Einführung in die ZfP-Verfahren zur Überprüfung von Schweißverbindungen

Johann Pöppl, Ralf Holstein, Gerhard Stremmer,
Gunnar Morgenstern, Ivan Keser und Sven Rühe
Band 5
Einführung in die ZfP-Verfahren zur
Überprüfung von Schweißverbindungen
Die ungekürzten Originalmanuskripte aus der Fachzeitschrift „DER PRAKTIKER“

Die Deutsche Nationalbibliothek
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DER PRAKTIKER Wissen kompakt
Band 5 Einführung in die ZfP-Verfahren zur Überprüfung von Schweißverbindungen
ISBN 978-3-945023-61-7
Alle Rechte vorbehalten.
© DVS Media GmbH, Düsseldorf 2016
Druck: Digital Print Group O. Schimek GmbH, Nürnberg

1. Verfahren und ihre Einsatzgebiete:
Zerstörungsfreie Prüfung von Schweißverbindungen
Für die zerstörungsfreie Prüfung von Schweißverbindungen steht die Sichtprüfung
durch den Schweißer an erster Stelle. Für weitergehende Untersuchungen gibt es moderne
Methoden der Oberflächenrissprüfung und der Prüfung des Nahtvolumens. Zerstörungsfreie
Prüfungen treffen aber nur dann zuverlässige Aussagen, wenn das organisatorische
Umfeld stimmt, die passende Prüftechnik ausgewählt wurde, die Einsatzfaktoren
bekannt sind und ein informierter, motivierter und erfahrener Prüfer zum Einsatz kommt.
Der vorliegende Übersichtsbeitrag bildet den Einstieg in eine Beitragsserie zu diesem
Thema.
Das zerstörungsfreie Prüfen von Schweißverbindungen ist so alt wie das Schweißen
selbst. Ein Schweißer prüft in der Regel ständig die Qualität seiner Arbeit, indem er die
Form und Oberflächenbeschaffenheit der Naht betrachtet. Darüber hinaus verraten ihm
die Farbe der Naht und der Wärmeeinflusszone viel darüber, ob der Schweißprozess wie
gewünscht abgelaufen ist. Diese alltäglichen Tätigkeiten sind ohne Zweifel die wichtigsten
Prüfungen von Schweißverbindungen.
Aber in manchen Fällen reichen diese Prüfungen nicht aus, um die Qualität und Dauerhaftigkeit
der Schweißverbindung zu ermitteln. Sei es, dass der Auftraggeber eine weitergehende
Untersuchung und Dokumentation wünscht oder dass Gesetze, Verordnungen
und Regelwerke dies fordern, da ein Versagen der Verbindung weitreichende Folgen für
Mensch und Umwelt haben könnte.
Sichtprüfung an erster Stelle
Die Spezialisten der zerstörungsfreien Prüfung haben eine ganze Palette von Prüfverfahren
zur Verfügung, um weitergehende Aussagen zu treffen. Auch hier steht an erster Stelle
und vor jedem Einsatz anderer Techniken wieder die Sichtprüfung, auch wenn diese in
Systematik, Dokumentation und Einsatz von Hilfsmitteln oft über das hinausgeht, was der
Schweißer üblicherweise betreibt. Das beginnt mit dem Aufstellen einer Prüfanweisung,
die den Prüfbereich eingrenzt, einer genauen Definition der geforderten Gütestufe, einer
Auflistung der möglichen Fehlerarten bis hin zum Festlegen der notwendigen Betrachtungsbedingungen
und einzusetzenden Prüfmittel, wie Lupen, Leuchten und Lehren. Ziel
dieser Prüfanweisung ist es, eine reproduzierbare Prüfung sicherzustellen, die mit einer
ordentlichen Dokumentation endet.
