KONTROLLE VON SCHRAUBVERBINDUNGEN MIT ULTRASCHALL Die Grundlagen des Verfahrens erläutert für Novize und wiederholt für alle Anderen Prinzip des Messverfahrens Das Messverfahren ist im Grundsatz recht einfach. Es besteht aus dem Messen der Dehnung von Schrauben oder Bolzen infolge der Wirkung der in der Verschraubung herrschenden Zugkraft. Da diese Dehnung proportional zur Zugkraft ist (beschränken wir uns vorerst auf den elastischen Bereich), kann man aus ihr durch einfaches Multiplizieren mit einem Koeffizienten die Zugkraft errechnen. Ein am Kopf von Schraube oder Bolzen angeordneter Ultraschallmesskopf wirkt zunächst als Sender, der einen durch die Messeinrichtung bereitgestellten elektrischen Impuls in eine Ultraschallwelle, die Schraube oder Bolzen in Längsrichtung durchläuft, umwandelt, und dann als Empfänger, der die von der Stirnfläche der Schraube zurückgeworfene und stark geschwächte Ult raschallwelle auffängt und sie in ein elektrisches Signal umwandelt, das durch die Messeinrichtung verarbeitet wird. Dieser Vorgang wiederholt sich mehrere hundert oder tausend Mal pro Sekunde. Bei jedem „Schuss“ misst die Messeinrichtung die Zeit zwischen dem Abstrahlen des Impulses und dem Eintreffen von dessen Echo. Im Prinzip handelt es sich um ein Sonar, aber die hohe Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Ultraschalls (ca. 5800 m/sec in Stahl) und die gewünschte Auflösung über die Dehnung (im Mikrometerbereich) erfordern eine Zeitauflösung der Messung in der Größenordnung von Nanosekunden (10- 9 sec). Die so gemessene Zeit wollen wir „Ultraschalllänge“ nennen.. Wir sehen, dass es nicht notwendig ist, die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Ultraschalls im Material exakt zu kennen. Im Ruhezustand, der auch als Anfangszustand bezeichnet wird, misst man eine Ultraschalllänge Li. Nach dem Verschrauben, im als Endzustand bezeichneten Zustand, misst man eine Ultraschalllänge Lf. Die Ultraschalldehnung Lf - Li ergibt sich aus der mechanischen Dehnung der Schraube und der Verminderung der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Ultraschallwelle infolge der auf die Schraube aufgebrachten Zugkraft. Im Allgemeinen überwiegt der Einfluss der Geschwindigkeit je nach Material mehr oder weniger. Die beiden Einflüsse sind durch die Messeinrichtung nicht unterscheidbar. Aber verschiedene Forschungsarbeiten, darunter des französischen CETIM, haben schon vor langer Zeit (40 Jahre) gezeigt, dass die Kombination dieser beiden Wirkungen ebenso zur Zugkraft proportional ist wie die Wirkungen selbst. Glücklicherweise, denn erst hierdurch wird das Verfahren anwendbar! Der Proportionalitätsfaktor zwischen der Ultraschalldehnung (der Messgröße) und der aufgebrachten Zugkraft (der gesuchten Größe) wird durch Kalibrieren vor der Messung ermittelt. Dazu wird ein repräsentatives Modell der Verschraubung (gleiche Art von Schraube/Bolzen und gleiche Einschraublänge) kalibrierten Belastungen unterzogen, beispielsweise in einer Zugvorrichtung. Für jeden Spannungswert, der von der Zugvorrichtung oder durch einen Kraftsensor gemessen wird, speichert das Messsystem die entsprechende Ultraschalldehnung. Die Messeinrichtung berechnet und speichert den Proportionalitätsfaktor K. Zugkraft (daN) = K x Ultraschalldehnung (nsec) Die Dimension von K ist daN / nsec oder kN / nsec Dieses Verfahren berücksichtigt automatisch die Fortpflanzungsgeschwindigkeit desUltraschalls und deren Veränderung durch die Zugkraft, ohne dass man diese dazu kennen muss. Der Vorgang dauert lediglich einige Minuten. Er wird für jede Art von Schraubverbindung lediglich ein einziges Mal ausgeführt. Beispiel für eine Kalibrierung On Auf der Abszisse ist die von der Messeinrichtung gemessene Ultraschalldehnung in Nanosekunden dargestellt. Die Ordinate zeigt die von der Zugvorrichtung gemessene Zugkraft in kN. Die Berechnungen und die grafische Darstellung erfolgen automatisch durch die Messeinrichtung, hier eine Traxx-M2. Nahezu perfekte Linearität mit (hier) K = 0,151 kN/nsec