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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen und verschleißfreien Überwachung von Schweiß- und Spritzprozessen, insbesondere Plasma-Pulver-Auftragschweißen und Hochgeschwindigkeitsflammspritzen. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur berührungslosen Überwachung von Schweiß- oder Spritzprozessen.
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Bei Schweiß- und Spritzprozessen, insbesondere bei solchen, die ein Plasma zwischen der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks und einem Brenner verwenden, müssen viele Prozessparameter eingehalten werden, damit das gewünschte Ergebnis (beispielsweise eine Auftragschweißung) mit der gewünschten Qualität erhalten wird. Problematisch dabei ist, dass bei den derzeit verwendeten Verfahren keinerlei Prozesskontrolle während des laufenden Verfahrens möglich ist. Erst nach Abschluss des Verfahrens kann das Werkstück untersucht werden, um festzustellen, ob das gewünschte Ergebnis erhalten wurde.
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Aus verschiedenen Patentanmeldungen sind bereits Versuche bekannt, insbesondere beim Laserschweißen durch Analyse eines Emissionsspektrums Rückschlüsse auf den ablaufenden Schweißvorgang zu ziehen. Beispiele können in der
EP 1 987 910 A1 , der
EP 0 911 109 A2 , der
US 2008/0210674 A1 und der
DE 43 13 287 A1 gefunden werden.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur kontinuierlichen Überwachung des Schweiß- oder Spritzprozesses in Echtzeit zu ermöglichen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Verfahren zur berührungslosen und verschleißfreien Überwachung von Schweiß- oder Spritzprozessen, insbesondere Plasma-Pulver-Auftragschweißen und Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, vorgesehen, bei dem mittels eines Spektrometers die Emissionen eines zwischen einem Werkstück und einem Brenner erzeugten Plasmas aufgenommen und mittels Emissionsspektroskopie ausgewertet werden. Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass die vom Plasma abgegebene Strahlung charakteristische Intensitätsverteilungen enthält, aus der unmittelbar und eindeutig auf bestimmte Prozessparameter rückgeschlossen werden können. Auf diese Weise kann unmittelbar während eines ablaufenden Schweiß- oder Spritzprozesses überwacht werden, ob die gewünschten Prozessparameter vorliegen, und gegebenenfalls interveniert werden, um zu gewährleisten, dass die Prozessparameter erfüllt werden.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass charakteristische Spektrallinien im Emissionsspektrum ausgewertet werden, beispielsweise für Wasserstoff, Sauerstoff, Kupfer, Wolfram und für Zusatzmaterialien, die beim Schweiß- oder Spritzprozess verwendet werden. Jede dieser Spektrallinien für bestimmte Elemente steht für bestimmte Parameter des Prozesses, die Auswirkungen auf die Qualität des bearbeiteten Werkstücks haben oder Rückschlüsse auf den Zustand der Spritz- oder Schweißvorrichtung ermöglichen. Beispiele für eine kontinuierliche Prozesskontrolle in Echtzeit mittels Emissionsspektroskopie sind dabei: ein Messen der Eisenaufmischung beim Schweißen, sodass nicht mehr in einem „Trial and error”-Prozess die jeweils besten Einstellungen herausgefunden werden müssen. Außerdem ergeben sich kontinuierliche Beschichtungscharakteristiken. Weiterhin können verdampfende Zusatzmaterialien gemessen werden. Auch kann Wasser beziehungsweise Wasserstoff im Plasma gemessen werden, um Wasserleckagen oder Verschleiß von Brennerkomponenten zu erkennen. Verschleiß von Brennerkomponenten kann auch durch das Messen von Kupfer oder Wolfram im Plasma erkannt werden; Kupfer ist charakteristisch als Verschleißmerkmal der Kupferkomponenten des Brenners, während Wolfram charakteristisch als Verschleißmerkmal der Wolframelektrode zum Erzeugen des Lichtbogens ist.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Oberflächentemperatur des Materials des Werkstücks gemessen und als Korrekturfaktor für die Temperatur des Plasmas verwendet. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn es aufgrund einer Eisen-Kontamination des verwendeten Pulvermaterials nicht möglich ist, eine Eisenlinie zu messen. Die Eisenionen haben eine stärkere Strahlung als die Eisenionen des Basismaterials, sodass die Oberflächentemperatur des Basismaterials mit einem Pyrometer gemessen wird und dieser Wert als Korrekturfaktor für die Plasmatemperatur herangezogen wird. Die Plasmatemperatur kann dann durch einen Vergleich von zwei Argonlinien im Emissionsspektrum berechnet werden, um die Elektronentemperatur zu erhalten.
