Basiswissen zur Ultraschallprüfung

Hintergrund

Nicht sichtbare und meist verdeckte Fehlstellen in nahezu allen Bauteilen lassen sich mit Ultraschall zerstörungsfrei nachweisen. Ganz besonders bei sicherheitsrelevanten Bauteilen nimmt die Ultraschallprüfung eine wichtige Position ein. Darüber hinaus sind auch Messungen möglich; die bekannteste ist die Wanddickenmessung.

Die Hauptanwendungen sind:

  • Ortsbewegliche Prüfung von Schweißverbindungen
  • Fehlerprüfung und Qualitätskontrolle von Gussteilen
  • Automatische Prüfung von Massenprodukten mit einfachen Geometrien wie z. B. Halbzeug (Rundmaterial, Knüppel, Profile, Bleche und Rohre) aus Stahl, Nicht-Eisen-Metallen und Kunststoffen
  • Wanddickenmessungen an Rohrleitungen, Kesseln und Chemieanlangen. Die Wanddickenmessung mit Ultraschall ist überall dort sinnvoll, wo die Messstelle nur von einer Seite zugänglich ist und ein Messschieber nicht eingesetzt werden kann.

Vorteile der Ultraschallprüfung

  • Nachweis von Oberflächen- und Innenfehlern (verdeckt zur Oberfläche)
  • Alle gut schallleitfähigen Materialien sind prüfbar (ggf. bis 10 m)
  • Das Verfahren ist automatisierbar
  • Es müssen keine besonderen Strahlenschutzvorschriften eingehalten werden
  • Sicherer Nachweis flächiger Fehlstellen (Dopplungen, Risse, Flankenbindefehler, …)

Prinzip

Ultraschall sind gemäß Definition die Schallanteile mit einer Frequenz oberhalb der menschlichen Hörschwelle, also oberhalb von 20.000 Hertz (= 20 kHz). Der Hauptfrequenzbereich für die Ultraschallprüfung umfasst 0,5 MHz bis 10 MHz und liegt damit deutlich über der Hörschwelle. In speziellen Anwendungsfällen kann die Prüffrequenz auch Werte über 10 MHz bzw. unter 0,5 MHz annehmen.

Prüfung im Detail

Beim Auftreffen einer Ultraschallwelle auf eine Grenzfläche (zwischen Medium 1 und Medium 2) wird ein Teil reflektiert und ein Teil durchgelassen. Wie groß diese Anteile sind, hängt von den Unterschieden der beiden angrenzenden Medien ab (z. B. bezüglich Schallgeschwindigkeit und Dichte). Beim Übergang von Stahl nach Luft ist der Unterschied so groß, dass annähernd 100% der Ultraschallwelle reflektiert wird.

Fehlstellen in einem Bauteil sind meistens Lufteinschlüsse (Lunker, Poren, Risse, …). Daher wird der Ultraschall daran gut reflektiert und kommt unter günstigen Umständen zum Prüfkopf zurück. Damit der Luftspalt zwischen Prüfkopf und Bauteil nicht stört, wird hier ein meist flüssiges Koppelmedium (Wasser, Öl, Gel, …) eingesetzt. Zur automatisierten Prüfung wird oft das gesamte Bauteil einschließlich Prüfkopf in Wasser eingetaucht.

Die Schallgeschwindigkeit ist eine Materialkonstante und beträgt in Luft 330 m/s (bei 0 °C; 344 m/s bei 20 °C) und in Stahl 5920 m/s. Ist die Schallgeschwindigkeit des zu prüfenden Materials bekannt, kann aus der Laufzeit des Ultraschalls recht präzise auf die Tiefenlage der Fehlstelle geschlossen werden. Wird die Laufzeit bis zur gegenüberliegenden Rückwand ausgewertet, kann das Ultraschallverfahren auch zur Wanddickenmessung genutzt werden. Hierbei ist eine Auflösung bis in den Mikrometerbereich erreichbar. Die Wanddickenmessgeräte können soweit vereinfacht und verkleinert werden, dass nur noch der Wanddickenwert angezeigt wird.

