Ultraschallprüfung der Schweißnähte am Brückenkran-Hauptträger

Ermüdungsrisse in Schweißnähten von Brückenkran-Stahlkonstruktionen sind die häufigste Ursache für strukturelles Versagen von Hebezeugen. Kritische tragende Schweißnähte – wie Stumpfnähte am Hauptträger, Verbindungsnähte zwischen Kopfträger und Hauptträger sowie Nähte am Katzfahrwerkrahmen – sind über lange Zeiträume zyklischen Lasten ausgesetzt. Die Entstehung und Ausbreitung von Mikrorissen bleibt dabei im Inneren der Stahlkonstruktion oft unsichtbar. Die konventionelle manuelle Ultraschallprüfung mit Einkristall-Prüfköpfen ist ineffizient (ca. 30 Minuten pro Schweißnaht), die Fehlerlokalisierung hängt stark von der Erfahrung des Prüfers ab, und es werden keine Bilddaten für die Dokumentation erzeugt. Das KL-WELD-PAUT-System von Kelude setzt auf 64-Element-Phased-Array-Ultraschalltechnologie (PAUT). Die Bewertungsklasse und die Beurteilungskriterien der Schweißnahtprüfung orientieren sich an der Norm GB/T 11345-2023 sowie an den Anforderungen an tragende Schweißnähte gemäß DIN 15018. In Kombination mit der TOFD-Beugungslaufzeitmethode und einem KI-basierten Fehlerklassifizierungsmodell ermöglicht das System eine schnelle Bildgebung, präzise Quantifizierung und Typenerkennung von Schweißnahtfehlern. Eine einzelne Schweißnaht wird in nur 5–8 Minuten geprüft; die Risshöhe wird mit einer Genauigkeit von ±1 mm quantifiziert, die Fehlerklassifizierungsgenauigkeit beträgt 92 %.

Phased-Array-Prüfprinzip und Systemaufbau

Das Herzstück des KL-WELD-PAUT-Systems von Kelude ist ein 64-Element-Phased-Array-Prüfkopf (Mittenfrequenz 5 MHz, Elementabstand 0,6 mm, Gesamtapertur 38,4 mm), der mit einer mehrkanaligen Ultraschall-Sende-/Empfangskarte (64:64 parallel, Sendespannung 50–200 V einstellbar, Verstärkung 0–80 dB) zusammenarbeitet. Die Phased-Array-Technologie steuert die Verzögerungszeiten der einzelnen Elemente, um eine elektronische Fokussierung und Ablenkung des Schallbündels zu erreichen: Die Fokussierungsgesetze sorgen dafür, dass die Schallwellen aller Elemente in der Zielfläche phasengleich überlagern. Die Fokusgröße beträgt ca. 1,2 mm (bei 40 mm Tiefe) und ist damit in der lateralen Auflösung einem Einkristall-Prüfkopf deutlich überlegen. Während der Prüfung wird der Prüfkopf entlang der Schweißnahtlängsrichtung mit Encoder-Triggerung linear geführt; die Schrittweite beträgt 0,5 mm, die Einzelabdeckung der Schweißnahtbreite 35 mm.

Das System unterstützt drei Scan-Modi:

Sektor-Scan (S-Scan) – Winkelbereich −45° bis +45°, Schrittweite 1°, geeignet für Kehlnähte und T-Stöße;

Linear-Scan (E-Scan) – elektronische lineare Bewegung, Länge 35 mm, geeignet für Stumpfnähte;

Fokussierter Scan (Focal Law) – separate Fokussierung für jede Tiefe, geeignet für dünne Schweißnähte ≤ 20 mm.

Die erfassten Daten werden in Echtzeit als S-Scan-Bilder angezeigt; jedes Bild enthält 2.048 A-Scan-Datenpunkte. Nach Abschluss des Scans werden automatisch drei orthogonale Projektionsbilder erzeugt: C-Scan-Draufsicht (Top View), B-Scan-Seitenansicht (Side View) und D-Scan-Endansicht (End View). Die vollständigen Scandaten der Schweißnaht werden im standardisierten DICONDE-Format gespeichert und unterstützen Offline-Analyse sowie historische Vergleiche.

Quantitative Rissbewertung mit TOFD

Für die präzise Quantifizierung der Risshöhe wird die TOFD-Methode (Time of Flight Diffraction) eingesetzt. Wenn Ultraschall auf die Rissspitze trifft, entstehen Beugungswellen statt Reflexionswellen. Der Ausbreitungsweg der Beugungswelle verläuft vom Sendeprüfkopf über die Rissspitze zum Empfangsprüfkopf. Durch präzise Messung der Beugungswellenlaufzeit t sowie unter Berücksichtigung des Prüfkopfabstands 2S und der Schallgeschwindigkeit c wird die Tiefe der Rissspitze nach d = √[(ct/2)² − S²] berechnet. Die Laufzeitdifferenz der Beugungswellen von oberer und unterer Rissspitze entspricht direkt der Risshöhe h. Das KL-WELD-PAUT-System verfügt über einen integrierten automatischen TOFD-Algorithmus, der die Beugungssignale der oberen und unteren Rissspitze im S-Scan-Bild automatisch erkennt. Die Messgenauigkeit der Risshöhe beträgt ±1 mm (im Dickenbereich von 10–50 mm).

