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

Metalle	Schallgeschwindigkeit (Longitudinalwelle) c_l [m/s]	Schallgeschwindigkeit (Transversalwelle) c_l [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

Nichtmetalle	Schallgeschwindigkeit (Longitudinalwelle) c_l [m/s]	Schallgeschwindigkeit (Transversalwelle) c_l [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

Stahl	Schallgeschwindigkeit (Longitudinalwelle) c_l [m/s]	Schallgeschwindigkeit (Transversalwelle) c_l [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 bis 0,5% C geglüht	5890 – 5950 5940 – 5960	3240 – 3270 3230 – 3245	7,85 7,8 – 7,85	46,2 – 46,7 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 (X 10 Cr Ni Nb 18 9) (X 12 Cr Ni 18 8)	5530 5790 5660	2983 3100 3120	7,9 7,8 – 7,9 7,8	43,7 45,2 – 45,7 46,3 – 47,5
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 gehärtet	6060 5880	3850 3190	–	–
Werkzeugstahl (1 % C)
geglüht gehärtet	5940 – 5960 5854	3220 – 3245 3150	7,8 – 7,84 7,84	46,3 – 46,7 45,9
Werkzeugstahl (2 % C, 12 % Cr, 0,6 % W)
geglüht gehärtet	6140 6010	3310 3220	7,75 – 7,8 7,75	47,6 – 47,9 46,6

Weiterführende Informationen

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

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