Schweißtechnisches Praktikum

1.)

• Wärmeleitungsschweißen —> Schmelzen

• Tiefschweißprozess —> Verdampfen/Schmelzen

• Sublimationsschneiden —> Verdampfen

• Ultrakurzprozesse —> Sublimieren/Ioniesieren

gewünschter Schweißbereich:

• Wärmeleitungsschweißen - Tiefschweißprozess

2.)

27,3 Mrd. €

4,3%

• Hohe Festigkeit

• Massereduktion

• Automatisierbarkeit

• Formgestaltungsfreiheit

• Günstiger Kraftfluss

Schweißen ohne Aufwenden äußerer Kraft, wobei die Fügeflächen angeschmolzen werden müssen. Gewöhnlich, jedoch nicht notwendigerweise, wird geschmolzener Schweißzusatz zugeführt

Große Leistungsdichte -> schmale Aufschmelzzone

-> Geringere Leistungsdichten erfordern zwangläufig geringere Schweißgeschwindigkeiten

Schweißen, wobei ausreichend äußere Kraft aufgewendet wird, um an beiden Fügeflächen eine plas tische Verformung zu bewirken, im Allgemeinen ohne Zugabe von Schweißzusatz. Gewöhnlich, jedoch nicht notwendigerweise, werden die Werkstücke an den Fügeflächen erwärmt, um das Verbinden zu er möglichen oder zu erleichtern

Schweißbarkeit eines Bauteils besteht aus:

Schweißeignung Werkstoff:

• chemische Zusammensetzung

• metallurgische Eigenschaften

• physikalische Eigenschaften

Schweißsicherheit / Konstruktion:

• konstruktive Gestaltung

• Beanspruchungsart

• Betriebsbedingungen

Schweißmöglichkeit / Fertigung

• Nahtvorbereitung

• Ausführung

• Nachbehandlung

Wärmeleitfähigkeit:

Chrom-Nickel-Stahl 0,5

Baustahl 1

Aluminium 5

Kupfer 8

Wärmeausdehnung:

Chrom-Nickel-Stahl 1,5

Baustahl 1

Aluminium 2

Kupfer 1,6

→Schlechte Wärmeleitfähigkeit (λ → 0) führt zu langen Schmelzbadlängen wegen dem hohen Wärme stau.

• unlegierter Stahl

• niedriglegierter Stahl - mit Wärmebehandlung

• hochlegierter Stahl - legierungsabhängig, oft nur unter Schutzgas

• Gusseisen - Reparaturschweißungen, mit Wärmebehandlung und speziellen Zusatzwerkstoffen

• Aluminium - aufwendige Nahtvorbereitung, starker Verzug

• Sonderwerkstoffe - sehr aufwendige Nahtvorbereitung und -nachbehandlung

• In der weißen Zone

Noch mehr Fragen dazu?

• vorwärmen

• langsameres Abkühlen - bzw nachwärmen bei großen Dicken

• kleinere Blechdicken

• größere Festigkeiten

Vorbereitung:

• Säubern der Fügezone

• Wahl einer geeigneten Stoßart/Fugenform

• Wahl des Schweißverfahrens

• Vorwärmen Nachbereiten

Nachbereitung:

• Säubern der Naht

• Bearbeiten der Naht

• Richten der Bauteile

• Wärmebehandeln

→Normalisierung der Wärmeeinflusszone (Steigerung der Festigkeit in der Schweißzone)

→Abbau der Schweißeigenspannungen

→Minderung der Rissbildung

I-Naht

V-Naht

X-Naht

K-Naht

Kehlnaht

Das a-Maß ist gleich der Höhe des größten gleichschenkligen Dreiecks, das sich in den Nahtquerschnitt einer ausgeführten Schweißnaht ein zeichnen lässt.

für a:

• Kehlnaht: Höhe des Dreiecks

Grenzwerte:

• 2 mm ≤ a ≤ 0,7 ⋅ tmin.

