DE102021133636B4

DE102021133636B4 - Pulverzufuhrdüse, insbesondere für die Pulverzufuhr beim Laserauftragschweißen, und Verfahren zum Betrieb der Pulverzufuhrdüse

Info

Publication number: DE102021133636B4
Application number: DE102021133636.8A
Authority: DE
Inventors: Jan Bremer; Thomas Schopphoven
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2021-12-17
Filing date: 2021-12-17
Publication date: 2024-03-07
Anticipated expiration: 2041-12-18
Also published as: DE102021133636A1

Abstract

Pulverzufuhrdüse, bei der ein inneres Düsenelement (2), das wenigstens an einem Ende eine kegel- oder kegelstumpfförmige äußere Form aufweist, so in einem konisch zulaufenden Kanal eines äußeren Düsenelementes (1) angeordnet ist, dass zwischen dem äußeren (1) und dem inneren Düsenelement (2) ein umlaufender Strömungskanal (3) für eine Pulvergasströmung gebildet wird, wobei das innere Düsenelement (2) verstellbar gegenüber dem äußeren Düsenelement (1) gelagert ist und die Pulverzufuhrdüse einen oder mehrere Aktoren (6) aufweist, mit denen das innere Düsenelement (2) quer zu einer Symmetrieachse (5) des konisch zulaufenden Kanals und längs dieser Symmetrieachse (5) verschiebbar ist,dadurch gekennzeichnet,dass die Pulverzufuhrdüse einen oder mehrere Sensoren (8) aufweist, mit denen eine Verstopfung des Strömungskanals (3) und/oder eine inhomogene Verteilung eines durch den Strömungskanal (3) strömenden Pulvers erkennbar ist,wobei das innere (2) und das äußere Düsenelement (1) zumindest in an den Strömungskanal (3) angrenzenden Bereichen elektrisch leitfähig ausgebildet und gegeneinander isoliert sind und wenigstens einer der Sensoren (8) zur Messung eines elektrischen Widerstandes zwischen innerem (2) und äußerem Düsenelement (1) ausgebildet ist.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Pulverzufuhrdüse, insbesondere für die Pulverzufuhr beim Laserauftragschweißen, bei der ein inneres Düsenelement, das wenigstens an einem Ende eine kegel- oder kegelstumpfförmige äußere Form aufweist, so in einem konisch zulaufenden Kanal eines äußeren Düsenelementes angeordnet ist, das zwischen dem äußeren und dem inneren Düsenelement ein umlaufender Strömungskanal für eine Pulvergasströmung gebildet wird. Die Erfindung betrifft auch Verfahren zum Betrieb dieser Pulverzufuhrdüse.
Beim Laserauftragsschweißen wird der metallische Zusatzwerkstoff häufig in Pulverform zugeführt. Dabei wird mit einem Laserstrahl auf der Oberfläche des zu schweißenden Werkstücks ein Schmelzbad erzeugt, in das über eine Pulverzufuhrdüse mittels Fördergas der pulverförmige Zusatzwerkstoff injiziert wird. Der Zusatzwerkstoff schmilzt dabei auf und verbindet sich mit dem Metall des Werkstücks. Der mit der Pulverzufuhrdüse erzeugte Pulvergasstrahl hat einen großen Einfluss auf den Schweißprozess und seine Qualität. Unerwünschte Pulveranhaftungen, Verstopfungen der Düse und Inhomogenitäten des Pulvergasstrahls führen regelmäßig zu Prozess-Instabilitäten und -abbrüchen.
