Vergleichsatlas von Schweißfehlern und Bildern zerstörungsfreier Prüfverfahren

Die Darstellung von Schweißfehlern auf Röntgenaufnahmen ist eine wichtige Grundlage für die Beurteilung der Schweißqualität. Verschiedene häufige Schweißfehler weisen charakteristische Bildmerkmale und entsprechende Normvorgaben auf den Aufnahmen auf.

Es gibt 18 typische Fehler, darunter ungleichmäßige Schweißnähte, unvollständige Wurzelschmelze, unzureichende Verstärkung, Wurzelschweißraupe, äußere Hinterschneidung, innere Hinterschneidung, Wurzelvertiefung, Durchbrennen, isolierte Schlackeneinschlüsse, lineare Schlackeneinschlüsse, unvollständige innere Schmelze, unvollständige innere Schmelze, Porosität, Kettenporosität, Raupeneinschlüsse, Querrisse, Mittellinienrisse und Wurzelrisse.

Durch die systematische Kenntnis der Bildmerkmale und relevanten Normen verschiedener Schweißfehler lassen sich Schweißfilme präzise interpretieren und eine verlässliche Grundlage für die Bewertung der Schweißqualität schaffen. In der Praxis ist eine umfassende Analyse unter Berücksichtigung der spezifischen Prozessbedingungen und Materialeigenschaften erforderlich. Im Folgenden werden die Bildmerkmale, relevanten Normen und Interpretationsmethoden verschiedener Schweißfehler systematisch vorgestellt.

Bildmerkmale häufiger Schweißfehler auf Filmen

1.Porosität

Morphologische Merkmale: Sie erscheinen als runde oder elliptische schwarze Flecken auf dem Film, wobei die Schwärze in der Mitte stärker ist und zu den Rändern hin allmählich abnimmt, und weisen eine regelmäßige Form auf.

Klassifizierung: Kann in isolierte Porosität und Kettenporosität unterteilt werden; Kettenporosität ist in Clustern verteilt.

Sphärische Porosität: Runde oder elliptische schwarze Flecken mit hoher zentraler Schwärze, allmählich auslaufenden Rändern und klaren Konturen. Sie lassen sich in Einzel-, Dicht-, Ketten- und Oberflächenporosität unterteilen.

Streifenporosität: Parallel zur Schweißachse, mit gleichmäßiger und leichter Schwärze, abgerundetem Anfangspunkt und sich verjüngendem Ende.

Schräge nadelförmige Porosität: Regenwurmähnliche Bilder mit einem abgerundeten und einem spitzen Ende, hell und gleichmäßig schwarz.

Typischer Leistungsverlauf: Einfache Porosität weist flache und glatte Ränder mit regelmäßigen und klaren Konturen auf; dichte Porosität ist in Clustern verteilt.

Identifikationsmerkmale:

• Einfache Porosität weist glatte und klare Konturen auf;
• Dichte Porosität tritt gehäuft auf;
• Die Kettenporosität ist entlang der Schweißnahtachse angeordnet.

2. Riss

Morphologische Merkmale: Sie erscheinen auf dem Film als dünne schwarze Linien mit deutlichen Konturen, spitz zulaufenden Enden und einer etwas dickeren Mitte.

Spezifische Leistung: Dünne schwarze Linien, leicht gezackte und wellenförmige feine Linien, sich verjüngende Enden, wobei die Schwärze allmählich verblasst und verschwindet, um eine gerade feine Linie mit deutlichen Konturen zu bilden, die sich oft an beiden Enden verjüngt und in der Mitte etwas breiter ist und möglicherweise verzweigte radioaktive Risse mit leichter Schwärze enthält.

Identifikationsmerkmale:

•  In gekrümmten oder geraden Linien vorhanden.
•  Kann von fadenförmigen Schattenausläufern begleitet sein.
• Am schädlichsten sind alle Filme der Klasse IV.

