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Was ist Phased-Array-Ultraschallprüfung?

Die Phased-Array-Ultraschallprüfung (PAUT) ist eine fortschrittliche UT-Technik, die anstelle eines Einzelelement-Wandlers eine Mehrelement-Sonde verwendet. Jedes Element wird unabhängig mit gesteuerten Zeitverzögerungen gepulst, die durch eine Phased-Array-Betriebsdatei, ein sogenanntes Fokusgesetz, definiert sind. Durch Variieren des Fokusgesetzes lenkt das System den Schallstrahl elektronisch durch einen Winkelbereich oder fokussiert ihn in verschiedenen Tiefen, ohne die Sonde zu bewegen.

Diese elektronische Strahlsteuerung erweitert zusammen mit der kodierten Datenerfassung die Bildgebung über den A-Scan (Amplitude vs. Laufzeit) hinaus, den die konventionelle UT mit Einzelelement anzeigt: B-Scan (Ultraschallachse vs. Sondenbewegungsachse), C-Scan (Draufsicht) und S-Scan (Sektorquerschnitt). Nach H3.12.2 und H3.12.3 werden B-Scan und C-Scan aus den aufgezeichneten A-Scan-Daten entlang der Sondenbewegungsachse (Scanachse) gebildet, sodass die kodierten Daten dem Prüfer eine gespeicherte, überprüfbare Aufzeichnung des gesamten Scans liefern.

Für die Schweißnahtprüfung verkürzt PAUT die Scanzeit im Vergleich zur konventionellen UT mit mehreren Winkeln und bietet eine bildbasierte Interpretation, die dem Ingenieur oder Eigentümer leichter zu vermitteln ist. Der Kompromiss sind die Gerätekosten, die Komplexität des Scanplans und die zusätzliche Anforderung von 320 Stunden Personal-Erfahrung gemäß Anhang H4.1.

Wann PAUT gemäß D1.1:2025 anwendbar ist

Anhang H ist ein obligatorischer Anhang von AWS D1.1:2025 — seine Einleitung (H1) legt fest, dass seine Anforderungen gelten, wenn die Phased-Array-Ultraschallprüfung angewendet wird. Es folgen Anwendungsbereich (H2), Definitionen (H3), Personal (H4), Ausrüstung (H5), Gerätequalifikation (H6), Scanpläne (H7), Kalibrierung (H8), Prüfung (H9), Abnahme (H10), Datenanalyse (H11), Datenmanagement (H12), Dokumentation und Berichterstattung (H13) sowie Überprüfung der Systemlinearität (H14).

D1.1 erlaubt sowohl die konventionelle UT als auch die Phased-Array-UT als alternative Ultraschalltechniken an Stumpfnähten. Abweichungen von den Prüfverfahren, der Ausrüstung oder den Abnahmekriterien außerhalb von Teil F des Abschnitts 8 dürfen nur mit Genehmigung des Ingenieurs verwendet werden, und jede solche Abweichung muss in den Prüfaufzeichnungen festgehalten werden. PAUT ist nicht in jeder Situation ein Ersatz für die konventionelle UT — die Wahl zwischen ihnen hängt von der Schweißnahtgeometrie, der Dicke, der Zugänglichkeit der Naht und den Vertragsanforderungen ab.

Die UT selbst (konventionell oder Phased Array) ist eine vertragliche Anforderung: Gemäß Abschnitt 8.1.1 muss, wenn eine andere ZfP als die Sichtprüfung gefordert werden soll, dies in den Informationen für die Bieter angegeben werden, und gemäß Abschnitt 8.15 müssen diese Informationen den Prüfumfang eindeutig festlegen. Gemäß Abschnitt 8.19.2 legt Anhang H die alternative Technik für die Phased-Array-UT-Prüfung von Stumpfnähten fest. Die in diesem Abschnitt vorgesehene Genehmigung des Ingenieurs betrifft andere Abweichungen bei Prüfverfahren, Ausrüstung und Abnahmekriterien, die nicht in Teil F des Abschnitts 8 enthalten sind.

