Schweißnahtprüfung: Prüfverfahren und Automatisierung
Die Schweißnahtprüfung ist ein zentrales Element der Qualitätssicherung in der Schweißtechnik. Durch verschiedene Prüfverfahren können Schweißnahtfehler wie Risse oder Bindefehler in Schweißverbindungen identifiziert werden. Das neue Prüfpaket zur Schweißnahtkontrolle in der Software ZEISS INSPECT sorgt für eine automatisierte und standardisierte zerstörungsfreie Prüfung von Schweißnähten. Zusammen mit dem handgeführten ZEISS T-SCAN hawk 2 können ausgewählte Scandaten mit maximalem Komfort ausgewertet werden.
Was ist eine Schweißnahtprüfung?
Mit der Schweißnahtprüfung wird die Qualität der Schweißnähte eines Bauteils geprüft. Diese Qualitätskontrolle ist besonders wichtig, um sicherzustellen, dass die Schweißnähte fest sind und der Belastung im späteren Alltagsgebrauch standhalten. Fehler oder Unregelmäßigkeiten in den Schweißverbindungen, wie zum Beispiel Risse, Poren, Lunker, Fremdeinschlüsse, eine unvollständige Durchschweißung oder Abweichungen von Form und Maßen, können durch die Schweißnahtprüfung direkt identifiziert und bewertet werden.
Wie kann man Schweißnähte prüfen?
Um Schweißnähte zu prüfen, gibt es verschiedene Prüfverfahren, die sich grob in zerstörungsfreie und zerstörende Prüfungen aufteilen lassen. Um die Oberfläche einer Schweißnaht einer zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) zu unterziehen, kommt die Sichtprüfung, Farbeindringprüfung, Wirbelstromprüfung oder Magnetpulverprüfung zum Einsatz. Fehler im Inneren einer Schweißverbindung können zerstörungsfrei mit Röntgenstrahlen oder Ultraschall identifiziert werden.
Bei zerstörenden Prüfverfahren für Schweißnähte wird das Bauteil zumindest beschädigt, wenn nicht sogar ganz zerstört, um die Qualität der Schweißnaht zu bewerten und Schweißnahtfehler aufzudecken. Die Schweißverbindungen werden dabei verschiedenen Prüfungen unterzogen, zum Beispiel dem Zugversuch, der Härteprüfung, Biegeprüfung oder Korrosionsprüfung. So können Eigenschaften wie Härte, Langlebigkeit oder Zugfestigkeit ermittelt werden. Zerstörende Prüfverfahren werden häufig bei Testobjekten und Erstmustern eingesetzt. In der Serienproduktion wird die zerstörungsfreie Prüfung von Schweißnähten verwendet.
Zerstörungsfreie Prüfverfahren beim Schweißen
Sichtprüfung
Bei der visuellen Prüfung von Schweißnähten wird die Schweißnahtkontrolle mit bloßem Auge und einigen Hilfsmitteln wie einer Lupe, einem Endoskop oder einer Kamera durchgeführt. Offensichtliche Fehlstellen oder Abweichungen in Form und Größe können so direkt erkannt werden.
Lasertriangulation
Diese Methode nutzt Laserpunkte oder -linien sowie Kameras mit Sensoren, um die Oberflächengeometrie der Schweißnaht zu erfassen. Durch die Auswertung des reflektierten Lichts und der Winkel, in denen es auf die Sensoren trifft, können Geometriefehler wie Unebenheiten oder Verformungen in der Schweißnaht identifiziert werden. Die Technologie erlaubt eine schnelle und präzise Bewertung der Nahtqualität.
Interferometrie
Diese hochpräzise Methode verwendet die Interferenz von Lichtwellen, um kleinste Unregelmäßigkeiten und Veränderungen in der Oberflächentopografie der Schweißnaht zu erkennen. Durch das Überlagern von gespaltenen und wieder zusammengeführten Lichtwellen entsteht ein Interferenzmuster, das genaue Rückschlüsse auf eventuelle Oberflächenfehler zulässt. Diese Technik eignet sich besonders für sicherheitskritische Anwendungen, die höchste Qualitätsstandards erfordern.
Digitale Bildverarbeitung
Mit hochauflösenden Kameras und entsprechender Software können automatisierte Prüfverfahren zur Qualitätskontrolle und Bewertung der Schweißnähte entwickelt werden.
