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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Qualitätsprüfung einer Schweißverbindung.
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Größere und komplexere Bauteile, wie beispielsweise Rohrleitungen und Turbinen, sind häufig aus mittels Schweißverbindungen verbundenen Einzelteilen aufgebaut. Solche Schweißverbindungen sind oft hohen Belastungen ausgesetzt. Eine qualitativ hochwertige Ausbildung der Schweißnaht ist folglich essentiell. Regelmäßig müssen dazu Schweißverbindungen auf ihre Qualität, insbesondere auf ihre Integrität und evtl. vorhandene Fehlstellen, geprüft und beurteilt werden. Dazu ist es bekannt, die gefertigten Bauteile und insbesondere ihre Schweißnähte durch Prozesskontrolle und zerstörungsfreie Prüfverfahren zu prüfen. Häufig allerdings sind solche Schweißfehler nur aufwendig oder oft auch gar nicht zu beheben.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein in dieser Hinsicht verbessertes Verfahren zur Qualitätsprüfung einer Schweißverbindung bereitzustellen. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein Schweißverfahren anzugeben, welches Schweißverbindungen mit verbesserter Qualität sowie eine verbesserte Qualitätsprüfung erlaubt. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung mit einer Schweißverbindung zu schaffen, welche mit einer verbesserten Qualität, insbesondere mit sichergestellter Integrität der Schweißverbindung, ausbildbar oder ausgebildet ist.
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Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zur Qualitätsprüfung einer Schweißverbindung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen, mit einem Schweißverfahren mit den in Anspruch 6 angegebenen Merkmalen sowie mit einer Vorrichtung mit einer Schweißverbindung mit den in Anspruch 8 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Qualitätsprüfung einer Schweißverbindung wird die Schweißverbindung während ihrer Schweißung mittels eines Volumenprüfverfahrens geprüft.
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Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die Qualitätsprüfung der Schweißverbindung nicht erst nach Fertigstellung der Schweißverbindung oder gar nach Fertigstellung des mit der Schweißverbindung gefertigten Bauteils erfolgen kann, sondern vielmehr eine zeitnahe Beurteilung der Schweißqualität möglich ist. So ist es mit der erfindungsgemäßen Lösung möglich, bereits während des Schweißprozesses etwaige Schweißfehler zu bemerken. Insbesondere ermöglicht die Volumenprüfung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Aufspüren von Schweißfehlern, welche durch eine visuelle Prüfung der Schweißverbindung nicht erkannt werden können. So kann eine umfassende Prüfung insbesondere bei Schweißfehlern erfolgen, welche unterhalb der Oberfläche der aktuellen Schweißraupe der Schweißverbindung auftreten. Besonders vorteilhaft wird das erfindungsgemäße Verfahren beim Unterpulverschweißen durchgeführt, bei welchem eine visuelle Prüfung des Schweißprozesses nicht möglich ist, da dort der Lichtbogen durch das Pulver abgedeckt ist und deshalb nicht beobachtet werden kann.
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Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren an Schweißverbindungen in Gestalt einer Schweißnaht durchgeführt. Gerade bei einer Schweißnaht, welche einen für die Konstruktion komplexerer Bauteile besonders relevanten Typ von Schweißverbindungen darstellt, ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Qualitätsprüfung besonders vorteilhaft.
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Vorteilhaft kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht nur eine aktuell geschweißte Schweißverbindungs- oder Schweißnahtlage, wie etwa bei einer visuellen Prüfung, erfasst werden, sondern es können auch bereits fertig gestellte oder eingebrachte Schweißverbindungs- oder Schweißnahtlagen und/oder Schweißnähte während des weiteren Schweißens einer Prüfung unterzogen werden. Somit können auch tiefer liegende Fehlstellen erfasst werden.
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Ferner ist es beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht erforderlich, einen optischen Zugang oder gar einen Sichtzugang zu einem bei vielen Schweißverfahren auftretenden Lichtbogen zu haben. Somit ist das erfindungsgemäße Verfahren auf eine Vielzahl von unterschiedlichen Schweißverfahren, insbesondere auf das Unterpulverschweißverfahren oder das Elektronenstrahlschweißverfahren anwendbar. Anders als bei einer visuellen Prüfung von Schweißverbindungen können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ferner ansonsten schwer aufspürbare Schweißnahtfehler, wie insbesondere beim Schweißen gebildete Poren, Lagenbindefehler und Querfehler detektiert werden.
