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Was Phased Array Ultrasonic Testing ist

Phased array ultrasonic testing (PAUT) ist ein fortschrittliches UT-Verfahren, das einen Mehrelement-Prüfkopf anstelle eines Einzelelement-Wandlers verwendet. Jedes Element wird unabhängig mit kontrollierten Zeitverzögerungen angesteuert, die durch eine Phased-Array-Betriebsdatei, das sogenannte focal law, definiert sind. Durch Variieren des focal law steuert das System den Schallstrahl elektronisch über einen Winkelbereich oder fokussiert ihn in verschiedenen Tiefen, ohne den Prüfkopf zu bewegen.

Diese elektronische Strahlsteuerung ermöglicht Bildansichten, die mit konventionellem Einzelelement-UT nicht erzeugt werden können: A-Bild (Amplitude vs. Zeit), B-Bild (Ultraschallachse vs. Prüfkopf-Bewegungsachse), C-Bild (Draufsicht) und S-Bild (sektorieller Querschnitt). Jede Ansicht wird aus der kodierten Position des Prüfkopfs entlang der Schweißnaht rekonstruiert, was dem Prüfer eine gespeicherte, überprüfbare Aufzeichnung des gesamten Scans liefert.

Für die Schweißnahtprüfung verkürzt PAUT die Scanzeit im Vergleich zu konventionellem UT mit mehreren Winkeln und bietet eine bildbasierte Interpretation, die einfacher an den Ingenieur oder Eigentümer zu kommunizieren ist. Die Kompromisse liegen in den Gerätekosten, der Komplexität des Scan-Plans und der zusätzlichen Anforderung von 320 Stunden Personalerfahrung gemäß Annex H4.1.

Wann PAUT unter D1.1:2025 Anwendung findet

Annex H ist ein obligatorischer Anhang von AWS D1.1:2025 — wenn phased array ultrasonic testing anstelle von konventionellem UT gemäß Clause 8.15 gewählt wird, gilt der gesamte Annex H: Einleitung (H1), Anwendungsbereich (H2), Definitionen (H3), Personal (H4), Ausrüstung (H5), Qualifizierung der Ausrüstung (H6), Scan-Pläne (H7), Kalibrierung (H8), Prüfung (H9 bis H10) und Abnahme (H11 bis H12).

D1.1 erlaubt sowohl konventionelles UT als auch phased array UT als alternative Ultraschalltechniken für Nutschweißnähte. Abweichungen bei Prüfverfahren, Ausrüstung oder Abnahmestandards außerhalb von Part F von Clause 8 dürfen nur mit Genehmigung des Ingenieurs verwendet werden, und jede solche Abweichung muss in den Prüfprotokollen festgehalten werden. PAUT ist kein Ersatz für konventionelles UT in jeder Situation — die Wahl zwischen ihnen hängt von der Schweißnahtgeometrie, der Dicke, der Zugänglichkeit der Verbindung und den vertraglichen Anforderungen ab.

UT selbst (konventionell oder phased array) ist nur erforderlich, wenn dies in den Vertragsunterlagen gemäß Clause 8.15 festgelegt ist. PAUT wird erst dann anwendbar, wenn der Ingenieur UT für die Schweißnaht vorschreibt und der Auftragnehmer PAUT als Verfahren wählt.

„Annex H ist ein obligatorischer Anhang — wenn PAUT anstelle von konventionellem UT gewählt wird, gilt jede Anforderung in H1 bis H14. Es gibt kein ‚PAUT-lite‘ unter D1.1.“

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

PAUT-Anwendungsbereich: Dicken- und Verbindungsbereich

Gemäß Annex H2 regeln die Verfahren und Standards in Annex H die PAUT-Prüfungen von Nutschweißnähten, einschließlich Wärmeeinflusszonen (HAZ), für Dicken zwischen 3/16 in und 8 in [5 mm und 200 mm] unter Verwendung von kodiertem Linear-Scanning. Der Encoder verfolgt die Position des Prüfkopfs entlang der Schweißnaht, sodass die Scandaten später rekonstruiert und überprüft werden können — manuelles, unkodiertes PAUT fällt nicht in den Anwendungsbereich von Annex H.

Annex H schließt die PAUT-Prüfung von rohrförmigen T-, Y- und K-Verbindungsschweißnähten explizit aus. Für diese Verbindungsgeometrien erfordern alternative Techniken eine separate Qualifizierung und die Genehmigung des Ingenieurs.

Bei Werkstoffen über 2 in [50 mm] Dicke kann ein Mockup-Verifizierungsblock gemäß H5.7.2 vom Ingenieur gefordert oder optional vom PAUT-Personal verwendet werden. Der Mockup-Block enthält repräsentative Schweißnahtgeometrien mit platzierten Reflektoren an Stellen, an denen es schwierig ist, Schallstrahlen hinzulenken — um sicherzustellen, dass der Scan-Plan das gesamte Schweißnahtvolumen und die HAZ abdeckt.

