Ermittlung von Schweißverfahrensfehlern durch Härteprüfung 25. testXpo – Fachmesse für Prüftechnik bei ZWICK in Ulm Dr. S. Klaus, 13.10.2016
Ermittlung von
Schweißverfahrensfehlern durch
Härteprüfung
25. testXpo – Fachmesse für Prüftechnik bei ZWICK in Ulm
Dr. S. Klaus, 13.10.2016
Aus- und
Weiterbildung
SLV Berlin-Brandenburg
Fachbereiche
Die erste Schweißtechnische Lehr- und
Versuchsanstalt in Deutschland:
gegründet 1927
Qualitäts-
sicherungWerkstoff-
technik
Forschung
und
Entwicklung
Buchhaltung
GSI - Gesellschaft für Schweißtechnik International mbH, NL SLV Berlin-Brandenburg
Farbeindringprüfung am Kreuz
des Berliner Doms
Röntgenprüfung von Wasserleitungen
Endoskopie von Kastenprofilen in der Domkuppel
oder an rollendem Material
(Mobile) Zerstörungsfreie Prüfung
Werkstofftechnik
GSI - Gesellschaft für Schweißtechnik International mbH, NL SLV Berlin-Brandenburg
Werkstofftechnik
Zerstörende Werkstoffprüfung
Chemische Analytik (OES)
Zugversuche, Härteprüfung, Kerbschlagbiegeversuch:
bis -60°C
Metallographie
GSI - Gesellschaft für Schweißtechnik International mbH, NL SLV Berlin-Brandenburg
Quelle: ZWICK GmbH&Co.KG
Grundwerkstoff
DIN EN ISO 6507-1:2006-03
Härteprüfung nach Vickers
Verfahren Schweißverbindung
DIN EN ISO 9015-1:2011-01
Härteprüfung an Lichtbogen-
schweißverbindungen
DIN EN ISO 9015-2:2016-10
Mikrohärteprüfung an
Schweißverbindungen
DIN EN ISO 6507-2:2013-12
Härteprüfung nach Vickers
Prüfung und Kalibrierung der
Prüfmaschinen
DIN EN ISO 6507-3:2006-03
Härteprüfung nach Vickers
Kalibrierung von
Härtevergleichsplatten
DIN EN ISO 6507-4:2006-03
Härteprüfung nach Vickers
Tabellen zur Bestimmung der
Härtewerte
Härteprüfung
Stumpfnaht
Härtereihen in Grundwerkstoff, WEZ und Schweißgut
Prüfung nach DIN EN ISO 9015-1
2 mm
max.
Grundwerkstoff
Schweißgut
WEZ - schmal
WEZ - breit
Härtereihe
HÄRTEPRÜFUNG an SCHWEISSVERBINDUNGEN
Nahtart:
Prüfung von:
Norm:
GSI – Gesellschaft für Schweißtechnik International mbH, NL SLV Berlin-Brandenburg
Härteprüfung an Schweißverbindungen
Stumpfnaht
Einzeleindrücken in GW, WEZ und Schweißgut
Prüfung nach DIN EN ISO 9015-1
HÄRTEPRÜFUNG an SCHWEISSVERBINDUNGEN
Nahtart:
Prüfung von:
Norm:
1
2
3
4
Grundwerkstoff
WEZ
5
6
7
8
Schweißgut
11
13
GSI – Gesellschaft für Schweißtechnik International mbH, NL SLV Berlin-Brandenburg
Härteprüfung an Schweißverbindungen
Kehlnaht
Härtereihen in Grundwerkstoff, WEZ und Schweißgut
Prüfung nach DIN EN ISO 9015-1
HÄRTEPRÜFUNG an SCHWEISSVERBINDUNGEN
Nahtart:
Prüfung von:
Norm:
2 mm
max.
WEZ
Härtereihe
Grundwerkstoff
Schweißgut
GSI – Gesellschaft für Schweißtechnik International mbH, NL SLV Berlin-Brandenburg
Härteprüfung an Schweißverbindungen
Kehlnaht
Einzeleindrücken in GW, WEZ und Schweißgut
Prüfung nach DIN EN ISO 9015-1
HÄRTEPRÜFUNG an SCHWEISSVERBINDUNGEN
Nahtart:
Prüfung von:
Norm:
2 mm
max.