Probleme im Pulvergasstrahl sind bisher nur schwer zu diagnostizieren und dann häufig nur durch eine Demontage und handwerkliche Neu-Justage der Düse zu beheben. Eine Umstellung auf ein anderes Pulver erfordert ebenfalls eine Demontage und neue Justage der Düse. Diese ist dann im Betrieb nicht zu korrigieren. Tritt eine Verstopfung der Düse oder eine Verschlechterung der Qualität des Pulvergasstrahls auf, die nicht durch eine Reinigung der Düsenöffnung zu beheben ist, so muss die Pulverzufuhrdüse bisher ausgebaut und zur Überarbeitung an den Hersteller oder einen geeigneten Servicebetrieb gesendet werden. Dort wird die Pulverzufuhrdüse dann zerlegt, gereinigt und neu justiert.
Stand der Technik
Pulverzufuhrdüsen für das Laserauftragschweißen weisen häufig ein inneres Düsenelement mit einer kegel- oder kegelstumpfförmigen äußeren Form auf, das so in einem konisch zulaufenden Kanal eines äußeren Düsenelementes angeordnet ist, dass zwischen dem äußeren und dem inneren Düsenelement ein ringförmiger Strömungskanal für die Pulvergasströmung gebildet wird. Für eine koaxiale Anordnung der Düse zum Laserstrahl weist das innere Düsenelement eine zentrale Durchgangsöffnung für den Laserstrahl auf. Zur Justage der Pulverzufuhrdüse ist das innere Düsenelement mechanisch verstellbar gegenüber dem äußeren Düsenelement gelagert. Dies kann über ein justierbares Zwischenelement zwischen den beiden Düsenelementen erfolgen, beispielsweise über einen Gewindering mit drei um 120° versetzten Gewinden, die eine Feineinstellung der Lage des inneren Düsenelementes zum äußeren Düsenelement ermöglichen. Eine derartige Pulverzufuhrdüse kann beispielsweise der DE 101 20 725 C1 entnommen werden. Treten bei einer derartigen Düse während des Einsatzes Probleme mit der Qualität des Pulvergasstrahls auf, die sich nicht durch eine Reinigung der Düsenöffnung beheben lassen, so muss diese Düse zum Hersteller oder einem Servicebetrieb gebracht und dort zerlegt, gereinigt und neu justiert werden. Dies gilt auch bei einem Wechsel des Pulvermaterials.
Die US 2017/0087666 A1 offenbart eine Pulverzufuhrdüse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Die US 2012/0145683 A1 beschreibt ein Laserbearbeitungssystem mit einer Pulverzufuhreinheit. Die Pulverzufuhrdüse der Pulverzufuhreinheit weist ein inneres und ein äußeres Düsenelement auf, die über Aktoren in vertikaler Richtung gegeneinander verschiebbar sind. Eine ähnliche Pulverzufuhrdüse für ein Laserbearbeitungssystem ist auch in der US 2011/0089151 A1 offenbart.
Zur Erkennung einer teilweisen Verstopfung einer Düse bei der direkten Metallabscheidung wird in der US 6423926 B1 die Temperatur der Düse mit Temperatursensoren überwacht. Ein Anstieg der Temperatur deutet dann auf eine zumindest teilweise Verstopfung hin
Die DE 10 2018 202 203 A1 beschreibt eine Anordnung zur Justierung einer Pulverströmung beim Pulverauftragsschweißen, die eine Einrichtung zur zwei- oder dreidimensionalen Ausrichtung der Pulverzuführung aufweist, die auch eine automatische Justierung ermöglicht.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Pulverzufuhrdüse anzugeben, die sich für die Pulverzufuhr beim Laserauftragschweißen eignet, mit weniger Aufwand von Verstopfungen befreit und/oder neu justiert und auch während eines Bearbeitungsprozesses angepasst werden kann.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit der Pulverzufuhrdüse gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Patentanspruch 6 gibt ein Verfahren zum Betrieb der Pulverzufuhrdüse an. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Pulverzufuhrdüse sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Die vorgeschlagene Pulverzufuhrdüse wird mit einem umlaufenden Strömungskanal durch ein inneres und ein äußeres Düsenelement gebildet. Das innere Düsenelement weist wenigstens an einem Ende eine kegel- oder kegelstumpfförmige äußere Form auf und ist so in einem konisch zulaufenden Kanal des äußeren Düsenelementes angeordnet, dass zwischen dem äußeren und dem inneren Düsenelement der umlaufende, vorzugsweise im Querschnitt ringförmige, Strömungskanal für die Pulvergasströmung gebildet wird. Das innere Düsenelement ist dabei verstellbar gegenüber dem äußeren Düsenelement gelagert. Die vorgeschlagene Pulverzufuhrdüse weist einen oder mehrere über Signale, insbesondere über elektrische Signale, ansteuerbare Aktoren auf, mit denen das innere Düsenelement quer, vorzugsweise senkrecht, zur Symmetrieachse des konisch zulaufenden Kanals und längs dieser Symmetrieachse verschiebbar, vorzugsweise auch gegenüber dieser Symmetrieachse verkippbar ist.