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Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur berührungslosen Überwachung von Schweiß- oder Spritzprozessen, wobei ein Sensor zur Erfassung des Emissionsspektrums eines Plasmas vorgesehen ist, eine Auswerteeinheit, die das erfasste Emissionsspektrum auswertet, insbesondere im Hinblick auf charakteristische Spektrallinien, sowie eine Ausgabevorrichtung, die mit der Auswerteeinheit in Verbindung steht. Mit dieser Vorrichtung kann mit vergleichsweise geringem Aufwand das Emissionsspektrum des Plasmas im Hinblick auf Spektrallinien ausgewertet werden, die für die vorliegenden Prozessparameter charakteristisch sind.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass es sich bei der Ausgabeeinheit um einen Bildschirm handelt. In diesem Fall kann die Vorrichtung insbesondere in einem manuellen Modus betrieben werden, bei dem ein Bediener die von der Auswerteeinheit erfassten und entsprechend aufbereiteten Informationen auf dem Bildschirm anzeigt. Der Bediener ist dann in der Lage, die Prozessparameter in einer geeigneten Weise nachzujustieren, falls ein bestimmter Wert außerhalb eines vordefinierten Bereichs liegt.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass es sich bei der Ausgabeeinheit um eine Steuervorrichtung handelt, mittels der verschiedene Prozessparameter des Schweiß- oder Spritzprozesses beeinflusst werden können. In diesem Fall wird die Vorrichtung als Teil einer automatisierten Schweiß- oder Spritzvorrichtung verwendet, bei der in Abhängigkeit von der Auswertung des erfassten Emissionsspektrums die Prozessparameter automatisiert nachjustiert werden.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass es sich bei der Vorrichtung um ein transportables Gerät handelt, insbesondere um ein Handgerät. Dieses kann effizient vor Ort zur Überwachung von Spritz- oder Schweißprozessen verwendet werden.
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Alternativ kann die Vorrichtung auch als stationäre Maschine ausgeführt sein, die in eine Spritz- oder Schweißmaschine integriert ist.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Sensor ein kommerziell erhältliches Spektrometer ist. Auf diese Weise lässt sich ein kostengünstiger Aufbau erhalten, da ein erprobtes, mit großen Stückzahlen und daher geringen Kosten erhältliches Bauteil eingesetzt werden kann.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand verschiedener Ausführungsformen beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. In diesen zeigen:
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1 ein schematisches Diagramm über die Abfolge von Prozessinformationen und Befehlen;
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2 schematisch einen geöffneten optisch-spektroskopischen Messkopf;
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3 eine Prinzipskizze des Strahlenverlaufs des Plasmalichts in einem Mess- und einem Referenzkanal;
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4 schematisch einen optisch-spektroskopischen Messkopf mit mobiler batteriebetriebener und mikrocontrollergestützter Auswerteeinheit;
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5 eine zweite Ansicht des Messkopfes und der Auswerteeinheit von 4;
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6 schematisch eine spektroskopische Untersuchung einer Plasmaflamme mittels des Messsensors der 4 und 5;
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7 ein Diagramm von Messwerten, das bei einer Untergrundmessung unter Verwendung von Argon als Prozessgas erhalten wurde;
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die 8 und 9 zwei Diagramme, mit denen die Auswirkung von Kupfer auf das Emissionsspektrum erläutert wird;
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10 ein Diagramm, mit dem die Auswirkungen von Schweißzusatzwerkstoff auf das Emissionsspektrum des Plasmabogens erläutert wird;
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11 ein Diagramm, mit dem die Auswirkungen von Änderungen der Menge des Zusatzwerkstoffs auf das Emissionsspektrum des Plasmabogens erläutert wird;
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12 ein Diagramm, mit dem die Auswirkungen der Variation des elektrischen Stroms auf das Emissionsspektrum des Plasmabogens erläutert wird;
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13 ein Diagramm, mit dem die Auswirkungen einer Variation des Schweißabstandes bzw. der Lichtbogenlänge auf das Emissionsspektrum des Plasmabogens erläutert wird;
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14 ein Diagramm der Messung der Eisenaufmischung während des Schweißens;
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die 15 und 16 Diagramme, mit denen die Auswirkungen von Wasserstoff auf das Emissionsspektrum des Plasmabogens erläutert werden; und
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17 ein Diagramm, mit dem die Auswirkungen der Zugabe von Pulver auf die Plasmaemission einer Jet-Kote-Flamme erläutert wird.
