Ultraschallprüfung: Grundlagen

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Ausgewählte Prüfmethoden
bei Brennteilen
Qualitech AG: Dr. M. Nef; 19.6.2013
Inhalt
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Qualitech AG
Qualitätsnachweis an Blechen
Zugversuch
Kerbschlagbiegeprüfung
Ultraschallprüfung
www.qualitech.ch / [email protected]
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Qualitech AG: Akkreditiertes Prüflabor
• Unabhängige, privat gehaltene Aktiengesellschaft
• Seit über 30 Jahren auf dem Fachgebiet der
Materialprüfung und Qualitätssicherung tätig
• 60 Mitarbeiter an 3 Standorten
– Mägenwil (AG) als Hauptsitz
– Altenrhein (SG)
– Biel (BE)
• Über 40 Mitarbeiter qualifiziert nach EN9712 (ehemals
EN473) und ASNT-SNT-TC-1A in diversen Verfahren und
Stufen; diverse Schweissfachingenieure und Schweissfachmänner; weitere Spezialisten rund um das Thema
Materialprüfung
3
Akkreditiert = ?
versus z.B. „ISO 9001 zertifiziert“
Akkreditierung (lat. accredere, Glauben schenken)
Ein Prüflaboratorium ist akkreditiert, wenn es nachweislich die
Anforderungen der relevanten Norm erfüllt.
Hierzu wird das Labor und deren Tätigkeiten durch eine
Expertengruppe einer unabhängigen Akkreditierungsstelle (in
diesem Falle der SAS, die wiederum zum SECO gehört), welche
die Norm DIN EN ISO/IEC 17011 erfüllt, begutachtet und durch
meist jährliche Begehungen überwacht.
 Vertrauensbildende Massnahme / überwacht durch den Staat
 Je nach Einsatz eines Materials und der entsprechenden Norm
ist die Prüfung von einer akkreditierten Stelle vorgeschrieben
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Die Qualitech AG ist akkreditiert nach:
• ISO/IEC 17020 als Inspektionsstelle (Typ A) für Inspektionen und
Abnahmen an Sicherheitsobjekten und an Druckgeräten; Qualitech AG
ist notified body mit der CE-Nummer 2395
• ISO/IEC 17024 als Personenzertifizierungsstelle für:
• Schweisser
• Montagepersonal für Seilendbefestigungen
• ISO/IEC 17025 als Prüfstelle für zerstörungsfreie und zerstörende
Prüfungen von Werkstoffen und Bauteilen aus Metall, Keramik,
Kunststoff und Drahtseile sowie Schweissverfahren für Druckgeräte
Der Geltungsbereich jeder einzelnen Akkreditierung ist im offiziellen
Verzeichnis akkreditierter Prüfstellen festgelegt (www.sas.ch)
Spezielle Zulassungen der Qualitech AG:
- Prüfung von Flugzeugteilen
- Prüfung von Seilen bei Transportbahnen (BAV-Zuslassung)
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Qualitech AG: Leistungsspektrum
Leistungsspektrum der Qualitech AG (nicht vollständige Aufzählung)
• Volumenprüfungen (innere Beschaffenheit):
 Durchstrahlungsprüfung
 Ultraschallprüfung
• Oberflächenrissprüfungen:
 Wirbelstromprüfung
 Magnetpulverprüfung
 Farbeindringprüfung
• Mechanische und optische Eigenschaften:
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



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Härtemessung
Rauheitsmessung
Zugfestigkeit / Zugprobe
Zähigkeit / Kerbschlagprobe
Korrosionsbeständigkeit
Chemische Analyse / Verwechslungsprüfung (PMI/OES/ET)
Metallographische Prüfung wie z.B. Mikro- und Makroschliff
Aufwertung auf 3.1/3.2
Abnahmen und Inspektionen weltweit
EN1090 – Beratung und Zertifizierung zusammen mit der SLV München
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Inhalt
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Qualitech AG
Zugversuch
Ultraschallprüfung
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DIN EN 10025-1: Warmgewalzte Erzeugnisse aus Baustählen.