Durch diese in die Pulverzufuhrdüse integrierten Aktoren wird es möglich, die Pulverzufuhrdüse im Einsatz, also sowohl im eingebauten Zustand als auch während des bestimmungsgemäßen Betriebs, zu justieren und damit beispielsweise auch auf sich ändernde Anforderungen einzustellen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Pulverzufuhrdüse dem Bearbeitungsprozess, beispielsweise Laserauftragschweißen, bei dem die Düse zum Einsatz kommt, auch als Regelgröße zugänglich gemacht werden oder es können Verstopfungen in situ behoben werden. Dies erfolgt in einfacher Weise über die Ansteuerung, vorzugsweise elektrische Ansteuerung, der implementierten Aktoren, gegebenenfalls in Verbindung mit zusätzlichen Messeinrichtungen, beispielsweise den in die Düse integrierten Sensoren oder externe Messeinrichtungen zur Vermessung der Qualität des Pulvergasstrahls.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Pulverzufuhrdüse als koaxiale Pulverzufuhrdüse für einen Strahlbearbeitungsprozess, beispielsweise dem Laserauftragsschweißen, ausgebildet, indem das innere Düsenelement eine zentrale Durchgangsöffnung für den Bearbeitungsstrahl aufweist. Der Bearbeitungsstrahl muss selbstverständlich nicht notwendigerweise ein Laserstrahl sein.
Mit der vorgeschlagenen Pulverzufuhrdüse wird damit eine in die Düse integrierte, vorzugsweise elektrisch ansteuerbare Verstellmöglichkeit gegeben, mit welcher die den Strömungskanal für die Pulvergasströmung bildenden Düsenelemente in ihrer Lage relativ zueinander verändert werden können. Die hierzu eingesetzten Aktoren können elektromechanische Aktoren, beispielsweise piezoelektrische Aktoren, aber auch pneumatische, hydraulische oder andere Arten geeignet ansteuerbarer Aktoren sein.
Die Pulverzufuhrdüse weist einen oder mehrere Sensoren auf, mit denen eine Verstopfung des Strömungskanals und/oder eine inhomogene Verteilung eines durch den Strömungskanal strömenden Pulvers erkennbar ist. Damit kann eine Verstopfung der Düse während des Betriebs detektiert, der Bearbeitungsprozess bei Detektion einer Verstopfung gestoppt und die Verstopfung dann durch geeignete Ansteuerung der Aktoren zur Aufweitung des Strömungskanals, eventuell in Verbindung mit einer Gasspülung, beseitigt werden.
Das innere Düsenelement und das äußere Düsenelement sind aus elektrisch leitfähigem Material gebildet oder sind zumindest in den an den Strömungskanal angrenzenden Bereichen elektrisch leitfähig ausgebildet und gegeneinander elektrisch isoliert. Der oder wenigstens einer der integrierten Sensoren ist dabei so ausgebildet, dass er den elektrischen Widerstand zwischen den beiden Düsenelementen bzw. deren elektrisch leitfähigen Bereichen misst. Bei Messung des elektrischen Widerstandes zeigt ein Kurzschluss dann beispielsweise eine Verstopfung der Düse durch metallische Pulverpartikel, eine Kollision mit dem Bauteil, durch die eine Deformation der Düse erfolgt ist, einen unbeabsichtigten Kontakt mit einer metallischen Bauteiloberfläche oder eine zu starke Fehljustage der Düse bis zum Kontakt der beiden Düsenelemente an.
