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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Pulverströmen eines Laserschweißwerkzeugs sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Beim Laserstrahl-Auftragsschweißen können Zusatzwerkstoffe in Form von Pulver zugeführt werden, um Material aufzutragen oder Bereiche, wie zum Beispiel Spalte, zu füllen. Je nach Herstellungsart, Hersteller, Werkstoff und Charge können die Größe und Abstände der Pulverteilchen und somit die Schüttdichte bzw. allgemein die Dichte des Pulverstrahls variieren. Pulverförderer sind in der Regel Volumenförderer, d. h. es wird ein definiertes Pulvervolumen pro Zeiteinheit zum Schweißprozess gefördert. Dieses Pulvervolumen kann je nach Pulver jedoch in der Masse des zugeführten Werkstoffs variieren. Zudem können auch die Ausrichtung und Abmessungen des Pulverstrahls variieren.
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In der Regel erreichen beim Laserstrahl-Auftragschweißen hochwertiger Anwendungen nicht alle zugeführten Pulver den Schweißbereich. Hierbei gilt, dass mit reduzierter Bereite des Schweißbereichs die Nutzungsrate des Pulvers sinkt, da die Düsen in der Regel nicht in der Lage sind, das Pulver zu 100% auf den Wirkort des Lasers oder die Breite des Schmelzbads zu fokussieren. Es gehen erhebliche Mengen an Pulver daneben. Dieses Pulver ist in der Regel für den Schweißprozess verloren und stellt seinerseits eine Gefahren- und Kostenquelle in der Entsorgung dar. Pulvernutzungsraten zwischen 30 und 70% sind üblich. In Einzelfällen werden auch Nutzungsraten von darunter toleriert, im Allgemeinen ist die Wirtschaftlichkeit des Schweißens dann aber gefährdet.
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In hochwertigen Anwendungen, wie im Flugzeugbau, müssen daher Qualitätssicherungen vorgesehen werden, damit die Masse des zum Schweißprozess geförderten Pulvers gemessen und ein gewünschter Massenstrom eingestellt werden kann. Bekannt sind Verfahren, bei denen der Pulverstrahl über eine bestimmte Zeitdauer in eine Tüte gefördert wird. Üblicherweise führt man dabei den Pulverschlauch, der bestimmungsgemäß zum Zuführen des Pulvers zu dem Laserschweißwerkzeug vorgesehen ist, nicht zum Laserschweißwerkzeug, sondern direkt in die Tüte hinein.
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Problematisch ist dabei, dass die Ausrichtung von Laserstrahl und Pulverstrahl zueinander eine qualitätsbestimmende Rolle im Schweißprozess einnehmen. Beide Strahlen, also der Laserstrahl und der Pulverstrahl müssen vorteilhafter Weiser in immer der gleichen Position zueinander eingerichtet werden und diese Einrichtung muss prozesssicher nachgewiesen werden, um sicherzustellen, dass das Arbeitsergebnis immer durch vergleichbare Ausgangsparameter innerhalb nachgewiesen zulässiger Toleranzen erzielt wurde. Da die herkömmliche Messung nicht im Fokus des Pulverstrahls und/oder im Arbeitspunkt des Laserschweißwerkzeugs, sondern am Ausgang des Pulverschlauchs erfolgt, kann der Pulverstrahl in einer abweichenden Dichte den Wirkort des Laserstrahls erreichen. Es ist daher nicht sichergestellt, dass im Schweißprozess stets der gleiche Massenstrom zugeführt wird, selbst wenn am Pulverschlauch konstante Werte gemessen wurden. Die herkömmliche Art der Messung stellt also keine Lösung dafür dar, sicherzustellen, dass dem Schweißprozess mit jeweils gleichen Toleranzen Pulver zugeführt wird. Im Extremfall kann die Pulverdüse das gesamte Pulver außerhalb der Energieeinbringungszone z. B. des Laserstrahls auf ein Werkstück zuführen, so dass gar kein Zusatzwerkstoff den Schweißprozess erreicht. Die herkömmliche Messtechnik würde aber nachweisen, dass ausreichend Pulver zugeführt wurde, was im Weiteren dazu führen kann, dass das Schweißergebnis in unzulässiger Weise verändert wird. Erhebliche Sicherheitsprobleme in der Schweißqualität und wirtschaftliche Probleme aufgrund von Nacharbeit sind die Folge.