Erst wenn diese Sichtprüfung ohne ernsthaften Befund abgeschlossen ist, kann man über
den Einsatz weiterer Prüfverfahren nachdenken. Die Wahl des Prüfverfahrens hängt jetzt
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vom geforderten Untersuchungsbereich ab: Soll das Innere der Naht untersucht werden,
kommen in der Regel die Verfahren Ultraschallprüfung und Durchstrahlungsprüfung zum
Einsatz. Sollen die Oberfläche und oberflächennahe Bereiche der Naht und des umgebenden
Werkstoffs untersucht werden, so kommt die Farbeindringprüfung, die Magnetpulverprüfung
oder die Wirbelstromprüfung in Betracht.
Jedes Prüfverfahren hat dabei Vor- und Nachteile bezogen auf den zu detektierenden
Fehler und den zu betreibenden Prüfaufwand. Die im Folgenden dargestellten Überlegungen
zu den Vor- und Nachteilen der Verfahren erheben keinesfalls den Anspruch der
Vollständigkeit oder Ausschließlichkeit, sondern sollen eher einen groben Überblick ermöglichen.
An Fehlerart und -ausrichtung orientieren
Grundbedingung für den Einsatz der Durchstrahlungsprüfung ist der gute Zugang zum
Prüfobjekt, sodass an der einen Seite ein Film oder Detektor angebracht werden kann, an
der gegenüberliegenden Seite die Strahlenquelle Aufstellung findet. Zudem müssen sich
während der Prüfung alle anwesenden Personen aus dem Gefahrenbereich der Strahlungsquelle
entfernen, was zu Unterbrechungen im üblichen Betriebsablauf führen kann.
Eine Vielzahl üblicher Fertigungsfehler an Schweißnähten, von Poren über Einschlüsse
bis hin zu Rissen, lässt sich gut detektieren, sofern diese Fehler gut im Strahlengang
zwischen Strahlungsquelle und Detektor liegen (Bild 1.1).
Bild 1.1 Röntgenaufnahme einer
Schweißnaht mit Unregelmäßigkeiten
(Porennest)
Eine sehr gute Alternative stellt die Ultraschallprüfung dar. Hier entfällt die Einschränkung
des Strahlenschutzes und oft die der beidseitigen Zugänglichkeit. Im Vergleich zur
Durchstrahlungsprüfung ist in der Regel mit etwas längeren Prüfzeiten zu rechnen, wobei
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moderne Prüftechniken wie Phased Array oder TOFD zu einer deutlichen Beschleunigung
führen können. Die Prüftechnik muss sich an der zu erwartenden Fehlerart und Fehlerausrichtung
orientieren, um gute Prüfaussagen zu erhalten.
Für die Untersuchung gut zugänglicher Nahtoberflächen auf verborgene Risse eignet sich
die Farbeindringprüfung. Während hier die Kosten der Prüfmittel überschaubar sind, ist
der Aufwand für die Reinigung der Nahtoberfläche vor und nach der Prüfung erheblich.
Es werden Oberflächen benötigt, die frei von Farben, Fetten und Ölen sind, zudem muss
ein bestimmter Temperaturbereich eingehalten werden. Zum Einsatz fluoreszierender
Prüfsysteme muss der Prüfbereich abgedunkelt werden. Die Farbeindringprüfung kann
bei überschaubaren Kosten und mit hoher Prüfempfindlichkeit Risse detektieren, die zur
Oberfläche hin offen sind.
Bei ferromagnetischen Bauteilen kommt für die Oberflächenrissprüfung zusätzlich die
Magnetpulverprüfung in Betracht. Es können Fehler an der Oberfläche und knapp darunter
nachgewiesen werden, die ein von außen eingebrachtes Magnetfeld stören. Voraussetzung
ist auch hier eine gute Zugänglichkeit. Für die Magnetisierung stehen mobile
Handjoche und Generatoren zur Verfügung. Bei fluoreszierenden Prüfsystemen muss
eine Abdunkelung erfolgen. Die Durchführung der Magnetpulverprüfung ist in der Regel
deutlich weniger zeitaufwändig als die Eindringprüfung.
