DE102004004666B3 - Weld seam/thermally sprayed layer`s quality determining method for e.g. land vehicle, involves using Echelle spectrometer to find grade of mixture of coated material relative to base material by analyzing spectral lines from surface plasma - Google Patents
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Abstract
Description
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Qualitätsbestimmung einer Schweißnaht oder
einer thermischen Spritzschicht nach Patentanspruch 1 sowie eine
entsprechende Vorrichtung nach Patentanspruch 5 sowie deren Verwendung
nach Patentanspruch 7. Verfahren zum Prüfen von Schweißnähten sind
bereits aus
Bei
auftragenden Prozessen wie dem Schweißen (insbesondere dem Laser-Auftragsschweißen) oder
dem thermischen Spritzen bedingt die Vielzahl der Prozess- und Materialparameter
eine große
Schwankungsbreite der resultierenden Eigenschaften des aufgetragenen
Materials. Bekannte Verfahren zur Qualitätsbestimmung sind das Röntgen oder
auch Wirbelstromprüfungen,
mittels denen Fehler wie Poren, oder Einschlüsse festgestellt werden können. Als
weiteres Qualitätskriterium
wird gemäß
Diese Verfahren sind aber nur begrenzt zur Qualitätsbestimmung spezifischer Schichteigenschaften, insbesondere deren Haftung auf dem Basismaterial, geeignet.These However, methods are only limited for determining the quality of specific layer properties, in particular their adhesion to the base material suitable.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Qualitätsbestimmung spezifischer Schichteigenschaften, insbesondere deren Haftung auf dem Basismaterial, anzugeben sowie deren geeignete Verwendung.The The object of the present invention is therefore a method and a device for quality determination specific layer properties, in particular their adhesion to the base material, and their appropriate use.
Die Erfindung ist in Bezug auf das zu schaffende Verfahren und die Vorrichtung zur Qualitätsbestimmung sowie deren Verwendung durch die Merkmale der Patentansprüche 1, 5 und 7 wiedergegeben. Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen.The The invention is related to the method to be created and the device for quality determination as well as their use by the features of claims 1, 5 and FIG. 7. The other claims contain advantageous embodiments and further education.
Die Aufgabe wird bezüglich des zu schaffenden Verfahrens dadurch gelöst, dass als Qualitätsmerkmal der Aufmischungsgrad des aufgetragenen Materials mit dem Basismaterial verwendet wird. Der Aufmischungsgrad ist ein Maß für die Durchmischung des aufgetragenen Materials mit dem Basismaterial. Vorteilhafte Verfahren zur Bestimmung des Aufmischungsgrades sind den Unteransprüchen zu entnehmen.The Task is relative of the process to be created solved by that as a quality feature the degree of mixing of the applied material with the base material is used. The degree of mixing is a measure of the mixing of the applied Material with the base material. Advantageous method for determination the Aufmischungsgrades are given in the dependent claims.
Der Aufmischungsgrad ist im Vergleich zur Einschweißtiefe ein wesentlich besseres Kriterium zur Bestimmung von Schichteigenschaften, insbesondere deren chemischer Eigenschaften und Haftung am Basismaterial. Erfindungsgemäß wird grundsätzlich von einem homogenen Aufmischungsgrad über den Querschnitt des aufgetragenen Materials ausgegangen. Untersuchungen unter realen Bedingungen zeigen, dass diese Annahme weitestgehend gerechtfertigt ist. Inhomogenitäten der Durchmischung machen sich nur bei exotischen Materialkombinationen und extremen Genauigkeitsanforderungen bemerkbar. Aber auch für diesen Fall lassen sich empirisch Korrelationen zwischen Oberflächensignalen, dem Gradienten des Aufmischungsgrades und Qualitätsmerkmalen ermitteln, so dass das erfindungsgemäße Verfahren weiterhin anwendbar bleibt.Of the Mixture degree is a much better compared to the depth of penetration Criterion for the determination of layer properties, in particular their chemical properties and adhesion to the base material. According to the invention is basically of a homogeneous degree of mixing over the cross section of the applied Materials gone out. Investigations under real conditions show that this assumption is largely justified. Inhomogeneities of Mixing is only possible with exotic material combinations and extreme accuracy requirements noticeable. But also for this one Case empirical correlations between surface signals, Determine the gradient of the degree of mixing and quality characteristics, so that the inventive method remains applicable.
