Ultraljud i produktionen - lång

Kort version 

1. Allmänt om ultraljudsteknik

Ultraljudstekniken kan lättast beskrivas som en slags ekolodteknik. Man använder sig av högfrekventa ljudvågor, vilka utbreder sig i detaljen, och studerar sedan de ekon som uppstår. Ultraljudet utbreder sig som vågor i det undersökta materialet. Vågorna kan vara både longitudinella och transversella. Tekniken tillämpas för många olika applikationer, såsom sprickdetektering, materialkaraktärisering, härddjupsmätning samt mätning av klämkraft hos skruvar. I texten om skruvmätning behandlas enbart longitudinella vågor.

Vid mätning på skruvar placeras en sond/givare på skruvskallen där den exciterar en ultraljudspuls (typisk frekvens 5-10MHz). Pulsen kommer att gå igenom skruven och reflekteras tillbaka från dess ändyta och detekteras när den når givaren igen. Man mäter den tid det tar för pulsen att löpa fram och tillbaka genom skruven. Denna tid benämns Time of Flight (ToF), se fig. 1.

Figur 1. Princip for ultraljudsmätning av skruvens längd.

Klämkraftsmätning låter sig göras då skruven vid montering sträcks ut som en fjäder. Skruvförlängningen kan då mätas som skillnaden det tar för pulsen att åka genom den omonterade respektive monterade skruven. För att sedan översätta förändringen i ToF till klämkraft behöver man även känna till ett antal egenskaper hos skruven och förbandet, t ex klämlängd, materialets akustiska egenskaper, skruvens dimensioner och elasticitet. Med kännedom om dessa kan ändringen i ToF översättas till klämkraft. Motsvarande kalibrering kan göras genom mätning på skruven i en dragprovrigg.

För att framgångsrikt genomföra en klämkraftmätning krävs ytterligare några förutsättningar:

1. Det måste finnas ett akustiskt kopplingsmedium mellan givare och skruv:
   För laboratoriebruk används ofta glycerin (vätska).
   I löpande produktionstillämpning är detta opraktiskt och ett membran av plast eller gummi med lämpliga egenskaper används.
2. Skruvens ändytor måste vara plana och parallella.
   För laboratoriebruk görs detta normalt genom slipning av vanliga skruvar.
   För produktionstillämpning fabrikstillverkas skruvarna med planparallella ytor.

 
Figur 2. Exempel på ultraljudssignal vid bestämning av skruvens längd. På bilden ses inte bara det första ekot (topp runt 1200 på x-axeln) utan även flera toppar från upprepade ekon (4200, 7200).

2. Tillämpning av ultraljud

För tillämpning av ultraljudstekniken på skruvförband bestäms ToF innan åtdragning och denna tid definieras som klämkraften 0 kN. Efter åtdragning (montering) kommer ToF att öka vilket dels beror på att skruven blir längre, typiskt ca 0.3 mm per 100 mm klämlängd, dels på grund av att pulsen går långsammare, dvs. ljudhastigheten sjunker när axialspänningen ökar. Effekten av den förändrade ljudhastigheten är påtaglig, ca dubbelt så stor som den geometriska effekten av skruvförändringen och bestäms av materialet i skruven. Detta gäller bara för longitudinella vågor. Utbredningshastigheten för transversella vågot påverkas inte av spänningstillståndet.

Skillnaden i ToF före och efter åtdragning är således proportionell mot skruvförlängningen och därigenom även mot klämkraften i skruven upp till sträckgränsen. Över sträckgränsen är inte skruvförlängningen proportionell mot klämkraften längre och då gäller inte den kalibrering som beräknats/mätts för det elastiska området.

Vissa utrustningar har en funktion där klämkraften kan anges direkt, men som tidigare nämnts kräver detta att förbandsgeometrier och materialegenskaper är kända och inmatade (Se även Montering - Metoder att mäta förspänning).