Mit der Wirbelstromprüfung steht ein weiteres modernes Verfahren zur Verfügung, um
die Oberfläche von Schweißnähten zu untersuchen, wobei die Veränderungen kleinster
elektrischer Felder genutzt werden. Gegenüber der Farbeindringprüfung oder der Magnetpulverprüfung
werden hier keinerlei chemische Hilfsstoffe verwendet, der mögliche
Temperaturbereich bei der Prüfung ist deutlich erweitert und das Verfahren eignet sich gut
bei beschränkten Zugänglichkeiten und mechanisierter Prüfung. Allerdings ist der gerätetechnische
Aufwand hoch.
Von welchen Einflüssen hängt die Zuverlässigkeit ab?
Leider ist keines der aufgeführten Prüfverfahren geeignet, alle möglichen Schweißnahtfehler
vollständig zu entdecken. Manche Fehler reflektieren die Ultraschallwellen fast
nicht, andere erzeugen keine sichtbaren Schwärzungen im Durchstrahlungsbild und
wieder andere nehmen keine Farbeindringmittel auf. Glücklicherweise ergänzen sich die
Prüfverfahren in dieser Beziehung sehr gut, sodass die Kombination von Verfahren eine
sehr umfassende Prüfaussage ermöglicht. Natürlich erhöhen solche Kombinationen den
Aufwand für die Prüfungen erheblich und kommen nur bei Bauteilen mit besonderer Bedeutung
zum Einsatz.
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Abschließend stellt sich die Frage, wie zuverlässig die Prüfaussagen in der zerstörungsfreien
Prüfung generell sind? Von welchen Einflüssen hängt die Zuverlässigkeit ab
(Bild 1.2)? Im Fokus dieser Überlegungen stand lange Jahre die Prüftechnik, also das
Prüfgerät selbst. Hier gelten physikalische Gesetze, die die Prüfempfindlichkeit und Zuverlässigkeit
der Geräte begrenzen. Die Institute und Gerätehersteller arbeiten ständig an
der Optimierung der Technik.
Bild 1.2. Einflüsse auf die Zuverlässigkeit der Prüfaussagen in der
zerstörungsfreien Prüfung (Bilder: DGZfP)
Es beeinflussen aber auch Einsatzfaktoren die Prüfaussagen, so die Umgebungstemperatur,
eventuelle Abnutzungen und Veränderungen der Sensoren sowie die Orientierung
der Fehler zum Sensor. Ein weiterer wichtiger Faktor ist der Prüfer. Seine Ausbildung,
Erfahrung und Motivation sind von großer Bedeutung, aber auch die Arbeitsbedingungen,
Anleitung und Einweisung.
Relativ neu in der Betrachtung ist das organisatorische Umfeld einer zerstörungsfreien
Prüfung. Welcher gesetzliche, normative und vertragliche Rahmen ist definiert? Welche
Informationen wurden vom Auftraggeber übermittelt? Wie sieht die Prüfanweisung aus?
Wie wird die Prüfung vergütet? Das alles beeinflusst die Qualität und Durchführung der
Prüfung ganz erheblich. Zu diesen und allen anderen Fragestellungen zum Thema zerstörungsfreie
Prüfung steht die Deutsche Gesellschaft für Zerstörungsfreie Prüfung (DGZfP)
mit weiterführenden Informationen zur Verfügung.
Dr. Ralf Holstein, Geschäftsführer Ausbildung,
DGZfP Ausbildung und Training GmbH, Berlin, ho@dgzfp.de
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2. Grundlagen, Praxis, Stand der Technik:
Durchstrahlungsprüfung an Schweißverbindungen
Die Durchstrahlungsprüfung zählt zu den Volumenverfahren. Mit diesem Verfahren
lässt sich das gesamte Volumen einer Schweißnaht inklusive der Unregelmäßigkeiten auf
einem Röntgenfilm sichtbar machen. Der Beitrag beschreibt die technischen Grundlagen,
den Arbeitsablauf, die Bewertungsgrundlagen und den Stand der Technik.
