Phased-Array-Ultraschall statt Röntgenprüfung: Eine Machbarkeitsstudie der W.S. Werkstoff Service GmbH zeigt, wie bildgebende Prüftechniken klassische Durchstrahlungsverfahren (RT) bei der Schweißnahtprüfung von Blechen ersetzen könnten.
Bei der industriellen Schweißnahtprüfung gelten die klassischen Durchstrahlungsverfahren (RT) seit Jahrzehnten als Referenz, insbesondere bei der Detektion volumetrischer Fehler. Gleichzeitig stoßen sie bei Themen wie Strahlenschutz und Flexibilität an ihre Grenzen.
Eine aktuelle Machbarkeitsstudie der W.S. Werkstoff Service GmbH zeigt, dass Phased-Array-Ultraschall (PAUT) und begleitende bildgebende Verfahren eine Alternative sein können.
Komplexe Ausgangslage: Werkstoffe und Geometrien am Limit
Ziel der Studie war es zu untersuchen, ob und wie sich RT-Prüfungen durch PAUT ohne Einbußen bei der Detektionssicherheit ersetzen lassen. Die Herausforderungen dabei waren beträchtlich.
Das Team prüfte mehrere teils sehr dünne, geschweißte Bleche aus unterschiedlichen Werkstoffgruppen, darunter ferritische und austenitische Stähle sowie Aluminium. „Jeder dieser Werkstoffe bringt seine eigenen tückischen Eigenschaften mit sich“, erklärt Dr. Ingo Poschmann, Geschäftsführer der W.S. Werkstoff Service GmbH. „Ferritische Bleche mit wenigen Millimetern Dicke lassen kaum Spielraum bei der Prüftechnik. Austenitische Stähle sind für ihr grobes Korn und ihre ausgeprägte Anisotropie bekannt, welche das Ultraschallsignal erheblich beeinflussen. Und Aluminiumschweißnähte? Die sind typischerweise reich an Poren und folglich ein echter Prüfstein für jede Methode.“
Keine PAUT-Standardlösung
Schnell zeigte sich, dass die vorliegenden Anforderungen mit Standard-PAUT-Konfigurationen nicht zu erfüllen sind. Deshalb entwickelten die Prüfer werkstoff- und geometriespezifische Scanstrategien. Sie setzten die Techniken Total Focusing Method (TFM) und Phase Coherence Imaging (PCI) ein, die eine deutlich höhere Bildauflösung ermöglichen und eine Fehlercharakterisierung erlauben, die mit der konventionellen Ultraschallprüfung nicht möglich ist.
Total Focusing Method
TFM kann im gesamten Prüfvolumen gleichzeitig fokussieren. Dabei werden verschiedene Sender-Empfänger-Kombinationen eines Arrays erfasst und gespeichert. Aus diesem vollständigen Datensatz wird anschließend ein hochaufgelöstes Bild berechnet, bei dem jeder Punkt im Prüfvolumen rechnerisch fokussiert wird. Das Ergebnis ist eine deutlich höhere Bildauflösung als bei konventionellem PAUT, eine präzisere Charakterisierung von Fehlern hinsichtlich Form, Größe und Lage sowie eine geringere Abhängigkeit von der gewählten Einschallrichtung.
Phase Coherence Imaging
Anders als bei TFM, wo die Amplitudeninformationen verwendet werden, nutzt PCI die Phaseninformationen der Ultraschallwellen. PCI hat gegenüber TFM Vorteile beim Nachweis bestimmter Fehlertypen und ergänzt diese daher hervorragend.
Innovative Techniken für anspruchsvolle Werkstoffe
Ergänzt wurden diese durch den simultanen Einsatz von zwei Prüfköpfen beidseitig der Schweißnaht (Dual-Probe-Technik), die Prüfung in Multigruppentechnik, den Einsatz von Fließwasserankopplung und eigens entwickelten Führungshilfen.
