Phased-Array-Ultraschallprüfung (PAUT) ist ein fortschrittliches Verfahren der Zerstörungsfreien Prüfung (ZfP). Sie ermöglicht es, Materialien mithilfe einer Gruppe kleiner Ultraschallelemente auf Fehler zu prüfen, ohne das Bauteil zu beschädigen. Sie müssen den Prüfkopf nicht wie bei konventionellen Prüfungen mit Einzelprüfkopf bewegen.
Der Prüfkopf bleibt an Ort und Stelle, während Sie den Schallstrahl elektronisch steuern, so wird eine präzise elektronische Strahlfokussierung ermöglicht.
Wenn Sie schon einmal komplexe Geometrien oder große Flächen schnell prüfen mussten, liefert PAUT Scans, die schneller sind und wesentlich mehr Details zeigen als traditionelle Verfahren.
In diesem Artikel erkläre ich, wie eine Phased-Array-Ultraschallprüfung funktioniert.
Wir behandeln die grundlegenden Prinzipien, wie die Fokussierungsgesetze und Verzögerungsgesetze, die den Strahl steuern, sowie Techniken wie die sektorielle Abtastung mit Strahlsteuerung.
Sie lernen außerdem die wichtigsten Hardwarekomponenten kennen und deren häufigste Anwendungen.
Wenn Sie zunächst die Grundlagen auffrischen möchten, lesen Sie unseren Leitfaden „Was ist Ultraschallprüfung und wie funktioniert sie?“
Er bietet eine gute Grundlage, um das Funktionsprinzip der Ultraschallprüfung allgemein zu verstehen.
Inhaltsverzeichnis
Was ist die Phased-Array-Ultraschallprüfung?
Phased Array Ultrasonic Testing (PAUT) ist ein Prüfverfahren, das auf einem Prüfkopf mit vielen kleinen Ultraschallelementen basiert.
Bei älteren Verfahren mussten Sie einen einzelnen Prüfkopf physisch über die Oberfläche führen.
PAUT ist anders.
Damit steuern Sie den Ultraschallstrahl elektronisch und erhalten präzise Kontrolle, ohne den Prüfkopf selbst zu bewegen.
Der Name verrät bereits, wie es funktioniert.
Das „Array“ ist die Anordnung der Elemente, und „phased“ bezieht sich auf das spezifische, computergesteuerte Timing, mit dem jedes Element gepulst wird.
Wenn Sie das Timing anpassen, können Sie den Strahl so formen und ausrichten, dass er genau dort wirkt, wo Sie ihn brauchen. Dieser Prozess nutzt die Grundlagen der Wellenphysik, wobei sich Schallwellen überlagern, um Energie zu fokussieren.
Historische Entwicklung
Diese Technologie entstand ursprünglich im medizinischen Bereich, wo sie bereits im 20. Jahrhundert für die Ultraschallbildgebung eingesetzt wurde.
Bis die industrielle Zerstörungsfreie Prüfung sie übernahm, dauerte es, da die frühen Systeme für die meisten Teams zu komplex und zu teuer waren.
Als Computer leistungsfähiger wurden und die Herstellungskosten sanken, entwickelte sich PAUT zu einem praxistauglichen Werkzeug für Prüfungen.
Heute wird es in vielen anspruchsvollen Bereichen wie dem Bauwesen, bei Pipelines und in der Energieerzeugung eingesetzt, um die Materialqualität zu verifizieren.
Noch längst nicht überall, denn im Vergleich zu Alternativen ist es weiterhin ein sehr teures Prüfmittel.
Hauptkomponenten
Im Zentrum jedes PAUT-Systems steht der Prüfkopf.
Dieses Bauteil enthält alle piezoelektrischen Kristallelemente, die elektrische Signale in Ultraschallwellen umwandeln.
Die Elemente sind voneinander entkoppelt, um gegenseitige Beeinflussungen innerhalb des Prüfkopfs zu vermeiden.
Prüfköpfe sind in mehreren Konfigurationen erhältlich: lineare, Matrix oder kreisförmige Arrays.
Für die meisten industriellen Anwendungen, wie etwa die Phased Array Schweißnahtprüfung, verwendet man meist ein lineares Array mit 16 bis 32 Elementen.