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Auftragschweißen wird im Allgemeinen dazu eingesetzt, Zusatzwerkstoff zuzuführen, aufzuschmelzen und in Verbindung mit einem Werkstück zu bringen. Die Verbindung von Zusatzwerkstoff und Werkstück führt im Allgemeinen zu einem Auftrag von Material. Dieses Material kann eingesetzt werden, um Spalte zu füllen oder das Bauteilvolumen zu vergrößern.
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Das Aufschmelzen und das Verbinden benötigt im Allgemeinen Energie. Diese Energie kann zum Beispiel mit Lichtbogen, Plasmastrahlen, Elektronenstrahlen oder Laserstahlen zugeführt werden. Je hochwertiger die Energiequelle, desto genauer kann der Wirkort der Energiequelle bestimmt werden. Bei Laserstrahlverfahren werden in der Regel Wirkorte auf der Werkstoffoberfläche von wenigen Mikrometern bis wenigen Millimetern eingestellt. Beim industriellen Auftragschweißen sind Wirkortgrößen von 0,2 mm bis 3 mm üblich. Je kleiner der Wirkort der Laserstrahlung, desto genauer muss der Zusatzwerkstoff zugeführt werden. Eine Gefahr ist hierbei, dass der Zusatzwerkstoff an anderer Stelle als zum Beispiel ein Laserstrahl mit 0,35 mm Durchmesser auftrifft.
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Beim Laserstrahl-Auftragschweißen werden zeitgleich Pulver und Energie zugeführt, so dass die Energie des Laserstrahls zeitgleich mit der Werkstoffzuführung für das Aufschmelzen und Verbinden des Zusatzwerkstoffs eingesetzt wird.
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Trifft also nicht der gesamte Pulverstrom den Wirkort der eingebrachten Energie, so geht zum einen ein erheblicher Teil des Pulvers verloren und zum anderen wird der thermische Haushalt des Schweißprozesses verändert. Der thermische Haushalt des Schweißprozesses ist maßgeblich für Schweißnahteigenschaften. Riss- und Porenbildung sind abhängig vom thermischen Haushalt der Schweißung. In Schweißanwendungen mit hohem Bedarf an Sicherheit, wie im Luftfahrtbereich, stellt eine Änderung des thermischen Haushalts einer Schweißung ein erhebliches Problem dar.
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Werden durch Schweißdüsen zusätzlich Schutzgase zuführt, so stellt weitergehend eine Dejustage einer Schweißdüse eine erhebliche Gefahr in Bezug auf die im Allgemeinen nachteilige Zufuhr von Sauerstoff und anderen Gasen dar.
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Weiterhin besteht das Problem, dass bei ungleichmäßiger Zufuhr von Zusatzwerkstoff bei Mehrlagenschweißungen, bei denen das Ziel ist, eine bestimmte Höhe an aufgetragenem Material zu erreichen, nicht sichergestellt ist, dass diese Höhe erreicht wird.
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Das wirtschaftlich sehr effektive so genannte „near netshape deposition”, also die der Endform des Werkstücks weitgehend entsprechende Aufbringung von Schweißgut, hat als Voraussetzung, dass stets ein definiertes Volumen an Schweißgut aufgebracht wird. Erhebliche Kosten durch Nacharbeit oder zusätzlich aufgebrachte Übermaßlagen ist die Folge, wenn im Schweißprozess die Sicherstellung von stets konstanten Pulverzuführungen zur Laserstrahlwirkfläche nicht gewährleistet ist und Dejustagen auftreten. In der Praxis sind bereits bei Laserstrahldurchmessern von 0,6 mm Dejustagen von Pulverstrom zu Laserstrahl in Höhe von wenigen 0,01 mm negativ für die Stabilität des Schweißprozesses bei Mehrlagenschweißungen.
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Aus der
EP 1 950 001 A1 ist ein Verfahren zur Messung von Pulverströme eines Laserschweißwerkzeugs bekannt, wobei eine Blendenöffnung im Arbeitsbereich des Laserschweißwerkzeugs angeordnet wird, auf welche der Pulverstrahl für eine vorbestimmte Zeitdauer aufgebracht wird, wonach die durch die Blendenöffnung hindurchgetretene Pulvermasse durch Wiegen bestimmt wird.
