Introduktion till ultraljudsmätning - lång

Figur 1. Längdmätning mha ultraljud.

Gemensamt för alla metoder baserade på skruvförlängning är att man måste veta (mäta eller beräkna) skruvskaftets styvhet för att kunna beräkna klämkraften utifrån skruvförlängningen.

Det finns två typer av ultraljudsvågor, longitudinella resp. transversella, se Figur 2. Vanligast idag är att man använder longitudinella vågor men även transversella vågor kan användas. Särskilt kombinationen erbjuder spännande möjligheter.

Figur 2. Olika typer av vågor.

Ultraljudsmätning av skruvlängd sker genom att mäta tiden det tar för ultraljudspulsen att färdas fram och tillbaka genom skruven, Time of Flight, (ToF), se Figur 3.

Tiden beror på ljudhastigheten, vilken varierar med material, temperatur och spänning, samt på skruvens fysiska längd. För longitudinella vågor sjunker ljudhastigheten påtagligt p.g.a. dragspänningen. Denna effekt ger ett tillskott till ToF som faktiskt är större än vad som skruvens fysiska förlängning ger. Notera även att spänningen varierar över skruvens längd p.g.a. skruvens utformning och montering.

Figur 3. Längdmätning mha ultraljud (Ex. med longitudinell våg och extern givare).

En referenstid (t0) mäts för den omonterade skruven och en ursprungslängd (L0) beräknas. Skruven monteras och en ny tid (t1) mäts. Skruvförlängningen (ΔL) kan nu uppskattas m.h.a. skillnaden i tid  samt en faktor som kompenserar för sänkt ljudhastighet p.g.a. dragspänningen i den monterade skruven. Med känd skruvstyvhet kan klämkraften beräknas från skruvförlängningen. Klämkraften är proportionell mot tidsskillnaden (Δt) upp till sträckgräns. Över sträckgräns är inte förhållandet linjärt längre.

Transversella vågor påverkas inte på samma sätt som longitudinella vågor av dragspänningen i skruven. Genom att kombinera mätningar på både longitudinella och transversella vågor, s.k. Bi-wave teknik, kan man uppskatta spänningen i ett monterat förband utan att ha gjort en föregående längdmätning på den omonterade skruven.

För att kunna skapa transversella vågor i skruven ställs dock andra krav på både givaren och kopplingen mellan givare och skruv. Detta är en teknik som är i sin linda men som har stor potential för verifikation av klämkraft i kritiska förband.

För att alstra en ultraljudspuls (och registrera ekot) krävs någon form av givare.

För laboratoriebruk dominerar separata och pålimmade givare baserade på piezoteknik. En spänningspuls får piezokristallen att hoppa till och skicka en ljudpuls genom skruven. När ekot kommer tillbaka skakar kristallen till och skickar tillbaka en spänningspuls till instrumentet (jmf. Figur 3). Denna typ av givare kräver dock någon form av kopplingsmedium mellan givare och skruv för att inte signalen skall dämpas för mycket, se Figur 4.

EMAT-givaren (Electro Magnetic Acoustic Transducer) är däremot inte beroende av ett kopplingsmedium då ultraljudspulsen genereras inuti själva skruven av ett snabbt växlande elektromagnetiskt fält, se Figur 4. I princip är därmed metoden beröringsfri men signalen försvagas snabbt om givaren kommer längre från skruven.

EMAT-givaren kan generera både transversella och longitudinella vågor vilket gör det möjligt att använda s.k. Bi-wave teknik för att uppskatta spänningen i skruven direkt i monterat förband.

Figur 4. Till vänster: Separat givare för longitudinella vågor (Glycerin kan ej överföra transversella vågor)
Mitten: Pålimmad piezokristall, kan principiellt anv. även för transversella vågor
Till höger: Princip for EMAT-givare. Kan generera både transversella och longitudinella vågor.

5 Krav på skruvar och förband

För att ultraljudsmätningen skall vara framgångsrik krävs följande av skruvar och förband:

• Skruvar behöver ha planparallella ändytor, slipade eller slagna.
  Detta krävs för en väldefinierad signalöverföring från givaren och ett tydligt eko.
• I förbandet får skruven inte böjas när den monteras.
  Detta kan göra att ekot studsar på skruvens sidor och blir svårtolkat / ger mätfel.
• Förband bör ha långa klämlängder / höga klämkrafter, vilket ger stor skruvförlängning.
  Detta resulterar i att uppmätt förlängning är stor relativt mätfelen.
• Skruvarna bör vara längre än ca 25mm oavsett skruvdiameter.
  Kortare skruvar ger problem med signalbehandlingen (kort tid mellan signal och eko).
  