Ungünstiger ist die Bestimmung der Fehlergröße. Zuverlässige Auswertemethoden existieren leider nicht. Daher wird meistens die Amplitude des reflektierten Ultraschallsignal mit den reflektierten Amplituden von Musterfehlern (kreisscheibenförmige Reflektoren, Zylinderreflektoren, …) verglichen. Voraussetzung dabei ist jedoch immer, dass die Fehlstelle (und auch der Musterfehler) vom Schall günstig getroffen wird.

Die Abmessungen der Fehlstellen, die noch nachgewiesen werden können, befinden sich im Bereich der Ultraschallwellenlänge. Unter günstigen Bedingungen kann dieser Bereich bei wenigen Zehntelmillimetern beginnen. In weniger günstigen Fällen sind Fehlstellen erst ab Millimetergröße nachweisbar.

Nicht nur zur Schweißnahtprüfung, aber hauptsächlich dabei, werden Winkelprüfköpfe eingesetzt. Ein Ankoppeln auf der meist unebenen Schweißnahtüberhöhung mit Senkrechtprüfköpfen erlaubt nämlich keine zuverlässige Prüfung. Der sogenannte Einschallwinkel richtet sich hierbei nach den zu detektierenden Fehlstellen (auch hierbei müssen die Fehlstellen aus einer günstigen Richtung angeschallt werden).

Akustische Materialeigenschaften

Angaben zu  den akustischen Materialeigenschaften verschiedener Stoffe, wie Longitudinal- und Transversal-Schallgeschwindigkeit, Dichte und akustische Impedanz finden Sie in den nachfolgenden Tabellen.

Die in den Tabellen gelisteten Werte für Schallgeschwindigkeit, Dichte und akustische Impedanz gelten für Raumtemperatur (20 °C bis 23 °C). Abweichungen infolge von Materialzusammensetzungen, Kristall-Orientierungen, Porositäten und Temperaturen sind möglich.
Quelle: „Ultraschallprüfung“ (Deutsch, Platte, Vogt), Springer Verlag 1997