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Aus der
DE 10 2008 057 309 B3 ist ein Verfahren zum Ermitteln einer Dejustage einer Pulverzufuhrdüse einer Laserbearbeitungsmaschine durch Vermessung einer auf dem Werkstück aufgetragenen Teststruktur bekannt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Messverfahren und eine Messvorrichtung bereitzustellen, die eine Qualitätssicherung beim Laserauftragsschweißen ermöglichen, so dass sichergestellt werden kann, dass mit einem definierten und vorteilhaft konstanten Pulvermassenstrom gearbeitet wird.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Das erfindungsgemäße Wiegen der innerhalb einer vorbestimmten Zeitdauer durch die jeweilige Blendenöffnung hindurchgetretenen Pulvermasse ermöglicht auf einfache Weise die Messung der Massendichte bzw. des Massenstroms des Pulverstrahls. Aufgrund des erfindungsgemäßen Anordnens der Blendenöffnung jeweils im Fokus, Arbeitsort oder Arbeitsbereich des Laserschweißwerkzeugs kann der Pulvermassenstrom im Fokus des Pulverstrahls, d. h. im tatsächlichen Arbeitspunkt, bestimmt werden, was für die Qualität des Schweißergebnisses entscheidend ist. Durch das erfindungsgemäße Verwenden einer Mehrzahl von Blenden mit unterschiedlich großen Blendenöffnungen wird schließlich eine differenzierte Fehlereingrenzung ermöglicht.
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Vorzugsweise wird anschließend der Quotient zwischen der gemessenen Pulvermasse und der sich aus dem Soll-Pulvermassenstrom ergebenden Soll-Pulvermasse gebildet. Dieser Quotient ist eine für die Qualität des Pulverstrahls besonders aussagekräftige Größe und wird daher in Abhängigkeit von der Blendengröße vorteilhaft für die Qualitätssicherung des Laserschweißwerkzeugs genutzt, wie im Folgenden noch genauer beschrieben wird.
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Als „Soll-Arbeitsdurchmesser” wird die für den Schweißprozess vorteilhafte Breite des Pulverstroms im Laserstrahlwirkort genannt. Dieser Soll-Arbeitsdurchmesser wird durch den Anwender definiert. In der Regel wird angestrebt, mindestens die Schweißnahtbreite als Soll-Arbeitsdurchmesser im Pulverfokus des Pulverstrahls zu erreichen. Messtechnisch ist dieser aber problematisch zu ermitteln, sofern nicht dieser Erfindung entsprechend gemessen wird.
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Besonders vorteilhaft weist mindestens eine der Blenden eine Blendenöffnung mit einem größeren Querschnitt als eine Soll-Fokusgröße bzw. ein Soll-Arbeitsdurchmesser des Pulverstrahls auf. Blenden, deren Blendenöffnung einen größeren Querschnitt als ein Soll-Arbeitsdurchmesser aufweisen, werden im Folgenden als große Blenden bezeichnet. Eine fehlerhafte Abweichung des Gesamtpulvermassenstroms wird festgestellt, wenn die mit einer großen Blende gemessene Masse von einer sich aus dem Sollmassenstrom ergebenden Sollmasse abweicht.
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Vorzugsweise weist mindestens eine der Blenden eine Blendenöffnung mit einem Querschnitt auf, der im Bereich eines Soll-Fokusquerschnitts des Pulverstrahls liegt. Eine solche Blende wird im Folgenden als passende Blende bezeichnet. Eine Dejustierung des Pulverstrahls wird festgestellt, wenn die mit einer passenden Blende gemessene Masse von einer sich aus dem Sollmassenstrom ergebenden Sollmasse abweicht, obwohl der mit einer großen Blende gemessene Gesamtpulvermassenstrom im Sollbereich liegt. Auf diese Weise wird eine Dejustage von Pulver- und/oder Laserstrahl messtechnisch auffällig.
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Die Blendenöffnungen sind im Allgemeinen so gewählt, dass sie einen Bereich von der maximalen Blendenöffnung bis mindestens hin zu dem Soll-Fokusquerschnitt hin überdecken. Wie zuvor beschrieben, kann somit direkt entschieden werden, ob die Pulverschüttdichte die Fehlerquelle ist, oder ob eine Dejustage in der Pulverzuführung, insbesondere ein fehljustierter Pulver- und/oder Laserstrahl, die Quelle einer gemessenen Abweichung ist.
