DE102013203087A1

DE102013203087A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Messen des Sauerstoffgehalts bei Schweißprozessen

Info

Publication number: DE102013203087A1
Application number: DE102013203087.8A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Harder
Original assignee: Illinois Tool Works Inc
Current assignee: Illinois Tool Works Inc
Priority date: 2013-02-25
Filing date: 2013-02-25
Publication date: 2014-08-28
Also published as: EP2959286A1; WO2014130374A1; DE202014010696U1; US20160003738A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des Sauerstoffgehalts bei Schweißprozessen, insbesondere Schutzgasschweißen, wobei die Vorrichtung mindestens ein Sensorelement zum Erfassen des Sauerstoffgehalts einer Schutzatmosphäre aufweist. Mit dem Ziel eine Vorrichtung zur Messung des Sauerstoffgehalts bei Schweißprozessen anzugeben, welche selbst bei sehr hohen Temperaturen des Schweißprozesses stabile Messwerte für den Restsauerstoffgehalt liefert und bereits nach kürzester Zeit einsatzbereit ist, ist vorgesehen, das Sensorelement als optischen Sauerstoffsensor auszubilden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des Sauerstoffgehalts bei Schweißprozessen gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruches 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Messung des Sauerstoffgehalts gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruches 10.
Demgemäß betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen des Sauerstoffgehalts bei Schweißprozessen, insbesondere Schutzgasschweißen, wobei mindestens ein Sensorelement zum Erfassen des Sauerstoffgehalts einer Schutzatmosphäre vorgesehen ist.
Derartige Vorrichtungen bzw. Verfahren zur Messungen des Sauerstoffgehalts bei Schweißprozessen sind dem Prinzip nach aus dem Stand der Technik bekannt. Insbesondere beim Schutzgasschweißen wird während des Schweißvorganges die Schweißnaht mit einem Schutzgas umströmt, um Sauerstoff zu verdrängen. Bei dem Schutzgas handelt es sich um ein reaktionsträges Gas, das die Schweißnaht vor Oxidation und Verzunderung schützt. Neben einem optischen Makel kann bereits durch leichte Oxidation die Korrosionsbeständigkeit der Schweißnaht stark eingeschränkt werden. Um festzustellen, ob der zu bearbeitende Bereich in ausreichendem Maße mit einem Schutzgas geflutet ist, ist es notwendig, den Restsauerstoffgehalt an der Schweißstelle kontinuierlich zu überwachen.
Insbesondere in der chemischen Industrie werden für Anlagen und Apparate qualitativ besonders hochwertige Schweißverbindungen gefordert. Beispielsweise werden hierzu für die Konstruktion von Reaktionstürmen, Pumpen und Rohren Materialien wie Titan, Tantal oder Zirkonium eingesetzt, welche in der Verarbeitung speziellen Schweißbedingungen bedürfen, um metallurgisch einwandfreie Schweißnähte zu gewährleisten. Dabei ist es nicht selten, dass die durch das Schutzgas erzeugte Schutzatmosphäre einen Sauerstoffgehalt von nicht mehr als 0,001 bis 0,01% (10 bis 100ppm) betragen darf.
Um sicherzustellen, dass ein derartig niedriger Restsauerstoffgehalt in der Schutzatmosphäre tatsächlich vorliegt, muss dieser exakt gemessen werden. Die von Fachkräften oftmals verwendeten Berechnungsformeln über Zeit, Gasmenge und Volumen liefern hier nur sehr grobe Anhaltswerte, die in vielen Anwendungsfällen aber nicht ausreichen. Dementsprechend ist es üblich, zusätzlich zum Schweißgerät, Vorrichtungen zum Messen des Sauerstoffgehalts vorzusehen. Dabei weisen die herkömmlichen Vorrichtungen zum Messen des Sauerstoffgehalts für gewöhnlich ein Sensorelement auf, welches den Sauerstoffgehalt mittels eines Zirkoniumdioxidsensors ermittelt.