1
Grundwerkstoff
WEZ
Schweißgut
2
3
4
5
9
10 7
11
13
GSI – Gesellschaft für Schweißtechnik International mbH, NL SLV Berlin-Brandenburg
Härteprüfung an Schweißverbindungen
Schmelzschweißverbindungen und ihr Grundaufbau
Charakteristische Bereiche einer Schmelzschweißverbindung
metallischer Werkstoffe:
Schweißgut
Aufschmelzzone
Wärmeeinflusszone
einlagig / mehrlagig
Verbindungszone zwischen Schweißgut und Grund-
werkstoff (auch Fusionszone genannt)
Grundwerkstoff/Schweißgut neben der letzten
Schweißraupe, durch Schweißwärme verändert
GSI - Gesellschaft für Schweißtechnik International mbH, NL SLV Berlin-Brandenburg
Aufbau einer Schweißverbindung im System Fe-Fe3C
1536 °C
911 °C
723 °C
Schmelze
Perlitlinie
Austenit
S
E
Ferrit +
Perlit
Perlit +
Zementit
0,15 0,8 2,06 Kohlenstoff in %
Te
mp
era
tur
in °
C
G
Beispiellegierung
A B C D E
1600
1400
1200
1000
800
600
400
1800
Zeit in s
A B C D E
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Aufhärtung durch Schweißen
Schweißgut
Aufschmelzzone
Wärmeeinflusszone
flüssig; Temperaturen > 1.500 °C
breiig; Temperaturen ~ 1.500 °C
Bereich einer möglichen Aufhärtung
Ende der Aufhärtung Temperaturen ~ 900 °C
Richtung der
Wärmeableitung
1
2
3
4
GSI - Gesellschaft für Schweißtechnik International mbH, NL SLV Berlin-Brandenburg
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).
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Härteverlauf in einer Schweißverbindung – schematisch
HVnWE
HVhWE
HVGW
Ac1,hWE Ac1,nWE
HV
1
GW GW
SG = GW + ZW
Ac1,nWE Ac1,hWE
WEZ WEZ
niedriges
Wärme-
einbringen
- nWE -
(z. B. LB)
höheres
Wärme-
einbringen
- hWE -
(z. B. MSG)
GSI - Gesellschaft für Schweißtechnik International mbH, NL SLV Berlin-Brandenburg
GSI - Gesellschaft für Schweißtechnik International mbH (alle Rechte vorbehalten)
zu lange
Abkühlzeitent8/5-Zeit
Üb
erg
an
gste
mp
era
tur
der
Kerb
sch
lag
arb
eit
sehr große Härte und
tiefe Übergangs-
temperatur
extrem kurze
Abkühlzeiten
geringe Härte und zu
hohe Übergangs-
temperatur
optimaler Bereich von
Härte und Übergangs-
temperatur
Härt
eDie Einflussgrößen
auf den
Schweißprozess sind
so zu gestalten, dass
ein optimaler Bereich
von Härte und
Zähigkeitseigen-
schaften eingestellt
werden kann.