Dieser Prüfkopf wird mit speziellen Kabeln an die Haupteinheit angeschlossen. Es gibt jedoch auch drahtlose Optionen.
Wie die elektronische Strahlfokussierung funktioniert
Beim Phased-Array-Verfahren lenken und formen Sie den Ultraschallstrahl, ohne den Prüfkopf überhaupt zu bewegen.
Das ist der große Unterschied von PAUT zu herkömmlichen Methoden, es ermöglicht schnellere und gründlichere Prüfungen.
Dafür benötigen Sie exaktes Timing und grundlegende Wellenphysik, um die Schallwellen genau dorthin zu schicken, wo Sie sie haben wollen.
Fokussierungsgesetze und Verzögerungsmechanismen
Die Strahlfokussierung steuern Sie mit Fokussierungsgesetzen.
Das sind einfache Anweisungen, die jedem Array-Element sagen, wann es seinen Impuls abgibt.
Ziemlich einfach, oder?
Durch kleine Zeitverzögerungen bei den Impulsen der einzelnen Elemente addieren sich die Wellen konstruktiv und erzeugen einen fokussierten Strahl, der genau dorthin zeigt, wo Sie ihn benötigen.
Diese Verzögerungsgesetze erfordern höchste Präzision, denn die Zeitsteuerungen arbeiten im Bereich von etwa zwei Nanosekunden.
Diese Genauigkeit ermöglicht es, sowohl den Strahlwinkel als auch die Fokustiefe an die Geometrie Ihres Bauteils anzupassen.
Mit geeigneten Verzögerungen können Sie die Prüfung an die Form Ihres Bauteils anpassen, um bessere Ergebnisse zu erzielen.
Wellenfront-Erzeugung
Wenn jedes einzelne Element im Array aktiviert wird und einen Ultraschallimpuls aussendet, entsteht eine sich ausdehnende kugelförmige Welle, die sich vom Punktstrahler aus in alle Richtungen ausbreitet.
Für sich genommen sind einzelne Wellenanteile relativ wirkungsschwach, sie werden jedoch erheblich leistungsfähiger, wenn sie mittels Fokussierungsgesetzen präzise synchronisiert werden.
So können die Wellen konvergieren und sich gegenseitig verstärken und einen einzelnen, konzentrierten Strahl erzeugen, der präzise auf eine bestimmte Zielposition gerichtet werden kann.
Die Größe des Fokusflecks wird von der aktiven Apertur bestimmt.
Sie bezeichnet die Anzahl der gleichzeitig aktivierten Elemente, da eine größere Anzahl schaltender Elemente zu einem immer engeren Fokus führt, können Sie den resultierenden Strahl dynamisch formen, um eine breite Vielfalt an Materialfehlern und Defekten zu detektieren und zu charakterisieren.
Allerdings.
Wichtig ist, dass diese Fokussierfähigkeit optimal nur im Nahfeld des Prüfkopfs wirkt, außerhalb davon divergiert der Strahl, und die Vorteile der Fokussierung nehmen deutlich ab.
Betriebsprinzipien und Techniken
Erzeugung und Empfang des Ultraschalls werden bei Phased-Array-Werkzeugen anders gehandhabt als bei älteren Systemen mit Einzelelement.
Ein PAUT-System schaltet Gruppen von Elementen gleichzeitig, üblicherweise werden 4 bis 32 Elemente gemeinsam gepulst.
Bei einer typischen Aufgabe wie der Phased Array Schweißnahtprüfung werden beispielsweise etwa 16 verwendet.
Die Impulse der einzelnen Elemente werden sorgfältig zeitlich abgestimmt, sodass sich die Schallwellen zu einem einzigen, fokussierten Strahl überlagern.
Trifft diese Energie auf Ihr Bauteil, gelten die Gesetze der Physik, und es spielt keine Rolle, wie die Welle erzeugt wurde.
Werfen wir einen kurzen Blick auf die verfügbaren Techniken.
Sektorielle Abtastung und Strahlsteuerung
Die sektorielle Abtastung, oder S-Scan, gehört zu den am häufigsten eingesetzten Techniken.
Dabei wird der Ultraschallstrahl über einen Winkelbereich aufgefächert, ganz wie ein Suchscheinwerfer.
