Die Härteprüfung von Schweißnähten an Rohren und Kesseln ist entscheidend, um deren langfristige Zuverlässigkeit unter Druck- und Temperatureinwirkung sicherzustellen. Gefügeveränderungen in der Wärmeeinflusszone können im Laufe der Zeit zu Rissbildung führen – eine frühzeitige Erkennung ist daher von großer Bedeutung.
In diesem Blogbeitrag erfahren Sie, welche Vorteile das UCI-Verfahren für die Bewertung von Schweißnähten bietet – insbesondere unter anspruchsvollen Einsatzbedingungen. Lernen Sie, wie mobile Prüfgeräte wie das SONODUR 3 präzise und effiziente Härteprüfungen direkt vor Ort ermöglichen.
Gewisse Mikrostrukturen in den Wärmeinflusszonen (WEZ) von Schweißnähten an Rohren und Kesseln entwickeln Risse aufgrund von Spannungsrelaxation, verursacht durch den Aufheiz- und Schweißprozess und zu schnellem Abkühlen. Einige hochlegierte Stähle für Druckleitungen und -kessel in Kraftwerken entwickeln an der Schweißlinie in der WEZ eine Ausscheidungshärtung mit einer Erhöhung der mechanischen Spannungen in diesem Bereich. Die Art der Rissbildung hängt generell stark von der Schweißmethode ab, dem Schweißmaterial und von der Stahlsorte und seinen Legierungselementen.
Da diese Risse üblicherweise erst nach einer gewissen Zeitspanne auftreten in Abhängigkeit von Einsatzbelastung (Druck, Temperatur, Vibration usw.) und Alterung, ist die Härtemessung weitestgehend die einzige Methode, frühzeitig aus dem Härteverlauf mögliche Schädigungsrisiken ableiten zu können. Dabei wird die Härte in den drei wesentlichen Zonen wie Grundwerkstoff (GW), Wärmeeinflusszonen (WEZ) und Schweißnaht (SN) aufgezeichnet und dokumentiert, wobei in der vorderen und hinteren WEZ und in der Schweißnahtzone jeweils bestimmte Härtespitzen nicht überschritten werden dürfen und die Härte in der Schweißnaht sich nicht stark vom Grundwerkstoff unterscheiden sollte, z.B. DIN EN 288-3 (vgl. Abb. 1).
Abbildung 1: Schema der Wärmeeinflusszonen mit Darstellung von Grundwerkstoff, Wärmeeinflusszonen und Schweißnaht
Im anderen Fall wird in der Regel eine zusätzliche Wärmebehandlung notwendig bzw. die (teure) Ausführung einer neuen Schweißnaht. Wie die Schweißnahtprüfung zu erfolgen hat ist DIN EN 1043-1 zu entnehmen.
Die portable UCI-Härtemessung (Ultrasonic Contact Impedance) hat sich auf diesem Gebiet als sehr praktikable Methode erwiesen und lässt sich sehr gut an Rohren und Kesseln, von Hand geführt direkt am Bauteil in allen Richtungen anwenden. Die herausstehende Vickers-Diamantspitze ermöglicht eine exzellente Positioniergenauigkeit der Prüfsonden (vgl. Abb. 2) und es können der Bauteilrand (Schnittkanten gemäß EN ISO 1090, HV10) vor dem Schweißprozess, oder durch den mikroskopische kleinen Prüfeindruck die sehr schmalen WEZ exakt abgetastet werden. Die UCI-Härtemessung ist schnell (Taktraten 2 sec), da der Messwert während der Lastaufbringung digital ohne optische Auswertung des Prüfeindrucks entsteht und ohne Verzögerung sofort angezeigt wird.
Abbildung 2: Präzise Positionierung durch Vickers-Diamantspitze ermöglicht genaue Abtastung von Bauteilrändern und Wärmeeinflusszonen (WEZ) bei UCI-Härtemessungen
Daher ist die UCI-Härtemessung auch quasi insitu möglich, d.h. kurzzeitig direkt nach der Wärmebehandlung bzw. nach dem Anarbeiten von Baustählen im heißen Zustand, um dort schnell auf Abweichungen vom Sollzustand reagieren zu können.
