DGZfP-JAHRESTAGUNG 2002

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Schraubenspannungs-Messung mit Ultraschall - moderne Messtechnik für sichere Schraubenverbindungen

Gerhard Splitt
Agfa NDT GmbH
Hürth
www.AgfaNDT.com
Kontakt: G. Splitt

1. Kurzfassung

Viele Bauteile in Anlagen, Maschinen und Fahrzeugen werden durch Schrauben zusammengefügt. Dabei ist es für die Betriebssicherheit wichtig, daß diese Verschraubungen auf den in der jeweiligen Konstruktion vorgesehenen Wert angezogen werden. Als Maß für eine einwandfreie Verschraubung wird häufig das Drehmoment verwendet. Wie die Praxis zeigt, ist dies jedoch für eine sichere Schraubverbindung nicht ausreichend, da die beim Anziehen auftretende Reibung zu unterschiedlichen Ergebnissen führen kann.

Bei sicherheitsrelevanten Bauteilen ist es vielmehr erforderlich, die Klemmkraft sorgfältig zu kontrollieren, da nur diese als Maß für die Festigkeit der Verbindung relevant ist. Dies kann einfach und zuverlässig mittels Ultraschall durchgeführt werden. Hierzu wird die Laufzeit eines Ultraschallimpulses entlang der Schraubenachse gemessen und die Laufzeitänderung beim Anziehen der Schraube beobachtet. über den akusto-elastischen Effekt hängt die Laufzeitänderung von der in der Schraube erzeugten Spannung und damit auch von der Klemmkraft ab. Eventuell auftretende Reibungsunterschiede beeinflussen das Meßergebnis nicht. Nach entsprechender Kalibrierung kann ein nach der beschriebenen Methode arbeitendes Meßgerät direkt die Schraubenspannung oder Klemmkraft anzeigen.

Der Beitrag beschreibt das Meß- und Auswerteverfahren, das in einem modernen Meßgerät realisiert wurde, und nennt die Bedingungen, unter denen die Meßmethode erfolgreich eingesetzt werden kann zur Verbesserung der Sicherheit an Chemieanlagen, bei Fahrzeugen, in Kraftwerken, bei Kränen und bei vielen anderen Anwendungen.

2. Keywords

Messung mit Ultraschall, akusto-elastischer Effekt, kontrollierte Schraubenspannung, Wiederholungsmessungen, Langzeitüberwachung, Vermeidung von Schäden durch Lösungen oder Leckagen

3. Einleitung

In der Verbindungstechnik werden mehr als 70% aller Fügevorgänge mittels Verschraubungen realisiert. Das betrifft z.B. Bauteile und Baugruppen in Hebezeugen, Verkehrsmitteln, Kraftwerken sowie im gesamten Maschinenbau und in der chemischen Industrie. An einen großen Teil dieser Verbindungen werden hohe Sicherheitsanforderungen gestellt. Unzureichend angezogene Schrauben könne in fast allen Industriezweigen zu erheblichen Schäden führen und schlimmstenfalls die Sicherheit von Menschen gefährden.

Selbst beim Einsatz von anzeigegenauen Schraubwerkzeugen treten unterschiedliche Klemmkräfte auf. Insbesondere mit dem immer noch am häufigsten verwendeten Drehmomentschlüssel führt der Einfluß der Reibung zu erheblichen Schwankungen der Vorspannung. Zur überwindung der Reibung unter dem Schraubenkopf und im Gewinde werden 60 - 90% des Drehmomentes verbraucht und nur die restlichen 10 - 40% dienen zum Spannen der Schraube. Daher kann bei ungleichen Reibungsverhältnissen die erzielte Vorspannkraft um bis zu 100% schwanken. Nur diese - und nicht das Drehmoment - ist jedoch ausschlaggebend für die Güte der Verschraubung. Abb.1 zeigt, dass sich die Klemmkraft um einen Faktor 2 ändert, wenn bei konstantem Drehmoment der Reibungskoeffizient um ± 0,04 um den Mittelwert von 0,14 variiert. Diese Schwankungsbreite des Reibungskoeffizienten kann in der Praxis durchaus bei einer Verschraubung auftreten. Weitere Einflüsse, wie Setzen der Mutter, Fließverhalten der Dichtung und Flanschverformungen, kommen noch hinzu.

