Neue Prüfverfahren für zerstörungsfreie Schweißnahtprüfung

Bei der industriellen Schweißnahtprüfung gilt die klassische Durchstrahlungsprüfung (RT) seit Jahrzehnten als Referenz – besonders bei der Erkennung volumetrischer Fehler. Gleichzeitig stößt sie bei Themen wie Strahlenschutz und Flexibilität zunehmend an ihre Grenzen.

Eine Machbarkeitsstudie der W.S. Werkstoff Service GmbH zeigt, wie Phased-Array-Ultraschall (PAUT) und weiterführende bildgebende Verfahren diese Lücke schließen können diese Lücke schließen können – selbst unter anspruchsvollen Bedingungen.

Die Aufgabe: Prüfstrategien entwickeln und vergleichen

Der Kunde prüfte seine Schweißnähte bislang mittels Durchstrahlungsprüfung. Die zentrale Frage der Studie lautete: Lässt sich dieses Verfahren durch PAUT ersetzen, ohne Abstriche bei der Detektionssicherheit zu machen?

Die Ausgangssituation war schwierig. Sechs geschweißte Bleche aus drei Werkstoffgruppen standen im Fokus – und jede davon brachte eigene prüftechnische Tücken mit:

• Ferritische Stähle mit einer Wanddicke von lediglich 5 mm: Geringe Schalllaufzeiten, Signalüberlagerungen und eingeschränkte Winkelbereiche machen die Interpretation anspruchsvoll
• Austenitische Stähle mit grobkörnigem, anisotropem Gefüge: Kornstreuung und Richtungsabhängigkeit führen zu Signalverlusten und Artefakten, die eine zuverlässige Fehlerbewertung erschweren.
• Aluminium-Schweißnähte mit hoher Porosität: Eine Vielzahl von Porenanzeigen muss differenziert bewertet werden – eine echte Herausforderung für jedes Prüfsystem.

Jeder dieser Werkstoffe verlangte eine andere Herangehensweise – und genau das macht diese Studie so wertvoll.

PAUT als Basis – aber nicht als Standardlösung

Phased-Array-Ultraschall basiert auf der elektronischen Steuerung von Schallfeldern mittels  spezifischen Prüfköpfen. Durch zeitlich versetztes Ansteuern einzelner Elemente lassen sich Schallkeulen gezielt schwenken, fokussieren und in definierten Winkeln in das Bauteil einbringen. Im Vergleich zur RT entfällt der Strahlenschutzaufwand vollständig und Ergebnisse liegen digital vor.

Allerdings zeigte die Studie schnell: Standard-PAUT-Konfigurationen reicht für die vorliegenden Anforderungen nicht aus. Deshalb entwickelten die Prüfer werkstoff- und geometriespezifische Scanstrategien und kombinierten dabei mehrere Techniken:

• Dual-Probe-Technik: Zwei Prüfköpfe werden simultan beidseitig der Schweißnaht eingesetzt. Diese Anordnung ermöglicht eine verbesserte Fehlerortung durch Triangulation, reduziert Abschattungseffekte und erhöht die Wahrscheinlichkeit, ungünstig orientierte Fehler zu detektieren – besonders wertvoll bei dünnen Blechen.
• Multigruppentechnik: Innerhalb eines Scans werden mehrere Prüfgruppen mit unterschiedlichen Winkeln und Fokussierungen parallel betrieben. Das Ergebnis: höhere Prüfgeschwindigkeit, vollständige Volumenabdeckung und Datenerfassung.
• Fließwasserankopplung und Führungshilfen: Für reproduzierbare, bedienerunabhängige Ergebnisse wurde eine stabile Ankopplung über Fließwasser realisiert. Eigens entwickelte Führungshilfen gewährleisten konstante Prüfbedingungen und präzise Positionierung.

Der entscheidende Schritt: Bildgebende Verfahren

Über klassische Phased-Array-Ultraschallprüfung hinaus kamen zwei Verfahren zum Einsatz:

• Bei der Total Focusing Method (TFM) wird das Prinzip der Full Matrix Capture genutzt: Dabei werden alle möglichen 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 sowie eine präzisere Charakterisierung von Fehlern nach Form, Größe und Lage. Darüber hinaus ist die Methode weniger abhängig von der gewählten Einschallrichtung. Gerade bei dünnen Bauteilen und streuenden Werkstoffen wie Austenit liefert TFM Informationen, die amplitudenbasierte Verfahren nicht erreichen können.
• Plane Wave Compounding Imaging: Bei PCI werden breite, nahezu unbegrenzte Wellenfronten unter verschiedenen Winkeln in das Bauteil gesendet. Die Kombination mehrerer solcher Datensätze – das sogenannte Compounding – führt zu sehr schnellen Scans bei gleichzeitig guter Bildqualität und hoher Flächenabdeckung. PCI ist besonders robust gegenüber streuenden Werkstoffen und eignet sich für Anwendungen, bei denen Geschwindigkeit und Übersicht entscheidend sind.

Fazit: Eine Studie, die nachhaltig wirkt

Die Machbarkeitsstudie ebnet neue Wege in der zerstörungsfreie Prüfung von Schweißnähten. Auch anspruchsvolle Werkstoffe und dünne Bleche können nun zuverlässiger geprüft werden – ein Bereich, der bislang als schwierig galt. Insbesondere die Kombination aus Dual-Probe-Technik, Multigruppen-Scans und modernen Bildgebungsverfahren eröffnet neue Möglichkeiten für die zerstörungsfreie Prüfung komplexer Schweißverbindungen.

Weitere Informationen zur Machbarkeitsstudie, den eingesetzten Prüfstrategien und den Ergebnissen finden Sie im in unserem W.S. Wissensblog: https://www.werkstoff-service.de/blog/machbarkeitsstudie-zerstoerungsfreie-schweissnahtpruefung.