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.
- EN ISO 16810: Zerstörungsfreie Prüfung — Ultraschallprüfung — Allgemeine Grundlagen
- EN ISO 17640: Ultraschallprüfung von Schweißverbindungen
- EN ISO 11666: Bewertungsstufen für Schweißnähte
- EN ISO 13588: Phased Array — Schweißnahtprüfung
- EN ISO 16828: TOFD — Grundlagen und Anwendung
- ASTM E214 / E587: US-amerikanische UT-Normen
Physikalische Grundlagen
Schallwellentypen
In der ZfP werden verschiedene Wellentypen genutzt, je nach Aufgabe:
| Wellentyp | Ausbreitung | Schallgeschwindigkeit (Stahl) | Typischer Einsatz |
|---|---|---|---|
| Longitudinalwellen (L) | Kompression in Ausbreitungsrichtung | ~5.920 m/s | Senkrecht-Einschallung, Dickenmessung |
| Transversalwellen (T) | Scherung quer zur Ausbreitung | ~3.250 m/s | Winkeleinschallung, Schweißnähte |
| Oberflächenwellen (R) | Elliptisch an Oberfläche | ~3.000 m/s | Oberflächenrisse |
| Lambwellen | Platten, geführte Wellen | Frequenzabhängig | Bleche, Rohre (GWUT) |
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)
| Scan-Typ | Darstellung | Info |
|---|---|---|
| A-Scan | Amplitude über Laufzeit | Grundlage aller UT-Verfahren; eine Messkurve |
| B-Scan | Querschnittsbild (Tiefe vs. Weg) | Zeigt Fehlerquerschnitt beim Abscannen |
| C-Scan | Draufsicht (Aufsichtsbild) | Amplitude oder Tiefe in Farbskala über Bauteilfläche |
| S-Scan | Sektorscan (Winkelbereich) | Typisch für Phased Array; zeigt alle Winkel gleichzeitig |
| D-Scan | Tiefenprojektionsansicht | Dreidimensionale Darstellung (PAUT / TOFD) |
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