Die zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) umfasst Verfahren, mit denen materialeigene Fehler und Unregelmäßigkeiten in Bauteilen nachgewiesen werden, ohne die Prüflinge zu beschädigen oder deren Gebrauchsfähigkeit einzuschränken. Die Ultraschallprüfung zählt neben der Durchstrahlungsprüfung, der Magnetpulverprüfung und der Eindringprüfung zu den etablierten volumenetiven Verfahren der ZfP. Sie eignet sich zur Prüfung verschiedener Werkstoffgruppen, insbesondere von Schweißnähten, Gussteilen und Walzerzeugnissen. Der vorliegende Beitrag erläutert das physikalische Prinzip des Verfahrens, die Vorbereitung der Prüfkörper, die praktische Durchführung mit Tastköpfen und Phased-Array-Technik, die Nachweisgrenzen und die Wiederholgenauigkeit, die Einstufung der Anzeigen in Prüfklassen nach DIN EN ISO 23279 sowie typische Anwendungsfelder in der Schweißnaht- und Gussteilprüfung.
Prinzip und physikalische Grundlage
Die Ultraschallprüfung beruht auf der Ausbreitung elastischer Wellen im Frequenzbereich von etwa 0,5 MHz bis 15 MHz im zu prüfenden Werkstoff. Ein Tastkopf sendet über ein Kopplungsmittel kurze Schallimpulse in das Bauteil ein. An Grenzflächen mit abweichender akustischer Impedanz, insbesondere an Rissen, Einschlüssen oder Lunkern, wird ein Teil der Schallenergie reflektiert. Der Empfänger wandelt die Echos in elektrische Signale um, aus denen das Prüfgerät Laufzeit und Amplitude bestimmt. Aus der Laufzeit lässt sich die Fehlertiefe, aus der Amplitude die Reflexionsgröße ableiten. Je nach Ankopplungswinkel stehen Longitudinalwellen und Transversalwellen zur Verfügung; bei der Schweißnahtprüfung überwiegen Winkelprüfungen mit Transversalwellen, da diese senkrecht zur Einfallsebene stehende réflektierende Fehlergeometrien mit hoher Empfindlichkeit erfassen. Das Verfahren ist volumenetiv, das heißt, es weist auch innere Fehler nach, die von der Oberfläche aus nicht sichtbar sind.
Prüfkörper-Vorbereitung
und Kopplungsmittel
Vor der Prüfung sind die zugänglichen Oberflächen des Prüfkörpers von Zunder, Farbe, Öl, Losem Rost und Graten zu befreien, da oberflächige Unebenheiten die Schalleinkopplung beeinträchtigen. Die Rauheit der Ansatzflächen sollte so beschaffen sein, dass ein gleichmäßiger filmischer Kontakt zwischen Tastkopf und Bauteil entsteht; andernfalls sind die Flächen örtlich zu schleifen. Als Kopplungsmittel dienen üblicherweise Wasser, Öl, Gel oder Pasten, die eine dauerhafte, blasenfreie Verbindung zwischen Kristallfläche und Prüfkörper herstellen. Die Wahl des Mittels richtet sich nach Oberflächenzustand, Temperatur und Prüfumgebung; bei höheren Temperaturen kommen hitzebeständige Kopplungsmedien zum Einsatz. Die Tastkopfansatzflächen müssen plan aufliegen, damit die Schallenergie nicht teilweise reflektiert wird. Ein Hinweis auf unzureichende Ankopplung sind schwankende Echoamplituden bei wiederholtem Aufsetzen an derselben Stelle, die vor der eigentlichen Prüfung durch eine Wiederholungsmessung zu kontrollieren sind.
Durchführung:
Taktionsverfahren und Phased-Array
Beim konventionellen Taktionsverfahren wird der Prüfkopf manuell in einer Schwenk- und Schraubbewegung über die Prüffläche geführt, sodass das Schallbündel den zu prüfenden Volumenbereich unter verschiedenen Winkeln überstreicht. Für Schweißnähte erfolgt die Prüfung typischerweise beidseits der Naht mit Winkeltastköpfen, die Reflexionen aus dem Nahtquerschnitt erfassen. Die Auffindung von Fehlern gelingt nur, wenn die Bewegungsbahn so gewählt wird, dass der Schall senkrecht auf die zu erwartenden Fehlerflächen trifft. Bei der Phased-Array-Technik besteht der Prüfkopf aus vielen kleinen Einzelelementen, deren Anregung zeitversetzt erfolgt. Durch elektronische Zeitverzögerung lassen sich Schallwinkel und Fokussierung steuern, ohne den Tastkopf zu verschwenken. Das Verfahren erzeugt querschnittartige Bilder des geprüften Volumens, erleichtert die Fehlergrößenbestimmung und dokumentiert die Prüfung nachvollziehbar.