„Dieser Anhang enthält verbindliche Anforderungen, die gelten, wenn die Phased-Array-Ultraschallprüfung (PAUT) angewendet wird. Die in diesem Anhang dargestellten alternativen Techniken erfordern schriftliche Verfahren, eine fortgeschrittene Schulung und Qualifikation des Personals sowie PAUT-spezifische Kalibrierverfahren.“

Annex H1 Introduction, AWS D1.1/D1.1M:2025

PAUT-Anwendungsbereich: Dicken- und Nahtbereich

Gemäß Anhang H2 regeln die Verfahren und Normen in Anhang H die PAUT-Prüfungen von Stumpfnähten, einschließlich Wärmeeinflusszonen (WEZ), für Dicken zwischen 3/16 in und 8 in [5 mm und 200 mm] unter Verwendung von kodiertem linearem Scannen. Der Encoder verfolgt die Position der Sonde entlang der Schweißnaht, sodass die Scandaten anschließend rekonstruiert und überprüft werden können. Gemäß H9.3.2 ist mit einem Encoder zu scannen, sofern H7.4 nichts anderes zulässt: Wenn Kanten und Ecken den Zugang verhindern oder die kodierte PAUT einschränken, dürfen diese Bereiche nach H7.4.3 durch Scannen in Gegenrichtung zur Kante oder durch nicht kodierte PAUT mit den in Abschnitt 8 beschriebenen Scanmustern geprüft werden; die Verwendung nicht kodierter PAUT ist im Prüfbericht zu vermerken. Nach H7.4.6 ist für die Prüfung auf Querindikationen keine Kodierung erforderlich.

Anhang H schließt die PAUT-Prüfung von Rohr-T-, Y- und K-Verbindungsschweißnähten ausdrücklich aus. Die UT von Rohr-T-, Y- und K-Verbindungen regelt stattdessen Abschnitt 10.29.

Für Materialien mit einer Dicke von über 2 in [50 mm] muss ein Mockup-Verifizierungsblock verwendet werden, um die wirksame PAUT-Empfindlichkeit und die Abdeckung des Schweißnahtvolumens nachzuweisen (H7.1.1, mit Verweis auf H5.7.2). Der Ingenieur kann ihn außerdem verlangen, und nach H5.7.2 darf das PAUT-Personal ihn zusätzlich nach eigener Wahl verwenden. Der Mockup-Block enthält repräsentative Schweißnahtgeometrien mit eingebrachten Reflektoren an Stellen, an denen es schwierig ist, Schallstrahlen zu lenken — dies stellt sicher, dass der Scanplan das gesamte Schweißvolumen und die WEZ abdeckt.

PAUT-Personalqualifikation (Anhang H4)

Gemäß Anhang H4.1 muss PAUT-Personal der ZfP Stufe 2 und 3, das PAUT-Daten sammelt oder analysiert, gemäß Abschnitt 8.14.6.1 und 8.20 qualifiziert sein. Darüber hinaus muss der PAUT-Prüfer eine dokumentierte Mindestarbeitszeit von 320 Stunden Erfahrung in PAUT-Anwendungen nachweisen. Die gemäß Abschnitt 8.20 erforderliche praktische Prüfung muss aus mindestens zwei fehlerhaften Prüfstücken bestehen, die die zu prüfenden Nahttypen repräsentieren und jeweils mindestens zwei Fehler enthalten.

Personen, die diese Anforderungen nicht erfüllen, dürfen bei der PAUT-Datenerfassung nur unter direkter Aufsicht von qualifiziertem PAUT-Personal assistieren.

Gemäß Anhang H4.2 muss die Zertifizierung von PAUT-Personal der ZfP Stufe 2 und 3 durch UT-Personal der ZfP Stufe 3 erfolgen, das die Anforderungen von H4.1 erfüllt. Der zertifizierende Stufe 3-Prüfer benötigt daher sowohl eine allgemeine UT-Qualifikation als auch die zusätzlichen 320 Stunden PAUT-spezifischer Erfahrung.

PAUT-Geräteanforderungen (Anhang H5)

Gemäß Anhang H5.1 müssen Prüfungen mit Phased-Array-Impuls-Echo-Geräten durchgeführt werden, die die Anforderungen von Abschnitt 8.21 für konventionelle UT-Geräte erfüllen und gemäß H8 qualifiziert sind. Darüber hinaus müssen Phased-Array-Instrumente mehrere PAUT-spezifische Anforderungen erfüllen:

H5.1.1 — Anzahl der Pulser

Das Instrument muss mit mindestens 16 Pulsern und 16 Kanälen (16:16) ausgestattet sein. Ein Minimum von 16:64 ist erforderlich, wenn elektronische Scans verwendet werden sollen. Gemäß H3.19 bestimmt die Anzahl der Pulser, wie viele Elemente innerhalb einer Phased-Array-Sonde innerhalb eines bestimmten Fokusgesetzes angewendet werden können; gemäß H3.3 bestimmt die Anzahl der Kanäle die maximale Anzahl von Elementen, die das Phased-Array-Gerät insgesamt unterstützen kann.

