DE102008025645B4

DE102008025645B4 - Probe für ein Prüfverfahren zum Nachweis von inneren Heißrissen sowie eine Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer solchen Probe und die Verwendung der Probe zur Detektion eines inneren Heißrisses

Info

Publication number: DE102008025645B4
Application number: DE102008025645A
Authority: DE
Inventors: Holger Gruss
Original assignee: LFK Lenkflugkoerpersysteme GmbH
Current assignee: MBDA Deutschland GmbH
Priority date: 2008-05-28
Filing date: 2008-05-28
Publication date: 2010-04-15
Anticipated expiration: 2028-05-29
Also published as: DE102008025645A1

Abstract

Probe (1) für ein Prüfverfahren zum Nachweis innerer Heißrisse, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe (1) aus einem ersten flachen Bauteil (2) besteht, auf dem in einem Winkel von 90° ein zweites flaches Bauteil (3) steht, das in einer Linie, jedoch mit einem Abstand (6) zu einem dritten flachen Bauteil (4) so ausgerichtet ist, dass zwischen dem zweiten Bauteil (3) und dem dritten Bauteil (4) ein Abstand (6) vorhanden ist, wobei die Bauteile (2, 3) sowie die Bauteile (2, 4) jeweils durch eine Schweißnaht (11) miteinander verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Probe für ein Prüfverfahren zum Nachweis innerer Heißrisse nach Anspruch 1, sowie eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Probe gemäß den Ansprüchen 6 und 12 und die Verwendung der Probe gemäß Anspruch 13 zur Detektion eines inneren Heißrisses an einer derartigen Probe.
Heutzutage werden im Flugzeugbau Stringer durch Nieten und/oder Kleben bzw. Schweißen direkt auf der Innenseite des Hautblechs aufgebracht. Dabei stellt der Stringer Längsversteifungen parallel zur Flugrichtung dar. Die Stringer ermöglichen eine Formgebung des Rumpfes und dienen dazu, Luft-, Massen- und Behälterwandkräfte aufnehmen und weiterleiten zu können. Dabei sind die Belastungen in erster Linie Längskräfte, die aus Biegungen um Hoch- oder Querachsen resultieren.
Derartige Schweißverbindungen von Stringern im Flugzeugbau sind nicht ganz unproblematisch, da sich dort so genannte Heißrisse auftun können. Ein Heißriss wird als eine Materialtrennung bezeichnet, die entlang der Korngrenzen verläuft. Heißrisse können durch die beim Schmelzschweißen erfolgte Abkühlung und bei Vorliegen eines Erstarrungs- und Schmelzintervalls sowohl im Schweißgut als auch in der Wärmeeinflusszone hervorgerufen werden.
Die Industrie orientiert sich heute am übergeordneten Kriterium flüssiger Korngrenzen als spezifische Systemeigenschaft. Auf diese Weise werden auch den metallurgischen Vorgängen beim Erstarren und beim Anschmelzen in der Wärmeeinflusszone Rechnung getragen. Da jedoch während der Abkühlphase beim Schmelzschweißen ein Durchlaufen des Erstarrungs- und Schmelzintervalls unvermeidbar ist, besit zen die Legierungen aller Werkstoffklassen eine höhere oder geringere Heißrissneigung. Dabei werden Heißrisse nach ihrer Entstehungsart und -form unterschieden. Im Schweißgut vorhandene Heißrisse werden als Erstarrungsrisse bezeichnet. Diese Erstarrungsrisse sind Folge einer Abkühlung und behinderten Materialschrumpfung. Dabei erscheinen Erstarrungsrisse makroskopisch, reichen im Normalfall bis an die Oberfläche und lassen sich daher oft mit bloßem Auge erkennen. Daraus ist zu folgern, dass die bei Erstarrungsrissen vorliegende Materialtrennung im Verhältnis zur Schweißnahtdicke sehr groß ist und damit ist ihr Einfluss auf die statische und dynamische Festigkeit erheblich.
Als Wiederaufschmelzrisse sind jene Heißrisse klassifiziert, die entweder im Grundwerkstoff oder im angrenzenden Schmelzgut an der Fusionslinie vorliegen. In der Regel sind sie direkt mit der Fusionslinie jedoch verbunden. Teilweise reichen deren Ausläufer jedoch in das Schweißgut hinein. Ihre Entstehung geht stets mit dem temporären Auftreten flüssiger Korngrenzenfilme einher. Das Auftreten dieser Rissart wird sowohl durch die geringe Menge an Schmelze in der Fusionszone im Vergleich zum Zweiphasen-Gebiet als auch durch eine Schrumpfbehinderung des Bauteiles in Zusammenhang gebracht. So entsteht unter der Voraussetzung einer verhältnismäßig konstanten Zugspannung der Riss an dem Ort, der das geringere Volumen an Schmelze aufweist.