PAUT-Personalqualifizierung (Annex H4)

Gemäß Annex H4.1 muss das NDT Level II und III PAUT-Personal, das PAUT-Daten erfasst oder analysiert, gemäß Clause 8.14.6.1 und 8.20 qualifiziert sein. Zusätzlich muss der PAUT-Prüfer mindestens 320 Stunden dokumentierte Arbeitserfahrung in PAUT-Anwendungen nachweisen. Die nach Clause 8.20 erforderliche praktische Prüfung muss aus mindestens zwei fehlerbehafteten Probestücken bestehen, welche die zu prüfenden Verbindungstypen 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 mitwirken.

Gemäß Annex H4.2 muss die Zertifizierung von NDT Level II und III PAUT-Personal durch NDT Level III UT-Personal erfolgen, das die Anforderungen von H4.1 erfüllt. Der zertifizierende Level III benötigt daher sowohl die allgemeine UT-Qualifizierung als auch die zusätzlichen 320 Stunden PAUT-spezifische Erfahrung.

PAUT-Ausrüstungsanforderungen (Annex H5)

Gemäß Annex H5.1 müssen Prüfungen mit Phased-Array-Impuls-Echo-Geräten durchgeführt werden, welche die Anforderungen von Clause 8.21 für konventionelle UT-Geräte erfüllen und gemäß H8 qualifiziert sind. Zusätzlich müssen Phased-Array-Geräte mehrere PAUT-spezifische Anforderungen erfüllen:

H5.1.1 — Anzahl der Sender (Pulsers)

Das Gerät muss mit mindestens 16 Sendern und 16 Kanälen (16:16) ausgestattet sein. Ein Minimum von 16:64 ist erforderlich, wenn elektronische Scans verwendet werden sollen. Das Sender/Kanal-Verhältnis bestimmt, wie viele Elemente innerhalb eines Phased-Array-Prüfkopfs innerhalb eines bestimmten focal law angewendet werden können.

H5.1.2 — Bildansichten

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

H5.3 — Winkelprüfköpfe

Gemäß H5.3.1 muss der Phased-Array-Winkelprüfkopf ein linearer Array-Typ mit mindestens 16 Elementen sein und Frequenzen zwischen 1 und 6 MHz erzeugen. Die Pitch-Abmessungen des Prüfkopfs müssen so klein sein, dass keine Stehwellensignale auf dem Display erscheinen.

Gemäß H5.3.2 muss der Vorlaufkeil einen ausreichenden Einfallswinkel aufweisen, um Transversalwellen 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 und für das Line-Scanning geeignet sein. Die Kodierung muss mit einem halbautomatischen oder automatischen Scanner gemäß H3.22 durchgeführt werden. Automatische Scanner sind mechanisierte Vorrichtungen, bei denen die PAUT-Prüfkopfbewegung computergesteuert oder per Fernbedienung erfolgt; halbautomatische Scanner werden manuell entlang der Schweißnähte geführt, während der Encoder die Position aufzeichnet.

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

Gemäß Annex H5.7 ist der Standardreflektor zur Festlegung des Standard Sensitivity Level (SSL) die Querbohrung mit 0.060 in [1.5 mm] Durchmesser in einem IIW-Block gemäß ASTM E164. Die Temperatur des Kalibrierstandards muss innerhalb von ±25°F [±14°C] der Temperatur des zu prüfenden Teils oder Bauteils liegen — eine erhebliche Temperaturdifferenz verändert die Keilgeometrie und die Brechungswinkel so stark, dass der SSL ungültig wird.

Gemäß H5.7.1 muss ein zusätzlicher Referenzblock verwendet werden, der eine zeitkorrigierte Verstärkung (TCG) an mindestens 3 Punkten über den im Scan-Plan festgelegten Winkelbereich ermöglicht. Der Block muss eine ausreichende Dicke und Länge aufweisen, um die Kalibrierung von Reflektoren über das gesamte Prüfungsvolumen zu ermöglichen. Jeder Block muss mindestens drei Querbohrungen in Tiefen aufweisen, die den gesamten zu prüfenden Materialbereich abdecken. NAVSHIP- und kundenspezifisch gefertigte Blöcke, die diese Anforderungen erfüllen, dürfen verwendet werden.

Gemäß H5.7.2 muss bei Werkstoffen über 2 in [50 mm] Dicke, wenn vom Ingenieur gefordert oder optional durch das PAUT-Personal, die Nachweisbarkeit des Standardreflektors in einem Mockup oder Produktionsteil verifiziert werden. Wenn dieser Verifizierungsblock verwendet wird, muss der Standard-Empfindlichkeitsreflektor oberhalb des in H8.2.4.2 festgelegten DRL nachweisbar sein; falls er nicht nachweisbar ist, muss der Scan-Plan angepasst werden, bis eine ausreichende Nachweisbarkeit erreicht ist.