Die Durchstrahlungsprüfung (Kürzel RT gemäß DIN EN ISO 9712) zählt wie die Ultraschallprüfung
zu den Volumenverfahren. Mit ihrer Hilfe lässt sich das Innere einer
Schweißnaht abbilden, und somit lassen sich
auch Unregelmäßigkeiten im Schweißgut oder
im Grundwerkstoff nachweisen. Abhängig von
den Anforderungen an das Bauteil und den Vorgaben
der Prüfanweisung wird ein „Prüfumfang“
festgelegt. Beträgt er 100%, bedeutet es, dass
alle Nähte (100%) zu prüfen sind. Oft werden jedoch
nur prozentual Stichproben geprüft. Werden
dabei Fehler gefunden, wird der Prüfumfang entsprechend
erweitert.
Bild 2.1. Durchstrahlungsprüfung in der Vorfertigung
Die Vorgehensweise für das Anfertigen einer
Durchstrahlungsaufnahme ist in der Norm DIN
EN ISO 17636-1 beschrieben. Personen, die
derartige Aufnahmen erstellen, sollten eine Mindestqualifikation
als Prüfer der Stufe 1 nach DIN
EN ISO 9712 nachweisen. Bei der normgerechten
Durchstrahlungsprüfung wird zwischen zwei
Prüfklassen mit unterschiedlichem Prüfaufwand
unterschieden. Die Prüfklasse A gilt für einfache
und die Prüfklasse B für höhere Anforderungen.
Bei besonders rissempfindlichen Werkstoffen
kann nach Vereinbarung eine höhere Qualität vereinbart werden. Die erforderliche
Prüfklasse ist zwischen den Vertragspartnern vor Beginn der Prüfungen zu vereinbaren.
Erfolgt die Bewertung der Prüfergebnisse nach der Norm EN ISO 5817, so ist die
Bewertungsgruppe B, C oder D festzulegen. Höhere Anforderungen an die Qualität der
Schweißverbindungen als nach der Bewertungsgruppe B fordern dann auch eine höhere
Anforderung an die Prüfklasse.
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Verschiedene Aufnahmeanordnungen
In der Prüfanweisung wird zu Beginn eine sogenannte Aufnahmeanordnung festgelegt
(Lage des Prüfobjekts im Strahlengang zwischen Strahlenquelle und Film), die eine gute
Nachweisbarkeit der zu erwartenden Unregelmäßigkeiten ermöglicht. Die Aufnahmeanordnung
ist natürlich auch abhängig von der Zugänglichkeit des Prüfobjekts. Als Hilfestellung
kann die DIN EN ISO 17636-1 dienen. In der Norm sind die verschiedenen Aufnahmeanordnungen
übersichtlich in Skizzen dargestellt und nummeriert.
Da bei den Durchstrahlungsaufnahmen auf Grund der Geometrie der Prüfobjekte eine
gewisse Verzerrung an den Rändern entstehen kann, wird nach festgelegten Bedingungen
eine entsprechende Anzahl von Teilaufnahmen erstellt. Eine Ausnahme ist dabei die
sogenannte Zentralaufnahme bei Rohren oder Behältern, bei der die Strahlenquelle zentral
im Innenraum angebracht ist und die Filme an der Außenseite des Prüfobjekts anliegen.
Hier gibt es keinerlei Verzerrungen, die Schwärzung ist im gesamten Prüfbereich
gleich, und es ist nur eine Aufnahme erforderlich.
Wo immer es möglich ist, sollten die Durchstrahlungsprüfungen bereits in der Vorfertigung
durchgeführt werden. Dabei gibt es mehrere Vorteile. Zum einen ist die Zugänglichkeit
kein Problem, zum anderen wären im Falle von unzulässigen Befunden auch Reparaturen
problemlos möglich. In Bild 2.1 wird wegen der großen Wanddicke des Bauteils
die Durchstrahlungsprüfung mit dem energiereichen Radionuklid Ir 192 durchgeführt. Die
Bauteilgeometrie lässt eine Zentralaufnahme zu, was geometrische Verzerrungen vermeidet.