Zirkoniumdioxidsensoren funktionieren nach dem Nernst Prinzip. Auf beiden Seiten einer Zirkoniumdioxidmembran werden dünne Platinschichten aufgetragen, die als Elektroden dienen. Die Zirkoniumdioxidmembran und die Elektroden trennen das Messgas (hier Schutzgas) von der Umgebungsluft. Wird die Zirkoniumdioxidschicht auf über 350 Grad erhitzt, so wird sie zu einem Sauerstoffionenleiter. Solange ein Unterschied der Sauerstoffkonzentration auf beiden Seiten der Zirkoniumdioxidmembran besteht, wandern die Sauerstoffionen von der Seite des höheren Sauerstoffpartialdrucks zur Seite des niedrigeren Sauerstoffpartialdrucks, wodurch letztlich an den beiden Elektroden eine Spannung abfällt. Diese Spannung ist ein Maß für den Sauerstoffpartialdrucks des Messgases (Schutzgas).
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Zirkoniumdioxidsensoren zum Messen des Sauerstoffgehalts der Schutzgasatmosphäre hat es sich als problematisch herausgestellt, dass diese eine relativ hohe Querempfindlichkeit gegenüber den entstehenden Gasen beim Schweißvorgang aufweisen. Ein Grund hierfür ist das beim Schweißprozess entstehende Ozon (O3), welches dazu führt, dass der Zirkoniumdioxidsensor instabile Messwerte produziert. Auch Ozonfilter bzw. softwaretechnische Lösungen können die zuvor genannten Probleme nicht entscheidend beeinflussen. Abgesehen hiervon benötigen die bekannten Zirkoniumdioxidsensoren eine relativ lange Aufheizzeit (mehrere Minuten), um ihre erforderliche Betriebstemperatur von ca. 600°C zu erreichen. Schließlich ist es von Nachteil, dass die Zirkoniumdioxidsensoren eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Wasserdampf aufweisen.
Aufgrund der oben genannten Problemstellung liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Messen des Sauerstoffgehalts bei Schweißprozessen anzugeben, welche selbst bei sehr hohen Temperaturen des Schweißprozesses stabile Messwerte für den Restsauerstoffgehalt liefert und bereits nach kürzester Zeit einsatzbereit ist.
Diese Aufgabe wird im Hinblick auf die Vorrichtung erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruches 1 und im Hinblick auf das Verfahren durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruches 10 gelöst.
Dementsprechend zeichnet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen des Sauerstoffgehalts bei Schweißprozessen dadurch aus, dass das Sensorelement als optischer Sauerstoff ausgebildet ist.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Messen des Sauerstoffgehalts liegen auf der Hand. So weist die erfindungsgemäße Vorrichtung durch das als optischen Sauerstoffsensor ausgebildete Sensorelement praktisch keine Querempfindlichkeit gegenüber insbesondere beim Schweißprozess entstehenden Ozon (O3) auf. Das optische Sensorelement ist darüber hinaus jederzeit einsatzbereit und weist eine hohe Lebensdauer auf. In diesem Zusammenhang sei auch erwähnt, dass das optische Sensorelement – im Gegensatz zu den bekannten Zirkoniumdioxidsensoren – auch wasserbeständig ist. Somit kann der optische Sensor problemlos auch während des Schweißvorganges eingesetzt werden. Ferner wird durch das als optischer Sauerstoffsensor ausgebildete Sensorelement ein weitaus schnelleres Ansprechen bei der Messung des Sauerstoffgehalts erzielt. Schließlich werden durch den optischen Sauerstoffsensor auch besonders genaue Messwerte für den Sauerstoffrestgehalt der Schutzatmosphäre ermöglicht.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Messen des Sauerstoffgehalts bei Schweißprozessen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
So ist es in einer ersten Realisierung vorgesehen, dass das mindestens eine Sensorelement ein fluoreszierendes Medium aufweist, welches mit der Schutzatmosphäre in Kontakt bringbar und ausgebildet ist, den Sauerstoffgehalt der Schutzatmosphäre mittels Fluoreszenzlöschung zu erfassen.