Abb 1: Einfluß der Reibung auf die Klemmkraft bei konstantem Drehmoment Abb 2: Schraubenspannungs-Messgerät BoltMike III

Die vorhandene Klemmkraft kann nach dem Anziehen der Schraube mit mechanischen Mitteln nur unzureichend kontrolliert werden. Eine andere Methode zur Bestimmung der Vorspannung ist die mikrometrische Längungsmessung, die jedoch bei Sackloch- oder anderen nur einseitig zugänglichen Verschraubungen nicht anwendbar ist. Mit Dehnungsmessstreifen erhält man sehr genaue Ergebnisse. Ihre Anwendung erfordert große Erfahrung und ist in vielen Fällen zu teuer, zu zeitaufwendig oder einfach nicht praktikabel.

Benötigt wird also ein Verfahren, das die Spannung in der Schraube direkt und genau misst. Im folgenden wird gezeigt, dass die Ultraschallmethode dieses leisten kann. Mit dem BoltMike III (Abb.2) steht ein modernes und handliches Gerät zur Verfügung, das eine praxisgerechte Anwendung dieser Methode ermöglicht.

4. Messprinzip

Die Schraubenspannungs-Messung mittels Ultraschall beruht auf dem akusto-elastischen Effekt. Dieser beschreibt den Einfluss von elastischen Spannungen auf die Schallgeschwindigkeit im Material. Bei einer vorgespannten Schraube liegt ein uniaxialer Spannungszustand vor. Dieser beeinflußt die Ausbreitungsgeschwindigkeit von longitudinalen Schallwellen, die sich in Richtung der Schraubenachse ausbreiten.

Daraus ergibt sich die Messmethode (Abb.3): Wird die Laufzeit eines Ultraschallimpulses zwischen den beiden Enden der Schraube gemessen, so lassen sich beim Anziehen der Schraube änderungen feststellen.

Abb 3: Impuls-Echo-Methode mit Laufzeitmessung im Nulldurchgang Abb 4: Spannungs-Dehnungs-diagramm

Für kleine Spannungen im Bereich des Hookeschen Gesetzes

s = E . e (E = E-Modul)

gilt ein linearer Zusammenhang zwischen der Spannung s und der Dehnung e = DL/L, wenn L die Dehnlänge der Schraube ist und DL deren Längung. Oberhalb der Dehngrenze s D nimmt die Spannung nur noch wenig zu, und die elastische Verformung geht in eine plastische über, die bei der Entlastung der Schraube eine bleibende Längung hinterläßt (Abb.4).

In Abb.5 ist die Laufzeitänderung Dt über der Dehnung e aufgetragen. Die Laufzeit nimmt im elastischen Bereich linear mit der Dehnung zu, wobei 2 Anteile hierzu beitragen: 1. die direkte Verlängerung der Schraube DL und 2. der akusto-elastische Effekt, d.h. die Erniedrigung Dv der Schallgeschwindigkeit v aufgrund der elastischen Zugspannung in der Schraube. Als Proportionalitätsfaktor wird die Spannungskonstante K definiert mittels

Damit lassen sich aus der gemessenen Zunahme Dt der Laufzeit sowohl die Spannung

und die Klemmkraft

F = A . s (A = Spannungsquerschnitt der Schraube)

als auch die Längung

der Schraube berechnen. Der Nenner K. E hat für gängige Schraubenmaterialien etwa den Wert 3, d.h. die Laufzeitänderung ist wegen der zusätzlich auftretenden Erniedrigung der Schallgeschwindigkeit dreimal so groß, wie es der reinen Längenänderung bei konstanter Schallgeschwindigkeit entsprechen würde (Abb.5).

Abb 5: Laufzeit-Dehnungsdiagramm Abb 6: Laufzeit-Temperaturdiagramm

Nimmt man als Beispiel eine Schraube mit 100 mm Dehnlänge und einer elastischen Dehnung von 0,2% (unterhalb der Dehngrenze), so ergibt sich eine Längung von nur 0,2 mm. Hier hilft uns nun die Physik mit dem oben erwähnten Faktor 3, so dass die tatsächliche Laufzeitänderung einer Längenänderung von 0,6 mm entspricht. Fordert man z.B. 3% Messgenauigkeit, so muß die Länge auf 1/100 mm genau gemessen werden.