Sie können einen Bereich von 40 bis 70 Grad prüfen, ohne den Prüfkopf zu bewegen. Das ist Strahlsteuerung in der Praxis.
Das hilft bei Teilen mit schwierigen Formen oder schwer zugänglichen Stellen, da Sie den Winkel wählen können, der die beste Chance bietet, Fehler zu erkennen.
Elektronisches Scannen
Elektronisches Scannen beschleunigt den Ablauf deutlich.
Es ahmt das manuelle Bewegen eines UT-Prüfkopfs nach, doch hier bewegt sich nichts physisch.
Das Gerät aktiviert nacheinander entlang des Prüfkopfs Gruppen von Elementen. Dadurch wird der Strahl über den Prüfbereich geführt.
So decken Sie große Flächen schnell ab und können dies mit elektronischer Strahlfokussierung kombinieren, um die Auflösung hoch zu halten.
Total Focusing Method
Sie möchten klarere Bilder?
Verwenden Sie die Total Focusing Method (TFM).
Es wird nicht ein einzelner Strahl erzeugt. Stattdessen nutzt TFM Rohdaten aller Sender-Empfänger-Paare im Array.
Ihr System unterteilt den Prüfbereich in ein Gitter aus kleinen Pixeln und berechnet die passenden Zeitverzögerungen, um den Schall auf jedes einzelne zu fokussieren.
So erhalten Sie ein detailliertes, präzises Bild des Bereichs.
Datenerfassung und Anzeige
Ihr PAUT-System sammelt Informationen, indem es Ultraschallstrahlen in präzise getakteten Intervallen aussendet. Es erfasst Hunderte von Signalen gleichzeitig und zieht große Mengen an Rohdaten ein.
Wenn Sie diese Daten zu klaren Bildern verarbeiten, erhalten Sie eine Echtzeitansicht in das Materialinnere, eine hervorragende Grundlage zur Verbesserung Ihrer Qualitätsbewertung.
Dieser Prozess erstellt außerdem einen dauerhaften, rückverfolgbaren Prüfbericht.
Für höhere Präzision können Sie einen Encoder am Prüfkopf anbringen. Er zeichnet die exakte physische Position jeder Messung auf und verknüpft die Bilddaten mit einem bestimmten Ort am Bauteil.
Softwareanforderungen
Die Leistung des Systems hängt stark von seiner Software ab. Sie erledigt die anspruchsvollen Aufgaben.
Sie berechnet die komplexen Zeitabläufe, bekannt als Verzögerungs- und Fokussierungsgesetze, um den Ultraschallstrahl präzise dorthin zu steuern und zu fokussieren, wo er benötigt wird. Die Software übernimmt außerdem die Kalibrierung jedes Prüfkopfelements und organisiert die Daten für eine übersichtliche Darstellung.
Obwohl die Ersteinrichtung eine sorgfältige Konfiguration erfordert, können Sie die Einstellungen in einer Datei speichern. Diese Funktion ermöglicht es, eine vollständige Konfiguration in Sekunden zu laden, ein großer Vorteil für Routineaufgaben.
Scanarten und Bildgebung
Die Software wandelt die gesammelten Signale in Bilder um, die in Echtzeit einen Querschnitt des Objekts anzeigen. Es gibt mehrere Arten von Scans:
- Lineare Scans bewegen den Strahl elektronisch entlang des Prüfkopfs.
- Sektorielle Scans nutzen Strahlsteuerung, um einen Winkelbereich von einem einzigen Punkt aus abzufahren.
Diese Technik, genannt sektorielle Abtastung mit Strahlsteuerung, erzeugt ein fächerförmiges Bild, ideal zur Prüfung von Schweißnähten und komplexen Geometrien.
Diese elektronische Strahlfokussierung liefert einen klaren visuellen Schnitt durch das Bauteil und erleichtert die Interpretation gegenüber konventionellen Methoden erheblich.
Um mehr über Bildgebungsstandards zu erfahren, können Sie NDT-Ressourcen von Organisationen wie ASNT konsultieren.
Industrielle Anwendungen der Phased-Array-Prüfung
Mit der Phased Array Ultraschallprüfung lassen sich Materialien prüfen, ohne sie zerstören zu müssen.
