Schweißnahtprüfung: lokale Festigkeit und Spannungs-Dehnungskurven

Warum Schweißgut, Wärmeeinflusszone und Grundwerkstoff getrennt betrachten?

Beim Schweißen entstehen Bereiche mit unterschiedlichen thermischen Vorgeschichten. Das Schweißgut ist aufgeschmolzen und wieder erstarrt. Die Wärmeeinflusszone (WEZ) liegt daneben: Sie ist nicht aufgeschmolzen, ihr Gefüge und ihre Eigenschaften können sich durch die Wärme jedoch verändern. Weiter entfernt bleibt der unbeeinflusste Grundwerkstoff.

Diese Zonen können unterschiedlich früh plastisch nachgeben und sich bei weiterer Verformung unterschiedlich verfestigen. Ein Zugversuch quer über die gesamte Verbindung beschreibt deren gemeinsames Verhalten. Für einzelne Bereiche werden zusätzliche örtlich zugeordnete Daten benötigt. Genau hier setzt unsere lokale Schweißnahtcharakterisierung an.

• Wo liegen Bereiche mit geringerer oder höherer Festigkeit als im Grundwerkstoff?
• Wie unterscheiden sich die lokalen Fließkurven zwischen Naht und WEZ?
• Welchen Einfluss haben geänderte Schweißparameter oder eine Wärmebehandlung?
• Welche Materialunterschiede sollten in einer Bauteilberechnung berücksichtigt werden?

Was sagt eine lokale Spannungs-Dehnungskurve aus?

Eine Fließkurve beschreibt, welche Spannung für eine zunehmende bleibende, also plastische Verformung erforderlich ist. Sie zeigt damit mehr als einen einzelnen Festigkeitswert: Zwei Bereiche können ähnlich früh nachgeben, sich anschließend aber unterschiedlich stark verfestigen.

Aus der Auswertung des Eindrucks lassen sich lokale Vergleichswerte zur Dehngrenze und Zugfestigkeit ableiten. Die Vergleichsdehngrenze Rⁱ_p0,2 beschreibt den modellbasierten Vergleich zur Spannung bei 0,2 % bleibender Dehnung. Die Vergleichszugfestigkeit Rⁱ_m ist der entsprechende Vergleichswert zur Zugfestigkeit. Das hochgestellte „i“ kennzeichnet die Ermittlung aus dem Eindruck.

Diese Ergebnisse beruhen auf der gemessenen Eindruckgeometrie und dem verwendeten Werkstoffmodell. Die Grundlage beschreibt DIN SPEC 4864.

Wie entstehen die Kennwerte aus einem Eindruck?

Ein Eindringkörper wird kontrolliert in die vorbereitete Oberfläche gedrückt. Anschließend vermessen wir die bleibende Form dieses Prüfeindrucks optisch in 3D. In einer inversen Finite-Elemente-Auswertung werden die Parameter eines Werkstoffmodells so angepasst, dass der berechnete Eindruck zur gemessenen Form passt. Daraus wird das lokale plastische Verhalten abgeleitet.

Eine Messreihe über den Nahtquerschnitt ordnet die Ergebnisse ihren Prüfpositionen zu. So werden Unterschiede zwischen Schweißgut, WEZ und Grundwerkstoff vergleichbar. Das Eindruckverfahren nach DIN SPEC 4864 erläutert die Methode im Detail.

Wann reichen Härteprüfung oder Mikrozugversuch aus?

Ein Härteprofil zeigt Aufhärtung oder Erweichung entlang der Naht. Unter geeigneten Voraussetzungen lässt sich die Zugfestigkeit daraus abschätzen. Eine vollständige Fließkurve ergibt sich aus einer Härtezahl jedoch nicht. Southern und Mitautoren vergleichen diese Aussagegrenzen.

Miniaturzugversuche mit optischer Dehnungsmessung und Härtekarten werden beispielsweise von Hertelé und Mitautoren an einer heterogenen Schweißnaht verglichen. Für den konkreten Einsatz von Härtereihen siehe Härteprüfung an Schweißnähten.

Wie schmal darf die Wärmeeinflusszone sein?

Entscheidend ist das Materialvolumen, das beim Eindrücken mechanisch beansprucht wird. Es reicht über den sichtbaren Eindruck hinaus. Liegen darin mehrere Gefügezonen, können sie gemeinsam in das Ergebnis eingehen. Ein kleiner Messpunktabstand bedeutet deshalb nicht automatisch, dass ebenso kleine Bereiche getrennt ausgewertet werden können.

Vor der Messung betrachten wir Zonenbreite, Korngröße, Eindruckabmessungen, Randabstände und Probendicke. Auch Gefügerichtung und Verhalten unter Zug und Druck müssen zum Modell passen. Besonders schmale WEZ-Bereiche beurteilen wir anhand der konkreten Probe. Den Zusammenhang zwischen Eindruckgröße und erfasstem Bereich untersuchen Okano, Takeuchi und Mochizuki.

Wie läuft eine Untersuchung bei Testawell ab?

1. Prüfziel festlegen: Zum Beispiel zwei Schweißparameter vergleichen, eine auffällige WEZ untersuchen oder lokale Materialdaten gewinnen.
2. Probe vorbereiten: Geeigneten Querschnitt auswählen und eine ebene Prüffläche herstellen. Trennen, Schleifen und gegebenenfalls Polieren werden auf Werkstoff und Messaufgabe abgestimmt.
3. Zonen und Positionen zuordnen: Nahtgeometrie und Gefügeübergänge betrachten, Messpfade und Wiederholungen festlegen.
4. Messen und auswerten: Prüfeindrücke erzeugen, ihre bleibende Form optisch in 3D erfassen und daraus die lokalen mechanischen Kennwerte auswerten. Vergleichsmessungen oder Härtereihen können die Untersuchung ergänzen.
5. Ergebnisse einordnen: Unterschiede, Streuung und Grenzen der Zuordnung gemeinsam mit der ursprünglichen Prüfaufgabe bewerten.