Die Voraussetzungen für die Entstehung von Erstarrungsrissbildungen liegen darin, dass die Grenzen des Zweiphasen-Gebietes durch die Liquidus- und Solidus-Isothermen gebildet werden. Dabei sind die festen Bestandteile im Zweiphasen-Gebiet zum Teil oder vollständig mit Schmelze bedeckt. Es versteht sich, dass während der Erstarrung der Werkstoff schrumpft. Die Erstarrungsgeschwindigkeit bei Aluminium beträgt ca. 6,6%. Diese Schrumpfung ist dabei Ursache für eine Materialtrennung. Die entstehenden Zugdehnungen innerhalb der Schweißzone werden komplett aus den erstarrten Bereichen von den Dentriden des Zweiphasen-Gebietes auf den mechanisch schwach beanspruchten Film der Restschmelze übertragen.
Eine so hervorgerufene Verformung ist umso stärker, je größer die örtliche Ausdehnung eines solchen Filmes ist. Sobald diese Verformungen das Verformungsvermögen der Restschmelze übersteigen, wird ein Heißriss hervorgerufen. Die Beanspruchung ist dabei ein Resultat thermomechanischer Prozesse-Spannungs- bzw. Dehnungsverteilung. Die Beanspruchbarkeit indes wird von den Erstarrungsprozessen beherrscht und hängt von den Werkstoffeigenschaften sowie die chemische Zusammensetzung, den realen Liquidus- und Solidus-Temperaturen des Flüssigkeitsanteils im Zweiphasen-Gebiet sowie der lokalen Erstarrungszeit ab. Dabei spielt eine übergeordnete Rolle die Temperaturverteilung. Sie hat einen entscheidenden Einfluss auf den Verlauf sowohl der thermomechanischen Prozesse als auch der Erstarrungsprozesse.
Es können jedoch neben der unzureichenden Kompensation des durch die Erstarrungsschrumpfung hervorgerufenen Volumenschwundes weitere Faktoren das Anwachsen der Zugbeanspruchung auf den Zweiphasen-Verbund begünstigen. Hierzu zählen die Belastung durch das Eigengewicht, eine Fremdbelastung der Schweißkonstruktion sowie eine durch thermisch indizierte mechanische Vorgänge hervorgerufene Belastung. Ferner können beispielsweise durch das Aufschmelzen vorhandener Heft- oder Schweißnähte während des Schweißens zusätzlich Eigenspannungen freigesetzt werden, die ebenso zusätzliche lokale Zugkräfte auf den Zweiphasen-Verbund zur Folge haben.
Es ist somit festzuhalten, dass für die Beurteilung des Heißrissverhaltens die Schweißeignung die Hauptanwendung im Rahmen der Schweißbarkeit darstellt. Dagegen spielen die Schweißmöglichkeit – Schweißprozess – und die Schweißsicherheit – Schweißkonstruktion – in den meisten Fällen eine nur untergeordnete Rolle.
Als Stand der Technik sind fremd beanspruchte Heißrisstestverfahren so ausgelegt, dass die in den Proben vorliegenden Bedingungen die tatsächlich auftretenden Beanspruchungen auf das Zweiphasen-Gebiet im Realbauteil übersteigen und so gera de zu Risse provoziert werden. Mit dieser Vorgehensweise kann der Einfluss metallurgischer Effekte auf die Heißrissneigung effektiv herausgearbeitet werden. Es zeigt sich, dass oftmals nur die rissunempfindlichen Werkstoffe für die realen Schweißapplikationen dadurch empfohlen werden, obwohl auch heißrissanfälligere Werkstoffpaarungen durchaus für eine Verwendung geeignet wären. Hier sind beispielsweise Schweißgüter mit einem geringeren Si-Gehalt im Schweißgut geeignet, da sie ein höheres Verformungsvermögen aufweisen.
Es ist deshalb zur Vermeidung unzulässiger Beanspruchungen in Schweißkonstruktionen ein Nachweis für Schweißnahtfestigkeiten für den schadensfreien Betrieb erarbeitet worden. Hierdurch werden nach DIN 29595 die querschnittsbezogenen Schweißnahtkenngrößen festgelegt.
Die DE 199 57 790 C1 offenbart ein Schweißprüfverfahren mittels einer definierten Schweißung an einer Probe, bestehend aus zwei Probenhälften, die gegebenenfalls auch schon vor der Durchführung des Prüfverfahrens zusammengeschweißt sein können, und einer definierten, externen mechanischen Belastung der Probe. Hierzu ist die Probe vor, während – oder nach Abschluss der im Prüfverfahren an den beiden Probenhälften vorgenommenen Schweißung in der Stärke definierten, externen Zug – und Druckbelastungen ausgesetzt, die in der Probe lotrecht zur Schweißnaht wirken und im Startbereich der Schweißung einen Zugspannungsbereich und im Endbereich der Schweißung einen Druckspannungsbereich erzeugen.