H5.1.2 — Bildansichten

Das Phased-Array-Instrument muss mit ausreichenden Anzeigeoptionen ausgestattet sein, um A-Scan-, B-Scan-, C-Scan- und S-Scan-Ansichten sowie kodierte Scans zu umfassen, um eine gründliche Datenanalyse über die gesamte Scanlänge und durch alle Strahlen zu ermöglichen.

H5.3 — Winkelprüfköpfe

Gemäß H5.3.1 muss die Winkelstrahl-Phased-Array-Sonde ein Linear-Array-Typ mit mindestens 16 Elementen sein und Frequenzen zwischen 1 und 6 MHz erzeugen. Die Sonden-Pitch-Abmessungen müssen klein genug sein, damit keine stehenden Wellensignale auf der Anzeige erscheinen.

Gemäß H5.3.2 muss der Keil einen ausreichenden Einfallswinkel aufweisen, um Scherwellen im Material zwischen 40° und 70° zu erzeugen. Keile müssen innerhalb des vom Hersteller angegebenen Winkelbereichs verwendet werden.

H5.4 und H5.5 — Encoder und Scanner

Der Encoder muss digital sein und zum Linienscannen fähig sein. Die Kodierung muss mit einem halbautomatischen oder automatisierten Scanner gemäß H3.22 durchgeführt werden. Automatisierte Scanner sind mechanisierte Geräte, bei denen die PAUT-Sondenbewegung computergesteuert oder ferngesteuert erfolgt; halbautomatisierte Scanner werden manuell entlang der Schweißnähte geführt, während der Encoder die Position aufzeichnet.

PAUT-Kalibrierung: SSL und Referenzblöcke (H5.7)

Gemäß Anhang H5.7 muss der Standardreflektor, der zur Festlegung des Standardempfindlichkeitspegels (SSL) verwendet wird, ein seitlich gebohrtes Loch mit 0.060 in [1.5 mm] Durchmesser in einem IIW-Block gemäß ASTM E164 sein. Die Temperatur des Kalibrierstandards muss innerhalb von ±25°F [±14°C] der Temperatur des zu prüfenden Teils oder der Komponente liegen.

Gemäß H5.7.1 muss ein zusätzlicher Referenzblock verwendet werden, der eine mindestens 3-Punkt-Zeitkorrekturverstärkung (TCG) über den im Scanplan angegebenen Winkelbereich ermöglicht. Der Block muss eine ausreichende Dicke und Länge aufweisen, um die Kalibrierung von Reflektoren im gesamten Prüfvolumen zu ermöglichen. Jeder Block muss mindestens drei seitlich gebohrte Löcher in Tiefen aufweisen, die den gesamten zu prüfenden Materialbereich abdecken. NAVSHIP- und kundenspezifisch bearbeitete Blöcke, die diese Anforderungen erfüllen, dürfen verwendet werden.

Gemäß H5.7.2 und H7.1.1 muss die Nachweisbarkeit des Standardreflektors für Materialien mit einer Dicke von über 2 in [50 mm] sowie immer dann, wenn der Ingenieur dies verlangt, in einem Mockup oder Produktionsteil überprüft werden; das PAUT-Personal darf dies zusätzlich nach eigener Wahl tun. Wenn dieser Verifizierungsblock verwendet wird, muss der Standardempfindlichkeitsreflektor über dem in H8.2.4.2 festgelegten DRL nachweisbar sein; falls nicht nachweisbar, muss der Scanplan angepasst werden, bis eine ausreichende Nachweisbarkeit erreicht ist.