Magnet-pulverprüfung
Risse in Oberflächen können erkannt werden, indem das Bauteil magnetisiert und Magnetpulver auf die Schweißnaht aufgetragen wird. Fehlstellen wie Bindefehler erzeugen geringe Streufelder an der Oberfläche, an denen sich das Magnetpulver sammelt.
Farb-eindringprüfung
Bei dieser Schweißnahtkontrolle wird ein farbiges Prüfmittel auf die Schweißnaht aufgetragen, das sich in Rissen festsetzt und diese so sichtbar macht.
Wirbelstromprüfung
Mit dieser Schweißnahtprüfung können sowohl Oberflächen- als auch Unterflächenfehler entdeckt werden. Schweißnahtfehler verändern den Fluss von Magnetströmen, was durch spezielle Prüfgeräte erfasst und interpretiert wird.
Ultraschallprüfung
Mit Ultraschall können Unregelmäßigkeiten und Fehlstellen im Material erkannt werden. Bei der Ultraschallprüfung sendet ein Ultraschallsensor Schallwellen in das Material, die an Fehlstellen reflektiert oder absorbiert werden. Durch die Analyse der zurückkehrenden Wellen können sowohl Oberflächen- als auch innere Unregelmäßigkeiten präzise erkannt werden.
Röntgenprüfung
Diese Methode nutzt Röntgenstrahlen, um das innere Gefüge der Schweißnaht zu durchleuchten. Abweichungen im Material, wie beispielsweise Poren oder Einschlüsse, absorbieren die Röntgenstrahlen unterschiedlich und erscheinen daher als Kontraste auf dem Röntgenbild.
Zerstörende Prüfverfahren beim Schweißen
Härteprüfung
Diese Schweißnahtprüfung misst den Widerstand des Materials gegen das Eindringen eines festen Körpers, um die mechanischen Eigenschaften der Naht zu bewerten.
Zugversuch
Bei diesem Verfahren zum Prüfen von Schweißnähten wird das Bauteil so lange gedehnt, bis es an der Schweißnaht auseinanderbricht. So kann die Belastbarkeit und die Festigkeit der Naht bestimmt werden.
Biegeversuch
Im Biegeversuch wird das Bauteil Schritt für Schritt gebogen, bis es an der Schweißnaht Dadurch kann die Qualität und die Eigenschaften der plastischen Verformung abgeleitet werden.
Korrosionsprüfung
Bei dieser Überprüfung von Schweißnähten wir die Beständigkeit der Schweißverbindungen in korrosiven Umgebungen getestet. Dabei kann das Bauteil einem Salzsprühnebeltest, einem Tauchtest, Kondensation, Elektrochemie, hohen Temperaturen und Druck oder ähnlichem ausgesetzt werden.
Automatisierte vs. manuelle Sichtprüfung von Schweißnähten
Schweißnähte auf Fehler zu prüfen ist immens wichtig, denn fehlerhafte Schweißnähte führen zu beschädigten Teilen oder im schlimmsten Fall zum Ausfall ganzer Schweißkonstruktionen. Das kann ein hohes Sicherheitsrisiko für Mensch und Umwelt bedeuten. Daher sind viele Branchen verpflichtet, Schweißnahtprüfungen durchzuführen. Je nach Prüfverfahren und Schweißkonstruktion gelten unterschiedliche Normen, welche die Qualität der Schweißverbindungen und der Schweißverfahrensprüfungen sicherstellen.
Für eine der wichtigsten und in der Regel auch ersten Prüfungen von Schweißnähten, die Sichtprüfung, gilt die DIN EN ISO 13018. Wie der Name schon vermuten lässt, wird dabei die Oberfläche der Schweißnaht von ausgebildetem Fachpersonal genaustens unter die Lupe genommen. Offensichtliche Abweichungen in der Form, den Maßen und der Oberflächenstruktur können so direkt erkannt werden. Für die Sichtprüfung der Schweißnähte sind jedoch einige Herausforderungen zu meistern. Die Schweißverbindung muss nach der ISO-Norm ausreichend mit mindestens 500 Lux beleuchtet sein. Allerdings sind die Räume, in den geprüft wird, nicht immer hell genug beleuchtet und die Schweißnähte befinden sich oft in schwer zugänglichen Bereichen des Bauteils. Daher kommen häufig Taschenlampen zum Einsatz. Hinzu kommen einige manuelle Messgeräte wie Messschieber, Dreimaßstäbe und Nahtlehren. Die genommenen Maße werden am Ende mit den Zulässigkeitskriterien der vorgeschriebenen Norm zur Schweißverfahrensprüfung verglichen. Viele manuelle Schritte – hohes Fehlerpotenzial. Der Zeitaufwand ist vor allem bei schwer zugänglichen Schweißnähten enorm und auch das fehlende digitale Prüfprotokoll der Sichtprüfung von Schweißnähten erschwert die Nachvollziehbarkeit und Nachkontrolle bei zukünftigen Fehlern. Eine automatisierte Schweißnahtprüfung könnte hier die optimale Lösung bieten. Doch lassen sich diese Verfahren zum Prüfen von Schweißnähten überhaupt automatisieren und standardisieren?
