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Verfahren zum Ermitteln von dreiachsigen Eigenspannungen im Innern
eines Werkstückes Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln von dreiachsigen
Eigenspannungen im Innern eines Werkstückes, z. B. eines Bleches, bei dem die Spannungen
senkrecht zur Oberfläche des Werkstückes gemessen werden und das Messen der Spannungen
im Meßgebiet in zwei zueinander senkrechten Richtungen parallel zur Oberfläche erfolgt.
Sämtliche Messungen können in Abstufungen durch das Material von der einen bis zur
anderen Oberfläche durchgeführt werden, so daß Feststellungen über die Eigenspannungen
in verschiedenen Höhenlagen erhalten werden.
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Die Möglichkeit zur Messung der Eigenspannungen im Inneren des Materials
ist besonders wertvoll, wenn es auf die Kontrolle eines Schweißgutes ankommt.
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Außerdem hat das Verfahren den Vorteil, daß es keine oder eine sehr
geringfügige Änderung derFestigkeit des Sohweißgutes herbeiführt.
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Es ist ein Verfahren zum Herstellen von spannungsfreien Werkstücken
bekannt. Dazu werden im Fleisch des Werkstückes Probekörper geschaffen, mit denen
innere Spannungen größenmäßig festgestellt werden.
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Mit dem bekannten Verfahren können aber in demselben Meßgebiet Eigenspannungen
nur in einer Reich tung gemessen werden. Es ist auch bekannt, zur Bestimmung der
Spannung in Bauteilen in unmittelbarer Nähe der Meßpunkte die Gesamtspannungen durch
Anbohren zu zerstören und aus der dadurch bedingten Abstandsänderung der Meßpunkte
unter Zuhilfenahme der Ergebnisse entsprechender Spannungsdehnungsgleichungen auf
die an der betreffenden Stelle des Prüfkörpers herrschende Spannung zu schließen.
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Demgegenüber wird mit dem Verfahren nach der Erfindung erreicht,
daß die Eigenspannungen in allen drei Richtungen in demselben Meßgebiet gemessen
werden können. Das ist zur Erzielung genauer Ergebnisse notwendig, außer wenn die
Spannung in einer bestimmten bekannten Richtung Null ist. Bei Gußeisen zum Beispiel
und bei Schweißraupen gibt es aber keine Richtung, in welcher die Spannung Null
ist. Man muß daher, um Größe und Richtung der Eigenspannungen z. B. in einem gegossenen
Gegenstand feststellen zu können, in vielen verschiedenen Richtungen messen.
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Das Verfahren zum Ermitteln von dreiachsigen Eigenspannungen im Innern
eines Werkstückes durch Messung der Werkstückverformung in der Nähe eines aus dem
Werkstück herausgearbeiteten Meßkörpers und der Verformung des Meßkörpers selbst
ist dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei Löcher parallel durch das Material
gebohrt werden und der Abstand zwischen den Löchern in verschiedenen Entfemungen
von der Oberfläche gemessen wird, daß zwei gegenüberliegende Marken oder Meßflächen
auf einander gegenüberliegenden Flächen des Werkstükkes zwischen den Löchern angebracht
werden, daß um die eine Marke als Zentrum ein die Löcher umfassender Meßkörper herausgearbeitet
wird, dessen von der einen Werkstückoberfläche aus gemessene Tief stufenweise vergrößert
wird, bis die andere Werkstückoberfläche erreicht ist, und daß der gegenseitige
Abstand oder die Höhenlagen der Marken mit Bezug auf die anliegende Werkstückoberfläche
jeweils nach erfolgter Vertiefung des Meßkörpers um eine Stufe ermittelt werden,
und daß die Abstände der Löcher in denselben Tiefenstufen wie vorher nach erfolgter
Freilegung des Meßkörpers ermittelt werden. Aus der Messung der Verformungen der
Bohrkerne bzw. der Ursprungskörper wird auf die Spannungen geschlossen.
