Ultraschallprüfung

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Ultraschallprüfung

Geschichte des Ultraschalls

Die Fehlerdetektion auf Basis von Ultraschall ist neben der Röntgen-Grobstrukturanalyse eines der ältesten zerstörungsfreien Prüfverfahren. Nach der Entdeckung des piezoelektrischen Effekts (1880–1881) durch die Gebrüder Curie zur Messung und Erzeugung nichtstationärer Drücke und Schwingungen sind die Anfänge der technischen Nutzung des Ultraschall auf ca. 1940 zu datieren. Es wurde erkannt, dass Ultraschall eine Wechselwirkung mit dem zu prüfenden Werkstück eingeht und mit einer Veränderung von Intensität und Laufzeit reagiert. Im Jahr 1942 wurden die technischen Grundlagen zur Laufzeitmessung mit getrenntem Sende- und Empfänger-Prüfkopf in Durchschallung (Trostzange) und später für die Impuls-Echo-Technik geschaffen. In den Jahren 1949–1950 wurde von der Fa. Krautkrämer, Hürth, das erste analoge Ultraschallprüfgerät zur zerstörungsfreien Fehlersuche in Impuls-Echo-Technik entwickelt und 1973 erschien von der Fa. Karl Deutsch das erste Gerät mit Digitalanzeige und 1982 der Echograph mit integriertem Mikroprozessor. Nach der Entwicklung der Winkel-Prüfköpfe (ca. 1952) und der S/E-Prüfköpfe (ca. 1957) konnten Schweißverbindungen und dünne Bauteile auf herstellungs- oder verarbeitungsbedingte spezifische Fehler untersucht werden. Die Entwicklung der Tauchbad-Technik unter Nutzung des bildgebenden Ultraschalls ist auf etwa 1970 zu datieren und die Squirter-Technik als auch der Luftultraschall auf ca. 1980 [1, 2]. Neuere Entwicklungen der Digitalprüftechnik, der Gruppenstrahlertechnik (Phased-Array Technique) der TOFD-Prüf- und Auswertemethode (Time of Flight Diffraction Technique) oder den geführten Wellen (Guided waves) belegen, dass die physikalischen Grenzen der Ultraschallprüftechnik noch längst nicht ausgeschöpft sind.

Ultraschall-Prüftechnik

Die Ultraschallprüfung ist ein aktives akustisches Prüfverfahren, bei dem mittels eines oder mehrerer Prüfköpfe (Prüfkopffeld) Ultraschallwellen (Longitudinal- oder Transversalwellen) in ein Prüfstück zur Detektion innerer Fehler (Ungänzen) oder Bestimmung geometrischer Abmessungen (Wanddicke) eingeschallt werden. Mit einem zweiten Prüfkopf (Empfänger in Durchschallungs-Technik) oder nach Umschaltung des Senders auf Empfang (Impuls-Echo-Technik) werden unter Ausnutzung des inversen piezoelektrischen Effekts die in Laufzeit, Frequenz und Intensität veränderten Schallwellen empfangen und anzeigegerecht weiterverarbeitet.

Die Ultraschallprüfung, in der Medizin als Sonografie bezeichnet, beruht auf der Anwendung von Ultraschallwellen der Frequenz > 20 kHz, wobei technische Applikationen den Frequenzbereich von ca. 100 kHz bis 100 MHz benutzen. Da sich die Schallwellen in verschiedenen Medien mit differierenden Schallgeschwindigkeiten ausbreiten und diese an Mediengrenzflächen mit verschiedener Schallimpedanz (Luft, Wasser, Metall) reflektiert, abgeschattet, gebrochen oder gestreut sowie geschwächt werden, können diese physikalischen Effekte zur Detektion von Fehlern oder Ungänzen (Lunker, Einschlüsse) genutzt werden, wobei in der Regel nur Fehler erkennbar sind, die größer als die halbe Wellenlänge (λ/2) sind. Dabei können mit diesen Verfahren die Art und Größe von Fehlern anhand bekannter Sollwerte bestimmt werden und mittels Laufzeitmessung kann die Tiefenlage der Ungänze im Prüfstück bestimmt werden. Aufgrund unterschiedlicher Schallimpedanzen an äußeren Grenzflächen sind aber zur Einleitung des Ultraschalls in das Prüfstück in der Regel Koppelmittel (Öl, Wasser) erforderlich, die die Reflexion des Ultraschalls an der Oberfläche minimieren [3−6] bzw. die Transmission von Ultraschall in den Festkörper verbessern.

