Die Meyer Werft GmbH in Papenburg zählt zu den fortschrittlichsten und innovativsten Schiffswerften weltweit. Reedereien und Kreuzfahrttouristen schätzen die komfortablen und sicheren Kreuzfahrtschiffe gleichermaßen. Schätzungsweise 25.000 Tonnen Stahl werden bei einem modernen Cruise Liner unter anderem in Form von bis zu 50 mm starken Blechen sowie zahlreichen Profilstählen verbaut und durch verschiedenste Schweißverfahren wie etwa dem Schutzgas- oder dem Laser Hybrid Schweißverfahren gefügt. An allen Stellen, wo die Schweißnahtverbindungen eine tragende Rolle für die Statik und damit die Sicherheit des Schiffes besitzen, ist eine Qualitätsüberprüfung unerlässlich. In der Vergangenheit sind die Nähte neben dem Röntgen mit konventioneller Ultraschallhandprüfung auf fehlerhafte Stellen untersucht worden.

VOGT Ultrasonics GmbH hat im Sommer 2010 mit seinem Kunden Meyer Werft GmbH erfolgreich die manuelle Schweißnahtprüfung in Kontakttechnik mit Phased Array Ultraschalltechnologie in Anlehnung an die Normen DIN EN 1712, 1713, 1714 und DIN EN 12062 zum Einsatz gebracht und damit den Grundstein für eine schnellere und effizientere Qualitätskontrolle zur Fertigungsüberwachung gelegt. Seit Ende 2010 ist das Verfahren für die Prüfung von Stumpfnähten für alle Tragstrukturen im Bereich des Schiffsrumpfes für Bleche aus normalem und hochfestem Stahl mit Wandstärken von 8 - 30 mm durch die drei großen Klassifikationsgesellschaften Det Norske Veritas, Lloyd's Register EMEA und Germanischer Lloyd zugelassen und als Ersatz für die Röntgenfilmprüfung für den oben genannten Anwendungsbereich anerkannt worden. Großflächige Absperrungen in den Produktionshallen und Arbeitsunterbrechungen an den angrenzenden Fertigungsinseln, die bei der Röntgenprüfung vorgeschrieben sind, gehören mit der Phased Array Ultraschallprüfung nun der Vergangenheit an.

Prüfausrüstung
Die Vorteile der Phased Array Technologie eröffnen dem Ultraschallprüfer besonders bei der Schweißnahtprüfung neue Möglichkeiten. Über den Sektorscan können eine Vielzahl von Prüfwinkeln mit nur einem Prüfkopf und einer Konfigurationsdatei abgedeckt werden. Neben den gängigen Prüfwinkeln 45°, 60° und 70° erhält der Werkstoffprüfer durch zusätzliche Einschallwinkel einen noch globaleren Einblick in die Nahtqualität.

Voruntersuchungen mit der CIVA Simulationssoftware im Rahmen der Projektierung hatten gezeigt, dass die Prüfung von 30 mm starken Blechen unter Berücksichtigung der Materialbeschaffenheit und der Anforderungen an die Fehlerauflösung bis zu 32 parallele Kanäle am Phased Array Gerät erfordert, so dass bis zu 32 Elemente des Phased Array Prüfkopfes zur aktiven Apertur (vereinfacht gesagt zur tatsächlichen Schallquelle) zusammengefasst und angesteuert werden können. Hinsichtlich der Prüfkopffrequenz haben sich 5 - 10 MHz in Verbindung mit 32 linear angeordneten Schwingerelementen als bester Kompromiss zwischen Materialdurchdringung, Schallbündelschwenkbarkeit und Fehlerauflösungsvermögen herauskristallisiert. Ein Vorlaufkeil aus Rexolite mit einem Anstellwinkel von ca. 40° ermöglicht einen Schallbündelschwenkbereich von 35° - 75° für Transversalwellen. Eine Kabellänge von drei Metern erlaubt das Prüfen von größeren Nahtabschnitten. Am Prüfkopf selbst ist ein federnd gelagerter Rädchendrehgeber für die weggebundene Prüfdatenaufzeichnung angeschlossen. Die Konfiguration des Phased Array Gerätes sowie die Datenaufnahme und -auswertung erfolgen über einen industrietauglichen Laptop PC auf welchem die Prüfsoftware installiert ist. Die Scanauswertung kann direkt am Prüfort durchgeführt werden, da alle Daten nach der Aufnahme sofort digital auf dem PC vorliegen. Wege und Zeitaufwand werden auf ein Minimum reduziert.

In seiner Gesamtheit ist die kompakte, batteriebetriebene Prüfausrüstung speziell auf die rauhen Umgebungsbedingungen einer Schiffswerft angepasst und von einem Prüfer problemlos transportier- und bedienbar.