• a ≥ √tmax. - 0,5

• amax = 30 mm

für l:

l ≥ 6⋅a und l ≥ 30 mm

—> A_W = SUMME(a*l)

→höhere Einbrandtiefe durch größere Spaltweiten und Öffnungswinkel

1.) PG

2.) PD

3.) PB

4.) PC

5.) PA

6.) PF

7.) PE

8.) PA

• Die Schweißnahtschrumpfung ist das Phänomen, bei dem sich eine Schweißnaht und das umgebende Material nach dem Abkühlen zusammenziehen.

• Längsschrumpfung

• Querschrumpfung

• WInkelschrumpfung

• EIgenspannungen oder Verzug

Grundlegende Hinweise:

•Schmelzvolumen und Wärmeein bringung reduzieren •Anpassen der Bauteilgeometrie

•Schweißnähte nach Möglichkeit in die Schwerachse des Bauteils legen

•Symmetrischen Aufbau anstreben

Vermeiden von Eigenspannungen:

•Versteifende Komponenten zuletzt schweißen •Symmetrisch von der Mitte nach außen schweißen

Vermeiden von Verzug:

•Versteifende Komponenten zuerst schweißen

•Hohe Blechdicken

• Ungenutzte Energie durch Wärmeleitung P_verlust

• Ungenutzte Energie durch Strahlung/Verdampfen/Reflexion P_r

—> P_Prozess = P_Absorb - P_Verlust - P_r

Wärmeausbreitung durch

• Gitterschwingungen (Dielektrikum)

• Impulsübertragung (Gase, Flüssigkeiten)

• Leitungselektronen (Metalle)

Konvektive Wärmeübertragung (Schmelze)

Temperaturgradient verursacht:

• Lokale Dichteunterschiede

• Unterschiedliche Oberflächenspannungen

1.)

• Diodenlaser (blaue Laserstrahlung) - 0,42µm —> 45%

• frequenzverdoppelter Scheibenlaser (grüne Laserstrahlung) - 0,5µm —> 42%

Für Wellenlängen, die größer als 1 µm sind, weisen Aluminium und Kupfer niedrige Absorptionsgrade auf.

2.)

• Eisen nimmt stetig ab. Bei blau und grün ähnlich gut wie Kupfer bei > µm sogar besser (37%)

• Aluminium hat durchgehend einen Absorptionsgrad < ~15%

Unter konventionellen Bedingungen ist zum Schweißen von Kupfer mehr Energie notwendig als für Baustahl.

Cu —> Fe —> Al —> Ti

1.) Konvektion:

Durch unterschiedliche Erwärmungsgebiete bilden sich Dichteunterschiede. Daraus resultiert eine Strömung, wobei die Flüssigkeit niedriger Dicht aufsteigt.

2.)

Der Effekt der Konvektion tritt wieder auf:

Bei Wärmeleitungs schweißen gegen den Uhrzeigersinn

Bei Tiefschweißprozess im Uhrzeigersinn

—>Entsteht durch die Scherspannung die aus dem Temperaturgradient an der Oberfläche stammt.

Die Strömung ändert sich in Abhängigkeit des Vorzeichens von dσ/dT

Der Effekt wird verstärkt durch:

• Prozessgase

• Einbringung oberflächenaktiver Elemente beeinflusst werden.

