DE19957790C1 - Schweissprüfverfahren und -vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schweißprüfverfahren zu schaffen, das die Charakterisierung der Schweißeignung von metallischen Konstruktionswerkstoffen unabhängig vom eingesetzten Schweißverfahren ermöglicht. Das Verfahren soll insbesondere für die Prüfung von Schweißkonstruktionen auf der Basis von Al-Legierungen geeignet sein. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Probe (1) vor, während oder nach Abschluß der im Prüfverfahren an den beiden Probenhälften (2 und 3) vorgenommenen Schweißung in der Stärke definierten, externen Zug- und Druckbelastungen ausgesetzt ist, die in der Probe (1) lotgerecht zur Schweißnaht (4) wirken und im Startbereich (5) der Schweißung einen Zugspannungsbereich (7) und im Endbereich (6) der Schweißung einen Druckspannungsbereich (8) erzeugen. DOLLAR A Die Erfindung findet Anwendung bei Schweißprüfverfahren, die mittels einer definierten Schweißung an einer Probe, bestehend aus zwei Probenhälften, die gegebenenfalls auch schon vor der Durchführung des Prüfverfahrens zusammengeschweißt sein können, und einer definierten, externen mechanischen Belastung der Probe ausgesetzt sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schweißprüfverfahren mittels einer definierten Schweißung an einer Probe, bestehend aus zwei Probenhälften, die gegebenenfalls auch schon vor der Durchführung des Prüfverfahrens zusammengeschweißt sein können, und einer definier­ ten, externen mechanischen Belastung der Probe, insbesondere für Aluminium-Legierun­ gen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1; sowie eine Schweißprüfvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Für die Realisierung von anspruchsvollen Schweißkonstruktionen braucht man Werkstoffe mit nachgewiesener guter Schweißeignung. So sollen die zu verschweißenden Werkstoffe einen hohen Widerstand gegenüber der Bildung von Rissen im Schweißgut und in dem vom Schweißen beanspruchten Grundwerkstoff haben. Man unterscheidet zwischen Heißrissen - die während oder direkt nach der Erstarrung im noch heißen Schweißgut entstehen -, Kaltrissen - die mit deutlichem Zeitversatz sowohl im Schweißgut als auch im Grundwerkstoff auf Grund sensibilisierter Werkstoffzustände, wie eine H2-Versprödung, falsche Wärmebehandlung, behinderte Schrumpfung bzw. konstruktionsbedingte Spannungskonzentration entstehen - und Aufschmelzrissen in bereits erstarrtem Schweißgut oder in der Wärmeeinflußzone des Grundwerkstoffes. Die Definitionen dieser Begriffe, die im Zusammenhang mit der Thematik "Schweißeignung von metallischen Werkstoffen" relevant sind, ist beispielsweise den Merkblättern des Deutschen Verbandes für Schweißtechnik (DVS 1004-1, DVS 1004-2, DVS 1004-3) zu entnehmen.

Die Überprüfung der Schweißeignung wird an realen Bauteilen oder bauteilähnlichen Proben durchgeführt und ist deshalb sehr Zeit- und kostenintensiv; aber oft der einzigste Weg, um verläßliche Resultate und Aussagen zu bekommen. Die Prüfung an realen Bauteilen oder bauteilähnlichen Proben ist erforderlich wegen des sich im geschweißten Bauteil gegenseitig beeinflussenden Werkstoff und Verspannungszustandes.

Es gibt bei den Schweißprüfverfahren die Verfahren mit selbstbeanspruchten Schweiß­ proben zur Überprüfung der Heißrissneigung - z. B. die Fischgrätenprobe, wie z. B. in dem Artikel von P. T. Houldcroft, "A Simple Cracking Test for Use With Argon-Arc Welding", British Welding Journal, Oktober 1995, Seiten 471-475 beschrieben. In diesen Verfahren wird die Eigensteifigkeit der Probe variiert - z. B. durch seitliche Einschnitte - wodurch beim Schweißen der Probe Zugeigenspannungen erzeugt werden, welche die mit dem Prüfverfahren zu detektierenden Heißrisse im Schweißgut erzeugen. Nachteilig an diesen Verfahren ist eine zu beobachtende starke Abhängigkeit der Ergebnisse von der gewählten Probengeometrie und von der Art des benutzten Schweißverfahrens. Darunter leidet die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse; oft werden auch die aus schweißtechnischer Erfahrung als für gut schweißbar gehaltenen Werkstoffe in diesen Prüfverfahren unerklärlicher Weise stark negativ beurteilt. Eine Trennung von metallurgischen und ver-fahrenstechnischen Einflüssen ist in diesen Verfahren kaum möglich.