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Die Anzahl der verwendeten Blenden liegt vorzugsweise im Bereich zwischen zwei und sieben, weiter vorzugsweise im Bereich zwischen drei und sechs und beträgt beispielsweise vier oder fünf. Mit einer solchen Blendenzahl kann mit angemessenem Zeitaufwand ein aussagekräftiges Durchmesserprofil des Pulvermassenstroms bestimmt werden.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Durchführung des zuvor geschilderten Messverfahrens. Die Vorrichtung umfasst vorzugsweise einen Blendenhalter zum Halten der Blenden sowie vorzugsweise mindestens einen an der dem Laserschweißwerkzeug abgewandten Seite einer Blende anordenbaren Messbecher. Die Vorrichtung weist vorzugsweise mindestens einen Aufnahmeraum für den Messbecher auf, wobei der Messbecher insbesondere zum Wiegen vorzugsweise durch eine Entnahmeöffnung aus der Vorrichtung entnehmbar ist.
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Vorzugsweise weist die Blende im Bereich der Blendenöffnung eine sich zu der dem Laserschweißwerkzeug abgewandten Seite hin kegelförmig erweiternde Kegelwand auf. Der sich kegelförmig erweiternde Durchmesser der Blendenöffnung stellt einen ungehinderten Durchtritt des Pulverstrahls durch die Blendenöffnung sicher und verhindert ein Verstopfen der Blendenöffnung.
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Es ist denkbar, dass anstelle einer Mehrzahl von Blenden mit festen Öffnungsbreiten eine verstellbare Blende verwendet wird, bei der unterschiedlich große Blendenöffnungen stufenweise oder kontinuierlich einstellbar sind, beispielsweise in der Art einer Fotoblende.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigt:
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1–3 perspektivische Ansichten eines Laserschweißwerkzeugs in unterschiedlichen Ausführungsformen (Quelle: Trumpf Lasertechnik);
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4–5 unterschiedliche perspektivische Ansichten einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung;
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6–8 unterschiedliche perspektivische Querschnittsansichten einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung;
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9–10 Querschnittsansichten einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung in einem Ausschnitt;
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11 eine vergrößerte Ansicht eines erfindungsgemäßen Laserschweißwerkzeugs; und
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12 ein Flussdiagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Messverfahrens.
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Das Laserschweißwerkzeug 10 dient zum Laserstrahl-Auftragschweißen insbesondere im Flugzeugbau und umfasst ein Gehäuse 11, in dem eine nur schematisch angedeutete Vorrichtung 12 zum Erzeugen eines Laserstrahls 13 angeordnet ist. Die Laserstrahl erzeugende Vorrichtung 12 kann entweder ein Laser oder eine optische Vorrichtung zur Transmission und Fokussierung eines extern erzeugten Laserstrahls sein. Der Laserstrahl 13 wird von der Vorrichtung 12 auf einen Arbeitspunkt 14 gerichtet, in dem die zu schweißende Werkstückoberfläche, beispielsweise ein Gasturbinenteil, anzuordnen ist, siehe 3. Der Laserstrahl 13 ist insbesondere auf die zentrale Achse des Laserschweißwerkzeugs 10 ausgerichtet. Eine fokussierte oder geringfügig defokussierte Arbeitsweise des Laserstrahls 13 ist möglich, um unterschiedliche Laserstrahldurchmesser im Arbeitsbereich zu erzeugen.
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Eine defokussierte Arbeitsweise des Laserstrahls 13 ist beispielsweise in 11 dargestellt. Die Arbeitsebene 36 ist in der Regel die Oberfläche des Werkstücks 15 und/oder die Messebene, in der die Blendenöffnung 23 (siehe unten) anzuordnen ist. Der Fokus 37 des Laserstrahls 13 liegt hier nicht in der Arbeitsebene 36, sondern weist einen Abstand zu der Arbeitsebene 36 auf, so dass der Fokus 37 des Laserstrahls 13 zwischen dem Laserschweißwerkzeug 10 und der Arbeitsebene 36 angeordnet ist. 11 zeigt ebenfalls die Symmetrieachse 39 des Laserschweißwerkzeugs. Diese bildet die Referenzlinie von Laserstrahl 13 und Pulverstrahl 17. Diese sind deckungsgleich mit der Symmetrielinie 39 bei rotationssymmetrischen Strahlen und perfekter Ausrichtung.