Eigenschaften:

• Aspektverhältnis: Schweißtiefe zu Nahtbreite ≤ 1

• sehr gute Nahtqualität (v. a. Nahtoberfläche)

• geringer Wärmeeintrag

• Schweißgeschwindigkeit ≤ 2 m/min

• Einschweißtiefen ≤ 2 mm

Anwendungsbereiche:

Folien- und Dünnblechbereich (bis 1,5 mm) z. B. Armaturen, Schweißen von Batteriefolien oder Leistungselektronik

Eigenschaften:

• hohe Strahlintensität ≥ 106 W/cm²

• Aufschmelzen und Verdampfung des Werkstoffes

• Eindrücken der Schmelzoberfläche durch den Dampfdruck

• Ausbildung einer Dampfkapillare in der Schmelze durch den Dampfdruck innerhalb weniger Millisekunden

• Reflexionen und Mehrfachabsorptionen des Laserstrahles innerhalb der Dampfkapillare

• Erhöhung der Energieeinkopplung

• hohe Aspektverhältnisse von bis zu 15:1

Anwendungsbereiche:

Großteil der Laserschweißprozesse (z. B. im Automobilbereich)

Funktion:

• Schutzgasatmosphäre, um Werkstoff/ Schweißgut vor Oxidation zu schützen

• Entfernung von Partikeln und Metalldampf aus dem Strahlgang • Unterdrückung der Plasmabildung

• Schutz der optischen Elemente

Verwendete Schutzgase:

• Stickstoff

• Argon

• Helium

• CO2

• kontaktloses Schweißen von Bauteilen bei großem Arbeitsabstand

• Optik mit großer Brennweite

• keine Zufuhr von Schutzgas oder Schweißzusatzstoffen über die Optik

• gute Zugänglichkeit auch zu schwer erreichbaren Schweißstellen

• Wärmeleitungs- und Tiefschweißprozess realisierbar

• Überlagerung der Schweißbewegung mit einer Strahloszillation, um das Schmelzbad zu stabilisieren und die Spaltüberbrückung zu verbessern

Schweißspritzer-detektion

Schmelzschweißverfahren:

• Autogenschweißen (G)

• Lichtbogenhandschweißen(E)

• Schutzgasschweißen (SG)

• Plasmaschweißen (WP)

• Elektronenstrahlschweißen (EB)

• Laserstrahlschweißen (LS)

Pressschweißverfahren:

• elektrisches Widerstandsschweißen (R) -elek. Energie

• Kaltpresschweißen (KP) - Kraft

• Reibschweißen (FR) - Kraft / Bewegungsenergie

• Ultraschallschweißen (US) - Schall / Bewegungsenergie

• Diffusionsschweißen (D) - Kraft / Wärme

Vorteile:

• hohe Nahtqualität, da Schmiedegefüge

• Schweißbarkeit allerAluminiumlegierungen (prinzipiell aller Metalle)

• kein Überschreiten der Schmelztemperatur

->keine Bildung von Heißrissen oder Poren

->geringer Wärmeverzug

• Mischverbindungen realisierbar

• geringe Nahtvorbereitung erforderlich

• kein Schutzgas notwendig

• kein Zusatzwerkstoff notwendig • robuster Prozess

Nachteile:

hohe Anpresskraft erforderlich (3 … 80 kN)

• steife Anlagentechnik zur Kraftaufnahme

• Negativform des Werkzeugs am Nahtende(Endloch)

• komplexe Werkzeugführung für 3D-Anwendungen

• aufwändige Spanntechnik erforderlich

Auf advancing und retreatin side achten

beste Zone - Nugget

gibt als erstes nach - Wärmeeinflusszone

Prozess:

- Anpresskraft F_z bzw. Eintauchtiefe E_T —> Kraft gereglt gut für industrie (bei unreinheiten) positionsgeregelt gut für parameterstudien

• Werkzeugdrehzahl 𝑛

• Verweilzeit nach dem Eintauchen

• Schweißgeschwindigkeit 𝑣

• Anstellwinkel des Werkzeuges 𝛼 (stechend) —> beser für werkstoffverdichtung durch eintauchen der Schulter

Werkzeug:

• Schulterform und -durchmesser

• Pinform und -länge —> fast ganze blechtiefe

• Werkzeugwerkstoff und -beschichtung

Schulterdurchmesser 3-3,6 mal so groß wie der Pindurchmesser

• zu hohe Axialkraft, zu hohe Drehzahl, zu großer Schulterdurchmesser oder Kombinationen daraus führen zu einem überhöhten Wärmeeintrag