Sie ist flexibel und eignet sich für viele Bauteile in unterschiedlichen Branchen. Sie erkennen Fehler in Ihren Schweißnähten, prüfen die Qualität von Nieten und finden Probleme wie Risse, Lunker oder durch Korrosion verursachte Vertiefungen.
Hier ist ein kurzer Überblick.
Schweißnahtprüfung
Für Schweißnahtprüfungen eignet sich PAUT für anspruchsvolle Aufgaben wie Druckbehälter und Pipelines. Es erkennt typische Fehler wie Bindefehler, Porosität oder Schlacke.
Sie können den Strahlwinkel an die Form der Schweißnaht anpassen, was die Detektion zuverlässiger macht. Das Verfahren folgt Normen wie ASTM E2700 für Kontaktprüfungen.
Dicken- und Korrosionsmessung
PAUT misst die Materialdicke präzise.
So können Sie Korrosions- oder Erosionsschäden im Zeitverlauf nachverfolgen. Sie können den Materialverlust über große Flächen kartieren, um ein vollständiges Bild zu erhalten.
Beispielsweise wird sie eingesetzt, um Rohre unter ihren Auflagern zu prüfen, wo sich Rost leicht verbergen kann. Die gewonnenen Daten helfen Ihnen zu beurteilen, ob ein Bauteil noch sicher ist oder repariert werden muss.
Weitere Anwendungen
PAUT ist nicht nur für Schweißnähte und Korrosion. In der Bahnindustrie wird es zur Prüfung von Rädern und Achsen eingesetzt.
Die Technologie eignet sich auch zur Untersuchung von Verbundwerkstoffen und zur Kartierung der Klebstoffverteilung in geklebten Verbindungen. Ob auf der Baustelle oder im Kraftwerk, sie liefert gute Daten für Qualitätsprüfungen und die Planung Ihrer Instandhaltungsarbeiten.
Implementierungsmodi
Phased-Array-Systeme bieten Flexibilität in der Anwendung.
Die Wahl der Methode hängt von den spezifischen Anforderungen der Prüfung ab, ein Abwägen zwischen Geschwindigkeit, Zugänglichkeit, Budget und Sicherheit.
Es gibt drei Hauptoptionen: manuell, teilautomatisiert oder vollautomatisiert.
Manuelle Prüfung
Für Schnellprüfungen oder die Inspektion von Teilen mit schwieriger Geometrie ist die manuelle Prüfung eine praktische Wahl.
In diesem frei geführten Modus bewegt ein Techniker den Prüfkopf per Hand über die Oberfläche des Bauteils. Der Prüfkopf kann mit einem Koppelmittel verwendet, an einem Hartkeil befestigt oder in einem Radprüfkopf untergebracht werden, um ein gleichmäßigeres Scannen zu ermöglichen.
Dieser Ansatz bietet hervorragende Mobilität und liefert sofortiges Feedback in Echtzeit.
Kodierte und automatisierte Systeme
Teilautomatisierte Systeme, auch kodierte Systeme genannt, erhöhen die Präzision gegenüber dem manuellen Scannen.
Ein am Prüfkopf angebrachter Encoder erfasst dessen exakte Position. Dieser Prozess speichert und ordnet alle Prüfdaten präzise zu. Diese Daten helfen, Ergebnisse nachzuverfolgen und Prüfungen leicht zu wiederholen.
Vollautomatisierte Systeme nutzen motorisierte Scanner, um Produktivität und Sicherheit zu verbessern. Diese Scanner können mit Magneträdern entlang von Pipelines fahren oder mehrachsige Arme für komplexe Teile einsetzen, die den Prüfkopf automatisch bewegen.
Diese Methode hält Bediener von potenziell unsicheren Umgebungen fern und liefert hochgradig reproduzierbare Ergebnisse für groß angelegte Prüfungen.
Einrichtung und Kalibrierung
Wenn Sie mit einem System zur Phased-Array-Ultraschallprüfung beginnen, sollten Sie es unbedingt korrekt einrichten, denn das führt zu besseren Prüfungen.
Der Prozess ist ähnlich wie bei der Ultraschallprüfung, die Sie vielleicht schon kennen. PAUT hat jedoch mehrere Elemente und erfordert daher mehr Aufmerksamkeit bei Einrichtung und Kalibrierung.
