WIAP MEMV · Wissen
Beim Schweissen, Giessen, Schmieden oder Zerspanen entstehen im Werkstück Eigenspannungen. Sie verringern die Belastbarkeit und führen bei der weiteren Bearbeitung zu Verzug. Für das Metall entspannen mit Vibration ist das Messen während des Prozesses der wichtigste Teil der Durchführung.
| Methode | Prinzip | Bauteil bleibt ganz? | Geeignet für |
|---|---|---|---|
| Bohrlochmethode | kleines Loch bohren, Dehnung mit Messrosette messen | fast (kleines Loch) | einzelne Punkte |
| Röntgen (sin²ψ-Verfahren) | Abstand der Netzebenen im Kristallgitter bei verschiedenen Kippwinkeln | ja | Oberfläche, Labor |
| Barkhausenrauschen | magnetisches Rauschen ändert sich mit der Spannung | ja | nur magnetische Werkstoffe, Oberfläche |
| Cut-Compliance | Verlauf über einen ganzen Querschnitt durch schrittweises Einschneiden | nein (Schnitt) | grössere Objekte, auch vor Ort |
| Neutronen (POLDI, PSI) | Neutronenbeugung, ortsaufgelöst tief im Bauteil | ja | Forschung, Schweissnähte |
| Stressvision | Scannen und Darstellen von Spannungsfeldern als 2D- und 3D-Karte | ja | ferritische Legierungen, bis ca. 12 bis 15 mm Tiefe |
| Abtragen (in Abklärung) | Material wird schrittweise abgetragen, die Verformung des Bauteils wird gemessen und die Spannung daraus zurückgerechnet | nein (Material wird abgetragen) | Spannungsverlauf in die Tiefe, dürfte zu den genauesten Verfahren gehören |
| G-Verschiebung (WIAP MEMV) | Beschleunigung am selben Messpunkt vor und nach dem Vibrieren vergleichen, mit bis zu 21 Sonden gleichzeitig | ja | ganzes Bauteil, viele Zonen gleichzeitig, 8 Richtungen, im Prozess |
Bohrlochmethode: Ein kleines Loch wird gebohrt, eine Dehnungsmessrosette misst, wie sich das Material um das Loch herum entspannt. Genau, aber nur punktuell.
Röntgen, sin²ψ-Verfahren: Die wichtigste zerstörungsfreie Methode. Eigenspannungen verzerren die Elementarzelle des Kristallgitters. Kippt man die Probe um den Winkel ψ, reflektieren auch Netzebenen, die nicht parallel zur Oberfläche liegen. Aus der Verschiebung der Reflexe berechnet man die Spannung an der Oberfläche.
Barkhausenrauschen: Die WIAP (Hans-Peter und Caroline Widmer) hat vor einigen Jahren bei der EMPA angefragt, ob man gemeinsam Spannungsmessungen machen könne. Nach Besuch und Austausch brachte die EMPA die Idee, ein Barkhausenrauschen-Gerät dafür einzusetzen. Bis dahin kannten wir das Verfahren nicht.
Cut-Compliance: Damit lassen sich Eigenspannungsverläufe über einen ganzen Querschnitt eines Bauteils effizient messen, auch an grösseren Objekten direkt vor Ort.
POLDI am Paul Scherrer Institut (PSI): Ein Neutronen-Diffraktometer für ortsaufgelöste Eigenspannungsmessungen in technischen Bauteilen. 2018 hat die WIAP dort drei Teile vergleichen lassen: spannungsarm geglüht, mit MEMV entspannt und unbehandelt. Auffällig: Die Schweissnaht im geglühten Teil (650 °C, 2 Stunden) war viel weicher geworden, obwohl nur spannungsarm geglüht und nicht weichgeglüht werden sollte. Verschiedene Schweissdrähte reagieren unterschiedlich: einer verliert seine Härte schon bei 550 °C, ein anderer erst bei 650 °C.