  Flera skruvtillverkare kan erbjuda skruvar vars ändytor är planparallella redan vid tillverkningen. Därmed behövs ingen extra slipning.

I övrigt behövs ingen materialutveckling då det går utmärkt att mäta på dagens skruvmaterial.

Ultraljudsmätning av skruvar har varit känd sedan mer än 70 år.

Tekniken där man använder slipade skruvar och piezoteknik för longitudinella vågor är väletablerad i labmiljö sedan mer än 20 år.

Däremot har det varit svårare att anpassa tekniken till produktionsmiljö då tekniksteget många gånger varit för stort och att det ställs ytterligare krav på utrustningen:

• Torrt kopplingsmedium mellan givare och skruv (glycerin kladdar och smutsar ner).
• Överföring av signal från roterande givare måste fungera utan störningar.
• Relativt hög samplingshastighet krävs (för styrning av åtdragning).
• Skruvar måste vara lämpliga för metoden (tillverkade med planparallella ändytor).
• Utrustningen måste vara kompatibel med övrig monteringsutrusning.
• Användarvänligheten behöver vara god.

I takt med att mätteknik och övrig monteringsutrustning utvecklas så blir tekniksteget allt mindre till att införa ultraljudsmätningar i produktionsmiljö.

Det här är ett avsnitt som kort förklarar hur olika monteringsstrategier påverkar klämkraften och spridningen i klämkraft. Stycket berör inte ultraljudsteknik direkt utan visar varför högre nyttjandegrad och bättre klämkraftkontroll, t.ex. med ultraljudsteknik, kan spara vikt och pengar.

Momentstyrd montering inom skruvens elastiska område
Momentstyrd montering är den klart vanligaste metoden då den inte kräver så avancerade verktyg och fungerar oberoende av förbandets styvhet. Nackdelen är en stor klämkraftspridning (±30-40%) p.g.a. variationer både i moment och monteringsfriktion.

P.g.a. den stora spridningen begränsas nyttjandegraden av skruven till max ca 50-60% av skruvens brottstyrka. Vid högre nyttjandegrad riskeras avdragna skruvar, se Figur 5b.

Montering till sträckgräns
För att öka nyttjandegraden kan man montera skruven till strax över sträckgräns. Då måste man ha något sätt att avbryta dragningen i tid, innan skruven går av.

Vanligtvis används en s.k. moment + vinkelmontering där dragningen först sker till ett visst moment som åtföljs av en vinkelstyrd montering, se Figur 5c. Genom att begränsa vinkeln så undviker man att överdra förbandet.

Sträckgränsmontering ställer högre krav på monteringsutrustningen (i fabrik) men nyttjandegraden ligger runt 70-80% av skruvens brottstyrka (beroende på hållfasthetsklass) och med betydligt lägre spridning i klämkraft (±10%) än vad momentmontering ger (±30-40%).

Särskilt fördelaktigt med sträckgränsdragning är den högre lägstanivån för klämkraften jämfört med momentmonterade förband. Här ligger en stor potential för att kunna minska vikten, antingen i befintliga förband eller genom att använda färre förband. Detta genom att använda klenare skruvdimensioner eller ha högre klämkraft i varje enskilt förband.

Figur 5. a) Dragprov med jmf. mellan 8.8 och 10.9-skruv (princip).
b) Momentmontering där spridningar i moment och friktion ger stor klämkraftspridning.
c) Principen för moment + vinkelmontering till sträckgräns.

Ultraljudstyrd montering
Med ultraljudstyrd montering kan man uppnå väsentligt mindre klämkraftspridning vid montering under sträckgräns med en klämkraftvariation på ±10% (att jämföra med ±30-40% för traditionell momentkontrollerad montering). Detta ger högre nyttjandegrad och en möjlighet att använda färre förband alt. minska dimensionen på skruven. (Det senare är dessutom oftast fördelaktigt m.a.p. styvhetsfördelning i förbandet).

Efterkontroll m.h.a. Moment eller Ultraljud
Vid efterkontroller används idag normalt någon form av momentkontroll. Det är dock viktigt att komma ihåg att normala momentkontrollmetoder inte förmår mäta klämkraften – bara momentet. Man kan alltså bara kontrollera att förbandet fortfarande har ett visst moment och jämföra detta med t.ex. monteringsmomentet.

