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13.04.2018

Metallhärteprüfgerät Equotip Live Leeb D von Proceq

Schweißnahtprüfung von Schienen

Fehlstellen in Thermitschweißnähten an Schienen befinden sich oftmals an Positionen, die nicht mit Ultraschall und Phased Array geprüft werden können. Ein Schweizer Hersteller von Härteprüfsystemen hat daher ein zweistufiges Prüfverfahren entwickelt. Damit lassen sich oberflächenbrechende Risse und interne Defekte ermitteln.

Metallhärteprüfgerät Equotip Live Leeb D (© Proceq)

Nach Angaben der Weltbank belief sich die Gesamtlänge der weltweit genutzten Schienen zwischen 2006 und 2016 auf etwa 1,06 Millionen Kilometer. Aufgrund der steigenden Auslastung werden höhere Anforderungen an die Eisenbahnsicherheit und an die Schienen hinsichtlich ihrer Konstruktion, Wartung und Instandhaltung gestellt. Bei modernen Eisenbahnnetzen werden Schienen aus warmgewalztem Stahl mit einer festgelegten Länge eingesetzt, die zu einem durchgängigen Gleis von mehreren Kilometern Länge verschweißt werden. Während der Nutzungsdauer werden die Schienensegmente regelmäßig repariert oder ersetzt und erneut verbunden. Dies erfolgt durch Thermitschweißen, ein Verfahren, bei dem die Schienenstöße mit einem schmelzflüssigen Schweißzusatz, d. h. durch aluminothermisches Schmelzschweißen verbunden werden.

Nach dem Schmelzen weisen Schweißzusatz und Stahllegierung der Schienen unterschiedliche Materialeigenschaften auf. Ferner sind an der Wärmeeinflusszone (WEZ) Fehler in den Schweißnähten wie Luftblasen oder Einschlüsse nicht vollständig auszuschließen. Zudem können metallurgische Veränderungen und mangelhafte Qualität zu Rissbildung führen. Dies kann unter normalen Betriebsbedingungen einen Bruch der Schienen oder im schlimmsten Fall eine Zugentgleisung zur Folge haben.

Diesen Risiken war auch ein großes lateinamerikanisches Eisenbahnunternehmen ausgesetzt. Durch einen senkrechten Riss im Schienenkopf entgleiste ein Güterzug. Die metallografische Untersuchung der Oberfläche und der Schweißnaht ergab zahlreiche Mängel, von denen einer als die Hauptursache für das katastrophale Versagen des Schienensegments ermittelt wurde. Weitere Prüfungen zeigten, dass bei zahlreichen Schweißnähten entlang mehrerer Schienen ein Schweißzusatz mangelhafter Qualität verwendet worden war.

Mit der Färbemittel-Eindringprüfung (Dye Penetrant Inspection, DPI) hatte das Inspektionsteam des Eisenbahnunternehmens Risse in der Schienenoberfläche erkannt, konnte jedoch nicht deren Tiefe bestimmen und interne Defekte nicht ausschließen. Selbst das Ultraschallprüfverfahren mit Pulse Echo und Phased Array (PA) brachte keine eindeutigen Ergebnisse.

Zweistufiges Verfahren entwickelt

Die Experten von Proceq, Schwerzenbach/Schweiz, zeigten, dass Ultraschall und PA für dieses Problem nicht geeignet sind, weil sich die für diese Schweißnähte typischen Defekte an einer ungünstigen Position befanden. Sie entwickelten daher ein neues, zweistufiges Verfahren. Zunächst wird eine schnelle Metallhärtemessung jeder Schweißnaht nach der Leeb-Methode durchgeführt. Abweichungen mit geringer Härte in der WEZ deuten auf die Verwendung von mangelhaftem Schweißzusatz hin, welcher die Fehlerwahrscheinlichkeit erhöht.

Durch diesen ersten Schritt müssen die wenig gefährdeten Schweißnähte nicht weiter untersucht werden. Danach werden alle gefährdeten Schweißnähte mit der Methode von Flugzeitbeugung (Time Of Flight Diffraction, TOFD) getestet. Im Gegensatz zu Ultraschall und PA kann der Prüfer mit TOFD oberflächenbrechende Risse und interne Defekte ermitteln sowie ihre Position und Größe bestimmen.

