Welche Prüfnormen gelten für hochwertige Metallschweißteile?

Wichtige Schweißnormen für das Schweißen von Metallteilen

ASME Section IX im Vergleich zu AWS D1.1: Zweck, Anwendungsbereich und Bedeutung für das Schweißen von Metallteilen

Abschnitt IX des ASME-Codes legt die grundlegenden Regeln fest, die erforderlich sind, um Schweißverfahren und die daran beteiligten Personen zu qualifizieren. Dies trägt dazu bei, eine gleichbleibende Qualität in Systemen zu gewährleisten, bei denen Sicherheit oberste Priorität hat, wie beispielsweise bei Gasleitungen oder Dampfkesseln. Der AWS D1.1-Standard verfolgt einen anderen Ansatz und konzentriert sich darauf, sicherzustellen, dass Konstruktionen auch unter Belastung intakt bleiben. Er behandelt Aspekte wie die Gestaltung von Schweißverbindungen, welche Inspektionsprüfungen notwendig sind und wann Fehler in Schweißnähten dennoch als für den praktischen Einsatz akzeptabel gelten, beispielsweise bei Brückenstützen oder Gebäudegerüsten. Bei metallischen Bauteilen, die geschweißt werden müssen, legt Abschnitt IX fest, wie getestet wird, ob eine Schweißnaht den Anforderungen genügt, während D1.1 im Wesentlichen definiert, was als ausreichend gut gilt, sobald diese Teile im Einsatz sind. Diese beiden Standards ergänzen sich tatsächlich sehr gut. Der eine stellt sicher, dass alle korrekten Verfahrensschritte eingehalten werden, der andere prüft, ob die Schweißnähte den realen Kräften und Lasten auch tatsächlich standhalten.

Branchenspezifische Normen: API RP 2X (Offshore), CSA W47.1 (Kanada) und ISO 5817 (globale Fertigung)

Kritische Anwendungen erfordern maßgeschneiderte Normen, die einzigartige Umwelt- und Betriebsanforderungen berücksichtigen:

• API RP 2X : Schreibt Zähigkeitsprüfungen – einschließlich Drop-Weight- und Kerbschlagbiegeprüfungen – für Offshore-Metallschweißteile vor, die submarinen Drücken, zyklischer Belastung und Einsatz bei niedrigen Temperaturen ausgesetzt sind.
• CSA W47.1 : Erfordert eine formelle Unternehmenszertifizierung für kanadische Bauprojekte, mit Schwerpunkt auf dokumentierten Prüfungen von Schweißverfahren und unabhängiger Überwachung der Produktions-Schweißer durch Dritte.
• ISO 5817 : Bietet weltweit harmonisierte Klassifizierungen von Unregelmäßigkeiten – zur Standardisierung der Bewertung von Porosität, Einschlußfehlern, Fehlausrichtung und unvollständiger Verschmelzung in internationalen Fertigungsketten.

Diese schichtweise Standardisierung stellt sicher, dass Metallschweißteile unter Belastungen zuverlässig funktionieren, die von korrosiven maritimen Umgebungen über seismische Ereignisse bis hin zu kryogenen Bedingungen reichen – ohne für niedriger riskante Anwendungen überdimensioniert zu sein.

Zerstörungsfreie Prüfverfahren (NDT) für Metallschweißteile

Die zerstörungsfreie Prüfung (NDT) ermöglicht die Erkennung kritischer Fehler in Metallschweißteilen, ohne die strukturelle Integrität zu beeinträchtigen. Diese Verfahren sind unverzichtbar, um die Schweißqualität in Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Energieinfrastruktur und Schwermaschinenbau zu validieren – wo die Folgen von Ausfällen von kostspieligen Stillständen bis hin zu lebensbedrohlichen Vorfällen reichen können.