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Nachfolgend wird das erfindungsgemäße System erläutert, mit dem eine berührungsfreie Inspektion von Schweiß- und Spritzbrennern sowie eine Überwachung der Schweiß- und Spritzprozesse (beispielsweise das Plasma-Pulver-Auftragschweißen, das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen). Besonders beim Schweißen sind Fehlerursachen nur schwer und unter großem Zeitaufwand auszumachen. Veränderungen sind nicht zwangsläufig mit dem bloßen Auge erkennbar, so dass das erfindungsgemäße Gerät ein hohes Maß an Prozesssicherheit und Reproduzierbarkeit der Prozesse bieten soll. Zudem kann damit direkt auf Veränderungen reagiert werden, was wiederum auch die Qualität der Arbeit erhöht. Die spektroskopische Online-Prozesskontrolle ermöglicht das Bewerten des zu kontrollierenden Prozesses bezüglich der Qualitätscharakteristik (z. B. Änderungen der Eisenaufmischung) oder Defekten (z. B. Bindefehler durch kurzzeitige Änderungen des Plasmas). Zudem kann der Prozess durch eine Parametervariation direkt kontrolliert beeinflusst werden, die Echtzeitüberwachung gibt ein direktes Feedback. Dadurch wird eine gleichbleibende Beschichtungsqualität trotz sich ständig ändernden Prozesseinflüsse und -charakteristiken ermöglicht.
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Im automatisierten Betrieb soll das Gerät den Prozess nach bestimmten Richtlinien selbst steuern und den Prozess bei Unterschreiten vorher festgelegter Qualitätsmerkmalen kontrolliert stoppen. Das Gerät kann entweder als mobiles Handgerät oder als fest installierte Maschinenkomponente betrieben werden.
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Die Ansprüche des Patentes beziehen sich auf alle Elemente, die mit Spektralfilter in einem Beschichtungsprozess, bei dem ein Plasma entsteht, erfassbar sind. Dabei handelt es sich um Elemente wie Eisen (Fe), Wasserstoff (H), Wolfram (W), Kupfer (Cu), Nickel (Ni), Kobalt (Co), Molybdän (Mo), Bor (Bo), Mangan (Mn), Silizium (Si).
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Falls das Gerät als Maschinenkomponente installiert wird, verläuft der Informations- und Kommandofluss im System wie in 1 dargestellt. Wird ein mobiles Handgerät verwendet, entfällt die Verbindung zwischen Software und SPS.
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Ein Sensor (ein kommerzielles Spektrometer oder ein spezifischer Sensor, angepasst auf ein einzelnes chemisches Element) hat die Aufgabe, das Plasma oder die Flamme des Prozesses zu detektieren. Die durch eine Glasfaser oder Strahlengang übermittelte Information mittels Licht muss in ein elektrisches Signal konvertiert werden. Dafür ist die Kombination von Hardware/Software zuständig, die dann das elektrische Signal verarbeitet und die Daten auf einem Display anzeigt. Der Bediener hat die Auswahl zwischen einem
- – Manuellen Modus: der Bediener liest die gemessenen und konvertierten Daten auf dem Display ab und ist damit in der Lage, korrektive Maßnahmen zu treffen, falls ein spezifischer Wert aus einem zuvor festgelegten Rahmen fällt. Beispielsweise wird dem Bediener angezeigt, dass die Plasmatemperatur pro Zeiteinheit fällt. Eine Maßnahme des Bedieners wäre, den elektrischen Strom zu erhöhen, bis die Plasmatemperatur wieder auf dem gewünschten Niveau ist.
