Ultraschall-Fehlerprüfgeräte (UT)

Ultraschall-Fehlerprüfgeräte (UT) sind Geräte der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) zum Auffinden von Rissen, Bindefehlern, Einschlüssen, Poren und inneren Fehlern in Schweißnähten, Gussteilen, Schmiedeteilen, Walzerzeugnissen und anderen Metallprodukten. Sie senden Ultraschallimpulse aus (Frequenzen 0,5-15 MHz), die sich im Werkstoff ausbreiten; die Reflexionen an inneren Ungänzen werden vom selben oder von einem zweiten Prüfkopf aufgenommen und ausgewertet, um Lage, Größe und Art des Fehlers zu bestimmen. Eingesetzt werden sie bei der Abnahme geschweißter Konstruktionen (Brücken, Druckbehälter, Gasleitungen), bei Eingangsprüfungen von Schmiede- und Gussteilen, bei wiederkehrenden Prüfungen industrieller Anlagen und bei der Qualifizierung von ZfP-Personal.

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Das UT-Prinzip

Das Prinzip beruht auf der Ausbreitung hochfrequenter elastischer Wellen (Ultraschall) im Werkstoff. Ein piezoelektrischer Prüfkopf (meist PZT) erzeugt sehr kurze Ultraschallimpulse (Zehntel µs), die über ein Koppelmittel (Gel, Wasser, Öl zur akustischen Ankopplung zwischen Prüfkopf und Werkstück) in den Werkstoff eintreten. Die Wellen breiten sich mit bekannter Geschwindigkeit aus (zum Beispiel 5920 m/s für Longitudinalwellen in Stahl) und werden an jeder inneren Ungänze (Risse, Einschlüsse) oder an der Rückwand reflektiert. Derselbe Prüfkopf (im Impuls-Echo-Verfahren) oder ein zweiter Prüfkopf (Pitch-Catch-Verfahren) erfasst die Reflexionen, und die Elektronik wertet die Signale im Zeitbereich aus (A-Bild).

Bauarten von Fehlerprüfgeräten

Moderne Fehlerprüfgeräte sind kompakte tragbare Geräte mit A-Bild in Echtzeit, Blenden zur selbsttätigen Erfassung von Fehlerechos, Kalibrierung der vertikalen (Amplitude) und horizontalen Linearität (Zeit/Entfernung), DAC-Funktionen (Distance Amplitude Correction) zur Bewertung von Fehlern in unterschiedlichen Abständen vom Prüfkopf, TVG (Time Varied Gain) zum Ausgleich der Werkstoffdämpfung sowie AVG/DGS-Funktionen zur Fehlergrößenbestimmung. Die höherwertigen Ausführungen bieten Phased Array UT (Gruppenstrahler-Prüfköpfe mit elektronischer Schallfeldsteuerung), TOFD (Time-Of-Flight Diffraction) sowie B-Bild und C-Bild zur Fehlerkartierung.

Prüfköpfe und Sonden

UT-Prüfköpfe unterscheiden sich nach: Frequenz (0,5-1 MHz für dicke und stark dämpfende Werkstücke wie Gusseisen; 2-5 MHz für Standardanwendungen an Stahl; 10-15 MHz für hochgenaue Messungen an dünnen Werkstoffen); Bauform (Direktkontakt – Einschwinger, Doppelschwinger, Twin-Line; Winkelprüfköpfe – 45°, 60°, 70° für die Schweißnahtprüfung; Tauchtechnik); Abmessungen (von wenigen mm bis zu mehreren Zentimetern Durchmesser); Ankopplungsart (Kontakt mit Koppelmittel; Tauchtechnik in Wasser; luftgekoppelt für Sonderanwendungen). Die Wahl des Prüfkopfs ergibt sich aus Werkstoff, Wanddicke, erwarteter Fehlerart und Prüftechnik.

Anwendungen

Die industriellen Anwendungen sind vielfältig: Schweißnahtprüfung (Suche nach Rissen, Bindefehlern, Schlackeneinschlüssen und Poren – nach Fachnormen wie EN 17640 für UT an Schweißnähten); Abnahme von Schmiede- und Gussteilen (Beurteilung von Kernlunkern und Seigerungen); wiederkehrende Prüfungen an Rohrleitungen, Druckbehältern und Tanks (Suche nach Ermüdungsrissen und örtlicher Korrosion); Prüfung von Eisenbahnrädern und -achsen zur Vermeidung katastrophaler Schäden; Luftfahrtprüfungen (Prüfung tragender Bauteile aus Leichtmetall); F&E im Werkstoffbereich.

Bezugsnormen

Die wichtigsten Normen sind: ISO 9712 (Qualifizierung von ZfP-Personal, Stufen 1-2-3); ISO 17640 (UT an Schweißnähten); ASTM E164 (Kontakt-UT); EN 12668 (Charakterisierung von UT-Geräten); EN 583 (Teile 1-6, UT-Prüfverfahren). Besondere Personalqualifikationen für die Luft- und Raumfahrt richten sich nach NAS 410. Die Kalibrierung der UT-Geräte erfolgt mit Referenzkörpern V1 (Linearität und Grundkalibrierung) und V2 (Anwendungen mit kleinem Winkel). Prüfköpfe werden mit eigenen Prüfkörpern auf Amplitude, Frequenz und Impulsbreite überprüft.