Ultraschall-Prüfköpfe

Je nach Anwendungsfall und Wellenart werden verschiedene Ultraschall-Prüfköpfe genutzt:

• Normal-Prüfköpfe
• Winkel-Prüfköpfe
• Sende (S)/Empfänger (E)-Prüfköpfe
• Composite-Prüfköpfe und
• Stoßwellen-Prüfköpfe

Bildgebende Darstellung

Das einfachste Anzeigeverfahren in der Ultraschallprüfung ist das A-Bild, welches das Quadrat des HF-Bilds darstellt. Durch scannende bildgebendes Prüfverfahren (Tauchbad-, Gruppenstrahler-Technik oder Luftultraschall) können das B-, C-, und D-Bild oder durch die frequenzbezogene Auswertung das F-Bild mit wesentlich verbesserter Aussagefähigkeit generiert werden. Spezielle Prüf- und Auswertetechniken, wie TOFD (Time of flight diffraction technique) oder SAFT (Synthetic Aperture Focusing Technique) stehen zudem weiterführende Techniken zur Verfügung.

Grundsätzlich ist die Ultraschallprüfung in der DIN EN ISO 16810 und die verwendete Terminologie in der DIN EN 1330-4 genormt, wobei für die verschiedenen Anwendungen an Schweißverbindungen, Schmiedestücken oder Wanddickenmessung spezielle Normen, allerdings zumeist nur für metallische Werkstoffe, gültig sind [7, 8]. Für die Ultraschallprüfung an Kunststoffen existieren zurzeit noch keine verbindlichen Normenwerke.

Qualifizierung der Ultraschall-Prüfer

Für die Durchführung von Ultraschallprüfungen ist eine Personalzertifizierung (DPZ-Zertifikat), in der Regel bei der Deutschen Gesellschaft für Zerstörungsfreie Prüfung – DGZfP, erforderlich, die für ein bestimmtes Prüfverfahren 5 Jahre Gültigkeit besitzt [9]. Für die Ultraschallprüfung UT existieren 3 Qualifizierungsstufen 1 bis 3 (Level), die zudem noch an die verschiedenen Anwendungsbereiche (z. B. Luft- und Raumfahrtindustrie, Schweißtechnik oder Gussteil- und Rohrproduktion) angepasst sind.

Literaturhinweise

[1]	Husarek, V., Castel, J. G.: Beitrag zur Geschichte der Ultraschallprüfung in Deutschland und Frankreich. DGZfP-Jahrestagung „Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung“ 2001, Sofranell, Frankreich, Berichtsband 75-CD
[2]	Guicking, D.: Erwin Meyer – Ein bedeutender deutscher Akustiker – Biographische Notizen. Universitätsdrucke, Universitätsverlag, Göttingen, (2012), (http://www.guicking.de/dieter/Erwin-Meyer.pdf) (Zugriff am 06.02.2023)
[3]	Krautkrämer, J., Krautkrämer H.: Werkstoffprüfung mit Ultraschall. Springer Verlag, Berlin, (1986), (ISBN 978-3-662-10909-0)
[4]	Deutsch, V., Platte, M., Vogt, M.: Ultraschallprüfung – Grundlagen und industrielle Anwendungen. Springer Verlag, Berlin, (1997), (ISBN 3-540-62072-9; siehe AMK-Büchersammlung unter M 45)
[5]	Matthies, K. u. a.: Dickenmessung mit Ultraschall. DVS-Verlag GmbH, Berlin, 2. Auflage, (1998), (ISBN 3-87155-940-7; siehe AMK-Büchersammlung unter M 44)
[6]	Schiebold, K.: Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung – Ultraschallprüfung. Springer Verlag, Berlin, (2014), (ISBN 978-3-662-44699-7)
[7]	DIN EN ISO 16810 (2014-07): Zerstörungsfreie Prüfung – Ultraschallprüfung – Allgemeine Grundsätze
[8]	DIN EN 1330-4 (2010-05): Zerstörungsfreie Prüfung – Terminologie – Teil 4: Begriffe der Ultraschallprüfung (zurückgezogen; ersetzt durch DIN EN ISO 5577 (2017-05))
[9]	DIN EN ISO 9712 (2022-09): Zerstörungsfreie Prüfung – Qualifizierung und Zertifizierung von Personal der zerstörungsfreien Prüfung