Dual-Probe-Technik
Eine zentrale Innovation war der simultane Einsatz von zwei Prüfköpfen auf den gegenüberliegenden Seiten der Schweißnaht. Diese Anordnung ermöglicht eine verbesserte Analyse durch die „kollektive Fehlerortung“ beider Prüfköpfe, reduziert Abschattungseffekte und erhöht die Wahrscheinlichkeit, ungünstig orientierte Fehler zu detektieren. Gerade bei dünnen Blechen erhöht diese Methode die Aussagekraft deutlich, da Reflexionen aus unterschiedlichen Richtungen erfasst werden.
Multigruppentechnik
Durch den Einsatz mehrerer Prüfgruppen innerhalb eines Scans können verschiedene Winkelbereiche und Fokussierungen parallel abgedeckt werden. Das Ergebnis sind eine höhere Prüfgeschwindigkeit, eine vollständigere Volumenabdeckung und eine redundante Datenerfassung zur Absicherung kritischer Anzeigen.
Fließwasserankopplung und Führungshilfen
Um reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen, setzten die Prüfer eine stabile Ankoppelung mittels Fließwasser ein. In Kombination mit speziell entwickelten Führungshilfen konnten konstante Prüfbedingungen gewährleistet, die Positionsgenauigkeit erhöht und der Bedienereinfluss reduziert werden.
„Wir haben nicht einfach bestehende Verfahren übertragen, sondern diese gezielt an die jeweiligen Werkstoffe und Geometrien angepasst”, erklärt Ingo Poschmann. „Das war entscheidend für die Qualität der Ergebnisse.“
Fazit: PAUT kann RT ersetzen – mit der richtigen Strategie
Ein systematischer Vergleich mit RT-Aufnahmen hat ergeben, dass sich mit Phased-Array-Ultraschall alle relevanten Anzeigen zuverlässig detektieren lassen, sofern die Prüfparameter und -techniken geeignet gewählt werden. In vielen Fällen sind sogar zusätzliche Informationen zur Fehlercharakterisierung möglich. Auch anspruchsvolle Werkstoffe und dünne Bleche können damit effektiv geprüft werden. Dies war bislang ein schwieriger Bereich. „Die entscheidende Erkenntnis war, dass es nicht die eine Prüfstrategie gibt. Jedes Material und jede Geometrie verlangt eine eigene Herangehensweise“, unterstreicht Poschmann.
Die entwickelten Prüfstrategien stehen nun unmittelbar für die ZfP-Dienstleistungen des Unternehmens zur Verfügung. „Ob dünne Bleche, anspruchsvolle Sonderwerkstoffe oder komplexe Schweißnahtgeometrien – unsere Kunden profitieren von unseren neuen Kompetenzen in der Werkstoffprüfung“, betont der Geschäftsführer abschließend.
Seminar zur Schweißnahtprüfung
In unserem W.S. Spezial-Seminar „Prüfung und Bewertung von Schweißnähten” lernen die Teilnehmer, Schädigungsmechanismen in Schweißkonstruktionen zu erkennen, Schweißnähte korrekt zu bewerten und die Qualität von Schweißnähten zu optimieren.
Weitere Informationen und Anmeldung unter https://www.werkstoff-service.de/trainingcenter/kurse-und-seminare-buchen/semsnb/.
W.S. Werkstoff Service GmbH – Material Engineering Competence
Als akkreditiertes Prüflabor (ISO/IEC 17025), akkreditierte Inspektionsstelle (ISO/IEC 17020) und ZfP-Kompetenzstelle für die Eisenbahninstandhaltung (DIN 27201-7) unterstützt der W.S. Werkstoff Service Kunden mit fundierter Prüftechnik, unabhängigen Bewertungen und werkstofftechnischer Expertise. Darüber hinaus sind wir zertifizierter Bildungsträger (ISO 9001, AZAV) und anerkannte Ausbildungsstätte für die zerstörungsfreie Prüfung (ISO 9712).
Mehr zu unseren Leistungen in der Werkstoffprüfung und Werkstofftechnik unter www.werkstoff-service.de.