Ultraschallprüfung von Duplex-Stahlschweißnähten: Ermittlung des Ferrit-Austenit-Gleichgewichts und potenzieller Fehlerstellen

Ultraschallprüfung von Duplex-Stahlschweißnähten: Ermittlung des Ferrit-Austenit-Gleichgewichts und potenzieller Fehlerstellen

Duplex-Ferritstähle sind ein wesentlicher Bestandteil der modernen Industrie und zeichnen sich durch ihre außergewöhnliche Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit aus. Allerdings stellt ihre komplexe zweiphasige Mikrostruktur (Austenit und Ferrit) besondere Anforderungen an die zerstörungsfreie Prüfung (ZfP). Die Ultraschallprüfung (UT) ist ein entscheidendes Verfahren, um die Integrität von Schweißnähten aus Duplex-Stahl sicherzustellen. Sie erfordert jedoch ein tiefes Verständnis dafür, wie die Materialeigenschaften die Prüfung beeinflussen. Dieser Leitfaden bietet einen praktischen Rahmen zur Anwendung der Ultraschallprüfung zur Bewertung sowohl der Schweißnahtqualität als auch der Mikrostruktur von Duplex-Ferritstählen.

Warum die Ultraschallprüfung für Duplex-Schweißnähte entscheidend ist

Das Schweißen von Duplex-Ferritstahl ist ein sensibler Balanceakt. Der Prozess muss zwei wesentliche Ziele erreichen:

1. Eine fehlerfreie Schweißnaht: Frei von Rissen, Schweißnahtmängeln, Porosität und Einschlüssen.

2. Eine ausgewogene Mikrostruktur: Erhaltung eines Phasengleichgewichts von etwa 50 % Austenit und 50 % Ferrit, um die mechanischen Eigenschaften und die Korrosionsbeständigkeit zu gewährleisten.

UT ist die primäre Methode, um das erste Ziel zu überprüfen. Allerdings beeinflusst das zweite Ziel direkt die UT-Inspektion selbst. Eine ungleichmäßige Mikrostruktur kann Defekte maskieren oder falsche Anzeigen erzeugen, weshalb ein gründliches Verständnis beider Aspekte unerlässlich ist.

Die Herausforderung: akustische Anisotropie in Duplex-Mikrostrukturen

Die Haupt herausforderung bei der Prüfung von Duplexstählen ist deren akustische Anisotropie . Dies bedeutet, dass sich die Schallgeschwindigkeit je nach Richtung ändert, in der die Wellen durch die kristalline Struktur des Materials wandern.

• Bei isotropen Materialien (wie handelsüblichen austenitischen oder ferritischen Stählen) breiten sich Schallwellen mit konstanter Geschwindigkeit in alle Richtungen aus, wodurch die Interpretation einfach wird.

• Bei anisotropen Materialien (wie Duplexstählen und Schweißnähten) kann der Schallstrahl gestreut, verzerrt und aufgespalten werden, was folgende Effekte hervorruft:

  • Strahlablenkung: Der Schallstrahl kann nicht geradlinig verlaufen, wodurch es schwierig wird, einen Fehler genau zu lokalisieren.

  • Abschwächung: Verlust der Signalstärke, wodurch die Durchdringung und die Fähigkeit, kleine oder tiefliegende Fehler zu finden, reduziert wird.

  • Hohe Rauschpegel: Die komplexe Kornstruktur erzeugt ein hohes Maß an Hintergrundrauschen ("Gras") oder Störungen, die reale Fehler verdecken können.

Diese Anisotropie ist besonders im Schweißmetall selbst ausgeprägt, wo die gerichtet erstarrte Struktur grobkörnig ist, und ihre Stärke steht in direktem Zusammenhang mit dem Ferrit-Austenit-Gleichgewicht.

Ultraschallprüfung: Wichtige Aspekte bei Duplex-Stählen

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, muss das Ultraschallprüfverfahren sorgfältig konzipiert und qualifiziert werden.

1. Auswahl von Gerät und Wandler:

• Technik:  Zeit-of-Flight-Diffraktion (TOFD) ist bei Doppelschweißnähten sehr effektiv, da es weniger anfällig für Strahlschiefstellung ist und hervorragende Möglichkeiten zur Bestimmung der Größe planarer Fehler bietet. Die Phased-Array-Ultraschallprüfung (PAUT) ist der konventionellen Ultraschallprüfung zudem überlegen, da sie mehrere Prüfwinkel generieren und detaillierte visuelle Darstellungen des Schweißvolumens liefern kann.

