Härteprüfung an Schweißnähten ist ein wichtiges Prüfverfahren, das zur Beurteilung von Schweißverbindungen und zur Erkennung von durch den Schweißvorgang verursachten Veränderungen der Werkstoffeigenschaften eingesetzt wird.

Wenn Stahl oder ein anderes Metall geschweißt wird, verändert die intensive Hitze des Schweißprozesses die Mikrostruktur im Bereich der Schweißnaht. Das Schweißgut, die Wärmeeinflusszone (HAZ) und das Grundmetall können daher unterschiedliche Härtewerte aufweisen.

In einigen Anwendungsfällen kann eine übermäßige Härte in der Schweißnaht oder der Wärmeeinflusszone auf ein erhöhtes Risiko für Rissbildung oder andere Betriebsprobleme hinweisen. In anderen Anwendungsfällen dient die Härtemessung dazu, die Wärmebehandlung nach dem Schweißen zu überprüfen oder die Einhaltung einer Projektspezifikation nachzuweisen.

Da Schweißnähte mehrere unterschiedliche Bereiche umfassen, muss die Prüfung sorgfältig geplant werden. Die richtige Härteprüfverfahren, Prüfkraft, Prüfstelle, Oberflächenvorbereitung und Abnahmekriterien alle Materie.

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Warum die Härteprüfung von Schweißnähten wichtig ist

Eine Schweißverbindung ist nicht einfach nur ein einheitliches Metallstück.

Es besteht in der Regel aus:

1. Unedles Metall
2. Wärmeeinflusszone
3. Fusionszone
4. Schweißgut

Der thermische Schweißzyklus kann zu erheblichen Veränderungen in der Wärmeeinflusszone führen.

Je nach Materialzusammensetzung und Kühlbedingungen können bestimmte Bereiche härter werden als das ursprüngliche Grundmetall.

Härteprüfungen können Prüfern daher helfen:

• Bewertung der Schweißnahtqualität
• HAZ-Härte prüfen
• Überprüfen Sie die Ergebnisse der Wärmebehandlung
• Lokalisierte harte Zonen identifizieren
• Unterstützung bei der Qualifizierung von Schweißverfahren
• Überwachung von Produktionsschweißnähten
• Untersuchen Sie Risse oder Schäden

Bei kritischen Bauteilen kann die Härtemessung Teil eines umfassenderen Prüfprogramms sein, das auch eine Sichtprüfung, Röntgenprüfung, Ultraschallprüfung, Magnetpulverprüfung oder andere zerstörungsfreie Prüfverfahren umfasst.

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Welche Bereiche einer Schweißnaht sollten geprüft werden?

Schweißgut

Das Schweißgut ist das Material, das beim Schweißen aufgebracht wird.

Ihre Härte kann von folgenden Faktoren abhängen:

• Zusammensetzung des Schweißzusatzwerkstoffs
• Schweißverfahren
• Wärmezufuhr
• Abkühlgeschwindigkeit
• Anzahl der Durchgänge
• Vorheizen
• Wärmebehandlung nach dem Schweißen

Durch die Prüfung des Schweißguts lässt sich feststellen, ob das aufgetragene Material die erwarteten Eigenschaften aufweist.

Wärmeeinflusszone

Die HAZ ist von besonderer Bedeutung.

Es handelt sich um den Bereich des Grundwerkstoffs, der beim Schweißen erhitzt wurde, jedoch nicht geschmolzen ist.

Seine Mikrostruktur kann sich je nach thermischem Schweißzyklus erheblich verändern.

Bei einigen Stahlsorten kann eine schnelle Abkühlung zur Bildung harter Mikrostrukturen in der Wärmeeinflusszone führen.

Aus diesem Grund umfassen Härteprüfungen häufig mehrere Messungen über die Wärmeeinflusszone hinweg, anstatt lediglich die Mitte der Schweißnaht zu prüfen.

Unedles Metall

Das unedle Metall dient als nützlicher Anhaltspunkt.

Ein Vergleich der Härte des Grundwerkstoffs mit der Härte des Schweißguts und der Wärmeeinflusszone kann den Prüfern helfen zu verstehen, inwieweit der Schweißprozess den lokalen Materialzustand verändert hat.

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Was kann eine Härteprüfung an Schweißnähten aufdecken?