Radiografische (RT) und Ultraschall-(UT)-Prüfung: Nachweismöglichkeiten und Anforderungen gemäß ASTM E94/E164

Die radiografische Prüfung, kurz RT, funktioniert, indem Röntgen- oder Gammastrahlen durch Materialien gesendet werden, um innere Fehler wie winzige Luftblasen, eingeschlossene Schlackenreste oder Bereiche mit unvollständiger Metallverbindung zu erkennen. Sie eignet sich hervorragend zur Aufdeckung solcher Probleme, erfordert jedoch strenge Sicherheitsmaßnahmen bezüglich der Strahlenexposition und liefert nicht immer klare Bilder von Vorgängen in größeren Materialtiefen. Im Gegensatz dazu sendet die Ultraschallprüfung (UT) hochfrequente Schallwellen aus, die sehr kleine Fehler bis zu einer Tiefe von etwa einem halben Millimeter erkennen kann. Dies macht sie besonders nützlich bei der Untersuchung dicker geschweißter Bauteile. Beide Verfahren erreichen eine Genauigkeit von über 95 Prozent, wenn sie nach Normen wie ASTM E164 für UT und ASTM E94 für RT durchgeführt werden. Ihre gemeinsame Stärke liegt in ihren unterschiedlichen Vorzügen: RT erzeugt dauerhafte Bilder, die Prüfer später erneut einsehen können, während UT unmittelbares Feedback über die Dicke von Bauteilen und die genaue Lage von Fehlerstellen liefert. Aus diesem Grund wird UT häufig bevorzugt bei laufenden Wartungsprüfungen und automatisierten Inspektionssystemen.

Oberflächenprüfung: Visuelle (VT), Eindring- (PT) und Magnetpulverprüfung (MT)

Oberflächenorientierte ZfP-Verfahren zielen mit unterschiedlichen physikalischen Prinzipien auf von außen zugängliche Fehler ab:

Die Sichtprüfung oder VT gilt weiterhin als primäre Methode für Qualitätskontrollen in verschiedenen Branchen. Die meisten Einrichtungen folgen dem Standard von mindestens 500 Lux Beleuchtung gemäß den Richtlinien von AWS B1.11 und schließen dies in viele ihrer regulären Produktionsschichten ein. Bei der Suche nach winzigen Oberflächenrissen eignet sich die Eindringprüfung gut. Das Verfahren beruht auf Kapillarwirkung, bei der die Flüssigkeit in Fehlerstellen eindringt, wobei jedoch alles gründlich gemäß den Vorgaben der Norm AMS 2647 vorher gereinigt werden muss. Bei magnetischen Materialien erzeugt die MT-Prüfung ein Magnetfeld um die Bauteile herum und trägt anschließend fluoreszierende Partikel auf, die leuchten, wenn eine Unterbrechung im magnetischen Fluss vorliegt. Diese drei Prüfverfahren sind nicht nur empfohlen, sondern erfordern eine Zertifizierung durch ASNT-Level-II-Prüfer, die geschult sind, Fehler zuverlässig zu erkennen und Interpretationsfehler zu minimieren.

Zerstörende Prüfung und mechanische Validierung von Metallschweißteilen

Geführte Biege- und Nick-Break-Versuche: Beurteilung der Integrität der Schweißnahtzone gemäß AWS B4.0

Der geführte Biegeversuch prüft, wie gut ein Material sich dehnen lässt, bevor es bricht, und bestätigt, ob die Schweißnaht über die gesamte Fügezone hinweg eine gute Kontinuität aufweist. Laut AWS B4.0-Normen werden bei Betrachtung von Stirnbiegungen, Wurzelbiegungen und Seitenbiegungen Risse, unvollständige Verschmelzungsbereiche oder Blasen in der wärmebeeinflussten Zone deutlich sichtbar. Dies ist besonders wichtig bei Kohlenstoff- und niedriglegierten Stählen, bei denen kleine Fehler später zu großen Problemen führen können. Wenn ein einziger Riss in einer Probe mit 19 mm Dicke größer als 3,2 mm ist, bedeutet dies, dass das Metall zu spröde geworden ist, um sicher zu sein. Der Kerbschlagbruchversuch ergänzt dieses Verfahren. Indem eine Kerbe in die Mitte der Schweißnaht eingebracht und dann mit einem Hammer geschlagen wird, können Prüfer versteckte Mängel wie eingeschlossene Schlacke oder winzige Luftporen erkennen, die während des Schweißens entstanden sein könnten. Laut AWS B4.0-Dokumentation dürfen gesamte Fehler auf gebrochenen Flächen bei tragenden Bauteilen 1,6 mm nicht überschreiten. Diese zerstörenden Prüfverfahren sind etwa 40 % kostengünstiger als aufwändige zerstörungsfreie Verfahren, liefern aber dennoch Hinweise auf ordnungsgemäße Verschmelzung bei mehr als 90 % aller strukturellen Schweißnähte. Trotz neuerer Technologien setzen diese traditionellen Methoden weiterhin den Standard für die Qualifizierung von Schweißverfahren in der gesamten Industrie.