Aus der DE 100 51 061 22 ist ein Verfahren zur Heißrissprüfung an Werkstoffkombinationen von verschiedenen Legierungen bekannt, bei dem an einem Probestück mit definierten Abmessungen entlang einer vorgegebenen Schweißlinie eine fortschreitende Schweißnaht ausgeführt und die Länge von in Richtung der Schweißnaht auftretenden Rissen als Maß für die Heißrissempfindlichkeit des Werkstoffs ausgewertet wird. Hierbei wird das Probestück aus zwei an der Schweißlinie aneinanderstoßenden und aus den verschiedenen Legierungen bestehenden Teilen hergestellt, wobei die beiden Teile des Probestücks bis zum Ausführen der Schweißnaht durch eine Nut-Federverbindung gegen eine Relativbewegung aufgrund thermischer Dehnung aneinander fixiert sind.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, anstelle der Schweißparameter bzw. der äußeren Belastungen als Heißrissprüfbedingungen bauteilrelevante Größen festzulegen bzw. eine Nahtquerschnittsgeometrie zu definieren. Dabei sollen die Einflüsse unterschiedlichster Strategien in Bezug auf verschiedene Werkstoffe, unterschiedliche Prozessführungen und Bauteilgestaltungen auf die Heißrissneigung einer realen Nahtgeometrie festgelegt und miteinander direkt verglichen werden.
Gelöst wird die Aufgabe durch die Verfügungsstellung einer Probe gemäß Anspruch 1, durch die Vorrichtung und das Verfahren zur Herstellung der Probe gemäß Anspruch 6 und 12, sowie die Verwendung der Probe zur Detektierung eines inneren Heißrisses gemäß Anspruch 13.
Die Unteransprüche geben dabei weitere Ausgestaltungen der Erfindung wieder.
Gerade der Flugzeugbau eignet sich dafür, die Erzeugung beispielsweise der Haut-Stringer-Anbindung prinzipiell dem Grundgedanken der frei schrumpfenden selbst beanspruchten Heißrissprüfmethodik zu unterziehen. Bei dieser Methodik werden schweißtechnische, mechanische und metallurgische Einflüsse miteinander gekoppelt und damit ein fertigungsorientierter Ansatz gegeben. Daraus resultiert eine Beurteilung der Erstarrungsrissanfälligkeit der Schweißnaht. Es wird im Unterschied zur realen Schweißkonstruktion bei dieser selbst beanspruchten Heißrissprüfung für T-Stoßverbindungen eine Stringer bzw. Absatzhöhe variabel gestaltet und somit als Bewertungskriterium eingeführt. Unterschreitet die Absatzhöhe ein Mindestmaß, so ist ein Heißriss mit aller Wahrscheinlichkeit nach zu erwarten. Dabei ist das Hauptaugenmerk auf die inneren Heißrisse zu richten, die nach außen hin nicht sichtbar sind. Aus dieser Tatsache heraus wird eine quantifizierbare Korrelation zwischen Mindestabsatzhöhe der Probe und inneren Heißriss hergestellt. Es gibt in der Praxis vielschichtige Gründe, die eine komplexe und konsistente Betrachtung der Heißrissthematik gerade für die T-Stoßanbindung eines Stringers am Hautblech im Flugzeugbau verhindern. Hierzu zählen das Fehlen standardisierter, experimenteller und numerischer zur quantitativen Bewertung der Heißrissneigung feststellbarer Verfahren. Obwohl die Bewertung der Heißrissresistenz unterschiedliche Methoden und Konzepte vorliegen, erweisen sich diese insbesondere im Rahmen steigender Anforderungen an die Bauteilsicherheit zunehmend als unzureichend. Hier wäre als erstes der FanShaped-Test zu nennen. Bei diesem FanShaped-Test werden konstante Prozessparameter wie Laser-, Leistung- und Schweißgeschwindigkeit als Prüfbedingungen vorausgesetzt. Jedoch führen die werkstoffspezifischen thermophysikalischen Eigenschaften zu unterschiedlichen Nahtgeometrien. In Bezug auf die Schweißnahtauslegung, welche durch die Festigkeitsberechnung bestimmt wird, ist somit der direkte Vergleich der Heißrissneigung zwischen den Legierungssystemen streng genommen unzulässig. Weiterhin können quantitative Heißrisskriterien, wie Risslänge aufgrund unterschiedlicher Erstarrungsbedingungen nicht vom I-Stoß auf den T-Stoß übertragen werden.
Ferner gibt es fremd beanspruchte Heißrissprüfverfahren, wie den MVT- und den PVR-Test. Bei diesen Verfahren lässt sich der Einfluss metallurgischer Effekte auf das Heißrissverhalten beurteilen, jedoch nicht aber die Einflüsse des realen Fertigungsprozesses und des Strukturverhaltens. Dabei sind Schweißparameter und selbst gewählte äußere Bedingungen letztendlich die Prüfbedingungen. Die tatsächlichen Schweißbedingungen werden somit nicht berücksichtigt. Auch muss deutlich gesagt werden, dass die meisten Heißrisstests keine inneren Risse berücksichtigen.