Übermäßige Härte

Eine hohe lokale Härte kann mitunter auf die Bildung harter Mikrostrukturen hindeuten.

Bei anfälligen Stählen kann dies mit einem erhöhten Rissbildungsrisiko einhergehen, insbesondere in Verbindung mit Wasserstoff und Zugspannungen.

Die Härtegrenzwerte müssen sich jedoch stets aus den geltenden Material-, Schweiß-, Norm- oder Projektspezifikationen ergeben.

Unzureichende Wärmebehandlung

Falls eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen erforderlich ist, kann eine Härtemessung den Nachweis erbringen, dass die Behandlung die beabsichtigte Veränderung bewirkt hat.

Eine unerwartet hohe Härte nach der Nachwärmebehandlung kann weitere Untersuchungen erforderlich machen.

Mikrostrukturelle Veränderungen

Ein Härteprofil entlang einer Schweißnaht kann Veränderungen zwischen folgenden Bereichen aufzeigen:

Grundmetall → Wärmeeinflusszone → Schweißgut → Wärmeeinflusszone → Grundmetall

Dieses Profil kann nützliche Informationen über den thermischen Schweißzyklus und die anschließende Behandlung liefern.

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Härteprüfverfahren für Schweißnähte

Vickers-Härteprüfung

Vickers eignet sich besonders gut für Härteprüfungen an Schweißnähten.

Das Gerät verwendet einen diamantenen Pyramidenindenter und kann relativ kleine Eindrücke erzeugen.

Dadurch eignet es sich zur Erfassung der Härte in schmalen Bereichen wie beispielsweise der Wärmeeinflusszone (HAZ).

Je nach Anwendungsfall können unterschiedliche Prüfkräfte ausgewählt werden.

Bei der Schweißqualifizierung und bei metallografischen Untersuchungen kann die Vickers-Härteprüfung detaillierte Härteprofile liefern.

Rockwell-Härteprüfung

Die Rockwell-Prüfung ist bei geeigneten Werkstoffen und Bauteilgeometrien schnell und bequem durchzuführen.

Allerdings kann die Eindrückung im Vergleich zu einer Mikro-Vickers-Eindrückung relativ groß sein.

Bei schmalen Schweißzonen kann dies die präzise Positionssteuerung erschweren.

Rockwell kann für geeignete Produktionsanwendungen nach wie vor von Nutzen sein, sofern dies gemäß der geltenden Spezifikation zulässig ist.

Brinell-Härteprüfung

Bei der Brinell-Prüfung wird eine relativ große kugelförmige Eindrückung verwendet.

Im Allgemeinen eignet es sich eher für größere, relativ gleichmäßige Bereiche als für sehr schmale Schweißnähte oder HAZ-Profile.

Dies kann bei größeren geschweißten Bauteilen von Nutzen sein, wenn in der Spezifikation eine Brinell-Härte vorgeschrieben ist.

Tragbare Härteprüfung

Tragbare Messgeräte sind von großem Nutzen, wenn geschweißte Konstruktionen nicht in ein Labor transportiert werden können.

Sie eignen sich für folgende Zwecke:

• Pipelines
• Druckbehälter
• Strukturelle Komponenten
• Große Maschinen
• Schweißkonstruktionen

Zu den tragbaren Verfahren zählen Technologien wie der Leeb-Rückprall und UCI.

Das Messgerät muss für das Material, den Härtebereich, den Oberflächenzustand, die Geometrie und das anzuwendende Verfahren geeignet sein.

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Warum das Vickers-Verfahren bei der Bestimmung von Härteprofilen an Schweißnähten weit verbreitet ist

Ein wesentlicher Vorteil der Vickers-Prüfung ist die relativ geringe Eindrückung.

Ein Schweißnahtquerschnitt kann auf engem Raum mehrere Bereiche aufweisen.

Beispielsweise:

Grundwerkstoff | HAZ | Schmelzgrenze | Schweißgut | Schmelzgrenze | HAZ | Grundwerkstoff

Eine große Einrückung kann sich über mehr als einen Bereich erstrecken.

Durch eine kleinere Vickers-Eindrückung lassen sich die Messungen präziser positionieren.

Aus diesem Grund wird die Vickers-Prüfung häufig in Betracht gezogen, wenn das Ziel darin besteht, eine detaillierte Härtevermessung über eine Schweißverbindung hinweg durchzuführen.