Mit der Leeb-Methode wird der Härtewert durch die dynamische Rückprallmethode ermittelt, bei der ein Schlagkörper mittels Federkraft auf das Prüfstück geschleudert wird. Durch die Härtemessung an einer WEZ werden mittels der HRC-Skala mehr Abweichungen in den Übergangsbereichen zwischen Schiene und Schweißzusatz erfassbar. Bei TOFD werden zwei Ultraschallprüfköpfe in einem festgelegten Abstand als Sender und Empfänger der Ultraschallimpulse angebracht. Ultraschallwellen reagieren auf Fehler und erzeugen bei Rissen gebeugte Wellen. Der zeitliche Abstand zwischen den empfangenen Wellen steht in direktem Zusammenhang mit der Größe des Risses. Mit TOFD werden sogar auch Fehler erkannt, die in Hinblick auf den Strahl nicht ideal orientiert sind.

Durch die Härtemessung an einer WEZ werden mittels der HRC-Skala mehr Abweichungen in den Übergangsbereichen zwischen Schiene und Schweißzusatz erfassbar. (© Proceq)

Messlösung mit zwei Systemen

Das Messsystem umfasst zwei Produkte von Proceq: das Metallhärteprüfgerät Live Leeb D und das Ultraschall-Prüfgerät Flaw Detector 100.

Das tragbare, IoT-fähige Metallhärteprüfgerät greift über Bluetooth mit einer mobilen App auf die Live-Cloud zu. Mit diesem System lassen sich laut Hersteller die Messergebnisse jederzeit und an jedem Ort zuverlässig erfassen und sicher speichern. Zudem kann auf die Daten von überall zugegriffen werden, und diese können gemeinsam, nach passendem Teilen, genutzt werden. Die Logbook-Funktion für die Datenrückverfolgbarkeit bietet die Sicherheit, dass die Prüfergebnisse nicht fehlerhaft erfasst oder manipuliert werden.

Das flexible Ultraschall-Prüfgerät kann Schweißnähte, aber auch Rohre, Schmiede- und Gussteile mit Ultraschall, PA und TOFD untersuchen. Durch die integrierten Visualisierungsmöglichkeiten kann nach Firmenangaben die Überprüfung des gesamten Schienennetzes sichergestellt werden. Ultraschall und TOFD können zusammen aktiviert und genutzt und so große Schweißbereiche gleichzeitig untersucht werden. Moderne Signalverarbeitung und automatische Berichterstellung erleichtern die Ortung und Meldung von Fehlern.

Verglichen mit den Testverfahren der Färbemittel-Eindringprüfung (DPI), von Ultraschall (UT) und Ultraschall Phased Array (UTPA) und der Puls-Induktionsmethode zeichnet sich diese Lösung nach Angaben des Herstellers durch folgende Vorteile aus:

  • hohe Effizienz durch ersten Analyseschritt mit Leeb,
  • hervorragende Zuverlässigkeit durch exakte Fehlerermittlung und Größenbestimmung mit TOFD,
  • gute Verständlichkeit durch Darstellung der Fehler in Proceq Flaw Detector 100,
  • hohe Reproduzierbarkeit durch Datenerfassung und Berichtsfunktion,
  • zuverlässige Datenrückverfolgbarkeit,
  • Sicherheit durch Logbook-Funktion und Aufzeichnung der TOFD-Daten.

Die neue Lösung kann auch angewendet werden, wenn zahlreiche oder große Gussteile auf das Vorhandensein, die Position, die Orientierung und die Größe von Fehlern effizient zu prüfen sind.

Control 2018: Halle 6, Stand 6105

Isaak Tsalicoglou, Chris Udell

Unternehmensinformation

PROCEQ SA

Ringstr. 2
CH 8603 SCHWERZENBACH
Tel.: +41 43 3553800
Fax: +41 43 3553812

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