- – Automatikmodus: der Bediener definiert einen spezifischen Bereich für z. B. die Eisenaufmischung beim Plasma-Pulver-Auftragschweißen, in dem sie sich befinden darf. Wird diese Grenze über- oder unterschritten, regelt die Kombination aus Software/Hardware mit Befehlen die SPS so, dass der Eisengehalt wieder das gewünschte Niveau erreicht. Ein Beispiel wäre dazu das Absenken oder Erhöhen des elektrischen Stroms.
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Zusammenfassend hilft die Online-Prozesskontrolle via Emissionsspetroskopie beim
- – Messen der Eisenaufmischung beim Schweißen (kein „trial-and-error” mehr; kontinuierliche Beschichtungscharakteristiken)
- – Messen des verdampfenden Zusatzmaterials (zur Verringerung der Verdampfung metallischer Materialien als Zusatzwerkstoffe)
- – Messen von Wasser bzw. Wasserstoff im Plasma (Erkennen von Wasserleckagen oder Verschleiß der Brennerkomponenten)
- – Messen von Sauerstoff im Plasma (zum Prüfen der Schutzgasabdeckung)
- – Messen von Kupfer im Plasma (Verschleißmerkmal der Kupferkomponenten des Brenners)
- – Messen von Wolfram im Plasma (Verschleißmerkmal der Wolframelektrode zum Erzeugen des Lichtbogens)
- – Messen der Wärmeänderung des Plasmas, Parameteränderungen oder des Verschleißes der Brennerkomponenten oder Defekten
- – Regelmäßigen Check der Brenner auf innere Wasserleckagen, feuchtes Gas oder feuchter Beschichtungswerkstoffe
- – Kontrollieren der Massenstromregler durch chronologischen Vergleich der Wellenlängenintensitäten
- – Erreichen einer konstanten Beschichtungsqualität
- – Erreichen von reproduzierbaren Ergebnissen bei Serienfertigung
- – Einsparen von Zeit und Geld bei einer Fehlersuche aufgrund von Prozessschwierigkeiten (z. B. beim plötzlichen Übergang von einer guten hin zu einer schlechten Beschichtung ohne ersichtlichen Grund)
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Die bisherigen Ergebnisse lassen sich auf ein kommerzielles Spektrometer und auf ein mobiles Messsystem übertragen, wobei das mobile Handgerät zur Messung von Wasserstoff, Kupfer und Wolfram in Plasmen wie folgt funktioniert:
Das Handgerät stellt ein mobiles spektroskopisches Messsystem als batteriebetriebenes Gerät dar, wie es in den 2 und 3 gezeigt ist. In den Messkopf tritt dabei das Plasmalicht mit einem Strahl 1 ein, das vom Beschichtungsprozess stammt und material-charakteristische Emissionslinien enthält. Im Inneren des Messkopfes wird das Plasmalicht mittels eines Strahlteilers 10 in einen Referenzkanal 2 mit Bypassfilter und einen Messkanal 3 mit wellenlängenselektivem Bandpassfilter aufgespalten. Auf diese Weise sind die Voraussetzungen gegeben, um in Echtzeit die berührungsfreie optische Inspektion bei Schweiß- und Spritzbrennern sowie die Überwachung der Prozesse des Plasma-Pulver-Auftragschweißens und des Hochgeschwindigkeitsflammspritzens ermöglicht. Zudem arbeitet das Gerät wartungsfrei und ermöglicht die Messung aus sicherer Entfernung, sodass die Person nicht der starken, gesundheitsgefährdeten Strahlung des Plasmas ausgesetzt ist.
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Um einerseits eine sichere Funktionsweise in der rauen industriellen Umgebung eines Plasmabeschichtungsprozesses zu gewährleisten, andererseits ein portables kostengünstiges Handgerät aufzubauen, wird zur spektroskopischen Analyse des Plasmaspektrums bewusst auf teure und mechanisch empfindliche Gitterspektrometer verzichtet. Stattdessen wird in dem Handgerät die Plasmaemission mit einem nichtabbildenden so genannten ”Lichttrichter” aufgefangen und über einen Strahlteiler in zwei Teilstrahlen für den Mess- und den Referenzkanal aufgespalten, wie in 3 gezeigt ist. Das Licht jedes Teilstrahls wird anschließend über einen optischen Bandpassfilter zu einer Fotodiode geführt. Mittenwellenlänge, Halbwertsbreite sowie Flankensteilheit sind an die zu messenden chemischen Elemente im Plasmabogen angepasst: Im Messkanal befindet sich ein Bandpassfilter, dessen Mittelwellenlänge mit einer charakteristischen, gut separierbaren Emissionslinie des zu messenden Elementes wie Wasserstoff, Kupfer, Chrom usw. übereinstimmt, wobei die volle Halbwertsbreite des Filters in etwa der Linienbreite der Emissionslinie entspricht. Über den Referenzkanal kann das zur späteren Normierung notwendige Signal abgeleitet werden. Dabei liegt die Mittenwellenlänge des Bandpassfilters im Referenzzweig spektroskopisch in einem Bereich, der nicht von Emissionslinien durchsetzt ist.