Ein Film für die Durchstrahlungsprüfung besteht aus mehreren Lagen. Auf einer Trägerfolie
sind auf beiden Seiten Haftschichten und je eine Schicht Silberbromidkörner aufgebracht.
Abhängig von der sogenannten Filmklasse sind diese Körner unterschiedlich
groß. Die Einteilung erfolgt in grob- und feinkörnige Filme. Das beidseitige Beschichten
der Filme dient einer Verkürzung der Belichtungszeit, da Strahlung – im Gegensatz zum
Licht bei der Fotografie – den Film durchdringt und somit mit den Schichten auf beiden
Seiten in Reaktion tritt.
Eine normgerechte Filmentwicklung ist unerlässlich. Die Klassifizierung von Filmsystemen
ist in Teil 1 der DIN EN ISO 11699, und die Kontrollen zur Filmverarbeitung sind in
Teil 2 dieser Norm beschrieben.
Für eine optimale Schärfe einer Aufnahme müssen Mindestabstände eingehalten werden,
die man mit einem Leiterdiagramm der DIN EN ISO 17636-1 ermittelt. Auffällig ist
hier, dass die Mindestabstände in der Prüfklasse B (hohe Prüfanforderung) doppelt so
groß sind wie in der Prüfklasse A.
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Für eine ausreichende Darstellung benötigt ein Film eine Mindestschwärzung, die durch
eine berechnete Dosis Strahlung erzeugt wird. Diese Dosis wird aus der Strahlenintensität
der Röntgenröhre oder des Gammastrahlers ermittelt. Danach lässt sich mithilfe von Belichtungsdiagrammen
oder Belichtungsschiebern die Belichtungszeit ermitteln.
Nach der Entwicklung der Filme folgt die Überprüfung der normgerechten Erstellung der
Aufnahmen. Dafür werden schon beim Anfertigen der Aufnahmen Bildgüteprüfkörper mit
dünnen Drahtstegen oder Bohrungen auf das Prüfobjekt gelegt. Die Auswahl des entsprechenden
Bildgüteprüfkörpers wird in den Teilen 1 bis 5 der DIN EN ISO 19232 beschrieben
und richtet sich nach der Prüfklasse und der Aufnahmeanordnung. Je dünner
der bei der Filmauswertung erkannte Draht des Bildgüteprüfkörpers ist, desto höher ist
die Bildqualität.
Bild 2.2. Filme, Speicherfolien und elektronische Matrixdetektoren in der Durchstrahlungsprüfung
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Anschließend wird überprüft, ob der geplante Prüfbereich abgebildet wurde. Welche Mindestschwärzung
soll nach Norm erreicht werden, und welche liegt tatsächlich vor? In
Abhängigkeit von der Prüfklasse beträgt die Mindestschwärzung bei der Klasse A 2,0 und
bei B 2,3, sollte aber 4,0 nicht überschreiten. Dies bedeutet, dass ein Prüfer eine exakte
Belichtungszeit wählen muss, wofür er eine umfangreiche Ausbildung und Praxiserfahrung
benötigt.
Vorteile durch filmlose Radiografie
Seit einigen Jahren werden in der Durchstrahlungsprüfung sowohl Filme als auch Speicherfolien
und elektronische Matrixdetektoren eingesetzt (Bild 2.2). Die filmlose Radiografie
hat den Vorteil, dass sehr viel geringere Belichtungszeiten notwendig sind, die
Ergebnisse direkt digital verarbeitet werden können und eine größere Dynamik beim abgebildeten
Objektumfang sichtbar ist. Nachteile liegen in den hohen Kosten dieser Systeme
und in der mangelnden Flexibilität der Folien bei schwierigen Bauteilgeometrien. In
der medizinischen Diagnostik werden fast nur noch filmlose Systeme eingesetzt, und es
ist zu vermuten, dass sich dieser Trend auch in der zerstörungsfreien Prüfung fortsetzt.
