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Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung mit Phased Array Technologie (PAUT)

Die Phased Array Ultraschallprüfung (PAUT) ist eine zerstörungsfreie Prüftechnik, welche mit Hilfe der Gruppenstrahlertechnologie in Echtzeit komplexe Geometrien und Fehlergrößen in einer Vielzahl von Materialien erkennt.

Die Phased Array Ultraschall Technologie kennt man im Alltag wohl am ehesten aus der medizinischen Diagnose. So werden Phased Array Sensoren z.B. bei der Ultraschalluntersuchung innerer Organe oder auch in der Schwangerschaft genutzt. Hier erzeugt das Prüfgerät mit entsprechender Software und einem sog. Multieelementprüfköpf hochauflösende Querschnittsbilder des Körpers. Die Organe können mit dem Ultraschallsensor unter verschiedenen Einschallwinkeln und -tiefen betrachten werden. Diese elektronische Fokussierung und/oder Winkelschwenk sowie unterschiedlichen Schallfelder machen den Multielementprüfkopf zu einem Phased Array Prüfkopf. Die Beschaffenheit des menschlichen Körpers eignet sich mit seinem hohen Wasseranteil ideal für die Ultraschallprüfung und ermöglicht eine relativ leichte Durchschallung und Analyse.

Auch in der Industrie wird seit einigen Jahren verstärkt auf die Phased Array Ultraschalltechnik gesetzt. Im Gegensatz zu dem menschlichen Körper ist der Einsatz hier jedoch deutlich komplexer. Dies liegt daran, dass die zu prüfenden Materialien (z.B. Metalle, Verbundstoffe, CFK) unterschiedliche akustische Eigenschaften, Geometrien und Dicken besitzen, und zudem weniger leicht zu durchschallen sind. Es werden Volumenfehler und Schweißnähte untersucht, Wanddicken gemessen und Materialien auf Korrosion geprüft.

Prinzip der Phased Array Ultraschallprüfung

Die Phased Array Ultraschallprüfung beruht wie die konventionelle Ultraschallprüfung auf dem Impuls-Echo-Verfahren, welches das meistgenutzte Ultraschallverfahren darstellt. Bei diesem Verfahren kann aus der Laufzeit und der Schallschwächung der Echoimpulse in Materialien auf das Vorhandensein sowie auf die Dimensionen von möglichen Fehlern geschlossen werden.

Im Gegensatz zur konventionellen Ultraschallprüfung kann durch die Phased Array Technologie eine erhöhte Prüfgeschwindigkeit, Zuverlässigkeit, Vereinfachung komplexer Prüfabläufe sowie neben dem A-Bild auch eine bildgebende Darstellung des Materials erzeugt werden.

Erkennbare Fehler mit Hilfe der Phased Array Ultraschallprüfung

  • Risse im Material können durch äußere Krafteinwirkung oder Spannung im Material bzw. Bauteil selbst entstehen. Mit PAUT können sowohl Oberflächenrisse wie auch Risse innerhalb des Materials zuverlässig detektiert werden.
  • Poren können entstehen, wenn sich Gase noch in der Schmelze befinden, während diese erstarrt. Mit Hilfe der Ultraschallprüfsysteme sind sie mit der bildgebenden Technologie visuell auf den ersten Blick zu erkennen.
  • Lunker sind bei der Fertigung entstandene Hohlräume im Material. Da diese meistens größer sind als Poren, können sie mit der Ultraschalltechnik sehr gut gefunden werden.
  • Dopplungen sind Fehler im Walzstahl in Form einer Aufspaltung des Materials. Sie entstehen, wenn Hohlräume wie Lunker bei der Weiterverarbeitung des Materials (z.B. Schmieden) flach gedrückt werden. Dieser Fehlertyp ist für die Ultraschallprüfung ideal, denn eine senkrechte Einschallung in das Blech oder auf die Schmiedelinien ermöglicht eine gute Detektierbarkeit.
  • Seigerungen sind Entmischungen einer Schmelze bei der Metallherstellung. Dieser Materialfehler zeigt sich beim Ultraschall durch einzelne Echos und/oder Echoberge und/oder auch durch eine starke Dämpfung des Rückwandsignals.
  • Einschlüsse im Material, z.B. Kupferpartikel in Schweißverbindungen durch Kuperelektroden. Diese Fehler können aufgefunden werden, wenn der Schallwellenwiderstand des eingeschlossenen Materials sich eindeutig von dem umgebenen Material abgrenzt.
  • Schlackenzeilen sind nichtmetallische Einschlüsse, welche durch Unregelmäßigkeiten während des Gießprozesses entstehen können. Auch Diese lassen sich mit Ultraschall gut detektieren.
  • Wanddickenschwankungen können direkt beim Fertigungsprozess oder nachträglich durch Verschleiß wie Korrosion entstehen. Derartige Fehler sind durch Vermessen der Entfernung zur Rückwand sehr gut durch Ultraschall zu erkennen.

