Messtechnik

Das Ultraschallverfahren zur Ermittlung der Vorspannkraft basiert auf der Messung der relativen Änderung der Ultraschalllaufzeit in der Schraube. Die Ultraschallwelle wird mit einem Ultraschallwandler am Schraubenkopf oder Schraubenende in die Verbindung eingeleitet und durchläuft die Schraube. Die Ultraschallwelle wird am gegenüberliegenden Ende reflektiert und kehrt zu dem Einleitungsort zurück. Gemessen wird die Zeit zwischen dem Senden des Impulses und dem Empfang des Echos (Bild 1). Der Ultraschallwandler fungiert gleichermaßen als Sender und Empfänger.

Die Ultraschalllaufzeit (engl.: time of flight, TOF) entlang der Schraubenachse zeigt eine deutliche Abhängigkeit von der beim Anziehen einhergehenden Zunahme der Zugspannung auf. Die durch die Zugspannung erfolgte Dehnung reduziert die Schalllaufgeschwindigkeit. Beide Effekte wirken in dieselbe Richtung und sind ausreichend linear, sodass die Veränderung der Laufzeit zwischen einem lastfreien und belasteten Zustand als direkter Messwert der angewendeten Last verwendet werden kann. Der Einfluss einer über die Schraubenlänge gleichbleibenden Temperatur ist zu berücksichtigen.

Zum Einleiten und Empfangen des Ultraschallsignals ist ein Dünnschicht-Ultraschallmesswandler mit dem Schraubenkopf oder der Stirnseite des Schraubenschaftes verbunden (direkte mechanische Ankopplung). Der Messwandler wird in einem Vakuumprozess (sputtern) aufgetragen und wird zu einem dauerhaften Element der Schraube (Bild 2). Dies wirkt sich gegenüber der Verwendung eines mobilen Ultraschall-Sensors positiv auf die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Messergebnisse aus, da kein zusätzliches Koppelmedium benötigt wird.

Die korrekte Bestimmung der Montagevorspannkraft F_M erfordert eine ausreichende Qualität des Echosignals. Die Größe und Form des empfangenen Echos hängen in hohem Maß von der Schraubengeometrie ab. Wie in der Optik entspricht der Eintrittswinkel dem Austrittswinkel für die Reflexion von jeder Grenzfläche. Als integrierendes Element erfasst der Messwandler alle verschiedenen Echofraktionen, die gleichzeitig mit einem Echosignal empfangen werden.

Die Genauigkeit des Messergebnisses ist von einigen Faktoren abhängig. Sie wird beispielsweise verringert durch Streuung der mechanischen Eigenschaften der Schrauben innerhalb ihrer Charge (E-Modul, Querdehnung), durch Temperaturgradienten im Schraubenwerkstoff und Störeinflüsse bei der Einbringung des Ultraschallsignales.

Um störende Interferenzen während der Echobildung zu vermeiden, wird ein flaches Schraubenreflexionsende benötigt. Die Schraubenkopfoberfläche mit den aufgetragenen Messwandlern und das Reflexionsende der Schraube sollten parallel sein. Dies unterstützt die direkte Rücksendung der Ultraschallwellen von dem Reflexionsende zum Messwandler. Der Messfehler bei dem Verfahren liegt bei ca. ± 3 %. Wegen des im überelastischen Bereich nichtlinearen Zusammenhangs zwischen Dehnung und Ultraschalllaufzeit, ist das Verfahren für überelastische Anziehverfahren wenig geeignet, da ein erheblicher Kalibrieraufwand erforderlich ist. Das Ultraschallverfahren wird in der Regel für Schraubengrößen von M4 bis M100 eingesetzt. 

In den vergangenen Jahren wurden mehr als 15.000 Schrauben an Stahl- und Maschinenbaukomponenten mit Ultraschallwandlern ausgestattet und die Montagevorspannkraft F_M ermittelt (Bild 3). Bei den verwendeten Schrauben handelte es sich um IHF-Schraubengarnituren, die aus Kopf- oder Stiftschrauben und IHF-Rundmuttern bestehen. Die erforderliche Montagevorspannkraft F_M min wurde mit ITH Schraubenspannzylindern hydraulisch reibungs- und torsionsfrei aufgebracht.

Die Messergebnisse belegen, dass alle Schraubenverbindungen sehr präzise vorgespannt werden konnten und eine wartungsfreie Schraubenverbindung realisiert werden kann (Bild 4).

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