Ultraschallprüfung (UT)

Grundprinzip der Ultraschallprüfung

Bei der Ultraschallprüfung (UT) werden hochfrequente Schallwellen — typischerweise zwischen 0,5 und 25 MHz — in den Werkstoff eingekoppelt. An Ungänzen (Rissen, Poren, Einschlüssen) oder an Grenzflächen werden diese Wellen reflektiert oder gebeugt. Der Prüfkopf empfängt das Echo, und aus der Laufzeit wird die Tiefenlage des Fehlers berechnet.

Physikalische Grundlagen

Schallwellentypen

In der ZfP werden verschiedene Wellentypen genutzt, je nach Aufgabe:

Schallkennimpedanz und Reflexion

Die akustische Impedanz Z ist das Produkt aus Dichte ρ und Schallgeschwindigkeit c: Z = ρ · c. An Grenzflächen zwischen Materialien unterschiedlicher Impedanz wird Schall reflektiert. Je größer der Impedanzunterschied, desto stärker die Reflexion. An einer Stahl-Luft-Grenzfläche (z.B. Riss) werden praktisch 100 % des Schalls reflektiert — das macht Risse gut detektierbar.

Prüfverfahren im Überblick

Impuls-Echo-Verfahren (Puls-Echo)

Der klassische Impuls-Echo-Betrieb ist das am häufigsten eingesetzte UT-Verfahren. Ein einzelner Prüfkopf sendet Schallimpulse und empfängt die Echos. Das A-Bild (A-Scan) zeigt die Amplitude des Echos über die Schallaufzeit. Fehlerechos erscheinen zwischen Einschwingecho (SKE) und Rückwandecho (RWE).

• Senkrechtkopf (0°): Dickenmessung, Laminierungen
• Winkelkopf (z.B. 45°, 60°, 70°): Schweißnahtprüfung, V-förmige Risse
• Tauchtechnik: vollautomatische Prüfung, Wasservorlaufstrecke

Durchschallungsverfahren

Sender und Empfänger liegen sich gegenüber. Eine Ungänze schwächt das Durchschallungssignal ab. Einfacher Aufbau, aber keine Tiefeninformation. Wird oft für große Gusstücke oder Verbundwerkstoffe eingesetzt.

TOFD — Time of Flight Diffraction

Beim TOFD-Verfahren (Laufzeitbeugungsverfahren) werden Sender und Empfänger symmetrisch zur Schweißnaht positioniert. Statt Reflexionen werden die an Fehlerenden gebeugten (diffraktierten) Schallwellen ausgewertet. TOFD liefert sehr genaue Fehlertiefenbestimmung und -höhenbestimmung.

• Sehr hohe Genauigkeit bei Fehlerpositionierung (±1 mm)
• Wenig abhängig von Fehlerorientierung
• Totzonen nahe Oberfläche (1–3 mm) — Kombination mit PAUT empfohlen
• Norm: EN ISO 16828

Phased Array Ultraschall (PAUT)

Phased Array UT (PAUT) nutzt Prüfköpfe mit 16 bis 256 einzeln ansteuerbaren Schwingelementen. Durch elektronische Zeitverzögerung (Phasing) der einzelnen Elemente lässt sich der Schallstrahl in Winkel, Fokustiefe und Position elektronisch steuern — ohne mechanisch den Kopf zu bewegen.

Vorteile gegenüber konventionellem UT:

• Elektronisches Schwenken des Schallstrahls (Sektorscan / S-Scan)
• Gleichzeitige Erzeugung mehrerer Winkel in einem Scan
• Schnellere Prüfung mit höherer Auflösung
• Bessere Dokumentation und Reproduzierbarkeit
• B-Scan, C-Scan, S-Scan als Bilddarstellung

PAUT wird heute standardmäßig für Schweißnahtprüfungen in der Öl-&-Gas-Industrie, im Kraftwerksbau und in der Luftfahrt eingesetzt.

Darstellungsformen (Scans)

Kalibrierung und Justierung

Vor jeder Prüfung müssen UT-Geräte justiert werden. Standardkörper nach EN ISO 2400 (V1-Block) und EN ISO 7963 (V2-Block) dienen zur Einstellung von:

• Schallgeschwindigkeit und Keilkorrektur
• Empfindlichkeit (Referenzecho auf Vergleichsreflektor)
• Einschallwinkel und Schallaustrittspunkt
• Auflösungsvermögen

Kopplung und Vorlaufmedien

Da Ultraschall Luft kaum überwindet, braucht man ein Koppelmittel zwischen Prüfkopf und Werkstück: Gel, Öl, Glycerin oder Wasser. Bei der Tauchtechnik (Immersionstechnik) wird das Bauteil vollständig in Wasser eingetaucht.

Anwendungsgebiete

• Schweißnahtprüfung (Stumpfnähte, Kehlnähte, Orbital-Schweißnähte)
• Wanddickenmessung von Rohren, Tanks, Schiffen (auch unter Beschichtung)
• Druckbehälterprüfung nach ASME, TRD, AD 2000
• Rotationssymmetrische Prüfung von Wellen, Stangen, Rohren
• Korrosionsmessung (C-Scan)
• Faserverbundwerkstoffe: Delamination, Bindefehler (GFK, CFK)
• Betonprüfung (Impakt-Echo, Ultraschall-Echo)
• Luftfahrt: Triebwerksscheiben, Rotorblätter, Strukturbauteile

Qualifikation und Zertifizierung

UT-Prüfer müssen nach EN ISO 9712 zertifiziert sein. Stufe 2 (UT Level 2) ist in der Industrie die Mindestanforderung für eigenverantwortliche Prüfungen:

• Stufe 1: 40 Stunden Ausbildung + 200 Stunden Praxis → kann unter Aufsicht prüfen
• Stufe 2: 80 Stunden Ausbildung + 300 Stunden Praxis → eigenverantwortliche Prüfung, Bewertung
• Stufe 3: 40 Stunden Ausbildung + 3 Jahre Praxis → Verfahrensentwicklung, Prüfaufsicht

Berufspraxis: Arbeitsablauf im UT-Einsatz

1. Prüfanweisung prüfen: Norm, Abnahmekriterium, Kalibrierkörper, Prüfbereich
2. Oberfläche vorbereiten: reinigen, Beschichtung/Belag beurteilen, Koppelbarkeit sicherstellen
3. Kalibrieren: Nullpunkt, Schallgeschwindigkeit, Empfindlichkeit, DAC/TCG korrekt einstellen
4. Systematisch scannen: Überdeckung, Winkelkombinationen, Lagen für reproduzierbare Befunde
5. Befunde bewerten und dokumentieren: Lage, Tiefe, Amplitude, Klassifizierung, Entscheidung

Typische Fehlerquellen im Berufsalltag

• falsche Schallgeschwindigkeit oder unpassender Kalibrierblock für den Werkstoff
• zu geringe Koppelung bei rauer/gekrümmter Oberfläche (Signalverlust)
• Geometrieanzeigen als Fehleranzeige fehlinterpretiert (Kanten, Wurzeln, Radius)
• unzureichende Scandeckung bei komplexen Schweißnahtgeometrien
• fehlende Nachvollziehbarkeit durch lückenhafte Protokolle und Scanmarkierungen