Querriss:

Mittellinienriss:

Wurzelriss:

3. Schlackeneinschlüsse

Morphologische Merkmale: Sie erscheinen auf dem Film als punkt- oder streifenartige Gebilde verschiedener Formen.

Spezifische Leistung: Auf dem Film sind schwarze Flecken, Streifen oder Blöcke mit unregelmäßigen Formen, unregelmäßigen Schwärzungsänderungen, unebenen Konturen und teilweise Kanten und Ecken zu erkennen. Sie können überall in der Schweißnaht auftreten, wobei die Ausbreitungsrichtung der streifenförmigen Schlackeneinschlüsse meist parallel zur Schweißnaht verläuft.

Punktförmiger Schlackeneinschluss: Gleichmäßige Schwärze, unregelmäßige Grenzen mit Kanten und Ecken.

Schlackeneinschlüsse im Band: Ungleichmäßige Schwärze, meist dicke, streifenartige Strukturen mit ungleichmäßiger Breite.

Identifikationsmerkmale:

• Nichtmetallische Schlackeneinschlüsse erscheinen als dunkle Flecken.
• Metallische Schlackeneinschlüsse (wie zum Beispiel Wolframeinschlüsse) erscheinen als helle Flecken.
• Die Schlackeneinschlüsse im Streifenmaterial weisen eine ungleichmäßige Breite und ungleichmäßige Schwärze auf.

4. Wolfram-Einschluss: Weiße, blockartige Bilder mit klaren Konturen.

 5. Unvollständige Fusion

Klassifizierung: Unvollständige Verschmelzung der Fasen und unvollständige Verschmelzung der Zwischenschichten.

Merkmale unvollständiger Verschmelzung der Fasen:

Typische Bilder zeigen durchgehende oder unterbrochene schwarze Linien mit sauberen und geraden Konturen und größerer Schwärze auf der Seite, die dem Grundmetall zugewandt ist.

Die Konturen unvollständiger Schweißnahtverschmelzungen in der Nähe der Schweißnahtmitte können regelmäßig oder unregelmäßig sein und gezackte Blockfehler aufweisen. Ihre Position auf dem Film entspricht der Projektionsposition der Schweißnahtwurzel.

Klassifizierung und Merkmale:

Unvollständige Wurzelfusion: Durchgehende oder unterbrochene schwarze Linien mit sauberen und geraden Konturen und größerer Schwärze auf der Seite, die dem Grundmetall näher ist.

Unvollständige Verschmelzung der abgeschrägten Seitenwand: Schwarze Linien mit ungleichmäßiger Breite und ungleichmäßiger Schwärze, saubere Kontur auf der einen Seite und unregelmäßig auf der anderen.

Zwischenschichtverschmelzung unvollständig: Blockartige Schatten mit geringer Schwärze und unregelmäßigen Formen.

Merkmale unvollständiger Zwischenschichtverschmelzung: Meist schuppig verteilt zwischen den Schweißgutschichten, mit flachen Schatten, ungleichmäßiger Schwärzung, breiteren Linien und unregelmäßigen Bruchenden.

6. Unvollständige Penetration

Klassifizierung: Unvollständiges Eindringen im Wurzelbereich, unvollständiges Eindringen in der Mitte und unvollständiges Eindringen außerhalb der Abschrägung.

Merkmale unvollständiger Wurzeldurchdringung: Sie befindet sich in der Mitte der Schweißnaht und erscheint als gerade schwarze Linie, durchgehend oder unterbrochen, streifen- oder bandartig, wobei ihre Breite vom Stoßspalt abhängt. Der Schatten ist gleichmäßig.

Schwärze und deutliche Konturen.

Identifikationsmerkmale:

• Breite entsprechend dem Spalt an der Wurzelfläche der Fase.
• Befindet sich üblicherweise in der Mitte der Schweißnaht.
• Kann den gesamten Film durchdringen.

