Experimentelle Eigenspannungsanalysen

Bei OCTOGON setzen wir auf zwei verschiedene Methoden, um Eigenspannungsmessungen durchzuführen: die Bohrlochmethode und das röntgenographische Verfahren (XRD).

Beide Methoden dienen dem Messen von Eigenspannungen in Konstruktionsteilen und Werkstoffen, um Belastbarkeit, Dauerfestigkeit oder Einflüsse aus der Fertigung festzustellen.

Warum Eigenspannungsmessungen wichtig sind

Eigenspannungen sind mechanische Spannungen, die in Konstruktionsteilen und Werkstoffen vorkommen, jedoch nicht auf äußere Betriebsbelastungen zurückzuführen sind. Ursachen für solche Eigenspannungen sind Herstellungsprozesse wie Gießen, Schweißen, Wärmebehandlungen oder mechanische Bearbeitung. Diese prozessbedingten Spannungen sind in vielen Fällen entscheidend für das Verhalten von Bauteilen hinsichtlich ihrer Betriebssicherheit. Die Problematik liegt darin, dass sich Eigen- und Betriebsspannungen ungünstig überlagern und zu einem Schadensfall führen können, ohne dass die gedachte Grenzlast des Bauteils erreicht wurde. Quantitative Informationen über Größe und Richtung dieser Eigenspannungen entscheiden somit über Betriebssicherheit, Qualität und Leistungsfähigkeit des Bauteils. Voraussetzung für die Klärung der Ursachen sowie die Bewertung des Einflusses auf das Betriebsverhalten ist die Kenntnis des Eigenspannungszustandes. Die Ermittlung von Eigenspannungen erfolgt durch experimentelle Methoden. Im Laufe der letzten Jahre wurde eine Vielzahl von Verfahren entwickelt, die sich entsprechend den jeweiligen Aufgabenstellungen unterscheiden. Zum Einsatz kommen mechanische oder röntgenographische Verfahren. Unser Ziel sind eigenspannungsoptimierte Bauteile unserer Kunden.

Mechanische Bohrlochmethode

Die Bohrlochmethode kann zwischen zerstörender und zerstörungsfreier Messmethode eingeordnet werden. Der Eingriff in das zu untersuchende Bauteil wird klein gehalten, sodass die Tragfähigkeit nicht beeinträchtigt wird.

Auf das zu untersuchende Bauteil wird eine spezielle DMS-Rosette appliziert. Danach wird ein kleines Sackloch durch das Zentrum dieser DMS-Rosette gebohrt.

Dieser spezielle Dehnungsmessstreifen misst die Verformungen beziehungsweise Rückfederungen am Bohrloch, die sich durch die freiwerdenden Eigenspannungen ergeben.

Die speziell entwickelten DMS-Rosetten verfügen über drei zueinander angeordnete Einzelmessgitter, um die genaue Positionierung des Bohrers zu vereinfachen.

Das Sackloch zur Auslösung der Eigenspannungen hat üblicherweise einen Durchmesser von wenigen Millimetern und wird entweder mit langsamer Schnittgeschwindigkeit, zum Beispiel mit einem HSS-Stirnfräser, oder mit Hochgeschwindigkeits-Druckluftturbinen und Hartmetallstirnfräser eingebracht.

Die Detektierung der Dehnung mittels Bohrlochverfahren erfolgt schrittweise. Aus den gewonnenen Messdaten wird anschließend auf die Eigenspannungen über die Bohrtiefe sowie auf die Gesamtdehnungen rückgerechnet.

Ablauf einer Eigenspannungsanalyse mittels Bohrlochmethode

Beistellteil vom Kunden, zum Beispiel Maschinenteil oder Fahrzeugteil Klärung, an welchen Stellen Eigenspannungen ermittelt werden müssen Festlegung der DMS-Applikationsstellen Bei Bedarf mechanische Anpassung der Bauteile, zum Beispiel Erstellung eines 3D-CAD-Modells Auswahl der Dehnungsmessstreifen unter Berücksichtigung des Bauteilwerkstoffes sowie der Umgebungsbedingungen Ausführung der DMS-Applikation sowie Verschaltung Verschaltung mit Messverstärkern nach Kundenwunsch Kalibrierung des Sensors mit einer speziell für den Anwendungsfall entwickelten Kalibriervorrichtung

Röntgenographisches Verfahren

Für oberflächennahe Eigenspannungsmessungen verwenden wir bevorzugt das Röntgenverfahren mittels Röntgendiffraktometrie (XRD).

Die röntgenographische Bestimmung von Eigenspannungen beruht auf dem Prinzip der Beugung von Röntgenstrahlen an den Gitterebenen eines kristallinen Werkstoffes.

Der Grundgedanke bei der röntgenographischen Spannungsermittlung besteht darin, die in einem elastisch verspannten Werkstoff gegenüber dem spannungsfreien Zustand auftretenden Änderungen der Gitterebenenabstände zu ermitteln. Die ermittelten Dehnungen lassen sich über entsprechende Elastizitätskonstanten in Spannungen umrechnen.

Dieses Verfahren ist nur für kristalline Werkstoffe geeignet. Die eingesetzte Röntgenstrahlung hat eine geringe Eindringtiefe, weshalb eine hohe Tiefenauflösung erreicht wird. Größere Tiefenbereiche können durch schrittweisen elektrochemischen Abtrag mit jeweils nachfolgenden Messungen erreicht werden.

Ablauf einer Eigenspannungsanalyse mittels röntgenographischem Verfahren (XRD)

Ausgeprägte Werkstoffanalyse des beigestellten Bauteils Detaillierte Eingangsdokumentation Festlegung relevanter Messpositionen Spezifikation der zu messenden Eigenspannungsrichtungen Elektrochemischer Tiefenabtrag Referenzmessungen Aussagekräftiges Ergebnisprotokoll

Eigenspannungsmessungen von OCTOGON

Zusammen mit unseren Partnern realisieren wir die wirtschaftliche und zuverlässige Ermittlung sowie Bewertung des Eigenspannungszustandes Ihrer Bauteile.

Unsere Geräteausstattung ermöglicht auch Eigenspannungsuntersuchungen an schwierigen Bauteilgeometrien und an verschiedensten Werkstoffen.

Um Ihnen eine abgesicherte Entscheidungsgrundlage zu geben, erhalten Sie neben einem aussagekräftigen Ergebnisprotokoll auch eine detaillierte Eingangsdokumentation Ihres Bauteils.

Fragen Sie noch heute an und wir unterbreiten Ihnen gerne ein maßgeschneidertes Angebot für die Eigenspannungsanalyse Ihrer Konstruktions- und Bauteile.