Stressvision: Scannt, wertet aus und zeigt Felder mechanischer Spannungen (Rest- und technologische Spannungen) in ferritischen Legierungen als 2D- und 3D-Karten, in Schichten bis etwa 12 bis 15 mm Tiefe.
Abtragen (in Abklärung): Uns ist ein weiteres Verfahren bekannt, das zu den genauesten gehören dürfte. Dabei wird am Bauteil Material Schicht für Schicht abgetragen. Weil sich die Spannungen mit jeder Schicht neu verteilen, verformt sich das Bauteil ein wenig. Diese Verformung wird genau gemessen, und daraus lässt sich der Verlauf der Eigenspannungen in die Tiefe berechnen. Wir klären das Verfahren zurzeit ab und berichten, sobald wir mehr wissen. Daneben haben wir noch weitere eigene Methoden.
| Bachelorarbeit Fachhochschule Windisch, 2011 | Studiengang Maschinenbau, Produktionstechnik. Die Röntgendiffraktometrie zeigte, dass Vibrationsentspannen sowie Vibrieren während des Schweissens die Spannungen um bis zu 25 % senkt. Metallografie und Neutronendiffraktometrie brachten damals kein eindeutiges Ergebnis. |
|---|---|
| Zwischenbericht Vietnam, 2014 | Forschungsprojekt zu einem Restspannungs-Messgerät auf Basis von Stressvision 2.05, Zentrum für zerstörungsfreie Prüfung, Institut für Atomenergie Vietnam. Der Bericht enthält mehrere Messmethoden, die wir in unsere Einzelinfos übernommen haben. Danke an die vietnamesischen Kollegen. Nur eine offene Politik hilft, das Thema Eigenspannungen besser zu überblicken. |
Mit der Bohrlochmethode misst man nur an einzelnen Punkten. Die WIAP-Prüfmethode Typ A, die G-Verschiebung, spart viel Zeit: Sie zeigt am ganzen Bauteil, an beliebigen Stellen, wo Spannungen sind und wo nicht.
| Die G-Werte wandern | am immer gleichen Messpunkt: Es hat Spannungen im Bauteil. |
|---|---|
| Die G-Werte bleiben stabil | vor und nach dem Prozess gleich: Es sind keine Spannungen mehr vorhanden. |
Die Erklärung: Bei Spannungen suchen sich die Atome während des Vibrierens den bequemsten Weg und verschieben sich. In einem spannungsfreien Bauteil sind sie schon am richtigen Ort, das Kristallgitter ist nicht mehr verzerrt, also verschiebt sich nichts mehr.
| Wert | Veränderung | Bedeutung |
|---|---|---|
| G-Wert (Beschleunigung) | ▲ steigt | Das Bauteil schwingt freier, weil die Spannungen nachlassen. |
| Ampere (Motorstrom) | ▼ sinkt | Der Erreger muss weniger gegen das Bauteil arbeiten. |
| Drehzahl | ▲ steigt minimal | Der Erreger läuft leichter. |
Die Verstellung der Exzenterstufen, mit der wir zuerst mit grosser Kraft bei tiefer Drehzahl und danach mit kleinerer Kraft bei höherer Drehzahl vibrieren, ist zum Patent angemeldet: Schweizerische Patentanmeldung Nr. 250/2024, Exzenterverstellung.
Die WIAP hat seit 2014 mehrere Hundert Messungen gemacht. Die Methode wurde Anfang 2017 zum Patent angemeldet. Es gibt nur wenige Messmethoden, die zerstörungsfrei, an vielen Stellen und zu tragbaren Kosten messen. Viele Verfahren funktionieren nur bei magnetischem Material. Die WIAP arbeitet daran, die G-Verschiebung auch für nicht magnetische Werkstoffe nachzuweisen.
Siehe auch: MEMV-Praxis und Protokolle · Lohnarbeit · Fragen und Antworten