Zum Abschluss der Durchstrahlungsprüfung steht noch die Suche nach Unregelmäßigkeiten
und Befunden in den Aufnahmen aus (Bild 2.3). Als Basis können hier die DIN EN
ISO 17635, die EN ISO 6520-1 und die EN ISO 5817 dienen. So liegen beispielsweise
nach dem Festlegen der Bewertungsgruppe von Unregelmäßigkeiten an Schweißverbindungen
durch die EN ISO 5817 die zulässigen Fehlerarten und deren Größe fest. Diese
Norm kennt drei Qualitätsklassen: B, C und D, wobei B die höchsten Anforderungen abbildet.
Nach EN ISO 5817 ist zuerst die Fehlerart zu ermitteln und danach die Größe und
Häufigkeit. Abschließend trifft der verantwortliche Prüfer die Entscheidung, ob die Anforderungen
an ein fehlerfreies Prüfobjekt erfüllt oder nicht erfüllt sind.
Bild 2.3. Teilaufnahme einer Durchstrahlungsprüfung an einer Rundschweißnaht mit Unregelmäßigkeiten in der
Wurzel (Bilder: DGZfP)
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Bewertungen von Durchstrahlungsprüfungen dürfen ausschließlich Personen vornehmen,
die eine Qualifikation der Stufe 2 oder Stufe 3 nach DIN EN ISO 9712 besitzen
oder als Filmauswerter qualifiziert sind. Schon während der Ausbildung legt die DGZfP
Ausbildung und Training GmbH großen Wert auf Praxisnähe, um das Prüfpersonal auf
seine verantwortungsvollen Aufgaben vorzubereiten. Nähere Informationen sind unter folgendem
Link zu finden: www.dgzfp.de/Kurse-und-Prüfungen.
Nicht vom Stromnetz abhängig und leicht zu transportieren
Wilhelm Conrad Röntgen hatte die Röntgenstrahlung am 8. November 1895 entdeckt, und
sie trägt ihren Namen im deutschsprachigen sowie fast im gesamten mittel- und osteuropäischen
Raum zu seinen Ehren. Die Möglichkeit, Unsichtbares sichtbar zu machen, war
ein revolutionärer Fortschritt, nicht nur für die Medizin, sondern auch für die zerstörungsfreie
Werkstoffprüfung.
Umgangssprachlich wird das Verfahren oft „Röntgen“ oder „Röntgenprüfung“ genannt,
obwohl strenggenommen auch andere Strahlenquellen zum Einsatz kommen, zum Beispiel
elektromagnetische Wellen mit Energien zwischen 5 keV und mehreren 100 keV. In
der Werkstoffprüfung kommen unter anderem Radionuklide zum Einsatz. Das sind natürliche
Strahlenquellen, die elektromagnetische Wellen mit sehr hohen Energien aussenden.
Zu den bekanntesten gehören die Nuklide Selen 75 mit einer Energie von 300 bis 350
keV, Iridium 192 mit 500 bis 600 keV sowie Cobalt 60 mit einer Energie bis 2 MeV. Diese
Quellen werden häufig auf Baustellen, im Anlagen- oder im Pipelinebau eingesetzt. Sie
sind nicht vom Stromnetz abhängig und leicht zum Einsatzort zu transportieren.
Der Einsatz von Röntgen- oder Gammastrahlen fordert ein hohes Maß an Verantwortung
und entsprechende Strahlenschutzvorkehrungen. Die oft aufwendigen Schutzmaßnahmen
sind auch ein Grund, warum Durchstrahlungsprüfungen meistens nachts, wenn keine
anderen Personen auf der Baustelle sind, oder in eigens dafür ausgelegten Räumen
durchgeführt werden. Für Mensch und Tier ist die ionisierende Strahlung sehr gefährlich
und kann die Gesundheit erheblich schädigen. Personen, die dieses Verfahren einsetzen,
müssen eine Ausbildung im Strahlenschutz nachweisen.