Zug-, Schlag- und Härteprüfung: Verknüpfung von Daten mit Gebrauchseigenschaften und Sicherheitsmargen

Zugversuche geben Aufschluss über die Bruchfestigkeit und Streckgrenze von Materialien, was besonders wichtig ist, um zu prüfen, ob Schweißnähte an Rohrleitungen den API-1104-Normen entsprechen. Gemäß diesen Richtlinien darf die Festigkeit nicht um mehr als 20 % gegenüber dem Grundwerkstoff abnehmen. Beim Charpy-V-Notch-Test wird hingegen die Zähigkeit des Materials gegenüber Rissbildung bei unterschiedlichen Temperaturen untersucht. Für Bauteile, die offshore eingesetzt werden, muss eine Energieaufnahme von mindestens 27 Joule bei minus 40 Grad Celsius gewährleistet sein, damit sie unter rauen Seebedingungen nicht plötzlich brechen. Bei der Prüfung der Härte über die Schweißbereiche mithilfe von HV10-Messungen achtet man auf lokal überschießende Härte des Metalls. Bildet sich Martensit in Bereichen mit einem Härtegrad über 350 HV, steigt die Gefahr von Rissbildung, insbesondere in Umgebungen mit sauren Gasen gemäß den Anforderungen nach NACE MR0175. Die Zusammenführung all dieser Werte ermöglicht es Ingenieuren, die reale Leistungsfähigkeit geschweißter Verbindungen besser einzuschätzen.

• Die Zugfestigkeit entspricht oder übertrifft die des Grundwerkstoffs und gewährleistet so einen Überlastschutz
• Die Schlagzähigkeit >40 J unterstützt die Rissausbremsung in Szenarien mit hochzyklischer Ermüdung
• Härtegradienten <100 HV/mm verringern die Gefahr wasserstoffbedingter Risse in anfälligen Legierungen

Bestätigte mechanische Eigenschaften schaffen messbare Sicherheitsmargen – was Feldausfälle in anspruchsvollen Anwendungen wie Druckbehältern, Hebezeugen und Tragkonstruktionen für Rotationsmaschinen um 63 % reduziert

Kriterien zur Akzeptanz von Schweissnahtfehlern gemäss wichtigen Normen für metallische Schweissbauteile