Beginnen Sie mit den Grundlagen, die Sie gewohnt sind, und passen Sie sie dann an Ihre genaue Aufgabe an.
Parameterauswahl
Wenn Sie bereits konventionelle Ultraschallprüfung (UT) durchgeführt haben, fühlt sich der Einstieg gleich an.
Wählen Sie Prüffrequenz, Aperturgröße, Fokustiefe und Einschallwinkel, ausgehend von den Werten Ihrer Arbeit mit dem Einzelprüfkopf.
Als Nächstes passen Sie die Verzögerungsgesetze, auch Fokussierungsgesetze genannt, an, um die elektronische Strahlfokussierung zu steuern. So stimmen Sie die Prüfung auf das Material ab. Sie müssen dessen Schallgeschwindigkeit und die Signalabschwächung berücksichtigen.
Im Vergleich zu dünnen Edelstahlteilen erfordern dicke Kohlenstoffstahl-Schweißnähte eine niedrigere Frequenz und eine größere Apertur.
Normen und Qualifizierung
Kalibrieren Sie korrekt und halten Sie sich an Branchenstandards. So erhalten Sie verlässliche Ergebnisse, dies wird in der Regel ohnehin von Kundschaft und Qualitätsmanagement gefordert.
Es gibt viele internationale Normen, denen zu folgen ist, Ihre Methodeningenieure stellen die für die Bediener einzuhaltenden Vorgaben bereit. Einige davon sind:
- ASTM International bietet belastbare Regeln, wie E2491, die hilft, die Merkmale Ihres Phased-Array-Systems zu prüfen.
- Für Aufgaben wie die Größenbestimmung von Schweißnahtanzeigen sind Qualifikationen wie die Prüfung API QUSE-Phased Array relevant.
Kalibrieren Sie vor der Inspektion stets zunächst mit einem Kalibrierblock (auch Referenzblock genannt). So stellen Sie sicher, dass jedes Array-Element funktioniert und die Zeitverzögerungen richtig abgestimmt sind.
Fazit
Die Phased-Array-Ultraschallprüfung ist eine intelligentere Art, Materialien zu prüfen.
Sie verwenden einen Prüfkopf mit vielen kleinen Elementen, und ein Computer wendet sogenannte Fokussierungs und Verzögerungsgesetze an, um jedes Pulsereignis präzise zeitlich zu steuern. Dadurch entsteht ein Strahl, den Sie mit elektronischer Strahlfokussierung lenken und fokussieren können, sodass Sie nicht manuell scannen müssen.
Diese elektronische Steuerung bietet echte Vorteile bei Geschwindigkeit und Genauigkeit.
Mit sektorieller Abtastung und Strahlsteuerung können Sie den Strahl sehr schnell über große Flächen führen oder in komplexe Bauteile lenken.
Sie erhalten verlässlichere Daten und können verborgene Fehler mit größerer Sicherheit finden, ganz ohne die Sicherheitsrisiken der Röntgenprüfung.
Aber sie ist nicht für jede einzelne Aufgabe gedacht.
Die Anschaffungskosten sind höher als bei konventioneller UT, und Sie benötigen eine spezielle Schulung, um gute Ergebnisse zu erzielen.
Für die Phased-Array-Schweißnahtprüfung und die Korrosionskartierung funktioniert sie sehr gut. Für andere Aufgaben, wie das Auffinden von Oberflächenrissen, könnten andere Methoden besser geeignet sein.
Um das Beste aus PAUT herauszuholen, brauchen Sie einen erfahrenen Bediener, der die richtigen Parameter auswählt und die Technik auf die Aufgabe abstimmt. Mit verbesserter Software und Methoden wie der Total Focusing Method (TFM), die immer gängiger werden, wird diese Technologie noch leistungsfähiger und einfacher anzuwenden.
Und Sie, nutzen Sie PAUT bei der Arbeit?
Häufig gestellte Fragen
Was ist die Phased-Array-Ultraschallprüfung (PAUT)?
PAUT ist ein fortschrittliches Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung. Es nutzt einen Mehrfachelement-Prüfkopf, um Ultraschallstrahlen elektronisch zu erzeugen, zu steuern und zu fokussieren, ohne physische Bewegung des Prüfkopfs. Das unterscheidet sich deutlich von der konventionellen Einzelelement-UT und bietet erweiterte Möglichkeiten.
