-
Verfahren zum Bestimmen der bleibenden Spannungen im Inneren von Werkstücken
und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung bezieht sich allgemein
auf ein elektrisches Meßverfahren zum Bestimmen nichtelektrischer Gsössen und betrifft
ein Verfahren zum Bestimmen der bleibenden Spannungen im Inneren von Werkstücken
sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
-
Es ist erforderlich, die bleibenden Spannungen inWerkstücken großer
Dicke, beispielsweise in Schweißverbindungen, Guß- und Gesenkschmiedestücken, Walzgut
usw. zu ermitteln, da die Leistungsfähigkeit der verschiedenartigsten Kontruktionen
weitgehend von diesen Spannungen abhängt.
-
Bs ist für bleibende Spannungen in Werkstücken mit grosser Dicke spezifisch,
daß höhe und Feld der bleibenden Spannungen in kbhängigkeit von der Dicke des Werkstückes
und dessen Fertigungsverfahren an der Oberflache und im Inneren des Werkstückes
verschieden sind. Daher liefern Verfahren, mit denen die bleibenden Spannungen an
der Werkstückoberfläche gemessen werden, Ergebnisse, anhand derer noch keine Schlüsse
über die Spannungen in
Inneren gezogen werden können; um die erforderlichen
Werte zu erkalten, müssen wie bleibenden Spannungen im Inneren des Werkstücks gemessen
werden.
-
Das Problem, welche Meßverfahren zum Bestimmen der Eigenspannungen
im Inneren des Werkstückes am besten zu verwenden sind, ist sehr kompliziert und
daher noch wenig geklärt. Die bisher vorgeschlagenen Verfahren sind entweder überhaupt
nicht zum bestimmen der bleibenden Spannungen verwendbar oder liefern ungenaue und
fehlerhafte Ergebnisse, so daß die Zweckmässigkeit ihrer Verwendung höchst zweifelhaft
ist, oder geben keine Verstellung über die %Tertsilung der Spannungskomponenten
im Inneren des Werkstückes.
-
Es ist ein Verfahren zur @estimmen der wirksamen Spannungen bekannt,
bei dem die mechanischen Spannungen im Inneren der Werkstücke mit Hilfe von Gebern
gemessen werden, die mittels erhärtendem Material in zuvor gefertigten Löchern einzementiert
werden, wobei jeweils ein Geber in einen noch einzementiert wurde.
-
Die nachteile des bekannten Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung
bestehen darin, daß nur die in einer Richtung wirkende bleibende Spannung Gerlessen
werden kann; daß zum Bestimmen in mehreren Richtungen wirkender Spannungen die zu
untersuchenden Werkstücke mit einer entsjrechenden Zahl von töchern zu versehen
sind, daß die Punkte, in denen die Formänderungskomponenten bei mehrachsigem Spannungszustand
im Inneren des Werkstücks bestimmt werden' relativ weit voneinander entfernt sein
müssen, worunter
die Genauigkeit bei der Beurteilung des Spannungszustandes
im betrachteten Punkt leidet; daß es praktisch schwierig ist, den Spannungszustand
in mehreren Punkten im Inneren des untersuchte Werkstückes zu beurteilen und daß
es höchst wahrscheinlich ist, daß dadurch das untersuchte Werkstück zur Weiterverwendung
unbrauchbar wird.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bestimmen
der bleibenden Spannungen im inneren von Werkstükken und eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens zu schaffen, die es gestatten, die bleibenden Spannungen zu messen,
ohne zuvor die zu untersuchenden Werkstücke mit ijöcbern zu versehen, deren Zahl
von der unzahl der messungen und deren @irhcungen abhängt, sowie den Abstand zwischen
den einzelnen Punkten, in denen die Formänderungskomponenten bei mehrachsigem Spannungszustand
im Inneren des werkstücks bestimmt werden, zu vermindern, wodurch die Genauigkeit
bei der Beurteilung des Spannungszustandes in betrachteten Punkt steigt, und den
Spannungszustand in mehreren punkten in Inneren des untersuchten Werkstückes zu
beurteilen, olule daß das untersuchte Werkstück zur Weiterverwendung unbrauchbar
wird.
