TWI: Zerstörungsfreie Prüfung (ZfP)

Die Magnetpulverprüfung wird eingesetzt um oberflächliche und oberflächennahe Fehlstellen in ferromagnetischen Werkstoffen aufzufinden. Dafür wird ein elektromagnetisches Feld in das zu untersuchende Werkstück induziert. Ein Farbstoff, der feinverteilt sehr kleine magnetische Partikel enthält wird auf die Oberfläche eines ferromagnetischen Werkstoffs aufgetragen, während das magnetisierende Feld angelegt wird. Fehler erzeugen ein magnetisches Streufeld, wodurch neue Magnetpole entstehen, so dass die magnetischen Partikel zu den Seiten des magnetischen Streufelds gezogen werden, den magnetischen Fluss behindern, wodurch der Inspektor die zugrundeliegenden Risse erkennen kann.

Es gibt zwei Varianten der Magnetpulverprüfung: Mit Farbpigmenten oder mit fluoreszierenden Pigmenten. Bei Farbkontrastuntersuchungen wird zuerst eine sehr dünne Schicht eines weißen Kontrastfarbstoffes aufgetragen. Während das Magnetfeld angelegt wird, wird ein Spray mit schwarzen Magnetpartikeln aufgesprüht. Überschüssiges Spray wird weggeblasen, so dass die Risse schwarz auf weiß sichtbar werden.

Bei der fluoreszierenden Prüfung wird das zu untersuchende Bauteil mit einem fluoreszierenden Flüssigkeiten beschichtet, während das Bauteil magnetisiert wird. Im Dunklen werden unter einer fluoreszierenden Lampe Defekte oder Fehlstellen in fluoreszierendem Grün sichtbar. Diese Methode hat eine höhere Sensitivität als die Farbkontrastmethode. 

Die Farbeindringprüfung kann bei nicht-magnetischen Werkstoffen eingesetzt werden, um oberflächliche Defekte aufzufinden. Das Bauteil muss zuerst gesäubert und entfettet werden. Dann wird ein Farbeindringmittel, das ist ein Farbstoff in einer auffälligen Farbe aufgetragen, der (durch die Kapillarkräfte) in die die Oberfläche durchdingenden Poren und Risse eindringt. Nach einer vorgeschriebenen Zeitdauer werden der überschüssige Farbstoff sorgfältig abgewischt und ein pulverförmiger Entwickler aufgetragen. Dieser wirkt wie Löschpapier, indem er den Farbstoff aus den Fehlstellen heraussaugt, so dass sich diese gegenüber dem umgebenden Material hervorstechen und gut erkennen lassen. Nach einer spezifizierten Entwicklungszeit werden die Fehler aufgezeichnet.

Die Röntgenuntersuchung ist eine vollkommen andere Art der zerstörungsfreien Prüfung. Röntgenstrahlung wird in einer Röntgenröhre erzeugt, indem ein Elektronenstrom in einer evakuierten Kammer gegen ein in einem Winkel angeordnetes Target beschleunigt wird. Die Röntgenstrahlen durchdringen die meisten Werkstoffe und können über einen sensitiven Film auf der anderen Seite des Werkstücks aufgezeichnet werden.

Werkstoffe mit hoher Dichte absorbieren Röntgenstrahlung, während sie von solchen mit kleiner Dichte weitgehend durchlassen werden. Bei der Röntgenuntersuchung muss die Oberfläche des Prüfstücks nicht vorbereitet werden, aber Zugänglichkeit von beiden Seiten ist erforderlich. Der Röntgenfilm wird auf der einen Seite des Prüfstücks angebracht und die Röntgenstrahlröhre auf der anderen. Die Röntgenstrahlung durchdringt das Bauteil und hinterlässt ein Bild auf dem Film. Alle volumetrischen Fehler im Bauteil lassen einen größeren Anteil von Röntgenstrahlung durch. Das hinterlässt ein dunkleres Bild auf der Radiographie.

