Aufbau eines Ultraschall-Prüfkopfes
Ein Ultraschall-Prüfkopf (auch Schallkopf oder Transducer genannt) wandelt elektrische Energie in Schallenergie um und umgekehrt. Das Herzstück bildet ein Piezoelement, typischerweise aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) oder Polyvinylidenfluorid (PVDF). Das PZT-Keramikelement wird durch einen Hochspannungsimpuls zum Schwingen angeregt und erzeugt so einen Ultraschallimpuls. Der Dämpfungskörper (Backing) auf der Rückseite des Piezoelements absorbiert rückwärtige Schallwellen und verkürzt den Impuls, was eine hohe Auflösung im A-Bild ermöglicht. Die Schutzschicht (Vorlaufkeil oder Membran) an der Vorderseite schützt das empfindliche Piezoelement mechanisch und passt die akustische Impedanz an das Koppelmittel an.
Normalkopf (0°-Prüfkopf)
Der Normalkopf sendet Schallwellen senkrecht (lotrecht) zur Prüfoberfläche aus. Er erzeugt vorwiegend Longitudinalwellen und wird für die Wanddickenmessung, die Detektion von flächigen Fehlern (Lunker, Schichtfehler) sowie die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit eingesetzt. Frequenzen liegen typischerweise zwischen 1 und 10 MHz. Die Nahfeldlänge N = D²·f/(4·c) beschreibt den Bereich vor dem Prüfkopf, in dem das Schallfeld stark schwankt und eine zuverlässige Bewertung erschwert ist.
Winkelkopf (Schrägeinschallung)
Winkelköpfe erzeugen durch einen Vorlaufkeil aus Kunststoff (PMMA) eine Schallwelle, die schräg in das Prüfobjekt eingekoppelt wird. Gemäß dem Snellius'schen Brechungsgesetz entstehen je nach Einschallwinkel und Werkstoff Transversalwellen (Scherwellen). Übliche Prüfwinkel im Stahl sind 45°, 60° und 70°. Winkelköpfe sind unverzichtbar für die Schweißnahtprüfung, da Risse senkrecht zur Prüfoberfläche (Flankenbindefehler, Querrisse) nur durch Schrägeinschallung sicher detektiert werden. Die tatsächlichen Einschallwinkel sind vom Werkstoff abhängig und müssen am V1- oder V2-Block überprüft werden.
SE-Prüfkopf (Sende-Empfänger-Trennung)
Beim SE-Prüfkopf (auch TR-Prüfkopf) sind Sender und Empfänger räumlich voneinander getrennt und durch eine Schallsperre (Schirm) entkoppelt. Diese Konstruktion unterdrückt das Sendeimpuls-Nachschwingen im Empfängerkanal und ermöglicht die Prüfung im Nahbereich (Wanddicken ab ca. 2 mm). SE-Köpfe eignen sich besonders für die Dickenmessung an korrodierten Bauteilen, für wandnahe Fehler und für grob strukturierte Werkstoffe.
Tauchkopf und Fokussierte Prüfköpfe
Tauchköpfe werden ohne direkten Kontakt mit dem Prüfobjekt betrieben. Der Schall wird durch einen Wasservorlauf (Tauchbad oder Wasserstrahl) in das Bauteil eingekoppelt. Durch eine akustische Linse oder eine konkave Schwingerfläche kann der Schallstrahl auf eine definierte Tiefe fokussiert werden, was die laterale Auflösung erheblich verbessert. Tauchköpfe werden in automatisierten Prüfanlagen (AUT) für Bleche, Schmiedeteile und Rohre eingesetzt. Typische Frequenzen: 5–20 MHz.
Miniaturköpfe und Hochtemperaturköpfe
Für beengte Einbauverhältnisse stehen Miniaturprüfköpfe mit Schwingerdurchmessern unter 6 mm zur Verfügung. Hochtemperaturköpfe verwenden hitzebeständige Piezomaterialien und Vorlaufkeile (z. B. aus Keramik) und ermöglichen Prüfungen bis über 500 °C, z. B. an heißen Rohrleitungen in Kraftwerken.
Wichtige Kenngrößen
Frequenz (1–20 MHz), Schwingerdurchmesser, Nahfeldlänge N, Öffnungswinkel (Divergenz) und Nennwinkel bei Winkelköpfen sind die zentralen Parameter bei der Prüfkopfauswahl. Höhere Frequenzen liefern bessere Auflösung, werden aber stärker absorbiert — der Kompromiss richtet sich nach Werkstückdicke und Gefüge.