Ermittlung von Schweißverfahrensfehlern durch Härteprüfung

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1 25. testxpo Fachmesse für Prüftechnik bei ZWICK in Ulm Ermittlung von Schweißverfahrensfehlern durch Härteprüfung Dr. S. Klaus,

2 SLV Berlin-Brandenburg Die erste Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt in Deutschland: gegründet 1927 Aus- und Weiterbildung Qualitätssicherung Werkstofftechnik Forschung und Entwicklung Buchhaltung Fachbereiche

3 Werkstofftechnik Farbeindringprüfung am Kreuz des Berliner Doms (Mobile) Zerstörungsfreie Prüfung Röntgenprüfung von Wasserleitungen Endoskopie von Kastenprofilen in der Domkuppel oder an rollendem Material

4 Werkstofftechnik Zerstörende Werkstoffprüfung Chemische Analytik (OES) Zugversuche, Härteprüfung, Kerbschlagbiegeversuch: bis -60 C Metallographie

5 Härteprüfung Verfahren Grundwerkstoff Schweißverbindung DIN EN ISO : Härteprüfung nach Vickers DIN EN ISO : Härteprüfung nach Vickers Prüfung und Kalibrierung der Prüfmaschinen DIN EN ISO : Härteprüfung an Lichtbogenschweißverbindungen DIN EN ISO : Mikrohärteprüfung an Schweißverbindungen DIN EN ISO : Härteprüfung nach Vickers Tabellen zur Bestimmung der Härtewerte DIN EN ISO : Härteprüfung nach Vickers Kalibrierung von Härtevergleichsplatten Quelle: ZWICK GmbH&Co.KG

6 Härteprüfung an Schweißverbindungen HÄRTEPRÜFUNG an SCHWEISSVERBINDUNGEN Nahtart: Prüfung von: Norm: Stumpfnaht Härtereihen in Grundwerkstoff, WEZ und Schweißgut Prüfung nach DIN EN ISO Härtereihe 2 mm max. Grundwerkstoff Schweißgut WEZ - schmal WEZ - breit GSI Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh, NL SLV Berlin-Brandenburg

7 Härteprüfung an Schweißverbindungen HÄRTEPRÜFUNG an SCHWEISSVERBINDUNGEN Nahtart: Prüfung von: Norm: Stumpfnaht Einzeleindrücken in GW, WEZ und Schweißgut Prüfung nach DIN EN ISO Grundwerkstoff WEZ Schweißgut GSI Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh, NL SLV Berlin-Brandenburg

8 Härteprüfung an Schweißverbindungen HÄRTEPRÜFUNG an SCHWEISSVERBINDUNGEN Nahtart: Prüfung von: Norm: Kehlnaht Härtereihen in Grundwerkstoff, WEZ und Schweißgut Prüfung nach DIN EN ISO Härtereihe Grundwerkstoff 2 mm max. Schweißgut WEZ GSI Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh, NL SLV Berlin-Brandenburg

9 Härteprüfung an Schweißverbindungen HÄRTEPRÜFUNG an SCHWEISSVERBINDUNGEN Nahtart: Prüfung von: Norm: Kehlnaht Einzeleindrücken in GW, WEZ und Schweißgut Prüfung nach DIN EN ISO Grundwerkstoff WEZ mm max. Schweißgut 4 GSI Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh, NL SLV Berlin-Brandenburg

10 Schmelzschweißverbindungen und ihr Grundaufbau Charakteristische Bereiche einer Schmelzschweißverbindung metallischer Werkstoffe: Schweißgut Aufschmelzzone Wärmeeinflusszone einlagig / mehrlagig Verbindungszone zwischen Schweißgut und Grundwerkstoff (auch Fusionszone genannt) Grundwerkstoff/Schweißgut neben der letzten Schweißraupe, durch Schweißwärme verändert

11 Temperatur in C Aufbau einer Schweißverbindung im System Fe-Fe 3 C 1800 Beispiellegierung C Schmelze C 723 C G Ferrit + Perlit Austenit S Perlit + Zementit E Perlitlinie Zeit in s 0,15 0,8 2,06 Kohlenstoff in % A B C D E A B C D E

12 Aufhärtung durch Schweißen Schweißgut Aufschmelzzone Wärmeeinflusszone flüssig; Temperaturen > C breiig; Temperaturen ~ C Bereich einer möglichen Aufhärtung 4 Ende der Aufhärtung Temperaturen ~ 900 C Richtung der Wärmeableitung

13 Martensitausbildung in der Wärmeeinflusszone Ehemals ferritisch-perlitisches Gefüge der Wärmeeinflusszone. Durch den Schweißwärmeeinfluss hat sich Perlit zunächst in Austenit umgewandelt. Durch rasches Abkühlen ist aus diesem harter Martensit entstanden (kleine Härteeindrücke).