PAUT-Bildansichten erklärt

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

• A-Bild — die empfangene Impulsamplitude über der Laufzeit im Ultraschallpfad. Dieselbe Wellenform wie beim konventionellen UT.
• B-Bild — eine 2D-Ansicht der A-Bild-Daten entlang der Prüfkopf-Bewegungsachse (Scanachse), farbcodiert nach Amplitude.
• C-Bild — eine 2D-Draufsicht der Strahlbewegung (Indexachse) gegenüber der Prüfkopfbewegung (Scanachse), unter Verwendung der maximalen A-Bild-Amplitude an jeder Querposition.
• D-Bild — ähnlich dem S-Bild, aber seltener für die Schweißnahtprüfung verwendet; zeigt die Ultraschallachse gegenüber der Indexachse.
• S-Bild — eine 2D-Querschnittsansicht aller A-Bilder, korrigiert um Verzögerung und Brechungswinkel, dargestellt als einzelner Schnitt von focal laws (eine focal law Sequenz) entlang der Prüfkopf-Bewegungsachse.

Scan-Pläne (Annex H7)

Gemäß Annex H7.1 muss ein Scan-Plan, wie in H3.21 definiert, für die zu prüfenden Schweißnähte erstellt werden. Der Scan-Plan muss die Attribute spezifizieren, die erforderlich sind, um die Prüfungsabdeckung zu erreichen, einschließlich der in Table H.1 aufgeführten wesentlichen Variablen.

Gemäß H7.1.2 muss der Scan-Plan durch Zeichnung oder Computersimulation die geeigneten Brechungswinkel demonstrieren, die während der Prüfung für die Nutschweißnahtgeometrie und die relevanten Bereiche zu verwenden sind. Der Scan-Plan muss die Abdeckung des erforderlichen Prüfungsvolumens nachweisen und dokumentieren. Die Leistung muss durch die Erstkalibrierung verifiziert werden: Verifizierung des Strahleintrittspunkts und des Strahlwinkels.

Gemäß H7.4 muss das Grundmaterial, durch das der Ultraschall zur Prüfung der Schweißnaht dringen muss, mit einem Senkrechtprüfkopf gemäß H5.2 auf laminare Reflektoren geprüft werden. Wenn ein Bereich des Grundmaterials einen totalen Rückwandecho-Verlust oder eine Anzeige gleich oder größer als das ursprüngliche Rückwandecho aufweist, ist auf 9.2.2 zu verweisen.

Gemäß H7.4.1 muss der Scan-Plan eine vollständige Ultraschallabdeckung in zwei kreuzenden Richtungen nachweisen, um die Wärmeeinflusszone (HAZ) mit Strahlwinkeln zwischen 40 und 60 Grad und das volle Schweißnahtvolumen einschließlich der Schweißflankenabdeckung innerhalb von ±10° zur Senkrechten (90° zur Schweißflanke) für Azimut-Scans oder ±5° zur Senkrechten für zusätzliche elektronische Scans, wo möglich, abzudecken. Die Schweißnaht und die HAZ müssen mit einem PAUT-Prüfkopf gemäß H5.3 geprüft werden.

PAUT vs. konventionelles UT — Wann welches Verfahren anzuwenden ist

Beide Techniken werden von D1.1 für die Prüfung von Nutschweißnähten anerkannt. Die Wahl zwischen ihnen ist eine ingenieurtechnische Entscheidung basierend auf den Schweißnahtcharakteristika und der Projektökonomie:

Für rohrförmige T-, Y- und K-Verbindungen ist PAUT gemäß Annex H nicht zulässig — hier gilt konventionelles UT gemäß Clause 8.15 mit den Verfahren aus Clause 8 Part F.

Verwandte Normen-Leitfäden

• Ultraschallprüfung von Schweißnähten — D1.1:2025 — Konventionelles UT unter Clause 8.15 mit Tables 8.2, 8.3, 8.7, 8.8
• D1.1 NDE-Anforderungen — Vergleich der Abnahmekriterien für MT, PT, RT, UT und PAUT
• Visuelle Schweißnahtprüfung — D1.1 Clause 8.9 visuelle Abnahmekriterien, Table 8.1
• Certified Welding Inspector (CWI) — AWS QC1 Prüferqualifizierung und die Beziehung zwischen CWI und ASNT NDT-Zertifizierungen
• AWS D1.1:2025 Referenz — Übersicht über den Strukturstahl-Schweißcode, Vorqualifizierung und Prüfung
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