Auswahlkriterien

Die Auswahl des Fehlerprüfgeräts richtet sich nach: der Anwendung (einfaches UT, Phased Array oder TOFD); dem Dicken- und Werkstoffbereich der zu prüfenden Teile; der Tragbarkeit (kompakte Geräte für den Einsatz vor Ort, Tischgeräte für das Labor); der Anzeige (nur A-Bild oder auch B-/C-Bild und 3D-Darstellung); der Einhaltung von Fachnormen (Luft- und Raumfahrt, Energie, Kerntechnik); der Software für Auswertung und Berichterstellung nach ASNT/EN 17637; dem Service- und Gerätequalifizierungsangebot des Lieferanten.

Vertiefung: Ultraschall-Fehlerprüfung – Fehlerprüfgeräte ↑ nach oben

Die Ultraschall-Fehlerprüfung findet und bemisst innere Fehler eines Werkstoffs — Risse, Einschlüsse, Bindefehler in Schweißnähten — zerstörungsfrei, indem sie die Reflexion des Ultraschalls an Ungänzen nutzt.

Zerstörungsfreie Prüfung: innere Fehler, ohne das Werkstück zu beschädigen
A-Scan-Darstellung: Echoamplitude in Abhängigkeit vom Schallweg
Winkelprüfköpfe: Prüfung von Schweißnähten und Verbindungen
Bewertungs-Toolkits: DAC, AWS, TCG, DGS
Erfassung: Z-Cross, Flank und Peak
Branchen: Schweißnähte, Schmiedeteile, Gussteile, Luft- und Raumfahrt
Auch Dickenmessgerät: integrierte Dickenmessung

Ein innerer Fehler (Riss, Porosität, Einschluss, Doppelung) stellt eine akustische Ungänze dar: Trifft der Ultraschallimpuls auf ihn, wird ein Teil der Energie reflektiert und kehrt zum Prüfkopf zurück. Durch Auswertung von Amplitude und Position dieses Echos lässt sich der Fehler erkennen, orten und bemessen.

Das Fehlerprüfgerät (Flaw Detector) stellt das Signal als A-Scan-Kurve dar: Die waagerechte Achse entspricht dem Schallweg (der Tiefe), die senkrechte der Echoamplitude. Der Prüfer deutet die Kurve, um Fehlerechos von geometrischen Echos zu unterscheiden.

Wie ein Fehler erkannt wird

Der Flaw Detector erzeugt Hochspannungsimpulse und stellt deren Echos mit hoher Bildwiederholrate dar. Mit Winkelprüfköpfen tritt der Schallstrahl unter einem bekannten Winkel in den Werkstoff ein: Das ist die typische Anordnung zur Prüfung von Schweißnähten, bei denen die Fehler (Bindefehler, Risse, Schlackeneinschlüsse) entlang der Naht liegen und mit einem Senkrechtstrahl nicht erreichbar sind.

Die trigonometrische Funktion (TRIG) berechnet automatisch Schallweg, Tiefe und Oberflächenabstand des Reflektors und berücksichtigt dabei auch die Korrektur für gekrümmte Oberflächen. Die Erfassungsmodi Z-Cross, Flank und Peak legen fest, wie das Gerät das Echo erfasst, um Position und Amplitude zu messen.

Fehler bemessen: DAC, AWS, TCG, DGS

Einen Fehler zu finden genügt nicht: Er muss bemessen werden, um zu entscheiden, ob er nach den Spezifikationen zulässig ist. Flaw Detectors enthalten die wichtigsten normativen Toolkits:

DAC (Distance Amplitude Correction): Bezugskurve, die an Vergleichsbohrungen aufgenommen wird und die Schwächung mit der Entfernung ausgleicht.
AWS: Bemessung von Fehlern in Schweißnähten nach der Praxis der American Welding Society.
TCG (Time Corrected Gain): zeitabhängige Verstärkung, um die Anzeige in unterschiedlichen Tiefen zu vereinheitlichen.
DGS/AVG: Bewertung des Fehlers gegenüber einem berechneten Ersatzreflektor.

Die Echoamplitude kann je nach angewandtem Kriterium in %DAC, in dB oder in %FSH angegeben werden.

Flaw Detector und Dickenmessgerät in einem Gerät

Viele moderne Geräte sind Hybridgeräte: Neben der Fehlerprüfung bieten sie eine erweiterte Dickenmessung (Pulse-Echo, Messung durch die Beschichtung, Temperaturkompensation). So lassen sich mit einem einzigen Gerät sowohl die Fehlersuche als auch die Kontrolle der Restwandstärke durchführen, was die mitzuführende Ausrüstung verringert.

Anwendungsbereiche

Die UT-Fehlerprüfung wird bei der Prüfung von Schweißnähten an Konstruktionen und Druckbehältern, bei der Prüfung von Schmiede- und Gussteilen, bei der Suche nach Ermüdungsrissen an Achsen und Bauteilen sowie bei der Eingangsprüfung von Halbzeugen eingesetzt. Es ist ein von den wichtigsten Normen der zerstörungsfreien Prüfung anerkanntes Verfahren und erfordert qualifiziertes Personal (z. B. UT-Stufen nach ISO 9712).

Die von RODER vertriebenen Geräte Dakota NDT FX71-DL (Handgerät) und FX81-DL (Spitzenmodell mit sonnenlichtlesbarem Display) decken diese Anforderungen ab: Modelle und technische Daten auf den verlinkten Katalogseiten.

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