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Das Laserschweißwerkzeug 10 umfasst des Weiteren Austrittsöffnungen 16, zu denen im Gehäuse 11 des Laserschweißwerkzeugs 10 Pulver aus einem nur schematisch gezeigten Reservoir 18 beispielsweise über einen Schlauch 19 und einen Pulverkanal 38 in dem Laserschweißwerkzeug (siehe 11) zugeführt wird. Der Pulverkanal 38 kann als Einzelbohrung oder Einzelbohrungen, als Ringspalt oder in anderer geeigneter Weise ausgeführt sein, um den Pulverstrahl 17 bzw. die Pulverstrahlen 17 auf die Arbeitsebene 36 auszurichten. Die Austrittsdüsen 16 sind vorzugsweise auf einem Kreis um den Laserstrahl 13 angeordnet, wie am besten in 3 erkennbar, und so angeordnet, dass die aus den Austrittsdüsen 16 austretenden Pulverstrahlen 17 kegelförmig auf den Arbeitspunkt 14 gerichtet sind. Die einzelnen Pulver-Teilstrahlen 17 werden im Folgenden in der Gesamtheit als der Pulverstrahl 17 bezeichnet.
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Zusätzlich über die Zuführung des Pulvers durch einzelne Öffnungen 16 ist die Zuführung durch einen Ringspalt (siehe 1) möglich. Auch hier wird ein Arbeitspunkt 14 des Pulverstrahls eingestellt. Die Justage von Laserachse 13 und dem Bereich dichtester Pulverfokussierung bzw. Pulverzuführung 14 zueinander ist qualitätsbestimmend für das Schweißergebnis in Bezug auf die Ausrichtung dieser Strahlen zueinander.
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Beim Laserstrahl-Auftragschweißen erhitzt der Laserstrahl 13 das Werkstück 15 und schmilzt es lokal auf. Gleichzeitig wird über den Pulverstrahl 17 Material zusätzlich eingebracht. Der Pulverstrahl 17 hat im Arbeitspunkt 17 eine Soll-Querschnittsfläche As und einen entsprechenden Solldurchmesser Ds, die ein optimales Schweißergebnis garantieren.
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In den 4 bis 8 ist eine Messvorrichtung 20 gezeigt, mittels der Dejustagen des Pulver- und/oder Laserstrahls und Dichteabweichungen des Pulverstrahls zuverlässig gemessen werden können und die somit eine Qualitätssicherung des Laserschweißwerkzeugs 10 ermöglicht, wie im Folgenden im Detail erläutert wird.
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Die Messvorrichtung 20 umfasst einen Blendenhalter 21 und ein Vorrat 32 von Blenden 22 mit unterschiedlich großen Blendenöffnungen 23 (siehe 9 und 10), welche einen Bereich von einer maximalen Blendenöffnung bis mindestens hin zu einem minimalen zu untersuchenden Soll-Fokusquerschnitt überdecken. Der Blendenhalter 21 umfasst eine Mehrzahl von beispielsweise fünf Messplätzen 24a bis 24e, wobei jedem Messplatz 24 eine entsprechende Blende 22 und ein Messbecher 26 zuordenbar sind. Der Blendenhalter 21 ist vorzugsweise quaderförmig und umfasst eine obere Wand 25, in der für jede Blende eine entsprechende Wandöffnung 27 vorgesehen ist. Auf der dem Laserschweißwerkzeug 10 abgewandten Seite jeder Wandöffnung 27 weist der Blendenhalter 20 einen Aufnahmeraum 34 für einen Messbecher 26 und vorzugsweise einen Haltering 31 zum Halten eines Messbechers 26 in dem Aufnahmeraum 34 auf. Der Messbecher 26 kann alternativ auch auf einer Bodenwand 35 des Blendenhalters 20 stehen. An einer Längsseite des Blendenhalters 21 ist für jeden Messplatz 24 jeweils eine seitliche Entnahmeöffnung 33 (siehe 4 und 5) zum Einsetzen und Entnehmen eines entsprechenden Messbechers 26 in die bzw. aus dem Blendenhalter 20 vorgesehen.