• die übermäßige Erweichung des Werkstoffs führt dazu, dass Material seitlich herausgedrückt wird und am Rand der Schweißnaht verbleibt

• fehlendes Material unterhalb der Schulterfläche führt zur Absenkung der Schulter und somit zur Abnahme der Blechdicke und einer Verringerung des Anbindungsquerschnittes

fsw

• wird auch „Wormhole“ oder „Schlauchpore“ genannt

• innerer Hohlraum bzw. Fehler, der sich über einen großen Teil der Schweißnaht oder über die Gesamtlänge erstreckt

• mögliche Ursachen: Kollision des Werkzeuges mit der Unterlage; zu geringe Prozesskraft, welche zu einer unzureichenden Verdichtung führt; nicht ausreichende Plastifizierung des Werkstoffs

Schweißnahtfehler FSW

1.) der Materialfluss ist gestört; Werkzeugschulter und -pin durchmischen den Werkstoff getrennt voneinander.

2.)

• durch einen zu kurzen Pin wird im Stumpfstoß das Material nicht über die gesamte Blechdicke vermischt.

• es bleibt ein Spalt, welcher bei einer Biegebeanspruchung durch die Kerbwirkung zum Versagen führt.

• eine Überprüfung ist durch eine einfache Biegeprobe möglich.

3.) mangelndes Verbinden der Kontaktflächen aufgrund eines Werkzeugversatzes

4.) Bei zu hoher Werkzeugdrehzahl besteht die Gefahr, dass unterhalb der Werkzeugschulter das Material stark abschert und eine mangelnde Durchmischung und Verdichtung auftritt.

5.) Eine eventuell auf der Oberfläche des Werkstoffs befindliche Oxidschicht wird in die Schweißnaht eingebracht und lagert sich im Schweißgut schlierenförmig von oben bis zur Nahtwurzel ab.

Bobbin tool:

• je eine Werkzeugschulter auf der Nahtoberseite und auf der Nahtwurzelseite, die über den Pin verbunden sind

• die Prozesskraft wird innerhalb des Werkzeugs aufgenommen

Auto-adjustable pin tool:

• variable Pinlänge während des Prozessablaufs

• Stumpfstoß I-Naht

• Überlappstoß I-Naht

• T-Stoß I-Naht

• T-Stoß Kehlnaht

Sonderanlage:

+ideal an die Schweißaufgabe angepasst

+sehr hohe Steifigkeit

+beste Voraussetzungen bzw. Randbedingungen für Anwendungen, die sehr hohe Kräfte erfordern

-hohe Investitionskosten

-geringe Flexibilität

CNC-Maschinen

+Nachbearbeitung in gleicher Aufspannung möglich

+hohe Steifigkeit

+vorhandene Flexibilität durch vier oder fünf Achsen (2,5D-Anwendungen)

-relativ hohe Investitionskosten

-keine 3D-Anwendungen realisierbar

Industrieroboter - Parallelkinematiken/Tripoden:

+hohe maximale Achskraft für einen Roboter

+definierte 3D-Anwendungen möglich (für bestimmte Geometrien: Schalen usw.)

+geringe Investitionskosten

-Einschränkungen in der 3D-Fähigkeit

Industrieroboter - Knickarmroboter:

+geringe Investitionskosten

+sehr hohe Flexibilität

+3D-Fähigkeit

-begrenzte Maximalkraft

-nur kraftgeregelter Betrieb sinnvoll

-elastisches Verhalten

• KI zur Prozessüberwachung

• basierte additive Fertigung

• Mechanisches Legieren

• Interne Zellkontaktierung

Metall-Lichtbogenschweißen mit nachgeführter und abschmelzender Drahtelektrode, wobei der Lichtbogen und das Schmelzbad gegenüber der Atmosphäre durch einen Mantel aus Gas geschützt werden, das von einer äußeren Quelle zugeführt wird.