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Zur Bestimmung der parallel zur Werkstückoberfläche vorhandenen Spannungen
in zwei zueinander senkrechten Richtungen des in Frage kommenden Spannungsfeldes
werden vorteilhaft Messungen in solcher Weise ausgeführt, daß vier parallele Löcher
durch das Werkstück hindurchgebohrt und die Abstände der Löcher in verschiedenen
Höhenlagen gemessen werden. Danach wird der Meßkörper so bestimmt, daß die Löcher
zu ihm gehören und anschließend stufenweise freigelegt und die Messung durchgeführt
wird. Nachdem der Meßkörper aus dem Werkstück völlig freigelegt worden ist, werden
die
Abstände zwischen den Löchern noch einmal in denselben Höhenlagen
wie vorher gemessen und die Verformungen ermittelt, worauf die in verschiedenen
Höhen auftretenden Spannungen berechnet werden.
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Die Messung der Verformungen des Meßkörpers kann mit Hilfe einer
Meßvorrichtung nach Art der bekannten Sphärometer erfolgen.
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Die Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung wird an einem=Ausführungsbeispiel
an Hand der Abbildungen erläutert.
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Fig. 1 und 2 zeigen im Schnitt bzw. in Draufsicht ein Werkstück mit
Eigenspannungen und das Ausnehmen einer Probe; Fig. 3 zeigt die Meßvorrichtung in
Draufsicht; Fig. 4 und 5 zeigen Seitenansichten der Meßvorrichtung mit dem darunter
befindlichen Probekörper im Schnitt; Fig. 6 und 7 zeigen ähnliche Schnitte wie Fig.
1 unter Benutzung des Verfahrens nach der Erfindung.
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In einem geschweißten Blech 1 (Fig. 1 und 2) sind Eigenspannungen
vorhanden, deren Größe an den Oberflächen sowie innerhalb des Bleches senkrecht
zu den Oberflächen und in zwei zueinander senkrechten Richtungen, die in Fig. 2
durch Pfeile angedeutet sind, parallel zur Blechoberfläche ermittelt werden sollen.
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Zu diesem Zweck werden zuerst vier Löcher 2 bis 5 quer durch das
Blechl hindurchgebohrt. Ein passender Durchmesser ist 3 mm und der Abstand zwischen
den Löchern 2 und 4 bzw. 3 und 5 ist vorzugsweise 9 mm. Der Abstand der Löcher für
verschiedene Höhenlagen im Blech wird gemessen und aufgezeichnet.
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Danach werden zwei Marken 6 und 7 auf der Ober-und Unterseite des
Bleches im Umfangsbereich der Löcher 2 und 5 angebracht. Eine Meßvorrichtung nach
Fig. 3 bis 5 wird über dem Blech aufgestellt.
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Die Meßvorrichtung nach Art der bekannten Sphärometer besteht in
einer einfachen Ausführung aus einem Gestell 8 mit drei Füßen 9, 10 und 11, von
denen vorzugsweise zwei, 10 und 11, in zueinander senkrechten Richtungen infolge
der Anordnung dünneren, als Blattfedern ausgebildeten Teilen 12 und 13 schwenkbar
sind. Der dritte Fuß 9 ist im Gestell 8 in der senkrechten Richtung einstellbar.
An der Unterseite des Gestells 8 ist ein Meßarm 14 schwenkbar gelagert und mit einem
nach unten gerichteten Vorsprung 15 ausgebildet. Oberhalb des Gestells 8 ist ein
empfindliches Anzeigegerät 16 angebracht, dessen beweglicher Meßstift 17 gegen den
Meßarm 14 anliegt.
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Sämtliche Füße 9 bis 11 sowie der Vorsprung 15 schließen mit halbkugelförmigen
Enden oder daran vorgesehenen Kugeln.
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Am Blech 1 sind Aussparungenl8 und 19 vorgesehen, so daß die Füße
10 und 11 darin eingreifen können. Die federnde Nachgiebigkeit der Füße 10 und 11
trägt zum sicheren Eingriff der Füße in die Aussparungen auch in dem Falle bei,
daß beim Bohren der Aussparungen geringfügige Abweichungen der Abstände zwischen
dem Vorsprung 15 und dem Fuß 10 bzw. 11 im Vergleich zu den Abständen zwischen der
Marke 6 und den Aussparungen 18 bzw. 19 eingetreten sind. Ähnliche Aussparungen
20 und 21 werden mit Bezug auf die Marke 7 vorgesehen.