Die Implementierung des einen oder der mehreren Aktoren in die Pulverzufuhrdüse kann in verschiedenen kinematischen Konfigurationen erfolgen, beispielsweise in Form einer parallelen Kinematik, einer seriellen Kinematik, einer Kombination aus paralleler und serieller Kinematik sowie durch Festkörpergelenke oder andere geeignete mechanische Elemente verstärkt oder übersetzt.
Die integrierten Aktoren ermöglichen eine Veränderung der Geometrie des aus der Düse austretenden Pulvergasstrahls sowohl vor als auch während des Einsatzes der Düse, also während des eines Bearbeitungsprozesses. Bei einer Lasermaterialbearbeitung wie dem Laserauftragsschweißen kann damit analog zu einer Veränderung des Laserstrahldurchmessers der Pulvergasstrahl durch Überlagerung einer Variation der geometrischen Konfiguration der Düse sowie des Gasstromes kontrolliert in Durchmesser, Form und Lage sowie Konzentrationsverteilung variiert werden. Durch geeignete Ansteuerung kann ebenfalls eine kontrollierte Asymmetrie des Pulvergasstrahls erzeugt werden. Diese kann bei einem Laserbearbeitungsprozess beispielweise zu einer lokalen Erhöhung des Pulvermassenstroms in einer beliebigen Richtung relativ zur Vorschubgeschwindigkeit des Lasers oder einer benachbarten Spur der Laserbearbeitung verwendet werden. Auch überlagerte Variationen der Geometrie können beispielsweise genutzt werden, um zyklische Schwankungen kontrolliert zu verwenden (vgl. Wobbeln).
Für eine Justage des Pulvergasstrahls kann beispielsweise zusätzlich ein externes Messgerät für den Pulvergasstrahl verwendet werden, während die Düse durch Ansteuerung der Aktoren justiert wird. Über eine Feedback-Loop kann auf diese Weise auch eine automatische Justage erfolgen.
Mit der vorgeschlagenen Pulvergasdüse wird es möglich, den Pulvergasstrahl in großem Umfang während des Einsatzes zu kontrollieren, über die integrierten Sensoren Fehler im Betrieb festzustellen und während des Betriebs zu beheben, sowie den Pulvergasstrahl während des Betriebs zu regeln. Dies ermöglicht bspw. eine Adaption auf die Anforderungen des jeweiligen Prozesses oder eine bahngesteuerte Pulvergasstrahl-Anpassung analog zu einer Zoomoptik für den Laserstrahl bei der Lasermaterialbearbeitung. Dadurch können große Bandbreiten an Herausforderungen in situ gelöst werden, welche bisher Reparaturfälle, Neujustagen mit Zerlegung der Düse oder Prozessabbrüche hervorgerufen hätten. Die vorgeschlagene Pulverzufuhrdüse ermöglicht auch neue Prozessvariationen, beispielsweise mit adaptiver Pulverzuführung. Der Prozess wird robuster, besser kontrollierbar und besser automatisierbar.
