ESPI Bohrlochmethode

Die Bohrlochmethode misst Eigenspannungen indem man in ein Bauteil ein kleines Loch an der zu untersuchenden Stelle einbringt.

prism ESPI inspection

Das Entfernen der Eigenspannungen in diesem Volumen erzwingt eine Umverteilung der verbleibenden Eigenspannungen, was dazu führt, dass sich die Oberfläche um das Loch herum verzerrt. Diese Oberflächenverzerrungen sind meist nur Bruchteile eines Mikrometers, können aber optisch mit ESPI aufgelöst werden. Die Charakteristik des Verzerrungsfelds erlaubt dann die Berechnung der im Bauteil vor dem Bohren vorhandenen Spannungen.

ESPI Hole Drilling

Electronic Speckle Pattern Interferometry (ESPI)

Die Probe wird mit kohärentem Laserlicht bestrahlt. Aufgrund optischer Rauigkeit , wie sie die meisten Probenoberflächen aufweisen, nimmt die Kamera kein scharfes Abbild der Probe auf. Jedes Pixel empfängt Licht von verschiedenen Punkten der Oberfläche. Diese Einzelstrahlen interferieren und produzieren ein sogenanntes Speckle-Muster, das Informationen über die Oberflächentopografie besitzt. Das Speckle-Muster ändert sich wenn sich die Oberfläche verschiebt.

Zur Beschreibung eines Oberflächenzustandes benutzt Prism jeweils einen Satz von vier Bildern, die sich durch den Referenzstrahl unterscheiden, der auch auf den Kamerasensor geleitet wird und dort mit dem Objektstrahl interferiert. Beim Referenzstrahl wird für die vier Bilder die Welle jeweils um 90° verschoben, d.h. die Bilder zeigen Interferenzmuster bei denen die Welle des Referenzstrahles um 0°, 90°, 180° und 270° verschoben ist. Damit lässt sich mathematisch für jedes Pixel ein Phasenwinkel bestimmen. Die Änderung des Phasenwinkels von einem Zustand zum nächsten beschreibt quantitativ wie sich die Oberfläche verschoben hat.

Messprozess

Eine typische Messung beginnt mit der Bestimmung der Position der Messoberfläche relativ zum Ende der Frässpitze. Die visuelle Oberflächenbestimmung ist Standard und für alle Materialien anwendbar. Für elektrisch leitende Materialien kann dies auch automatisiert werden (optional – modifizierter Bohrer).

Die eigentliche Messung umfasst die vom Benutzer gewählten Bohrschritte und Bildaufnahmen. Die Spannungsberechnung erfordert Bildsätze für jeweils den Ausgangs- und Endzustand. Die Bohrtiefen können frei gewählt werden.

Die Software gibt dem Benutzer zahlreiche Variablen um den Bohrvorgang und die Bildaufnahme an die Messgegebenheiten anzupassen. Der Benutzer kann jeden Schritt einzeln starten oder die Tiefenliste automatisch abarbeiten lassen. Die Bildaufnahme ist dann auch automatisch. Der Vorgang kann jederzeit unterbrochen und neu gestartet werden. Zur Dokumentation können Weißlichtbilder der Messfläche gespeichert werden. Die Software stellt die berechneten Spannungsverläufe automatisch grafisch dar. Für jede Messung können mehrere Berechnungen durchgeführt, miteinander verglichen und gespeichert werden. Auch werden Ergebnisse verschiedener Messungen automatisch zusammen dargestellt.

Spannungsberechnung

Die Spannungsberechnung setzt einen ebenen Spannungszustand voraus. Die Tiefenprofile werden nach der Integral-Methode nach Schajer berechnet. Tichonow-Regularisierung, eine Art Kurvenglättung, ist optional. Spannungen werden für das Messkoordinatensystem, d.h. horizontal und vertikal, und das Hauptspannungssystem berechnet. Der Algorithmus berücksichtigt nur die Veränderungen von einer Bohrtiefe zur nächsten, sodass sich Messfehler nicht aufadaieren und die Berechnung selbst stabiler ist.

Literatur zu Prism und Prism-Spannungsberechnung (Englisch)

M. Steinzig and E. Ponslet, “Residual Stress Measurement using the hole drilling method and laser speckle interferometry, Parts I-IV”, Experimental Techniques, Vol.27, Issues 3,4,5,&6, 2003
G. S. Schajer and M. Steinzig, “Full-Field Calculation of Hole-Drilling Residual Stresses from ESPI Data”, Experimental Mechanics, Vol.45, No.6, pp.526-532, 2005
G.S. Schajer and M.B. Prime, “Use of Inverse Solutions for Residual Stress Measurements”, J. Eng. Mater. Technol., 125(3), pp.375-382, 2006
Y. An and G. S. Schajer, “Pixel Quality Evaluation and Correction Procedures in ESPI”, Experimental Techniques, Vol.105, pp.106-112, 2010
G.S. Schajer and T.J. Rickert, “Incremental Computation Technique for Residual Stress Calculations Using the Integral Method”, Experimental Mechanics, Vol.51, No.7, pp.1217-1222, 2011

Literatur zur traditionellen Bohrlochmethode (Englisch)

ASTM E837 – 08e2 Standard Test Method for Determining Residual Stresses by the Hole-Drilling Strain-Gage Method
Good Practice Guide No. 53 – The Measurement of Residual Stresses by the Incremental Hole-Drilling Technique, P V Grant, J D Lord and P S Whitehead, The National Physical Laboratory, UK