Ultraschall-Schweißnahtprüfung

Achatz, Sommersemester 2013

Die Prüfung von Schweißnähten mit dem Ultraschallverfahren dient als zerstörungsfreie Methode um Fehlstellen wie Schlackeeinschlüsse, (Flanken-)Bindefehler, Risse, Poren und Lunker aufzufinden, die das Verhalten der Schweißverbindung negativ beeinträchtigen können.

Grundlagen

Die Messung beruht auf dem Prinzip des Ultraschallecho-Verfahrens, und macht sich das Brech- und Ausbreitverhalten der Schallwellen zu Nutze. Ein mit einem Koppelmittel (z.B. Wasser, Öl oder Paste) angekoppelter Prüfkopf sendet einen Ultraschall-Impuls in das Werkstück ein. Dieser bewegt sich mit der für das Material typischen Schallgeschwindigkeit in dem Bauteil fort, bis er auf einen Impedanzunterschied trifft, von wo der Impuls zum Teil reflektiert wird. Hierbei ist es von Vorteil, dass Luft und Stahl sehr verschiedene Impedanzen haben. Die wieder zur Bauteiloberfläche gesendete Reflektion wird vom, jetzt als Empfänger genutzten Prüfkopf registriert. Über die aufgenommene Laufzeit und Bauteildicke kann unter Berücksichtigung der Geschwindigkeit bestimmt werden, ob es sich um einen Lufteinschluss oder die Rückwand des Bauteils handelt. (Abbildung 1)

Messprinzip

Grundsätzlich gilt für die Ultraschallecho-Messung, dass Reflektoren die senkrecht zum Schallverlauf liegen schlecht bis gar nicht erkannt werden können (z.B. senkrecht verlaufende Risse). Deshalb werden vor allem zum Erkennen von gefährlichen Flankenbindefehlern Winkelprüfköpfe verwendet, die die Schallwellen schräg in das Material einleiten. Ein weiterer Vorteil der Winkelprüfköpfe ist, dass die Anbindung nicht auf der unebenen Schweißnahtüberhöhung stattfinden muss, was sonst leicht zu Ankoppelproblemen führt. (Abbildung 2)

Im Vergleich zum normalen Ultraschallecho-Verfahren wird bei der Schweißnahtprüfung mit Winkelprüfkopf kein Rückwandecho empfangen. Die Schallwelle läuft schräg durch das Bauteil hindurch, wird an der Rückwand reflektiert und trifft dann auf die Flanke der Schweißnaht. Wenn hier eine Fehlstelle ist wird diese zum Reflektor, woraufhin ein Echo am Prüfkopf empfangen wird, sonst wandert die Welle einfach weiter durch das Bauteil. (Abbildung 3)

Um mit dem Winkelprüfkopf die gesamte Flanke der Schweißnaht kontrollieren zu können muss der Prüfkopf während der Bewegung entlang der Schweißnaht senkrecht zur Naht hin- und herverschoben werden. (Abbildung 4)

Alternative Messsysteme

Das mechanische Verschieben des Prüfkopfes kann durch Einsatz der neuen Phased-Array Technik ersetzt werden. Dabei wird die gleiche Wirkung erzielt, indem entweder die Schallwellen direkt mit verschiedenen Winkeln eingestrahlt werden (Sektor-Scan, Abbildung 5), oder es wird ein sehr langer Prüfkopf eingesetzt der mit einem gleichbleibenden Winkel von mehreren Elementen einstrahlt, die verschiedene Abstände zur Schweißnaht haben (Linear-Scan, Abbildung 6). Die Messgeschwindigkeit kann so deutlich erhöht werden, jedoch ist ein größerer technischer Aufwand nötig und es ist mit einem höheren Fehlerrisiko beim Einrichten der Geräte behaftet. Eine weitere Möglichkeit ist das TOFD-Verfahren (Time of Flight Diffraction), bei dem nicht das Echo aufgenommen wird, sondern mit zwei Prüfköpfen (auf beiden Seiten der Schweißnaht) Beugungssignale, die auf Fehlstellen hindeuten.

Anwendung

Die Ultraschallprüfung von Schweißnähten findet sowohl in der Industrie, hier meist automatisiert, wie auch für verschiedene Zwecke vor Ort Anwendung. Das Prüfpersonal muss, anders als in der Betonprüfung, für die Endabnahme qualifiziert sein. Die Zertifizierung ist in DIN EN ISO 9712 (früher DIN EN 473) geregelt.

Literatur

• Wikipedia: TOFD unter URL: http://de.wikipedia.org/wiki/TOFD (Stand 21.07.2013)
• Dr. Deutsch, W., Kierspel, S.: Manuelle Schweißnahtprüfung mit Ultraschall – konventionell oder mit Phased Array?. DGZfP-Jahrestagung 2011 – Di.1.A.1, Wuppertal (2011)
• DIN EN ISO 17635:2010-08: Zerstörungsfreie Prüfung von Schweißverbindungen - Allgemeine Regeln für metallische Werkstoffe
• DIN EN 583-1:1998-12: Zerstörungsfreie Prüfung - Ultraschallprüfung - Teil 1: Allgemeine Grundsätze
• DIN EN ISO 17640:2011-04: Zerstörungsfreie Prüfung von Schweißverbindungen - Ultraschallprüfung - Techniken, Prüfklassen und Bewertung
• Große, C. U. (2012): Ultraschallverfahren. In: Grundlagen der Zerstörungsfreien Prüfung – Arbeitsblätter im Rahmen der Vorlesung, Lehrstuhl für Zerstörungsfreie Prüfung, S.36 ff, 2012