MIG

Metall-Inertgasschweißen, wobei der Schutz durch ein inertes Gas, z. B. Argon oder Helium, bewirkt wird.

MAG

Metall-Aktivgasschweißen, wobei der Schutz durch ein chemisch aktives Gas, z. B. CO2, bewirkt wird.

- bei verhältnismäßig gering eingestellter Spannung/Strom

• Zündung bei geringem Abstand zwischen Elektrode und Werkstück

• Ablösung des Werkstoffs beim Kontakt der Elektrode auf dem Werkstück, der durch die kontinuierliche Drahtzufuhr zustande kommt (Kurzschluss)

• geringe Abschmelzleistung

• Anwendung v. a. bei Kehl- oder Stumpfnähten an Dünnblechen in allen Positionen, Schweißen von Wurzellagen

• tritt nur beim Schweißen unter CO2 auf (MAG Schweißen)

• im Vergleich zum Kurzlichtbogen hohe Spannungen/Stromstärken notwendig

• dadurch weniger Kurzschlüsse, aber große Tropfenbildung

• hohe Abschmelzleistung

• Bildung einer grob geschuppten und stärker überhöhten Nahtoberfläche

• wegen vermehrter Schweißspritzer oft Nacharbeit erforderlich

• nur beim Schweißen unter argonreicher Gasatmosphäre

• Entstehung eines großen, überhitzten und damit dünnflüssigen Schmelzbades

• Werkstoffübergang findet kurzschlussfrei und feintropfig statt • hohe Abschmelzleistung

• ruhiger Schweißprozess

• eignet sich besonders zum Schweißen dicker Bleche in Wannenlage bzw. horizontaler Position

• entsteht bei mittleren Lichtbogenleistungen

• Tropfenübergang teilweise im Kurzschluss und teilweise kurzschlussfrei

• sollte möglichst vermieden werden

• wurde entwickelt, um Dünnbleche mit dem Vorteil des Sprühlichtbogens (ruhiger Schweißprozess) schweißen zu können

• erfordert spezielle Schweißgeräte, die neben einem niedrigen Grundstrom auch einen hohen Impulsstrom zur Tropfenablösung bereitstellen können

• mit jedem Impuls wird genau ein Tropfen abgelöst, der Tropfenübergang erfolgt kurzschlussfrei

• zum Schutz des heißen Schweißgutes und der Drahtelektrode vor Luftzutritt und damit Oxidation

• geringes Ionisationspotential ermöglicht den Aufbau eines stabilen Lichtbogens

• Auswahl eines geeigneten Schutzgases beeinflusst maßgeblich den Schweißprozess

→ relevante Schutzgase: Helium, Argon, Kohlendioxid sowie Mischungen aus diesen Gasen

MAG:

• Ar-CO2-Gemische (z. B. Corgon® 18 mit 82/18 Ar/CO2)

• Ar-O2-Gemische (z. B. Corgon® S8 mit 92/8 Ar/O2)

• Ar-O2-CO2-Gemische (z. B. Corgon® 5S4 mit 91/4/5 Ar/O2/CO2)

• CO2

MIG:

• Argon

• Helium

• Vermeidung des Abbrennens (Oxidieren) von Legierungselementen

• Schweißen von Nichteisen-Metallen und hochlegierten Stählen • aus Kostengründen meist Verwendung von Argon (selten Helium)

• Argon-Helium-Mischgase als sinnvoller Kompromiss zwischen Wirtschaftlichkeit und technologischen Eigenschaften

Aktivgase (CO2 bzw. O2):