Der Aufmischungsgrad lässt sich durch Analyse des Prozessleuchtens oder auch eines speziell erzeugten Plasmas an der Oberfläche des aufgetragenen Materials ermitteln.Of the Discharge level leaves by analyzing the process lighting or even a specially created one Plasmas on the surface determine the applied material.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Bestimmung des Aufmischungsgrades durch Spektralanalyse, vorzugsweise mindestens zweier Spektrallinien, der von dem zu untersuchenden Ort emittierten Strahlung. Dazu werden mittels der Spektralanalyse charakteristische Parameter mindestens je einer charakteristischen Spektrallinie des Basismaterials und einer anderen charakteristischen Spektrallinie des aufgetragenen Materials ermittelt und einem bestimmten Aufmischungsgrad zugeordnet. Die Zuordnungsvorschrift ist vorzugsweise in einer Recheneinheit abgespeichert und dadurch leicht verfügbar. Die Zuordnungsvorschrift kann an exemplarischen Schichten, z.B. Schweißnähten, für typische Materialsysteme durch Kalibrierung/Vergleich mit bekannten Messverfahren (EDX = energiedispersive Röntgenstrahlung, Röntgen-Fluoreszenz, ...) ermittelt werden.In an advantageous embodiment of the method according to the invention the determination of the degree of mixing takes place by spectral analysis, Preferably, at least two spectral lines of the to be examined Place emitted radiation. For this purpose, the spectral analysis becomes characteristic Parameters of at least one characteristic spectral line of the Base material and another characteristic spectral line of the applied material and a certain degree of mixing assigned. The assignment rule is preferably in a computing unit stored and thus easily available. The assignment rule can be applied to exemplary layers, e.g. Welding seams, for typical material systems by calibration / comparison with known measuring methods (EDX = energy dispersive X-radiation, X-ray fluorescence, ...) be determined.
Vorzugsweise erfolgt die Spektralanalyse mittels eines Echelle-Spektrometers. Echelle-Spektrometer erreichen eine sehr hohe Auflösung in großen Spektralbereichen. Echelle-Spektrometer sind für die wichtigsten Spektralbereiche verfügbar und geeignet, insbesondere im sichtbaren, UV- und IR-Bereich.Preferably the spectral analysis is carried out by means of an echelle spectrometer. Echelle spectrometers achieve a very high resolution in huge Spectral regions. Echelle spectrometers are for the most important spectral ranges available and suitable, especially in the visible, UV and IR range.
Ein Echelle-Spektrometer erzeugt viele Spektren mit hohen Ordnungszahlen, die sich zum Teil überlagern. Mittels eines zusätzlichen Prismas im Strahlengang lassen sich die Überlappungen senkrecht zur Aufspreizung des Echelle-Spektrometers aufspalten, so dass ein zweidimensionales Bild von Spektralordnungen entsteht, die in der Austrittsebene des Spektrometers übereinander angeordnet sind. Diese Bild kann von einer im entsprechenden Spektralbereich ansprechenden elektronischen Kamera aufgenommen werden, deren Vielzahl von photoempfindlichen Einzelsensoren (vorzugsweise mehrere Mega-Pixel) dann die gleichzeitige Detektion von mehreren tausend Spektrallinien ermöglicht.An echelle spectrometer generates many spectra with high atomic numbers, which partly overlap. By means of an additional prism in the beam path, the overlaps can be split perpendicular to the spread of the echelle spectrometer, so that a two-dimensional image of spectral orders arises, which in the Austrittsebe ne of the spectrometer are arranged one above the other. This image can be recorded by an electronic camera responsive to the respective spectral range, the plurality of photosensitive individual sensors (preferably several mega pixels) then enabling the simultaneous detection of several thousand spectral lines.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die zu analysierende Strahlung von einem Oberflächenplasma emittiert, welches vorzugsweise von einem kurzen (wenige Nanosekunden) Energieimpuls induziert wird. Der Energieimpuls kann auf verschiedene Art und Weise übertragen werden, z.B. durch Laserbestrahlung oder Mikrowellen oder mittels Lichtbogen oder Funken (arc oder spark emission).In a further advantageous embodiment of the method according to the invention the radiation to be analyzed is emitted by a surface plasma, which is preferably of a short (a few nanoseconds) energy pulse is induced. The energy pulse can in different ways and Transmit manner be, e.g. by laser irradiation or microwaves or by means of Arc or spark (arc or spark emission).