Teil 1: Allgemeine technische Lieferbedingungen
..
7.3 Mechanische Eigenschaften
7.3.1 Allgemeines
7.3.1.1 Die mechanischen Eigenschaften (Zugfestigkeit, Streckgrenze, Kerbschlagarbeit und
Dehnung) müssen im Lieferzustand nach 6.3 und unter den Prüfbedingungen nach den
Abschnitten 8, 9 und 10 den betreffenden Anforderungen von EN 10025-2 bis EN 10025-6
entsprechen.
…
10 Prüfverfahren
10.1 Chemische Analyse
10.2 Mechanische Prüfungen
10.2.1 Zugversuch
10.2.2 Kerbschlagbiegeversuch
10.3 Ultraschallprüfungen
…
Unter anderem sind Zugversuch, Kerbschlagbiegeversuch und Ultraschallprüfungen geforderte und genormte Qualitätsnachweise an Blechen
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Bleche werden von den Stahlwerken mit einem Materialzeugnis
geliefert (EN10204 Zeugnisse Typ 2.1; 3.1 oder 3.2)
Aber in der Praxis:
• Falsches/minderwertiges Material in einer Charge (minderwertige
Ausgangsstoffe, Herstellerfehler, Reparaturen, …)
• Materialverwechslung (bereits vor oder bei Anlieferung, bei
Lagerentnahme, während der Fertigung, …)
• Veränderte Eigenschaften durch Wärmebehandlung oder chemische
Prozesse
• Lokale Materialinhomogenitäten (Oxide, Silikate, Sulfide, Fremdteile …)
• Aufwertung von Materialien wird vom Endkunden gefordert
Zug- und Kerbschlagbiegeversuche sowie Ultraschallprüfungen tragen
dazu bei, die Qualität von Blechen der stürmsfs zu belegen.
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Inhalt
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Qualitech AG
Zugversuch
Ultraschallprüfung
Weitere Prüfaufgaben an Blechen
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Zugversuch: Grundlagen 1
• Funktionsprinzip: ein Stab wird an beiden Enden eingespannt
und auseinandergezogen bis er auseinanderbricht
• Brucharten: Spröd, Duktil, Mischformen
Sprödbruch: Glas, Stein, Stahl mit sehr
hoher Zugfestigkeit, fast alle Stähle bei
sehr tiefen Temperaturen
Bild: Wikipedia
Duktiler Bruch: Baustähle (Einschnürung
bis zu mehr als 25%; Bruchdehnung
ebenfalls in der Grössenordnung von 20%;
Bitumen; Gummi etc.
 Stähle, die man gut schmieden und
umformen kann
Vollständig duktiler Bruch: Reines Gold 
z.B. Blattgold
Beim Zugversuch wird die Zugkraft, die Dehnung, die Einschnürung
sowie weitere Merkmale
Bruchfläche untersucht.
www.qualitech.ch /der
[email protected]
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• Streckgrenze: Die Streckgrenze ist diejenige Spannung, bei
welcher noch keine plastische Verformung eintritt. Nach der
Belastung geht die elastische Verformung vollständig zurück.
Zugversuch: Aufzeichnung des
Spannungs-/Dehnungsverlaufes
eines eingespannten Zugstabes,
der kontinuierlich mit
langsamem Tempo auseinander
gezogen wird.
Bild: http://www.bs-wiki.de/mediawiki/index.php?title=Streckgrenze
Die Konstruktion wird (i.d.R.) so ausgelegt,
dass die Streckgrenze nicht überschritten wird
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Warum wird nebst der Zugfestigkeit auch die Einschnürung
ermittelt?
 Sicherheit!