Prüfverfahren mit fremdbeanspruchten Proben - wie z. B. der Varestraint-Test (VT), der modifizierte Varestraint-Test (MVT) oder der Heiß-Deformationsrate-Test (HDR-Test) erlauben zwar eine sehr gute Charakterisierung von Grundwerkstoffen, sind aber oft auf bestimmte Schweißverfahren festgelegt und nur sehr schwierig auszuwerten. Eine Korre­ lation mit Erkenntnissen aus der schweißtechnischen Praxis an realen Bauteilen ist in der Regel nicht möglich. Die direkte Weiterentwicklung von schweißtechnischen Fertigungs- und Reparaturkonzepten ist mit den bekannten Schweißprüfverfahren nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, sowohl ein Schweißprüfverfahren zu schaffen, das die Charakterisierung der Schweißeignung von metallischen Konstruktionswerkstoffen unabhängig vom eingesetzten Schweißverfahren ermöglicht, als auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Schweißprüfverfahrens bereitzustellen. Das Verfahren bzw. die Vorrichtung soll insbesondere für die Prüfung von Schweißkonstruktionen auf der Basis von Al-Legierungen geeignet sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Das erfindungsgemäße Schweißprüfverfahren beruht auf der Verwendung von fremdbe­ anspruchten Proben, die gleichzeitig einer definierten Zug- und Druckbeanspruchung ausgesetzt sind. Durch die definierbare Aufbringung von Zug- und Druckbeanspruchungen kann das Selektionsfenster für die Entstehung von Heißrissen vorteilhaft in seiner Nachweisempfindlichkeit an unterschiedliche Prüfziele angepaßt werden. So ist mit nur einer Prüfvorrichtung die Prüfung von Grundwerkstoffen, der Einfluß verschiedenster Schweißverfahren - z. B. Lichtbogen-, WIG-, MIG-, Plasma-, Laserstrahl- und Elektro­ nenstrahlschweißverfahren - möglich. Zusätzlich kann der Einfluß von Schweißzusatz­ werkstoffen - bezüglich der Menge, Art und Zuführung - auf die Schweißeignung unter­ sucht werden. Da die Zug-/Druckspannungen vor, während oder im Anschluß an die Schweißung in die Probe eingeleitet werden können, ist auch vorteilhaft eine Überprüfung der Reparatur-Schweißeignung bestimmter Werkstoffsysteme/Bauteile möglich.

Die erfindungsgemäße Schweißprüfvorrichtung mit zwei beweglichen Grundplatten zur Aufspannung je einer der Probenhälften und einer externen Krafteinleitung in die Grundplatten zeichnet sich dadurch aus, daß die Grundplatten in der Schweißprüfvorrichtung an Drehlagern beweglich gelagert sind, daß diese Drehlager zum Druckspannungsbereich der aufgespannten Probenhälften hin angeordnet sind und daß die Vorrichtung Mittel zum kontrollierten Auseinanderdrücken der Grundplatten im Zugspannungsbereich der Probenhälften aufweist.

Anhand der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung nachstehend näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt vereinfacht dargestellt einen Verlauf der mechanischen Spannungen in einer Probe und

Fig. 2 zeigt eine Schweißprüfvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die in Fig. 1 gezeigte Probe 1 besteht aus einer aus zwei Probenhälften 2 und 3 gefügten Probe, die in dem Prüfverfahren mittels einer definierten Schweißung an einer Schweiß­ naht 4 geprüft wird. In die Probe 1 sind während des Prüfverfahrens von außen ein Zugspannungsbereich 7 und ein Druckspannungsbereich 8 induziert, die erfindungsgemäß lotrecht zur Richtung der Schweißnaht 4 wirken. Das Aufbringen der Spannungen erfolgt vor, während oder nach Abschluß der im Prüfverfahren vorgenommenen Schweißung. Ein Aufbringen der Zug-/Druckspannungen nach Abschluß der Schweißung ist zur Induzierung von Kaltrissen bei der Überprüfung von Reparatur-Schweißungen geeignet.

