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Stahlhülle unter Druck

Automatisierung der Vickers-Härteprüfung beim U-Boot-Bau
Stahlhülle unter Druck

Schutzhüllen von U-Booten aus geschweißtem, hochfestem Stahl müssen erheblichen Druckschwankungen standhalten. Mithilfe von automatisierten Vickers-Prüflösungen und neuen, bildgebenden Verfahren wird die Schweißqualität noch während der Produktion kontinuierlich gesichert.

Durch die zunehmenden Anforderungen an technische Werkstoffe sowie hohe Erwartungen an die Lebenserwartung von Produkten spielen Materialprüfungen eine immer wichtigere Rolle in Produktentwicklung und Qualitätssicherung. Eine der genauesten Prüfungen zur Bestimmung der Härte moderner Legierungen ist die Prüfung nach Vickers. Sie wurde in den zwanziger Jahren von der Vickers Company in Großbritannien zur Prüfung von Panzerblech entwickelt und ist speziell für die Charakterisierung von Werkstoffen mit sehr harten Oberflächen ausgelegt.

Dazu gehört auch die Auswertung der Härte in Wärmeeinflusszonen (WEZ); dies ist ein Bereich des Grundmaterials, der seine Mikrostruktur und Eigenschaften durch Schweißen verändert. Die Wärmebehandlung ist eine der Hauptursachen, die Werkstoffleistungen negativ beeinflussen.
Bei der Vickers-Härteprüfung wird eine vierseitige Diamantpyramide mit definierter Prüfkraft und festgelegter Einwirkdauer in die Oberfläche des Materials eingedrückt. Der dadurch entstehende diagonale Eindruck wird mit Hilfe eines Mikroskops vermessen und der entsprechende Vickers-Härtewert aus einer Tabelle abgelesen.
Vickers-Härte-Prüfsysteme sind in anspruchsvollen Qualitätskontrollen wie bei der Untersuchung von Schweißnähten an U-Booten oder wärmebehandelten Hochleistungs-Werkmaschinen im Einsatz. Die fortschrittlichsten Prüflösungen nutzen eine automatisierte Steuerung mit spezieller Software, um den Prüfablauf zu beschleunigen. Hinzu kommen neue Bildgebungsverfahren, die eine Analyse der kompletten Schweißverbindungen ermöglichen und damit großflächige Auswertungen unterstützen.
Ein Beispiel für eine Vickers-Härteprüfung ist die Untersuchung der Schutzhüllen von Atom-U-Booten durch die BAE Maritime Systems Submarines in Cumbria, Großbritannien. Die Hüllen werden aus geschweißtem, hochfestem Stahl (Naval Quality 1) gefertigt und müssen im Verlauf der geplanten 30-jährigen Lebensdauer des U-Boots erhebliche Druckschwankungen überstehen.
Die Untersuchung einer U-Boot-Hülle erfordert daher eine umfassende Reihe an zerstörenden und nicht-zerstörenden Prüfungen am Grundmetall, den Wärmeeinflusszonen und den Schweißnähten. Änderungen der Werkstoffe, des Verbindungsdesigns oder der Schweißtechnik können die Festigkeit erheblich beeinflussen. Die Schweißqualität muss daher noch während der Produktion des Bootes kontinuierlich gesichert werden.
Die Überprüfung erfolgt durch drei parallele Härteprüfverläufe zu beiden Seiten der Schweißnähte. Eine manuelle Untersuchung mit herkömmlichen Prüfgeräten ist zeit- und kostenaufwändig. Zudem gibt es Einschränkungen bei der Speicherkapazität der Messbilder sowie den mechanischen Bewegungen des Gerätes.
Die ideale Lösung ist ein Automatisierungs- und Prüfsystem, das Prüfzeiten reduziert und den höchsten Qualitätsstandard erreicht und einhält. Das Unternehmen BAE Materials Technology Centre hat sich daher für ein Vickers-Micro/Makro-Härteprüfsystem von 2 bis 300 N von Zwick Roell Indentec entschieden – mit automatischem Eindringverlauf, motorischem XYZ-Tisch, mehreren Objektiven und Scansoftware.
Das Besondere an diesem System ist, dass es Bilder einzelner Messstellen (Abstand circa 250 µm) automatisch zusammensetzt und damit auch großflächige Auswertungen unterstützt. Jeder Messpunkt wird auf der Basis einer definierten Einwirkkraft erstellt. Belastung und Abstand sind dabei so gewählt, dass die Auflösung noch ausreicht, um auch mikrostrukturelle Unterschiede innerhalb der gefertigten Verbindung differenzieren zu können. Die Untersuchungen können von wenigen Punkten einer Wärmeeinflusszone auf mehr als 25 000 Punkte zur Abdeckung einer kompletten Schweißnaht ausgeweitet werden.
Untersuchungen von T-Stoßnähten
Die Härteprüfung nach Vickers wird darüber hinaus als Forschungs- und Entwicklungstool eingesetzt, um die Zusammensetzung neuer Werkstoffe und Schweißmaterialien zu optimieren. Eine typische Anwendung ist die Untersuchung der T-Stoßnähte beim UP-Schweißen, ein Hochleistungs-Lichtbogenschweißverfahren.
Ziel ist unter anderem, Aufmischung und Gefügeveränderung des Grundmaterials zu erkennen. Während das Schweißgut selbst keine erkennbaren Bereiche höherer Härte in Verbindung mit der Aufmischung des Grundmaterials aufweist, können im Mikrobereich durchaus verhärtete Streifen in einzelnen Schweißlagen auftauchen. Untersuchungen zeigen einen eindeutigen Zusammenhang zwischen der Spitzenhärte einer Schweißlage und Bereichen hoher Härte in der Wärmeeinflusszone.
Eine präzise Messtechnik ist auch Voraussetzung für eine Crack Tip Opening Displacement (CTOD) Prüfung, um den Widerstand eines Werkstoffs gegen Risswachstum zu bestimmen. Das erlaubt nicht nur die Optimierung von Schweißtechnik, Verbindungsdesign und Schweißzusätzen. Es bietet auch die Möglichkeit eine umfangreichere Datenbank als bisher über das Bruchzähigkeitsverhalten von Schweißstellen zu erstellen. ■
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