DE102019000281A1

DE102019000281A1 - Vorrichtung zum Zuführen eines Zusatzwerkstoffs zum thermischen Spritzen, Löten oder Schweißen

Info

Publication number: DE102019000281A1
Application number: DE102019000281.4A
Authority: DE
Inventors: Daniel Riedel; Georg Meyndt; Martin Kaiser; Sebastian Geppert; Wolfgang Richter
Original assignee: ALPHA LASER GmbH
Current assignee: ALPHA LASER GmbH
Priority date: 2019-02-18
Filing date: 2019-02-18
Publication date: 2020-08-20

Abstract

Vorrichtung zum Zuführen eines Zusatzwerkstoffs zum thermischen Spritzen, Löten oder Schweißen, bestehend ausa) einer Fördereinheit zum Fördern des Werkstoffes (40),b) einer Werkstoffzuführdüse (20),c) einem Sensor zum Messen des Vorschubes des Werkstoffs (50) dadurch gekennzeichnet, dassd) der Sensor den Werkstoffvorschub berührungslos detektiert, vorzugsweise durch einen optischen Sensor.

Description

Beim Thermischen Spritzen, Löten oder Schweißen wird ein meist metallischer Werkstoff auf ein Werkstück aufgebracht bzw. aufgeschmolzen oder als Zusatzwerkstoff beim Verbindungsschweißen bzw. Verbindungslöten eingebracht. Der Werkstoff muss folglich dem Prozess zugeführt werden. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zuführen eines Zusatzwerkstoffs zum thermischen Spritzen, Löten oder Schweißen.
Derartige Vorrichtungen sind grundsätzlich bekannt und werden beim MIG-, MAG- und WIG-Schweißen, sowie beim Laser-, Lichtbogen- und Elektronenstrahl-Löten sowie -Schweißen verwendet. Dabei gibt es bei den genannten Verfahren manuelle oder automatisierte Systeme, also Systeme die von Hand geführt, oder von einem Roboter oder einem maschinellen Bewegungssystem bewegt werden. Der Zusatzwerkstoff wird dabei über eine Vorrichtung zugeführt. Im Fall eines Drahtes spricht man von einem Drahtvorschub, der bekannt und industriell eingesetzt wird.
In der Anmeldung DE202012100409 wird ein Drahtfördersystem beschrieben, in dem die Förderrolle für den Drahtvorschub strukturiert ausgeführt wird. Weiterführend kann die Rolle mit einer umlaufenden Nut versehen werden und/oder die Struktur mittels eines Lasers eingraviert werden. Damit soll ein möglicher Schlupf beim Fördern des Drahtes verhindert werden.
Weitergehend ist aus US000007026574B2 bekannt, dass die Förderrollen zwischen denen der Draht angetrieben wird mit einer Einstellbaren Kraft versehen werden. Der Anpressdruck der Rollen auf den zu fördernden Draht kann somit eingestellt werden.
Darüber hinaus ist bekannt, dass über die Detektion einer den Draht berührenden Rolle der Vorschub des Drahtes detektiert werden kann. Damit ist ein möglicher Schlupf im Antrieb detektierbar.
Sowohl bei manuellen aber vor allem bei automatisierten Verfahren mit einer Werkstoffzuführung ist eine konstante Zuführung des Werkstoffes wichtig. Durch nicht konstante Werkstoffzuführung können in dem abgeschiedenen Material Risse oder Unregelmäßigkeiten auftreten.
Beim Auftragsschweißen kann der Draht beispielsweise an der Austrittsöffnung festgeschweißt werden, sogenannter Drahtfestbrand. Dann können sich durch weiteres Fördern des Drahtes zwischen Fördereinheit und Werkstoffzuführdüse bzw. Austrittsöffnung Schlaufen und Materialansammlungen des Drahtes bilden. Dadurch können Prozessfehler und Bauteilbeschädigungen auftreten, die es zu vermeiden gilt. Ein Schlupfsensor kann diesen Fehler erkennen, also dass Draht nicht ordnungsgemäß gefördert wird. Im Stand der Technik dient hierzu eine Rolle, die mechanischen Kontakt zum Werkstoff hat und durch ihn selbst wiederum angetrieben wird. Durch Abtastung der Drehbewegung ergibt sich die Vorschubgeschwindigkeit des Drahtes. Ist diese zur angetriebenen unterschiedlich, ergibt sich ein Schlupf.
Bei Messung des Drahtlaufes mit einer mechanischen Rolle, ist die Strecke zwischen dieser Rolle und der Drahtaustrittsdüse nicht überwacht. Dort kann sich der Draht aufschieben und ein Fehler kann unter Umständen erst zu spät detektiert werden, wenn der Prozess bereits an Qualität verloren hat.
Ein weiteres Problem das mit bekannten Systemen nicht gelöst werden kann liegt vor, wenn sehr dünne Drähte verwendet werden, die kaum von Rollen durch mechanischen Kontakt detektiert werden können.