Nachweisgrenzen und Wiederholgenauigkeit
Die Nachweisgrenze der Ultraschallprüfung hängt von der Prüf Frequenz, dem Wirkungsquerschnitt des Fehlers gegenüber der Schallrichtung, der Korngröße des Werkstoffs und der Ankopplungsqualität ab. Grobkorngefüge, wie sie in Gussteilen oder austenitischen Schweißnähten auftreten, erhöhen die Schallschwächung durch Streuung und verringern die erreichbare Fehlernachweisempfindlichkeit. Die untere nachweisbare Fehlergröße wird üblicherweise über Referenzkörper mit künstlichen Fehlern, etwa Seitbohrungen oder Kerben, festgelegt und in Form von Empfindlichkeitseinstellungen wie DGS-Bewertung angewendet. Für die Wiederholgenauigkeit sind konstante Ankopplung, gleiche Tastkopfpositionen, eine reproduzierbare Empfindlichkeitseinstellung und die Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit maßgeblich. Messwertunterschiede zwischen Prüfern beruhen häufig auf subjektiver Fehlergrößenbewertung; standardisierte Bewertungsregeln und dokumentierte Geräteparameter erhöhen die Vergleichbarkeit wiederholter Prüfungen am selben Bauteil.
Prüfklassen nach DIN EN ISO 23279
Die Norm DIN EN ISO 23279 regelt die Einstufung von Ultraschallanzeigen in Schweißnähten ferritischer Stähle. Anzeigen werden zunächst hinsichtlich ihrer Maximalamplitude bewertet und danach ihrer Länge sowie, soweit möglich, ihrer Höhe nach eingeteilt. Die Norm unterscheidet die Prüfklassen 1 bis 3, wobei Klasse 1 die strengsten Anforderungen an zulässige Anzeigen stellt und Klasse 3 die großzügigsten Bewertungsgrenzen enthält. Für die Einstufung sind die Aufzeichnungsschwelle und die Bewertungsschwelle heranzuziehen; Anzeigen oberhalb der Aufzeichnungsschwelle sind zu dokumentieren und hinsichtlich ihrer Akzeptanz zu bewerten. Welche Prüfklassse anzuwenden ist, ergibt sich aus den vertraglichen Vereinbarungen, den anwendbaren Produktnormen oder den Festlegungen des Bestellers. Die normkonforme Durchführung schließt Angaben zu Prüftechnik, Oberflächenzustand, Kopplungsmittel und Kalibrierung in den Prüfbericht ein. Die Prüfklassen selbst sind keine Güteklassen des Schweißguts, sondern reine Bewertungskategorien der Ultraschallanzeigen.
Anwendungen:
Schweißnaht- und Gussteilprüfung
In der Schweißnahtprüfung wird die Ultraschallprüfung bevorzugt bei dickwandigen Bauteilen eingesetzt, bei denen die Durchstrahlungsprüfung an Grenzen stößt. Typische Fehlerbilder sind Bindefehler, Risse, Schlackeneinschlüsse und ungenügende Durchschweißungen, die je nach Orientierung mit Winkelprüfungen erfasst werden. Rohrleitungen im Anlagenbau, Kranbau und Behälterbau zählen zu den häufigen Einsatzgebieten. In der Gussteilprüfung liegt der Schwerpunkt auf dem Nachweis von Lunkern, Gasblasen, Warmrissen und Sandeinschlüssen. Da Gusswerkstoffe oft grobkörnig sind, wird bei großen Wanddicken mit niedrigeren Frequenzen geprüft, um die Streuschwächung zu begrenzen; die erreichbare Fehlernachweisempfindlichkeit fällt dadurch geringer aus als bei Feinkorngefügen. Für beide Anwendungsgebiete gilt, dass die Prüfanweisung Prüftechnik, Tastköpfe, Prüf bereich und Bewertungskriterien eindeutig festlegt, damit die Ergebnisse zwischen Prüfern und Auftragnehmern vergleichbar bleiben.
FAQ
Welche
Faktoren beeinflussen die Kosten einer Ultraschallprüfung?
Kostentreiber sind vor allem Bauteilgeometrie, Wanddicke, Anzahl und Zugänglichkeit der Schweißnähte oder Prüfbereiche, die gewählte Technik (konventioneller Tastkopf oder Phased-Array) sowie die geforderte Prüfklassen-Bewertung nach DIN EN ISO 23279. Auch die Oberflächenvorbereitung und die Bereitstellung von Referenzkörpern gehen in den Aufwand ein.
Wie werden Nachprüfungen und Datenstreitigkeiten bei Ultraschallanzeigen gehandhabt?
Bei abweichenden Bewertungen ist eine Nachprüfung mit identischen Parametern, denselben Tastköpfen und vergleichbarer Ankopplung durchzuführen. Anzeigen oberhalb der Aufzeichnungsschwelle werden dokumentiert und nach den Bewertungsregeln der vereinbarten Prüfklassen eingestuft. Strittige Fälle lassen sich zusätzlich durch ein anderes zerstörungsfreies Verfahren absichern.
Wie lange dauert eine Ultraschallprüfung und die Berichterstellung?
Die reine Prüfzeit hängt von Bauteilgröße, Prüfbereichsumfang und Oberflächenzustand ab; die Vorbereitung der Ansatzflächen und das Kalibrieren am Referenzkörper sind mitzuplanen. Der Prüfbericht enthält Prüfte chnik, Kopplungsmittel, Geräteparameter, Anzeigenbewertung und Prüfklassseinstufung und wird nach Abschluss der Auswertung erstellt.