Was sind die Vorteile von Phased Array?

Der Vorteil der Phased Array Technologie gegenüber der konventionellen Ultraschalltechnik liegt in der elektronischen Schallbündelsteuerung und Fokussierung der vielen Einzelelemente des Multielemente- bzw. Phased Array Prüfkopfes. Daraus ergeben sich folgende Fähigkeiten:

  • Die Einzelelemente werden von der Prüfsoftware dynamisch mit der eingestellten Pulsfolgefrequenz angesteuert, sodass jeder Prüfpunkt des Bauteils auch bei komplexen Geometrien optimal durchschallt wird. Dadurch kann die Schallbündelform und -größe elektronisch und sehr schnell ideal an die zu erwartende Fehlerstelle angepasst werden.
  • Die elektronische Fokussierung des Schallbündels in verschiedenen Tiefen ermöglicht bei der Volumenprüfung eine bessere Größenbestimmung von Fehlstellen.
  • Durch einen sog. Sektorscan kann das Bauteil in nur einem Durchgang unter verschiedenen Winkeln geprüft werden.
  • Auch für beschränkt zugängliche Prüfobjekte ist die Phased Array Technologie durch die Fähigkeit der Änderung des Einschallwinkels ohne Bewegen des Prüfkopfes bestens geeignet.
  • Durch den Ersatz von Mechanik durch Elektronik wird der Verschleiß reduziert.
  • Hohe Reproduzierbarkeit durch die digitale Speicherung der Einstelldaten und dadurch Minimierung von mechanischen Einstellungen.

Diese technischen Features erhöhen nicht nur die Wahrscheinlichkeit der Fehlerauffindung, sondern beschleunigen oftmals auch den Prüfvorgang.

Phased Array Prüfköpfe

Bei der konventionellen Ultraschallprüfung werden Standard Prüfköpfe oder SE-Prüfköpfe genutzt. Standardprüfköpfe arbeiten mit einem Schwingerelement, welches Ultraschallimpulse versendet und auch empfängt. SE-Prüfköpfe besitzen zwei Elemente – einen Sender- sowie einen Empfänger – wodurch sog. Totzeiten vermieden werden. Das hat den Vorteil, dass auch oberflächennahe Fehler detektiert werden können.

Um ein sogenanntes Array mit konventionellen Prüfköpfen zu erzeugen, werden diese z.B. linear oder clusterförmig angeordnet. Hierdurch kann gleichzeitig eine größere Fläche oder auch gleichzeitig unter verschiedenen Winkeln geprüft und dadurch die Prüfdauer reduziert werden. Ein Applikationsbeispiel ist das PROline Rohrprüfsystem, welches für die Fa. TÜV Nord Material Testing entwickelt wurde. Es arbeitet mit einer clusterförmigen Prüfkopfanordnung und konnte so die Prüfdauer im Vergleich zur vorherigen Ultraschallprüfung halbieren.

Cluster-Prüfkopf auf einem Rohr

Abbildung: PROline Rohrprüfsystem mit clusterförmigen Prüfkopfanordnung

Ein Phased Array Prüfkopf ersetzt solche Prüfkopfanordnugen. Er ist vereinfacht eine Zusammenfassung solch einzelner Prüfköpfe bzw. Elemente in nur einem Gehäuse – nur sind diese Elemente viel kleiner als ein normaler Prüfkopf.

Die Funktionsweise eines Phased Array Prüfkopfes

In einem Phased Array Prüfkopf sind 16 bis zu 256 kleine Schwingerelemente verbaut. Es handelt sich hierbei um piezoelektrische Kristalle. Diese Schwingerelemente können unabhängig voneinander zu gleichen oder auch unterschiedlichen Zeiten Schallimpulse senden und empfangen. Sie können als Linien-Array (Streifen), als 2D Matrix, als Ring-Array oder in einer komplexen beliebigen Form angeordnet sein.
So entstehen durch das Zusammenschalten von mehreren Schwingerelementen „virtuelle Prüfköpfe“, die sich so verhalten wir ein Einzelschwinger mit den entsprechenden Eigenschaften der Schallfeldgröße, der Schallrichtung und Fokussierung.