Wird der Vickers-Diamant der UCI-Härtemess-Sonde aufgesetzt, entsteht eine charakteristische Frequenzverschiebung in der Schwingung des Resonanzstabes. Diese ist im Wesentlichen eine Funktion der Eindruckoberfläche (Härte) bei bekanntem elastischem Modul des Prüfmaterials. Das UCI-Härtemessgerät SONODUR 3 ist beispielsweise für Stahl mit ca. 210 GPa E-Modul kalibriert und lässt sich so ohne Umstände für die meisten Stähle sofort einsetzen. Während der manuellen Kraftaufbringung wird bei Erreichen der Nennprüfkraft dann der Härtewert genau berechnet. Abweichungen von der Senkrechten zur Bauteiloberfläche wirken sich mit einem Toleranzwinkel von bis zu ±5 Grad erfahrungsgemäß gering aus, weil die Materialkontaktfläche wichtig ist und diese lange die volle Ankopplung bewirkt. Bei der klassischen Vickers-Härtemessung sind die Abweichungen signifikant ab ±2 Grad durch schlechteres Ausmessen der deformierten Diagonalen.
Wird bei dünnen Rohren die Grenzwanddicke von 3-5mm erreicht bzw. unterschritten, können störende Resonanzen die Ergebnisse verfälschen. Hier hilft die Möglichkeit der Signalanalyse, um zweifelhafte Ergebnisse zu eliminieren bzw. eine qualifizierte Aussage zur Anwendbarkeit des UCI-Verfahrens zu treffen, wie es beispielsweise das SONODUR 3 bietet
Andere mobile Prüfverfahren wie das Rückprall-Prüfverfahren nach Leeb (seit 1974) sind im Bereich des Rohr- und Kesselbaus nur bedingt geeignet, da der Prüfeindruck vergleichsweise groß ist und an engen WEZ nicht einsetzbar und die Wanddicke nachteilig auf die Ergebnisse wirken kann. Damals galt das Prüfverfahren als revolutionär. Leider wurden viele Geräte für Anwendungen gekauft, bei denen die Methode begrenzt ist, was zu Verwirrung hinsichtlich der Genauigkeit führte.
Wenn das Rückprall-Verfahren (z.B. der Leeb Sensor des SONODUR 3, SONO D) in der richtigen Anwendung eingesetzt wird, sind die Ergebnisse recht genau bei einfacher Anwendung und hoher Wiederholbarkeit.
Verfahren nach dem Rockwell-Prinzip mit niedriger Prüfkraft und klassische mobile Vorrichtungen nach Vickers haben sich nicht etablieren können, da der Einsatzbereich am Bauteil zu sehr eingeschränkt ist (Kurvenstücke, andre Unebenheiten im Bereich der Schweißnaht, Einbaulage des Rohres, Erreichbarkeit der Prüfposition etc.).
Abbildung 3: Darstellung eines Querschliffs mit Härtezonen
Die Härte-Messung erfolgt nun häufig von Hand mit der UCI-Sonde, wobei in einem definierten Arbeitsablauf nacheinander die einzelnen Zonen wie GW1, WEZ1, SN, WEZ2 und GW2 abgetastet werden, und zwar bei Rohren an mindestens zwei Stellen des Umfangs (180 Grad oben und unten bei liegenden Rohren). Zudem muss auch noch der Prüfort und die Reihenfolge bzw. Messrichtung der Messungen festgehalten werden (z.B. Flussrichtung des Mediums im Rohr).
Früher hat ein Prüfer die Messung ausgeführt, während ein Zweiter die Messergebnisse auf einem Blatt Papier notiert hat. Eine anschließende Bewertung der Ergebnisse war extrem umständlich, da bei offenkundigen Fehlmessungen die Berechnungen für eine Qualitätsbeurteilung manuell ausgeführt werden mussten.
Moderne UCI-Messgeräte wie das SONODUR 3 geben heute durch die grafische Darstellung der Ergebnisse sofort Feedback über die mögliche Verteilung von Härtewerten in den einzelnen Zonen neben einer umfassenden Dokumentation der Einzelergebnisse mit Statistiken. Der Prüfer kann verdächtige Werte sofort verifizieren, indem er in der Nähe weitere Messpunkte setzt und gegebenenfalls Ergebnisse aus der Betrachtung ausschließt, die aus der falschen Zone stammen könnten oder andere Ursachen haben. Mehrere Messpunkte werden innerhalb der jeweiligen Zonen verteilt und am Ende die jeweils für das Prüfergebnis signifikanten Ergebnisse wie von den jeweiligen Vorschriften verlangt dokumentiert.