• Winkel: Verwenden Sie niedrigere Brechungswinkel (z. B. 45°), um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Standard-Probenköpfe mit 60° oder 70° können stärkere Strahlverzerrungen aufweisen.

• Häufigkeit: Eine niedrigere Frequenz (z. B. 2 MHz) bietet bessere Eindringtiefe, jedoch geringere Auflösung. Eine höhere Frequenz (z. B. 4–5 MHz) bietet bessere Auflösung, kann aber zu höherer Dämpfung führen. Es muss ein ausgewogener Kompromiss basierend auf der Materialdicke gefunden werden.

2. Kalibrierung und Referenzblöcke:

• Erforderliche Praxis: Die Kalibrierung muss an einem Referenzblock aus demselben Duplex-Werkstoff und Produktform (z. B. Rohr, Platte) wie das zu prüfende Bauteil durchgeführt werden.

• Warum es wichtig ist: Die Verwendung eines Referenzblocks aus Kohlenstoffstahl führt zu erheblichen Ungenauigkeiten, da sich die akustische Geschwindigkeit unterscheidet. Der Duplex-Block berücksichtigt die tatsächliche Schallgeschwindigkeit und Dämpfung im anisotropen Material.

3. Scannen und Dateninterpretation:

• Bediener müssen geschult sein, um zwischen folgenden Elementen unterscheiden zu können:

  • Geometrische Anzeigen: Reflexionen von Schweißwurzeln, -decklagen oder Senkungen.

  • Mikrostrukturelles Rauschen: Das gleichmäßige, gesprenkelte Hintergrundmuster, das durch die Kornstruktur verursacht wird.

  • Reale Fehler: Scharfe, deutliche Anzeigen, die klar über dem Rauschpegel liegen und sich über verschiedene Prüfwinkel verfolgen lassen.

Identifizierung von mikrostrukturellem Ungleichgewicht mittels Ultraschallprüfung

Während quantitative Phasengleichgewichtsmessungen metallurgische Labortechniken erfordern (z. B. Punktzähl-Analyse), kann die Ultraschallprüfung starke qualitative Hinweise auf ein Problem liefern:

Wichtige Hinweise: Falls die Ultraschallprüfung auf eine mikrostrukturelle Anomalie hindeutet, muss diese durch zerstörende Prüfungen bestätigt werden (z. B. Entnahme einer Probe für metallographische Analysen). Die Ultraschallprüfung ist ein Screening-Tool für die Mikrostruktur, keine definitive Messung.

Häufige Schweißfehler und ihre Ultraschall-Signaturen in Duplex-Stahl

Best Practices für zuverlässige Prüfung

1. Prüfverfahrens-Qualifizierung: Qualifizieren Sie das Ultraschallprüfverfahren an einem Modell, das reale, repräsentative Fehler (z. B. Sägekerbe, EDM-Nuten) und Bereiche bekannter mikrostruktureller Ungleichgewichte enthält.

2. Ausbildetes Personal: Verwenden Sie ausschließlich Ultraschall-Prüfer der Stufen II und III mit spezifischer Erfahrung bei der Prüfung anisotroper Materialien wie Duplex-Ferritstahl und Schweißnähten.

3. Dokumentation der Daten: Speichern Sie alle A-Scans und bei PAUT/TOFD auch vollständige Sektorscans. Dies ermöglicht eine nachträgliche Analyse und eine Zweitmeinung bei schwer interpretierbaren Anzeigen.

4. Korrelation mit anderen ZfP-Verfahren: Falls Zweifel bestehen, sollten die Ergebnisse der Ultraschallprüfung mit anderen Methoden korreliert werden. Die Eindringprüfung (PT) eignet sich hervorragend zur Erkennung von oberflächenbasierten Fehlstellen, während die Radiographieprüfung (RT) eine andere Perspektive auf volumetrische Fehler bietet.

Fazit

Die Ultraschallprüfung von Schweißnähten aus Duplex-Edelstahl erfordert eine Abkehr von standardmäßigen Vorgehensweisen. Der Erfolg hängt davon ab zu erkennen, dass die Mikrostruktur des Materials nicht nur eine messbare Eigenschaft ist, sondern eine grundlegende Variable, die die Prüfung selbst beeinflusst. Durch den Einsatz fortschrittlicher Techniken wie PAUT und TOFD, die Kalibrierung an repräsentativen Referenzblöcken sowie das Verständnis der akustischen Signatur sowohl von Fehlstellen als auch von mikrostrukturellen Anomalien können Prüfer die Integrität und Leistungsfähigkeit kritischer Bauteile aus Duplex-Edelstahl zuverlässig sicherstellen.