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Die Blenden 22 sind vorzugsweise kreisförmige Scheiben mit zentral angeordneter Blendenöffnung 23. Die Wandöffnung 27 hat vorteilhaft einen etwas geringeren Durchmesser als die Blende 22. An der Wandöffnung 27 kann ein ringförmig umlaufender, nach oben überstehender Steg 28 vorgesehen sein, siehe 9 und 10. Die Blende 22 kann einen entsprechenden, nach unten überstehenden ringförmigen Kragen 29 aufweisen, dessen Innendurchmesser dem Außendurchmesser des Stegs 28 entspricht, so dass die Blende 22 passgenau über der Wandöffnung 27 auf den Blendenhalter 21 aufsetzbar ist. Der Durchmesser der Blendenöffnung 23 erweitert sich nach unten, d. h. zu der dem Laserschweißwerkzeug abgewandten Seite hin kegelförmig, wie am besten in 10 erkennbar ist. Um dies zu erreichen, weist die Blende 22 eine Kegelwand 30 auf, die einen Neigungswinkel im Bereich zwischen 30° und 60°, vorzugsweise zwischen 40° und 50°, beispielsweise etwa 45° aufweisen kann.
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Im Folgenden wird die Vermessung des Pulverstrahls 17 eines Laserschweißwerkzeugs 10 und eine entsprechende Auswertung zur Qualitätssicherung beschrieben.
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Der Pulverstrahl 17 des zu untersuchenden Laserschweißwerkzeugs 10 habe im Fokus eine Sollfläche As und einen entsprechenden Soll-Arbeitsdurchmesser Ds. Es wird nun eine Mehrzahl von beispielsweise fünf Blenden 22 aus dem Vorrat 32 entnommen, deren Blendenöffnung 23 einen Bereich zwischen Dmax und Ds überdeckt, wobei Dmax > Ds, beispielsweise Dmax = 2 Ds. Die ausgewählten Blenden 22 haben beispielsweise die Durchmesser 2 Ds, 1.8 Ds, 1.6 Ds, 1.4 Ds, 1.2 Ds und Ds. Die ausgewählten Blenden 22 werden jeweils über den Wandöffnungen 27 auf den Blendenhalter 20 aufgelegt, so dass die Kragen 29 und die Stege 28 passgenau zusammenwirken. Des Weiteren wird jeweils ein Messbecher 26 in jeden Aufnahmeraum 34 eingesetzt.
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Vorab werden zunächst der Laserstrahl 13 und der Pulverstrahl 17 in einem definierten Fokusabstand beispielsweise auf eine ebene Fläche gerichtet und zueinander ausgerichtet, indem das Zentrum des Pulverflecks und der Laserpunkt in Übereinstimmung gebracht werden.
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Anschließend wird das Laserschweißwerkzeug 10 sukzessiv über jeder Blendenöffnung 23 jeweils in dem Arbeitsabstand zu dem Blendenhalter 20 positioniert, so dass der Laserstrahl 13 zentral durch die Blendenöffnung 23 läuft und die Blendenöffnung 23 bei optimal justiertem Pulverstrahl 17 zentral im Fokusbereich des Pulverstrahls 17 liegt.
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Für jede Blende 22 wird dann der Pulverstrahl 17 für eine vorbestimmte Zeitdauer dt eingeschaltet bzw. erzeugt oder aufgetragen, so dass der Pulverstrahl 17 durch die jeweilige Blendenöffnung 23 hindurchgefördert und in dem darunter angeordneten Messbecher 26 aufgefangen wird. Danach werden sämtliche Messbecher auf einer nicht gezeigten Waage gewogen, um die jeweils aufgenommene Pulvermasse mp zu bestimmen. Hierbei werden bei kleiner werdendem Blendendurchmesser in der Regel kleinere Pulvermassen mpa bis beispielsweise mpe bestimmt. Die maximale Pulvermenge mp,max wird hierbei als die Pulvermenge bestimmt, bei der noch keine Verluste von Pulvern an den Blenden auftreten. Die maximale Pulvermenge mp,max entspricht der Soll-Pulvermenge mp,soll (siehe unten), wenn die Dichte des Pulverstrahls der Solldichte entspricht.
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Die folgende Auswertung wird entweder manuell oder mittels einer Datenverarbeitungseinrichtung automatisiert durchgeführt.
