Ultraschallprüfung

Die Ultraschallprüfung ist ein zerstörungsfreies Prüfverfahren, das zum Auffinden von Fehlern und Inhomogenitäten im Material verwendet werden kann. Zum Einsatz kommen dabei akustische Wellen, deren Frequenz oberhalb des für den Menschen hörbaren Bereichs liegt (> 16 kHz) und die als Ultraschallwellen bezeichnet werden. Die Erzeugung dieser Ultraschallwellen kann auf verschiedene Art und Weise erfolgen.

Piezoelektrischer Effekt

Am weitesten verbreitet ist die Erzeugung mittels des piezoelektrischen Effekts. Dabei wird die Eigenschaft mancher Materialien ausgenutzt, dass sie beim Anlegen einer elektrischen Spannung ihre geometrischen Abmessungen verändern.

Wird sogenanntes piezoelektrisches Material periodisch mit Wechselspannung angeregt, so können damit Ultraschallwellen erzeugt werden.

Das sogenannte Piezoelement stellt das Herzstück eines Ultraschallkopfes dar. Für die Ultraschallprüfung muss der im Prüfkopf erzeugte Ultraschall zum Material, das geprüft werden soll, transportiert werden. Da Luft hierfür ungeeignet ist, kommt ein Koppelmedium wie Wasser, Öl oder wie aus der Medizin bekannt, Gel zum Einsatz.

Ein anderes Verfahren zur Erzeugung von Ultraschallwellen ist das EMAT-Verfahren, bei dem Ultraschall auf elektrodynamische Weise direkt im zu prüfenden Material erzeugt wird, weshalb hierbei kein Koppelmedium benötigt wird. Am Ende dieser Seite wird genauer auf das EMAT Verfahren eingegangen.

Impuls-Echo-Verfahren

Besondere Bedeutung bei der Ultraschallprüfung hat das Impuls-Echo-Verfahren. Dabei wird ein kurzer Ultraschallimpuls erzeugt, in das Testmaterial eingekoppelt und dann auf das Echo dieses Impulses gewartet. Der Empfang des Echos kann mit demselben Piezoelement erfolgen, das zur Erzeugung des Ultraschallimpulses verwendet wurde. Es können aber auch sogenannte SE-Prüfköpfe verwendet werden, bei denen zwei Piezoelemente – Empfangs- und Sendeelement - in einem Gehäuse untergebracht sind.

Bei senkrechter Einschallung entstehen Echos der Ultraschallwellen durch Reflexionen an der Rückwand eines Bleches, Rohres oder z.B. einer Schiene. Das sogenannte A-Bild zeigt die vom Empfangselement aufgenommene Amplitude der Ultraschallwelle im zeitlichen Verlauf. Im beschriebenen Fall besteht es aus dem Sendeimpuls sowie einer Folge von abnehmenden Rückwandechos. Diese kommt dadurch zustande, dass der Ultraschallimpuls zwischen der Rückwand und der Oberfläche bspw. des Blechs oder Rohrs wie ein Tischtennisball hin und her läuft und dabei gedämpft wird.

Die Position der Rückwandechos kann dazu verwendet werden, die Wanddicke des Rohres oder die Blechdicke zu bestimmen. Befinden sich im Material Defekte wie z.B. Dopplungen, Einschlüsse oder Ausscheidungen, so kann dies zu einer zusätzlichen Reflexion des Ultraschalls führen. Im A-Bild tritt dann ein weiteres Echo auf, das zur Detektion der Defekte verwendet werden kann.

Funktionsweise EMAT

Das EMAT-Verfahren ermöglicht eine hochgenaue Wanddickenmessung von ferromagnetischen nahtlosen Stahlrohren ohne Koppelmedium in Verbindung mit einer Prüf- und Auswerteelektronik. Dabei werden Ultraschallwellen auf elektromagnetische Weise erzeugt. Eine Genauigkeit von ca. ± 50 µm kann mit diesem Prüfverfahren bei der Wanddickenmessung erreicht werden. Das Prinzip ist im Folgenden schematisch dargestellt.

1. Zunächst werden Wirbelströme mittels einer
Erregerspule erzeugt. Dies geschieht in Gegenwart
eines geeigneten Magnetfelds.
2. Dadurch kommt es zum Auftreten von Lorentz-
Kräften.
3. Periodische Wirbelströme erzeugen periodische
Lorentz-Kräfte.
4. Die periodischen Lorentz-Kräfte erzeugen
akustische Wellen mit gleicher Frequenz
(Ultraschall).
 
5. Die akustischen Wellen werden an der Rück-
wand reflektiert.
6. Die Rückwandechos induzieren ein Signal in
der Empfängerspule. Aus der Laufzeit des
Rückwandechos lässt sich die Wanddicke bestimmen.