Durch die vorliegende Erfindung es möglich, einen Test für innere Heißrissprüfungen aufzustellen, der den realen Gegebenheiten der Praxis entspricht. Durch die variable Absatzhöhe einer Probe ist die Heißrissneigung unterschiedlicher Schweißkonfigurationen bei T-Stoßverbindungen im Nahteinlauf quantifizierbar. Dieses bedeutet, dass die Heißrissbildung vergleichbar mit der Absatzhöhe ist. Eine solche Vergleichbarkeit der Rissergebnisse setzt eine, sich aus der Festigkeitsberechnung ergebende Schweißnahtgeometrie allerdings voraus. Eine weitere notwendige Bedingung stellt die einstufige Umschmelzung der gesamten Stegbreite dar.
Durch die vorliegende Erfindung ist es auch möglich, die Ergebnisse aus dem Verfahren zur Ermittlung eines Heißrisses direkt auf die realen Stoßverbindungen zu übertragen.

Somit ergeben sich unterschiedliche Schweißkonfigurationen in Bezug auf Werkstoff, Prozessgrößen, Bauteilabmessungen sowie Zuführung eines Schweißzusatzstoffes. Die nachfolgende Tabelle enthält einige Konfigurationsbeispiele, die mit dem erfindungsgemäßen Heißrissprüfverfahren untersucht werden können.

Charakteristika	Beispiele
Werkstoff	Unterschiedliche Legierungssysteme und Wärmebehandlungszustände
Bauteilabmessung/Strukturverhalten	Gerader oder angefaster Stringerfuß Ausprägung der Heftnaht (Heftnahtstrategie)
Prozessgrößen	Einseitig oder beidseitige Strahleinkopplung Energieeintrag Energieeintrag durch zusätzliche Wärmequelle Energieabfuhr durch zusätzliche Wärmesenke
Zuführung des Schweißzusatzstoffes	Draht, Formteil, koextrudierter Stringer

Prinzipiell ist die Heißrissprobe für verschiedene metallische Werkstoffe, beispielsweise für Stahl, geeignet. Da sich die Heißrissprobe insbesondere auch auf die Verbindung von Leichtmetallen untereinander bzw. Leichtmetalllegierungen untereinander bezieht, wird innerhalb der Beschreibung auch immer wieder auf das nahe liegende Beispiel eines Haut-Bleches und eines Stringers bei einem Flugzeug zurückgegriffen.
Um überhaupt eine Probe herstellen zu können, bedarf es für reproduzierbare Überprüfungen eine Vorrichtung, auf der die Probe flächig fixierbar ist. Die Vorrichtung umfasst im Wesentlichen eine Grundplatte mit einer Auflagerfläche sowie mehrere Befestigungsmittel zum flächigen Fixieren eines ersten Bauteils auf der Grundplatte.
Die Befestigungsmittel können dabei in unterschiedliche Weise ausgebildet sein, beispielsweise in Form von mechanisch betätigbaren Niederhalter. Denkbar ist auch, dass die Befestigungsmittel derart ausgebildet sind, dass das erste Bauteil mittels Unterdruck (Vakuum) oder Magnetismus auf der Grundplatte fixiert ist.
Die Grundplatte ist vorzugsweise als eine Eisenplatte/Stahlplatte ausgebildet.
Vorzugsweise weist die Grundplatte eine Isolierschicht auf, wobei diese Isolierschicht auch ein Isoliermaterial sein kann, hier wären beispielsweise Teflon oder dergleichen zu nennen. Insbesondere bei dünnen Hautblechen oder dergleichen mit einer zweidimensionalen Wärmeleitung wird durch die Isolierschicht oder durch das Isoliermaterial als solches der Wärmeübergang zwischen der Vorrichtung und der Probe als eine Einflussgröße auf ein Rissgeschehen ausgeschlossen. Eine Probe, die auf einer derartigen Vorrichtung hergestellt wird, stellt eine Schweißverbindung zwischen beispielsweise einem Hautblech und einem Stringer eines Flugzeuges dar.
Ein solcher T-Stoß besteht im Wesentlichen aus einem ersten flachen Bauteil – Hautblech, das auf die vorgenannte Vorrichtung aufgespannt wird und auf der in einem Winkel von ca. 90° ein zweites flaches Bauteil – Stringer – aufgestellt wird. Das zweite Bauteil stellt einen Stringer dar, dessen Anfangsbereich eine variable Steghöhe aufweist. Vor dem Stringer kann optional ein dritte Bauteil – Vorlaufblech – positioniert bzw. aufgestellt sein, welches in Bezug zum Stringer in einem Abstand angeordnet ist.