Abbildung 1 : Phased Array Ultraschallprüfausrüstung bestehend aus einem industrietauglichen Laptop PC, einem batteriebetriebenen Phased Array Ultraschallprüfgerät mit 32 parallelen Kanälen, einem Prüfkopf mit 32 linear angeordneten Elementen und einem passenden Vorlaufkeil zur Erzeugung von 35° - 75° Transversalwellen im Bauteil sowie einem federnd gelagertem Rädchendrehgeber zur Wegaufnahme

Abbildung 2: Prüfdatenaufnahme und -auswertung an einer vertikalen V-Naht

Prüfergebnisdarstellung
Ein weiterer Pluspunkt der Phased Array Ultraschallprüfung im Vergleich zur konventionellen Hand- bzw. der Röntgenfilmprüfung liegt in der Darstellung der gesteigerten Informationsmenge. Dem Werkstoffprüfer stehen während und nach der Datenaufnahme folgende Darstellungsoptionen zur Verfügung:

1. A-Bild: Abbildung der Amplitudenhöhen des reflektierten Ultraschallsignals über der Laufzeit als Ultraschall- Hochfrequenzbild (siehe Abbildung 3 oben links)
2. B-Bild: farbcodierte Darstellung der Amplitudenhöhen unter Berücksichtigung der Signallaufzeit für die konfigurierten Prüfwinkel. Das B- Bild entspricht einer Querschnittsansicht des geprüften Bauteils.
3. S-Bild: farbcodierte und winkelkorrigierte Darstellung der Amplitudenhöhen des konfigurierten Prüfwinkelbereichs als Sektor unter Berücksichtigung der Signallaufzeit (siehe Abbildung 3, zweite Darstellung von links, oben)
4. C-Bild (Flächenscan): weggebundene farbcodierte Darstellung der Amplitudenhöhen eines über Blenden definierten Signallaufzeitbereiches in der Bauteildraufsicht (siehe Abbildung 3, zweite bis vierte Darstellung von oben)

Das S-Bild birgt den Vorteil, dass die Ultraschallinformationen mit den Konturen des Bleches grafisch übereinander gelegt werden können. Reflexionen an der Blechrückwand werden bei der Visualisierung am PC ebenfalls mit berücksichtigt, so dass die Position der Anzeigen aus dem Schweißnahtvolumen, wie beispielsweise Flankenbindefehler oder Porennester, noch schneller zu lokalisieren und zu interpretieren sind. Die Lage der Anzeigen bezogen auf die geprüfte Bauteillänge wird im C-Bild wiedergegeben.

Alle verfügbaren Ansichten sind stets miteinander verknüpft und zeigen entsprechend der Cursorposition die gleichen Ultraschallinformationen.

Zum schnellen Beurteilen von registrier- und bewertungspflichtigen Anzeigen sind drei Aufnahmeblenden mit verschiedenen Schwellenhöhen definiert worden. Die Blende auf 8% Bildschirmhöhe (BSH) korrespondiert mit der Amplitudenhöhe einer 3 mm Referenzquerbohrung. Ultraschallanzeigen, die diese Schwelle überschreiten, gehen dann von Ungänzen aus, die mindestens das gleiche Reflexionsvermögen besitzen wie dieser Justierreflektor. Ein beispielhaftes C-Bild zur dieser Blendeneinstellung zeigt die zweite Darstellung von oben in Abbildung 3 ("DAC 3 mm"). Die darunter angeordneten C-Bilder "DAC - 6 dB" und "DAC - 10 dB" geben denselben Laufzeitaufnahmebereich, nur mit niedrigerer Blendenhöhe (40 % BSH bzw. 25 % BSH), wieder. Anzeigen, die diese Schwellen überschreiten, stammen von Reflektoren mit geringerer Reflektivität.

Eine eigens für die Schweißnahtprüfung konfigurierte Kontrollansicht (siehe Abbildung 3 "Koppelkontrolle") mit Rot/Grün- Darstellung vermittelt dem Prüfer schon während der Datenaufnahme eine Information zur Ankopplungsqualität des Phased Array Kopfes an der Prüffläche und dient als Indikator dafür, ob die Prüfung über die gesamte Nahtlänge mit der gleichen Empfindlichkeit erfolgte. Weiterhin enthält diese Scandarstellung Aussagen zur Wanddicke der verschweißten Bleche.

Gespeicherte Prüfdateien können jederzeit unabhängig vom Prüfgerät an jedem PC mit installierter Prüfsoftware geöffnet werden.

Abbildung 3: v.l.n.r. und oben nach unten: A-Bild, S-Bild, kumulierte Ansicht aus S-Bild und 3D CAD des Prüfkörpers, C-Bild mit Blende auf 80 % BSH, C-Bild mit Blende auf 40 % BSH, C-Bild mit Blende auf 25 % BSH, C-Bild zur Koppelkontrolle