Johann Pöppl, Marketing, Vertrieb, Regionalleiter,
DGZfP Ausbildung und Training GmbH, München, po@dgzfp.de
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3. Impuls und Echo:
Ultraschallprüfung an Schweißverbindungen
Die Ultraschallprüfung ist eines der wichtigsten Verfahren im Bereich der zerstörungsfreien
Werkstoffprüfung. Bei der Prüfung dringen Ultraschallwellen durch das gesamte
Volumen der Schweißnaht. Durch Messen der Laufzeit der Schallwellen lässt sich anhand
von Echos, die durch Reflektion an Grenzflächen entstehen, auf Fehler im Prüfgegenstand
schließen. Der Beitrag beschreibt das Prinzip, die unterschiedlichen Techniken und
Einsatzmöglichkeiten sowie die entsprechende Normung.
In der hochtechnisierten modernen Gesellschaft ist es von besonderer Bedeutung,
Werkstofffehler in hoch beanspruchten und sicherheitsrelevanten Bauteilen zuverlässig
nachzuweisen. Mithilfe der zerstörungsfreien Prüfung soll sichergestellt werden, dass ein
Einbau bzw. eine Verwendung von fehlerbehafteten Bauteilen vermieden wird. Zusätzlich
dienen Revisionsprüfungen bei bereits in Betrieb befindlichen Anlagen dazu, betriebsbedingte
Fehler frühzeitig zu erkennen. Dies trägt in hohem Maße zum Vermeiden von
Störfällen und Unfällen in allen Bereichen des täglichen Lebens bei.
Eines der wichtigsten Prüfverfahren im Bereich der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung ist
die Ultraschallprüfung. Mit ihrer Hilfe können sowohl innen liegende als auch zur Oberfläche
eines Prüfgegenstands geöffnete Fehlstellen nachgewiesen werden. Die Ultraschallprüfung
findet Anwendung beim Prüfen von Komponenten im Bereich von Schienenfahrzeugen,
der Luft- und Raumfahrt, der Schifffahrtsindustrie, der Automobilindustrie, aber
auch im Anlagenbau, in der chemischen Industrie, in der Kraftwerkstechnik, im Rohrleitungsbau
und in vielen anderen Bereichen. Prüfbar mit der Ultraschallprüfung sind metallische
Werkstoffe, Kunststoffe, Verbundwerkstoffe, aber auch Beton.
Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie
Das Prinzip der Ultraschallprüfung beruht auf der Umwandlung von elektrischer Energie in
mechanische Energie und umgekehrt. Ein piezoelektrischer Schwinger in einem Prüfkopf
wird über einen elektrischen Impuls zu Schwingungen angeregt. Der Prüfkopf wird durch
ein geeignetes Koppelmittel an den Prüfgegenstand angekoppelt, und die Schwingungen
übertragen sich in Form von Ultraschallwellen auf den Prüfgegenstand. Die Geschwindigkeit
der Schallwellen im Prüfgegenstand ist konstant. Die Laufzeit der Schallwelle im
Prüfgegenstand ist dem zurückgelegten Schallweg proportional. Im einfachsten Fall kann
also über eine Messung der Laufzeit der Schallwelle im Prüfgegenstand die vorhandene
Wanddicke bestimmt werden. Zur Anwendung kommt dabei die Impuls-Echo-Technik, bei
der der Prüfkopf als Sender und als Empfänger arbeitet.
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Bild 3.1. Beispiel für eine Wanddickenmessung
Bild 3.2. Beispiel für den Nachweis einer Fehlstelle im Prüfgegenstand
In Bild 3.1 ist das Prinzip der
Impuls-Echo-Technik dargestellt.
