Ultraschall-Prüfköpfe

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Ultraschall-Prüfköpfe

Allgemeines

Ultraschall-Prüfkopfe, die auch als Ultraschallwandler oder -sensoren bezeichnet werden, werden zum Erzeugen und Empfangen von Ultraschallsignalen bevorzugt in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung und medizinischen Diagnostik eingesetzt. In Verbindung mit dem analogen oder digitalen Ultraschallprüfgerät können sie für die unterschiedlichsten Prüfaufgaben verwendet werden, falls die Prüfkopfauswahl für den gegebenen Anwendungsfall korrekt und optimal ist. Da kein universeller, für alle Prüfaufgaben geeigneter Prüfkopf existiert, müssen diese genau wie die Prüf- und Auswertegeräte an den jeweiligen praktischen Einsatzzweck wie z. B. die Defektoskopie an dünnen oder dicken Bauteilen differierender Geometrie (Rohre, Platten), Schweißnähten (Kehl-, Stumpf- oder V-Nähte) oder die Wanddickenmessung angepasst werden. Dies betrifft auch die Applikation für unterschiedliche Werkstoffe (Metalllegierungen, Graugussgefüge, gefüllte oder verstärkte Kunststoffe sowie Beton), wo eine teilweise starke Dämpfung oder Streuung an inneren Inhomogenitäten eine Anpassung der Mittenfrequenz f_m und des Frequenzbands Δf als auch der Impedanz an die Prüfaufgabe erfordert (Übertragungsverhalten), wobei in jedem Fall trotz differierender Auflösung bzw. Fehlererkennbarkeit die Qualität und Zuverlässigkeit des Prüfergebnisses bezogen auf die Nachweisgrenze gewährleistet sein muss [1−4].

Ultraschallerzeugung

Je nach Anwendungsfall werden unterschiedliche physikalische Prinzipien zur Erzeugung des Ultraschalls eingesetzt. Bei metallischen Werkstoffen, die voraussetzungsgemäß elektrisch leitend sein sollen, kann das elektrodynamische oder elektromagnetische Verfahren (z. B. EMUS-Prüfkopf) verwendet werden, mit welchem Longitudinal- oder Transversalwellen kontaktfrei im Prüfstück erzeugt werden können [5].
Kommerzielle Ultraschallprüfköpfe (z. B. Normal-, Winkel- oder S/E-Prüfköpfe) nutzen für ein großes Werkstoffspektrum zumeist den piezoelektrischen Effekt. Die Prüfköpfe bestehen im Wesentlichen aus einem piezoelektrischen Schwinger, der infolge der elektrischen Anregung des Ultraschallprüfgeräts mechanische Spannungswellen unterschiedlicher Spannung und Impulsfolgefrequenz erzeugt, einer elektrischen Anpassung (Induktivität, Widerstand) und einem abgekapselten Gehäuse mit dem Kabelanschluss.
Zur Erzeugung des Ultraschalls besitzt der Ultraschallprüfkopf einen Schwinger aus Piezokeramik, der z. B. im Fall des Normal-Prüfkopfs kreisförmig oder bei dem Winkel-Prüfkopf zumeist rechteckig ist, oder mehrere Schwinger wie bei den Phased-Array-Prüfköpfen (siehe: Ultraschall-Gruppenstrahler-Prüfköpfe). Dabei hängt die Schwingungsform des Ultraschallsignals im Einzelfall immer vom akustischen Impedanzverhältnis zwischen dem Schwinger und dem im Gehäuse enthaltenen Dämpfungskörper ab. Bei nahezu identischer Impedanz liegen breitbandige Prüfköpfe mit sehr kurzen Impulsen und hoher Dämpfung (Stoßwellen) vor, anderenfalls ist der Sensor eher schmalbandig und zeigt längere Schwingungsformen mit geringer Signaldämpfung [1]. Zur Impedanzanpassung und Abriebschutz der Oberfläche des Prüfkopfs ist dieser an der Unterseite mit einer Schutzschicht aus zumeist keramischen Werkstoffen oder keramikgefüllten Kunststoffen und oft mit zusätzlichen Verschleißschutzfolien versehen. Diese Maßnahmen dienen dazu den Ultraschall möglichst verlust- bzw. reflexionsfrei auch bei rauen und unbehandelten Oberflächen in das Prüfstück einzukoppeln. Die Schutzschicht und die Verschleißfolie stellen in Verbindung mit dem Koppelmittel und der Vorlaufstrecke (Delay-Line) bei Direktankopplung einen zusätzlichen Frequenzfilter dar, der die Mittenfrequenz und den Frequenzgang beeinflussen kann und deshalb für die Prüfaufgabe optimiert werden sollte [6−8].

Arten der Ultraschall-Prüfköpfe

Die wichtigsten in der prüftechnischen Praxis der Ultraschallprüfung verwendeten Prüfkopfarten sind:

• Normal-Prüfköpfe (auch Senkrecht- oder Delay-Line-Prüfköpfe) [1]
• Winkel-Prüfköpfe
• Sende (S)-Empfänger (E)-Prüfköpfe
• Composite-Prüfköpfe
• Stoßwellen-Prüfköpfe und
• Phased-Array-Prüfköpfe (Gruppenstrahler-Prüfköpfe)

Diese verschiedenen Prüfkopfarten werden zumeist in der Impuls-Echo-Technik betrieben, sind aber auch partiell für Durchschallung geeignet und sind für ein breites Frequenzspektrum je nach Baugröße ausgelegt. Bei Realisierung entsprechender konstruktiver Maßnahmen können die Prüfköpfe auch in der Tauchbad- und Squirter-Technik verwendet werden. In dem Bild 1 sind unterschiedliche kommerziell genutzte Prüfkopfarten dargestellt.

Bild 1:

Ultraschall-Prüfköpfe für unterschiedliche Anwendungsgebiete (a) Normal- und (b) Winkel-Prüfkopf der Fa. Optimess Engineering GmbH, Gera, (c) S/E-Prüfkopf de Fa. GAZ- Prüftechnik GmbH, Alpen, (d) Composite-Prüfkopf der Fa. Sonaxis, Besancon (F), (e) Phased-Array-Prüfkopf der Fa. GE Measurement & Control Solutions, Alzenau

Literaturhinweise

[1]	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)
[2]	Krautkrämer, J., Krautkrämer H.: Werkstoffprüfung mit Ultraschall. Springer Verlag, Berlin, (1986), (ISBN 978-3-662-10909-0)
[3]	Sirch, C., Bierögel, C., Grellmann, W., Rufke, B., zur Horst-Meyer, S.: Akustisches Verhalten von Kunststoffbauteilen. Tagung Problemseminar "Deformation und Bruchverhalten von Kunststoffen" Merseburg 2001, Tagungsband S. 326–336
[4]	Deutsch, V., Vogt, M.: Ultraschallprüfung von Schweißverbindungen. Schweißtechnische Praxis, DVS-Verlag, Düsseldorf, Bd. 28, (1995)
[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]	Lexikon der Ultraschallsensoren: http://www.pulsotronic.de/index.php?option=com_content&view=category&id=305&Itemid=100582&lang=de (Zugriff am 24.04.2020)
[7]	Deutsch, V., Platte, M., Vogt, M., Deutsch, W. A. K., Schuster, V.: Die Ultraschallprüfung. Castell-Verlag, Wuppertal, Bd. 1, (1999)
[8]	Deutsch, V., Platte, M., Schuster, V., Deutsch, W. A. K.: Messtechnik mit Ultraschall. Castell-Verlag, Wuppertal, Bd. 2, (2002)