3. Ultraljud i produktionsmiljö

Ultraljudstekniken används idag på speciellt utvalda förband. Dessa är vanligtvis också kritiska förband såsom ramlager, vevstakslager, motorupphängningar och liknande. Tekniken är idag inte så vanligt förekommande inom fordonsindustrin, då den ej nått den mognad och acceptans som krävs. Det finns också mer traditionella alternativa metoder som kan ge många av de fördelar ultraljudstekniken erbjuder. Ultraljudstekniken kan dock ge fördelar som andra tekniker inte kan erbjuda, t ex faktisk klämkraftmätning, som kan användas både för styrning under montering och som kontroll i efterhand. Bland annat den snabba utvecklingen av beräkningskraft hos datorer har öppnat nya möjligheter att utnyttja metoden bättre.

Inom bilindustrin används ultraljud huvudsakligen som en kontrollmetod där utrustningen utnyttjas manuellt. Mätningen sker före och efter åtdragningen för att säkerställa rätt sträckning av skruven och därmed en hållbar klämkraft i förbandet.

Figur 3. Exempel på klämkraftsmätning med ultraljud. ToF mäts före och efter åtdragning. Skillnaden anger via kalibrering klämkraften i förbandet.

Det mest effektiva sättet att använda ultraljud i produktionen är att mäta under montering. Det förutsätter en utrustning som har inbyggda givare i hylsan/hylsorna som ligger an mot skruvskallen under åtdragningen.

Utrustningen mäter ToF direkt vid kontakt mellan givaren i hylsan och skruvskallen strax innan åtdragningen startar. Därigenom får man en nollkraft. Därefter drar man åt till en förprogrammerad skillnad i ToF vilken då motsvarar en känd klämkraft i förbandet. Utrustningen är nu inte längre bara ett kontrolldon utan en metod för att styra åtdragningen i skruvförbandet till en förbestämd klämkraft. Detta innebär i sin tur att åtdragningsmomentet blir mindre intressant.

Man kan (och bör) dock övervaka momentet och åtdragningsvinkeln som en allmän processkontroll men i princip är det oväsentligt då man styr direkt mot klämkraft. Exempelvis krävs att mutterdragaren har momentkapacitet nog att dra skruven till avsedd klämkraft. Om friktionsförhållandena i förbandet har ökat kraftigt kanske detta inte är fallet. Detta avslöjas då av en för liten åtdragningsvinkel.

För en operatör i en monteringslina upplevs denna utrustning precis som vilken annan utrustning eftersom operatören får godkänt vid grön lampa och röd lampa vid icke godkänt. Därmed behöver operatören inte göra några speciella åtgärder p.g.a ultraljudsmetoden.

Den största fördelen med ultraljudstyrd montering är att klämkraften kan styras mycket noggrant (åtdragningsfaktor Fmax/Fmin = 1,05 - 1,2 enligt VDI 2230) och dessutom utan att skruven behöver plasticeras. Därmed ökas utnyttjandegraden av skruven avsevärt. Detta kan leda till en reducering av antalet och/eller dimension på skruvarna, vilket i sin tur leder till en viktminskning.

Eftersom man i processen mäter längden på skruven innan åtdragning har man också kontroll på att rätt skruv blir monterad. Med moment/vinkelövervakning kan även säkerställas att skruven har rätt kvalitet och att monteringsförhållandena i övrigt är som förväntade.

4. Praktisk tillämpning av ultraljud i produktionen

För användning av dagens konventionella ultraljud i produktion krävs att man beaktar följande saker:

• Ett bra kopplingsmedium krävs mellan givare och skruvskalle för att få en bra signalöverföring.
• Det är viktigt att sonden/givaren är i rak linje med skruvens längdaxel för att få ett tydligt och väldefinierat eko.
• Höga krav ställs på att skruvarna har planparallella ändytor för att signalen ej ska störas (Går ej att använda dagens standardskruvar).
• Rätt/konstant tryck mellan sonden/givaren och skruvskalle behövs vid mätning för att bibehålla en korrekt signal.
• En alternativ monteringsanvisning behövs om förbandet kommer att lossas och återmonteras där man inte har tillgång till ultraljudsutrustning.
  

Website administered by Jan Skogsmo, RISE IVF AB, Box 104, 431 22 Mölndal.
Tel. 010-228 46 98. E-mail jan.skogsmo@ri.se