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Die Soll-Pulvermasse mp,soll ergibt sich aus dem bekannten Soll-Pulvermassenstrom multipliziert mit der Messdauer dt. Es wird dann jeweils der Quotient der gemessenen Pulvermasse, beispielsweise mpa, zu der Soll-Pulvermasse mp,soll bestimmt. Dieser Quotient beträgt bei einem idealen Pulverstrahl 1.0, weicht im Falle einer Dejustierung des Laser- und/oder Pulverstrahls oder einer Abweichung der Pulverdichte jedoch von 1.0 ab. Anstelle des Quotienten der Pulvermassen können auch Quotienten der Pulvermassedichten betrachtet werden. Alternativ oder zusätzlich können auch die absoluten Massen insbesondere als Kontrollwerte verwendet werden.
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Es ergeben sich somit eine der Anzahl der Messungen bzw. Blenden entsprechende Zahl von Messwerten, hier beispielsweise fünf Messwerte mpa ... mpe. Aus diesem Messprofil können differenzierte Aussagen über die Ursache einer Abweichung vom Sollwert getroffen werden, die eine Qualitätssicherung des Laserschweißwerkzeugs 10 erst möglich macht.
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Die größte Blendenöffnung 23 ist beispielsweise so gewählt, dass auch bei einem in der Praxis auftretenden maximal dejustierten Laser- oder Pulverstrahl 17 dieser noch vollständig durch die Blendenöffnung 23 tritt. Wenn an der größten Blendenöffnung 23 eine Abweichung von der Soll-Pulvermasse gemessen wird, so ist dies auf eine entsprechende Abweichung der Pulverdichte bzw. Pulverschüttdichte des dem Laserschweißwerkzeug 10 zugeführten Pulvers zurückzuführen.
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Wenn dagegen an einer kleineren Blendenöffnung 23 bis hin zu der Blendenöffnung 23, die dem Soll-Arbeitsdurchmesser des Pulverstrahls 17 entspricht, eine Abweichung von der Soll-Pulvermasse gemessen wird, während die gemessene Pulvermasse an der größten Blendenöffnung 23 der Soll-Pulvermasse entspricht, so ist dies auf eine Dejustage des Laser- und/oder Pulverstrahls oder auf eine Defokussierung des Pulverstrahls zurückzuführen.
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Hierbei ist die Größe der Blendenöffnung 23, bei der die Abweichung zum ersten Mal auftritt (von der größten Blendenöffnung 23 her kommend), ein vorteilhaftes Maß für die Größe der Dejustage. Wenn beispielsweise die Abweichung erst bei der Blendenöffnung 23 auftritt, die dem Soll-Arbeitsdurchmesser des Pulverstrahls 17 entspricht, so ist die Dejustierung des Pulverstrahls vergleichsweise gering.
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Für die Qualitätssicherung in der Produktion werden die Messgrößen der unterschiedlichen Blenden eingesetzt. Zusätzlich zu den Absolutwerten geben die Quotienten aus reduzierter Masse und Blendengröße ein je Pulver und Düse charakteristische und erfindungsgemäß messbare Abstufung.
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Diese Abstufung wird zur Qualitätssicherung eingesetzt, so dass Abweichungen bei Austausch der Düse oder nach Reinigung der Düse oder nach Dejustage überhaupt erst detektierbar werden.
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Die Abstufung in den Quotienten aus Soll-Masse zu Ist-Masse beschreibt die Pulverdichteverteilung in der Arbeitsebene 14.
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In einem Beispiel führt Blende A zum Sollmassenstrom A, Blende B zu 75% von A, Blende C zu 50% von A, Blende D zu 40% von A. Sobald in dieser Abstufung eine Änderung entsteht, wird eine Abweichung durch Dejustage offensichtlich. Bei Ausbleiben von Änderungen in der prozentualen Ausbringung kann auf eine unveränderte Justage von Pulverstrom zu Laserstrahl in der Arbeitsebene geschlossen werden. Bei gleichzeitiger Abweichung des Werts des gemessenen Massenstroms A vom zuvor dokumentierten Sollmassenstrom kann auf eine Änderung der Zuführung an Pulvermasse geschlossen werden.
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Für die Qualitätssicherung in der Produktion sind diese Nachweise qualitätsrelevant und reduzieren Kosten durch reduzierte Kosten fehlender Qualität.
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Typische Pulvermengen für Soll-Massenströme sind im Bereich von 0,1 bis 200 g/min. Häufig anzutreffen sind 1 g/min bis 10 g/min.
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Der zuvor geschilderte Verfahrensablauf ist in dem Flussdiagramm gemäß 12 graphisch dargestellt.