Der Abstand zwischen den beiden aufgestellten Bauteilen ist notwendig, damit diese Bauteile sich nicht miteinander, beispielsweise durch eine Werkstoffbrücke innerhalb des Abstandes, beim Schweißvorgang verbinden. Das zweite und das dritte Bauteil haben dabei die gleiche Bauhöhe und auch die gleiche Materialdicke. Wogegen das untere flach auf der Vorrichtung aufliegende Bauteil eine andere Materialdicke aufweisen kann. Mittels einer weiteren Vorrichtung wird eine vertikale Vorspannung auf die auf dem ersten Bauteil aufstehenden Bauteile ausgeübt und diese werden mittels einer Nahtheftung an dem ersten Bauteil durch einen Schweißvorgang angeheftet.
Diese Heftung kommt beim realen Bauteil und bei der selbst beanspruchten Heißrissprüfung unterschiedliche Bedeutungen zu. In einer Serienfertigung wird durch die Heftnahtanbindung eine größere Längsdehnung, beispielsweise des Stringers gegenüber dem Hautblech weitgehend verhindert. Beim Nachweis innerer Heißrisse ist die Heftung notwendig, um eine Positionierung der Bauteile zu gewährleisten. Das Probendesign setzt eine einstufige Umschmelzung der gesamten Stegbreite voraus. Es ist unerheblich, ob die Strahleinkopplung mit der Absatzbreite zusammenfällt oder fliegend erfolgt. Mit einer fliegenden Strahleinkopplung ist die Einkopplung der Laserstrahlen innerhalb des vor dem Absatz befindlichen Vorlaufbleches gemeint. Dieses bietet den Vorteil einer immer gleich bleibenden Interaktion zwischen Strahleinkopplung und Drahtzuführung im stationär geprägten Anfangsbereichs des Absatzes. Für die Ausbildung des Rissphänomens sind eine vollständige Ausbildung des Schmelzbades an der Absatzkante sowie die Vermeidung einer Werkstoffbrücke innerhalb des Abstandes zwischen den zwei vertikalen Bauteilen notwendig, um den Rissbildungsvorgang nicht zu beeinflussen.
Um mittels eines Verfahrens die Detektierung eines Heißinnenrisses durchführen zu können, wird das erste Bauteil einschließlich des darauf befestigten dritten Bauteiles in einem geringen Abstand vor dem Absatz des zweiten Bauteiles abgetrennt. Es versteht sich, dass bei dem Abtrennen der zu untersuchende Teil des Absatzes des zweiten Bauteils keinen Belastungen in Folge von Biegung ausgesetzt werden darf. Das dabei verbleibende Material wird im Anschluss daran bis zum Anfang des Absatzes herunter geschliffen. Wird festgestellt, dass an mindestens drei von fünf geschweißten Proben eine Materialtrennung vorhanden ist, so ist ein innerer Heißriss reproduzierbar nachgewiesen. Auf diese Weise werden die prozessbedingten Schwankungen beim Laserstrahlschweißen berücksichtigt.
Die bauteilrelevanten Größen, die das Heißrissverhalten bestimmen, sind somit die Höhe des Absatzes und die Breite und des zweiten Bauteiles.
Einen weiteren Vorteil bietet die Schweißverbindung gegenüber einer Nietverbindung, das entsprechende Fügespalte beim Schweißen entfallen und somit keinen Angriffspunkt für eine Korrosion bilden können. Ferner bedeuten gegenüber geschweißten Konstruktionen Nieten eine Punktbelastung, die Spannungsspitzen hervorrufen und daher Ursache für Rissbeschädigungen und Korrosion sein können.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungen erläutert. Es zeigen:
1 eine Probe in einer perspektivischen Darstellung,
2 eine Probe auf einer Vorrichtung zur Herstellung einer Probe,
3 ein Diagramm, welches den Zusammenhang zwischen einer Nahtlage und einer Rissneigung für unterschiedliche Legierungen bzw. technisch reine Werkstoffe darstellt,
4 eine seitliche Ansicht einer Probe nach einem Schweißvorgang mit darunter befindlichen Schliffbildern aus einer Schweißnaht, und
5 ein Diagramm, welches den Zusammenhang zwischen den Temperaturfeldern und der Risslage darstellt.
In der 1 wird eine Probe 1 in einer perspektivischen Darstellung wiedergeben, die dazu geeignet ist, innerhalb eines T-Stoßes bei Metallverbindungen das Auftreten von inneren Heißrissen nachzuweisen. Dabei ist ein erstes Bauteil 2 vorhanden, das flach aufliegt und eine Dicke g und eine Breite f aufweist. Das erste Bauteil 2 kann dabei beispielsweise ein Hautblech eines Flugzeuges oder dergleichen sein. Senkrecht auf dem ersten Bauteil 2 ist ein zweites Bauteil 3 in einer Linie mit einem dritten Bauteil 4 platziert. Die Bauteile 3 und 4 stehen senkrecht auf dem ersten Bauteil 2. Das zweite Bauteil 3 weist einen Absatz 5 auf, der mit einem Abstand 6 zu dem dritten Bauteil 4 weist. Die Bauteile 3 und 4 weisen vorliegend jeweils die gleiche Dicke b und die gleiche Höhe e auf.