In den letzten Jahren wurden die Nassfilm-Röntgenaufnahmen weitgehend durch digitale Röntgenaufnahmen ersetzt. Die digitalen Verfahren nutzen das fluoreszierende Verhalten einiger Farbstoffe, die fluoreszieren, während sie der Röntgenstrahlung ausgesetzt sind. Die Fluoreszenz verursacht ein analoges Signal, das nach der Umwandlung in einem Analog-Digital-Wandler digital aufgezeichnet wird. Der fluoreszierende Aufnehmer wird hinter dem Bauteil aufgestellt, und von der der das Bauteil durchdringenden Röntgenstrahlung in unterschiedlichen Leveln zum Fluoreszieren angeregt. Dieses wird dann digital aufgezeichnet und auf einem Bildschirm dargestellt. 

Anlagen zur Mikrofokus-Röntgenuntersuchung unterscheiden sich von der konventionellen Röntgenuntersuchung durch die genaue Fokussierung des Röntgenstrahls, typischerweise im Millimeterbereich. Der Vorteil ist, dass sich damit Radiographien mit extrem hoher Auflösung herstellen lassen. Damit können Bilder mit großer Vergrößerung erzeugt werden, wobei selbst kleinste Fehler noch gut erkannt werden können.

Einige der Vorteile von digitaler gegenüber konventioneller Nassfilm-Röntgenuntersuchung sind offensichtlich: Die Aufnahmen müssen nicht in einer Dunkelkammer chemisch entwickelt werden. Die Zeit zwischen Aufnahme und Betrachtung des Röntgenbilds wird verkürzt, und die Bilder können leicht auf dem Hard-Drive eines Computers gespeichert werden. Sie können mit dem Computer leicht gehandhabt und bearbeitet werden. 

Ultraschallprüfung ist ein generischer Begriff für das Erzeugen und Aufzeichnen von Ultraschallsignalen mit verschiedenen Varianten. Sie haben signifikante Unterschiede aber nutzen alle das gleiche zugrundeliegende Prinzip. Sie nutzen alle ein Signal oberhalb der hörbaren Frequenz, daher der Begriff Ultra-Schall. Dieser wird von einem Wandler oder Prüfkopf in das darunterliegende Werkstück eingekoppelt. Das Signal wird an Fehlstellen abgelenkt oder reflektiert und erzeugt ein Echo. Wenn gemessen wird, wie lang das Signal zum Zurückkehren benötigt, kann, wenn die Schallgeschwindigkeit bekannt ist, der Abstand zur Fehlstelle errechnet werden. 

Time of Flight Diffraction oder kurz TOFD (englisch für Beugungslaufzeittechnik) ist ein Ultraschallverfahren, das vor allem zur Auffindung von planaren Fehlern im rechten Winkel zur Oberfläche des Prüfstücks eingesetzt wird. Es ist aber nicht besonders zuverlässig, wenn die Fehler in hoher Dichte auftreten, wenn das Material über ein größeres Gebiet verstreute Einschlüsse enthält, oder wenn es grobkörnig ist. Es wird vor allem im Chemieanlagenbau und der Nuklearindustrie weitverbreitet eingesetzt, z.B. für die Untersuchung von Stumpfnähten in Druckbehältern und Rohranlagen. Häufig wird es zum Ermitteln von kritischen Fehlergrößen eingesetzt oder als Input für Engineering Critical Assessment. 

Die Phased-Array-Ultraschall-Untersuchung (von englisch phased array ‚phasengesteuertes Feld‘) ermöglicht mit einem einzelnen Feld von Wandlern (Transducern) die gleichzeitige Ultraschalluntersuchung mit mehreren Strahlen in unterschiedlichen Richtungen und unterschiedlicher Brennweite. Mit ihr können Bindefehler wie mangelhafte Aufschmelzung des Grundmaterials, Wurzelbindefehler und ungenügende Durchschweißung sowie Porosität aufgedeckt werden. Während des Betriebs entstandene Fehler, wie durch Ermüdung oder Spannungsrisskorrosion entstandene Risse, Korrosions- und Erosionsschäden sowie Fehler im Grundmaterial wie Einschlüsse und Terrassenbrüche aufgefunden werden. Sie geht schneller als die konventionelle Ultraschalluntersuchung und benötigt weniger Scan-Vorgänge.