Unvollständiges Wurzelwachstum:

Mittlere unvollständige Durchdringung:

7. Ungleichmäßige Schweißnähte

Die beiden Seiten der Schweißnaht sind uneben und schief.

• Das Filmbild ist deutlich in zwei Teile mit starker und schwacher Belichtung unterteilt.

• Die Schweißnaht weist Abweichungen auf, und die Schweißwurzel ist unzureichend mit Metall gefüllt. Das Filmbild ist deutlich in zwei Bereiche mit starker und schwacher Belichtung unterteilt. Entlang der Grenze zwischen den beiden Bereichen verläuft eine undurchsichtige schwarze Linie.

8. Unzureichende Bewehrung

Die Schweißnahtoberfläche ist durchhängend oder weist Poren auf, und das Filmbild zeigt, dass die Belichtungsdichte des gesamten Schweißnahtbereichs dunkler ist als die des geschweißten Teils.

9. Wurzelschweißnaht

Überschüssiges Schweißgut an der Schweißwurzel. In der Bildmitte ist ein hellerer Bereich entlang der Schweißnaht erkennbar, oder es sind einzelne runde Punkte zu sehen.

10. Äußere Hinterschneidung und innere Hinterschneidung

• Das Schweißnahtbild weist unregelmäßige schwarze Schatten auf. Seine Belichtungsdichte muss dunkler sein als die des geschweißten Teils.

•  Im Zentrum des Schweißnahtbildes, entlang der Wurzelkante der Schweißnaht, befinden sich unregelmäßige, lange und schmale schwarze Schatten.

11. Wurzeldepression

12Durchbrennen

Vergleichende Analyse leicht zu verwechselnder Fehler

Fehlerbewertung in Standardspezifikationen

GB-Standardsystem: Chinesischer Nationalstandard. GB/T 3323-2019 ist in vier Klassen unterteilt: I, II, III und IV. Er ist anwendbar auf die Schweißnahtprüfung von Stahl, Nickel, Titan und anderen Werkstoffen und beschleunigt die Angleichung an die chinesischen Normen.

internationale Standards.

NB/T 47013.2-2015: Legt die technischen Güteklassen (A, AB, B) für die Röntgenprüfung von drucktragenden Geräten fest; präzisiert die Prüfanforderungen für verschiedene Werkstoffe und Dickenbereiche; klassifiziert und bewertet systematisch die Qualität von Schweißnahtfehlern.

ISO-Normensystem: Die von der Internationalen Organisation für Normung (ISO) formulierten Normen stellen internationale allgemeine Spezifikationen dar. Die neuesten Versionen sind ISO 17636-1:2022 und ISO 5817:2023, die für die folgenden Bereiche gelten:

Prüfung von Schmelzschweißverbindungen metallischer Werkstoffe nach drei Qualitätsstufen: B, C und D.

ASME BPVC Abschnitt V: Bietet Ultraschallprüfverfahren für Schweißnähte; beinhaltet Anforderungen an Kalibrierprüfblöcke und Empfindlichkeitsvergleichsprüfblöcke; beschreibt detailliert die Methoden zur Messung der Länge und Höhe von Fehlersignalen.

ASTM-Normensystem: Die Normen der American Society for Testing and Materials (ASTM), mit ASTM E94/E94M als Kern, verwenden eine Bewertung nach den Klassen I-IV. Sie legen mehr Wert auf Praktikabilität und Flexibilität, indem sie die Akzeptanz bestimmter, die Standardgrenzen überschreitender Fehler durch eine technische Bewertung ermöglichen und Standardrichtlinien für die radiografische Prüfung einschließlich Fehlererkennungs- und Bewertungsverfahren bereitstellen.

EN-Normensystem: Die europäischen Normen basieren auf EN1090 und ISO3834 und sehen ein obligatorisches CE-Zertifizierungssystem vor, das Stahlkonstruktionen in vier Klassen einteilt: EXC1 bis EXC4.