Lediglich der Vollständigkeit halber wird erwähnt, dass die Bauteile 3 und 4 auch einer unterschiedliche Höhe und/oder Dicke aufweisen können.
Der Absatz 5 weist eine Länge c auf und eine Höhe a_LT. Es zeigt sich somit, dass der Absatz 5 mit der Höhe a_LT eine wesentlich geringere Höhe aufweist, als die Bauteile 3 und 4. Das Bauteil 3 weist die Länge d auf.
Durch die angegebenen Abmessungen ist es sichergestellt, dass für reproduzierbare Prüfungen stets eine gleiche Probe zur Verfügung steht. In der 2 wird die bereits in der 1 dargestellte Probe auf einer Vorrichtung 8 wiedergeben, die eine Grundplatte 7 aufweist. Auf der Grundplatte 7 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Isolierschicht 22 vorhanden, auf der das erste Bauteil 2 der Probe 1 aufliegt und mittels Niederhaltern 9 auf der Vorrichtung 8 aufgespannt wird. Damit die senkrecht stehenden Bauteile 3 und 4 nicht verrückt werden können und insbesondere der Abstand 6 zwischen den Bauteilen 3 und 4 konstant bleibt, werden die Bauteile 3 und 4 durch eine Heftnaht 10 mit dem ersten Bauteil 2 formschlüssig verbunden.
Zur Herstellung der Probe 1 wird anschließend mittels Laserstrahlen 12 und 13 jeweils auf jeder Seite der Bauteile 3 und 4 eine Schweißnaht 10 über die Heftnaht 10 gezogen. Dabei beginnt die Schweißnaht 11 in dem dritten Bauteil 4 um beispielsweise eine fliegende Strahleinkopplung der Laserstrahlen innerhalb des Bauteiles 4 zu erreichen. Dieses bietet den Vorteil einer immer gleich bleibenden Interaktion zwischen der Strahleinkopplung der Laser 12 und 13 und einer nicht dargestellten Drahtzuführung im stationär geprägten Anfangsbereich des Absatzes 5. Nachdem der Schweißvorgang mittels der Schweißstrahlen 12 und 13 abgeschlossen ist, tritt eine Abkühlphase ein und erst danach wird die Probe 1 von der Vorrichtung 8 entfernt.
Um einen inneren Heißriss innerhalb der T-Stoßverbindung zwischen dem Bauteil 2 und dem Bauteil 3 nachweisen zu können, wird vor dem Abstand 6 sowohl das erste Bauteil 2 als auch das dritte Bauteil 4 abgetrennt. Die Abtrennung muss so durchgeführt werden, dass keinerlei Belastungen beispielsweise in Form von Biegungen, in den Absatz 5 des Bauteiles 3 eintreten können. Das nach dem Abtrennen der Bauteile 2 und 3 verbleibende Material bis zu dem Absatz 5 wird anschließend durch Schleifverfahren vorsichtig herunter geschliffen. Das Herunterschleifen wird bis an die Kante des Abstandes 6 durchgeführt. Ein innerer Heißriss wird dann reproduzierbar nachgewiesen, wenn mindestens drei von fünf geschweißten Proben eine Materialtrennung in diesem Bereich aufzeigen.
Die Entstehung bzw. Unterdrückung eines Heißrisses hängt von der Nahtlage ab, welche sich durch die Höhe a_LT des Absatzes 5 charakterisieren lässt. Diese Absatzhöhe a_LT steht dabei in funktionalem Zusammenhang zum Werkstoff, den Schweißparametern und natürlich auch der Absatzlänge c.
Bei dem Erreichen einer kritischen Absatzhöhe a_LT tritt ein innerer Heißriss auf. Dieses zeigt die 3 innerhalb der dort gezeigten Kennlinie 1 mit der Darstellung des Punktes 16. Voraussetzung für die Bildung von Heißrissen sind somit nennenswerte Temperaturgradienten zwischen dem Ort der Strahleinkopplung und dem Absatzrand sowie ein kleines mechanisches Widerstandsmoment. Eine Reduzierung der Absatzhöhe a_LT bewirkt eine Verkleinerung des mechanischen Widerstandsmomentes. Dieses zeigt sich in der Kennlinie 33 in dem Bereich 35. Sowohl die Länge des Heißrisses als auch die Breite nehmen dann zu.
Daraus ergibt sich bei sehr kleinen Absatzhöhen, dass das Rissintervall durch das Erweichen der Bauteilkante des Absatzes 5 begrenzt ist. Dieses zeigt die Kennlinie 33 in Punkt 14. In diesem Bereich ist das aus der Längsausdehnung resultierende Biegemoment aufgrund eines zu geringen Temperaturgradienten (Wärmestau) nicht ausreichend groß genug, um einen Heißriss auszulösen. Aufgrund des Wärmestaus wird der Absatz oberhalb der Solidustemperatur erwärmt. Daraus folgert, dass im Vergleich zu größeren Kantenabständen die Nahthöhe zunimmt.