Eine weitere wesentliche Einflußgröße auf die Laufzeit und damit auf das Messergebnis ist die Temperatur. Hier gibt es wiederum zwei Anteile, die die Laufzeit beeinflussen, zum einen die Längenänderung und zum anderen die änderung der Schallgeschwindigkeit mit der Temperatur (Abb.6). Während die thermische Ausdehnung in Stahl vernachlässigbar gering ist, hat die änderung der Schallgeschwindigkeit einen erheblichen Einfluß. Die Schallgeschwindigkeit ändert sich etwa mit
1.10-4/K, d.h. bei 10 K Temperaturdifferenz ändert sich die Laufzeit um ca. 0,1%. Andererseits liegt die gesamte Dehnung bis zur Dehngrenze bei 0,2 bis 0,3%, wie aus Abb.3 ersichtlich, d.h. auch die Laufzeit ändert sich maximal nur in dieser Größenordnung. Daher ist es äußerst wichtig, dass alle Messungen mit einer Temperaturkompensation durchgeführt werden.

5. Messverfahren

Die hier vorgestellte Methode der Schraubenspannungs-Messung mit Ultraschall ist prinzipiell schon lange bekannt. Erst eine moderne, durch Mikroprozessor unterstützte Gerätetechnik ermöglicht jedoch den Einsatz in der Praxis. Die Durchführung der Messung erfolgt nach der aus der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung bekannten Impuls-Echo-Methode, wie in Abb.3 dargestellt. Ein Prüfkopf wird an einer Stirnfläche der Schraube angekoppelt. Er sendet einen Ultraschallimpuls aus, der die Schraube in ihrer Längsrichtung durchläuft, am gegenüberliegenden Ende als Echo reflektiert wird und zum Prüfkopf zurückläuft. Dort wird ein Teil des Impulses vom Prüfkopf als 1. Echo empfangen und der Rest erneut reflektiert. Dieser Vorgang wiederholt sich, so dass weitere Echos mit abnehmender Signalamplitude vom Prüfkopf empfangen werden. Die Zeit zwischen zwei Echos entspricht also der doppelten Laufzeit des Ultraschallimpulses von einem Ende der Schraube zum anderen.

Das speziell für die Schraubenspannungs-Messung entwickelte Gerät BoltMike III (Abb.2) kann in zwei Messmodi betrieben werden. Entweder wird die Laufzeit zwischen Sendeimpuls und 1. Echo oder zwischen 1. und 2. Echo gemessen. Die erste Methode ist für lange Schrauben geeignet, bei denen das 2. Echo meist schon verformt ist und der Einfluss der Koppelmittelschicht zwischen Prüfkopf und Schraube wegen der zu erwartenden großen Längung vernachlässigbar ist, während die Messung zwischen zwei aufeinander folgenden Echos bei kurzen Schrauben bevorzugt wird, wenn ein einwandfreies 2. Echo vorhanden ist und wenn die Koppelmittelschicht das Messergebnis nicht beeinflussen soll.

Die erste Messung erfolgt an der nicht angezogenen Schraube. Nach Umrechnung mit der materialspezifischen Schallgeschwindigkeit wird das Ergebnis als Referenzlänge angezeigt und im Gerät gespeichert. Die Schraube wird dann angezogen, wobei sich aufgrund des akusto-elastischen Effektes die Laufzeit vergrößert. Das Gerät bestimmt direkt die Laufzeitdifferenz zur Referenzmessung und rechnet diese nach den oben angegebenen Formeln in die entsprechende Längung, Spannung und Vorspannkraft um.

