Ultraschall-System zur on-line Bestimmung der Schraubenvorspannkraft und zur Schraubersteuerung

Das Funktionsprinzip einer Schraubverbindung besteht im Aufeinanderpressen der zu verbindenden Teile. Die Presskraft ergibt sich im Wesentlichen aus der Vorspannkraft der Schraube. Die Vorspannkraft ist die qualitätsbestimmende Kenngröße für jede Schraubverbindung. Der Bruch der Schraube oder das Lösen der Schraubverbindung sind die beiden extremen Folgen einer falsch eingestellten Vorspannkraft. Das Messen des Drehmomentes und des Drehwinkels repräsentiert den Stand der in der täglichen Praxis genutzten Technik. Durch Reibverluste zwischen Schraubenkopf und Auflage sowie zwischen Schraubengewinde und Gegengewinde ergeben sich häufig unbekannt große Abweichungen von der für die konkrete Schraubverbindung notwendigen Vorspannkraft. Es ist allgemein anerkannt, dass der Einfluss der von der Vorspannkraft verursachten Dehnung oder Spannung auf die Laufzeiten von Ultraschallwellen die Möglichkeit bietet, die Vorspannkraft oder die Dehnung oder Längung einer Schraube zu bestimmen. Wie die Abbildung 1 verdeutlicht, ändert sich die Laufzeit der Welle einmal aufgrund der makroskopischen Dehnung oder Längung der Schraube und einmal aufgrund der Tatsache, dass die Schallgeschwindigkeit nicht unverändert bleibt, sondern mit zunehmender Materialdehnung bzw. Längsspannung abnimmt. Die Änderung der Schallgeschwindigkeit mit dem Dehnungszustand eines Festkörpers beschreibt der akusto-elastische Effekt. Alle derzeit genutzten Geräte messen die Laufzeit einer Longitudinalwelle vor und nach dem Anziehen und berechnen die Vorspannkraft oder Längung anhand abgespeicherter Kalibrierwerte. Die Ultraschallanwendung wird von namhaften Schraubenherstellern durch das Einprägen einer Schallankoppelfläche und/oder einer Reflektionsfläche auf den Schraubenkopf oder Schaft unterstützt. Der Vorteil, die Ultraschallmessung auch während des Anziehens durchführen zu können, war die Motivation für die Entwicklung eines Verfahrens bei dem der Ultraschallwandler in Form einer dünnen piezo-elektrischen Schicht auf jeden einzelnen Schraubenkopf aufgebracht wird. Damit kann im Prozess die Ultraschalllaufzeit gemessen und die konkrete Vorspannung beziehungsweise Vorspannkraft ermittelt werden. Die erhöhten Kosten pro Schraube erschweren die Marktakzeptanz dieser Verfahrensweise.