JIS-Standardsystem: Japanische Industrienormen sind für ihre Strenge bekannt. JIS Z3104 legt besonderen Wert auf die Bewertung des Dauerfestigkeitsverhaltens von Schweißverbindungen und sieht üblicherweise einen Sicherheitsfaktor vor, der 20–30 % höher ist als …

internationale Standards.

Fehlerklassifizierung und Akzeptanzgrade:

Anforderungen an Bildqualität und Empfindlichkeit

Vergleich der zulässigen Werte für die Risserkennung

Standards für die Fehlerklassifizierung

• GB/T 3323-2019 legt das radiografische Prüfverfahren und den Qualitätsbewertungsstandard für Schweißverbindungen bei Metallfusionsschweißungen fest.

Grad I: Unvollständige Verschmelzung oder Risse sind nicht zulässig;

Grad II: Unvollständige Fusionslänge ≤3 mm;

Grad III: Unvollständige Fusionslänge ≤5 mm;

Grad IV: Jede unvollständige Versteifung ist nicht qualifiziert.

• ISO 10675-1-Standard

Diese Norm legt die Annahmekriterien für die zerstörungsfreie radiografische Prüfung von Schweißnähten fest und gilt für Schweißverbindungen aus Stahl, Nickel, Titan und deren Legierungen. Die Norm enthält Beispiele für das Fehlerflächenverhältnis und Berechnungsmethoden für die zulässige kumulative Fehlerfläche.

Unterschiede in den Defekteigenschaften verschiedener Materialien

• Schweißnähte aus Kohlenstoffstahl: Die Porosität ist überwiegend regelmäßig rund; unvollständige Fusionsbilder weisen einen deutlichen Schwarzkontrast auf; die Risse verlaufen überwiegend gerade.
• Edelstahlschweißnähte: Die Porosität kann feiner und dichter sein; unvollständige Fusionsbilder können unschärfer sein; Risse können mehr Verzweigungen aufweisen; aufgrund des großen linearen Ausdehnungskoeffizienten von Edelstahl (etwa 1.5-mal so groß wie der von Kohlenstoffstahl) treten Spannungsrisse beim Abkühlen häufiger auf.
•  Aluminiumlegierungsschweißen:
  • Merkmale der Porosität: Unklare Randkonturen, regelmäßige runde Punkte oder puppenartige schwarze Schatten, mit stärkerer Schwärze in der Mitte und geringerer Randschwärze. Die Porosität ist beim automatischen Schweißen größer als beim manuellen Schweißen; die Bereiche sind rund oder oval mit deutlich erkennbaren Rändern.
  • Besondere Formen: Es können fischgrätenartige Verteilungen (CO-Porosität) oder kaulquappenartige Strukturen (H₂-Porosität) auftreten.

Vorschläge für die praktische Anwendung

Filmbewertungsfähigkeiten:

Prüfen Sie zunächst die Filmmarkierungen und die vier grundlegenden Indikatoren; beginnen Sie die Beobachtung an der Schmelzlinie; achten Sie auf die Position und Verteilung der Defekte.

Fähigkeiten zur Fehlerinterpretation:

• Beobachten Sie die Veränderungen der Schwärze: Porosität weist eine hohe zentrale Schwärze und verblassende Ränder auf; unvollständige Verschmelzung zeigt eine stärkere Schwärze auf einer Seite; Schlackeneinschlüsse weisen eine ungleichmäßige Schwärze auf.
• Konturmerkmale analysieren: Unvollständige Durchdringung ist auf beiden Seiten sauber; Risse sind gezackt; Schlackeneinschlüsse haben Kanten und Ecken.
• Positionsbeurteilung: Wurzelfehler befinden sich in der Mitte der Schweißnaht; unvollständige Fasenverschmelzung befindet sich an der Halbposition; unvollständige Zwischenlagenverschmelzung hat unbestimmte Positionen.
• Falsche Fehleridentifizierung: Entwicklerkristalle erscheinen als sternförmige Punkte; sich verstärkende Kratzer auf dem Bildschirm verursachen parallele Streifen, die bei wiederholter Belichtung nicht wieder auftreten.