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Das Meßgerät wird auf das Blech 1 aufgesetzt, so daß die Füße 10
und 11 in die Aussparungen 18 und 19 eingreifen und der Vorsprung 15 gegen die Marke
6 anliegt. Das Anzeigegerät wird durch Ein-
stellung des Fußes 9 justiert und die
Ausgangsstellung vermerkt. Danach wird das Meßgerät an einen Normalkörper gebracht
und der neue Ausschlag des Anzeigegerätes wird vermerkt. Dasselbe Vorgehen wird
auf der anderen Seite des Bleches 1 mit Bezug auf die Marke 7 wiederholt.
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Dann wird, wie in Fig. 6 gezeigt, eine kreisförmige Vertiefung 22,
wie in Fig. 2 mit strichpunktierten Linien angedeutet, außerhalb der Löcher 2 bis
5, ohne sie zu berühren, erzeugt. Die Vertiefung 22 erhält nur eine begrenzte Tiefe
Z, und ein Meßkörper 23 von begrenzter Höhe wird freigelegt. Danach wird dasselbe
Meßverfahren wie vorher auf beiden Seiten des Bleches durchgeführt und die durch
Vergleich mit dem Normalkörper ermittelten Werte werden aufgezeichnet. Die Vertiefung
22 wird zum Tiefenwert 2 Z vertieft und das Meßverfahren wiederholt. In dieser Weise
fährt man fort, bis die Vertiefung 22 durch das ganze Blech 1 hindurchgeführt worden
ist. Der danach frei gewordene Meßkörper 23 wird dann vermessen zur Ermittlung des
Abstandes zwischen den Löchern 2 und 4 bzw. 3 und 5 in den schon vorher in den Löchern
gemessenen Höhenlagen.
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Man erhält hierdurch Werte über etwa stattgefundene Verformungen
parallel zur Blechoberfläche. Im Zusammenhang mit dem stufenweisen Freilegen des
Meßkörpers wurde die gegenseitige Abstandsänderung der Marken 6 und 7, d. h. in
einer Richtung senkrecht zur Oberfläche, ermittelt, und im Zusammenhang mit der
zuletzt genannten Messung in den Löchern 2 bis 5 wurden die etwaigen Verformungen
in zwei zueinander senkrechten Richtungen, die beide parallel zur Blechoberfläche
sind, - ermittelt. Von diesen Verformungswerten ausgehend, errechnet man dann die
Eigenspannungen.
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Mit der Erfindung ist es somit möglich geworden, Spannungen in drei
verschiedenen Richtungen im Inneren des Werkstückes zu ermitteln, ohne ein materialzerstörendes
Probeverfahren durchzuführen, da das durch die Herausnahme des Meßkörpers entstandene
Loch leicht, z. B. durch Schweißen, ausgefüllt werden kann. In den Fällen, wo etwa
vorhandene Eigenspannungen parallel zum Blech nicht von Bedeutung sind, kann man
sich mit einer Messung allein durch Freilegen des Meßkörpers begnügen, ohne daß
die Löcher 2 bis 5 erforderlich sind. Außerdem kann eine Begrenzung auf nur zwei
Löcher ausreichend oder eine Vermehrung der Zahl der Löcher, z. B. auf sechs, erwünscht
sein.
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Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel wurden die Höhenlagen der
Marken 6 und 7 mit Bezug auf die anliegende Blechoberfläche festgestellt, damit
hierdurch die Ermittlung der gegenseitigen Lage der Marken möglich wird. Es kann
auch ein Gerät Anwendung finden, das diese Abstände direkt ermittelt.
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Statt der Marken 6 und 7 kann eine abgeflachte Oberfläche als Meßgebiet
vorgesehen werden. Dabei braucht nur der Fuß 11 schwenkbar zu sein. Die Abstandsänderung
kann mit Vorteil an einer Mehrzahl von Punkten an der Ober- und Unterseite des Meßkörpers
gemessen werden, wonach daraus der Mittelwert berechnet wird. Man erhält so die
gegenseitige Verschiebung der Ebenen der Oberflächen.