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Das erfindungsgemäße Handgerät mit Batteriebetrieb, wie es in den 4 bis 6 gezeigt ist, arbeitet unabhängig von einem stationären Computer. Die mit Operationsverstärkern elektrisch aufbereiteten Signale der Fotodioden werden über Tiefpassfilter einem Mikrocontroller zugeleitet, der sowohl die Analog-Digital-Wandlung als auch die Verrechnung nach einem passenden Auswertealgorithmus durchführt. Um möglichst die gesamte Wandlungsbreite des Analog-Digital-Wandlers zu nutzen, kann der Mikrocontroller über eine Widerstandskaskade automatisch die Verstärkungsfaktoren der Operationsverstärker individuell anpassen. Über einen kleinen, im Handgerät integrierten graphikfähigen TFT-Bildschirm gibt der Mikrocontroller die Messwerte aus, zeigt deren Kurvenverlauf an und ermöglicht die Ausgabe von Warnhinweisen. Zusätzlich können noch über eine USB-Schnittstelle die zur Prozesskontrolle notwendigen Parameter ausgegeben werden.
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Mit diesem Messprinzip ist es nunmehr möglich, eventuelle Fehler vor bzw. während des Prozesses zu erkennen, indem man sich aus sicherer Entfernung die Beschichtungsflamme ansieht. Die zur Messung und Auswertung benötigte Zeit liegt im Sekundenbereich, was eine Echtzeit-Prozesskontrolle erlaubt. Der Schweißprozess kann auf diese Weise schnell gestoppt oder in seinen Parametern verändert werden.
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Das erfindungsgemäße Gerät kann zur Detektion von Wasserstoff im Plasma eingesetzt werden. Das Auftreten von Wasserstoff ist ein Hinweis auf Kondensation von Wasser in der Plasmadüse oder in der Gasspeisung (z. B. aufgrund einer Lagerung der Düse bei niedrigen Temperaturen; dieses Problem tritt häufig nach einer mehrstündigen Unterbrechung der Bearbeitung und einer niedrigen Umgebungstemperatur auf). Eine andere mögliche Ursache ist eine Undichtigkeit in der Kühlwasserführung in der Düse. Der dadurch entstehende Wasserdampf führt zu fehlerhaften Beschichtungen. Nicht zu Vernachlässigen und nun messbar ist das Einbringen von Feuchtigkeit in den Prozess durch feuchtes, falsch gelagertes Beschichtungsmaterial wie Pulver oder Stäbe.
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Auch andere Elemente können im Plasma detektiert werden. Das Erkennen von Kupfer kann beispielsweise auf den Verschleiß der Düse hinweisen. Damit ist es sogar möglich, frühzeitig eine Warnmeldung auszugeben, bevor es zum Ausfall der Düse kommt. Das Auftreten des Elementes Wolfram bedeutet ein Ausglühen der Schweißelektrode als Folge einer zu starken Strombelastung oder als Folge eines natürlichen Verschleißes. Auch hierbei ist es nun möglich, Aussagen über den Zustand der Elektrode treffen zu können.
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Prinzipiell lassen sich mit dem spektroskopischen Handgerät auch andere Prozesse untersuchen, bei denen Plasma verwendet wird oder entsteht. Beispiele für solche Prozesse sind das Laserstrahlschneiden und -schweißen, das Plasmaschneiden, das Plasmaspritzen und das klassische Lichtbogenschweißen beziehungsweise sogar auch das Lichtbogenhandschweißen mit umhüllten Stabelektroden.