Hierbei wird das Phänomen des sogenannten „Sauerstoff-Quench-Prozesses“ ausgenutzt. Regt man spezielle organische Moleküle mit Licht geeigneter Wellenlänge an, so beginnen sie zu lumineszieren. Diese Lumineszenz lässt sich durch Stöße mit anderen geeigneten Molekülen, bspw. Sauerstoffmolekülen auslöschen (Quenchen). Dies bedeutet, dass dann die Deaktivierung der photochemisch angeregten Luminophore strahlungslos erfolgt, d.h. ohne Aussendung von Photonen. Im speziellen Fall von fluoreszierenden Medien wird dabei von einer Fluoreszenzauslöschung gesprochen. Die Fluoreszenz ist allgemein der Anteil der Lumineszenz, der infolge eines Singulett-Singulett Übergangs erfolgt und ereignet sich materialabhängig etwa 10^–8 Sekunden nach der ursprünglichen Anregung.
Wie bereits erwähnt, kann alternativ zu der Fluoreszenz die Deaktivierung des fluoreszierenden Mediums auch strahlungslos erfolgen, wobei die Anregungsenergie durch Kollision auf die Sauerstoffmoleküle übertragen wird (Sauerstoff-Quenching). Diese Wechselwirkung zwischen dem angeregten fluoreszierenden Medium und den Sauerstoffmolekülen erhöht die Wahrscheinlichkeit eines strahlungslosen Übergangs und schwächt somit die Intensität der elektromagnetischer Strahlung, welche von dem fluoreszierenden Medium erzeugt wird. Da eine derartige Energieübertragung aufgrund des Energieunterschiedes der jeweiligen Energiezustände nur mit bestimmten Molekülen erfolgen kann, ist die Querempfindlichkeit eines auf Fluoreszenzlöschung basierenden Sensorelements erheblich reduziert. Insbesondere kann durch eine geeignete Wahl des fluoreszierenden Mediums erreicht werden, dass die beim Schweißprozess entstehenden Ozonmoleküle keinen Einfluss auf das Messergebnis des optischen Sensorelemetns haben. Zu diesem Zweck ist es bspw. möglich, das Fluoreszenzmedium aus Ruthenium-, Platin- oder Pyren-Derivaten auszubilden.
Das Sensorelement kann demnach mindestens eine Vorrichtung zum Anregen des fluoreszierenden Mediums sowie mindestens einen Photosensor zum Erfassen von elektromagnetischer Strahlung, welche aufgrund eines Deaktivierungsprozesses von dem fluoreszierenden Medium abgegeben wird, aufweisen. Dabei ist der Photosensor vorzugsweise als CCD-Element, Photosensor oder Photomulitplier ausgebildet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Vorrichtung zum Anregen des fluoreszierenden Mediums dazu ausgebildet sein, in vorherbestimmten Zeitintervallen einen kurzen (~ 1µs) Anregungsimpuls an das fluoreszierende Medium abzugeben. Es ist folglich nicht nötig, das fluoreszierende Medium kontinuierlich anzuregen, wodurch Energie gespart werden kann. Darüber hinaus wird durch den geringeren Wärmeeintrag in das fluoreszierende Medium erreicht, dass dieses längere Standzeiten aufweist.