Neigung zur Aufhärtung durch Martensitbildung
Gesellschaft für Schweißtechnik International mbH (alle Rechte vorbehalten)
„Abkühlzeitkonzept“ – Berechnung der t8/5-Zeit
Abkühlzeit bei zweidimensionaler Wärmeleitung („dünne Bleche“)
2
2
0
2
02
25
05/8 FT800
1
T500
1
d
Q10T3,44300t
Abkühlzeit bei dreidimensionaler Wärmeleitung („dicke Bleche“)
300
05/8 FT800
1
T500
1QT56700t
t8/5 Abkühlzeit 800 - 500°C (s)
T0 Vorwärmtemperatur (°C)
Q Wärmeeinbringen (kJ/mm)
d Blechdicke, Bauteildicke (mm)
F2 Nahtfaktor (zweidimensionale WL)
F3 Nahtfaktor (dreidimensionale WL)
3-10v
IUkQ
Parameter der Abkühlzeit
Gesellschaft für Schweißtechnik International mbH (alle Rechte vorbehalten)
„Abkühlzeitkonzept“ – Einflüsse auf die mech. Eigenschaften
Chemische Zusammensetzung des
GrundwerkstoffsBedingungen des Schweißprozesses
Schweiß-
prozess
Schweiß-
parameter
Vorwärm-
temperatur
Naht-
geometrie
k U, I, v T0 F2 + F3
Abkühlzeit zwischen 800 und 500 °C (t8/5-Zeit)
Mechanisch-technologische Eigenschaften in der Grobkornzone der
Wärmeeinflusszone der Schweißverbindung
DIN EN ISO
15614 - Teil
Normreihe DIN EN ISO 15614 - Verfahrensprüfungen
Werkstoffe
Lichtbogen- und Gasschweißen von Stählen und
Lichtbogenschweißen von Nickel und Nickellegierungen
Lichtbogen- und Gasschweißen von Aluminium und seinen
Legierungen
Schmelzschweißen von unlegierten und niedriglegierten Gußeisen
Fertigungsschweißen von Aluminiumguss
Lichtbogenschweißen von Titan, Zirkonium und ihren Legierungen
Lichtbogen- und Gasschweißen von Kupfer und seinen Legierungen
1
2
3
4
5
6
7 Auftragsschweißen
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DIN EN ISO
15614 - Teil
Normreihe DIN EN ISO 15614
Werkstoffe
Einschweißen von Rohren in Rohrböden
Nassschweißen unter Überdruck (zurückgezogen)
Trockenschweißen unter Überdruck
Elektronen- und Laserstrahlschweißen
Widerstandspunkt-, Rollennaht- und Buckelschweißen
Pressstumpf- und Abbrennstumpfschweißen
8
9
10
11
12
13
14Laserstrahl-Lichtbogen-Hybridschweißen von Stählen, Nickel und
dessen Legierungen
GSI - Gesellschaft für Schweißtechnik International mbH, NL SLV Berlin-Brandenburg
Zerstörende Prüfungen im Rahmen einer Verfahrensprüfung
Biegeproben,
Zugprobe
Kerbschlagbiege-
proben,
ggf. zusätzliche Proben
Makroschliff, Härtepr.
Schw
eiß
richtu
ng
Abfall
Abfall
Biegeproben,
Zugprobe
GSI - Gesellschaft für Schweißtechnik International mbH, NL SLV Berlin-Brandenburg
Kehlnaht mit Aufhärtungspotential
Verfahrens-
prüfung:
Schweißprozeß: MAG
Stoßart/Nahtart: FW/sl
Schweißposition: PB
Werkstoff: S355J2+N
Dicke: Gurt-60 mm
Steg-20mm
Zusatzwerkstoff: G3Si1
Vorwärm-
temperatur: min. RT
GSI - Gesellschaft für Schweißtechnik International mbH, NL SLV Berlin-Brandenburg
HV 10
GW WEZ Ü S Ü WEZ GW
Decklage158 216 363 245 386 382 181
Final pass 157 251 237 324 172
Wurzel 170 200 328 246 410 269 176
Root pass 138 244 232 249 182
Mitte
Centre
HV10
Ergebnisse Härteprüfung – ohne Vorwärmung
Kehlnaht mit Aufhärtungspotential
Verfahrens-
prüfung:
Schweißprozeß: MAG
Stoßart/Nahtart: FW/sl
Schweißposition: PB
Werkstoff: S355J2+N
Dicke: Gurt-60 mm
Steg-20mm
Zusatzwerkstoff: G3Si1
Vorwärm-
temperatur: 100°C
GSI - Gesellschaft für Schweißtechnik International mbH, NL SLV Berlin-Brandenburg
HV 10
GW WEZ Ü S Ü WEZ GW
Decklage158 205 351 224 323 317 164
Final pass 164 331 227 242 160