Häufige Missverständnisse:

• Verwechslung zwischen unvollständiger Penetration und unvollständiger Fusion;
• Fehlbeurteilung von Oberflächenfehlern und inneren Defekten;
• Unterscheidung zwischen falschen Defekten (wie z. B. Kratzern auf der IP-Platine) und echten Defekten.

 Zukünftige Entwicklungstrends der Schweißfehlerradiographie

Prüftechnologie: Künstliche Intelligenz und Deep Learning revolutionieren die traditionelle radiografische Prüftechnik und werden zur treibenden Kraft für zukünftige Entwicklungen. Automatische Schweißfehlererkennungssysteme auf Deep-Learning-Basis finden bereits Anwendung im industriellen Maßstab und haben bedeutende technologische Fortschritte erzielt, darunter:

Optimierung der YOLO-Serienalgorithmen: Das verbesserte YOLOv7-Modell erreicht auf dem COCO-Datensatz eine mAP von 56.8 % bei einer Erkennungsgeschwindigkeit von 45 FPS; YOLOv5 erreicht eine durchschnittliche Erkennungsgenauigkeit von 94.9 % für Einzelbilder bei der Schweißfehlererkennung mit einer Verarbeitungszeit von nur 19.58 ms und erfüllt damit die Echtzeitanforderungen.

Anwendung des U-Net++-Netzwerks: Der Dice-Koeffizient erreicht 0.94 bei der Segmentierung von Schweißnaht-Röntgenbildern, und die Transferlernstrategie verbessert die Genauigkeit des Trainings mit kleinen Stichproben (<500 Bilder) auf 85%.

Neue Detektortechnologien verbessern die Detektionsmöglichkeiten und können so vieles mehr

Bei industriellen CT-Echtzeit-Bildgebungssystemen wurden bedeutende Fortschritte erzielt:

Die räumliche Auflösung erreicht (3.8+L/100)μm, und die maximale Röhrenspannung der Mikrofocus-Röntgenquelle beträgt 300 kV. Die Detektionsgeschwindigkeit ist 300 % höher als bei der herkömmlichen Filmmethode, und sie kann die thermische Spannungsverformung während des Schweißens in Echtzeit erfassen.

Integrierte KI-Algorithmen ermöglichen die automatische Fehlerklassifizierung mit einer Erkennungsrate von über 95 % für volumetrische Fehler wie Porosität und Schlackeneinschlüsse.

Bahnbrechende Fortschritte bei der Miniaturisierung und Niedrigdosis-Technologie:

Die von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften entwickelte On-Chip-Mikroundulator-Röntgenquelle besitzt eine äquivalente Periode von 50 Nanometern und ermöglicht kollimierte Röntgenstrahlen im Kiloelektronenvolt-Bereich.

Die Mikro-Gammastrahlen-Technologie reduziert den Sicherheitsabstand auf unter 1 Meter und eignet sich für die Schweißnahtinspektion dünnwandiger Rohre mit einer Wandstärke von ≤15 mm.

Der weltweit erste X/Y-Chip zur Detektion der nuklearen Strahlungsdosis ist nur so groß wie ein Knopf und hat einen Betriebstemperaturbereich von -20℃ bis 50℃.

Die Integration multimodaler zerstörungsfreier Prüfverfahren hat sich zu einem Branchenkonsens entwickelt:

Mehrere zerstörungsfreie Prüfverfahren werden in einem einzigen Gerät integriert, und die Genauigkeit wird durch eine umfassende Ergebnisanalyse verbessert.

Die von Schienenfahrzeugherstellern entwickelte Plattform, die einen 3D-Profiler und eine Wärmebildkamera integriert, erreicht eine Erkennungsrate von 99.2 % für Verbundfehler in Schweißnähten von Hochgeschwindigkeits-Drehgestellen.

