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Bewertung kritischer Befunde bei der Ultraschallprüfung an Schweißnähten mit Modellrechnungen
(2000)
Typische Probleme bei der Schweißnahtprüfung mit Ultrschall entstehen bei ferritischen Werkstoffen vor allem durch Anzeigen von der Nahtkontur, vor allem aus dem Wurzelbereich. Die klassischen Methoden der Unterscheidung formbedingter Anzeigen von Fehlern - z.B. durch Vergleich der A-Bilder von beiden Seten einer Stumpfnaht - können unterstützt werden durch die Modellierung derartiger Anzeigen im Zusammenhang mit hypothetischen Fehlern im wurzelnahen Bereich. Im Beitrag wird die Anwendung vereinfachender Modelle auf diese Problematik vorgestellt und an Beispielen demonstriert.
Besonders in beweglichen Weichenteilen, wie z.B. Zungen und beweglichen Herzstückspitzen ist die Detektion von Rissen, die zum Bruch des Bauteils führen können, von außerordentlicher Bedeutung. Wegen der komplizierten geometrischen Randbedingungen muß der Schienenprüfzug hier seinen Prüfkopfträger anheben. Aus diesem Grund werden diese Bereiche regelmäßig durch eine manuelle Ultraschallprüfung überwacht. Da auch sehr kleine Anrisse im Oberflächenbereich interessant sind, soll das bereits vorhandene Prüfverfahren durch ein Wirbelstrom-Handprüfsystem so erweitert werden, daß eine sichere Detektion in den gefährdeten Bereichen möglich ist. Aufbau und Wirkungsweise des Wirbelstrom-Handprüfsystems werden erläutert.
Die Betriebsüberwachung der Radscheiben von Schienenfahrzeugen kann besonders wirt-schaftlich durchgeführt werden, wenn die Prüfung im eingebauten Zustand erfolgen kann. Hierzu kann z. B. eine Oberflächenprüfung nach dem Wirbelstromverfahren eingesetzt werden. Als Optimierungskriterien für die Sondenkonstruktion werden eine sehr hohe Prüfempfindlichkeit gegenüber kleinen Rissfehlern und eine gute Handhabbarkeit bei erschwerter Zugänglichkeit der Prüffläche gefordert. Hierzu wurde eine neuartige Wirbel-stromprüfsonde entwickelt. Die Besonderheit besteht darin, dass der Nachweis von sehr kurzen Rissen bei einer gleichzeitig großen Sensorspurbreite möglich ist. Der Zeitaufwand für die Radscheibenprüfung wird damit gegenüber dem bisherigen Stand der Technik um 2/3 reduziert.
Das Streckennetz der Deutschen Bahn wird mit Hilfe eines Schienenprüfzuges ständig auf betriebsbedingte Schädigungen überwacht. Bisher wurde hier ausschließlich das Ultraschallprüfverfahren eingesetzt. In Ergänzung dazu könnte die Wirbelstromprüfung für den Nachweis und die Bewertung spezieller Oberflächenrisse - sog. Head Checks - erfolgreich und wirtschaftlich sinnvoll eingesetzt werden. Über Laboruntersuchungen, die die grundsätzliche Eignung dieser Prüftechnik zeigten, wurde bereits berichtet. Der nächste Entwicklungsschritt besteht in der praktischen Erprobung unter realen Einsatzbedingungen. Hierbei stellen die hohen Prüfgeschwindigkeiten von bis zu 28 m/s (entsprechend 100 km/h Fahrgeschwindigkeit des Prüfzuges) eine besondere Herausforderung dar. Es gibt zahlreiche Probleme zu bewältigen. Diese betreffen beispielsweise die Sondenführung, die Signalfilterung, die Datenerfassung und die Unterdrückung von Störeinflüssen. Über erste Erfahrungen wird berichtet.
The stability of microstructure and the microhardness of a NiCoCrAlY alloy was studied after thermal treatment at high temperatures and subsequent quenching into ice water. The alloy revealed mainly two ordered phases, a gamma' phase with L12 lattice structure and a beta phase with B2 structure. The gamma' phase is shown to become unstable in the temperature range between 1073 K and 1373 K where it undergoes an order-disorder phase transformation. The low transformation temperature compared to pure Ni3Al is ascribed to deviations from the Ni3Al stoichiometry and to the additional alloying elements Co and Cr. The gamma'-gamma order-disorder transformation is shown to be attended by a decrease in microhardness of about 30 %.
Neu entwickelte Gasturbinen werden im Prüffeld mit wechselnden Belastungen beaufschlagt. Dazu wird die Gasturbine mit einer Wasserreibbremse gekoppelt, mit der eine definierte Last erzeugt werden kann.