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Mit einem kommerziellen Spektrometer wurden bereits mehrere Merkmale des Plasma-Pulver-Auftragschweißprozesses untersucht und ausgewertet. Das Plasmaspektrum ohne Pulver zeigt eindeutig Argon-Linien (Ar), wie in 7 gezeigt ist.
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Aufgrund von der hohen Temperaturbelastung der Kupferkomponenten eines Brenners durch z. B. die hohe Plasmatemperatur oder der heißen Wolframelektrode verschleißen diese Bauteile. Das abgetragene Kupfer landet als Kontamination in der Beschichtung mit negativen Folgen. In den 8 und 9 ist zu sehen, dass Kupfer eindeutig im Plasma zu erkennen ist und somit als Verschleißmerkmal dient. Ist die Belastung der Komponenten gering, ist auch kaum Verschleiß vorhanden. Die Kurven 1 zeigen in den 8 und 9 eine Belastung mit Kupfer, und die Kurven 2 zeigen das Emissionsspektrum des Plasmabogens ohne Kupfer.
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Das gleiche Verhalten zeigt sich für das chemische Element Wolfram als Grundbestandteil der stromführenden Elektrode. Glüht diese aufgrund einer hohen Strombelastung aus und ist nicht mehr zu gebrauchen, ist ein Anwachsen der Wolframlinie messbar. Damit wäre eine gezielte Standzeitermittlung der Kupferkomponenten und der Elektrode möglich, um den Prozess zu stabilisieren.
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Wird dem Plasmabogen ein Beschichtungswerkstoff (als Pulver, Stab, Draht) zugegeben, sind auch dessen chemische Elemente im Plasma gut nachweisbar, wie in 10 zu erkennen ist. Dabei zeigt die Kurve 1 das Spektrum des Plasmabogens ohne Schweißzusatzwerkstoff, und die Kurve 2 zeigt das Spektrum mit Schweißzusatzwerkstoff.
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Wird bei gleicher elektrischen Leistung des Plasmas die Menge des Zusatzwerkstoffes erhöht, führt dies z. B. zum weiteren Anwachsen der Kobaltlinien und zu einer Abnahme der Plasmaemission aufgrund einer geringeren Plasmatemperatur. Dies zeigt 11, wobei die Kurve 1 den Ausgangszustand zeigt und Kurve 2 das Spektrum bei erhöhter Menge des Zusatzwerkstoffs.
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Mit dem elektrischen Strom lässt sich die Plasmaemission bzw. die Plasmatemperatur gut regeln, wie in 12 zu sehen ist. Dort ist dargestellt, dass bei einer Erhöhung des elektrischen Stroms eine deutliche Erhöhung der Plasmaemission/-temperatur messbar ist. In 12 zeigt Linie 1 das Emissionsspektrum bei einem Strom von 260 Ampere, während Kurve 2 das Emissionsspektrum bei einem Strom von 300 Ampere zeigt.
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Überlagert man die Informationen aus den 11 und 12, ist bei sich ändernder Menge an Zusatzwerkstoff eine Stromvariation möglich, um eine kontinuierliche Plasmatemperatur zu erhalten. Daraus ergibt sich dann eine gleichbleibende Beschichtungsqualität.
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Wird der Schweißabstand geändert, führt dies zu einer gut messbaren Änderung der Plasmaemission, wie in 13 zu sehen ist. In dieser ist die Variation des Schweißabstandes beziehungsweise der Lichtbogenlänge bei sich ändernder Spannung aufgetragen, wobei die Kurve 1 für eine elektrische Spannung von 25 Volt und die Kurve 2 für eine Spannung von 28 Volt steht.
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Die Änderung der Lichtbogenlänge bringt eine Änderung des inneren Widerstandes des Plasmabogens mit sich, wodurch die elektrische Spannung variiert. Wird beispielsweise die Lichtbogenlänge erhöht, steigt dadurch bei einer Konstantstromquelle die elektrische Spannung, die für eine Lichtbogenentladung nötig ist und dadurch die zugeführte elektrische Leistung. Diese wiederrum erhöht die Plasmaemission.