Im Bereich 17 der Kennlinie 33 der 3 wird der Heißriss durch ein ausreichend großes, mechanisches Widerstandsmoment unterbunden.
Bei technisch reinen Legierungen wie z. B. reinem Aluminium werden jedoch keine Risse beobachtet, was aus der Kennlinie 35 der 3 zu entnehmen ist. Dieses liegt darin, dass aufgrund der Reinheit des Materials während der Erstarrung nur wenige Schmelzfilme vorliegen und somit fällt auch das Schmelzintervall gering aus. Eine metallurgische Voraussetzung für eine Heißrissbildung ist damit nicht gegeben.
Die 4 zeigt das Phänomen, dass ein innerer Heißriss nur im Nahtanfang vorhanden ist und ansonsten nach außen hin eine rissfreie Schweißnaht darlegt. Dabei ist in dem linken Schliffbild ein Heißriss 19 sichtbar, der innerhalb der Schweißnaht 11 vorhanden ist. Der hierbei betrachtete Schliffpunkt 23 liegt am Anfang des Absatzes 5. Der dagegen rechts betrachtete Schliffpunkt 24 liegt innerhalb der Schweißnaht 11 und zeigt in dem darunter befindlichen Schliffbild innerhalb der Schweißnaht 11 keinen Heißriss 19.
Die 5 macht noch einmal deutlich, dass eine Heißrissebene stets im Bereich des Absatzes 5 und damit des Bauteiles 3 (Stringer) liegt. Das lokale Zusammenwirken der Nachgiebigkeit des Absatzes 5 und einer zweidimensionalen Wärmeleitung führt zu einer ungünstigen Konstellation zwischen mechanischer Schrumpfverformung (Beanspruchung) und einer Menge an Restschmelze (Beanspruchbarkeit). Dieses kann der 5 insbesondere entnommen werden, wo innerhalb des Temperaturfeldes 20, das in den Bauteilen 3 und 5 vorhanden ist, dieses sich anders ausbreitet als in dem darunter befindlichen Bauteil 2. Dieses zeigt sich auch in dem auf der rechten Seite vorhandenen Schliffbild, in dem der Heißriss 19 deutlich sichtbar ist und ein bestimmtes Maß, nämlich als d_HR zur Oberfläche des Bauteiles 2 angegeben werden kann. Es zeigt sich somit, dass das Temperaturfeld 20 einen Einfluss auf den Heißriss 19 hat.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel macht deutlich, dass der Nahtquerschnitt der Schweißnaht 11 als Heißriss-Prüfbedingung zugrunde liegt. Hierdurch wird durch den kritischen Absatzabstand a_LT ein quantifizierbares Bewertungskriterium gegeben, das einen direkten Vergleich für alle in Frage kommenden Schweißkonfigurationen bezüglich ihrer Neigung zu Heißrissen ermöglicht. Eine solche Auslegung des Nahtquerschnittes orientiert sich dabei an die Vorgaben aus der Konstruktion. Gerade durch das erfindungsgemäße Verfahren wird von vorn herein ein fertigungsorientierter Ansatz verfolgt, der den realen Gegebenheiten am Nächsten kommt. Auch der Aufbau der Vorrichtung 8 ist einfach und kostengünstig und somit schnell herzustellen. Die wenigen zu berücksichtigenden Randbedingungen führen zu einer hohen Systemtransparenz. Daraus ist zu folgen, dass die Schweißergebnisse auch von anderen Einrichtungen ohne großen Aufwand reproduzierbar nachvollzogen werden können. Auch Werkstoffhersteller können hinsichtlich der schweißtechnischen Optimierung ihrer Legierungen die Rissprüfung im Eigenversuch durchführen, ohne auf die komplexe Prüfanlagentechnik anderer Institute angewiesen zu sein.
Die hohe Systemtransparenz der Probe 1 ermöglicht zudem eine einfache Übertragbarkeit der Verfahren auf ein Finite-Elemente-Modelle. Daraus ergibt sich, dass auf diese Weise die Ursachen, die zu einem unterschiedlichen Rissverhalten führen, effektiv herausgearbeitet werden können.