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In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Volumenprüfverfahren ein Ultraschallprüfverfahren. Bevorzugt wird in dieser Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Ultraschallquelle herangezogen und an dem oder zu dem Bauteil derart angeordnet, dass diese Ultraschall, insbesondere Ultraschallimpulse, aussendet und in das Bauteil einspeist. Dieser in das Bauteil eingespeiste Ultraschall oder diese eingespeisten Ultraschallimpulse werden dabei durch das Bauteil, an welchem eine Schweißverbindung vorgesehen wird oder ist, geführt. Etwaige Fehlstellen in der Schweißverbindung reflektieren den Ultraschall. Zweckmäßigerweise wird zudem ein Ultraschallsensor herangezogen, welcher zum Empfang von Ultraschall und insbesondere dem von Schweißverbindungen und/oder Fehlstellen der Schweißverbindungen reflektierten Ultraschall ausgebildet ist. Anhand einer Änderung des Empfangs des reflektierten Ultraschalls, insbesondere infolge einer Unterscheidung zwischen einem Empfang oder einem Ausbleiben eines Empfangs reflektierten Ultraschalls kann somit festgestellt werden, ob die Schweißverbindung eine Fehlstelle aufweist oder nicht. Insbesondere kann festgestellt werden, ob die Schweißverbindung integer ist. Bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Ultraschallprüfkopf herangezogen, welcher zugleich die Ultraschallquelle und den Ultraschallsensor umfasst. In diesem Falle kann das Verfahren besonders unaufwändig und einfach handhabbar ausgeführt werden.
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Bevorzugt wird ein solcher Ultraschallsensor herangezogen, welcher zum zeitlich aufgelösten Empfang von Ultraschall ausgebildet ist. Auf diese Weise können Ultraschallreflexe von Schweißverbindungen und/oder von Fehlstellen von Schweißverbindungen zeitlich vom mit der Ultraschallquelle ausgesendeten Ultraschall getrennt werden. In bevorzugten Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dieses Verfahren zur Qualitätsprüfung von Schweißverbindungen durchgeführt, welche mittels Unterpulverschweißens oder Elektronenstrahlschweißens geschweißt sind.
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Bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mittels des Volumenprüfverfahrens auf Lagenbindefehler und/oder Poren und/oder Querfehler geprüft. Gerade bei den vorgenannten Fehlern von Schweißverbindungen ist eine visuelle Prüfung nicht oder nur sehr schwierig möglich. Erfindungsgemäß können solche Fehler bereits während des Schweißens bemerkt werden.
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Eine zweckmäßige Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird an einer Schweißverbindung an einem Bauteil mit einer Prüfnut durchgeführt. Zweckmäßig werden bei dem Verfahren eine Ultraschallquelle sowie ein Ultraschallsensor in diese Prüfnut eingebracht. Insbesondere wird in dieser Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Prüfnut zuvor an dem Bauteil ausgebildet.
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Beispielsweise kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Prüfnut konstruktiv an dem Bauteil angebracht werden.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Schweißen einer Schweißverbindung wird beim Schweißen eine Qualitätsprüfung der Schweißverbindung, wie sie vorangehend beschrieben worden ist, durchgeführt. In einer bevorzugten Weiterbildung dieses Verfahrens zum Schweißen einer Schweißverbindung werden dabei die Parameter für die Schweißung in Abhängigkeit vom Ergebnis der Qualitätsprüfung bestimmt. Auf diese Weise lässt sich der Schweißprozess in Abhängigkeit der detektierten Schweißfehler regeln. Zweckmäßigerweise werden einer der oder die Schweißparameter, vorzugsweise der Schweißstrom, derart geändert, dass Schweißfehler direkt nach ihrem Erkennen durch eine Änderung der Schweißparameter behoben und/oder ausgebessert und/oder während des weiteren Schweißvorgangs möglichst vermieden werden. Auf diese Weise können besonders fehlerarme oder fehlerfreie Schweißverbindungen kostengünstiger hergestellt werden, da sich die Ausschussquote erfindungsgemäß geschweißter Bauteile deutlich verringert.
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Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Schweißen einer Schweißverbindung ein Regelkreis eingesetzt, bei welchem als Regelgröße das verschwindende Signal der Ultraschallreflexe verwendet wird. Insbesondere werden die Schweißparameter, vorzugsweise der Schweißstrom, abhängig von der Stärke der Ultraschallreflexe und/oder von dem zeitlichen Verlauf der Stärke der Ultraschallreflexe gewählt, eingestellt oder angepasst.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Schweißverbindung auf, welche mittels des zuvor beschriebenen Verfahrens zum Schweißen einer Schweißverbindung geschweißt ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich dabei besonders unaufwendig und kostengünstig fertigen. Insbesondere ist bei einer Vielzahl erfindungsgemäßer Vorrichtungen die Ausschussquote der Vorrichtungen vorteilhaft verringert.
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Bevorzugt ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zumindest ein Teil einer Turbine oder eines Turbinenläufers und/oder die Vorrichtung umfasst eine Turbine oder einen Turbinenläufer.
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Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Prüfanordnung für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Qualitätsprüfung einer Schweißverbindung in einer Prinzipskizze,
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2 die Prüfanordnung gem. 1 in einer Situation, in welcher die der Qualitätsprüfung unterzogenen Schweißverbindung integer ist, in einer schematischen Darstellung und
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3 die Prüfanordnung gemäß 1 in einer Situation, in welcher die der Qualitätsprüfung unterzogene Schweißverbindung Schweißfehler aufweist, in einer Prinzipskizze.
