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Verfahren und Einrichtung zum Beschichten von Werkstücken
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durch thermisches Spritzen, insbesondere durch PlasmasPritzen Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten von Werkstücken nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 und eine Einrichtung zum Beschichten von Werkstücken nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 5.
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Der Begriff "thermisches Spritzen" umfaßt mehrere Verfahren zum Beschichten
von Werkstücken mit hochschmelzenden Stoffen, wie mit Metallen, Verbund- und Sonderwerkstoffen,
aber auch mit niedrigschmelzenden Stoffen wie Kunststoffen.
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Mit den thermischen Spritzverfahren werden beispielsweise Schutzschichten
gegen Verschleiß und Korrosion, elektrisch isolierende Schichten oder auch dünnwandige,
freitragende Formteile hergestellt. Hierzu werden die Uberzugsmaterialien von einem
heißen Gasstrom beschleunigt und auf die zu beschichtenden Oberflächen der Werkstücke
geschleudert. Die erwärmten Spritzpartikel sind gewöhnlich im geschmolzenem oder
plastischem Zustand und kühlen beim Auftreffen auf die kälteren Oberflächen der
Werkstücke rasch ab. Durch den Aufprall werden die Partikel flachgedrückt, sie verriegeln
und überlagern einander, wobei sich ein dichter, zusammenhängender Überzug bildet.
Zu den thermischen Spritzverfahren zählen das Flammspritzen, das Plasmaspritzen,
das Detonationsspritzen und das Lichtbogenspritzen, wobei für den industriellen
Einsatz insbesondere dem Plasmaspritzen eine besondere Bedeutung zukommt.
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Die Qualität thermisch gespritzter Schichten wird durch die Einstellung
einer Vielzahl von Betriebsparametern beeinflußt. Durch die starke Verkoppelung
der Parametereinflüsse ist es äußerst schwierig, eine optimale Einstellung der Betriebsparameter
zu erreichen. Die Betriebsparameter werden dabei im Rahmen einer Versuchsreihe,
ausgehend von einer Anfangseinstellung, modifiziert, worauf jeweils eine Beschichtung
durchgeführt wird. Die Anfangseinstellung wird entweder intuitiv oder mittels bekannter
Richtwerte durchgeführt. Die jeweils gespritzte Schicht wird untersucht, wobei diese
Untersuchung das Anfertigen von Schliffen und Aufnahmen mit dem Rasterelektronenmikroskop
sowie Untersuchungen der Porosität und der Haftung der gespritzten Schichten einschließen.
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Ergibt eine Untersuchung eine unzureichende Schichtqualität, so muß
ein weiterer Versuch mit modifizierten Betriebsparametern durchgeführt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung
zum Beschichten von Werkstücken durch thermisches Spritzen zu schaffen, bei welchen
eine Optimierung der Betriebsparameter auch ohne die wiederholte, kosten- und zeitintensive
Untersuchung der Spritzschichten erfolgen kann.
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Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren durch die kennzeichnenden
Merkmale des Anspruchs 1 und bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden
Merkmale des Anspruchs 5 gelöst.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß beim thermischen
Spritzen die Schichtqualität durch den Zustand der Spritzpartikel vor deren Aufprall
auf die zu beschichtenden Oberflächen bestimmt wird und daß dieser Zustand im wesentlichen
durch die Geschwindigkeit und den Schmelzzustand
der Spritzpartikel
definiert ist. Werden nun im freien Gasstrom die Partikelgeschwindigkeiten und der
Schmelzzustand der Spritzpartikel an dem vorgesehenen Ort der zu beschichtenden
Werkstücke zumindest näherungsweise ermittelt, so läßt sich der Zustand der Spritzpartikel
an diesem Ort optimieren, ohne jeweils eine Beschichtung durchführen zu müssen.
Erst mit den bezüglich des Zustands der Spritzpartikel optimierten Betriebsparametern
wird dann die Beschichtung durch thermisches Spritzen durchgeführt. Die wiederholte
kosten- und zeitintensive Untersuchung der Spritzschichten kann somit entfallen.
Außerdem kann durch die Ermittlung der Partikelgeschwindigkeiten und des Schmelzzustandes
der Spritzpartikel der Einfluß der Betriebsparameter in weiten Bereichen systematisch
untersucht werden. Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, daß durch die Ermittlung
und Optimierung des für die Schichtqualität maßgeblichen Zustandes der Spritzpartikel
die Einführung neuer Spritzmaterialien und Spritzverfahren wesentlich erleichtert
wird.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung umfaßt - ein Laser-Anemometer zur
Ermittlung der Geschwindigkeit der durch ein Meßvolumen fliegenden Spritzpartike,
- einen Partikelzähler zur Ermittlung der Anzahl der pro Zeiteinheit durch einen
Querschnitt des Meßvolumens fliegenden Spritzpartikel, - eine Verstelleinrichtung,
durch welche die Lage des Meßvolumens relativ zum heißen Gasstrom verstellbar ist
und - eine Einrichtung zur digitalen Datenverarbeitung, welcher zur Errechnung der
mittleren Partikelflugbahnen der Spritzpartikel das Ausgangssignal des Partikelzählers
zuführbar ist.