1: Probe
2: Erstes Bauteil
3: Zweites Bauteil
4: Drittes Bauteil
5: Absatz
6: Abstand
7: Grundplatte
8: Vorrichtung
9: Niederhalter
10: Heftnaht
11: Schweißnaht
12: Schweißstrahl
13: Schweißstrahl
14: Erweichen
15: Äußerer Riss
16: Innerer Riss
17: Kein Riss
18: Schweißrichtung
19: Heißriss
20: Temperaturfeld
21: Auflagefläche
22: Isolierschicht
23: Schliffpunkt
24: Schliffpunkt
25: a_LT Absatzhöhe
26: b Dicke Bauteile 3 und 4
27: c Absatzlänge
28: d Länge zweites Bauteil 3
29: e Höhe Bauteile 3 und 4
30: f Breite Bauteil 2
31: g Dicke Bauteil 2
32: d_HR Dicke Heißriss
33: Kennlinie
34: Bereich
35: Kennlinie

Claims

Probe (1) für ein Prüfverfahren zum Nachweis innerer Heißrisse, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe (1) aus einem ersten flachen Bauteil (2) besteht, auf dem in einem Winkel von 90° ein zweites flaches Bauteil (3) steht, das in einer Linie, jedoch mit einem Abstand (6) zu einem dritten flachen Bauteil (4) so ausgerichtet ist, dass zwischen dem zweiten Bauteil (3) und dem dritten Bauteil (4) ein Abstand (6) vorhanden ist, wobei die Bauteile (2, 3) sowie die Bauteile (2, 4) jeweils durch eine Schweißnaht (11) miteinander verbunden sind.
Probe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil (3) in seinem dem dritten Bauteil zugewandten Endbereich einen Absatz (5) aufweist, wobei die Höhe (a_LT) des Absatzes (5) geringer als die Bauteilhöhe (e) des zweiten Bauteiles (3) ist.
Probe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (6) zwischen dem zweiten Bauteil (3) und dem dritten Bauteil (4) so bemessen ist, dass beim Schweißvorgang innerhalb des Abstandes (6) keine Werkstoffbrücke entsteht.
Probe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (2, 3, 4) als Bleche ausgebildet sind.
Probe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil (3) und das dritte Bauteil (4) gleich dick ausgebildet sind.
Vorrichtung zur Herstellung einer Probe (1) gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, umfassend eine Grundplatte (7) mit einer Auflagefläche (21) sowie Befestigungsmittel (9) zum flächigen Fixieren eines der beiden flächigen Bauteile (2, 3) auf der Auflagefläche (21), wobei auf oder in der Grundplatte (7) im Bereich der Auflagefläche (21) eine Isolierschicht (22) vorhanden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsmittel zum flächigen Fixieren als mehrere an der Grundplatte festgelegte Niederhalter (9) ausgebildet sind, die das flächige Bauteil (2 oder 3) kraftschlüssig flächig auf der Grundplatte fixieren.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsmittel als eine Vakuumeinrichtung ausgebildet sind, über die das flächige Bauteil (2 oder 3) mittels Unterdruck auf der Grundplatte flächig fixiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsmittel als eine Magnetisierungseinrichtung ausgebildet sind, über die das flächige Bauteil (2 oder 3) mittels einer Magnetkraft auf der Grundplatte flächig fixiert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (7) aus Stahl ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht (22) aus Teflon oder einem die Wärme schlecht leitenden Material besteht.
Verfahren zur Herstellung einer Probe (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 11, umfassend die Schritte: – das Bauteil (2) wird mittels der Befestigungsmittel (9) auf der Grundplatte (7) auf der Isolierschicht (22) befestigt; – die Bauteile (3, 4) werden mittig auf das Bauteil (2) vertikal aufgestellt, so dass zwischen den Bauteilen (3, 4) der Abstand (6) vorhanden ist, der zu dem Absatz (5) des Bauteiles (3) weist; – auf die ausgerichteten Bauteile (3, 4) wird eine vertikale Vorspannung so ausgeübt, dass die Bauteile (3, 4) auf das erste Bauteil (2) und auf die Grundplatte (7) aufgedrückt werden; – die in einer Linie hintereinander mit dem Abstand (6) platzierten Bauteile (3, 4) werden über ihre gesamte Länge mit dem Bauteil (2) durch ein Schweißverfahren angeheftet; – nach der Heftung der Bauteile (2, 3, 4) untereinander wird die vertikale Vorspannung aufgehoben; – es findet nun ein Schweißvorgang beidseitig der Bauteile (3, 4) mit dem Bauteil (1) statt, der eine Strahlankopplung aufweist, die mit der Kante der Bauteile (3, 4) zusammenfällt oder fliegend erfolgt; – nach Abkühlung der Probe (1) wird diese aus der Vorrichtung (8) entfernt.
Verwendung einer nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgebildeten und durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11 hergestellten Probe gemäß folgender Schritte: – das Bauteil (4), das mit dem Bauteil (2) verbunden ist, wird mit einem Abstand zu dem Abstand (6) abgetrennt; – der zu untersuchende Bereich innerhalb des Absatzes (5) darf bei der Abtrennung keinerlei Belastung ausgesetzt werden; – das verbleibende Material wird anschließend bis zu dem Absatz (5) des zweiten Bauteils (3) abgeschliffen, wobei ein innerer Heißriss dann reproduzierbar nachgewiesen ist, wenn mindestens eine Probe (1) eine innere Materialtrennung aufweist.
Verwendung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die veränderliche Höhe (a_LT) des Absatzes (5) ein Bewertungskriterium in Verbindung mit der veränderlichen Dicke (b) des Bauteiles (3) und der veränderlichen Höhe (e) des Bauteiles (3) für den Heißrisstest ist.