Metalle Schallgeschwindigkeit
(Longitudinalwelle)
cl [m/s]
Schallgeschwindigkeit
(Transversalwelle)
cl [m/s]
Dichte
[103 kg/m3]
Akustische
Impedanz
[106 kg/m2s]
Aluminium 6200 – 6360 3100 – 3130 2,7 16,7 – 17,2
Beryllium 12720 – 12890 8330 – 8880 1,82 – 1,87 23,2 – 24,1
Blei 2050 – 2400 700 – 710 11,3 – 11,7 23,2 – 28,1
Eisen 5950 3220 – 3240 7,9 47,0
Gold 3240 1200 19,7 63,8
Grauguss 3500 – 5600 2200 – 3200 7,2 25,2 – 40,3
Gusseisen 3500 – 5800 2200 – 3200 6,9 –7,3 24,2 – 42,3
Hartmetall 6800 – 7300 4000 – 4700 11,0 – 15,0 74,8 – 109,5
Kadmium 2665 – 3300 1500 – 1810 8,6 – 8,7 22,9 – 28,5
Konstantan 5240 2640 8,8 46,1
Kupfer 3666 – 4760 2260 – 2320 8,9 32,6 – 42,4
Magnesium 4602 – 5900 3050 – 3280 1,70 – 1,75 7,8 – 10,3
Messing (Ms58) 3830 – 4250 2050 – 2200 8,1 31,0 – 34,4
Molybdän 6250 – 6650 3350 – 3510 10,1 – 10,2 63,1 – 67,8
Nickel 4973 – 6040 2960 – 3219 8,8 – 8,9 43,8 – 53,8
Platin 3960 – 4080 1670 – 1730 21,4 84,7 – 87,3
Silber 3600 – 3790 1590 – 1690 10,4 37,4 – 39,4
Titan 5823 – 6260 2920 – 3215 4,5 26,2 – 28,2
Zink 3890 – 4210 2290 – 2440 7,1 27,6 – 29,9
Zinn 3210 – 3320 1530 – 1670 7,3 23,4 – 24,2
Nichtmetalle Schallgeschwindigkeit
(Longitudinalwelle)
cl [m/s]
Schallgeschwindigkeit
(Transversalwelle)
cl [m/s]
Dichte
[103 kg/m3]
Akustische
Impedanz
[106 kg/m2s]
Aluminiumoxid 9000 – 11000 5500 – 6500 3,6 – 3,95 32,4 – 43,5
Eis
(H2O bei -4 °C)
3232 – 3980 1990 0,9 2,9 – 3,6
Epoxydharz 2400 – 2900 1100 1,1 – 1,25 2,64 – 3,63
Glas (Fensterglas) 5770 3430 2,51 14,5
Glas (Quarzglas) 5570 – 5930 3415 – 3750 2,6 14,5 – 15,4
Graphit, gepresst 1600 – 2500 1200 – 1500 1,7 – 2,3 2,72 – 5,8
Gummi, hart 1570 – 2300 1,2 1,88 – 2,76
Gummi, weich 1480 – 1550 0,90 – 0,95 1,33 – 1,47
PA (Polyamid) 1800 – 2600 1100 – 1200 1,1 – 1,2 1,98 – 3,12
PE (Polyethylen) 1950 – 2000 540 0,9 1,76 – 1,80
PMMA (Plexiglas®) 2670 – 2760 1120 – 1430 1,18 3,2 – 3,3
Porzellan 5600 – 6200 3500 – 3700 2,4 – 2,5 13,4 – 15,5
Polystyrol 2337 – 2350 1020 – 1150 1,05 – 1,06 2,45 – 2,49
PVDF (Polyvinyliden-fluorid) 2200 775 1,78 3,9
PTFE (Teflon®) 1350 550 2,2 2,97
PVC (Polyvinylchlorid) 2180 – 2260 948 1,38 – 1,40 3,0 – 3,2
Quarzkristall 5760 3840 2,65 15,2
Stahl Schallgeschwindigkeit
(Longitudinalwelle)
cl [m/s]
Schallgeschwindigkeit
(Transversalwelle)
cl [m/s]
Dichte
[103 kg/m3]
Akustische
Impedanz
[106 kg/m2s]
Baustahl, unlegiert bis 0,2 % C,
z. B. St 52-3 n. DIN 54120
geglüht
5890 – 5950 3240 – 3270 7,85 46,2 – 46,7
bis 0,5% C geglüht 5940 – 5960 3230 – 3245 7,8 – 7,85 46,3 – 46,8
Baustahl, legiert (0,35% C, 0,6% Mn, 1% Cr, 0,2% Mo)
geglüht
vergütet
gehärtet
5950
5930
5900
3260
3240
3230
7,84
7,84
7,84
46,6
46,5
46,3
Baustahl, legiert (0,3% C, 0,4% Mn, 2% Cr, 2% Ni, 0,2% Mo)
geglüht
vergütet
gehärtet
5930
5870 – 5880
5890
3220
3210
3210
7,85
7,85
7,85
46,6
46,1 – 46,2
46,2
Kugellagerstahl (1% C, 1,5% Cr) 5990 3270 7,8 46,7
Rostfreier Stahl, austenitisch
(X 10 Cr Ni 18 8) geglüht 5530 2983 7,9 43,7
(X 10 Cr Ni Nb 18 9) 5790 3100 7,8 – 7,9 45,2 – 45,7
(X 12 Cr Ni 18 8) 5660 3120 7,8 44,1
Rostfreier Stahl, ferritisch
(0,15% C, 17% Cr) geglüht
6010 3360 7,7 – 7,9 46,3 – 47,5
Schnellstahl
(0,9% C, 4% Cr, 2,5% Mo, 2,5% V, 3% W)
geglüht 6060 3850
gehärtet 5880 3190
Werkzeugstahl (1% C)
geglüht 5940 – 5960 3220 – 3245 7,8 – 7,84 46,3 – 46,7
gehärtet 5854 3150 7,84 45,9
Werkzeugstahl (2% C, 12% Cr, 0,6% W)
geglüht 6140 3310 7,75 – 7,8 47,6 – 47,9
gehärtet 6010 3220 7,75 46,6

Weiterführende Informationen

Weitere, umfangreiche Informationen zur Ultraschallprüfung können Sie unserem Wissensfloater-Video „Ultraschall-Materialprüfung“ entnehmen.

Unsere Kurse

Grundlagen zur Eindringprüfung werden in unseren hausinternen Ausbildungskursen vermittelt.

Unsere Produkte zur Ultraschallprüfung