-
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß beim essen der Dleibenden Sr,
annungen im Inneren der ; er : stücke mit Hilfe von Gebern, die durch erhärtendes
Material in zuvor in den Werkstükken vorgesehenen Löchern einzementiert werden,
erfindungsgemäß in das gefertigte Loch eine Vorrichtung mit mindestens einer räumlichen
Geberdose zum @essen der linearen Formänderungen
mindestens in
drei Nichtungen eingesetzt wird,daß danach ein zylindrisches Werkstoffstäbchen ausgeschnitten
wird, das konzentrisch zu dem gefertigten Loch ist, und daß anhand der Größe der
von den Gebern gelieferten Signale die Komponenten des räumlichen Spannungsfeldes
bestimmt werden.
-
Es ist zweckmässig, ein zylindrisches Werkstoffstäbchen auszuschneiden,
dessen Durchmesser ungefähr gleich dem fünffachen Durchmesser des Loches ist.
-
Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens
besteht aus einem Körper, in dem mindestens drei Geber zum @messen der linearen
Formänderungen in mindestens zwei Ebenen eingebaut sind0 Sind die @auptspannungsachsen
im Werkstück bekannt, so ist es zweckmässig, einen Vorrichtungskörper mit darin
in zwei Ebenen eingebauten Gebern zu fertigen, die miteinander Winkel von 900 bilden
Ist eine Hauptspannungsachse im Werkstück bekaiiiit, die bei den anderen jedoch
nicht, so ist es zweckmässig, einen Vorrichtungskörper zu verwenden, dessen Geber
miteinander Winkel von 60° oder 45° bilden Nachstehend wird die Erfindung durch
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
und anhand der Zeichnungen
erläutert; es zeigt Fig. 1 eine Schweißnaht mit einer in ihr eingesetzten Vorrichtung
zum Bestimmen der bleibenden Spannungen im Inneren der Naht, Fig. 2 die Vorderansicht
der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Messen der bleibenden Spannungen, Fig. 3 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen der Spannungen, bei der die Geber Winkel
von 45° miteinander bilden und Fig. 4 eine erfindungsgemässe Vorrichtung zum Dessen
der Spannungen, bei der die Geber Winkel von 600 miteinander bilden.
-
In einem Loch mit dem Durchmesser d = 8 mm, das in Richtung der Schweißnahtdicke
(längs der Achse) oder in einer anderen Richtung gebohrt ist, wird die Vorrichtung
1 (Fig. 1) eingesetzt, mit der die Grösse der Spannungen im Werkstoff 2 bestimmt
werden kann Bs wird, nachdem die Vorrichtung eingesetzt und mittels erhärtendem
Material 3 einzementiert ist, ein Werkstoffstäbchen 4 mit einem Durchmesser von
D = 40 mm aus der Schweißnaht 5 ausgeschnitten. Das Stäbohen ist konzentrisch zu
dem Loch mit d= 8 mm und der in ihm eingesetzten Vorrichtung.
-
Es können, wenn in Werkstoff hohe Spannungen vorhanden sind, dank
der bedeutenden Spannungskonzentration an der Innerfläche des Stäbchens in der Zone
des Loches mit geringem Durchmesser, elastische und bleibende Bormänderungen austreten
Jedoch ändert sich der pannungszustand beim Bohren eines solchen Loches nur unbedeutend
im Abstandes der grser als der fünffache halbmesser dieses Loches ist, beim Ausschneiden
eines Stäbchens mit D = 40 mm konzender trisch zum Loch mit d= 8 mm und in ihm eingesetzten
Vorrichtung 1 wird das Stäbchen von den es umgebenden Verbindungen gelöst, wobei
das Stäbchen 4 infolge Beseitigung der an seiner Außenfläche mit D= 40 mm in allen
Richtungen auftretenden Spannungen verformt wird. In der Zone, die sich ausserhalb
des Preises mit D-5d befindet, ist die Verzerrung des Spannungsfeldes, das in Werkstck
beim Bohren des Loches "d" erzeugt wird, schon gering. Daher verformt sich das Stäbchen
bei Beseitigung der Spannungen1 die im.
-
Werkstück am Umfang des Zylinders mit 40 mm Dmr. vorhanden waren.
-
Da die Beseitigung der Spannungen elastisch und ohne bleibende Formänderungen
vor sich geht, können, indem die Formänderungskomponenten # x, # y, #r beim Ausschneiden
des Stäbchens ermittelt werden, auch die mittleren Spannungen in der Zone bestimmt
werden, welche dem äusseren Durchmesser des Stäbchens gleich sind Hierbei sind das
Loch im Werkstück und die Geber in diesen Loche so anzuordnenX
daß
sie mit den Nauptachsen der Formänderungen zusammenfallen, vorausgesetzt, dab diese
bekannt sind.
