DE102010017348B4

DE102010017348B4 - Probenträger und Verfahren zur Prüfung von Verbindungen zwischen flächigen Materialzuschnitten unter definierten Belastungsrichtungen

Info

Publication number: DE102010017348B4
Application number: DE201010017348
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr.-Ing. Hahn Ortwin; Dominik Teutenberg; Elmar Nordmann; David Hein
Original assignee: Individual
Current assignee: Universitaet Paderborn
Priority date: 2010-06-14
Filing date: 2010-06-14
Publication date: 2012-12-27
Anticipated expiration: 2030-06-15
Also published as: DE102010017348A1

Abstract

Probenträger (1) zur Prüfung einer Verbindung von zwei Probenhälften (3, 4) einer Probe (2) aus flächigen Materialzuschnitten in einer Prüfmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass – er einen Materiallängsträger (9) mit einem Längsspannbereich (10) für eine Probenhälfte (3) besitzt, der an einem Winkelsteller (5) befestigt ist, – der Winkelsteller (5) gelenkig über einen Längsgelenkstab (8) mit einem Einspannkopf (17) verbunden ist, – der Längsgelenkstab (8) unter verschiedenen Prüfwinkeln (A) mit dem Winkelsteller (5) fest verbunden ist, – und er einen Materialquerträger (12) mit einem Querspannbereich (13) für die zweite Probenhälfte (4) besitzt, – der über Zugstäbe (15) gelenkig mit einem Zylinderadapter (16) verbunden ist, wobei die Gelenke der Längsgelenk- und Zugstäbe (8, 15) so angeordnet sind, dass sich bei einem Zug (Z) an dem Einspannkopf (17) und dem Zylinderadapter (16) die zu prüfende Fügeverbindung (21) bei jedem Prüfwinkel (A) in einer Mittelachse zwischen Einspannkopf (17) und Zylinderadapter...