Nach einem weiteren Aspekt kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung des Sauerstoffgehalts eine Auswertungseinrichtung aufweisen, welche mit dem Photosensor verbunden und ausgelegt ist, das zeitliche Abklingverhalten der Fluoreszenzstrahlung des fluoreszierenden Mediums zu bestimmen. Dies ist insbesondere im Zusammenhang mit der gepulsten Anregung des fluoreszierenden Mediums von Vorteil. Unmittelbar nach der gepulsten Anregung wird dabei die emittierte Strahlung mit dem Photosensor aufgenommen. Daraus können über das zeitliche Abklingverhalten des Fluoreszenzlichts Rückschlüsse auf den Sauerstoff-Quentschprozess getroffen werden. Insbesondere kommt es bei größerem Sauerstoffgehalt der Schutzatmosphäre zu einem schnelleren Abklingverhalten als es bei einer niedrigeren Sauerstoffkonzentration der Fall ist. Im Einzelnen lässt sich das zeitliche Abklingverhalten des Fluoreszenzlichts durch eine einfache Exponentialfunktion beschreiben. Für einen bekannten Fluorophor lässt sich demnach mit Hilfe der Stern-Volmer-Beziehung der Sauerstoffgehalt der Schutzatmosphäre ermitteln. Zu diesem Zweck kann die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Mikroprozessor aufweisen, welcher Teil der Auswerteeinrichtung ist.
Im Gegensatz zu einer reinen Messung der Intensität des Fluoreszenzlichts bietet die Messung des Abklingverhaltens der Fluoreszenzstrahlung des fluoreszierenden Mediums den Vorteil, dass die Messung unempfindlich gegenüber Schmutzpartikel auf der Oberfläche des Fluorophors ist. Ein weiterer, wesentlicher Vorteil dieses Messprinzips besteht darin, dass – je nach dem Ansprechverhalten des Photosensors – bereits innerhalb weniger Nanosekunden ein Messwert für den Restsauerstoffgehalt erreicht werden kann.
Einer weiteren Umsetzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zufolge ist die Auswertungseinrichtung mit einer Alarmvorrichtung verbunden und dazu ausgebildet, ein optisches und/oder akustisches Alarmsignal auszugeben, sobald der Sauerstoffgehalt der Schutzatmosphäre einen vorher bestimmbaren Grenzwert überschreitet. Dementsprechend kann die Vorrichtung automatisch ein Warnsignal abgeben, falls der Sauerstoffgehalt einen zu hohen Wert annimmt, um eine bestimmte Qualität der Schweißverbindung zu gewährleisten. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass die Auswertungseinrichtung direkt mit einem Schweißgerät verbunden und ausgebildet ist, dieses automatisch zu deaktivieren, sobald ein vorher bestimmbarer Grenzwert überschritten wird. Somit wäre auch bei einem automatischen Schweißprozess gewährleistet, dass der Schweißvorgang nur bei ausreichend kleinen Rest-Sauerstoffmengen in der Schutzatmosphäre durchgeführt wird.
Schließlich können die von der Auswertungseinrichtung ermittelten Werte für den Sauerstoffgehalt der Schutzatmosphäre kontinuierlich in einem Datenspeicher der erfindungsgemäßen Vorrichtung abgelegt werden, um eine verlässliche Dokumentation des Sauerstoffgehalts während des Schweißprozesses zu ermöglichen. Demnach lassen sich auch nach dem Schweißvorgang auf einfache Weise Rückschlüsse über die Qualität der Schweißverbindung ziehen.
In einer weiteren Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen des Sauerstoffgehalts eine Ansaugeinrichtung auf, welche ausgebildet ist, vor und/oder während eines Schweißprozesses eine Probe der Schutzatmosphär, in unmittelbarer Umgebung einer Schweißnaht anzusaugen und dem optischen Sensorelement zuzuführen. Mit anderen Worten, das Sensorelement kann als aspirativer Sauerstoffsensor ausgebildet sein. Dies hat den Vorteil, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung einzeln, das heißt getrennt vom Schweißgerät, hergestellt und verkauft werden kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich somit bei einer Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen dazu einsetzen, den Sauerstoffgehalt einer Schutzatmosphäre zu messen. Alternativ ist es jedoch selbstverständlich auch denkbar, das optische Sensorelement direkt an einer Schweißvorrichtung vorzusehen.
Durch die vorliegende Erfindung wird ebenfalls ein Schweißsystem bereitgestellt, welches eine Schweißvorrichtung sowie die oben beschriebene Vorrichtung zum Messen des Sauerstoffgehalts aufweist. Ein derartiges Schweißsystem wird höchsten Ansprüchen an die Qualität der Schweißverbindung gerecht.