Die Risslänge wird nach der 6-dB-Abfallmethode bestimmt: Der Prüfkopf wird entlang der Schweißnahtlängsrichtung bewegt. Sobald die Amplitude des reflektierten Echos vom Rissende auf die Hälfte des Maximalwerts (−6 dB) abfällt, wird die Prüfkopfposition erfasst – der Abstand zwischen den beiden −6-dB-Positionen entspricht der Risslänge. Für die Lokalisierung mehrschichtiger Fehler in der Tiefenrichtung nutzt das System die Laufweg- und Winkelinformationen aus dem B-Scan-Bild und berechnet über trigonometrische Funktionen die exakten Koordinaten des Fehlers im Schweißnahtquerschnitt (Tiefe d von der Oberfläche und seitlicher Versatz x von der Nahtmitte). Alle Messergebnisse werden automatisch in den B- und C-Scan-Bildern markiert und in einem Schweißnaht-Inspektionsbericht zusammengefasst. Die Prüfung erfolgt gemäß der Norm GB/T 11345-2023 „Zerstörungsfreie Schweißnahtprüfung – Ultraschallprüfung – Technik, Prüfklassen und Bewertung“.

KI-Fehlerklassifizierung und Praxiserprobung

Das System verfügt über ein integriertes CNN-Klassifizierungsmodell für Fehlererkennung. Als Eingabe dienen 128×128-Pixel-Zeit-Frequenz-Diagramme aus S-Scan-Bildern; die Ausgabe liefert Wahrscheinlichkeiten für sechs Fehlerkategorien: Riss, unvollständige Verschmelzung, unvollständige Durchschweißung, Pore, Schlackeneinschluss und Einbrandkerbe. Das Modell wurde anhand von 3.800 TOFD- und metallographisch verifizierten Kalibrierungsdatensätzen trainiert und erreicht eine Klassifizierungsgenauigkeit von 92,3 %. Die Erkennungsrate (Recall) für Risse beträgt 95,1 % bei einer Falschalarmrate von 4,8 %. Das System kennzeichnet automatisch Fehler mit hohem Risiko und markiert deren Koordinatenpositionen im dreidimensionalen Projektionsdiagramm.

Bei der Prüfung der Stumpfnähte am Hauptträger eines 32-t-Brückenkrans in einer Werft detektierte das System zwei unvollständige Verschmelzungen an der Wurzel mit Längen von 8 mm und 14 mm (in Tiefen von 18 mm und 22 mm). Die Fehler wurden mittels UT-Nachprüfung und lokaler Anschliffverifikation bestätigt; die Größenabweichung betrug weniger als 1,5 mm. Dieser Fall belegt die Zuverlässigkeit des PAUT+AI-Systems im praktischen Ingenieureinsatz. Über einen anschließenden 12-monatigen Dauerbetrieb prüfte das System insgesamt 486 Schweißnähte und detektierte 37 Fehler (darunter 9 Risse, 14 unvollständige Verschmelzungen, 8 Poren und 6 Schlackeneinschlüsse). Die Übereinstimmungsrate mit destruktiven Verifikationsprüfungen lag bei 94,6 %. Im Vergleich zur konventionellen UT-Stichprobenprüfung stieg die Fehlererkennungsrate von PAUT+AI von 78 % auf 96 %, während die Übersehensrate von 22 % auf 4 % sank – ein signifikanter Beitrag zur Reduzierung des Schweißnahtversagensrisikos.

Prüfanwendungen und Praxisbeispiele für Schweißnähte

Das KL-WELD-PAUT-System eignet sich für die Inline-Prüfung aller tragenden Schweißnähte von Brückenkranen, einschließlich typischer Anwendungen wie Stumpfnähte am Hauptträger (Blechdicke 10–50 mm), T-förmige Kehlnähte zwischen Kopfträger und Hauptträger (Nahtdicke 6–16 mm), Schweißnähte am Katzfahrwerkrahmen sowie Schienenklemmen-Schweißnähte. Für unterschiedliche Blechdicken und Nahtgeometrien passt das System die Prüfkopfbestückung und die Prüfparameter automatisch an: Bei Blechdicken von 10–20 mm kommt ein 5-MHz-64-Element-Prüfkopf mit TOFD-Verbundscan zum Einsatz; bei 20–40 mm ein 4-MHz-64-Element-Prüfkopf mit Sektor-Scan im Winkelbereich von −60° bis +60°; bei 40–50 mm ist eine beidseitige, zweiseitige Abtastung oder der Einsatz eines 2,5-MHz-Niederfrequenzprüfkopfs erforderlich.

Bei der jährlichen Hauptträger-Schweißnahtprüfung eines 40-t-Portalkrans in einem Hafen führte das System die PAUT-Abtastung und KI-Analyse von 32 Nähten mit einer Gesamtlänge von 48 m innerhalb von 12 Stunden durch und detektierte dabei 7 Fehler (2 Risse, 3 unvollständige Verschmelzungen, 2 Poren). Die UT-Nachprüfung und lokale Anschliffverifikation bestätigten die Rissgrößen mit Abweichungen von 0,8 mm und 1,1 mm – beide innerhalb der geforderten Toleranz von ±1,5 mm. Die Fehlerklassifizierungsgenauigkeit betrug 100 %. Die Hafenabteilung bewertete das PAUT+AI-Konzept als äußerst effektiv: Der jährliche Prüfzyklus konnte von ursprünglich 5 Tagen auf 1,5 Tage verkürzt werden; gleichzeitig ermöglicht die digitale Archivierung eine lückenlose Rückverfolgbarkeit des Schweißnahtzustands. Der Schweißnahtprüfservice von Kelude Schwerindustrie wurde bereits in 12 Stahlwerken, 8 Häfen und 6 Fertigungsunternehmen eingesetzt; die Gesamtzahl der geprüften Schweißnähte übersteigt 2.800.

Erkennungstechnik im Vergleich

Häufige Fragen zur Schweißnahtprüfung