die Untersuchungsergebnisse bei einzelnen Widerstandspunktschweißungen beinhalten folgende Daten: Aufnahme der Schweißpunktoberfläche (Links oben), Schliffbild (Rechts oben), US-Bild der Echofolge (Mitte links), Einstellparameter des US-Gerätes mit dem Befund der automatischen Bewertungshilfe des Ultraschallprüfsystems (Mitte rechts) und die Schweißparametereinstellung (Mitte unten). In der Schweißparametereinstellung werden die Parameter der IO-Schweißung den Parametern des untersuchten Punktes gegenübergestellt. Abschließend steht die Beurteilung des Schliffbildes, in Bezug zu dem Befund der automatischen Bewertungshilfe. Der zur Ultraschalluntersuchung dieser Versuchsreihen (DA-01 und DA-02) verwendete Prüfkopf hat einen Wandlerdurchmesser von 5,6 mm. Pro untersuchte Prüfreihe wurden bis zu sechs Prüfbleche mit unterschiedlich variierten Schweißparametern der Anlage angefertigt.

Beispiel Versuchsreihe DA-01-02


Abb 10: Schliff C1

Abb 9: Punkt C1


Abb 11: US-Signal C1
Punktreihe: DA-01-02
Bewertungshilfe: II
Punktname: C1
Datum: 21.05.03
Uhrzeit: 2:40:25 PM
Anzahl der Bleche: 2
Befund: IO
Blechdicke: 3,67 mm
Schallgeschwindigkeit: 5920 m/s
Verstärkung: 66 dB dB
Prüfkopfvorlauf: 20 µs
Nullpunkt: 0 mm
Bildbreite: 40 mm


Elektrodenkraft [kN] Elektroden ø [mm] Elektr.
Kappe
DIN ISO
5821
Vorhaltezeit [ms] Schweißzeit [ms] Schweißstrom [kA] Nachhaltezeit [ms]
IO 3,5 16 F 1200 350 9,5 200
Punkt 3,5 16 F 1200 350 9,5 200

Beurteilung:

Das Schliffbild stimmt mit dem Befund der automatischen Bewertung überein.

5. Versuche mit höherfesten Stählen

Da die Erfahrung auf dem Gebiet der US-Prüfung der höherfesten Werkstoffe relativ gering ist, soll herausgefunden werden ob es bei der US-Prüfung von höherfesten Werkstoffen im Vergleich zu den weichen, unlegierten Werkstoffen Differenzen und Besonderheiten bei der US-Prüfung gibt. Es wurden für diese Versuchsreihe die höherfesten Stahlgüten wie in Tabelle 2 angeführt ausgewählt.
In den nachfolgenden Schlussfolgerungen wird ein Vergleich der US-Prüfung der beiden untersuchten Stahlgruppen erstellt.
Die Untersuchungsergebnisse dieser Reihe von einzelnen Widerstandspunktschweißungen beinhalten, wie bei den weichen unlegierten Stählen folgende Daten: Aufnahme des Schweißpunktes, Schliffbild, US-Bild der Echofolge, Einstellparameter des US-Gerätes mit dem Befund der automatischen Bewertungshilfe und die Schweißparametereinstellung. Abschließend steht die Beurteilung des Schliffbildes, in Bezug zu dem Befund der automatischen Bewertungshilfe.
Nach Angaben von Agfa/NDT wurden bei den untersuchten höherfesten Verbindungen, Prüfköpfe 4,5mm bei Dual-Phase-Verbindungen (DA03) und 5,6 mm bei TRIP-Verbindungen (DA04) verwendet [5]. Pro untersuchter Prüfreihe wurden bis zu fünf Prüfbleche mit unterschiedlich variierten Schweißparametern der Anlage angefertigt.

6. Ergebnisse

6.1 Ergebnisse:Proben mit künstlich hergestellten Fehlern

Kleine Linse: Eine kleine Linse kann mit allen Prüfköpfen nachgewiesen werden, sobald der Prüfkopfdurchmesser 0,5 mm größer als der Durchmesser d der Stufe wird, ist ein Fehlerecho erkennbar. Dieses Fehlerecho lässt sich auch noch bis zu einem sehr großen Durchmesserunterschied (Stufendurchmesser sehr klein, Prüfkopfdurchmesser sehr groß), unter Beachtung der Kenntnisse der Signalüberlagerung bei dickensymmetrischen Probenstücken, nachweisen. Kleine Linsen können noch bis zu dem geforderten minimalen Punktdurchmesser von 3,6 mm mit jedem hier verwendetem Prüfkopf eindeutig als Kleine Linse erkannt werden.