Solche Phased Array Sensoren können mit unterschiedlichen Vorlaufstrecken in Kontakt-, Bubbler- oder in Tauchtechnik eingesetzt werden.

Durch die elektronische Aktivierung bzw. Steuerung dieser einzelnen Elemente werden lenkbare Wellenfronten erzeugt. Dadurch können Prüfbereiche flexibel, schnell und ohne Sensorbewegung abgetastet werden. Man kann sich einen lenkbaren Suchscheinwerfer vorstellen, der durch das Material geführt wird.

Funktion Phased Array Prüfkopf

Abbildung: Darstellung der Einschallung mit einem Phased Array Prüfkopf: links: senkrechte Einschallung; rechts: Einschallung unter einem Winkel durch verzögerte Ansteueurng der Elemente

Um senkrecht in das Material einzuschallen werden in der beispielhaften Abbildung alle vier Elemente gleichartig angesteuert. Dadurch verläuft die Wellenfront senkrecht durch das Material.

Um unter einem bestimmten Winkel einzuschallen, werden die Elemente von links nach rechts verzögert angesteuert. Dadurch wandert die Wellenfront schräg durch das Material. So kann ohne Winkelprüfkopf flexibel unter diversen Winkeln in das Material geprüft werden.

Auf die gleiche Weise wie beim Aussenden der Schallimpulse kombiniert die Empfängerfunktion auch die eingehenden Impulse dieser vielen Elemente in einer einzigen Darstellung.

Abbildung: Das Prüfergebnis wird bildgebend dargestellt. Aus allen A-Bilder wird das sogenannte C-Bild erzeugt (Abwicklung der Prüffläche).

Funktionsweise der Phased Array Prüfsysteme

Phased Array Ultraschallprüfgeräte und -systeme ermöglich wie bereits erwähnt die flexible Steuerung von Schallwellen in einem Material. Sie können ohne Bewegung durch das Prüfmaterial schwenken und dynamisch in verschiedene Tiefen fokussieren. Hierdurch kann ein Phased Array Prüfkopf mehrere konventionelle Ultraschallprüfköpfe ersetzen, wodurch komplexe Prüfverfahren deutlich vereinfacht werden.

Durch das Zusammenführen mehrerer Schallimpulse erzeugt diese Technologie ein visuelles Bild des zu prüfenden Bereiches. Dies ermöglicht die bildgebende Darstellung von Prüfergebnissen in Echtzeit und dadurch eine erhebliche Erleichterung der Prüfung.

Prüfungsbeispiel Schweißpunkte

Ein Beispiel für den Einsatz der Phased Array Technologie ist die Schweißpunktprüfung in der Produktion von Automobilkarosserien. Hierfür wird ein Phased Array Ultraschallprüfsystem wie das PHAsisNEO oder PHAsisBLU mit einem Phased Array Multielemente Prüfkopf genutzt. Ein Prüfkopf dieser Prüfsysteme fasst 729 virtuelle Prüfköpfe. Dies ermöglicht eine sehr hohe physikalische Auflösung der Schweißlinse genauer als 0,35 mm. Durch die gleichzeitige Fokussierung wird das Schallfeld der Rasterauflösung, hier 0,35 mm angepasst.

Fehlererkennung und Darstellung der Prüfergebnisse

Mit Hilfe der bildgebenden Phased Array Technologie wird die Qualität des Schweißpunktes als Live-Bild (C-Bild) und Ergebnisbild (D-Bild, tiefengenau) „sichtbar“ gemacht. Hinter jedem dieser Pixel der Prüfbilder steckt ein A-Bild. So werden bei dem PHAsisNEO Prüfsystem beispielsweise in unter einer Sekunde 729 A-Bilder pro Punkt aufgenommen.

Dies erleichtert die Beurteilung der Schweißpunktqualität erheblich, sodass auch Prüfwerker ohne tiefe Ultraschallkenntnisse sicher und schnell prüfen können.

Abbildung: C-Bild Darstellung eines Schweißpunktes mit Phased Array Technologie

Das A-Bild als auch das C-Bild mit laufzeitbasierten Ausrichtepunkten unterstützt den Prüfer bei der senkrechten Positionierung des Prüfkopfes auf der Oberfläche des zu prüfenden Schweißpunktes.