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe eine technische Lösung für die vorliegenden Probleme bereitzustellen.
Gemäß einem unabhängigen Anspruch ist die Vorrichtung zum Zuführen eines Zusatzwerkstoffs mit einem Sensor ausgestattet, der den Vorschub, also die Geschwindigkeit, berührungslos messen kann. Dies kann durch einen optischen Sensor, der in unmittelbarer Nähe des sich bewegenden Werkstoffes befindet, erfolgen. Durch den Abgleich der gemessenen Geschwindigkeit und der angetriebenen Geschwindigkeit der Fördereinheit kann ein Schlupf detektiert werden.
Der Sensor kann formschlüssig in die Kapillare integriert sein. Die Kapillare ist ein Kanal in dem der Werkstoff gefördert wird. Die Kapillare kann starr, biegsam oder flexibel sein. In der Kapillare wird der Werkstoff von der Fördereinheit bis zur Werkstoffzuführdüse transportiert, wo er durch die Austrittsöffnung die Vorrichtung verlässt.
Der Sensor ist zwischen Fördereinheit und der Werkstoffzuführdüse angeordnet. Diese Werkstoffzuführdüse besitzt eine Austrittsöffnung, aus der der Werkstoff austritt und dem Prozess zugeführt wird.
Der Sensor kann weitergehend als ortsfest und rotationsfest ausgeführt sein. Dieser oder Teile davon bewegen sich also selbst nicht. Der Werkstoff bewegt sich relativ zur Vorrichtung, also relativ zum Sensor.
Der Sensor kann einen optischen Sensor aufweisen. Übliche Erfassungselemente sind Photodioden, CCD oder CMOS Chips. Beispielsweise können optisch abtastende Sensoren verwendet werden, wie sie beispielsweise in der Druck- oder Elektronikindustrie, wie bei Computer-Mäusen verwendet werden. Damit der optische Sensor den Werkstoff detektieren kann, ist unter Umständen eine lokale Beleuchtung nötig, die direkt in den Sensor oder daneben angeordnet sein kann, beispielsweise kann eine Laserdiode oder eine LED integriert sein.
Darüber hinaus kann zwischen dem optischen Sensor und dem Werkstoff ein optisches Element (70) angeordnet werden, um die Qualität des gemessenen Signals zu verbessern. Als optisches Element kann eine Linse oder refraktives oder diffraktives optisches Element verwendet werden. Diese können beispielsweise aus Glas oder transparentem Kunststoff ausgeführt werden.
Der Werkstoff, der gefördert wird kann beispielsweise ein metallischer Draht oder weitergehend auch metallisches Pulver sein. Die Drahtdurchmesser liegen üblicherweise zwischen 0.05 und 5 mm, vorzugsweise zwischen 0.1 und 2 mm. Die Pulverpartikelgrößen sind beispielswese zwischen 0.001 und 2 mm. Übliche Materialien die als Zusatzwerkstoff verwendet werden sind Eisenwerkstoffe, Nicht-Eisenmetalle, Hartmetalle, Weichmetalle, Edelmetalle oder Kompositwerkstoffe mit beispielsweise Metalloxiden oder Karbiden.
Gemäß einer weiteren Ausführung der Vorrichtung weist diese einen Rollenantrieb zum Fördern eines Drahtwerkstoffes auf. Zwischen Fördereinheit und Werkstoffzuführdüse ist ein Sensor zum Detektieren des Werkstoffvorschubes angeordnet. Der Anpressdruck der Förderrolle auf den Draht soll einstellbar sein. Weiterführend kann die Kraft auf den Werkstoff, also der Anpressdruck, motorisch verstellbar sein. Dies kann durch einen Motor, einen Hebel, eine Feder oder eine Kombination daraus sein. Es können beispielsweise Federn mit einen nichtlinearer Kraft-Weg-Verhältnis unter einstellbarer Vorspannung verwendet werden.
Durch einen Vergleich des gemessenen Vorschubs mit dem angetriebenem Vorschub kann der Schlupf gemessen werden. Durch Anpassen des Anpressdrucks kann die Kraft auf den Werkstoff erhöht oder erniedrigt werden bis der Schlupf verschwindet. Dies kann auch automatisch mit einem Regelkreis durch Auswerten des Vorschubes und Einstellen der Krafteinwirkung durchgeführt werden.
Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung zum Einstellen dieser Kraft einen Kraftsensor, zum Messen dieser Kraft auf. Dieser kann elektronisch oder mechanisch oder einer Kombination daraus mit einer Kombination einer geeigneter Federn und einer Messlehre ausgeführt werden. Ebenso können Piezokraftsensoren oder Abstandssensoren in Kombination mit Federelementen verwendet werden. Damit lässt sich die Vorrichtung mit vielen verschiedenen Materialien und Werkstoffdurchmessern verwenden, während der Benutzer nur eine einfache Vorgabe für den Vorschub machen muss und das System die internen Parameter, wie Anpressdruck selbst einstellt. Damit eignet sich das System für benutzerunabhängige Prozessergebnisse, also auch automatisierte Prozesse.
Durch die beschriebene Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass der Schlupf beim Fördern von Zusatzwerkstoff detektiert werden kann. Damit können Fehler im Prozess und den daraus resultierenden Fehlern in Werkstücken vermieden werden.
Die Erfindung ermöglicht eine im Vergleich zum Stand der Technik verbesserte Anordnung, da eine berührungslose Messung keinen Verschleiß und eine wesentlich kompaktere Bauform ermöglicht. Dadurch lässt sich der Sensor näher an die Werkstoffaustrittsdüse anordnen, das den Vorteil hat, dass Risiken für Fehler die nach dem Sensor auftreten können verringert werden. Zum Beispiel sind Hohlräume, in die der Werkstoff ungewünscht hineingelangen oder sich dort aufwickeln kann, nicht mehr nötig. Des Weiteren wird die Fehlertoleranz durch die berührungslose Messung reduziert.
Ein Regelkreis ermöglicht mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein automatisiertes System. Eine sogenannte Closed-Loop-Regelung kann zur Automatisierung der Werkstoffzuführung benutzt werden.
Die Erfindung ermöglicht ein einfacheres Befüllen der Vorrichtung mit dem Werkstoff, beispielsweise mit Draht. Das Einfädeln wird mit der Vorrichtung im Vergleich zum Stand der Technik vereinfacht, da keine mechanische Kante oder Öffnung innerhalb der Vorrichtung vorhanden sein muss, die getroffen werden muss. Der Sensor kann also formschlüssig in die Kapillare integriert sein.
Auch bei niedrigem Werkstoffvorschub ermöglicht die Vorrichtung eine hohe Messgenauigkeit, im Vergleich zu manchem mechanischen berührenden Messverfahren.
Zeichnung 1 zeigt einen vertikalen Querschnitt einer Beispielhaften Vorrichtung (5) zum Fördern von Zusatzwerkstoff (10). Aus einem Reservoir (35) gelangt Zusatzwerkstoff (10) in die Fördereinheit (40), die mithilfe eines Rollenantriebs den Werkstoffvorschub erzeugt. Der Werkstoff wird in einer Kapillare (30) zur Austrittsöffnung (25) der Werkstoffzuführdüse (20) geführt. Zwischen Fördereinheit und Austrittsöffnung ist ein Sensor zum Messen des Vorschubes (50) integriert. Der Sensor umfasst einen optischen Sensor (60), eine lokale Beleuchtung durch eine LED oder eine Laserdiode (80) und ein optisches Element (70), das zwischen optischem Sensor (60) und Werkstoff (10) angeordnet ist. Der Sensor misst berührungslos die Geschwindigkeit des Werkstoffs in Vorschubrichtung (15). Daraus können Volumen und Massenwerte errechnet werden.
In einer weiteren Ausführung kann der Werkstoff aus dem Reservoir in einem geschlossenen Kreis in die Fördereinheit transportiert werden. Damit sind auch pulverförmige Werkstoffe verwendbar.
Zeichnung 2 zeigt eine beispielhafte horizontale Querschnittsansicht der Vorrichtung (5). Aus einem Reservoir (35) gelangt Zusatzwerkstoff (10) in die Fördereinheit (40), die mithilfe eines Rollenantriebs den Werkstoffvorschub erzeugt. Der Werkstoff wird in einer Kapillare (30) zur Austrittsöffnung (25) der Werkstoffzuführdüse (20) geführt. Zwischen Fördereinheit und Austrittsöffnung ist ein Sensor zum Messen des Vorschubes (50) integriert. Die Fördereinheit ist mit einem Mechanismus zum Einstellen der Kraft (100) ausgestattet. Zusätzlich umfasst die Vorrichtung einen Kraftsensor (120) zum Messen der Kraft (90), die von den Förderrollen (45) auf den Zusatzwerkstoff ausgeübt wird. Die Kraft (90) wird senkrecht zur Förderrichtung (15) ausgeübt. Durch Auswerten der Messwerte des Kraftsensors (120) und des optischen Sensors (50) kann durch den Abgleich zwischen Vorschub und ausgeübter Kraft eine Regelung erfolgen, die die Kraft (90) erhöht oder erniedrigt, so dass der gewünschte Vorschub erfolgt. Diese Regelung erfolgt durch eine integrierte Schaltung in einem Regelkreis (110).
Bezugszeichenliste