Bei künstlich hergestellten, kleinen Linsen zeigt die automatische Bewertungseinheit in der Versuchsreihe allerdings oft eine "lose Verbindung" oder einen "Kleber" an. Dies liegt daran, dass die Versuche nicht an einem Schweißgefüge stattfanden, welches den Ultraschall stärker schwächen würde als das feinkörnige Gefüge des Probengrundwerkstoffes. Die Entscheidung, diesen Versuch aus einem wärmeunbeeinflussten Stahlteil zu drehen wurde wegen der einfacheren Herstellbarkeit der Proben gewählt.

Vermutete Signalüberlagerungen von Rückwand- und Fehlerecho bei großen Unterschieden der Projektionsflächen der Linse und die des zurückgeworfenen Fehlerechos wurden durch eine weitere Probe mit unterschiedlichen Abmessungen, stellvertretend für andere, nachgewiesen.

Poren: Bei den Ergebnissen dieser Versuchsreihe stellte sich heraus, dass Poren kleiner als 2 mm bei den Prüfköpfen mit den Wandlerdurchmessern 6 mm, 5,6 mm und 5mm auf Grund des fehlenden Fehlerzwischenechos nicht mehr eindeutig nachgewiesen werden können. Bei den Prüfköpfen mit 4,5 mm und 4 mm Durchmesser liegt die Nachweisbarkeitsgrenze von Poren bei 1,5 mm. Kleinere Fehlergeometrien können im Labor nicht mehr eindeutig nachgewiesen werden.

Die bei der Versuchsreihe Poren entdeckte Schwäche des Systems, der schlechten Erkennbarkeit von Poren, ist bei der Prüfung zu beachten. Es muss auch zur Kenntnis genommen werden, dass die im Laborversuch erzeugten Fehler (Poren, Kleine Linse) ideelle Fehlergeometrien darstellen, die bei realen Schweißverbindungen selten gegeben sind. Die Erfahrung aus den verschiedenen Versuchsreihen zeigt, dass Poren immer dazu neigen, ihre Oberflächenspannung möglichst gering zu halten und somit eine Kugelform anstreben. Die konvex zur Schallausbreitungsrichtung angeordnete Porenoberfläche lenkt durch ihre geometrische Form den Schall eher ab, als dass sie ihn senkrecht zum Wandler zurück reflektiert. Dies lässt das Fehlerecho verkleinern und die Schallschwächung rasch ansteigen, was dazu führt, dass in der Praxis Poren noch weniger deutlich erkennbar sind als in den Laborversuchen zu sehen ist.

Weiterverarbeitung der gewonnenen Ergebnisse:

Trägt man die Ergebnisse in einer Liste zusammen, wie in Tabelle 3 für den Prüfkopf 5 mm in der Versuchsreihe Pore gemacht und setzt die Höhe des Fehlerechos in Bezug zu der Höhe des ersten Rückwandechos, so kann man aus den Ergebnissen ein Verhältnis ableiten, das einen Rückschluss auf die theoretisch detektierbare Porengröße zulässt. Das bedeutet, ein Verhältnis von Fehlerecho/Rückwandecho von 1,36 für diesen Prüfkopf ist gleich einem Poren- (Bohrungs-) durchmesser von 3 mm. Um die Aussagefähigkeit der Ergebnisse zu erhöhen, sollten in weiterführenden Untersuchungen Fehler an einer vorher geschweißten Schweißlinse eingebracht werden, so dass die Schwächung des Ultraschalls auch Einfluss auf das Ergebnis hat.