Mikrohärteprüfgeräte können insbesondere für die Forschung und die metallografische Analyse von großem Nutzen sein.

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Prüfung der Schweißnaht-Härte nach der Nachwärmebehandlung (PWHT)

Wärmebehandlung nach dem Schweißen, üblicherweise abgekürzt als PWHT, wird bei bestimmten Werkstoffen und Anwendungen eingesetzt, um Restspannungen und metallurgische Eigenschaften zu verändern.

Eine Härtemessung nach der Nachwärmebehandlung kann Aufschluss darüber geben, ob sich das Material wie erwartet verhalten hat.

Ein typischer Prüfablauf kann Folgendes umfassen:

1. Vollständige Schweißarbeiten
2. Führen Sie die erforderliche Wärmebehandlung durch
3. Teststandorte vorbereiten
4. Überprüfen Sie das Härtemessgerät
5. Messen Sie die angegebenen Punkte
6. Rekordergebnisse
7. Vergleichen Sie die Messwerte mit den Akzeptanzkriterien

Das konkrete Vorgehen hängt von den geltenden Vorschriften und den Projektanforderungen ab.

Es ist wichtig, nicht davon auszugehen, dass für jede Schweißnaht derselbe Härtegrenzwert gilt.

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Härteprüfung für verschiedene Schweißanwendungen

Schweißnähte aus Kohlenstoffstahl

Schweißnähte aus Kohlenstoffstahl werden häufig mittels Härtemessungen geprüft.

Die HAZ kann von Bedeutung sein, da das Schweißen ihre Mikrostruktur verändern kann.

Zur Steuerung des thermischen Schweißzyklus können das Vorwärmen und das kontrollierte Abkühlen eingesetzt werden.

Schweißnähte an legiertem Stahl

Legierte Stähle können empfindlicher auf thermische Zyklen beim Schweißen und auf Wärmebehandlungen reagieren.

Härteprüfungen können daher zur Überprüfung des Zustands des Schweißguts und der Wärmeeinflusszone von Nutzen sein.

Schweißnähte aus Edelstahl

Zu den rostfreien Stählen gehören zahlreiche verschiedene Sorten mit unterschiedlichen metallurgischen Eigenschaften.

Die Wahl der Härteprüfung sollte entsprechend der Güteklasse und dem Verwendungszweck erfolgen.

In manchen Fällen ist die Härte nur ein Aspekt einer weitaus umfassenderen Bewertung der Schweißnahtqualität.

Rohrleitungsschweißnähte

Beim Schweißen von Rohrleitungen können strenge Prüfvorschriften gelten.

Je nach Projektspezifikation können zusätzlich Härtemessungen durchgeführt werden:

• Sichtprüfung
• Ultraschallprüfung
• Röntgenuntersuchung
• Magnetpulverprüfung
• Chemische Analyse
• Zugversuch

Tragbare Härteprüfgeräte können bei großen Rohrleitungsabschnitten nützlich sein, bei denen Laboruntersuchungen nicht praktikabel sind.

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Vorbereitung der Schweißfläche

Die Oberflächenvorbereitung ist von entscheidender Bedeutung.

Für eine genaue Eindrückprüfung sollte der Prüfbereich folgende Eigenschaften aufweisen:

• Sauber
• Glatt
• Angemessen unterstützt
• Frei von losen Schuppen
• Frei von übermäßigen Schweißspritzern

Das Schleifen sollte sorgfältig kontrolliert werden.

Übermäßiges Knirschen kann:

• Erwärmen Sie die Oberfläche
• Wichtige Inhalte entfernen
• Die lokale Mikrostruktur verändern
• Restverformung erzeugen

Bei Vickers-Prüfungen, insbesondere bei Prüfungen mit geringen Kräften, ist häufig eine gut vorbereitete Oberfläche erforderlich, um eindeutige Eindrückungsmesswerte zu erhalten.

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Standorte und Profile der Härtungsprüfungen

Eine Härteprüfung an einer Schweißnaht besteht nicht unbedingt nur aus einer einzigen Messung.

Ein Härteverlauf kann die Fuge von einer Seite des Grundmetalls zur anderen durchqueren.

Beispielsweise:

Grundmetall → Wärmeeinflusszone → Schweißgut → Wärmeeinflusszone → Grundmetall

Die genaue Anzahl und der Abstand der Einrückungen hängen von der geltenden Norm oder den Projektspezifikationen ab.

