Werkstoffprüfung: Wie funktioniert eigentlich Ultraschallprüfung?

Bei der Ultraschallprüfung wird Schall eingesetzt, um Entfernungen, das Innenleben und Eigenschaften von Werkstoffen und Bauteilen zu analysieren. Das klingt zunächst abstrakt – tatsächlich begegnet uns dieses Prinzip jedoch häufig im Alltag.

Wer schon einmal gegen eine Wand geklopft hat, um dünne Stellen zu finden, einen Stein in einen Schacht geworfen hat, um dessen Tiefe abzuschätzen, oder den Zeitunterschied zwischen Blitz und Donner genutzt hat, um die Entfernung eines Gewitters zu bestimmen, nutzt im Grunde dasselbe Prinzip: Schall und Schallechos.

Was ist Schall?

Alle Stoffe bestehen aus mehr oder weniger dicht gepackten Atomen oder Molekülen – in Festkörpern dichter als in Flüssigkeiten oder Gasen. Versetzt man diese Teilchen in Bewegung, geben sie ihren Impuls an benachbarte Teilchen weiter. Dieses Prinzip lässt sich gut am Beispiel von Billardkugeln beobachten: Stoßen sie zusammen, wird der Impuls weitergegeben.

In einem Werkstoff breitet sich auf diese Weise eine Dichteschwankung aus. Die einzelnen Teilchen bewegen sich dabei nur minimal um ihre Ruhelage und schwingen anschließend wieder zurück. Die Energie des Impulses hingegen wandert durch das Medium. Eine Schallwelle – also eine periodische Dichteschwankung im Werkstoff – ist entstanden.

Echo: Wenn Schall auf ein Hindernis trifft

Früher oder später trifft eine Schallwelle auf ein Hindernis wie beispielsweise auf die Oberfläche eines Werkstücks oder auf einen Materialfehler. Dort wird sie reflektiert und als Echo zurückgeworfen – ähnlich wie eine Billardkugel, die von der Bande zurückprallt.

Dieses Echo wird von einem Empfänger registriert. Im menschlichen Körper übernimmt diese Aufgabe das Trommelfell; in der Ultraschallprüfung ist es der Sensor im Prüfkopf.

Kennt man die Schallgeschwindigkeit im Material, lässt sich aus der Laufzeit des Signals die zurückgelegte Strecke bestimmen. Auf diese Weise können etwa Wand- oder Schichtdicken gemessen werden. Weicht das empfangene Signal von dem ab, was ein fehlerfreies Bauteil liefern würde, kann dies auf einen Materialfehler hinweisen.

Warum Ultraschallsignale schwächer werden

Bleiben wir bei unserer Billardkugel: Beim Rollen über den Tisch wird sie langsamer und bleibt schließlich stehen; Ursachen sind Energieverlust an der Bande und Reibung durch das Tischtuch und die Luft.

Ähnlich verhält es sich mit einer Schallwelle im Werkstoff. Bei Reflexionen an Wänden und Hinderniss verliert sie Energie. Zusätzlich wird der Schall im Material gestreut – etwa am Gefüge – und teilweise absorbiert, also vom Material aufgenommen. Außerdem breitet sich der Schall räumlich aus, sodass sich die vorhandene Energie auf immer größere Flächen verteilt. Mit zunehmender Entfernung wird das Signal daher schwächer, bis es schließlich nicht mehr nachweisbar ist.

Alle diese Effekte zusammen bestimmen den sogenannten Schallwiderstand beziehungsweise die akustische Impedanz eines Systems. In der Ultraschallprüfung führt eine hohe Schallschwächung dazu, dass Signale bei langen Schallwegen immer kleiner werden und die Auswertung anspruchsvoller wird.

Die Ultraschall-Prüftechnik

Ultraschall arbeitet mit Frequenzen außerhalb des menschlichen Hörvermögens. Während Menschen Schwingungen etwa zwischen 16 Hz und 16 kHz wahrnehmen können, liegen typische Frequenzen der Ultraschallprüfung im Bereich von 2 bis 4 MHz, also zwei bis vier Millionen Schwingungen pro Sekunde.

Im menschlichen Körper erfolgen das Senden (durch die Stimmbänder) und das Empfangen (durch das Trommelfell) von Schall arbeitsteilig: Die Stimmbänder erzeugen den Schall, während das Trommelfell ihn registriert. Auch in der Ultraschallprüfung gibt es Prüfköpfe mit getrennten Sende- und Empfangselementen – ebenso wie solche, die beide Funktionen übernehmen.

Das zentrale Bauteil ist ein piezoelektrischer Kristall. Legt man an ihn eine elektrische Wechselspannung an, beginnt er hochfrequent zu schwingen und erzeugt Schallwellen. Die Ankopplung an ein sogenanntes Koppelmittel – etwa Wasser, Gel oder Öl – ermöglicht einen nahtlosen Übergang des Schalls aus dem Prüfkopf in das Werkstück

Trifft das Echo wieder auf den Kristall, versetzt es ihn erneut in Schwingung. Dabei entsteht ein elektrisches Signal, das vom Prüfgerät registriert und als Messsignal dargestellt wird. Je stärker das Echo, desto stärker das elektrische Signal.

Der Ultraschall-Prüfkopf

Der Sensor der Ultraschallprüfung ist der Prüfkopf. Der Sensor der Ultraschallprüfung ist der Prüfkopf. Je nach Anwendung kommen unterschiedliche Bauformen, Frequenzen und Größen zum Einsatz.