Die in Fig. 1 gezeigten Probenhälften 2 und 3 können abweichend von der gezeigten Plattenform beliebige Ausgestaltungen aufweisen, die in ihrer konstruktiven Ausbildung voneinander abweichen können. Zur Aufbringung der Zug-/Druckbeanspruchungen werden die in Fig. 1 gezeigten Probenhälften 2 und 3 in einer Prüfvorrichtung auf auseinander drückbaren Grundplatten festgespannt, wozu in ihnen Durchgangslöcher 9 vorgesehen sind, durch welche die Festspannschrauben hindurchragen. Für das Fest­ spannen der Probenhälften stehen dem Fachmann beliebige andere Mittel zur Verfügung.

Die Schweißung wird grundsätzlich so ausgeführt, daß sie im induzierten Zugspan­ nungsbereich 7 beginnt und im Druckspannungsbereich 8 endet. Untersuchungen haben gezeigt, daß das Prüfergebnis beim Schweißen vom Druck- in den Zugspannungsbereich hinein weniger reproduzierbar ist.

Die Zugbeanspruchungen sind im Ausführungsbeispiel so in die Probe 1 eingeleitet, daß sie ausgehend von einer maximalen Zugspannung im Startbereich 5 der Schweißung in Richtung zum Endbereich 6 der Schweißung hin abnehmen. Die Druckbeanspruchungen sind so eingeleitet, daß sie ausgehend von einer maximalen Druckspannung im Endbe­ reich 6 der Schweißung in Richtung zum Startbereich 5 der Schweißung hin abnehmen. Dadurch entsteht zwischen dem Start- und Enbereich der Schweißung ein Übergang vom Zugspannungsbereich 7 in den Druckspannungsbereich 8. Abweichend von dem in Fig. 1 gezeigten linear abnehmenden Verläufen der Zug- und Druckbelastungen, ist die erfin­ dungsgemäße Lösung auch mit andersartig ausgebildeten Zugspannungsbereichen 7 und Druckspannungsbereichen 8 ausführbar, z. B. auch mit voneinander getrennten Span­ nungsbereichen ohne abnehmender Charakteristik.

Fig. 2 zeigt eine Schweißprüfvorrichtung zur Durchführung eines Schweißprüfverfahrens gemäß Fig. 1. Die Vorrichtung ist mit zwei beweglichen Grundplatten 10 und 11 zur Aufspannung je einer der Probenhälften 2 und 3 ausgerüstet. Die Anordnung der Grundplatten 10 und 11 ist derart, daß eine die darauf aufgespannten Probenhälften 2 und 3 verbindende Schweißnaht 4 in einer gedachten Verlängerung des Richtungspfeiles 17 liegt. Die Grundplatten sind in der Schweißprüfvorrichtung jeweils an einem Drehlager 12, 13 gelagert. Die Drehlager sind zum Endbereich 6 der auszuführenden Schweißung hin angeordnet. Weiterhin weist die Vorrichtung Mittel zum Auseinanderdrücken der Grundplatten 10 und 11 um die Drehlager 12 und 13 herum auf. Im Ausführungsbeispiel wird das Auseinanderdrücken mit einer von einem Hydraulikzylinder 20 im Sinne des Richtungspfeiles 17 angetriebenen Brücke 14, die im Sinne des Richtungspfeiles 17 abgewinkelte Schenkel aufweist, bewirkt. Die Schenkel sind jeweils über ein Drehlager 15, 16 mit einer der beiden Grundplatten verbunden. Die Drehlager 15, 16 sind in Rich­ tung der Schweißnaht von den Drehlagern 12, 13 beabstandet zum Startbereich hin auf den Grundplatten angeordnet, so daß das Auseinanderdrücken die Induzierung des Zugspannungsbereiches 7 im Startbereich 5 und des Druckspannungsbereiches 8 im Endbe­ reich 6 der Schweißung bewirkt.

Der Hydraulikzylinder 20 wird mittels einer handbetriebenen Hydraulikpumpe 18 betrie­ ben und die mit der Brücke 14 erzeugten Kraftkomponenten lotrecht zur Schweißnaht 4 werden mittels einer Kraftmeßdose 21 kontrolliert.