Dabei wird die zu untersuchende Materialschicht in einem kleinen Bereich durch plötzliche Energiezufuhr verdampft und elektronisch angeregt und so ein charakteristisches Oberflächenplasma induziert. Derartige Plasmen zeigen ein typisches Bremsstrahlungs- und Rekombinationskontinuum. Um diese wirkungsvoll zu unterdrücken und die charakteristischen Linienspektren analysieren zu können wird die Spektralanalyse der Energiezufuhr zeitlich nachgeschaltet, vorzugsweise mit einem Versatz von 50 bis 300 ns, insbesondere von 80 bis 150 ns. Dieser zeitliche Versatz gewährleistet eine sichere Zuordnung der individuellen Spektrallinien, insbesondere in höheren Echelle-Ordnungen.there becomes the material layer to be examined in a small area by sudden Energy supply evaporates and electronically excited and so a characteristic surface plasma induced. Such plasmas show a typical bremsstrahlung and recombination continuum. To effectively suppress this and to analyze the characteristic line spectra is the Spectral analysis of the energy supply timed downstream, preferably with an offset of 50 to 300 ns, especially 80 to 150 ns. This temporal offset ensures a secure assignment of the individual spectral lines, in particular in higher Echelle orders.
Die Synchronisation von Energiezufuhr, z.B. Laserpuls, und Messung mit dem Spektrometer kann mit handelsüblichen PC-Steuerkarten und Trigger-Generatoren erfolgen.The Synchronization of energy supply, e.g. Laser pulse, and measurement with The spectrometer can with commercially available PC control cards and Trigger generators take place.
Eine weitere Verbesserung der Genauigkeit der Messergebnisse kann durch zeitlich korrelierte Messungen des Abklingverhaltens erreicht werden. Dazu kann ggf. ein Bildverstärker, insbesondere Restlichtbildverstärker, vorteilhaft eingesetzt werden, um auch bei geringem zeitlichen Abstand, d.h. hoher Aufnahmefrequenz, ausreichend Lichtintensität zu gewährleisten.A Further improvement of the accuracy of the measurement results can be achieved by temporally correlated measurements of the decay behavior can be achieved. To If necessary, an image intensifier, in particular residual light image intensifier, be used advantageously, even at a small time interval, i.e. high recording frequency, to ensure sufficient light intensity.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden abhängig von Basis- und Auftrags material spezifische Spektrallinien ausgewählt und der Analyse zugeführt, welche vorzugsweise in einer Datenbank bereit gehalten werden. Die anderen erfassten Spektralbereiche werden verworfen und nicht analysiert. Dadurch wird die Analyse der relevanten Spektren wesentlich beschleunigt, woraus eine gute online-Fähigkeit des Verfahrens resultiert.In a further advantageous embodiment of the method according to the invention become dependent selected from basic and order material specific spectral lines and fed to the analysis preferably kept in a database. The others acquired spectral ranges are discarded and not analyzed. This significantly speeds up the analysis of the relevant spectra, resulting in a good online ability of the procedure results.