Description

Die Erfindung betrifft einen Probenträger zur Prüfung einer Verbindung von zwei Probenhälften einer Probe aus flächigen Materialzuschnitten in einer Prüfmaschine und ein Verfahren zur Aufbringung definierter Belastungen auf eine solche Verbindung.
Für die Prüfung von Verbindungen von Materialproben in einer Prüfmaschine wird häufig eine Probe aus zwei Probenhälften genutzt, die jeweils als U-förmiges Profil ausgebildet sind. Diese Proben sind als KS2-Proben bekannt geworden und sind in der Patentschrift DE 195 22 247 C1 beschrieben. Sie erlauben die Aufbringung von unterschiedlichen Belastungswinkeln auf die Verbindung und die Aufnahme von Kennwerten der Verbindung bei Prüfbelastung unter diesen Winkel. Diese Winkel entsprechen einer Kombination aus Kopf-, Schäl- oder Scherzug auf die Verbindung. Die Kennwerte umfassen dabei unter anderem die Verformung der Verbindung und die maximale Zugbelastbarkeit. Dabei können die Probenhälften aus gleichartigem oder unterschiedlichem Material bestehen.
Die KS2-Proben sind für die Prüfung von Verbindungen von duktil verformbaren Materialproben, die sich einfach zu den geforderten U-Profilen umformen lassen, gut geeignet. Solche Materialproben bestehen beispielsweise aus Metallen oder thermoplastischen Kunststoffen.
Immer häufiger sollen nun aber die Kennwerte von Verbindungen aus Materialien bestimmt werden, die sich nicht einfach duktil verformen lassen. Dies sind etwa Faserverbundwerkstoffe oder Gussmaterialien, Solche Materialien liegen vielfach als flächige Materialzuschnitte vor.
In der Patentschrift CH 665 482 A5 ist eine Vorrichtung für die Scherfestigkeitsprüfung von Proben dargestellt, die auch für flache Proben genutzt werden kann. Diese Vorrichtung ist allerdings nur für eine Scherfestigkeitsprüfung geeignet, unter anderen Belastungswinkeln kann nicht geprüft werden.
In der Patentanmeldung DE 10 2008 050 387 A1 ist eine Probe zum Einsatz in Zugmaschinen beschrieben. Diese Probe ist flach und auf sie werden Zylinder aufgeschweißt, um die Verbindung mit der Zugmaschine herzustellen. Es sind nur schweißbare Werkstoffe (z, B. Stahlprobe an Stahladapter) prüfbar.
Die Patentanmeldung DE 10 2010 006 406 A1 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der Fügequalität einer Fügeverbindung bei einem flächenhaften Probenkörper. Dieses Verfahren ist nur für eine Prüfung der Verbindung bei einem Kopfzug geeignet. Ein Scherzug kann nicht durchgeführt werden.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Probenträger zur Prüfung flächiger Materialzuschnitte zu offenbaren, mit dem sich die Kennwerte von Verbindungen zwischen den Materialzuschnitten unter verschiedenen Belastungswinkeln bestimmen lassen.
Diese Aufgabe wird durch den Probenträger gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst.
Die abhängigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Der Probenträger für Proben mit flächigen Materialzuschnitten besteht im Wesentlichen aus zwei Hälften, die jeweils an eine Probenhälfte angreifen. Die Probe wird darüber in eine Prüfmaschine eingespannt und unter Zugbelastung gesetzt.
Die Probenhälften können über alle möglichen Verbindungen, also über Schraub-, Niet-, Schweiß- oder Klebeverfahren miteinander verbunden sein.
Eine Hälfte des Probenträgers besitzt einen Materiallängsträger mit einem Längsspannbereich für die erste Probenhälfte und ist an einem Winkelsteller befestigt.
Der Winkelsteller ist wiederum gelenkig über einen Längsgelenkstab mit einem Einspannkopf verbunden, der die Verbindung dieser Hälfte mit der Prüfmaschine herstellt. Der Längsgelenkstab ist unter verschiedenen Prüfwinkeln mit dem Winkelsteller fest verbunden.
Die zweite Hälfte des Probenträgers besitzt einen Materialquerträger mit einem Querspannbereich für die zweite Probenhälfte und ist über Zugstäbe gelenkig mit einem Zylinderadapter verbunden, der die Verbindung dieser Hälfte mit der Prüfmaschine herstellt.
Die Gelenke der Längsgelenk- und Zugstäbe sind so angeordnet, dass sich bei einem Zug an dem Einspannkopf und dem Zylinderadapter die zu prüfende Verbindung bei jedem Prüfwinkel in der Mittelachse zwischen den Anschlussadaptern befindet.
Der Winkelsteller am Materiallängsträger besitzt eine bogenförmige Aufnahmenut mit Seitenschenkeln für den Längsgelenkstab, wobei der Mittelpunkt des Bogens in der Mitte des Probenträgers liegt. In den Seitenschenkeln der Aufnahmenut sind Querbohrungen zur Befestigung des Längsgelenkstabes vorhanden, so dass der Winkelsteller unter verschiednen Prüfwinkeln zwischen den Anschlussadaptern eingespannt werden kann.
Die Querbohrungen sind so durch die Seitenschenkel geführt, dass als Prüfwinkel 0°, 30°, 60° oder 90 einstellbar sind. Mit diesen Winkeln kann die Verbindung der beiden Probenhälften unter reinem Kopfzug oder Scherzug bzw. einer definierten Kombination der Belastungsarten geprüft werden.
Die Einspannung der ersten Probenhälfte erfolgt an dem vorgesehenen Längsspannungsbereich des Materiallängsträgers in der Nähe des Längsgelenkstabes. Gegenüberliegend ist am Materiallängsträger optional ein Zusatzspannbereich vorgesehen, an dem das andere Ende der ersten Probenhälfte eingespannt werden kann. Dieser Zusatzspannbereich ist besonders für eine Zugspannungsbelastung mit Anteilen von Kopf- bzw. Schälzug vorgesehen.
Die Einspannung der zweiten Probenhälfte erfolgt an dem vorgesehenen Querspannungsbereich des Materialquerträgers, der sich in der mittleren Querachse der Probe befindet.
Die Spannbereiche sind vorzugsweise als Plattenelemente ausgeführt, auf denen die Probenhälften mittels einer aufgeschraubten Klemmplatte eingespannt sind. Auf diese Weise kann die Einspannung sehr zugfest erfolgen.
Der Materialquerträger besitzt im Querspannbereich bei der Verbindung eine Ausnehmung, in die Verbindungsmittel, etwa Niet- oder Schraubenköpfe, hineinragen können und somit bei der Prüfung auf Zug nicht stören.
Ebenso ist in dem Materiallängsträger bei der Verbindung eine Ausnehmung vorgesehen, in die die andere Seite eines Verbindungsmittels, also etwa ein Schraubenschaft, hineinragen kann.
Die Aufbringung einer Belastung unter definierten Belastungswinkeln auf die Verbindung von zwei Probenhälften einer Probe aus flächigen Materialzuschnitten mit einem Probenträger wie oben beschrieben sieht vor, dass

– der Längsgelenkstab in dem Winkelsteller in einem vorgesehenen Prüfwinkel befestigt wird,
– die erste Probenhälfte an dem Längsspannbereich eingespannt wird,
– die zweite Probenhälfte an dem Querspannbereich eingespannt wird,
– der Probenträger mit der Probe in eine Zugprüfmaschine eingesetzt wird
– und die Verbindung der Probe mit einem definierten Zug beaufschlagt wird.

