Vorspannkraft-Monitoring mittels Ultraschallmethoden ohne Referenzmessung – Verlässliche Vorspannkraftermittlung für verbaute Schraubenverbindungen

Ultraschallsysteme werden seit über fünfzehn Jahren zur Bestimmung der Vorspannkraft in Schrauben bei der Montage genutzt. Die kommerziell verfügbaren industriellen Systeme basieren auf Longitudinalwellen. Bei der Nutzung dieser Ein-Moden-Methode ist jedoch die Kenntnis der Referenzlaufzeit jeder Schraube im nicht verspannten Zustand und eine material- und schraubfallspezifische Kalibrierung erforderlich [1]. Ziel des vorgestellten Projekts war die Weiterentwicklung und Validierung einer Methode, mit der die Vorspannkraft in Schrauben auch ohne Kenntnis der Referenzlaufzeit jeder Schraube im nicht verspannten Zustand sowohl für ein dauerhaftes Monitoring als auch für stichprobenartiges Überprüfen möglich ist. Hierfür wurde die konventionelle Ultraschall-Laufzeitbestimmung um eine zweite Wellenart ergänzt. Bei der Zwei-Moden-Methode wird zusätzlich zur Longitudinalwelle auch die Transversalwelle verwendet [2]. Durch Anwendung analytischer Berechnungsverfahren kann zudem auch auf die aufwendige experimentelle Kalibrierung verzichtet werden. Hierzu wurden im Rahmen des Projekts verschiedene Schraubenwerkstoffe unterschiedlicher Festigkeitsklassen, Oberflächenschutzsysteme und Durchmesser charakterisiert. Die Bewertung erfolgte mit zunehmender Komplexität. Zunächst wurden die Einflüsse auf die akustoelastischen Konstanten an zylindrischen Werkstoffproben ermittelt. Hierfür wurde eine umfangreiche Grundcharakterisierung durchgeführt, um auch werkstoffabhängige Einflüsse zu identifizieren. Ferner wurden zur Validierung der Zwei-Moden-Methode zahlreiche experimentelle Untersuchungen an Schrauben und Schraubenverbindungen durchgeführt. Hierbei wurden Einflüsse wie Montageverfahren (drehende und ziehende Montage), Oberflächenzustand (Korrosion), Temperatur und Belastungsart (Axial- bzw. Biegebelastung) und schraubfallspezifische Randbedingungen (Variation der Klemm-, Gewinde- und Schaftlänge) untersucht. Neben den möglichen schraubenbezogenen Einflussfaktoren existieren im Rahmen der Ultraschall-Laufzeitmessung ebenfalls mögliche Störquellen, die sich im Rahmen der Zwei-Moden-Methode nachteilig auf die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse auswirken können. Aus diesem Grund wurden im Rahmen des Projekts Methoden zur Datenverarbeitung und Erzeugung robuster Ultraschallsignale zur Optimierung hochpräziser Laufzeitmessungen entwickelt.