Eigenspannungsanalyse

Eigenspannungsanalyse

Unser Ziel sind eigenspannungsoptimierte Bauteile bei unseren Kunden.
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Eigenspannungsanalyse – Ausgangsbasis

Eigenspannungen sind jene mechanischen Spannungen die in Konstruktionsteilen und Werkstoffen vorkommen, aber nicht auf äußere Betriebsbelastungen zurückzuführen sind. Ursachen für solche Eigenspannungen sind Herstellungsprozesse wie Gießen, Schweißen, Wärmebehandlungen oder eine mechanische Bearbeitung.

Diese prozessbedingten Spannungen sind in vielen Fällen von entscheidender Bedeutung für das Verhalten von Bauteilen hinsichtlich ihrer Betriebssicherheit. Die Problematik liegt darin, dass sich oftmals Eigen- und Betriebsspannungen ungünstig überlagern und zu einem Schadensfall führen, ohne dass die gedachte Grenzlast des Bauteils erreicht wurde. Somit ist klar, dass quantitative Informationen über Größe und Richtung dieser Eigenspannungen über die Betriebssicherheit, Qualität und Leistungsfähigkeit des Bauteils entscheiden. 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 ist eine Vielzahl von Verfahren entwickelt worden, die sich entsprechend den Aufgabenstellungen unterscheiden. Zum Einsatz kommen mechanische oder röntgenografische 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 Bauteil wird eine spezielle DMS-Rosette installiert und danach ein kleines Sackloch durch das Zentrum dieser DMS-Rosette gebohrt. Dieser spezielle DMS misst die Verformungen (Rückfederungen) am Bohrloch, die sich durch die freiwerdenden Eigenspannungen ergeben. Die dabei 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 (HSS-Stirnfräser) oder Hochgeschwindigkeits¬druckluftturbinen mit Hartmetallstirnfräser eingebracht. Die Detektierung der Dehnung erfolgt schrittweise wobei aus den gewonnen Messdaten auf die Eigenspannungen über die Bohrtiefe und den Gesamtdehnungen rückgerechnet wird.

Ablauf einer Eigenspannungsanalyse mittels Bohrlochmethode

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

Röntgenographische 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 eigensetzte 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 Röntgenographischen Verfahrens

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

Leistung

Zusammen mit unseren Partnern realisieren wir die ökonomische und zuverlässige Ermittlung und Bewertung des Eigenspannungszustandes Ihrer Bauteile. Durch die effiziente, an die Problemstellung des Auftraggebers angepasste, Auswahl des Analyseverfahrens ergibt sich eine wirtschaftliche Messstrategie. Unsere Geräteausstattung ermöglicht Eigenspannungsuntersuchungen an schwierigen Bauteilgeometrien und an verschiedensten Werkstoffen. Unser erfahrenes Personal erarbeitet wirtschaftlich und effektiv Analyseergebnisse für eine abgesicherte Entscheidungsgrundlage. Unser Leistungsumfang enthält neben einem aussagekräftigen Ergebnisprotokoll auch eine detaillierte Eingangsdokumentation ihres Bauteils.

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