• kostengünstiger als Inertgase

• beim Schweißen von un- und niedriglegierten Stählen

• besseres Einbrandprofil

• hohe Abschmelzleistung

• starke Spritzerbildung mit zunehmenden CO2-Anteil

• allerdings geringere Zähigkeit des Schweißgutes

• Druckminderer ist notwendig, um den Druck des Gases in der Flasche (bis zu 200 bar bei Mischgasen, 50 bar bei CO2) auf den gewünschten Druck zu entspannen

• mit einem zweiten Ventil wird die Durchflussmenge eingestellt

Massivdrahtelektroden

• Verwendung in Durchmessern von 0,6 mm bis 2,4 mm (meist 1,0 oder 1,2 mm)

• aufgewickelt auf Spulenkörper, je nach Einsatzbereich 1 kg bis 100 kg

Fülldrahtelektroden

• enthalten in einem Metallrohr Lichtbogenstabilisatoren, Schlackenbinder, Legierungselemente

• teurer als Massivdrahtelektroden

Poren

• mangelhafte Schutzgasabdeckung

• zu wenig oder zu viel Schutzgas

• falsche Brennerhaltung

• mangelhaft vorbereitete Schweißstelle

Bindefehler

• Nahtöffnungswinkel der Werkstücke zu klein

• stark überwölbte Einzellagen beim Mehrlagenschweißen

• zugeringe Schweißgeschwindigkeit

• falsche Brennerhaltung

Einbrandkerben

• ungünstige Schweißparameter

• Schlackenablagerungen

• Zu lang eingestellter Lichtbogen

Spritzer

• falsche Drahtelektroden- und Schutzgaszusammensetzung

• falsche Schweißparameter

• falsche Brennerhaltung

Aktueller Trend bei Metall-Schutzgasschweißen

• Nutzung des Lichtbogenschweißens zum schichtweisen Aufbau von Bauteilen

  +geringe Investitionskosten, verglichen mit anderen additiven Fertigungsverfahren für Metalle

  +signifikante Materialersparnis gegenüber der Herstellung aus Vollmaterial

  +hohe Auftragsraten im Bereich von 600 cm3/h möglich

  -meist spanende Endbearbeitung erforderlich

-Wolframelektrode in Schweißbrenner eingespannt, hier wird Schweißstrom eingeleitet

• zwischen Elektrodenspitze und dem Werkstück wird ein Lichtbogen erzeugt

• Lichtbogen schmilzt Grundwerkstoff auf und den von Hand zugeführten Zusatzwerkstoff ab

• glühende Wolframelektrode sowie das Schmelzbad werden durch inertes Schutzgas vor Luftzutritt abgeschirmt

• Herstellung qualitativ hochwertiger Verbindungen

• Neuteilfertigung und Reparaturschweißungen

• wirtschaftlicher Einsatz bei 0,5 mm bis 5,0 mm Wandstärke

• an nahezu allen schmelzschweißgeeigneten metallischen Werkstoffen • Anwendungen u. a. in Luft- und Raumfahrttechnik, Behälterbau, Feinwerktechnik, …

Vorteile:

• geringe Fehleranfälligkeit

• geringe Schadstoffemission • hohe Flexibilität

• Zwangslagen möglich

• wenig bzw. keine Spritzer

• automatisierbar

Nachteile:

• geringe Schweißgeschwindigkeit

• hohe Handfertigkeit erforderlich

• hohe Anforderungen an die Schweißnahtvorbereitung

Abstufend:

• Nickel

• Aluminium, Magnesium, Kupfer

• Stahl, Chrom-Nickel-Stahl

Gleichstrom:

• Elektrode stellt die Kathode („–“-Pol) und das Werkstück die Anode („+“-Pol) dar

• Elektronen werden somit in Richtung des Werkstückes beschleunigt

• Beim Auftreffen auf die Werkstückoberfläche: Hohe kinetische Energie der Elektronen wird in Wärme umgewandelt

• Ein Polaritätswechsel, d. h. Elektrode als Anode, führt zu einer Überlastung der Elektrode