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Das Laser-Anemometer, welches als Zweifokus-Laser-Anemometer oder
als Laser-Doppler-Anemometer ausgebildet sein kann, ermöglicht
auch
beispielsweise in einem Plasmastrahl die Messung der Geschwindigkeit der Spritzpartikel.
Zusätzlich wird mit Hilfe des Partikelzählers die Stromdichte der Spritzpartikel
an verschiedenen Meßorten ermittelt, so daß in der Einrichtung zur digitalen Datenverarbeitung
aus diesen Werten die mittleren Partikelflugbahnen der Spritzpartikel errechnet
werden können. Aus der Kenntnis der Geschwindigkeiten und der mittleren Partikelflugbahnen
kann dann auf die mittlere Verweilzeit der Spritzpartikel im heißen Gasstrom geschlossen
werden, wobei diese mittlere Verweilzeit ein Maß für den Wärmeübergang und damit
für den Schmelzzustand der Spritzpartikel darstellt.
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Entsprechend den vorstehenden Ausführungen ist bei einer bevorzugten
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, daß zur Ermittlung der
Partikelgeschwindigkeiten und des Schmelzzustandes der Spritzpartikel an dem vorgesehenen
Ort der zu beschichtenden Werkstücke zunächst an einer Vielzahl von Meßorten im
Bereich des heißen Gasstromes die Partikelgeschwindigkeiten und die Partikelstromdichten
gemessen werden und daß dann die mittleren Partikelgeschwindigkeiten an den Meßorten,
die mittleren Partikelflugbahnen und die mittleren Verweilzeiten der Spritzpartikel
im heißen Gasstrom errechnet werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist vorgesehen, daß nur die horizontalen Geschwindigkeitskomponenten
der Spritzpartikel gemessen werden. Diese vereinfachten und mit geringerem Aufwand
durchzuführenden Messungen sind in vielen Fällen hinreichend genau, da die vertikalen
Geschwindigkeitskomponenten deutlich kleiner sind als die horizontalen Geschwindigkeitskomponenten.
Die vertikalen Geschwindigkeitskomponenten haben daher nur auf die Richtung der
Partikelgeschwindigkeiten
einen Einfluß, während sie auf die Geschwindigkeitsbeträge
nahezu keinen Einfluß haben.
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Bei einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Messungen
auch zwischen der Beschichtung von zwei Werkstücken duchgeführt. Hierdurch wird
dann eine routinemäßige Erfassung von Schwankungen während des Spritzbetriebes ermöglicht.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Einrichtung
ist das Laser-Anemometer als Laser-Doppler-Anemometer ausgebildet. Dieses Laser-Doppler-Anemometer
besteht dann vorzugsweise aus - einem Laser zur Erzeugung eines Laserstrahls, -
einer Sendeoptik zur Teilung des Laserstrahls und zur Bildung des Meßvolumens als
Kreuzungsvolumen zweier fokussierter Laserstrahlen, - einer Empfangsoptik zur Bündelung
des Streulichts von durch das Meßvolumen fliegenden Spritzpartikeln auf einen Fotodetektor
und - einer dem Fotodetektor nachgeschalteten Auswerteelektronik zur Bildung eines
der Geschwindigkeit der durch das Meßvolumen fliegenden Spritzpartikel entsprechenden
Digitalsignals, welches der Einrichtung zur digitalen Datenverarbeitung zufuhrbar
ist.
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Derartige nach der sog. Zweistrahl-Technik arbeitende Laser-Doppler-Anemometer
haben insbesondere den Vorteil, daß die gemessenen Dopplerfrequenzen nicht vom Beobachtungsort
abhängen.
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Vorzugsweise ist in der Auswerteelektronik diejenige Zeit meßbar,
die ein durch das Meßvolumen fliegendes Spritzpartikel zum Überqueren einer vorgebbaren
Anzahl von Interferenzstreifen benötigt.
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Der Streifenabstand kann dabei aus der Geometrie der Laserstrahlen
und
aus der Wellenlänge des Laserlichts berechnet werden.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn in der Auswerteelektronik eine
Diskriminatorschaltung vorgesehen ist, welche das Eingangssignal nur dann zu einem
Streifenzähler durchläßt, wenn dessen Momentanwert nacheinander und in richtiger
Reihenfolge den Spannungswert Null, einen ersten vorgebbaren Spannungswert und einen
zweiten vorgebbaren Spannungswert durchlaufen hat. Eine derartige Diskriminatorschaltung
ermöglicht einen hohen Schutz gegen beispielsweise durch Rauschen verursachte Falschdaten.