Die internationalen Normen legen spezifische Regeln darüber fest, was bei Fehlern in geschweißten Metallteilen als akzeptabel gilt. Nehmen Sie beispielsweise ISO 5817, die die Qualität in drei Hauptkategorien einteilt. Stufe B ist die oberste Kategorie, gefolgt von Stufe C, die mittlerer Güte ist, und schließlich Stufe D, die die großzügigste ist. Jede Stufe hat unterschiedliche Vorgaben hinsichtlich Dingen wie winzigen Löchern im Metall (Porosität), kleinen Rillen entlang der Kante (Untergratbildung) und dem Maß der fehlerhaften Ausrichtung (Fehlausrichtung). Wenn wir über Stufe B sprechen, handelt es sich hierbei um besonders kritische Anwendungen wie Druckbehälter oder Bauteile in Kernanlagen. Solche Anwendungen vertragen nur sehr kleine Poren, die fast zu klein zum Sehen sind, und jeglicher Untergrat darf an hochbelasteten Stellen nicht tiefer als einen halben Millimeter sein. Stufe C erlaubt größere Ansammlungen von Poren mit etwa einem Millimeter Durchmesser sowie etwas tiefere Untergrate bei normalen Konstruktionen. Dann gibt es noch AWS D1.1, eine weitere Norm, die je nach Art des zu errichtenden Bauwerks noch detailliertere Vorgaben macht. Brückenstützen beispielsweise unterliegen strengeren Regelungen bezüglich Risse im Vergleich zu herkömmlichen Gebäuden, die nicht für Erdbeben ausgelegt sind. All diese sorgfältig ausgearbeiteten Richtlinien tragen dazu bei, Katastrophen zu verhindern, und stellen gleichzeitig sicher, dass funktionstüchtige Teile nicht wegen geringfügiger Mängel aussortiert werden. Hersteller können so ihre Qualitätsprüfungen an das tatsächlich erforderliche Sicherheitsniveau, an gesetzliche Vorschriften und an die vorgesehene Lebensdauer des Produkts anpassen, bevor ein Austausch notwendig wird.

Schweißverfahrensprüfung (WPQ/PQR) als Grundlage für gleichbleibende Qualität von Metallschweißteilen

Von der Qualifizierung zur Produktion: Wie validierte Verfahren Ausfälle im Feld verhindern

Das Verfahrensprüfprotokoll (PQR) und die Schweißverfahrensanweisung (WPS) bilden im Grunde das Fundament, das verhindert, dass die Fertigung geschweißter Metallteile auseinanderfällt. Bevor Produktionsläufe beginnen, müssen Schweißer Prüfplatten unter strengen Bedingungen bearbeiten und dabei zahlreiche Parameter dokumentieren, wie z. B. Wärmeeinbringung, Art des verwendeten Zusatzwerkstoffs, Vorwärmtemperatur und die eigentliche Geometrie der zu schweißenden Naht. All diese Angaben fließen in das PQR-Dokument ein. Danach folgt der zerstörende Prüfabschnitt, bei dem Proben gemäß AWS-Normen gebogen, gedehnt und geätzt werden, um zu überprüfen, ob alles den in der Konstruktion festgelegten Vorgaben entspricht. Sobald dies bestätigt ist, übernimmt die WPS diese erfolgreichen Einstellungen und wandelt sie in detaillierte Arbeitsschritte für die Serienfertigung um. Laut einer Studie von ASM International aus dem vergangenen Jahr eliminiert die Einhaltung dieses Prozesses etwa 72 % der typischen Schweißfehler, die in der Praxis auftreten. Dazu gehören unvollständige Durchschweißungen, später entstehende Wasserstoffrissbildung oder starke Verzugsbildung beim Abkühlen. Fertigungsunternehmen, die strikt bei den während der Qualifizierung festgelegten Vorwärmtemperaturen und Schweißgeschwindigkeiten bleiben, konnten Porositätsprobleme, die Nacharbeit erfordern, um fast 91 % reduzieren, was sich erheblich auf die Kostenbilanz auswirkt. Jeder einzelne Schweißnaht muss nachweislich auf eine spezifische, getestete Einstellung in den Aufzeichnungen zurückführbar sein. Dadurch wird vollständige Rückverfolgbarkeit gewährleistet und verhindert, dass willkürlich gearbeitet wird. Wenn Unternehmen diese Grundlage ignorieren, können zufällige thermische Schwankungen oder falsche Zusatzwerkstoffe verborgene Schwächen im Metall verursachen. Solche Fehler zeigen sich möglicherweise erst, wenn ein Bauteil im Einsatz bricht, was ernsthafte Sicherheitsrisiken birgt und – wie jüngste Erkenntnisse des Ponemon Institute zeigen – Hunderttausende an Rückrufkosten verursachen kann. Eins steht also fest: PQR/WPS ist nicht nur bürokratischer Papierkram. Es ist vielmehr die erste wirkliche Verteidigungslinie, die Ingenieure errichten, um Versagen nach Inbetriebnahme der Produkte zu verhindern.