• Gleichstrom wird standardmäßig zum Verschweißen von Stählen, Titan, Nickel u. a. eingesetzt

Wechselstrom:

• in der Regel zum Schweißen von Aluminium

• ständige Änderung der Polarität der Elektrode

• Anodenphase der Elektrode: Deutlich schwerere Ionen treffen auf die Werkstückoberfläche und befreien diese von ihrer Oxidschicht

• Reinigungseffekt

• Kathodenphase zur (thermischen) Entlastung der Elektrode

Reinwolframelektroden (WP) - Standrad bei Wechselstrom

+preisgünstig

+geringe Gleichrichterwirkung und gute Lichtbogenstabilität bei Wechselstrom

-schlechtere Zündeigenschaften

-geringere Standzeiten

-geringere Strombelastbarkeit

Legierte Wolframelektroden - Standard bei Gleichstrom

+größere Standzeiten

+höhere Strombelastbarkeit

+bessere Zündeigenschaften

-teurer

-bei Wechselstrom Gleichrichterwirkung und verringerte Lichtbogenstabilität

175mm Länge

1,6-4,0 mm Durchmesser

Spitz geschliffene Elektrodenspitze bei Schweißen mit Gleichstrom

Stumpf geschliffene Elektrodenspitze bei Schweißen mit Wechselstrom

zerstörende Prüfverfahren

• Mechanisch technologische Prüfverfahren (z. B. Zugversuch)

• Chemisch physikalische Prüfverfahren (z. B. optische Spektralanalyse)

• Metallo graphische Prüfverfahren (z. B. Makroschliff)

zerstörungsfreie Prüfverfahren

• Einfache Prüfverfahren (z. B. Sichtprüfung)

Oberflächenfehler

• Risse an der Oberfläche

• offene Poren

• oberflächennahe Poren

Volumenfehler

• Lunker

• Einschlüsse

• Poren

• Risse im Inneren

• Auflockerungen

Gefügefehler

• Materialverwechslung

• Härte (zu gering)

• Härtetiefe (zu gering)

• Festigkeit (zu gering)

• Gussgefügefehler

MSG

• Oberseite -> Poren, Spritzer

• Unterseite -> unvollständige Schweißung durch Spalt

Laser

• Oberseite -> Spritzer, unregelmäßige Schweißraupe

• Unterseite -> Schmelzaustritte, zu geringe Schweißtiefe

FSW

• Oberseite -> Tunnelfehler, erhöhter Schweißgrat

• Unterseite -> unvollständige Durchschweißung

zerstörungsfreie Prüfung - oberflächennah

• Risse verändern den elektrischen Widerstand des Grundmaterials

• Spule erzeugt wechselndes Magnetfeld, welches auf dem Bauteil Wirbelströme induziert

• Wirbelströme erzeugen ein Magnetfeld

• Messung der Wirbelstromdichte des durch den Wirbelstrom erzeugten Magnetfeldes

• Änderungen der Wirbelstromdichte deuten auf einen oberflächennahen Fehler hin

• Erkennung von Fehlern durch die Messung des elektrischen Stromes

zerstörungsfreie Prüfung - oberflächennah

• Werkstück(-bereich) wird magnetisiert → Feldlinien verlaufen parallel zur Oberfläche

• Fehlstellen, die längs der Feldlinien verlaufen, werden nicht detektiert.

• Fehlstellen, die quer zu den Feldlinien verlaufen, erzeugen eine magnetisches Streufeld.