Claims

Vorrichtung zum Messen des Sauerstoffgehalts bei Schweißprozessen, insbesondere Schutzgasschweißen, wobei die Vorrichtung mindestens ein Sensorelement zum Erfassen des Sauerstoffgehalts einer Schutzatmosphäre aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement als optischer Sauerstoffsensor ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der optische Sauerstoffsensor ein fluoreszierendes Medium aufweist, welches mit der Schutzatmosphäre in Kontakt bringbar ist und dazu ausgebildet ist, Fluoreszenzlicht zu emittieren, wobei die Intensität des emittierten Fluoreszenzlichtes von dem Sauerstoffpartialdruck in der Schutzatmosphäre abhängig ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der optische Sauerstoffsensor mindestens eine Vorrichtung zum optischen Anregen des fluoreszierenden Mediums sowie mindestens einen optischen Detektor zum Erfassen von elektromagnetischer Strahlung, welche aufgrund eines Deaktivierungsprozesses von dem fluoreszierenden Medium abgegeben wird, aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Vorrichtung zum Anregen des fluoreszierenden Mediums ausgebildet ist, in vorher bestimmbaren Zeitintervallen einen Anregungsimpuls an das fluoreszierende Medium abzugeben.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Vorrichtung eine Auswerteinrichtung aufweist, welche mit dem optischen Detektor verbunden und ausgelegt ist, die Intensität oder das Abklingverhalten der Fluoreszenzstrahlung des fluoreszierenden Mediums zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Auswerteinrichtung einen Mikroprozessor zum Berechnen des Sauerstoffgehalts der Schutzatmosphäre auf Grundlage der Intensität oder des Abklingverhaltens des von dem optischen Detektor erfassten Fluoreszenzlichtes aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Auswerteinrichtung mit einer Alarmvorrichtung verbunden ist und die Alarmvorrichtung ausgebildet ist, ein optisches und/oder akustisches Alarmsignal auszugeben, sobald der Sauerstoffgehalt der Schutzatmosphäre einen vorher bestimmten oder bestimmbaren Grenzwert überschreitet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Vorrichtung eine Ansaugeinrichtung aufweist, welche dazu ausgebildet ist, vor und/oder während eines Schweißprozesses eine Probe der Schutzatmosphäre vorzugsweise in unmittelbarer Umgebung einer Schweißnaht anzusaugen und dem optischen Sensorelement zuzuführen.
Schweißsystem, welches eine Schweißvorrichtung sowie eine Vorrichtung zur Messung des Sauerstoffgehalts nach einem der vorgehenden Ansprüche aufweist.
Verfahren zum Messen des Sauerstoffgehalts bei Schweißprozessen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: • Bereitstellen einer Schutzatmosphäre in unmittelbarer Umgebung einer Schweißstelle; • Bereitstellen mindestens eines Sensorelements zum Erfassen des Sauerstoffgehalts der Schutzatmosphäre; • Messen des Sauerstoffgehalts der Schutzatmosphäre, vor und/oder während des Schweißprozesses dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffgehalt der Schutzatmosphäre optisch gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Sauerstoffgehalt der Schutzatmosphäre mittels Fluoreszenzlöschung an einem fluoreszierenden Medium ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das fluoreszierende Medium in vorher bestimmbaren Zeitintervallen impulsartig optisch angeregt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Messung des Sauerstoffgehalts der Schutzatmosphäre einen Schritt zum Erfassen der Intensität der Abklingkurve des von dem fluoreszierenden Medium emittierten Fluoreszenzlichtes umfasst.
Verfahren nach Anspruch einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei ein optisches und/oder akustisches Alarmsignal erzeugt wird, sobald der Sauerstoffgehalt der Schutzatmosphäre einen vorher bestimmten oder bestimmbaren Grenzwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die ermittelten Werte für den Sauerstoffgehalt der Schutzatmosphäre vorzugsweise kontinuierlich in einem Datenspeicher abgelegt werden.