Ultraschallmessung von Schraubenkräften

TEMES us.ms
Ultraschallmessgerät zur Messung der Schraubenlängung
Ultraschallmessgerät zur Messung der Schraubenlängung

Das Ultraschallverfahren kann zur Erfassung der Vorspannkräfte in Schraubenbolzen während der Montage verwendet werden.

Die Durchführung der Messung erfolgt nach der Impuls-Echo-Methode. Dabei wird ein Prüfkopf 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 schließlich wieder am Prüfkopf ankommt. Bei der Messung eines Schraubenbolzens wird die Laufzeit des Ultraschallimpulses zwischen den beiden Enden des Bolzens gemessen, somit lassen sich beim Anziehen (Belasten) der Schraube Änderungen in dieser Laufzeit feststellen. Die Laufzeit nimmt im elastischen Bereich linear mit der Dehnung zu, wobei zwei Anteile dazu beitragen:

  • die direkte Verlängerung der Schraube ΔL
  • der akustoelastische Effekt
    d.h. die Erniedrigung Δv der Schallgeschwindigkeit v
    aufgrund der elastischen Spannungen in der Schraube.

Ebenso wie die mechanische Spannung hat auch die Temperatur einen Einfluss auf die Schalllaufzeit. Zwischen der Änderung der Schallgeschwindigkeit und der Temperaturänderung besteht ein linearer Zusammenhang. Für eine genaue Messung muss deshalb der Temperatureinfluss unbedingt kompensiert werden.

Die erste Messung (Null-, Referenzmessung) erfolgt an der nicht angezogenen Schraube. Nach Umrechnung mit der materialspezifischen Schallgeschwindigkeit (Geometriedaten und Werkstoffkennwerte der Schraubenbolzen müssen vorher eingegeben werden) wird das Ergebnis als Referenzlänge angezeigt und im Gerät gespeichert. Nach dem Anziehen der Schraube hat sich die Laufzeit aufgrund der Längenänderung und des akustoelastischen Effektes vergrößert. Das mit einem Mikroprozessor ausgestattete Ultraschallmessgerät bestimmt die jeweilige Differenz zur Referenzmessung und rechnet diese nach entsprechenden Formeln in Kraft, Spannung und Längung um.

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