Zu den wichtigen Faktoren zählen:

• Schweißnahtdicke
• Werkstoffgüte
• Schweißverfahren
• HAZ-Breite
• Prüfverfahren
• Erforderliche Auflösung
• Abnahmekriterien

Bei kritischen Anwendungen sollten im Prüfverfahren die Prüfstellen vor Beginn der Prüfung eindeutig festgelegt werden.

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Häufige Fehler bei der Härteprüfung von Schweißnähten

Prüfung am falschen Ort

Bei einer Messung, die ausschließlich in der Mitte der Schweißnaht durchgeführt wird, kann ein harter Bereich der Wärmeeinflusszone übersehen werden.

Verwendung einer übergroßen Einrückung

Sollte die Vertiefung für den untersuchten Bereich zu groß sein, kann das Ergebnis mehrere mikrostrukturelle Zonen widerspiegeln.

Mangelhafte Oberflächenvorbereitung

Eine raue Oberfläche kann die Messung der Eindrückung ungenau machen.

Falsche Prüfkraft

Die Prüfkraft muss auf das gewählte Verfahren und die jeweilige Anwendung abgestimmt sein.

Unzureichende Probenhalterung

Bewegungen während der Untersuchung können die Ergebnisse beeinflussen.

Die Schweißgeometrie außer Acht lassen

Gekrümmte oder unregelmäßige Schweißflächen erfordern unter Umständen eine spezielle Vorbereitung oder Ausrüstung.

Verwendung allgemeiner Härtegrenzwerte

Abnahmegrenzen sind nicht allgemeingültig. Sie müssen sich aus der jeweiligen Spezifikation, Norm, den Werkstoffanforderungen oder dem Schweißverfahren ergeben.

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Normen und Spezifikationen

Für die Härteprüfung von metallischen Werkstoffen und Schweißverbindungen können verschiedene Normen relevant sein.

Zu den gängigen Referenzen zählen:

• ASTM E10 — Brinell-Härteprüfung
• ASTM E18 — Rockwell-Härteprüfung
• ASTM E384 — Mikroindentations-Härteprüfung
• ISO 6506 — Brinell-Härte
• ISO 6507 — Vickers-Härte
• ISO 6508 — Rockwell-Härte

Schweißspezifische Anforderungen können sich auch aus Normen und Vorschriften ergeben, wie beispielsweise den ISO-Schweißnormen, den ASME-Anforderungen, den AWS-Spezifikationen oder projektspezifischen Verfahren.

Die genauen Abnahmekriterien können je nach Werkstoff, Anwendungsbereich, Schweißverfahren und geltender Norm erheblich variieren.

Verwenden Sie für die formale Prüfung stets die jeweils gültige Ausgabe und die Projektanforderungen.

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So wählen Sie ein Härteprüfgerät für Schweißnähte aus

Berücksichtigen Sie bei der Auswahl der Ausrüstung Folgendes:

Anforderung	Leitfrage
Material	Welches Metall wird geschweißt?
Härtebereich	Wie hoch wird die Festigkeit der Schweißnaht voraussichtlich sein?
Testbereich	Ist die Gefahrenzone schmal?
Prüfverfahren	Rockwell, Vickers, Brinell oder ein tragbares Gerät?
Größe der Komponente	Kann die Komponente verschoben werden?
Oberfläche	Ist die Schweißnaht zugänglich und ordnungsgemäß vorbereitet?
Prüfvolumen	Gelegentliche Überprüfung oder tägliche Produktion?
Standard	Welche Vorschrift oder Norm gilt?
Dokumentation	Sind digitale Berichte erforderlich?

Für detaillierte Härteverläufe an Schweißnähten gilt: a Vickers Härteprüfgerät ist oft eine praktische Wahl.

Für große Bauwerke und Inspektionen vor Ort eignet sich ein tragbares Härteprüfgerät könnte praktischer sein.

Bei größeren, gleichmäßigen Flächen, sofern die Spezifikation dies zulässt, können die Rockwell- oder Brinell-Prüfung geeignet sein.

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Häufig gestellte Fragen

1. Warum werden Schweißnähte einer Härteprüfung unterzogen?

Es dient zur Bewertung von Härteänderungen im Schweißgut, in der Wärmeeinflusszone (HAZ) und im Grundwerkstoff und kann zur Überprüfung der Bedingungen beim Schweißen und bei der Wärmebehandlung nach dem Schweißen beitragen.