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Bei dem in den 1 bis 3 gezeigten Prüfaufbau für das erfindungsgemäße Verfahren wird an einem Bauteil 5, im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Turbinenläufer, eine Schweißnaht 10 mittels Lichtbogenschweißens mit einer Elektrode 11 geschweißt. Die Schweißnaht 10 weist dabei Schweißraupen 12 auf. In weiteren nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen ist das Bauteil 5 ein beliebiges anderes Bauteil, beispielsweise ein Teil einer Turbine oder ein eine Turbine oder einen Turbinenläufer aufweisendes Bauteil. In weiteren nicht gesondert gezeigten Ausführungsbeispielen wird die Schweißnaht 10 mittels eines beliebigen anderen Schweißverfahrens, beispielsweise mittels Elektronenstrahlschweißens, an dem Bauteil angebracht.
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Während des Schweißens wird die Schweißnaht 10 einer Qualitätsprüfung mit einem als Ultraschallprüfverfahren ausgebildeten Volumenprüfverfahren unterzogen. Das Ultraschallprüfverfahren nutzt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Prüfnut 15, mit welcher das Bauteil 5 vor dem Schweißen konstruktiv versehen worden ist. In diese Prüfnut 15 wird ein Prüfkopf 20 eingebracht, welcher eine Ultraschallquelle aufweist, die zum Aussenden von Ultraschall ausgebildet ist. Ferner umfasst der Prüfkopf 20 einen Ultraschallsensor, welcher zum Empfang von Ultraschallsignalen ausgebildet ist.
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Vom Prüfkopf 20 gehen bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens Ultraschallimpulse aus, die sich im Bauteil 5 in der Art eines Schallstrahls 22 ausbreiten. Bei seiner Ausbreitung im Bauteil 5 trifft der Schallstrahl 22 auf die Schweißnaht 10. In der in 2 dargestellten Situation weist die Schweißnaht 10 keinerlei Fehlstellen auf. Der Ultraschall wird daher an der Schweißnaht 10 nicht zum Prüfkopf 10 rückgestreut oder zurückreflektiert. Der Ultraschallsensor des Prüfkopfs 20 ist mit einem Anzeigegerät 25 verbunden, welches die Intensität des vom Ultraschallsensor detektierten Ultraschalls (Hochachse) in Abhängigkeit von der Zeit (Rechtsachse) als Prüfkurve 30 ausgibt. In der in 2 dargestellten Situation wird kein reflektierter oder rückgestreuter Ultraschall detektiert. D. h., das Signal verharrt bei verschwindender Ultraschallintensität. Folglich bildet die Prüfkurve 30, wie dargestellt, eine horizontale Gerade bei verschwindender Ultraschallintensität, also beim Nullwert der Hochachse.
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In der in 3 dargestellten Situation, bei welcher die Schweißnaht 10 eine Fehlstelle, in der gezeigten Darstellung eine Pore 32, aufweist, tritt jedoch ein Ultraschallreflex in der Art eines Echos auf, welcher von dem Ultraschallsensor des Prüfkopfs 20 empfangen wird. In nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen wird der Ultraschallreflex von einer beliebigen anderen Fehlstelle reflektiert. Dieser Ultraschallreflex ist infolge der Laufzeit in dem Bauteil 5 gegen- über dem ursprünglich ausgesendeten Ultraschall zeitverzögert und kann folglich zeitlich einzeln aufgelöst werden. Entsprechend zeigt die Messkurve 35 des Anzeigegeräts 25 einen Peak 40, welcher dem, im gezeigten Ausführungsbeispiel nach wenigen Millisekunden detektierten, Echo, das heißt den Ultraschallreflex, entspricht.
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In dem anhand der Zeichnung erläuterten Ausführungsbeispiel wird dabei nicht nur das erfindungsgemäße Verfahren zur Qualitätsprüfung einer Schweißverbindung durchgeführt, sondern es wird auch das erfindungsgemäße Verfahren zum Schweißen einer Schweißverbindung durchgeführt. Dazu wird von dem Prüfkopf 20 das mit den Messkurven 30, 35 korrespondierende Signal an das Schweißgerät (in der Darstellung ist lediglich die Elektrode 11 des Schweißgeräts gezeigt) übermittelt. Das Schweißgerät stellt die Schweißparameter, hier den Schweißstrom, beim Schweißverfahren abhängig von den vom Prüfkopf 20 übermittelten Daten, hier der Stärke der detektierten Ultraschallreflexe und/oder dem zeitlichen Verlauf der Stärke der Ultraschallreflexe, ein. Die Einstellung erfolgt dabei derart, dass sich ausbildende Fehlstellen bereits während des Schweißverfahrens ausgebessert werden oder gar nahezu vollständig vermieden werden. Beispielsweise wird dabei ein Regelkreis eingesetzt, bei welchem als Regelgröße das verschwindende Signal der Ultraschallreflexe verwendet wird.
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Bezugszeichenliste
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- 5
- Bauteil
- 10
- Schweißnaht
- 11
- Elektrode
- 12
- Schweißraupe
- 15
- Prüfnut
- 20
- Prüfkopf
- 22
- Schallstrahl
- 25
- Anzeigegerät
- 30
- Messkurve/Prüfkurve
- 32
- Pore
- 35
- Messkurve/Prüfkurve
- 40
- Peak