PAUT-Bildansichten erklärt

Gemäß Anhang H3.12 sind Bildansichten Bilder, die durch verschiedene Ebenenansichten zwischen dem Ultraschallpfad (Ultraschallachse), der Strahlbewegung (Indexachse) und der Sondenbewegung (Scanachse) definiert sind. Die fünf primären Ansichten, die von Anhang H anerkannt werden, sind:

• A-scan — the received pulse amplitude versus time of flight in the ultrasonic path. Same waveform produced by conventional UT.
• B-scan — a 2-D view of A-scan data along the probe-movement (scan) axis, color-coded for amplitude.
• C-scan — a 2-D plan view of beam movement (index axis) versus probe movement (scan axis), using the Maximum A-scan amplitude at each transverse location.
• D-scan — similar to S-scan but less commonly used for Schweißnahtprüfung; shows the ultrasonic axis versus the index axis.
• S-scan — a 2-D cross-sectional view of all A-scans corrected for delay and refracted angle, presented as a single slice of focal laws (one focal law sequence) along the probe-movement axis.

Scanpläne (Anhang H7)

Gemäß Anhang H7.1 muss ein Scanplan, wie in H3.21 definiert, für die zu prüfenden Schweißnähte entwickelt werden. Der Scanplan muss die Attribute festlegen, die zur Erzielung der Prüfabdeckung erforderlich sind, einschließlich der in Tabelle H.1 aufgeführten wesentlichen Variablen.

Gemäß H7.1.2 muss der Scanplan durch Plotten oder Computersimulation die geeigneten Brechungswinkel demonstrieren, die während der Prüfung für die Stumpfnahtgeometrie und die relevanten Bereiche verwendet werden sollen. Der Scanplan muss die Abdeckung des erforderlichen Prüfvolumens demonstrieren und dokumentieren. Die Leistung muss durch die Kalibrierung (Überprüfung von Strahlindexpunkt und Strahlwinkel) überprüft werden.

Gemäß H7.4 muss der Grundwerkstoff, durch den Ultraschall zur Prüfung der Schweißnaht dringen muss, auf laminare Reflektoren mit einem Geradeschall-Prüfkopf gemäß H5.2 geprüft werden. Wenn ein Bereich des Grundwerkstoffs einen vollständigen Verlust des Rückwandechos oder eine Anzeige aufweist, die gleich oder größer als das ursprüngliche Rückwandecho ist, siehe H9.2.2.

Gemäß H7.4.1 muss der Scanplan eine vollständige Ultraschallabdeckung in zwei sich kreuzenden Richtungen demonstrieren, um die Wärmeeinflusszone (WEZ) mit Strahlwinkeln zwischen 40 und 60 Grad und das gesamte Schweißvolumen einschließlich der Schweißfusionsflächenabdeckung innerhalb von ±10° senkrecht (90° zur Schweißfusionsfläche) für Azimutalscans oder ±5° senkrecht für zusätzliche elektronische Scans, wo möglich, abzudecken. Die Schweißnaht und die WEZ müssen mit einer PAUT-Sonde gemäß H5.3 geprüft werden.

PAUT vs. konventionelle UT — Wann welche Methode anwenden?

Beide Techniken sind von D1.1 für die Stumpfnahtprüfung anerkannt. Die Wahl zwischen ihnen ist eine technische Entscheidung, die auf den Schweißnahteigenschaften und der Projektwirtschaft basiert:

Für Rohr-T-, Y- und K-Verbindungsschweißnähte gelten die Verfahren und Normen von Anhang H nicht (H2), und Abschnitt 8.19.1 verbietet die Verfahren und Normen von Teil F für die Prüfung von Rohr-Rohr-T-, Y- oder K-Verbindungen. Die UT dieser Verbindungen regelt Abschnitt 10.29, der ein schriftliches Verfahren verlangt, das von einer in der UT von Rohrkonstruktionen erfahrenen Person der ZfP Stufe 3 erstellt oder genehmigt wurde.

Verwandte Normenleitfäden

• Ultraschallprüfung of Welds — D1.1:2025 — Conventional UT under Clause 8, Part F, with Tables 8.2, 8.3, 8.7, 8.8
• D1.1 ZfP-Anforderungen — Side-by-side Vergleich of MT, PT, RT, UT, and PAUT Zulässigkeitskriterien
• Sichtprüfung Weld Inspection — D1.1 Clause 8.9 visual-acceptance criteria, Tabelle 8.1
• Zertifizierter Schweißinspektor (CWI) — AWS QC1 inspector qualification and the relationship between CWI and ASNT NDT certifications
• AWS D1.1:2025 Reference — Stahlbau-Schweißnorm overview, prequalification, and Prüfung
• Wärmeeinbring-Rechner — Calculate Streckenenergie that controls HAZ properties tested by PAUT