Mit der vorangehend beschriebenen Prüfvorrichtung lassen sich durch das Auseinander­ drücken der Grundplatten sehr gut Zug- und Druckspannungen lotrecht zur Schweißnaht 4 in die Probe einbringen. In Abhängigkeit von der Probendicke können im Startbereich 5 der Schweißung Zugspannungen erzeugt werden, welche die Streckgrenze des Proben­ materials überschreiten. Somit sind Prüfbedingungen in der Spanne zwischen einer riss­ freien Erstarrung und der Erzeugung eines ausgedehnten Risses innerhalb des Schweiß­ gutes mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auf dieser Prüfvorrichtung sehr gut zu variieren. Je höher die Zuspannung zu Beginn der Schweißung im Startbereich 5 ist, desto eher kann dort ein Heißriss entstehen, der dann entlang der Schweißnaht 4 dem Schweißprozess folgt. Somit sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zwei sich parallel ergänzende Kriterien zur Bestimmung einer Heißrissneigung anwendbar:

• 1. die Größe der Schwellast, bei der zum ersten Mal die Bildung eines Heißrisses beobachtbar ist - in der Regel ist dies ein kurzer Anriss - und
• 2. die Länge der Risse entlang der Schweißnaht, wenn die Last jenseits der Schwellast beim weiteren Schweißen der Probenhälften schrittweise erhöht wird.

Ein mögliches drittes Kriterium ist der Ort des sichtbaren Heißrisses, falls die Schweißung im Druckspannungsbereich begonnen wird und sich dann abhängig von der Last im Zugspannungsbereich ein Riß in der Schweißnaht bildet. Bei diesem Belastungsfall ist aber, wie schon oben erwähnt, die Reproduzierbarkeit des Prüfungsverfahrens beein­ trächtigt

Al-Legierungen mit sehr schlechter Schweißeignung zeigen bei Verwendung der erfin­ dungsgemäßen Lösung schon bei Aufbringung einer sehr geringen Vorlast oder allein durch die bei der Schweißung in der Probe wirkenden Aufspannkräfte die Ausbildung eines starken Heißrisses, der sich entlang der Schweißnaht 4 fortpflanzt; nachfolgend wird mit dem Begriff "Vorlast" die extern auf die Grundplatten wirkende Kraft zum Auseinanderdrücken beider Grundplatten abgekürzt bezeichnet. Diese Vorlast ist die an der Kraftmessdose 21 gemessene Kraft.

Al-Legierungen mit einer bedingten Schweißeignung benötigen eine leichte Vorlast zur Ausbildung eines Risses, während gute bis sehr gut schweißbare Al-Legierungen mit einer entsprechend höheren Vorlast beaufschlagt werden müssen, damit ein Heißriss entsteht.

Nachfolgend wird die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Überprüfung von geeigneten Schweißwerkstoff-Paarungen beschrieben; z. B. bei der Untersuchung einer nicht schweißbaren AlMgSiCu-Legierung, die durch Verwendung eines Schweiß­ zusatzwerkstoffes AlSi 12 und Durchführung eines Laserstrahlverfahrens unter Helium schweißbar wird.

Für die Überprüfung der vorgenannten Werkstoff-Paarung werden 200 mm × 200 mm große Probenhälften mit einer Dicke von 2 mm eingesetzt und das Laserstrahlschweißen erfolgt mittels eines Nd-YAG-Lasers mit einer Strahlleistung von 2000 W, einem Strahl­ fokus-Durchmesser von 0.2 mm und einer Schweißgeschwindigkeit von ca 3 m/min. Der Schweißzusatzwerkstoff AlSi12 - mit einem Drahtdurchmesser von 1,2 mm - wird mit einer Geschwindigkeit von 1,5 m/min zugeführt.

Eine durchgeführte Prüfung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ergab unter den vorgenannten Bedingungen in der Probe bei Aufbringung einer Vorlast von 8 kN einen langen Heißriss, der sich fast über die gesamte Probenlänge erstreckt, wenn die Schweiß­ ung vergleichsweise ohne Zufuhr des Schweißzusatzwerkstoffes ausgeführt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren bestätigt damit die bekannte schlechte Schweißeignung dieser Al-Legierung.

Bei Zufuhr des vorgenannten Schweißzusatzwerkstoffes und derselben Vorlast von 8 kN wird die dieselbe Probe nun vollständig ohne die Ausbildung eines Heißrisses geschweißt.