Prüfkopf.ø Bohrung.ø 1. Rückwandecho
in % Bildschirmhöhe
1.Fehlerecho in
% Bildschirmhöhe
Fehlerecho/Rückwandecho
5 4 35 98 2,80
5 3,5 58 88 1,52
5 3 72 98 1,36
5 2,5 80 25 0,31
5 2 83 25 0,30
5 1,5 86 3 0,03
5 1 80 0 0,00
Tab 3: In Bezugsetzung der Echos

6.2 Ergebnisse: Versuchsreihen DA-01 bis DA-04

Weiche, unlegierte Stähle (DA-01 und DA-02):
Bei der Einstufung eines Fehlers von der automatischen Bewertungshilfe in die richtige Fehlerklasse kam es zu Abweichungen bei einer manuellen Beurteilung.
Kleber wurden von der automatischen Bewertungshilfe gut erkannt. Nachgewiesen werden konnten eindeutige Kleber bei mehreren Verbindungen.
Wie sich auch schon in der Versuchsreihe mit künstlichen Fehlern bei der Pore gezeigt hat, waren Poren unter idealen Laborversuchen ab 1,5 mm gut nachzuweisen. Unter realen Bedingungen bestätigte sich, dass Poren, unabhängig von ihrer Größe, noch deutlich schwieriger oder gar nicht nachzuweisen sind.
Bei zu hohen Elektrodeneindrücken konnte überwiegend keine korrekte Befundung des Schweißpunktes durch die automatische Bewertungshilfe erfolgen. In Verbindung von zu starkem Elektrodeneindruck und der verschieden starken Ausprägung des Grobkorngefüges in der verbleibenden Verbindungsdicke wurden die Befunde IO, schlecht durchschweißt, lose und verbrannt nicht passend befundet.
Bei der Unterscheidung von einer schlecht durchschweißten zu einer kleinen Linse, hatte die automatische Bewertungshilfe Probleme. Die Ränder der Linse sind verklebt (kleiner Napoleonhut im US-Bild sichtbar) und somit für den Ultraschall durchlässig, in der Linsenmitte findet sich ein grobkörniges Gefüge. Der Schalldruck wird an den Linsenrändern, im Gegensatz zur Linsenmitte, nur sehr schwach gedämpft (lange Echofolge), in der Linsenmitte stärker, was letztlich insgesamt bei einer zu kleinen Linse zu der falschen Bewertung "schlecht durchschweißt" führt.
Verbrannte Linsen wurden nicht als solche von der automatischen Bewertungshilfe eindeutig erkannt.
US-Signale mit langer Echofolge wurden auch teilweise fehlinterpretiert (schlecht durchschweißt). Das Schliffbild zeigt eine IO-Verbindung. Aufgrund der extrem langen Schweißzeit bildet sich eine immer größer werdende Schweißlinse, die dann zu wachsen aufhört, wenn die hierfür benötigte Stromdichte zu gering ist. Wegen der langen Schweißzeit kann über einen längeren Zeitraum auch sehr schnell, sehr viel Wärme über die wassergekühlten Kupferelektroden abgeführt werden. Durch die dadurch entstehende rasche Abkühlung des Punktes entsteht feinkörniges Gefüge. Das feinkörnige Gefüge verursacht eine geringere Schallschwächung und somit eine Fehlinterpretation des Systems (schlecht durchschweißt) bei der als IO zu bewertenden Verbindung.

Höherfeste Stähle (DA-03 und DA-04):

Bei der Dreiblechverbindung wurde eine Probe nicht als Klebeverbindung identifiziert. Auch durch manuelle Auswertung dieses Signals kann nicht auf einen Kleber geschlossen werden. Bei der Versuchsreihe DA-04 konnte keine reproduzierbare Klebeverbindung bzw. Pore hergestellt werden. Ein Befund Kleber lag jedoch vor, dessen US-Charakteristik aber maßgeblich durch die mittige Pore und die unverschweißten Ränder der Linse herrührt.
Die gewonnenen Erkenntnisse aus den Versuchsreihen mit künstlich hergestellten Fehlern Pore und der der unlegierten, weichen Stähle setzen sich auch bei den höherfesten Stählen fort. Poren werden auch hier nur teilweise, oder gar nicht erkannt.
Bei zu hohen Elektrodeneindrücken konnte überwiegend keine korrekte Befundung des Schweißpunktes durch die automatische Bewertungshilfe erfolgen. In Verbindung mit zu starkem Elektrodeneindruck und der verschieden starken Ausprägung des Grobkorngefüges in der verbleibenden Verbindungsdicke wurden die Befunde IO, schlecht durchschweißt, lose und verbrannt nicht passend vergeben. Bei einer Verbindung wurden Oberflächenrisse im Schliffbild festgestellt. Diese konnten, wie vermutet, durch Ultraschallprüfung nicht erkannt werden.