Abbildung: Bildgebende Prüfergebnisdarstellung eines Schweißpunktes mittels D-Bild durch Phased Array Technologie. Grün = verschweißt, Rot = unverschweißt

Mit Einfrieren des C-Bildes wird vom Phased Array Prüfsystem ein D-Bild als Bewertungsvorschlag erzeugt. Das D-Bild ist eine Abbildung des Schweißpunktes mit farblicher Tiefendarstellung. Hierdurch können mögliche Fehler wie Poren oder eine zu kleine Linse schnell, visuell erkannt werden.

Qualitätsdokumentation

Phased Array Prüfsysteme, wie das PHAsisNEO, erstellen eine automatische und manipulationssichere Dokumentation der Prüfergebnisse inkl. C- oder/und D-Bild. Durch die Speicherung aller A-Bilder zu einem Schweißpunkt kann anschließend eine mögliche Nachbewertung und Korrelation zur zerstörenden Prüfung erfolgen. In der Verwaltungssoftware werden diese Prüfdaten zentral organisiert sowie auch Prüfmittel überwacht.

Wo liegen die Grenzen und Nachteile der Phased Array Ultraschallprüfung?

Auch wenn die Phased Array Technologie viele Vorteile bietet kennt sie auch Nachteile. Diese liegen zum einen in einem erhöhten Kostenaufwand. PAUT Systeme sind i.d.R. kostenintensiver als konventionelle Ultraschallprüfsysteme. Das liegt am höheren Funktionsumfang und der aufwendigeren Konstruktion der Phased Array Prüfköpfe und vor allem der Ultraschallelektronik.

Zum anderen kann der große Funktionsumfang je nach PAUT Prüfsystem im Gegensatz zu konventionellen Ultraschallsystemen eine deutlich umfangreichere Schulung erforderlich machen.

Eine mögliche Einschränkung des Einsatzes gibt es auf Grund der größeren Bauform der Prüfgänge bei der Zugänglichkeit und somit bei komplex geformten Bauteilen. Eine Materialeinschränkung kennt die Technologie wie auch die konventionelle Ultraschallprüfung bei technischen Werkstoffen jedoch selten, so können Faser-, Verbundwerkstoffe, Metalle, Kunststoffe sowie Keramiken geprüft werden. Generell sind Schallharte Materialien gut zu prüfen. Weniger gut oder gar nicht prüfbares Material ist stark schallstreuend oder schwächend, wie z.B. Glasfaser verstärkter Kunststoff, Gummi, Gewebe oder auch Schaumstoff.

Materialeigenschaften mit Einfluss auf die Prüfbarkeit

Die Eigenschaft des Materials des zu prüfenden Bauteils hat Einfluss auf die Prüfbarkeit durch Ultraschall. Hierzu gehört die sogenannte Korngröße des Gefüges. Das Grundmaterial hat in den meisten Fällen ein feinkörniges Gefüge. Durch die Weiterverarbeitung durch z.B. Schweißen erfährt das Gefüge eine starke Hitzeeinwirkung, was zu einer Grobkornbildung führt. Ein grobkörniges Material lässt sich schlechter mit Ultraschall prüfen. Das liegt daran, dass Grobkorn zur Streuung und Absorption der Ultraschallwellen führt. Es gelangen also weniger Informationen zum Empfänger des Prüfkopfes zurück.

Auflösung kleinster Unregelmäßigkeiten, welche kleiner als die halbe Wellenlänge sind

Damit ein Fehler durch Ultraschall bzw. Phased Array Ultraschall erkannt werden kann, muss dieser eine Mindestgröße im Verhältnis zur Wellenlänge haben und genügend Schallenergie zum Prüfkopf reflektieren. Das bedeutet: Fehler mit einer Ausdehnung (Breite und Länge) kleiner als 25% der genutzten Wellenlänge sind auch unter optimalen Bedingungen nicht nachweisbar. In der Praxis hat sich dadurch ein Mindestwert von einer halben oder ganzen Wellenlänge bewiesen.

Bestimmung des genauen Fehlerausmaß erfordert senkrechtes Anschallen des Fehlers

Um einen Fehler zu detektieren, muss der Prüfkopf senkrecht zur Fehlerausbreitung stehen. Denn trifft eine Ultraschallwelle senkrecht auf die Grenzfläche zwischen zwei unterschiedliche Medien auf, dann wird die Welle zum Teil reflektiert. Die vom Prüfkopf wieder aufgenommenen Informationen durch die Reflexion geben dem Prüfsystem Informationen über die Art, Größe und Lage des Materialfehlers.