– Ein duktiler Werkstoff zeigt eine Überlast durch Einschnürung und
plastische Verformung an - ohne sofort zu versagen
– Ein Bauteil aus duktilem Werkstoff zerlegt sich nicht in viele Einzelteile.
Darum werden duktile Werkstoffe z.B. bei Bauteilen eingesetzt, die
unter Druck stehen (Pumpen-/ Kompressor-/ Turbinengehäuse,
Rohrleitungen, sonstige Druckbehälter)
Sicherheitsrelevante Teile werden meist aus Materialien gebaut,
die ein Versagen frühzeitig anzeigen, also duktil sind.
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Zugversuch nach DIN EN 10164
Flacherzeugnisse und Profile aus Stahl weisen im Allg. bei
Beanspruchung senkrecht zur Oberfläche (in Dickenrichtung)
andere Verformungseigenschaften als parallel zur Oberfläche auf.
stürmsfs bestellt bei Qualitech z.B. eine Zugprobe nach DIN EN
10164 - Stahlerzeugnisse mit verbesserten Verformungseigenschaften senkrecht zur Erzeugnisoberfläche
Voraussetzungen:
• Blechdicke von mind. 20 mm
• wärmebeeinflusster Bereich des Brennschneidens muss
entfernt werden
Die Zugfestigkeit ist richtungsabhängig. Die Brucheinschnürung ist
ein Anhaltspunkt für den Widerstand gegen Terrassenbrüche.
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Terrassenbruch: Ursache
Wikipedia zu Terrassenbruch
•
Als Terrassenbruch wird in der Schweißtechnik ein in Dickenrichtung durch eine geschweißte Stahlplatte verlaufender
Kaltriss bezeichnet, der durch Schweißschrumpfspannungen verursacht wird. Der Riss ist typisch terrassenförmig abgetreppt
oder liegt lamellenförmig in Walzrichtung
•
Gewalzte Platten haben senkrecht zur Walzrichtung, also in Dickenrichtung, eine deutlich geringere Verformbarkeit und
Zugfestigkeit als in Walzrichtung. Ursache hierfür sind Einschlüsse von Oxiden, Silikaten und Sulfide. Diese ursprünglich beim
Guss der Bramme punktförmig im Stahl liegenden Einschlüsse werden infolge des Walzvorgangs abgeflacht. Dies hat zur
Folge, dass diese flächig oder zeilenförmig in der Blechplatte liegen. Der Verbund dieser Lamellen untereinander ist gering,
was die Festigkeit der Platte in Dickenrichtung deutlich verringert. Dies lässt sich mit einer Analogie zu einem Stapel Papier
darstellen: Während sich einzelne Blätter des Stapel mühelos abheben lassen, ist der Stapel als Ganzes nur schwer zu
zerreißen.
Ursache von Schweißschrumpfspannungen [Bearbeiten]
Infolge der Abkühlung nach dem Schweißen verringert das Bauteil sein Volumen. Ist die Konstruktion "steif" wird also die
Volumenverringerung durch feste Einspannung verhindert, entstehen Spannungen im Bauteil, die das Bauteil bis an seine
Festigkeitsgrenze belasten können. Ursache dieser Schrumpfspannungen ist die Plastifizierung des Bauteils. Mit
zunehmender Temperatur verliert der Stahl an Elastizität und Festigkeit. Wird die Wärmeausdehnung behindert, so wird das
Bauteil im Bereich der Schweißnaht gestaucht. Bei der verhältnismäßig schnellen Abkühlung nach dem Schweißen hat das
Werkstück dann nicht mehr ausreichend Zeit, diese Verformung rückzuentwickeln. Auch die Volumenverringerung des
flüssigen Schweißguts nach der Abkühlung trägt zu den Schrumpfspannungen bei. [4]
Brucheinschnürung [Bearbeiten]
Da für die Terrassenbruchneigung das Formänderungsvermögen des Werkstoffes entscheidend ist, wird beim Zugversuch
die Brucheinschnürung in Dickenrichtung gemessen. Die Ermittlung der Festigkeitswerte in Dickenrichtung hat wenig
Aussagekraft, da sich erst bei sehr geringen Werten der Brucheinschnürung, unterhalb von etwa 20 % eine deutliche
Verringerung der Zugfestigkeit nachweisen lässt. Als Brucheinschnürung wird die Verringerung der Querschnittsfläche bis
zum Bruch der Probe bezeichnet
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Quelle: http://www.theiiwmumbai.8m.com/defects6.htm
Terrassenbruch
Fig. 1. Lamellarer Kaltriss unterhalb der
Schweissnaht im Grundmaterial des Bleches
Fig. 2. Draufsicht auf eine Bruchstelle bei
einem Terrassenbruch
Oxide, Silikate oder Sulfide, die beim Auswalzen in die Länge
gezogen wurden, erleichtern Terrassenbrüche.