14 HV 1 Härteverlauf in einer Schweißverbindung schematisch HV nwe HV hwe niedriges Wärmeeinbringen - nwe - (z. B. LB) HV GW SG = GW + ZW höheres Wärmeeinbringen - hwe - (z. B. MSG) GW WEZ WEZ GW Ac 1,hWE Ac 1,nWE Ac 1,nWE Ac 1,hWE

15 Übergangstemperatur der Kerbschlagarbeit Härte Neigung zur Aufhärtung durch Martensitbildung Die Einflussgrößen auf den Schweißprozess sind so zu gestalten, dass ein optimaler Bereich von Härte und Zähigkeitseigenschaften eingestellt werden kann. extrem kurze Abkühlzeiten sehr große Härte und tiefe Übergangstemperatur t 8/5 -Zeit optimaler Bereich von Härte und Übergangstemperatur zu lange Abkühlzeiten geringe Härte und zu hohe Übergangstemperatur GSI - Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh (alle Rechte vorbehalten)

16 Abkühlzeitkonzept Berechnung der t 8/5 -Zeit Abkühlzeit bei zweidimensionaler Wärmeleitung ( dünne Bleche ) t Q / 5 F 2 d 500 T0 800 T ,3 T Abkühlzeit bei dreidimensionaler Wärmeleitung ( dicke Bleche ) t T0 Q 3 8 / 5 F 500 T0 800 T0 1 1 Q k U I 10 v -3 Parameter der Abkühlzeit t 8/5 Abkühlzeit C (s) d Blechdicke, Bauteildicke (mm) T 0 Vorwärmtemperatur ( C) F 2 Nahtfaktor (zweidimensionale WL) Q Wärmeeinbringen (kj/mm) F 3 Nahtfaktor (dreidimensionale WL) Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh (alle Rechte vorbehalten)

17 Abkühlzeitkonzept Einflüsse auf die mech. Eigenschaften Chemische Zusammensetzung des Grundwerkstoffs Bedingungen des Schweißprozesses Schweißprozess Schweißparameter Vorwärmtemperatur Nahtgeometrie k U, I, v T 0 F 2 + F 3 Abkühlzeit zwischen 800 und 500 C (t 8/5 -Zeit) Mechanisch-technologische Eigenschaften in der Grobkornzone der Wärmeeinflusszone der Schweißverbindung Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh (alle Rechte vorbehalten)

18 Normreihe DIN EN ISO Verfahrensprüfungen Werkstoffe 1 Lichtbogen- und Gasschweißen von Stählen und Lichtbogenschweißen von Nickel und Nickellegierungen 2 Lichtbogen- und Gasschweißen von Aluminium und seinen Legierungen 3 4 Schmelzschweißen von unlegierten und niedriglegierten Gußeisen Fertigungsschweißen von Aluminiumguss DIN EN ISO Teil 5 Lichtbogenschweißen von Titan, Zirkonium und ihren Legierungen 6 Lichtbogen- und Gasschweißen von Kupfer und seinen Legierungen 7 Auftragsschweißen

19 Normreihe DIN EN ISO Werkstoffe 8 Einschweißen von Rohren in Rohrböden 9 Nassschweißen unter Überdruck (zurückgezogen) Trockenschweißen unter Überdruck Elektronen- und Laserstrahlschweißen DIN EN ISO Teil 12 Widerstandspunkt-, Rollennaht- und Buckelschweißen 13 Pressstumpf- und Abbrennstumpfschweißen 14 Laserstrahl-Lichtbogen-Hybridschweißen von Stählen, Nickel und dessen Legierungen

20 Schweißrichtung Zerstörende Prüfungen im Rahmen einer Verfahrensprüfung Abfall Biegeproben, Zugprobe Kerbschlagbiegeproben, ggf. zusätzliche Proben Makroschliff, Härtepr. Abfall Biegeproben, Zugprobe