Ursprünglich war die Wasserreibbremse für eine bestimmte Leistung, die den früheren Leistungen der Gasturbine entsprach, ausgelegt worden. Die erste Prüfung fand im Jahr 1975 statt. Da neuere Gasturbinen wesentlich höhere Leistungen erbringen und die vorhandene Wasserreibbremse weiterhin eingesetzt werden sollte, musste eine Nachqualifizierung vorgenommen werden. Das Ziel war die Absicherung auf eine mögliche Sprödbruchgefahr.
Zunächst wurde eine Studie zur Prüfbarkeit erstellt. An speziellen Testkörpern wurden im Ultraschallabor der BAM Vorversuche zur Machbarkeit, zur Empfindlichkeitsein-stellung und zur Vorbereitung der Prüfung durchgeführt. Dazu wurden spezielle Gruppenstrahlerprüfköpfe gefertigt und ein an die komplizierte Geometrie der Bremsscheiben angepasster Manipulator gebaut. Ferner wurde, um die Prüfzeiten zu reduzieren, die Software zur Datenerfassung und zur Auswertung angepasst.
Im Werk Berlin der Siemens AG wurde in Zusammenarbeit mit der Siemens AG Erlangen eine Ultraschallprüfung mit der Gruppenstahlertechnik der Wasserreibbremse durchgeführt. Überprüft wurde das gesamte Volumen auf axial, radial und tangential beanspruchte Fehler in den Bereichen der Welle und der Bremsscheibe.Die Überprüfung ergab keine relevanten Fehler, so dass die Wasserreibbremse weiterhin eingesetzt werden kann.
Für die zerstörungsfreie Charakterisierung nichtmetallischer Werkstoffe hat sich das Verfahren der Röntgen-Refraktions-Topographie bewährt. Es handelt sich phänomenologisch um eine Technik der Röntgen-Kleinwinkel-Streuung mit Probekörper-Abtastung bei fest vorgewähltem Streuwinkel. Durch röntgenoptische Brechungseffekte sind innere Ober- und Grenzflächen, insbesondere Mikrorisse, auch unterhalb der licht-mikroskopischen Erkennbarkeitsgrenze, detektierbar. Die Höhe des Streusignals ist dabei proportional zur Gesamt-Grenzfläche im Streuvolumen. So werden z.B. gleichzeitig zahlreiche Risse quanmtitativ detektierbar, ohne daß sie einzeln auf der Ortsskala separiert sind. Da es sich hierbei um eine Durchstrahlungs-Technik handelt, überlagern die Strukturen zu einer Projektion, die - analog zu den radiographischen Verfahren - über die Wanddicke gemittelte innere Oberflächen abbildet.
Am Beispiel typischer Hochleistungswerkstoffe, wie SiC-Keramik und C-Faser Komposite (CFK) wird der Informationsgehalt der Röntgen-Refraktions-Topogramme diskutiert. Die Ergebnisse der Keramik-Untersuchung zeigen die unterschiedliche Porengrößenverteilung verschiedener Sinterstufen sowohl ortsaufgelöst als auch statistisch. Die Topogramme der CFK-Probekörper zeigen eine inhomogene Ortsverteilung der Rißdichte nach unterschiedlichen dynamischen Belastungen. Es ergibt sich eine hervorragende Korrelation der Rißdichte mit der Restfestigkeit. Die dargestellten Ergebnisse visualisieren die Anordnung von Grenzflächen und inneren Oberflächen, die sich für zahlreiche Hochleistungs-Werkstoffe, vor allem im Transportmittel-Leichtbau, als relevante Mikrostrukturen für das Versagens-Verhalten und die Werkstoff-Optimierung erweisen.
Eine Reihe nichtrostender austenitischer Cr-Ni-Stähle in der Nähe der eutektischen Rinne können beim Laserschweißen sowohl primär ferritisch als auch primär austenitisch erstarren. Speziell konzipierte Heißrißprüfungen zeigen eine Rißanfälligkeit der im Unterschied zum WIG-Schweißen mit großen Streckenenergien beim Laserschweißen mit kleinen Streckenenergien primär austenitisch erstarrenden Gefügebereiche. Die Ursache dafür ist, daß im Unterschied zu einer langsamen primär ferritischen Erstarrung bei einer schnellen Erstarrung über metastabile primär austenitische Zustände Restschmelzen entstehen können, die gegenüber dem Grundwerkstoff erhebliche temperaturabhängige Zähigkeitsverluste aufweisen. Es wird gezeigt, wie sich durch die Wahl auf den Werkstoff gezielt abgestimmter Schweißparameter die Heißrißsicherheit beim Laserschweißen weitestgehend sicherstellen läßt. Darüber hinaus werden Perspektiven vorgestellt, wie die Heißrißsicherheit bei Hybridschweißen durch die Auswahl vom Zusatzwerkstoffen und durch eine geeignete Prozeßführung zu erreichen ist.