Eine typische Anwendung der Phased-Array-Ultraschall-Untersuchung ist die Untersuchung von auf der Baustelle durchgeführten Orbitalschweißungen von Pipelines, insbesondere bei langen Pipelines. Sie wird außerdem für die Schnelluntersuchung von Schweißungen in dickwandigen Druckbehältern eingesetzt, für Schaufelräder von Gasturbinen und Flugzeugtriebwerken, Antriebswellen, Turbinenschaufel-Befestigungen und Kehlnähte sowie Schweißungen in grobkörnigen Werkstoffen.

Die Ultraschall-Oberflächen-Untersuchung wird durchgeführt, um durch die Umgebungsbedingungen ausgelöste oberflächliche Risse in Chemieanlagen aufzufinden und Ermüdungsrisse in Bauwerken wie Brücken und deren Lagern aufzudecken. Die Schallwellen der Ultraschall-Oberflächen-Untersuchungen breiten sich entlang der Oberfläche von Bauteilen aus und dringen nur eine Wellenlänge tief ein. Sie können zum Auffinden von planaren, die Oberfläche durchdringenden Fehlern, die rechtwinklig zur Oberfläche liegen, verwendet werden, wie zum Beispiel Ermüdungsfehler im Bereich von Schweißnahtwurzeln sowie durch Spannungsrisskorrosion ausgelöste Risse. 

Die Langstrecken-Ultraschall-Untersuchung mit geführten Wellen nutzt die Ausbreitung von niederfrequenten Ultraschallwellen, um Korrosions- oder Erosionsschäden in Rohrleitungen aufzufinden. Sie erlaubt hundertprozentiges Screening auf langen Längen von Rohrleitungen und erfordert nur lokale Zugänglichkeit an den Stellen, an denen der Wandler-Kragen angelegt wird. Sie kann für Rohrleitungen mit mehr als 50 mm Durchmesser und bis zu 40 mm Wandstärke eingesetzt werden. Sie wird vor allem zum Auffinden von interner oder externer Korrosion eingesetzt, sowie für Erosionsschäden in mit einer thermischen Isolierschicht ummantelten Rohrleitungen eingesetzt, für Korrosionsschäden unter Rohrträgern und für die Untersuchung von unzugänglichen Schweißnähten. Es findet eine Nische für Anwendungen in den unterschiedlichsten Industriesektoren,  im Chemieanlagenbau, in Öl- und Gas-Pipelines, Gas- Schlauchanschlussstationen (Manifolds), Offshore-Steigleitungen (Risers), Rohren an Schiffsanlegestellen und insbesondere Schwimmanlegern sowie den Rohrleitungen im Kesselhaus von Kraftwerken.

Bei der konventionellen Wirbelstromprüfung wird eine von einem Wechselstrom durchflossene, zylindrische, elektromagnetische Spule in der Nähe eines elektrisch leitenden Werkstückes entlangbewegt. Der Wechselstrom erzeugt ein magnetisches Wechselfeld das mit dem Prüfstück in Wechselwirkung tritt und induziert Wirbelströme. Sie wird normalerweise zur Untersuchung des oberflächennahen Bereichs eingesetzt, um Risse in der Oberfläche oder in der Nähe der Oberfläche sowie Inhomogenitäten der Werkstoffzusammensetzung aufzufinden. Sie lässt sich bei ferritischen und nicht-ferritischen Werkstoffen einsetzen. Die Wirbelströme dringen bei nicht-ferritischen Werkstoffen tiefer in das Bauteil ein als bei ferritischen Werkstoffen. Sie wird daher auch bei mehrlagigen Flugzeugbauteilen eingesetzt, um Risse oder Korrosionsschäden aufzudecken.

Die Thermographie ist das einfachste aller thermischen Prüfverfahren. Sie wird mit einer Infrarot-Kamera durchgeführt, um während des normalen Betriebs nach abnormal heißen oder kalten Stellen zu suchen. Die modernen Kameras können Temperaturunterschiede von weniger als ¼° C auflösen und erlauben die Aufzeichnung auf Videorekordern oder Computern für die spätere Auswertung. Sie ist besonders vorteilhaft für Bauteile, die bei erhöhten Temperaturen betrieben werden.
Aktive Thermographie, bei der die Wärme direkt eingebracht wird, ist vor allem bei schlecht wärmeleitenden Werkstoffen wie faserverstärkten Verbundwerkstoffen einsetzbar.