DE102005027260A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Qualitätsbestimmung einer Schweißnaht oder einer thermischen Spritzschicht und Verwendung - Google Patents
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Abstract
Bei auftragenden Prozessen wie dem Schweißen bedingt die Vielzahl der Prozess- und Materialparameter eine große Schwankungsbreite der resultierenden Eigenschaften des aufgetragenen Materials. DOLLAR A Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Qualitätsbestimmung spezifischer Schichteigenschaften, insbesondere deren Haftung auf dem Basismaterial, anzugeben. DOLLAR A Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass als Qualitätsmerkmal der Aufmischungsgrad des aufgetragenen Materials mit dem Basismaterial verwendet wird.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Qualitätsbestimmung einer Schweißnaht oder einer thermischen Spritzschicht nach Patentanspruch 1 sowie eine entsprechende Vorrichtung nach Patentanspruch 6 sowie deren Verwendung nach Patentanspruch 8. Verfahren zum Prüfen von Schweißnähten sind bereits aus der vorangemeldeten, nachveröffentlichen Anmeldung
DE 102004004666 sowieDE 43 13 287 A1 oderDE 33 44 683 A1 bekannt. - 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
DE 43 13 287 A1 die Einschweißtiefe durch Spektralanalyse zweier Ionenlinien eines charakteristischen Elements ermittelt. Ein Echelle-Spektrometer wird inDE 199 00 308 A1 offenbart. Die Erzeugung eines Oberflächenplasmas und dessen Spektralanalyse ist ausDE 43 41 462 A1 oderDE 37 18 672 A1 bekannt. - Diese Verfahren sind aber nur begrenzt zur Qualitätsbestimmung spezifischer Schichteigenschaften, insbesondere deren Haftung auf dem Basismaterial, geeignet.
- Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Qualitätsbestimmung spezifi scher Schichteigenschaften, insbesondere deren Haftung auf dem Basismaterial, anzugeben sowie deren geeignete Verwendung.
- Die Erfindung ist in Bezug auf das zu schaffende Verfahren und die Vorrichtung zur Qualitätsbestimmung sowie deren Verwendung durch die Merkmale der Patentansprüche 1, 6 und 8 wiedergegeben. Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen.
- Die Aufgabe wird bezüglich des zu schaffenden Verfahrens dadurch gelöst, dass als Qualitätsmerkmal der Aufmischungsgrad des mittels eines Bearbeitungskopfes 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.
- 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.
- Der Aufmischungsgrad lässt sich durch Analyse des Prozessleuchtens oder auch eines speziell erzeugten Plasmas an der Oberfläche des aufgetragenen Materials ermitteln.
- Dazu wird ein LIPS-Messkopf (Laser induzierte Plasma Spektroskopie) mit dem Bearbeitungskopf verbunden, d.h. an diesem (abnehmbar und variabel ausrichtbar) befestigt oder in diesen integriert. Der LIPS-Messkopf besteht aus 2 Hohlspiegeln, den Adapterstücken für die Lichtleitfasern und der Verkleidung. Der Laserpuls wird über eine erste Lichtleitfaser zum Messkopf geführt und durch einen ersten Spiegel auf die Probe fokussiert. Die Plasmaemissionen, die in den Raumwinkelbereich des zweiten Holspiegels abgestrahlt werden, werden durch diesen auf eine zweite Lichtleitfaser fokussiert und dem Spektrometer zugeführt.
- Die Bestimmung des Aufmischungsgrades erfolgt 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.
- Die Spektralanalyse erfolgt mittels eines Echelle-Spektrometers oder alternativ mit 2-Wellenlängenspektroskopie mit Interferenzfilter und nachgeschalteter Verstärkereinheit, vorzugsweise einem Photomultiplier. Im Falle der 2-Wellenlängenspektroskopie wird nicht ein größerer Spektralbereich, sondern nur die zur Auswertung herangezogenen Spektrallinien mit hoher Zeitauflösung detektiert. Die Detektion der Linien erfolgt dabei z.B. durch Verwendung eines Systems bestehend aus Interferenzfiltern und Photomultipliern oder einer geeigneten Spektrometerkonfiguration (Czerny-Turner-Spektrometer etc.).
- Wie beschrieben handelt es sich dabei um eine Emissionslinie des Analyten und eine Emissionslinie des internen Standards. Durch Verhältnisbildung dieser Messsignale erhält man die zur Auswertung heranzuziehende Größe. Die Auswahl der beiden Emissionslinien erfolgt meist durch Vorversuche, bei denen aus einem größeren, z.B. mit Hilfe eines Echelle-Spektrometers erfassten, Spektralbereich geeignete elektronische Übergänge mit den zur internen Standardisierung notwendigen physikalischen Eigenschaften ausgewählt werden.
- 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.
- 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 ersten dispersiven Elements (Echelle – Gitter) 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.
- Die zu analysierende Strahlung wird 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).
- 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.
- Die Synchronisation von Energiezufuhr, z.B. Laserpuls, und Messung mit dem Spektrometer kann mit handelsüblichen PC-Steuerkarten und Trigger-Generatoren erfolgen.
- 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.
- In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden abhängig von Basis- und Auftragsmaterial 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.
- Die Aufgabe wird bezüglich der zu schaffenden Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sie ein Spektrometer beinhaltet, 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.