Die vorgeschlagene Pulverzufuhrdüse lässt sich im gesamten Bereich der pulverbasierten Bearbeitungs- oder Aufbauprozesse anwenden. Dies erstreckt sich vom Laserauftragsschweißen bis hin zu Spritzverfahren, wie beispielsweise Kaltgasspritzen oder Flammspritzen, und artverwandte Prozesse.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorgeschlagene Pulverzufuhrdüse wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:

1 eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht einer Pulverzufuhrdüse mit lateraler und axialer Verstellmöglichkeit des inneren Düsenelementes in stark vereinfachter Darstellung;
2 ein Beispiel für eine Anordnung von Aktoren in der Pulverzufuhrdüse der 1 in stark vereinfachter Darstellung; und
3 eine schematische Darstellung eines Sensors zur Messung des elektrischen Widerstandes zwischen innerem und äußerem Düsenelement in der Pulverzufuhrdüse der 1.

Wege zur Ausführung der Erfindung
Die vorgeschlagene Pulverzufuhrdüse weist einen umlaufenden Strömungskanal 3 auf, der zwischen einem inneren Düsenelement 2 mit kegel- oder kegelstumpfförmiger äußerer Form und einem äußeren Düsenelement 1 gebildet ist, das einen konisch zulaufenden Kanal aufweist. In dem Beispiel der 1 ist in der linken Teilabbildung in stark vereinfachter Darstellung eine Draufsicht auf eine derartige Düse und in der rechten Teilabbildung eine Querschnittsdarstellung einer derartigen Düse zu erkennen. Das innere Düsenelement 2 ist dabei innerhalb des konisch zulaufenden Kanals des äußeren Düsenelements 1 angeordnet. In diesem Beispiel weist das innere Düsenelement 2 eine durchgehende Durchgangsöffnung 4 für einen Bearbeitungsstrahl auf, beispielsweise für einen Laserstrahl beim Laserauftragsschweißen. Bei der vorgeschlagenen Pulverzufuhrdüse ist das innere Düsenelement 2 gegenüber dem äußeren Düsenelement 1 verstellbar gelagert, so dass es quer zur Symmetrieachse 5 des konisch zulaufenden Kanals und auch längs dieser Achse mit einem oder mehreren Aktoren verstellt werden kann, wie dies durch die Pfeile in 1 angedeutet ist. Damit wird durch geeignete elektrische Ansteuerung der Aktoren eine Justage zur Bildung eines symmetrischen Strömungskanals 3 oder auch zur Einstellung der Weite dieses Strömungskanals 3 ermöglicht. Auch eine Einstellung einer asymmetrischen Form des Strömungskanals und damit des von der Düse erzeugten Pulvergasstrahls ist damit möglich.
2 zeigt ein Beispiel für eine mögliche Anordnung von Aktoren 6, beispielsweise Piezoaktoren, zwischen dem inneren 2 und dem äußeren Düsenelement 1 sowie zwischen dem inneren Düsenelement 2 und einem starr mit dem äußeren Düsenelement verbundenen oberen Düsenteil 7. Durch diese Aktoren 6 kann dann sowohl eine axiale als auch eine laterale Bewegung des inneren Düsenelementes 2 relativ zur Symmetrieachse des konisch zulaufenden Kanals oder auch eine Verkippung gegenüber dieser Symmetrieachse erfolgen. In diesem Beispiel erfolgt die Zufuhr der Pulvergasströmung in den Strömungskanal unterhalb der Aktoren 6. Dies ist in der Figur nicht erkennbar.
In dem Beispiel der Pulverzufuhrdüse der 1 lässt sich die Lage des inneren Düsenelementes 2 gegenüber dem äußeren Düsenelement 1 durch einen geeigneten Sensor 8 erfassen, der den elektrischen Widerstand zwischen innerem und äußerem Düsenelement misst. Dies ist in 3 schematisch angedeutet. Diese Messung wird ermöglicht, da in diesem Beispiel beide Düsenelemente 1, 2 aus elektrischem leitfähigem Material gebildet und gegeneinander isoliert sind. Durch eine derartige Messung lässt sich beispielsweise eine Verstopfung des Strömungskanals 3 erkennen, da dann aufgrund des in der Regel metallischen Pulvers durch die Verstopfung ein Kurzschluss zwischen den beiden Düsenelementen 1, 2 entsteht und mit dem Sensor 8 detektiert werden kann. Im Falle eines derartigen Kurzschlusses kann dann ein Rückzug des inneren Düsenelementes 2 über den entsprechenden Aktor erfolgen, so dass der Strömungskanal 3 geweitet wird. Dies kann dann bei einer Verstopfung in einer Prozesspause erfolgen und die Düse gleichzeitig mit erhöhtem Gasdurchfluss gespült werden. Auch eine Justage des Strömungskanals auf ein anderes Pulver bzw. eine andere Kornfraktion kann durch entsprechende axiale Bewegung des inneren Düsenelementes 2, die zu einer Aufweitung oder Verengung des Strömungskanals führt, durchgeführt werden.