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Misst man die Plasmaemission und verrechnet diese mit der gemessenen Bauteiloberflächentemperatur kurz vor dem Plasmabogen, lässt sich auf die Eisenaufmischung rückschließen. Damit ist die Plasmatemperatur und auch der Eisengehalt der Schweißung direkt eine Funktion des elektrischen Stroms. Sinkt die Plasmatemperatur z. B. aufgrund einer ausglühenden Elektrode, kann mit der Erhöhung des elektrischen Stroms die Eisenaufmischung konstant gehalten werden. Dies ist in 14 zu sehen, in der die Argontemperatur (a. u.) + Temperatur/300 gegen den Eisengehalt in % aufgetragen ist.
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Eine (hier gezielt erzwungene) Wasserleckage in einem Plasma-Brenner und ihre Folgen sind gut und einfach messbar, wie in den 15 und 16 zu sehen ist. Tritt Wasser als Leckage ein, verdampft es und führt zu einem Absinken der Plasmaemission (Verbrauch von thermischer Energie des Plasmas). Zudem ist das Auftreten der für Wasserstoff charakteristischen Hα-Linie bei 656 nm messbar. In den 15 und 16 steht dabei die Kurve 2 für einen mit Wasserstoff unbelasteten Prozess, während die Kurve 1 für einen Wassereinbruch beziehungsweise eine Wasserstoffzugabe steht.
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Diese Erkenntnisse lassen sich auch auf das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen übertragen.
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Die Emissionsmessung einer Flamme gibt Auskünfte über die allgemeine Prozesstemperatur, in diesem Fall die Partikeltemperatur des Zusatzwerkstoffs. Zudem kann geprüft werden, wie stark der Zusatzwerkstoff verdampft bzw. thermisch belastet wird. Auch das Messen von Wasserstoff lässt hierbei Rückschlüsse auf Wassereinbruch in das System oder auf die Entstehung von Wasser bei der Verbrennung durch Kühlung zu. Wird einem Spritzsystem Wasserstoff gezielt zugegeben (z. B. beim Plasmaspritzen), kann geprüft werden, ob die Ionisation des Wasserstoffs kontinuierlich verläuft und die Plasmatemperatur stets auf gleichem Niveau ist. Da die Komponenten auch bei Spritzsystemen aus Kupfer sind (teilweise auch aus Wolfram), ist hier ebenfalls eine Kontrolle durch das Überwachen von Kupfer- und Wolframlinien durchführbar.
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Zusammenfassend ermöglicht die Erfindung Folgendes:
- – Berührungslose, verschleißfreie Vermessung von Plasmen in Bezug auf alle Elemente, die mit einem Spektralfilter während eines Beschichtungsprozesses erfassbar sind.
- – Bestimmung der Eisenaufmischung beim Schweißen
- – Messen des verdampfenden Zusatzmaterials
- – Messen von Wasser und Wasserstoff im Plasma
- – Messen von Sauerstoff im Plasma
- – Messen von Kupfer im Plasma
- – Messen von Wolfram im Plasma
- – Messen der Wärmeänderung des Plasmas, Parameteränderungen oder des Verschleißes der Brennerkomponenten oder Defekten
- – Regelmäßige Inspektion der Brenner auf innere Wasserleckagen, feuchtes Gas oder feuchter Beschichtungswerkstoffe
- – Kontrollieren der Massenstromregler durch chronologischen Vergleich der Wellenlängenintensitäten
- – Geschlossener Regelkreis möglich: Spektrometer wandelt optische Strahlung in ein elektrisches Signal, dieses wird von Software verarbeitet, welche Befehle in Form von elektrischen Signalen an die Steuerung der Beschichtungsanlage sendet.
- – Automatische Regelung des Schweißstroms zum Regulieren der Eisenaufmischung der Panzerung
- – Kontrolliertes Anhalten des Beschichtungsprozesses beim Unterschreiten vorher festgelegter Qualitätskriterien und festgestellten Fehlern
- – Messen aus sicherer Entfernung (Schutz vor Strahlung, Wärme, Schweißgase) und automatischer Anpassung, sodass der Messabstand irrelevant für das Ergebnis ist.
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Weiterhin ist anzumerken, dass das erfindungsgemäße, spektroskopische Messsystem als mobiles Handgerät oder fest installiert in einer Beschichtungsanlage vorliegen kann. Das mobile Messsystem besteht entweder aus einem kommerziellen Gitterspektrometer oder einer Kombination aus Bandpassfilter und Photodioden, der dazugehörigen Optik und weiteren elektronischen Komponenten wie Mikrocontroller und Widerstandskaskaden, um die Messwerte grafisch auf einem Display anzeigen zu können. Dabei kann die Optik und die Elektronik bzw. das Gitterspektrometer getrennt voneinander vorliegen oder in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht werden (z. B. in Form einer Pistole oder eines Kastens).