-
Nach dem Verfahren kann der Spannungszustand nicht nur in einem, sondern
in mehreren Funkten im Inneren des Werkstoffes bestimmt werden, wenn zu diesem Zwecke
mehrere Geber längs der in dem gefertigten Loch eingesetzten Vorrichtung vorgesehen
werden.
-
Im Gegensatz zu allen anderen früher vorgeschlagener Verfahren, bei
denen die untersuchten Werkstücke zerstört ierden, können nach dem vorliegenden
Verfahren an einer ganzen Reihe von Werkstücken, beispielsweise an Gitterplatten
von Wärmeaustauschapparaten, die bleibenden räumlichen Spannungen im Inneren der
iierkstücke untersucht werden, ohne diese (zur Weiterverwendung) unbrauchbar zu
machen, indem ein Stäbchen aus dem Werkstück ausgeschnitten wird0 Die Vorrichtung
zur Durchführung des Neßverfahrens zum Bestimmen bleibender Spannungen sowie auch
mehrachsiger wirksamer Spannungen im Inneren der Werkstücke besteht aus dem Körper
6 (Fig. 2), in dem die Geber 7 8 und 9, die zur 3estimmung der linearen Formänderungen
dienen, eingebaut sind0 Wenn die Hauptachsen der Formänderungen bekannt sind, wird
ein Körper, beispielsweise aus organischem Glas oder Epoxydharz gefertigt, in dem
die drei Geber 7 8 und 9 zur Messung der linearen Formänderungen in zwei ebenen
angeordnet sind.
-
Die Seberanzeigen werden an den Ausführungen 10 abgenommen.
-
Wenn der Spannungszustand in nehreren Punkten ermittelt werden soll,
sind die zueinander senkrecht stehenden Ebenen mit den in ilmen befindlichen Gebern
in den vorgegebenen Punkten im Inneren des zu untersuchenden werkstoffes anzuordnen.
Der in Längsrichtung der Vorrichtung befindliche Geber wird in eine beliebige der
beiden zueinander senkrechten Ebenen gelegt.
-
Wenn die Hauptachsen der Formänderungen nicht bekannt sind, so besitzt
die Vorrichtung zum Bestimmen der mechanischen Spannungen drei Geber 11, 12 und
13, die sich in einer Ebene befinden und miteinander Winkel von 45° (Fig. 3) oder
600 (Fig. 4) bilden. Der vierte Geber 14 liegt senkrecht zur Ebene der ersten drei
Geber.
-
Zwischen dem Vorrichtungskörper und dem zum Befestigern der Vorrichtung
im Werkstück werwandten erhärtenden Material soll eine gute Adhäsion bestehen. Der
Körperwerkstoff muss ausreichende Verformungsfähigkeit besitzen. Diese Bedingungen
werden beispielsweise bei Messungen bleibender und wirksamer Spannungen bei einer
temperatur bis 300 G in Stahl- oder Aluminiumwerkstücken durch organisches Gals
und erhärtendes Epoxydharz erfüllt.
-
Das erfindungsgemässe Meßverfahren zum Bestimmen der bleibenden Spannungen
im Inneren des Werkstücks und die Vorrichtung
zur Durchführung
des Verfaluells'. können in der echnik. weitgehend bei der Erforschung bleibender
Spannungen in grossen Schweisskonstruktionen (mit bedeutender Dicke) verwandt werden.
Das erwähnte Verfahren und die zugehörige Vorrichtung können auch im Hüttenwesen
zur Erforschung von Grösse und feld der bleibenden Spannungen in Rohlingen, beisielsweise
in gegossenen, gesenkgeschmiedeten, gewalzten und anderen halbfabrikaten, mit grosser
Dicke nach verschiedenartiger Wärmebehandlung verwendet werden.
-
Das erwähnte Verfahren kann auch zur Erforschung von Spannungs relaxationsvorgängen
nach dem Anlassen in Werkstücken mit grossen Abmessungen und grosser Dicke benutzt
werden.
-
Die Vorrichtung dient auch zur Erforschung mehrachsiger Spannungszustände
im Metall von Werkstücken, die sich unter Wirklast oder deren nachahmung befinden.