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Terrassenbruch
Beispiel eines rund 100 Jahre alten Bleches, mit ausgeprägter lamellarer
Bruchstelle
Quelle: http://www.mig-welding.co.uk/wrought-iron.htm
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Zugversuch nach DIN EN 10164
1 cm Durchmesser bei Zugfestigkeit von bspw. 500 N/mm2
 Zugkraft bei 1 cm Durchmesser: 78.5 mm2 * 500 N/mm2 = 39’270 N = ca. 4 Tonnen
Leergewicht VW Golf VII ungefähr 1300 kg
Eine Zugprobe von 1 cm Durchmesser kann mehrere Autos halten
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Inhalt
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Qualitech AG
Zugversuch
Ultraschallprüfung
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Kerbschlagbiegeprüfung: Grundlagen
Schadensfall bei uns im Haus am 22. Mai 2013
Ein Mitarbeit liess ein zu prüfendes Metallstück aus ca. 1 m Höhe auf
den Boden fallen:
Metall kann splittern wie Glas. Aus obigem Material wollen Sie
z.B. keine Eisenbahnräder!
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Quelle: http://www.metallograf.de/start.htm?/werkstoffkartei/werkstoffnamen.htm
21
DIN EN 148-1 Metallische Werkstoffe –
Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy
 Verfahren wurde bereits 1905 von Herrn Charpy eingeführt
 Zweck: Bestimmung der Zähigkeitseigenschaften von
Werkstoffen
 Mit einem Pendelschlagwerk wird auf eine gekerbte Probe
geschlagen. Die dabei durch das Pendel abgegebene
Energie wird gemessen und dient als Aussage zur Zähigkeit
eines Materials
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Kerbschlagbiegeprüfung:
Pendelschlagwerk
Je mehr Energie die
Probe aufgenommen
hat (je zäher sie ist),
desto kleiner ist der
Ausschlag des Hammers
Kerbschlaghammer
Standardenergie 300 J
Zu prüfende Materialprobe
Altes, einfaches, mechanisches Messverfahren. Variationen bei
Hammergewicht, Fallhöhe, Probenform
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Kerbschlagbiegeprüfung: Probenform
• Die Charpy-V-Probe hat eine V-förmige Kerbe mit einem
Kerbwinkel von 45°, einer Kerbtiefe von 2 mm und einem
Radius im Kerbgrund von 0,25 mm.
Schlagrichtung mit der Hammerfinne
• U-Probe ist die 2-häufigste Form
Je schärfer die Kerbe, desto weniger Energie wird benötigt, um
die Probe zu zerschlagen.
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Kerbschlagbiegeprobestück
25
Kerbschlagbiegeprobe in der Praxis
26
Kerbschlagbiegeprüfung: Bruchformen
Gemessen wird die aufgenommene Energie, die laterale
Breitung sowie das makroskopische Bruchbild.
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Kerbschlagbiegeprüfung: Bruchformen
Charakteristisches Bild für die Temperaturabhängigkeit
Bildquelle: Internet der Hochschule Pforzheim
Mit sinkender Temperatur wird Stahl spröder.