21 Kehlnaht mit Aufhärtungspotential Verfahrensprüfung: Schweißprozeß: MAG Stoßart/Nahtart: FW/sl Schweißposition: PB Werkstoff: S355J2+N Dicke: Gurt-60 mm Steg-20mm Zusatzwerkstoff: G3Si1 Vorwärmtemperatur: min. RT

22 Ergebnisse Härteprüfung ohne Vorwärmung HV10 Decklage GW WEZ Ü S Ü WEZ GW Final pass Wurzel Root pass Mitte Centre

23 Kehlnaht mit Aufhärtungspotential Verfahrensprüfung: Schweißprozeß: MAG Stoßart/Nahtart: FW/sl Schweißposition: PB Werkstoff: S355J2+N Dicke: Gurt-60 mm Steg-20mm Zusatzwerkstoff: G3Si1 Vorwärmtemperatur: 100 C

24 Ergebnisse Härteprüfung mit Vorwärmung HV10 Decklage GW WEZ Ü S Ü WEZ GW Final pass Wurzel Root pass Mitte Centre

25 Stumpfnaht mit Aufhärtungspotential Verfahrensprüfung: Schweißprozeß: MAG Stoßart/Nahtart: BW/ml Schweißposition: PA Werkstoff: S460NL Dicke: 20 mm Zusatzwerkstoff: G3Si1 Vorwärm- Temperatur: 110 C

26 Ergebnisse Härteprüfung ohne Vorwärmung HV10 Decklage GW WEZ Ü S Ü WEZ GW Final pass Wurzel Root pass Mitte Centre

27 Ergebnisse Härteprüfung mit Vorwärmung HV10 Decklage GW WEZ Ü S Ü WEZ GW Final pass Wurzel Root pass Mitte Centre

28 Stumpfnaht Verfahrensprüfung: Schweißprozeß: MAG Stoßart/Nahtart: BW/ml Schweißposition: PB Werkstoff: S700MC Dicke: 8 mm Zusatzwerkstoff: G69 6 M Mn4Ni1,5CrMo Vorwärm- Temperatur: min. RT

29 Ergebnisse Härteprüfung HV10 Decklage GW WEZ Ü S Ü WEZ GW Final pass Wurzel Root pass Mitte Centre

30 Ergebnisse Zugversuch Probe Sample Abmessung Dimension a [mm] b/d 0 [mm] Anforderung: DIN EN Requirement: S 0 [mm²] R eh [MPa] Streck-/ Dehngrenze Yield strength/proof stress R p0,2 [MPa] R p1,0 [MPa] Zugfestigkeit Tensile strength R m [MPa] Dehnung Elongation A [%] Einschnürung Reduction min Z [%] Z1 7,84 25,10 196, Z2 7,82 25,05 195, Z1E 7,82 25,02 195, Z2E 7,81 24,99 195, Probe Sample Bruchlage 1) Fracture position Befund 2) Conclusion Bewertung Result Z1 Ü -- ne Z2 Ü -- ne Z1E Ü -- ne Z2E Ü -- ne

31 Unzulässige Wärmebehandlung eines M-Stahles (S690M) Lieferzustand (M) geglüht bei 850 C / Luft C = 0,054 % Mn = 1,68 % Nb = 0,074 % R m = 790 MPa R p0,2 = 715 MPa A 5 = 11 % R m = 662 MPa R p0,2 = 410 MPa A 5 = 23 %

32 Härte HB Schweißtechnische Verarbeitung Entfestigung in der WEZ Werkstoff: EN AW-Al Mg1SiCu-T Die Entfestigung nimmt mit steigenden Wärmeeinbringen zu. Streckenenergie 530 J/cm 754 J/cm J/cm 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Abstand von der Schmelzlinie in cm

33 Kehlnaht mit Entfestigung Verfahrensprüfung: Schweißprozeß: MAG Stoßart/Nahtart: FW/sl Schweißposition: PB Werkstoff: S700MC Dicke: 8 mm Zusatzwerkstoff: G69 6 M Mn4Ni1,5CrMo Vorwärm- Temperatur: min. RT

34 Ergebnisse Härteprüfung HV10 GW WEZ Ü S Ü WEZ GW Decklage Final pass Wurzel Root pass Mitte Centre

35 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.