2. Welcher Härtetest eignet sich am besten für Schweißnähte?

Vickers eignet sich häufig gut für die Härteprofilierung an Schweißnähten, da die relativ kleine Eindrückung eine präzise Positionierung der Messungen entlang der Schweißnaht und der Wärmeeinflusszone ermöglicht.

3. Warum ist die HAZ bei der Prüfung der Schweißnahtfestigkeit von Bedeutung?

Der Wärmeeinflussbereich (HAZ) unterliegt während des Schweißvorgangs erheblichen thermischen Veränderungen. Je nach Werkstoff und Abkühlgeschwindigkeit können sich darin Mikrostrukturen bilden, deren Härte sich deutlich von der des Grundwerkstoffs unterscheidet.

4. Kann ein Rockwell-Härteprüfer für Schweißnähte verwendet werden?

Ja, sofern das Material, die Geometrie, der Härtebereich, die Oberflächenbeschaffenheit und die geltende Spezifikation geeignet sind. Allerdings ist die Rockwell-Methode für Messungen in sehr schmalen Wärmeeinflusszonen möglicherweise weniger geeignet.

5. Können Härtemessungen an Schweißnähten vor Ort durchgeführt werden?

Ja. Tragbare Härteprüfgeräte können für geeignete große Schweißbauteile verwendet werden, sofern das Gerät und das Prüfverfahren geeignet sind.

6. Verringert die PWHT die Härte der Schweißnaht?

Unter bestimmten Materialbedingungen kann es die Härte verringern oder neu verteilen; die tatsächliche Wirkung hängt jedoch vom Material, dem Schweißverfahren, den Wärmebehandlungsparametern und der Mikrostruktur ab.

7. Welche Bereiche sollten an einer Schweißnaht geprüft werden?

Je nach geltender Anforderung können die Messungen das Schweißgut, die Wärmeeinflusszone auf beiden Seiten sowie das Grundmetall umfassen.

8. Ist eine hohe Härte der Schweißnaht immer ein Anzeichen für eine mangelhafte Schweißnaht?

Nein. Ein Härtewert muss im Hinblick auf die jeweiligen Material- und Projektanforderungen bewertet werden. Eine hohe Härte kann in manchen Anwendungsfällen von Bedeutung sein, in anderen hingegen akzeptabel sein.

9. Kann die Härtemessung andere Schweißnahtprüfungen ersetzen?

Im Allgemeinen nicht. Die Härtemessung liefert Informationen über die Härte und den lokalen Materialzustand. Sie ersetzt jedoch nicht die Prüfverfahren, die zur Erkennung von Fehlern wie Rissen, Verschweißungsfehlern oder inneren Unregelmäßigkeiten vorgesehen sind.

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Fazit

Härteprüfung an Schweißnähten liefert wertvolle Informationen über den metallurgischen Zustand von Schweißverbindungen. Im Gegensatz zu einer einfachen Härtungsprüfung an einem homogenen Metallstück erfordert die Schweißnahtprüfung häufig Messungen in mehreren unterschiedlichen Bereichen.

Die Schweißgut, Wärmeeinflusszone und Grundmetall Da diese jeweils unterschiedliche Härteeigenschaften aufweisen können, spielt die Stelle, an der die Prüfung durchgeführt wird, eine große Rolle.

Die Vickers-Prüfung ist besonders nützlich, wenn eine detaillierte Härtevermessung erforderlich ist, während die Rockwell- und Brinell-Prüfung für geeignete Anwendungen in Frage kommen können. Tragbare Härteprüfgeräte bieten eine weitere Möglichkeit für große Schweißkonstruktionen, die nicht in ein Labor transportiert werden können.

Um zuverlässige Ergebnisse zu erzielen, sollten die Prüfer sorgfältig darauf achten, Oberflächenvorbereitung, Prüfkraft, Eindrückgröße, Prüfstelle, Geräteüberprüfung und Abnahmekriterien.

Vor allem sollten die Ergebnisse zur Schweißnaht-Härte stets gemäß der geltenden Schweißnorm, der Werkstoffspezifikation und den Projektanforderungen interpretiert werden, anstatt einen allgemeinen Härtegrenzwert heranzuziehen.