Die Zeitmessung erfolgt hochpräzise mit einem quarzstabilisierten Zähler. Damit wird eine Anzeigegenauigkeit von 0,001 m für die Längung erreicht. Um die Genauigkeit so hoch wie möglich zu machen, wird im Nulldurchgang des hochfrequenten Echos gemessen (Abb.3). Diese sog. Nulldurchgangs-Methode vermeidet Fehler bei der Laufzeitmessung, die aus Schwankungen der Echoamplitude entstehen, wenn man, wie sonst üblich, gegen die ansteigende Flanke des Echos misst.

Gleichzeitig mit der Laufzeitmessung wird mit einem mit dem Gerät verbundenen Temperaturfühler die Temperatur der Schraube gemessen. Alle Werte werden automatisch auf 22 °C umgerechnet, so dass Temperaturänderungen keinen Einfluss auf die Messergebnisse haben.

Abb 7: Bildschirm des BoltMike III im Mehrfach-Echo(M.E.)-Modus

Die zur Berechnung der Messergebnisse benötigten Parameter - Spannungskonstante, E-Modul, Schallgeschwindigkeit und Temperaturkoeffizient - sind Materialkonstanten des Schraubenwerkstoffes. Sie müssen daher vor der eigentlichen Messung in einem Kalibrierprozess bestimmt werden, z.B. durch Vergleich der Messergebnisse vom BoltMike III mit einer Zugprüfmaschine. Für eine Reihe von Schraubenwerkstoffen sind diese Parameter bereits bekannt und unter einer Materialkurzbezeichnung im Gerät abgespeichert. Da die Werkstoffparameter jedoch auch von der Herstellungsart und Form der Schraube abhängen, muss für sehr genaue Messungen auf jeden Fall eine Kalibrierung durchgeführt werden. Weitere Werkstoffe können vom Anwender definiert und mit ihren Daten hinzugefügt werden.

Das BoltMike III verfügt über einen eingebauten Bildschirm (Abb.7), der neben den Meßwerten auch die Ultraschallsignale darstellt. Damit wird der Einsatz auch bei kritischen Anwendungen einfach und sicher. Man kann direkt die Ankopplung des Prüfkopfes und eventuelle änderungen der Echoamplitude während des Anziehens am Bildschirm überwachen. Zusätzlich wird der Triggerpunkt für die Laufzeitmessung angezeigt.

Die Bedienung erfolgt im Dialogverfahren und wird durch die automatische Einstellung des Bildausschnitts und der Verstärkung erleichtert. Das auszuwertende Echo wird nach Eingabe der ungefähren Schraubenlänge vom Gerät selbsttätig gefunden.

Alle eingegebenen und gemessenen Werte von bis zu 10 000 Schrauben in bis zu 512 Gruppen bleiben auch nach dem Abschalten des Gerätes dauerhaft gespeichert, so dass die Auswertung nicht vor Ort erfolgen muss. über die RS 232-Schnittstelle des Gerätes können die Daten mittels einer zur Verfügung stehenden Software in den PC geladen und dort weiter ausgewertet und dokumentiert werden.

6. Anwendungsbedingungen

Bei der Schraubenspannungs-Messung mit longitudinalen Ultraschallwellen handelt es sich, wie oben beschrieben, um die genaue Messung der Laufzeitdifferenz zwischen ungespannter und gespannter Schraube. Wir können also immer nur eine Spannungsdifferenz zwischen einem Anfangs- und einem Endzustand ermitteln, d.h. an einer bereits angezogenen Schraube läßt sich die Klemmkraft nur dann bestimmen, wenn vor dem Anziehen die Referenzlänge akustisch gemessen wurde.

Die Rauhigkeit oder Nichtparallelität der Endflächen hat keinen Einfluß auf die Genauigkeit der Messergebnisse, wenn der Prüfkopf während des Anziehens in fester Position auf einer Endfläche angekoppelt bleiben kann. Voraussetzung für die Durchführbarkeit der Messung ist dabei natürlich, dass die Endflächen gut genug sind, um ein ausreichendes Ultraschallecho zu erhalten. Muss der Prüfkopf nach der Referenzmessung entfernt werden, so kann man häufig durch eine einfache Justiervorrichtung sicherstellen, dass der Prüfkopf immer an derselben Stelle aufgesetzt wird. Nicht planparallele Endflächen verringern dann die Messgenauigkeit nur wenig, da der Schallstrahl immer in derselben Position verläuft. Ein im Prüfkopfgehäuse integrierter Magnet bewirkt bei ferromagnetischem Schraubenmaterial gleichbleibende Ankoppelbedingungen und stabile Messwerte.