Die Aufgabe wird bezüglich der zu schaffenden Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sie ein Echelle-Spektrometer beinhaltet, sowie eine damit verbundene Recheneinheit, in der eine erste Zuordnung zwischen charakteristischen Spektralparametern und dem Auf mischungsgrad des aufgetragenen Materials mit dem Basismaterial und eine zweite Zuordnung zwischen dem Aufmischungsgrad und einer Qualitätsskala gespeichert sind.The Task is relative the device to be created according to the invention achieved in that it includes an echelle spectrometer, as well as an associated one Arithmetic unit in which a first assignment between characteristic Spectral parameters and the degree of mixing of the applied material with the base material and a second allocation between the degree of blending and a quality scale are stored.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung beinhaltet die Vorrichtung zusätzlich eine Einrichtung zur Erzeugung eines Oberflächenplasmas, vorzugsweise einen Kurzpulslaser.In a particularly advantageous embodiment includes the device additionally a device for generating a surface plasma, preferably a Short pulse laser.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung sind besonders geeignet zur Verwendung in der Fahrzeugindustrie, vorzugsweise bei der Herstellung von Land- oder Luftfahrzeugen oder deren Teilen.The inventive method and the device according to the invention are particularly suitable for use in the automotive industry, preferably in the manufacture of land or aircraft or their parts.
Nachfolgend
werden das erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung
anhand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert:
Dabei
weist die Vorrichtung ein Echelle-Spektrometer und eine Einrichtung
zur Erzeugung eines kurzen Laserpulses auf, sowie eine damit verbundene
Recheneinheit, in der eine erste Zuordnung zwischen charakteristischen
Spektralparametern und dem Aufmischungsgrad des aufgetragenen Materials
mit dem Basismaterial und eine zweite Zuordnung zwischen dem Aufmischungsgrad
und einer Qualitätsskala
gespeichert sind.The method according to the invention and the device according to the invention will be explained in more detail below with reference to an exemplary embodiment:
In this case, the apparatus comprises an echelle spectrometer and a device for generating a short laser pulse, and an associated computing unit in which a first assignment between characteristic spectral parameters and the degree of mixing of the applied material with the base material and a second assignment between the degree of mixing and a Quality scale are stored.
Das Echelle-Spektrometer beinhaltet ein Echelle-Gitter zur Erzeugung vieler Spektren (im sichtbaren Spektralbereich) mit hohen Ordnungszahlen, die sich zum Teil überlagern, sowie ein zusätzliches Prisma, das derart im Strahlengang angeordnet ist, dass sich die Überlappungen senkrecht zur Aufspreizung des Echelle-Gitters aufspalten, so dass ein zweidimensionales Bild von Spektralordnungen entsteht, die in der Austrittsebene des Spektrometers übereinander angeordnet sind.The Echelle spectrometer includes an Echelle grating for generation many spectra (in the visible spectral range) with high atomic numbers, which partly overlap, as well as an additional one Prism, which is arranged in the beam path such that the overlaps splitting perpendicular to the spreading of the Echelle grating, so that a two - dimensional picture of spectral orders arises, which in the exit plane of the spectrometer are arranged one above the other.
Dieses Bild wird von einer im optischen Spektralbereich ansprechenden elektronischen Kamera aufgenommen, deren Vielzahl von photoempfindlichen Einzelsensoren (8 Mega-Pixel) dann die gleichzeitige Detektion von mehreren tausend Spektrallinien ermöglicht.This Image is of an attractive in the optical spectral range electronic Camera recorded, their large number of photosensitive individual sensors (8 megapixels) then the simultaneous detection of several thousand Spectral lines allows.
Die Recheneinheit enthält Steuerkarten und einen Trigger-Generator mit denen die Einrichtung zur Erzeugung eines kurzen Laserpulses und die elektronische Kamera zur Aufnahme der zweidimensionalen Echelle-Spektren gesteuert und mit einem zeitlichen Versatz von 100 ns synchronisiert werden. Der zeitliche Versatz gewährleistet die Unterdrückung des typischen Bremsstrahlungs- und Rekombinationskontinuums und eine sichere Zuordnung der individuellen Spektrallinien, insbesondere in höheren Echelle-Ordnungen.The arithmetic unit contains control cards and a trigger generator with which the device for generating a short laser pulse and the electronic camera for recording the two-dimensional echelle spectra are controlled and synchronized with a temporal offset of 100 ns. The time offset ensures the suppression of the typical Bremsstrahlung- and Rekom bination continuum and a secure assignment of the individual spectral lines, especially in higher Echelle orders.