• Ausbildung von Magnetpolen → Lokalisierung mit Eisenpulver • Nur ferromagnetische Werkstoffe

zerstörungsfreie Prüfung - oberflächennah

• Reinigung des Werkstücks (1)

• Benetzung mit Eindring- bzw. Kontrastmittel (2) (Eindringen in Risse und Poren durch Kapillarwirkung)

• Oberflächliches Reinigen (3)

• gegebenenfalls Auftrag eines Entwicklers

• visuelle Prüfung oder automatische Risserkennung mittels Bildverarbeitung (4)

• optionale Reinigung des Werkstücks

zerstörungsfreie Prüfung - 2D

• Material wird mit kurzwelliger Röntgen- oder Gamma-Strahlung durchleuchtet (1)

• Strahlen werden abhängig vom Fehler mehr oder weniger geschwächt als beim Durchgang durch den unbeschädigten Werkstoff (2)

• Messung der Intensitätsunterschiede beim Austritt (3)

Zerstörungsfreie Prüfung

• Einkopplung von hochfrequenten Schallwellen (Ölkopplung zwischen Ultraschallkopf und Bauteil)

• Schallwellen pflanzen sich im Bauteil als mechanische Schwingungen geradlinig fort

• Vergleich des an Grenzflächen und Fehlern reflektierten bzw. geschwächten Schallsignals mit dem bei einem fehlerfreien Werkstück detektierten Signal

• Visualisierung des Echos an einem Bildschirm

• Fehler entlang der Ausbreitungsrichtung des Schalls sind schwer zu erfassen

Zerstörende Prüfung

2D-Schnitte eines 3D-Gebildes

• üblicherweise Entnahme quer zur Schweißrichtung (Längsschliffe auch möglich)

• Makroätzung zur Visualisierung der eingebrachten Wärme

• Mikroätzung zur Visualisierung des Gefüges

• Auswertung mittels Lichtmikroskopie

zerstörende Prüfung

• Rastern mit einem fokussierten Elektronenstrahl

• Wechselwirkung der Elektronen mit der Probe

• Detektion der aus der Probenoberfläche emittierten Elektronen → 2D-Darstellung mit hoher Tiefenschärfe

Mögliche Anwendungen:

• Grenzschichtanalyse

• Bruchflächenuntersuchung

• Probenentnahme

• maschinelle Bearbeitung der Form nach Norm (z. B. DIN EN 10002)

• Einspannen der Zugprobe in die Prüfmaschine • stoßfreie und gleichmäßige Dehnung der Probe bis zum Zerreißen (vollständige Trennung der Flachzugprobe)

• Analyse der resultierenden statischen Festigkeitswerte:

→ Zugfestigkeit Rm in N/mm²; Streckgrenze Re in N/mm²;

→ Dehngrenze Rp in N/mm²; Bruchdehnung A in %;

→ Elastizitätsmodul E [N/mm²]; Querkontraktionszahl v [-]

• Schneiden (Laser-, Plasmaschneiden) Rz 0,71 µm (D)

• Drahterodieren Rz 11,05 µm (B)

• Bandsäge Rz 25,14 µm (A)

• Trennmaschine Rz 4,47 µm (C)

Probleme bei der Entnahme:

• Gefügeveränderung durch Wärmeeintrag

• Unregelmäßige Oberfläche

Ziel: Schnelle Probenentnahm und Minimierung der Probleme

• Gefügeveränderung

• Schichtablösung

→ falsche Ergebnisse

→ Fehlinterpretation

Einbetten - Standardabmessungen für automatische Präparation

Anwendung:

• kleine Proben

• komplexe Geometrien

• Schichtpräparation

• poröse oder mit Rissen behaftete Proben

Erste Phase: Planschleifen

• hohes bezogenes Zeitspanvolumen

• Schaffung optimaler Planheit

Zweite Phase: Feinschleifen

• Beseitigung der Oberflächenrauheit

• Einebnen der Schleifkratzer

• Beseitigung der Oberflächenrauheit und der Verformungsschicht nach Feinschleifen

• Entfernung der letzten Kratzer

• Zusatz von Schmiermittel

• Verwendung von Politurtüchern

• Zuführung von losen Partikeln (Suspension, Paste)

• Oxidpolieren als Endpolierschritt mit chem.-mech. Abtrag (partieller Ersatz des Ätzens)