Trifft die Ultraschallwelle nicht senkrecht, sondern schräg auf einen Fehler, werden die Ultraschallwellen abgelenkt und gelangen nicht zurück zum Sensor. Durch das fehlende Echo erkennt der Prüfer, dass sich im Bauteil ein Materialfehler verbirgt, kann diesen jedoch nicht tiefengenau verorten.

Normen für die Phased Array Ultraschallprüfung

DIN EN ISO 23243:2021-03
Zerstörungsfreie Prüfung – Ultraschallprüfung mit Arrays – Terminologie

DIN EN ISO 13588:2019-07
Zerstörungsfreie Prüfung von Schweißverbindungen – Ultraschallprüfung – Anwendung von automatisierter phasengesteuerter Array-Technologie

DIN EN ISO 19285:2017-12
Zerstörungsfreie Prüfung von Schweißverbindungen – Ultraschallprüfung mit Phased-Arrays (PAUT) – Zulässigkeitsgrenzen

DIN EN ISO 22825:2018-02
Zerstörungsfreie Prüfung von Schweißverbindungen – Ultraschallprüfung – Prüfung von Schweißverbindungen in austenitischen Stählen und Nickellegierungen

DIN EN ISO 20601:2019-04
Zerstörungsfreie Prüfung von Schweißverbindungen – Ultraschallprüfung – Verwendung von automatisierter phasengesteuerter Array-Technologie für dünnwandige Bauteile aus Stahl

DIN EN ISO 23864:2021-09 – Entwurf
Zerstörungsfreie Prüfung von Schweißverbindungen – Ultraschallprüfung – Verwendung der automatisierten Totalfokussierungsmethode (TFM) und verwandte Technologien

DIN EN ISO 18563-1:2021-09 – Entwurf
Zerstörungsfreie Prüfung – Charakterisierung und Verifizierung der Ultraschall-Prüfausrüstung mit phasengesteuerten Arrays – Teil 1: Prüfgerät

DIN EN ISO 18563-2:2017-12
Zerstörungsfreie Prüfung – Charakterisierung und Verifizierung der Ultraschall-Prüfausrüstung mit Phased-Arrays – Teil 2: Prüfköpfe

DIN EN ISO 18563-3:2016-06
Zerstörungsfreie Prüfung – Charakterisierung und Verifizierung der Ultraschall-Prüfausrüstung mit phasengesteuerten Arrays – Teil 3: Vollständige Prüfsysteme

 

FAQ

Warum Phased Array Prüfung?

Die Phased Array Prüfung hat im Vergleich zur konventionellen Ultraschallprüfung diverse Vorteile:

  • Die bildgebende Darstellung der Prüfergebnisse mit farbcodierter Amplitude bzw. Fehlertiefe
  • Die erhöhte Prüfgeschwindigkeit durch das Ersetzen einer mechanischen Abtastung durch eine elektronische Abtastung mit einem Phased Array Multi-Elemente Prüfkopf
  • Das Ersetzen mehrerer konventioneller Prüfköpfe durch einen elektronisch fokussierbaren Phased Array Prüfkopf
  • Eine verbesserte Fehlerdetektion durch elektronisches Abscannen des Prüfmaterials unter verschiedenen Winkeln. Dadurch werden mehrere konventionelle Winkelprüfköpfe durch einen Phased Array Prüfkopf ersetzt

Was ist eine Phased Array Prüfung?

Eine Phased Array Prüfung ist eine Ultraschallprüfung mit Gruppenstrahlertechnik. Hierbei können Ultraschallimpulse zusammengeschaltet und wie ein Suchstrahl unter verschiedenen Winkeln und mit verschiedenen Fokussierungen durch das Prüfmaterial geleitet werden.

Was bedeutet Focal Law?

Als Focal Law (oder auf deutsch Fokusgesetz, was gleich zu setzen ist mit einem „virtuellen Prüfkopf“) ist eine Zusammenschaltung mehrerer Elemente des Phased Array Prüfkopfes definiert, welche mit definierten Ansteuerungszeiten beaufschlagt werden. Die hierdurch entstehenden Schallbündel ermöglichen eine elektronische Fokussierung und Einschallung unter diversen Winkeln ohne mechanische Bewegung des Prüfkopfes.

Welche Gegenstände werden mit Phased Array geprüft?

Mit Phased Array Technologie werden Volumenfehler und Risse im Volumen oder Schweißnähten detektiert, die Qualität von Schweißpunkten bestimmt und Bauteile auf Errosion, Korrosion oder fertigungsbedingte Wanddickenschwankungen geprüft.