Wählt man die jeweils ungünstigen Ergebnisse, nennt man das „worst case“ Ansatz. Die Messwerte dürfen dabei nach Tabelle und Norm in keinem Fall die vorgegebenen Grenzwerte für die einzelnen Stähle überschreiten, wobei einzelne Ausreißer toleriert werden können. Die zusammengefassten Ergebnisse werden dann üblicherweise einer übergeordneten Stelle zur Freigabe vorgelegt.
Einzigartig ist das Magnetstativ SONO MS2 mit x-y-Verstellung (Abb. 4). Es ist mit seiner hohen mechanischen Stabilität die derzeit einzige Einrichtung mit geführter Messung quer zur Schweißnaht, mit der HV10 UCI Messungen durchgeführt werden können. Das Stativ hat den großen Vorteil, dass bei ebener Prüfoberfläche die Topologie der Schweißnaht ortsgenau abgebildet werden kann.
Abbildung 4: Magnetstativ SONO MS2 mit x-y-Verstellung für UCI-Sonden des SONODUR Härtemesssystems
Als wirksames Werkzeug für die UCI-Härtemessung bei Schweißnahtprüfung an Rohren und Kesseln hat sich das SONODUR 3 herausgestellt.
Das UCI-Härtemessgerät hat eine hohe Funktionalität zur bestmöglichen Unterstützung der Prüfer.
Dem Gerät steht das breiteste Portfolio an Sonden mit den Standardprüfkräften 10 N, 49 N und 98 N (Handmess-Sonden), Stativsonden (identische Prüfkräfte) und 1 N oder 3 N oder 8,6 N (Motor-Mess-Sonden) zur Verfügung. Dies beinhaltet klassische Handmess-Sonden in unterschiedlichen Ausführungen der Sondenspitzen, um unterschiedlich gut zugängliche Messstellen zu erreichen. Motorsonden liefern auch bei hohen Härten eine maximale Reproduzierbarkeit der Messwerte durch ihre gleichförmige Kraftaufbringung und die einfache Anwendung mit speziellen Sondenfüßen auf ebenem und gekrümmtem Untergrund. Auch Stativsonden können mit Sondenfüßen ausgestattet werden, die beispielsweise der Krümmung der zu messenden Rohre oder Biegungen in Kesseln entsprechen (vgl. Abb. 5).
Weiter kann SONODUR 3 mit HV10UCI-Sonde simultan den HV-Wert in die Zugfestigkeit gemäß EN ISO 18265-2019 für die verschiedenen Stahlsorten umwerten und anzeigen. Die zwischengespeicherten Messwerte könnten jeder für sich mit Toleranzschwellen verglichen werden, um kritische Messwerte leichter zu finden. Die Originalmessungen können permanent im Gerät zur Nachverfolgung gespeichert werden, während die für die Protokollierung ausgewählten Messergebnisse gesondert abgelegt werden bzw. per WLAN oder Bluetooth übertragen werden können.
Abbildung 5: Beispielhafter Aufbau einer Messung zur Überprüfung der Wärmeeinflusszonen einer Schweißnaht mit dem UCI-Verfahren
Immer wiederkehrende Aufgaben (Versuchsführungen, Justierzahlen, Toleranzschwellen) lassen sich im SONODUR 3 speichern und wieder aufrufen. Dies ist vor allem dann hilfreich, wenn Vergleichsmessungen an Referenzstücken im Labor erfolgt sind, die z.B. in einzelnen Zonen unterschiedliche E-Moduleigenschaften aufweisen könnten.
Mit dem SONODUR 3 bietet FOERSTER eine mobile und leistungsstarke Lösung für die UCI-Härteprüfung unter anspruchsvollen Einsatzbedingungen. Die große Auswahl an anschließbaren Sonden – von leichten Handsonden bis hin zu präzisen Motor- und Stativsonden – deckt ein breites Spektrum an Prüflasten und Bauteilgeometrien ab. Ob an gekrümmten Kesselwänden oder in schmalen Wärmeeinflusszonen – der SONODUR 3 passt sich flexibel an Ihre Prüfaufgabe an und ermöglicht zuverlässige Härteprüfungen auch unter schwierigen Bedingungen.