Bildgebung statt Röntgenprüfung: Neue Prüfstrategien für zerstörungsfreie Schweißnahtprüfung

Bei der industriellen Schweißnahtprüfung gelten klassische Durchstrahlungsverfahren (RT) seit Jahrzehnten als Referenz – insbesondere bei der Detektion volumetrischer Fehler. Gleichzeitig stoßen sie bei Themen wie Strahlenschutz und Flexibilität an Grenzen.

Eine aktuelle Machbarkeitsstudie zeigt, wie bildgebende Verfahren diese Lücke selbst unter anspruchsvollen Rahmenbedingungen schließen können.

Komplexe Ausgangslage: Werkstoffe und Geometrien am Limit

Im Auftrag eines Industriekunden entwickelten die Prüfer maßgeschneiderte PAUT-Scanstrategien für die Prüfung verschiedener geschweißter Bleche, um diese den bisherigen RT-Ergebnissen gegenüberzustellen. Die Herausforderungen waren dabei beträchtlich. Das Team prüfte mehrere, teils sehr dünne, geschweißte Bleche aus unterschiedlichen Werkstoffgruppen: ferritische Stähle, austenitische Stähle und 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 bekannt für ihr grobes Korn und ausgeprägte Anisotropien, die das Ultraschallsignal erheblich beeinflussen. Und Aluminiumschweißnähte? Die sind typischerweise reich an Poren und folglich ein echter Prüfstein für jede Methode.“

PAUT als Basis – Maßgeschneiderte Scanstrategien notwendig

Bei der Phased-Array-Ultraschallprüfung (PAUT) werden Schallfelder mittels spezifischer Prüfköpfe elektronisch gesteuert. Durch die zeitlich versetzte Ansteuerung einzelner Elemente können Schallkeulen geschwenkt, fokussiert und in unterschiedlichen Winkeln in das Bauteil eingebracht werden. So können Volumenbereiche gezielt und reproduzierbar abgescannt werden.

Allerdings zeigte sich schnell, dass Standard-PAUT-Konfigurationen nicht für die vorliegenden Anforderungen nicht ausreichen. Deshalb entwickelten die Prüfer werkstoff- und geometriespezifische Scanstrategien – und setzten zudem den simultanen Einsatz von zwei Prüfköpfen beidseitig der Schweißnaht (Dual-Probe-Technik), die Multigruppentechnik, die Fließwasserankopplung und eigens entwickelte Führungshilfen ein.

Dual-Probe-Technik

Eine zentrale Innovation war der simultane Einsatz von zwei Prüfköpfen auf 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

Für reproduzierbare Ergebnisse wurde eine stabile Ankoppelung mittels Fließwasser realisiert. In Kombination mit speziell entwickelten Führungshilfen konnten konstante Prüfbedingungen gewährleistet, die Positionsgenauigkeit erhöht und der Bedienereinfluss reduziert werden.

Innovative Techniken für anspruchsvolle Werkstoffe

Um den neuen Herausforderungen zu begegnen, setzten die Prüfer die Techniken Total Focusing Method  und Phase Coherence Imaging ein. Diese fortschrittlichen Bildgebungsverfahren bieten eine deutlich höhere Bildauflösung und ermöglichen eine Fehlercharakterisierung, die mit der konventionellen Ultraschallprüfung nicht möglich ist.

Total Focusing Method (TFM)

Die Total Focusing Method kann das gesamte Prüfvolumen gleichzeitig erfassen – 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 deutlich geringere Abhängigkeit von der gewählten Einschallrichtung.

Phase Coherence Imaging (PCI)

Bei Phase Coherence Imaging werden die Phaseninformationen der Ultraschallwellen genutzt – anders als bei TFM, wo die Amplitudeninformationen verwendet werden. PCI hat gegenüber TFM Vorteile beim Nachweis bestimmter Fehlertypen und ergänzt daher TFM ganz hervorragend.

„Wir haben nicht einfach bestehende Verfahren übertragen, sondern diese gezielt an die jeweiligen Werkstoffe und Geometrien angepasst”, sagt Ingo Poschmann. „Das war entscheidend für die Qualität der Ergebnisse.“

PAUT kann RT ersetzen – mit der richtigen Strategie

Ein systematischer Vergleich mit RT-Aufnahmen hat gezeigt, dass sich bei geeigneter Wahl der Prüfparameter und -techniken alle relevanten Anzeigen zuverlässig detektieren lassen – in vielen Fällen sogar mit zusätzlichen Informationen zur Fehlercharakterisierung. Auch anspruchsvolle Werkstoffe und dünne Bleche können effektiv geprüft werden, ein Bereich, der bislang als schwierig galt. „Die entscheidende Erkenntnis war, dass es nicht die eine Prüfstrategie gibt. Jedes Material und jede Geometrie verlangt eine eigene Herangehensweise“, unterstreicht Poschmann.

Fazit: Eine Studie, die nachhaltig wirkt

Die Machbarkeitsstudie ebnet neue Wege für die zerstörungsfreie Prüfung von Schweißnähten. Sie zeigt, dass das Ultraschallverfahren PAUT in Kombination mit TFM und PCI leistungsfähig ist und echte Vorteile gegenüber klassischen Durchstrahlungsverfahren bietet. „Wer diese Technologien beherrscht, prüft nicht nur sicherer und effizienter, sondern kann dieses Wissen auch gezielt weitergeben. Genau das ist unser Anspruch“, betont Poschmann.

Die im Projekt entwickelten Methoden erweitern das Leistungsportfolio des Unternehmens nachhaltig. Insbesondere die Kombination aus Dual-Probe-Technik, Multigruppen-Scans und modernen Bildgebungsverfahren ermöglicht neue Ansätze für die zerstörungsfreie Prüfung komplexer Schweißverbindungen. „Unsere Kunden profitieren von höherer Detektionssicherheit bei komplexen Schweißnähten, verbesserter Fehlerbewertung durch bildgebende Verfahren sowie effizienteren Prüfprozessen ohne zusätzlichen Strahlenschutzaufwand“, erklärt der Geschäftsführer.

Die im Projekt gewonnenen Erkenntnisse fließen zudem in neue Trainingsmodule ein. Geplant sind praxisnahe Kurse zu Dual-Probe- und Multigruppentechniken, vertiefende Schulungen zu TFM und PCI sowie spezialisierte Module für anspruchsvolle Werkstoffe und dünne Bauteile.