Bei der Prüfung sind Prüfwinkel der Verbindung von 0°, 30°, 60° oder 90° vorgesehen, so dass Verbindungskennwerte unter reinem Kopfzug oder Scherzug bzw. einer definierten Kombination der Belastungsarten bestimmt werden können.
Die Prüfmaschine erzeugt über den Probenträger auf die Probe eine definierte Zugspannung. Dies kann als quasistatische, schwingende oder schlagartige Belastung aufgebracht werden. Es sind alle Prüfmaschinen nutzbar, in denen auch eine KS2-Probe genutzt werden kann.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird anhand der 1 bis 4 näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Probe;
2 eine Ansicht von Winkelsteller mit Materiallängsträger;
3 eine Explosionszeichnung des Probenträgers;
4 eine Gesamtansicht des Probenträgers.
Die Probe 2 gemäß 1 besteht aus der ersten Probenhälfte 3 und der zweiten Probenhälfte 4, in deren Überlappungsbereich sich die Verbindung 21 befindet. Die Probenhälften 3, 4 sind rechteckige Materialzuschnitte mit Befestigungslöchern. Die erste Probenhälfte 3 wird in der Längsrichtung im Längsspannbereich 10 eingeklemmt. Bei Bedarf wird auch der Zusatzspannbereich 22 geklemmt. Die zweite Probenhälfte 4 wird seitlich an den Querspannungsbereichen 13 gefasst.
In 2 ist der Winkelsteller 5 mit aufgesetztem Materiallängsträger 9 dargestellt. In dem Winkelsteller 5 befindet sich die bogenförmige Aufnahmenut 6, in deren Seitenschenkel die Winkeleinstelllöcher 7 befinden. Diese bestimmen den Prüfwinkel A. Die Winkeleinstelllöcher 7 sind so angeordnet, dass die Zugachse immer durch den Mittelpunkt M vor dem Materiallängsträger 9 verläuft.
3 zeigt eine Explosionsdarstellung der Einzelteile des Probenträgers 1 und in 4 ist der zusammengebaute Probenträger 1 mit der eingespannten Probe 2 unter einem Prüfwinkel von 0° dargestellt.
Der Probenträger 1 ist oben mit dem Einspannkopf 17 an der Prüfmaschine befestigt. Der Längsgelenkstab 8 ist darin gelenkig befestigt und mit seinem anderen Ende in der Aufnahmenut 6 über die Winkeleinstelllöcher 7 an dem Winkelsteller 5 gefasst. Der Materiallängsträger 9 ist am Winkelsteller 5 vorn befestigt. Er besitzt den Längsspannbereich 10, auf den die Probe 2 mittels der ersten Klemmplatte 11 aufgeklemmt wird. Weiterhin ist der Zusatzspannbereich 18 vorgesehen, an den mittels der zweiten Klemmplatte 14 optional das untere Ende der Probe 2 geklemmt werden kann.
Der Materiallängsträger 9 besitzt in seiner Mitte eine Ausnehmung 20, in die hervorstehende Befestigungsmittel der Verbindung der Probe, beispielsweise Schraubenschäfte, eintauchen können. Damit solche hervorstehenden Befestigungsmittel bei der Prüfung nicht stören, ist auch der obere Teil der zweiten Klemmplatte 14 abgeschrägt.
An dem Materialquerträger 12 wird die zweite Probenhälfte gespannt. Dieser besitzt die Ausnehmung 19, in die hervorstehende Befestigungsmittel der Verbindung der Probe, beispielsweise Schraubenköpfe, hineinragen können.
Der Materialquerträger 12 ist gelenkig über die Zugstäbe 15 mit dem Zylinderadapter 16 verbunden, der wiederum mit der Prüfmaschine verbunden ist.
Die Gelenke an den Zugstäben 15 und an dem Einspannkopf 17 ermöglichen die Winkelstellung der Probe 2, die in 4 mit 0° dargestellt ist. Dabei bleibt die Mitte M der Probe 2, die um die Gelenke des Materialquerträgers 12 schwenkt, an der gleichen Stelle. Die Zugspannung Z verläuft ebenfalls durch die Mitte M der Probe 2. Somit erfolgen alle Belastungen der Verbindung unter allen Prüfwinkeln A in der Mitte der Probe 2.
Bezugszeichenliste