Kann man keine der oben genannten Vorkehrungen treffen, so hängt die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse wesentlichen von der Beschaffenheit der Schrau-benendflächen ab. Prinzipiell kann man auch mit Ultraschall die Schraubenlänge nur so genau messen, wie die mechanische Präzision der Endflächen dies zuläßt. Daher sollten die Rauhigkeit und Nichtparallelität der Endflächen mindestens um einen Faktor 10 geringer sein als die zu erwartende Längung der Schraube. Entscheidend ist dabei die Ankoppelfläche des Prüfkopfes mit 7 bis 37 mm Durchmesser, je nach Prüfkopftyp. Hervorstehende Beschriftungen außerhalb der Ankoppelfläche stören nicht, ebenso wie vertiefte Beschriftungen oder Zentrierungen in der Ankoppelfläche. Auch hohlgebohrte Schrauben können gemessen werden, wenn ausreichende Ankoppelfläche für einen Prüfkopf zur Verfügung steht. Bei Schrauben mit Inbuskopf muß entweder eine plane Ankoppelfläche durch Ausdrehen geschaffen oder der Prüfkopf am gegenüberliegenden Ende angekoppelt werden.

Aus den obigen Überlegungen ergeben sich einige Anwendungsgrenzen:

  1. Durchmesser: mindestens M8
  2. Länge: mindestens 25 mm Klemmlänge; die maximale Länge hängt von der Schallschwächung und von der Schraubenform ab, einige Meter lange Schrauben wurden schon gemessen.
  3. Länge / Durchmesser: unterhalb 20 im allgemeinen unkritisch. Bei langen Schrauben können Störechos, die aus dem Gewinde reflektiert werden, sich mit dem Echo vom Schraubenende vermischen, so dass keine Messung möglich ist.
  4. Temperatur: Die Schraube muß über die ganze Länge dieselbe Temperatur aufweisen, damit die Temperaturkompensation korrekt arbeitet.

7. Zusammenfassung

Die Schraubenspannungs-Messung mit Ultraschall bietet in Verbindung mit moderner, digitaler Gerätetechnik, wie sie im BoltMike III realisiert ist, eine Reihe von Vorteilen:

  • Die Spannung wird direkt in der Schraube während oder nach dem Anziehen gemessen.
  • Die Spannung in der angezogenen Schraube kann später jederzeit überprüft werden. Damit lassen sich auch Setz- und Fließerscheinungen oder Veränderungen der Spannung unter Belastung nachweisen, so dass konstruktive Verbesserungsmöglichkeiten erkannt werden können.
  • Die Schraube muß nur an einem Ende zugänglich sein.
  • Die Länge der ungespannten Schraube wird vom Gerät gemessen und gespeichert; eine mechanische Längenmessung entfällt.
  • Die Echodarstellung auf dem Bildschirm für die sichere Auswahl und überwachung des Messpunktes, kombiniert mit der Digitalanzeige für schnelles, fehlerfreies Ablesen der Messergebnisse führt zu hoher Wiederholgenauigkeit.
  • Das Gerät zeigt direkt die Längung, Kraft und Spannung an.
  • Die Messwerte können über die RS 232 Schnittstelle an einen PC übertragen und dort über einen Drucker dokumentiert oder weiter verarbeitet werden.

Die angeführten Punkte zeigen, dass sich der Einsatz des BoltMike III lohnt, wenn Schrauben zuverlässig angezogen werden müssen. Für sicherheitsrelevante Bauteile kann man die Ultraschall-Spannungsmessung heute nicht mehr außer acht lassen, da sie dem Stand der Technik entspricht. Die Grenzen der Anwendung liegen dort, wo die mechanische Beschaffenheit der Endflächen auch eine genaue mikrometrische Messung nicht zuläßt, wo nichtidentifizierbare Schraubenwerkstoffe eingesetzt werden oder wo Temperaturgradienten in der Schraube auftreten.

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net