Die Schallwelle durchläuft
den Prüfgegenstand,
wird an der Rückwand reflektiert
und gelangt zurück zum
Prüfkopf. Das vom Prüfkopf
empfangene Signal wird auf
dem Monitor des Ultraschallgeräts
als Rückwandecho
dargestellt. Über das Messen
der Laufzeit lässt sich die
Dicke des Prüfgegenstands
ermitteln. Der entsprechende
Wert für die Wanddicke wird
direkt als Messwert vom Gerät
angezeigt.
Befindet sich eine Fehlstelle
im Prüfgegenstand, so kann
die Schallwelle an dieser
reflektiert werden und zum
Prüfkopf zurückgelangen. Da
in diesem Fall der Schallweg
zu diesem Reflektor kleiner
ist als der Schallweg zur
Rückwand, ist die Laufzeit
des Signals geringer. Über
die Laufzeitmessung kann
somit die Tiefenlage des Reflektors
bestimmt werden.
In Bild 3.2 ist der Nachweis
einer im Inneren des
Prüfgegenstands liegenden
Fehlstelle dargestellt. In den
genannten Beispielen wurde
jeweils ein Senkrechtprüfkopf
eingesetzt. Senkrechtprüfköpfe
finden vielfältige
Anwendungen zum Fehlernachweis
bei verschiedenartigen
Guss- und Schmiedeteilen.
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Bei der Prüfung von Schweißverbindungen werden in der Regel Winkelprüfköpfe eingesetzt.
In Bild 3.3 ist der Nachweis eines Flankenbindefehlers in einer Schweißnaht mithilfe
eines Winkelprüfkopfs dargestellt. Um den Fehler sicher nachweisen zu können, muss
die Schallwelle möglichst senkrecht auf den Fehler treffen. Bei einem Flankenwinkel der
Schweißnaht von 30° ist in diesem Fall die Prüfung mit einem 60°-Winkelprüfkopf durchzuführen.
Die Schallwelle wird am Fehler reflektiert, gelangt so zurück zum Prüfkopf und
wird auf dem Monitor des Prüfgeräts dargestellt. Über die Messung der Laufzeit kann wiederum
die Lage des Reflektors im Bauteil bestimmt und als Messwert angezeigt werden.
Bild 3.3. Beispiel für den Nachweis eines Flankenbindefehlers
Korrekte Interpretation von Normen und Regelwerken
Die Einstellung der Prüfempfindlichkeit sowie die Auswahl der einzusetzenden Prüfköpfe
und Einschallwinkel erfolgt auf der Grundlage der Vorgaben in den Normen für die Ultraschallprüfung
von Schweißverbindungen. Die korrekte Interpretation von Normen und
Regelwerken ist für den ZfP-Prüfer von besonderer Bedeutung. Anhand der Vorgaben in
den Normen können abhängig von der Prüfaufgabe und den Anforderungen an den Prüfgegenstand
die Prüftechnik, die Prüfempfindlichkeit und damit auch die Registrier- und
Zulässigkeitsgrenzen festgelegt werden. Alle für die Durchführung und das Ergebnis der
Prüfung relevanten Angaben werden in einem entsprechenden Prüfbericht dokumentiert.
Nur so ist eine eindeutige und reproduzierbare Prüfung sichergestellt.
Um eine normgerechte Schweißnahtprüfung durchführen zu können, muss zunächst eine
Bewertungsgruppe gemäß DIN EN ISO 5817 festgelegt werden. Abhängig von den Anforderungen,
die an einen Prüfgegenstand gestellt werden, unterscheidet man die Bewertungsgruppen
B für hohe, C für mittlere und D für geringe Anforderungen.
Als übergeordnetes Regelwerk für die Durchführung der Schweißnahtprüfung kommt die
DIN EN ISO 17635 zur Anwendung. In dieser Norm werden allgemeine Regeln für die
Durchführung der Schweißnahtprüfung vorgegeben. Mithilfe der DIN EN ISO 17635 lässt
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