1: Probenträger
2: Probe
3: erste Probenhälfte
4: zweite Probenhälfte
5: Winkelsteller
6: Aufnahmenut
7: Winkeleinstelllöcher
8: Längsgelenkstab
9: Materiallängsträger
10: Längsspannbereich
11: erste Klemmplatte
12: Materialquerträger
13: Querspannbereich
14: zweite Klemmplatte
15: Zugstab
16: Zylinderadapter
17: Einspannkopf
18: Zusatzspannbereich
19: Ausnehmung in 12
20: Ausnehmung in 9
21: Verbindung
22: Zusatzspannbereich
A: Prüfwinkel
M: Mittelpunkt
Z: Zugkraft

Claims

Probenträger (1) zur Prüfung einer Verbindung von zwei Probenhälften (3, 4) einer Probe (2) aus flächigen Materialzuschnitten in einer Prüfmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass – er einen Materiallängsträger (9) mit einem Längsspannbereich (10) für eine Probenhälfte (3) besitzt, der an einem Winkelsteller (5) befestigt ist, – der Winkelsteller (5) gelenkig über einen Längsgelenkstab (8) mit einem Einspannkopf (17) verbunden ist, – der Längsgelenkstab (8) unter verschiedenen Prüfwinkeln (A) mit dem Winkelsteller (5) fest verbunden ist, – und er einen Materialquerträger (12) mit einem Querspannbereich (13) für die zweite Probenhälfte (4) besitzt, – der über Zugstäbe (15) gelenkig mit einem Zylinderadapter (16) verbunden ist, wobei die Gelenke der Längsgelenk- und Zugstäbe (8, 15) so angeordnet sind, dass sich bei einem Zug (Z) an dem Einspannkopf (17) und dem Zylinderadapter (16) die zu prüfende Fügeverbindung (21) bei jedem Prüfwinkel (A) in einer Mittelachse zwischen Einspannkopf (17) und Zylinderadapter (16) befindet.
Probenträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelsteller (5) eine bogenförmige Aufnahmenut (6) mit Seitenschenkeln für den Längsgelenkstab (8) besitzt, wobei der Mittelpunkt (M) des Bogens in der Mitte des Probenträgers (2) liegt, und in den Seitenschenkeln Querbohrungen zur Befestigung des Längsgelenkstabes (8) vorhanden sind, so dass der Winkelsteller (5) unter verschiedenen Prüfwinkeln (A) zwischen dem zwischen Einspannkopf (17) und dem Zylinderadapter (16) einspannbar ist.
Probenträger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Prüfwinkel (A) 0°, 30°, 60° oder 90 einstellbar sind.
Probenträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Materiallängsträger (9) einen Zusatzspannbereich (22) besitzt.
Probenträger nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannbereiche (10, 13, 22) flächig ausgeführt sind, auf denen die Probenhälften (3, 4) mittels aufgeschraubter Klemmplatten (11, 14) eingespannt sind.
Probenträger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialquerträger (12) in dem Querspannbereich (13) bei der Fügeverbindung (21) eine Ausnehmung (19) besitzt.
Probenträger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Klemmplatte (14) auf dem Zusatzspannbereich (22) in Richtung der Verbindung (21) eine Abschrägung besitzt.
Probenträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Materiallängsträger (9) bei der Verbindung eine Ausnehmung (20) besitzt.
Verfahren zur Aufbringung definierter Belastungen auf eine Verbindung von zwei Probenhälften (3, 4) einer Probe (2) aus flächigen Materialzuschnitten mit einem Probenträger (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der Längsgelenkstab (8) in dem Winkelträger (5) in einem vorgesehenen Prüfwinkel (A) befestigt wird, – die erste Probenhälfte (3) an dem Längsspannbereich (10) eingespannt wird, – die zweite Probenhälfte (4) an dem Querspannbereich (13) eingespannt wird, – der Probenträger (1) mit der Probe (2) über den Einspannkopf (17) und den Zylinderadapter (16) in eine Zugprüfmaschine eingesetzt wird – und die Verbindung (21) der Probe (2) mit einem definierten Zug (Z) beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgesehenen Prüfwinkel (A) der Verbindung (21) 0°, 30°, 60° oder 90° betragen.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der definierte Zug (Z) von der Zugprüfmaschine als quasistatische, schwingende oder schlagartige Belastung aufgebracht wird.