Bezugszeichenliste

1: äußeres Düsenelement
2: inneres Düsenelement
3: ringförmiger Strömungskanal
4: Durchgangsöffnung im inneren Düsenelement
5: Symmetrieachse
6: Aktor
7: oberes Düsenteil
8: elektrischer Messsensor

Claims

Pulverzufuhrdüse, bei der ein inneres Düsenelement (2), das wenigstens an einem Ende eine kegel- oder kegelstumpfförmige äußere Form aufweist, so in einem konisch zulaufenden Kanal eines äußeren Düsenelementes (1) angeordnet ist, dass zwischen dem äußeren (1) und dem inneren Düsenelement (2) ein umlaufender Strömungskanal (3) für eine Pulvergasströmung gebildet wird, wobei das innere Düsenelement (2) verstellbar gegenüber dem äußeren Düsenelement (1) gelagert ist und die Pulverzufuhrdüse einen oder mehrere Aktoren (6) aufweist, mit denen das innere Düsenelement (2) quer zu einer Symmetrieachse (5) des konisch zulaufenden Kanals und längs dieser Symmetrieachse (5) verschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulverzufuhrdüse einen oder mehrere Sensoren (8) aufweist, mit denen eine Verstopfung des Strömungskanals (3) und/oder eine inhomogene Verteilung eines durch den Strömungskanal (3) strömenden Pulvers erkennbar ist, wobei das innere (2) und das äußere Düsenelement (1) zumindest in an den Strömungskanal (3) angrenzenden Bereichen elektrisch leitfähig ausgebildet und gegeneinander isoliert sind und wenigstens einer der Sensoren (8) zur Messung eines elektrischen Widerstandes zwischen innerem (2) und äußerem Düsenelement (1) ausgebildet ist.
Pulverzufuhrdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einer oder mehrere der Aktoren (6) so angeordnet und ausgebildet sind, dass das innere Düsenelement (2) mit diesem Aktor (6) oder diesen Aktoren (6) gegenüber der Symmetrieachse (5) des konisch zulaufenden Kanals auch verkippbar ist.
Pulverzufuhrdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Düsenelement (2) eine zentrale Durchgangsöffnung (4) für einen Bearbeitungsstrahl aufweist.
Pulverzufuhrdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der eine oder die mehreren Sensoren (8) und Aktoren (6) der Pulverzufuhrdüse mit einer Regeleinheit verbunden sind, mit der das innere Düsenelement (2) auf eine vorgebbare Regelgröße regelbar ist.
Pulverzufuhrdüse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Düsenelement (2) mit der Regeleinheit auf eine vorgebbare Lage relativ zur Symmetrieachse (5) des konisch zulaufenden Kanals oder auf eine homogene Verteilung des durch den Strömungskanal (3) strömenden Pulvers regelbar ist.
Verfahren zum Betrieb der Pulverzufuhrdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem bei einer Verstopfung des Strömungskanals (3) das innere Düsenelement (2) zeitweise mit einem der Aktoren (6) entlang der Symmetrieachse (5) des konisch zulaufenden Kanals verschoben wird, um den Strömungskanal (3) zu weiten.