Zwei technische Ansätze, die Fusion auf Merkmalsebene und die Fusion auf Entscheidungsebene, entwickeln sich parallel und gleichen dabei die Vollständigkeit der Erkennung mit der Recheneffizienz aus.

ISO 9712:2025 stärkt die Anforderungen an die Qualifikationszertifizierung von Personal und verlangt, dass Personal der Stufe 2 in der Lage sein muss, selbstständig Detektionsvorgänge durchzuführen und Berichte zu erstellen.

GB/T 3323-2019 schreibt vor, dass die radiografische Nachweisempfindlichkeit 2 % erreichen muss, und ISO 17636-1:2022 verlangt, dass der Frequenzbereich der Ultraschallsonde 1-10 MHz beträgt.

GBZ 115-2023 Strahlenschutzstandard für Geräte mit niedriger Energiestrahlung aktualisiert die Anforderungen an den Strahlenschutz, wobei der jährliche effektive Dosisgrenzwert für die Öffentlichkeit bei 1 mSv bleibt.

• Bestehende technische Engpässe:

Unzureichende Anpassungsfähigkeit an komplexe Arbeitsbedingungen: Temperaturen über 500℃ führen zu Sensorausfällen, und der Unterschied in der akustischen Impedanz von Stahl/Aluminium-Verbindungen beträgt bis zu 3 Mal.

Mangelnde Datenannotation: Mehr als 70 % der Daten in Industriegebieten sind nicht annotiert, und der räumlich-zeitliche Registrierungsfehler von Daten aus mehreren Quellen übersteigt 0.1 mm.

Echtzeitanforderung: Das System muss eine Verzögerung von <200ms einhalten, und bestehende Algorithmen stoßen bei der Bereitstellung auf Edge-Geräten immer noch auf Schwierigkeiten.

• Grenzgebiete der Erforschung:

Digitale Zwillingsbasierte Erkennung: Durch die Erstellung virtueller Schweißnahtmodelle kann die Vorhersagegenauigkeit um 30 % verbessert werden.

Quantensensorik: Anwendung zur Früherkennung von Mikrorissen, wodurch traditionelle physikalische Grenzen überwunden werden.

Materialgenom-Engineering: Vorhersage der Leistungsfähigkeit von Schweißmaterialien durch KI und Optimierung von Prozessparametern.

Zusammenfassung der Schweißfehler und Bilder der zerstörungsfreien Prüfung

Kurz gesagt, bei Schweißfehlern und Bildern zerstörungsfreier Prüfungen ist es notwendig, sich die Merkmale der folgenden 5 häufigen Fehler auf Prüfbildern zu merken, was dabei hilft, Art und Größe der Fehler genau zu beurteilen.

Porosität: Runde/elliptische schwarze Schatten mit hoher zentraler Schwärze und allmählich auslaufenden Rändern; die Porosität beim automatischen Schweißen ist hauptsächlich in der Mitte der Schweißnaht verteilt.

Schlackeneinschlüsse: Unregelmäßige schwarze Schatten mit deutlichen Konturen; metallische Schlackeneinschlüsse erscheinen als helle Flecken, nichtmetallische Schlackeneinschlüsse als dunkle Flecken.

Unvollständige Penetration: Dünne, gerade, schwarze Linien, sauber auf beiden Seiten, an der Schweißwurzel fixiert, deren Breite dem Wurzelspalt entspricht.

Unvollständige Fusion: Unterteilt in drei Typen – Wurzel (einseitige, saubere schwarze Linie), Abschrägung (halbmondförmige schwarze Linie), Zwischenschicht (unregelmäßiger heller schwarzer Schatten).

Riss: Gezackte, dünne schwarze Linien, in der Mitte breiter und an beiden Enden spitz zulaufend, am gefährlichsten.