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Das Gitterspektrometer kann dazu genutzt werden, um alle in dem Wellenlängenbereich des Gerätes auftretenden Elemente zu messen und zu Informationen zu verarbeiten.
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Das spezifische Spektrometer kann entweder fest auf ein Element ausgerichtet werden oder durch eine Kaskade von selektiven Bandpassfiltern und angepasster Programmierung des Mikrocontrollers auf mehrere für den Prozess charakteristische Elemente. Beispielsweise wäre für den Plasma-Pulver-Auftragschweißprozess eine verschiebbare Bandpassfilter-Kaskade, ausgerichtet auf die Elemente Wasserstoff (H), Kupfer (Cu), Wolfram (W), von Interesse.
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Erfindungsgemäß kann ein kommerzielles Spektrometer für die Messung der Plasmaemission wie z. B. das USB2000 + UV-VIS der Firma Ocean Optics verwendet werden. Sollte ein spezifisches Spektrometer Verwendung finden, wird es selbst hergestellt. Der Unterscheid besteht im Aufbau des Gerätes, das ggf. nur auf wenige chemische Elemente ausgerichtet ist und somit auch eine Kostenreduktion ermöglicht. Zudem wird eine Widerstandskaskade, ein Referenz- und ein Messkanal benutzt, um die Messung unabhängig vom Messabstand zu gestalten. Die Programmierung erfolgt über einen Mikrocontroller bzw. über die Software LabVIEW der Firma National Instruments.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere geeignet für das Auftragschweißen bei Stahlbauteilen, wobei ein Plasmabogen verwendet wird. In einem solchen Fall ist es aufgrund der Eisen-Kontamination des Schweißpulvers nicht möglich, eine Eisenlinie zu messen. Diese Eisenionen haben eine stärkere Strahlung als die Eisenionen des Basismaterials. Aus diesem Grunde wird erfindungsgemäß die Oberflächentemperatur des Basismaterials mittels eines Pyrometers gemessen und als Korrekturfaktor für die Plasmatemperatur herangezogen. Die Plasmatemperatur wird durch Vergleich von zwei Argonlinien berechnet, um die Elektronentemperatur zu erhalten.
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Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass sie als mobiles Handgerät ausgeführt sein kann, da sie sehr kompakt ist und wenige Bauteile erfordert. Die Überwachung beziehungsweise die Auswertung kann mit einer Kombination aus Display und programmiertem Mikrocontroller erfolgen.
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Es ist möglich, sowohl ein Verfahren mit Strahlteilung als auch ein kommerzielles Spektrometer zu verwenden. Wenn ein kommerzielles Spektrometer durch mindestens zwei einfache Silizium-Fotodioden ersetzt wird, ergibt sich ein robusteres, kleineres und auch kostengünstigeres Gerät. Weiterhin ist ein besonderer Vorteil, dass keine Linsen verwendet werden müssen; das Emissionsspektrum kann ohne weitere Hilfe vom Messkopf eingefangen werden.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass störende Randgrößen erfasst werden können, beispielsweise das Vorhandensein von Wasser im Prozess (beispielsweise aufgrund eines feuchten Pulvers, eines feuchten Gases oder eines Defektes am Brenner). Solche störenden Randbedingungen, die Auswirkungen auf die Qualität haben, können unmittelbar erfasst werden.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Anwesenheit von Wasserstoff, Kupfer und Wolfram überwacht werden kann, was hinsichtlich der Funktionalität des Plasmabrenners, der Qualität des Gases und der Zuverlässigkeit des Systems vorteilhaft ist, insbesondere im Hinblick auf einen möglichen Defekt des Plasmabrenners.
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Schließlich kann durch einen Vergleich der Elektronentemperatur (Vergleich von zwei Argonlinien) und der Oberflächentemperatur des Werkstücks der Eisengehalt der aufgetragenen harten Beschichtung auf einem konstanten Level gehalten werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1987910 A1 [0003]
- EP 0911109 A2 [0003]
- US 2008/0210674 A1 [0003]
- DE 4313287 A1 [0003]