Wie erzeugt und steuert PAUT Ultraschallstrahlen?
PAUT pulst jedes Element im Prüfkopf mit präzise berechneten Zeitverzögerungen einzeln an. Diese Verzögerungen führen zu konstruktiver Interferenz der Schallwellen und erzeugen einen fokussierten Strahl, der auf unterschiedliche Winkel und Tiefen im Prüfobjekt gelenkt werden kann.
Was sind die Hauptvorteile von PAUT gegenüber der konventionellen Ultraschallprüfung?
PAUT bietet mehrere Vorteile gegenüber der konventionellen Ultraschallprüfung. Elektronisches Scannen ermöglicht höhere Prüfgeschwindigkeiten; die Strahlsteuerung und Fokussierung verbessert die Genauigkeit der Fehlererkennung, und die dauerhafte Datenaufzeichnung erhöht die Zuverlässigkeit. Ein einzelner PAUT-Prüfkopf ersetzt häufig mehrere konventionelle Prüfköpfe und vereinfacht damit die Einrichtung.
Welche Fehlstellen kann PAUT in Materialien wirksam detektieren?
PAUT erkennt zuverlässig verschiedene Fehlstellen, darunter Risse, Bindefehler, Poren oder Porosität und Schlackeeinschlüsse in Schweißnähten. Zudem eignet es sich hervorragend für Korrosionskartierung und Dickenmessung, um Materialabtrag und Erosionsmuster in Bauteilen wie Rohrleitungen und Druckbehältern zu bewerten.
Wie verbessert die elektronische Strahlfokussierung die Prüfleistung von PAUT?
Die elektronische Strahlfokussierung steigert die Fähigkeiten von PAUT, indem sie präzise steuert, wo sich die Ultraschallenergie im Material bündelt. Durch gezielte Zeitverzögerungen fokussiert PAUT den Strahl in ausgewählten Tiefen und Winkeln und verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis. Dies ermöglicht eine genauere Charakterisierung und Größenbestimmung von Anzeigen innerhalb des Prüfbereichs.
Was ist die Total Focusing Method (TFM) in PAUT?
Die Total Focusing Method (TFM) ist eine fortgeschrittene PAUT-Technik, die auf jedes Pixel innerhalb eines definierten Interessengebiets eine Fokussierung anwendet. Sie segmentiert den Prüfbereich in ein Gitter und nutzt eine ausgefeilte Strahlformung, um die Auflösung über das gesamte Gitter zu erhöhen. TFM liefert ein sehr detailliertes Bild im Vergleich zu konventionellen Phased-Array-Verfahren.
Welche Hauptaspekte sind bei PAUT-Ausrüstung und Schulung zu beachten?
PAUT-Systeme sind in der Anschaffung meist teurer als konventionelle UT. Aufgrund der Komplexität ist eine spezielle Schulung über die Standard-UT-Zertifizierung hinaus erforderlich. Trotz Lernkurve können Effizienzgewinne langfristig die Gesamtkosten senken.
Wie beeinflussen Fokussierungs- und Verzögerungsgesetze die Leistung eines PAUT-Systems?
Fokussierungs- und Verzögerungsgesetze sind zentrale Software- und Hardwareparameter, die die Strahleigenschaften festlegen. Sie bestimmen die pro Element anzuwendenden Zeitverzögerungen und damit Fokuslage und Tiefe sowie Einschallwinkel. Korrekt definierte Gesetze sind entscheidend für Empfindlichkeit, Auflösung und Prüfeffektivität.
In welchen Industriezweigen wird PAUT umfassend zur Qualitätssicherung eingesetzt?
PAUT wird in zahlreichen Industriezweigen umfassend zur Qualitätssicherung eingesetzt. Es wird intensiv im Bauwesen, in der Öl- und Gasindustrie für Pipelines und Druckbehälter, in der Energieerzeugung und im Transportwesen für die Prüfung von Schienenfahrzeugkomponenten genutzt. Es überzeugt bei Schweißnahtprüfungen, der Korrosionskartierung und der Prüfung von Verbundwerkstoffen.