In der Recheneinheit ist eine Zuordnungsvorschrift zwischen charakteristischen Spektralparametern und dem Aufmischungsgrad des aufgetragenen Materials mit dem Basismaterial abgespeichert und dadurch leicht verfügbar. Die Zuordnungsvorschrift wurde an exemplarischen Schichten, hier an Auftragsschweißnähten, für typische Materialsysteme, hier: Auftrag von Stellit(Co-Basis-Legierung)-Pulver auf ST37-Stahlproben durch Kalibierung/Vergleich mit bekannten Messverfahren (Analyse energiedispersiver Röntgenstrahlung (EDX), Röntgen-Fluoreszenz-Analyse, ...) ermittelt. Charakteristische Spektralparameter ergeben sich hier insbesondere bei den Fe(I)- und Co(I)-Linien, also bei den Spektrallinien 297,33 nm und 355,54 nm.In The arithmetic unit is an assignment rule between characteristic Spectral parameters and the degree of mixing of the applied material stored with the base material and thus easily available. The Allocation rule has been applied to exemplary layers, here to hardfacing, for typical Material systems, here: Order of stellite (Co-base alloy) powder on ST37 steel samples by calibration / comparison with known measuring methods (Analysis of energy-dispersive X-radiation (EDX), X-ray fluorescence analysis, ...). Characteristic spectral parameters arise here in particular with the Fe (I) and Co (I) lines, ie with the Spectral lines 297.33 nm and 355.54 nm.
Lediglich diese relevanten Linien der detektierten Spektralbereiche werden einer Analyse zugeführt, welche dadurch sehr schnell (also online-fähig) und gleichzeitig präzise erfolgt.Only these relevant lines of the detected spectral ranges become fed to an analysis, which is very fast (online-capable) and precise at the same time.
Die Zuordnungsvorschrift zwischen dem Aufmischungsgrad und einer Qualitätsskala in Hinsicht auf das Haftungsverhalten der aufgetragenen Schicht auf das Basismaterial sowie deren chemische und mechanische Eigenschaften wurde an exemplarischen Schichten empirisch ermittelt.The Allocation rule between the degree of mixing and a quality scale with regard to the adhesion behavior of the applied layer on the base material and its chemical and mechanical properties was empirically determined on exemplary layers.
Das beschriebene Verfahren und die beschriebene Vorrichtung erweisen sich in der Ausführungsform des vorstehend beschriebenen Beispiels als besonders geeignet für die Qualitätsbestimmung des Auftragsschweißens in der Automobil- und Luftfahrtindustrie (z.B. Turbinenschaufeln).The described method and the device described prove in the embodiment of the example described above is particularly suitable for determining the quality of the hardfacing in the automotive and aerospace industries (e.g., turbine blades).
Insbesondere kann so eine deutliche Verbesserung der Substrathaftung und eine definierte Durchmischung erreicht werden, wodurch die mechanischen und chemischen Eigenschaften der Schweißnaht deutlich verbessert werden Especially So can a significant improvement in substrate adhesion and a defined mixing, whereby the mechanical and chemical properties of the weld can be significantly improved
Das beschriebene Verfahren und die beschriebene Vorrichtung können online während eines laufenden Schweißprozesses eingesetzt werden und der Aufmischungsgrad der Schweißraupe bestimmt werden. Dies ermöglicht die Nachregelung und Optimierung der Schweißnaht während des Prozesses.The described method and the device described can online while a running welding process are used and the degree of mixing of the bead are determined. this makes possible the adjustment and optimization of the weld during the process.
Das beschriebene Verfahren ist nicht auf das Laserschweißen beschränkt, sondern für jedes Auftragsverfahren unter Energiezufuhr, z.B. auch Plasma- oder Elektronenstrahl-Schweißen anwendbar.The described method is not limited to the laser welding, but for each Application method under energy supply, e.g. also plasma or electron beam welding applicable.
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