Der einfachste Fall ist die senkrechte Einschallung mit einem Senkrechtprüfkopf (SPK). In der Praxis lässt die Bauteilgeometrie diese Prüfrichtung jedoch nicht immer zu.

Für kleine Bauteile werden häufig Miniaturprüfköpfe mit etwa 10 mm Schwingerdurchmesser verwendet. Für sehr präzise Messungen wählt man in der Regel hohe Prüffrequenzen, da sie mit kürzeren Wellenlängen und damit höherer Auflösung verbunden sind.

Für sehr dünne Bauteile oder oberflächennahe Prüfungen werden häufig Sender-Empfänger-Prüfköpfe (SE-Prüfköpfe) eingesetzt, bei denen Sende- und Empfangselemente getrennt sind. Für Prüfungen unter schrägem Einschallwinkel – etwa bei Schweißnähten – verwendet man Winkelprüfköpfe (WPK).

Unterschiedliche Wellenarten

Winkelprüfköpfe arbeiten meist mit einer anderen Wellenart als Senkrecht- oder Sender-Empfänger-Prüfköpfe. Letztere verwenden hauptsächlich Longitudinalwellen, Winkelköpfe dagegen hauptsächlich Transversalwellen. Es handelt es sich um unterschiedliche Ausbreitungsarten von Schallwellen in einem Medium.

• Longitudinalwellen breiten sich in Schwingungsrichtung aus, kommen in allen Medien vor und sind (im selben Material) schneller als Transversalwellen.
• Bei Transversalwellen schwingen die Teilchen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Schallwelle, sie treten nur in Feststoffen auf und sind (im selben Material) langsamer als Longitudinalwellen.

Ein anschaulicher Vergleich: Longitudinalwellen ähneln der Bewegung von Menschen beim Schunkeln, Transversalwellen einer La-Ola-Welle im Stadion.

Typische Schallgeschwindigkeiten sind beispielsweise:

• Luft: etwa 330 m/s (Longitudinalwellen)
• Wasser: etwa 1480 m/s (Longitudinalwellen)
• Schmiedestahl: etwa 5920 m/s (Longitudinalwellen)
• Schmiedestahl: etwa 3255 m/s (Transversalwellen)

Wie sehen Ultraschall-Signale am Prüfgerät aus?

Die Signaldarstellung eines Ultraschallprüfgeräts ähnelt der eines Oszilloskops. Aus der Position eines Signals lässt sich die Entfernung zum Reflektor – etwa einer Wand oder einem Materialfehler – bestimmen.

Aus Form und Höhe des Signals kann ein erfahrener Prüfer oft Rückschlüsse auf die Art des Reflektors ziehen und so Flankenbindefehler (fehlende Verschweißung) von einer Pore (Gaseinschluß), einem Lunker (Schwindungsholraum durch Abkühlen von Gußteilen) oder von Dross (Ablagerungen im Guß, die zur Oberfläche aufsteigen) voneinander unterscheiden.

Eine absolut exakte Bestimmung von Form und Größe eines Fehlers ist mit konventionellem Ultraschall zwar nicht möglich. In der Praxis lassen sich jedoch Entfernungen häufig mit einer Genauigkeit von wenigen Zehntelmillimetern bestimmen.

Was wird mit der Ultraschallprüfung bewertet?

Wie bei allen Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) erfolgt auch bei der Ultraschallprüfung eine Bewertung anhand von Referenzen – eine Anzeige wird in Bezug auf bereits bekannte Justiergrößen bewertet. Für Wanddickenmessungen wird das Gerät zunächst an Proben bekannter Dicke kalibriert. Bei der Prüfung von Schweißnähten kommen häufig Vergleichskörper zum Einsatz, deren Geometrie und Referenzfehler dem Prüfobjekt ähneln.

Zur Bewertung von Anzeigen werden häufig zwei Methoden eingesetzt:

1. DAC (Distance Amplitude Correction – Korrektur der Amplitude in Abhängigkeit zur Entfernung): Hier wird eine Referenzkurve aufgenommen, die die Echohöhe eines Referenzfehlers bei verschiedenen Schallwegen darstellt – z.B. für Schallwege von 20mm, 40mm, 60mm, 80mm und 100mm. Anschließend wird der Prüfgegenstand untersucht, und die dort gefundenen Signale werden unter Beachtung der jeweiligen Reflektortiefe (Entfernung) mit den Referenzechos verglichen.
2. AVG (Abstand-Verstärkung-Größe): Bei dieser Methode wird die Referenzkurve rechnerisch aus physikalischen Modellen, die die Veränderung von Signalen in Bezug auf Entfernung und Größe beschreiben, erzeugt. Moderne Geräte übernehmen diese Berechnung weitgehend automatisch.

AVG wird häufig bei Standardprüfköpfen, Stahlwerkstoffen und einfachen Geometrien eingesetzt, während DAC universeller anwendbar ist.

Fazit Ultraschallprüfung

Die Ultraschallprüfung ist ein äußerst vielseitiges Verfahren der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung. Sie ermöglicht unter anderem die Detektion von Rissen, die Messung von Wand- und Schichtdicken sowie die Analyse von Schweißnähten – ohne das Bauteil zu beschädigen.

Ein großer Vorteil liegt in der Flexibilität: Mit einem Ultraschallgerät und verschiedenen Prüfköpfen lassen sich zahlreiche Prüfaufgaben durchführen. Moderne Verfahren wie Phased-Array-Prüfung oder TOFD (Time of Flight Diffraction) erweitern die Möglichkeiten zusätzlich und erhöhen sowohl Genauigkeit als auch Aussagekraft der Prüfung.

W.S. Werkstoff Service – Kompetenz in Werkstofftechnik

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