Faktor 10 nicht unüblich!
28
Kerbschlagbiegeprüfung: Titanic
Bildquelle: Technische Universität Cottbus
Die richtige Werkstoffwahl macht den Unterschied.
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Kerbschlagbiegeprüfung: Werkstofftypen
Kerbschlagarbeit
Typ 3: Austenitische Stähle und
sonstige Metalle mit kfz-Gitterstruktur
wie Kupfer, oder Aluminium
Typ 1: Un- und niedriglegierte Stähle
mit ferritischer Gefügeausbildung;
krz und hexagonale Metalle
Typ 2: Typisch für Gusseisen mit
Lamellengraphit sowie gehärtete Stähle
Temperatur
Die richtige Werkstoffwahl macht den Unterschied.
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Kerbschlagbiegeprüfung: Werkstoffparameter
Einflussgrössen auf das Bruchverhalten
• werkstoffbedingte: Werkstoffart, Gitterart,
Reinheit, Gefüge (Korngröße)
• bauteilbedingte: Eigenspannungen,
Gefügeveränderungen durch Herstellverfahren
(Wärmebehandlung, Schmieden, …)
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Inhalt
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Qualitech AG
Zugversuch
Ultraschallprüfung
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Ultraschallprüfung an Blechen: Wozu?
Mit Ultraschall werden Lunker frühzeitig entdeckt.
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Gasblasen (quelle Wikipedia)
Gasblasen im Innern sind mit Ultraschall zu detektieren.
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(qz-online.de)
Qualitech: Baumannabdruck
http://www.arge-metallguss.de
Mit Ultraschall soll etwas über das Innere des Bleches (Lunker,
Blasen, Fremdpartikel, Seigerungen) herausgefunden werden.
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• Mit der Ultraschallprüfung an Blechen werden:
– Materialtrennungen (ausgewalzte Lunker, Gasblasen) wie auch
– Seigerungen (typischerweise sammeln sich die niedrig
schmelzenden Verunreinigungen in der Mitte eines gegossenen
Blockes) sowie
– Fremdmaterialeinschlüsse (z.B. Sand, Schlacken, Oxide usw.)
detektiert.
• Auch ein Blech wurde zuerst einmal gegossen!
• Beim Auswalzen werden zwar Lunker und Gasblasen i.d.R.
«platt gewalzt» - die Materialtrennung aber bleibt!
Die Ultraschallprüfung bei Blechen konzentriert sich auf
unerwünschte Phänomene in der Mitte des Bleches.
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Über die Laufzeit des Ultraschallsignals wird berechnet, woher
das Signal reflektiert wird.
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Eine Gasblase oder ein Lunker reflekiert das Ultraschallsignal
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Solange eine Materialtrennung vorhanden ist, wird das
Ultraschallsignal reflektiert.
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Kommt kein (oder wenig) Echo von der Rückwand, so muss
etwas dazwischen den Schall ablenken.
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Ultraschallprüfung: Kosten/Nutzen
Prüfklasse S0 und S1 (EN10160) werden mit 200 mm-Raster,
S2 und S3 mit 100 mm-Raster geprüft
Doppelt so enges Raster heisst
4-fachen Weg prüfen
Höhere Prüfanforderung heisst
viel, viel mehr protokollieren
Selbst bei Prüfklasse S3 dürfen pro m2 bis max. 10 Inhomogenitäten bis 50 mm2 enthalten sein!
Es können aber sogar im ungünstigsten Fall Inhomogenitäten bis mehrere 100 mm2 durch
die Rasterprüfung unentdeckt bleiben!
Verbleibende Fehlergrösse je nach Rasterwahl.
Quadratischer Anstieg der Prüfkosten je nach Rastergrösse.
41
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Fragen?
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Ultraschallprüfung: Grundlagen

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