Wurzel 167 206 355 223 309 207 170
Root pass 168 235 227 183 163
Mitte
Centre
HV10
Ergebnisse Härteprüfung – mit Vorwärmung
Stumpfnaht mit Aufhärtungspotential
Verfahrens-
prüfung:
Schweißprozeß: MAG
Stoßart/Nahtart: BW/ml
Schweißposition: PA
Werkstoff: S460NL
Dicke: 20 mm
Zusatzwerkstoff: G3Si1
Vorwärm-
Temperatur: 110°C
GSI - Gesellschaft für Schweißtechnik International mbH, NL SLV Berlin-Brandenburg
HV 10
GW WEZ Ü S Ü WEZ GW
Decklage184 218 326 194 346 300 185
Final pass 188 274 309 223 337 274 183
188 314 225 338 179
Wurzel 189 293 341 258 411 368 191
Root pass 188 351 369 255 410 257 185
187 387 399 187
Mitte
Centre
HV10
Ergebnisse Härteprüfung – ohne Vorwärmung
HV 10
GW WEZ Ü S Ü WEZ GW
Decklage188 203 349 195 298 284 185
Final pass 190 272 331 188 293 263 185
188 303 187 283 188
Wurzel 188 201 220 185 222 220 194
Root pass 186 212 220 185 225 201 190
185 231 236 190
Mitte
Centre
HV10
Ergebnisse Härteprüfung – mit Vorwärmung
Verfahrens-
prüfung:
Schweißprozeß: MAG
Stoßart/Nahtart: BW/ml
Schweißposition: PB
Werkstoff: S700MC
Dicke: 8 mm
Zusatzwerkstoff: G69 6 M
Mn4Ni1,5CrMo
Vorwärm-
Temperatur: min. RT
Stumpfnaht
GSI - Gesellschaft für Schweißtechnik International mbH, NL SLV Berlin-Brandenburg
HV 10
GW WEZ Ü S Ü WEZ GW
Decklage273 242 266 238 252 242 276
Final pass 278 252 247 246 275
275 243 283
Wurzel 274 236 232 247 240 238 272
Root pass 272 235 251 232 269
279 253 278
Mitte
Centre
HV10
Ergebnisse Härteprüfung
ProbeSample
AbmessungDimension
S0
[mm²]
Streck-/ DehngrenzeYield strength/Proof stress
ZugfestigkeitTensile strength Dehnung
Elongation
EinschnürungReduction
a
[mm]
b/d0
[mm]
ReH
[MPa]
Rp0,2
[MPa]
Rp1,0
[MPa]
Rm
[MPa]
A
[%]
Z
[%]
Anforderung: DIN EN 10149-2Requirement:
--- 700 -- 750 - 950 min. 12 --
Z1 7,84 25,10 196,78 664 740 9 38
Z2 7,82 25,05 195,89 681 748 10 42
Z1E 7,82 25,02 195,66 671 749 10 34
Z2E 7,81 24,99 195,17 655 734 9 39
ProbeSample
Bruchlage 1)
Fracture position
Befund 2)
Conclusion
BewertungResult
Z1 Ü -- ne
Z2 Ü -- ne
Z1E Ü -- ne
Z2E Ü -- ne
Ergebnisse Zugversuch
Unzulässige Wärmebehandlung eines M-Stahles (S690M)
Lieferzustand (M)
Rm = 790 MPa
Rp0,2 = 715 MPa
A5 = 11 %
Rm = 662 MPa
Rp0,2 = 410 MPa
A5 = 23 %
geglüht bei 850 °C / Luft
C = 0,054 %
Mn = 1,68 %
Nb = 0,074 %
GSI - Gesellschaft für Schweißtechnik International mbH, NL SLV Berlin-Brandenburg
Schweißtechnische Verarbeitung – Entfestigung in der WEZ
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
Abstand von der Schmelzlinie in cm
40
50
60
70
80
90
100
110H
ärt
e H
B
1.123 J/cm
754 J/cm
530 J/cm
Werkstoff: EN AW-Al Mg1SiCu-T6
StreckenenergieDie Entfestigung
nimmt mit
steigenden
Wärme-
einbringen zu.
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Verfahrens-
prüfung:
Schweißprozeß: MAG
Stoßart/Nahtart: FW/sl
Schweißposition: PB
Werkstoff: S700MC
Dicke: 8 mm
Zusatzwerkstoff: G69 6 M
Mn4Ni1,5CrMo
Vorwärm-
Temperatur: min. RT
Kehlnaht mit Entfestigung
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HV 10
GW WEZ Ü S Ü WEZ GW
Decklage278 244 250 255 257 252 286
Final pass 271 235 256 241 263
Wurzel252 242 250 267 244 234 287
Root pass 268 236 271 238 282
Mitte
Centre
HV10
Ergebnisse Härteprüfung
Vielen Dank für
Ihre
Aufmerksamkeit.
GSI - Gesellschaft für Schweißtechnik International mbH, NL SLV Berlin-Brandenburg