- Die Vorrichtung beinhaltet zusätzlich eine Einrichtung zur Erzeugung eines Oberflächenplasmas, welche einen LIPS-Messkopf beinhaltet sowie vorzugsweise einen Kurzpulslaser, und eine Einrichtung zur Einstellung eines zeitlichen Versatzes zwischen der Erzeugung des Oberflächenplasmas und der Spektralanalyse mittels des Spektrometers.
- 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.
- Nachfolgend werden das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung anhand der Figur und eines Ausführungsbeispiels näher erläutert:
Dabei weist die Vorrichtung ein Echelle-Spektrometer, einen LIPS-Messkopf 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 mittels eines Bearbeitungskopfes aufgetragenen Materials mit dem Basismaterial und eine zweite Zuordnung zwischen dem Aufmischungsgrad und einer Qualitätsskala gespeichert sind. - 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.
- Der Bearbeitungskopf, mit dem das Material auf das Substrat
6 aufgetragen wird, ist wie in der einzigen Figur gezeigt als Koxialdüse3 mit zentralgeführtem Arbeislaserstrahl1 ausgestaltet. Das aufzutragende Material wird über eine oder mehrere Leitungen2 zugeführt. - Der Aufmischungsgrad des aufgetragenen Materials
7 wird mit dem LIPS-Messkopf5 vermessen. Der LIPS-Messkopf weist einen Eingang8 für den Kuzpuls-Messlaser auf sowie einen Messsignalausgang9 zum Detektor. Der LIPS-Messkopf5 beinhaltet ein Spiegelsystem bestehend aus zwei Hohlspiegeln, zum einen zur Umlenkung und Fokussierung der mit einer ersten Lichtleitfaser übertragenen Laserstrahlung auf die Probe, zum anderen zum Sammeln eines Teils der abgestrahlten Plasmaemissionen und deren Fokussierung auf eine zweite Lichtleitfaser, durch die sie dem Spektrometer zugeführt werden. - Das Messsignal (Bild) wird vom Detektor, 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.
- 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.
- 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 Kalibrierung/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 Fe(I)394,4381nm und Co(I)402,3989nm.
- Lediglich diese relevanten Linien der detektierten Spektralbereiche werden einer Analyse zugeführt, welche dadurch sehr schnell (also online-fähig) und gleichzeitig präzise erfolgt.
- 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.
- 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).
- 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
- 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.
- Das beschriebene Verfahren ist nicht auf das Laserschweißen beschränkt, sondern für jedes Auftragsverfahren unter Energiezufuhr, z.B. auch Plasma- oder Elektronenstrahl-Schweißen anwendbar.
Claims (8)
- Verfahren zur Qualitätsbestimmung einer Schweißnaht oder einer thermischen Spritzschicht, bei dem als Qualitätsmerkmal der Aufmischungsgrad des mittels eines Bearbeitungskopfes aufgetragenen Materials mit dem Basismaterial verwendet wird, wobei der Aufmischungsgrad durch Spektralanalyse der von einem durch einen Energieimpuls induzierten Oberflächenplasma emittierten Strahlung mittels eines Spektrometers ermittelt wird, wobei die Spektralanalyse dem Energieimpuls zeitlich nachgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein LIPS-Messkopf (Laser induzierte Plasma Spektroskopie) mit dem Bearbeitungskopf verbunden ist.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spektralanalyse mittels Echelle-Spektroskopie erfolgt oder mittels 2-Wellenspektroskopie mittels Interferenzfilter, vorzugsweise mit nachgeschalteter Verstärkereinheit, insbesondere Photomultiplier.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spektralanalyse mindestens zweier Spektralbereiche der von dem zu untersuchenden Ort emittierten Strahlung erfolgt.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spektralanalyse dem Energieimpuls zeitlich um 50 bis 300 ns, insbesondere 80 bis 150 ns, nachgeschaltet ist.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von Basis- und Auftragsmaterial spezifische Spektralbereiche, welche vorzugsweise in einer Datenbank bereit gehalten werden, ausgewählt und der Analyse zugeführt werden.
- Vorrichtung zur Qualitätsbestimmung einer Schweißnaht oder einer thermischen Spritzschicht zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einem Spektrometer, einer damit verbundenen Recheneinheit, in der – eine erste Zuordnung zwischen Spektralparametern und dem Aufmischungsgrad des mittels eines Bearbeitungskopfes aufgetragenen Materials mit dem Basismaterial und – eine zweite Zuordnung zwischen dem Aufmischungsgrad und einer Qualitätsskala gespeichert sind, einer Einrichtung zur Erzeugung eines Oberflächenplasmas und einer Einrichtung zur Einstellung eines zeitlichen Versatzes zwischen der Erzeugung des Oberflächenplasmas und der Spektralanalyse mittels des Spektrometers dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erzeugung eines Oberflächenplasmas einen LIPS-Messkopf beinhaltet, welcher mit dem Bearbeitungskopf verbunden ist.
- Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erzeugung eines Oberflächenplasmas einen Kurzpulslaser beinhaltet.
- Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und/oder einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 7 in der Fahrzeugindustrie, vorzugsweise bei der Herstellung von Land- oder Luftfahrzeugen oder deren Teilen.
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