Mit ZEISS die Qualitätssicherung von Schweißnähten maximieren
Diese Frage hat sich auch die Stahlotec GmbH gestellt und kam damit auf das Team von #HandsOnMetrology, unserem 3D-Scanning-Netzwerk, zu. Gemeinsam haben wir das neue Software-Funktionspaket „Weld Check“ (Schweißnahtprüfung) entwickelt. Dieses ermöglicht die automatisierte Schweißnahtprüfung nach DIN EN ISO 5817 durch den Einsatz von 3D-Scanning und der Prüfsoftware ZEISS INSPECT. Diese Norm wird für die Qualitätsbewertung von Schweißverbindungen an Stahl, Nickel, Titan und deren Legierungen herangezogen. Mit dem handgeführten ZEISS T-SCAN hawk 2 können sowohl ganze Bauteile als auch kleinere Teilstücke vollumfänglich gescannt werden – inklusive aller Schweißnähte. Auf diese Weise werden die Bauteile in wenigen Sekunden digitalisiert und stehen als 3D-Modell für die Auswertung in der Prüfsoftware ZEISS INSPECT bereit. Abweichungen von den Sollwerten werden durch die neue „Weld Check“-Funktion von der Software erkannt und anhand der eingestellten Toleranzen bewertet. So können auch Schweißnähte an schwer zugänglichen Stellen zuverlässig geprüft werden.
Mit der Kombination aus dem 3D-Scansystem und der Funktion zur Schweißnahtprüfung in der ZEISS INSPECT Software ist eine automatisierte Sichtprüfung von Schweißnähten an jedem beliebigen Bauteil möglich, unabhängig von Größe und Form. Die Anwendung ist einfach und unkompliziert. Das Bauteil, an dem sich die zu prüfenden Schweißnähte befinden, wird mit dem handgeführten T-SCAN hawk 2 vermessen. Danach erfolgt das Laden der Scandaten in die ZEISS INSPECT Software. Nun folgt die eigentliche Prüfung der Schweißnähte. In der Software wird eine einfache Kurve verwendet, um die zu prüfende Schweißnaht auszuwählen. Anschließend kann eine beliebige Anzahl von Abschnitten definiert werden, z. B. alle in einem Abstand von 10 mm. Diese Abschnitte können dank der neuen Zusatzfunktion „Weld Check“ ausgewertet werden. Alle Merkmale der DIN-Norm 5817 sind dort automatisch hinterlegt und werden nicht nur per Mausklick geprüft, sondern auch direkt in die entsprechenden Bewertungskategorien B, C oder D eingeordnet. Grün bedeutet erfüllt, orange zeigt an, dass die Schweißnaht gerade noch innerhalb der Toleranz liegt und rot bedeutet, dass sie die Kriterien nicht erfüllt.
Bei der Prüfung der einzelnen Merkmale können mit ZEISS INSPECT separate Berichte oder auch eine Gesamtprotokollierung aller Merkmale der visuellen Prüfung von Schweißnähten erstellt werden. Dies ermöglicht eine digitale Dokumentation aller durchgeführten Sichtprüfungen mit Erstellung von Prüfprotokollen von jeder Schweißnaht. Ist eine Referenz in der Software hinterlegt, beispielsweise ein CAD-Modell oder ein 3D-Scan, kann auch die Lage und Vollständigkeit der Schweißnähte überprüft werden. So kann der Musterscan als Vorlage gespeichert werden und als Maßstab für die Serienprüfung dienen.