Welche Ergebnisse erhalten Sie?

Den Umfang stimmen wir vorab ab. Für eine Untersuchung entlang der Naht sind insbesondere diese Darstellungen sinnvoll:

• Abbildung der Probe mit Messpositionen und Zuordnung zu den untersuchten Zonen;
• lokale plastische Fließkurven mit benanntem Modell und ausgewertetem Dehnungsbereich;
• Vergleichsdehngrenze und Vergleichszugfestigkeit je auswertbarer Position;
• Vergleich zwischen Zonen oder Schweißzuständen, einschließlich Streuung bei Wiederholungsmessungen.

Für eine FEM-Berechnung können getrennte Materialdaten für Schweißgut, WEZ und Grundwerkstoff hilfreich sein. Dabei werden Kurventyp, Einheiten und Datenformat abgestimmt, beispielsweise wahre Spannung über plastischer Dehnung. Die Eignung des Materialmodells ist für den jeweiligen Berechnungsfall zu prüfen.

Machbarkeit und Angebot: Vor der Beauftragung prüfen wir Querschliff oder Bauteil, zugängliche Prüffläche, Zonenbreite, Probendicke, Randabstände und benötigte Wiederholungen. Das Angebot benennt anschließend Probenvorbereitung, Messpositionen, Auswertung, Berichtsumfang, Termin und Preis. Konkrete Mindestabmessungen werden erst nach dieser Prüfung zugesagt.

Nachvollziehbarer Bericht: Der vereinbarte Bericht ordnet Probe und Messpositionen eindeutig zu und dokumentiert Methode, verwendetes Werkstoffmodell, ausgewerteten Dehnungsbereich, lokale Kurven, Vergleichskennwerte und bekannte Grenzen. Benötigte Rohdaten oder ein abgestimmtes FEM-Datenformat werden vorab festgelegt.

Anwendungsbeispiel: lokale Festigkeit einer S460M-Schweißverbindung

Wie sich Schweißparameter in örtlichen Kennwerten wiederfinden, zeigt die Veröffentlichung von Anatoliy Zavdoveev, Peter Zok und weiteren Mitautoren zu S460M. Die Untersuchung verbindet die mechanische Eindruckprüfung und die Auswertung optisch in 3D vermessener Prüfeindrücke mit ergänzenden Härte- und Zugprüfungen. Verglichen werden unter anderem die Verteilungen lokaler Vergleichskennwerte über die Schweißverbindung.

Unser Anwendungsbeispiel erklärt Fragestellung, Messaufbau und Aussagen für den Prozessvergleich. Die veröffentlichten Ergebnisse beziehen sich auf die dort untersuchten Proben und Schweißbedingungen. Originalveröffentlichung, 2023; online 2022.

S460M-Anwendungsbeispiel lesen

Welche Normen und Grenzen gehören zur Prüfung?

DIN SPEC 4864:2019-11 behandelt Fließkurven und Vergleichskennwerte aus mechanisch erzeugten Prüfeindrücken, deren optischer 3D-Vermessung und einem Werkstoffmodell. ASTM E3499-25 beschreibt die Indentation Plastometry metallischer Werkstoffe. Welche Vorschrift und Anforderungen für einen Auftrag gelten, wird vorab festgelegt; die Anwendung einer Vorschrift belegt nicht automatisch die Erfüllung der anderen.

Bruchdehnung, Zähigkeit, Rissfreiheit und Ermüdungslebensdauer erfordern andere Nachweise. Für eine Schweißverfahrensprüfung oder Bauteilabnahme bleiben die vorgeschriebenen Prüfungen maßgeblich. Die ASTM E3499 benennt insbesondere die Grenzen bei Bruch und stark richtungsabhängigen Werkstoffen.

Was benötigen wir für Ihre Anfrage?

Senden Sie Werkstoffbezeichnung, Schweißverfahren, Bauteil- oder Probendicke und möglichst ein Foto, eine Zeichnung oder einen vorhandenen Querschliff. Beschreiben Sie, welche Zone oder Prozessänderung Sie untersuchen möchten und ob die Probe getrennt und präpariert werden darf. Daraus stimmen wir Messumfang, benötigte Proben und Bericht mit Ihnen ab.

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Normen und wissenschaftliche Quellen

1. DIN SPEC 4864:2019-11 – Fließkurven und Vergleichskennwerte aus Prüfeindrücken, deren optischer 3D-Vermessung und einem Werkstoffmodell.
2. ASTM E3499-25 – Standard Test Method for Indentation Plastometry of Metallic Materials.
3. Zavdoveev, Zok et al. (2023): Effect of Pulse Current GMAW on the Yield Stress of the S460M TMCP Steel Welded Joints – Metals and Materials International 29, 795–806; online veröffentlicht 2022.
4. Southern et al. (2023): Use of hardness, PIP and tensile testing to obtain stress-strain relationships for metals – Vergleich von Härte, profilbasierter Eindruckauswertung und Zugversuch.
5. Hertelé et al. (2016): Characterization of heterogeneous arc welds through miniature tensile testing and Vickers hardness mapping – Miniaturzugversuche und Härtekarten an einer Schweißnaht.
6. Okano, Takeuchi und Mochizuki (2017): Estimation of Local Mechanical Property in Weld Heat-Affected Zone through Spherical Indentation Technique – Konferenzbeitrag zum erfassten Bereich einer verwandten Eindruckmethode.