Durch eine Erhöhung der Vorlast kann das Selektionsfenster des Prüfverfahrens so angepaßt werden, daß ein auswertbarer Heissriß entsteht. Bei Erhöhung der Vorlast auf 9 kN führt bei sonst gleichen Bedingungen die Schweißung mit Schweißzusatzwerkstoff zu einem Heißriss von etwa 30 mm Länge und eine weitere Erhöhung auf 11 kN führt zu einer Heißrisslänge von etwa 100 mm.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ließe sich beispielsweise nach einer eventuellen Anpassung der Vorlast überprüfen, ob z. B. bei ansonsten gleichbleibenden Prüfbedin­ gungen eine Erhöhung der Schweißzusatzstoffmenge zu einer Reduzierung der Heißriss­ neigung führt. Für eine Überprüfung derartiger Änderungen an den Schweißparametern ist das erfindungsgemäße Verfahren wegen seiner über die Vorlast einfachen Einstellung seines Selektionsfensters hervorragend geeignet.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf eine Ausführung auf der vorangehend beschriebenen Prüfvorrichtung beschränkt. Der Fachmann kann ohne erfinderisch tätig werden zu müssen den Zugspannungsbereich 7 und den Druckspannungsbereich 8 auch mit anderen Mitteln als der angewinkelten Brücke 14 und den Drehlagern 12 und 13 in die Probe 1 einleiten; z. B. mittels lokal auf die Grundplatten wirkenden Druckstempeln und Zugelementen. Auch ist die manuelle hydraulische Krafteinleitung beliebig gegen andere Krafteinleitungen austauschbar.

Claims (8)

1. Schweißprüfverfahren mittels einer definierten Schweißung an einer Probe, bestehend aus zwei Probenhälften, die gegebenenfalls auch schon vor der Durchführung des Prüf­ verfahrens zusammengeschweißt sein können, und einer definierten, externen mecha­ nischen Belastung der Probe, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe (1) vor, während - oder nach Abschluß der im Prüfverfahren an den beiden Probenhälften (2 und 3) vorge­ nommenen Schweißung in der Stärke definierten, externen Zug - und Druckbelastungen ausgesetzt ist, die in der Probe (1) lotrecht zur Schweißnaht (4) wirken und im Startbe­ reich (5) der Schweißung einen Zugspannungsbereich (7) und im Endbereich (6) der Schweißung einen Druckspannungsbereich (8) erzeugen.

2. Schweißprüfverfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren vorzugsweise zur Untersuchung der Schweißeignung von Leichtmetallwerk­ stoffen wie z. B. Al-Legierungen Verwendung findet.

3. Schweißprüfverfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zugspannungsbereich (7) ausgehend vom Startbereich (5) und der Druckspannungs­ bereich (8) ausgehend vom Endbereich (6) einen in etwa linear abnehmenden Verlauf aufweisen.

4. Schweißprüfverfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Probenhälften (2 und 3) originale Bauteilhälften eines zu untersuchenden, bereits geschweißten Schweißbauteiles verwendet werden.

5. Schweißprüfverfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren durch eine feinstufige Anpassung der Zug- /Druckbelastungen zur Untersuchung der unterschiedlichen Wirkungen von verschiedenen Schweißverfahren und/oder Schweißzusatzwerkstoffen Verwendung findet.

6. Schweißprüfvorrichtung zur Durchführung eines Schweißprüfverfahrens nach Patentanspruch 1 mit zwei beweglichen Grundplatten zur Aufspannung je einer der Probenhälften und einer externen Krafteinleitung in die Grundplatten, dadurch gekennzeich­ net, daß die Grundplatten (10 und 11) in der Schweißprüfvorrichtung an Drehlagern (12 und 13) beweglich gelagert sind, daß diese Drehlager (12 und 13) zum Druckspan­ nungsbereich (8) der aufgespannten Probenhälften hin angeordnet sind und daß die Vorrichtung Mittel zum kontrollierten Auseinanderdrücken der Grundplatten (10 und 11) im Zugspannungsbereich (7) der Probenhälften aufweist.

7. Schweißprüfvorrichtung nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatten (10 und 11) hydraulisch mittels einer mit einer handbetriebenen und von einer Kraftmessdose (21) kontrollierten Hydraulikpumpe (18) auseinandergedrückt werden.

8. Schweißprüfvorrichtung nach Patentanspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatten (10 und 11) über eine angewinkeltete Brücke (14) auseinandergedrückt werden, deren Schenkelendpunkte über Drehlager (15 und 16) mit den Grundplatten (10 und 11) verbunden sind und an deren Mittelpunkt die Krafteinleitung zum Auseinander­ drücken erfolgt.