(05): Vorrichtung zum Zuführen eines Zusatzwerkstoffes
(10): Werkstoff
(15): Vorschubrichtung des Werkstoffes
(20): Werkstoffzuführdüse
(25): Austrittsöffnung
(30): Kapillare
(35): Zusatzwerkstoff-Reservoir
(40): Fördereinheit zum Fördern des Werkstoffes, beispielsweise ein Rollenantrieb
(45): Förderrolle
(50): Sensor zum Messen des Vorschubes des Werkstoffs
(60): Optischer Sensor, Teil des Sensors (50): Photodiode, CCD-Array, CMOS-Array oder eine Kamera
(70): Optisches Element: Linse, Glas Kunststoff, etc...
(80): LED, Laserdiode
(90): Kraft, die vom Rollenantrieb auf den Werkstoff senkrecht zur Förderrichtung des Werkstoffes ausgeübt wird
(100): Mechanismus zum Einstellen der Kraft
(110): Regelkreis
(120): Kraftsensor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 202012100409 [0003]
US 000007026574 B2 [0004]

Claims

Vorrichtung zum Zuführen eines Zusatzwerkstoffs zum thermischen Spritzen, Löten oder Schweißen, bestehend aus a) einer Fördereinheit zum Fördern des Werkstoffes (40), b) einer Werkstoffzuführdüse (20), c) einem Sensor zum Messen des Vorschubes des Werkstoffs (50) dadurch gekennzeichnet, dass d) der Sensor den Werkstoffvorschub berührungslos detektiert, vorzugsweise durch einen optischen Sensor.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (50) zwischen der Fördereinheit und der Werkstoffzuführdüse angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (50) ortsfest und rotationsfest ist und sich der Werkstoff relativ zum Sensor bewegt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (50) einen optischen Sensor (60), wie eine Photodiode oder ein CCD-Array oder ein CMOS-Array oder eine Kamera aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Werkstoff (10) und Sensor (60) ein optisches Element (70) angeordnet ist
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (50) eine LED oder Laserdiode (80) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff (10) ein metallischer Draht oder metallisches Pulver ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche bestehend aus a) einem Rollenantrieb zum Fördern des Werkstoffes (40), dadurch gekennzeichnet, dass der Rollenantrieb einen Mechanismus aufweist, mit dem die Kraft (100), die vom Rollenantrieb auf den Werkstoff senkrecht zur Förderrichtung des Werkstoffes ausgeübt wird, eingestellt werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft (90), die vom Rollenantrieb auf den Werkstoff ausgeübt wird, motorisch verstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Regelkreis (110) aufweist, der durch Auswerten des gemessenen Werkstoffvorschubs die Kraft, die vom Rollenantrieb auf den Werkstoff senkrecht zur Förderrichtung des Werkstoffes ausgeübt wird, regelt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Mechanismus zum Einstellen der Kraft, die vom Rollenantrieb auf den Werkstoff senkrecht zur Förderrichtung des Werkstoffes ausgeübt wird, einen Kraftsensor (120) zum Messen dieser Kraft aufweist.