Auch bei den höherfesten Dreiblechverbindungen (DA-03) ergaben sich unterschiedliche Ergebnisse zwischen dem Ultraschallsignal und dem Schliffbild bei den Fehlern kleine Linse und schlecht durchschweißt, wie sie auch bei den weichen, unlegierten Stählen zu finden sind. Die Begründung dieser Fehler ist analog zu den der weichen, unlegierten Stähle.

Die IO-Verbindungen bei DA-04 sowie charakteristische Beispiele der Fehlerarten, "schlechte Durchschweißung", "lose bzw. zu kleine Linse" sind bei den Zweiblechverbindungen alle von der automatischen Bewertungshilfe richtig erkannt worden, sofern der Elektrodeneindruck in dem vorgegebenen Toleranzbereich lag.

7. Schlussfolgerung

Es wird festgehalten, dass sich die Ultraschallprüfung zum Detektieren der typischen Fehlerarten bei Widerstandspunktschweißungen gut eignet. Unter Berücksichtigung der erwähnten Probleme bei der Detektierung von Poren und Rissen kann durch diese Prüfmethode eine prozesssichere Aussage über die Beschaffenheit des Schweißpunktes getroffen werden.
Reale Poren führen generell bei der Ultraschallprüfung zu einer starken Schallschwächung und kleinen Zwischenechos, wodurch das Signal manuell angepasst werden muss. Eine Kombination aus diesen zwei Interpretationen (starke Schallschwächung und Fehlerechos teilweise unter der Bewertungsschwelle) stellt die einzige Möglichkeit dar, die Poren als solche zu erkennen.
Es stellen die bei Widerstandspunktschweißungen zu beobachtenden Risse, aufgrund ihrer räumlichen Ausdehnung kein erkennbares Hindernis für die Ultraschallausbreitung dar und sind somit als Fehlerart nicht erkennbar.
Bei extrem langen Schweißzeiten konnte ein weiteres Phänomen beobachtet werden: Das feinkörnig entstandene Gefüge führte zu einer geringeren Schallschwächung als bei Widerstandspunktschweißungen allgemein üblich ist. Dies äußerte sich in längeren Echofolgen die bei IO-Verbindungen teilweise als schlechte Durchschweißung vom System interpretiert wurden.
Höhere Elektrodeneindrücke führen meist zu Rissen im Schweißpunkt. Sobald ein Hinweis auf zu geringe Verbindungsdicke vom System gegeben wird, hat die Bewertung anhand der gewonnenen Kenntnisse ausschließlich manuell zu erfolgen. Diese Aspekte müssen vom Prüfer zusätzlich berücksichtigt werden.

Beim Vergleich der Ergebnisse zwischen den weichen, unlegierten und den höherfesten Stählen konnte kein signifikanter Unterschied in Bezug auf die Ultraschallprüfung festgestellt werden. Die höhere Härte und Festigkeit der Schweißlinse bei höherfesten Stählen hat keinen Einfluss auf die für die Ultraschallprüfung relevanten Verfahrensparameter. Nach Eingabe der herkömmlichen Einstelldaten kann die Ultraschallprüfung von Widerstandspunktschweißungen an höherfesten Stahlblechen ohne Anpassung der Bewertungshilfe erfolgen. Genau wie bei den weicheren Stahlgüten muss bei dieser Art von Verbindung auf das sogenannte "züchten" des Signals und die gegebene Schallschwächung geachtet werden.
Die automatische Bewertungshilfe ist nur eine Hilfe für den Prüfer. Die Bewertung der Punkte ist auf jeden Fall manuell durchzuführen.

8. Literatur

  1. Thyssen Krupp Stahl AG. Höherfester Stahl für den Automobil-Leichtbau. Thyssen Krupp Stahl Werbung. Best.-Nr. 2045; August 1999.
  2. VOEST-ALPINE STAHL AG. Kompendium zum interaktiven Programm "Abenteuer Stahl". CD-Publikation der VOEST-ALPINE STAHL AG; 2000.
  3. ULSAB-AVC Consortium. Technical Transfer Dispatch #6 ULSAB-AVC Body Structure Materials; May 2001. http://www.steel.org/autosteel/pdfs/avc_ttd6.pdf
  4. Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH) Institut für virtuelle Produktion. Skript Werkstoffe IIa, Kap 12: 233 ff.
  5. Kaminski R. Die Ultraschallprüfung von Punktschweißverbindungen an beschichteten Stahlfeinblechen und Optimierung der Schweißparameter. Krautkrämer - Sonderdruck. Nr. SD 296

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