Momentkontroller har generellt låg noggrannhet, stort operatörsberoende och kan leda till helt felaktiga slutsatser om friktionen i förbandet ändrats mellan monteringstillfället och kontrolltillfället, t.ex. genom upphettning av förbandet (motorapplikationer) eller korrosion (längre fältprov)

För ultraljudstyrda förband försvinner behovet av efterkontroller för att verifiera att själva monteringen utförts till korrekt klämkraft.

Om ultraljud inte används som styrmetod utan bara vid efterkontroll, kommer ändå precisionen i klämkraftsuppskattningen förbättras radikalt jämfört med vad vanliga momentkontroller kan erbjuda.

Med skruvar anpassade för ultraljudsmätning öppnas också möjligheter för senare uppföljningsmätningar för att bättre uppskatta klämkraftsförluster orsakade av sättningar i förbanden under drift.

Särskilda fördelar vid sträckgränsmontering
Vid sträckgränsmontering kan man låta själva styrningen ske på vinkel eller momentgradient, vilket är väletablerade metoder och oftast ger tillräckligt god precision. Ultraljud användas istället som övervakning/kontrollmetod i samband med dragningen och därmed behövs ingen annan efterkontroll.

Detta är särskilt fördelaktigt i sträckgränsdragna förband där normal processverifiering innebär tidskrävande demontering av förbandet för att mäta permanent skruvförlängning. (Permanent skruvförlängning bör vara ca 0,10mm för att bekräfta att man precis passerat sträckgränsen)

Notera också att vanliga momentkontrollmetoder lämpar sig ännu mindre för sträckgränsdragna förband och därigenom blir ultraljudsmetoder än mer fördelaktiga.

Det finns förhållandevis få produktionstillämpningar då tekniksteget är ganska stort (se stycket om Laboratorieanvändning och produktionsanpassning). Intresset för ultraljudsmätningar är dock stort och en hel del arbete pågår runt om i världen.

• Intellifast GmbH (Grundat 2002) använder en flerlagers piezoelektrisk givare sputtrad direkt på skruvskallen eller skruvspetsen. Applikationen kostar ca 200kr/skruv och har funnit tillämpningar i bl.a. flygindustrin och vindkraftindustrin där precis klämkraft är krav bl.a. för att inte skada kompositmaterial. Intellifast har nått klämkraftsvariationer på < ±5%
• Nedschroef (skruvtillverkare) har tillsammans med Fraunhofer Institute tagit fram en demonstrationsutrustning för ultraljudstyrd montering. (2008)
• Lastbilstillverkaren DAF använder skruv särskilt tillverkad för ultraljudsmätning (Nedsonic från Nedschroef). Man styr ej monteringen m.h.a. ultraljud utan använder ultraljudsmätning av sträckgränsdragna skruvar i sina motorer för att kontrollera processtabiliteten i monteringen.
• Daimler Chrysler (Mercedes lastvagnar) har tidigare använt ultraljudstyrd montering och Nedsonic-skruvar. Så vitt känt har de dock ingen sådan montering idag.
• CETIM (Fransk motsvarighet till Swerea) har använt EMAT och bi-wave teknik för att mäta klämkraft i skruvar, bl.a. på Charles de Gaulle-flygplatsen. SFN har 2010 besökt CETIM och fått tekniken demonstrerad på medhavda skruvar. Med korrekt kalibrering har metoden potential att ge mycket bra resultat.
• Innerspec Technologies Inc. har demonstrerat EMAT-tekniken (ej Bi-wave) för skruvar. (SFN-seminarium 2009). Normalt använder företaget EMAT-teknik för bl.a. inspektion av svetsar och trycktankar men har nu tagit fram en portabel utrustning speciellt avsedd för klämkraftsmätningar i skruvförband.
• Flera skruvtillverkare (Nedschroef, Kamax, Bulten) kan numera erbjuda skruvar som är tillverkade med planparallella ändytor lämpliga för ultraljudsmätningar direkt, dvs. utan kostsam efterbearbetning (slipning). Merkostnaden för sådan skruv jämfört med vanlig skruv är förhållandevis låg.
• USCAR (United States Council for Automotive Research) som är en paraplyorganisation för Daimler Chrysler, Ford och General Motors, har nyligen startat utvecklingsarbete rörande ultraljudstyrd montering.
• Toyota och Honda har också börjat studera ultraljudstyrd montering.
• Status för BMW och VW rörande ultraljudstyrd montering är inte kända för tillfället. Känt är att BMW studerade ultraljudstyrd montering 1993-1996.