Ist dem Partikel zähler ein Ausgangssignal der Diskriminatorschaltung zuführbar,
so können die Vorteile der Diskriminatorschaltung auch für die Ermittlung der Partikelstromdichten
ausgenutzt werden. Dabei ist es zweckmäßig, wenn zwischen dem Partikelzähler und
der Diskriminatorschaltung ein ECL/TTL-Wandler angeordnet ist und wenn der Partikelzähler
über einen Bus ansteuerbar ist.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Einrichtung ist der Einrichtung zur digitalen Datenverarbeitung ein Sichtgerät zugeordnet,
auf welchem die mittleren Partikelgeschwindigkeiten ortsrichtig grafisch darstellbar
sind. Auf diese Weise erhält man besonders rasch eine Information über die für die
Schichtqualität maßgeblichen Endgeschwindigkeiten der Spritzpartikel an dem vorgesehenen
Ort der zu beschichtenden Werkstücke.
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Der Einrichtung zur digitalen Datenverarbeitung kann auch ein Sichtgerät
zugeordnet sein, auf welchem die mittleren Partikelflugbahnen grafisch darstellbar
sind. Es kann dann auf einen Blick erkannt werden, ob die mittleren Partikelflugbahnen
einen im Hinblick auf die angestrebte Schichtqualität
optimalen
Verlauf aufweisen oder durch eine andere Einstellung entsprechender Betriebsparameter
korrigiert werden müssen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen: Figur 1 ein Blockschaltbild einer Einrichtung zum Beschichten
von Werkstücken mit einer Plasmaspritzvorrichtung, Figur 2 die beiden sich kreuzenden
und das Meßvolumen bildenden Laserstrahlen des Laser-Doppler-Anemometers der in
Figur 1 dargestellten Einrichtung, Figur 3 das Grundprinzip der Geschwindigkeitsmessung
eines durch das Meßvolumen eines Laser-Doppler-Anemometers fliegenden Spritzpartikels,
Figur 4 ein stark vereinfachtes Blockschaltbild der Auswerteelektronik der in Figur
1 dargestellten Einrichtung, Figur 5 das Grundprinzip einer in der Auswerteelektronik
nach Figur 4 verwendeten Diskriminatorschaltung, Figur 6 das Grundprinzip für die
Erkennung des Burst-Endes eines Dopplersignals, Figur 7 das Grundprinzip für die
Ermittlung einer mittleren Partikelflugbahn aus den gemessenen Partikelstromdichten,
Figur 8 den optimalen Verlauf einer mittleren Partikelflugbahn im Plasmastrahl,
Figur 9 die grafische Darstellung mittlerer Partikelgeschwindigkeiten
in
Form eines Isotachenfeldes und Figur 10 die in Form von Isothermen dargstellte Temperaturverteilung
in einem Plasmastrahl.
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Figur 1 zeigt in stark vereinfachter schematischer Darstellung eine
Einrichtung zum Beschichten von Werkstücken mit einer Plasmaspritzvorrichtung, deren
mit S bezeichnete Spritzpistole einen Plasmastrahl Ps erzeugt. Dabei wird das der
nur schematisch dargestellten Spritzpistole S zugeführte Plasmagas durch einen zwischen
zwei Elektroden erzeugten Gleichstromlichtbogen auf Plasmatemperatur erhitzt, wobei
eine hohe Ausströmgeschwindigkeit des Plasmas an der Düse der Spritzpistole S bewirkt
wird. Als Plasmagas kann beispielsweise ein Primärgas wie Argon oder Stickstoff
und ein Sekundärgas wie Wasserstoff oder Helium verwendet werden.
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Das Überzugsmaterial wird vor der Düse der Spritzpistole S in Form
von Pulver über ein Pulverzufuhrrohr Pz zugeführt.
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Für die Förderung des Pulvers wird dabei ein Trägergas verwendet,
welches wie das Primärgas aus Argon oder Stickstoff bestehen kann. Bei der Beschichtung
eines in Figur 2 nicht dargestellten Werkstückes werden die durch das Pulver gebildeten
Spritzpartikel Sp durch den heißen Plasmastrahl Ps beschleunigt und im geschmolzenen
oder plastischen Zustand auf die zu beschichtende Oberflächen geschleudert. Dabei
hängt die Schichtqualität in erster L-inie von der Partikelgeschwindigkeit und von
dem Schmelzzustand der Spritzpartikel Sp am vorgesehenen Ort der Beschichtung ab.
Bei einer Kenntnis dieser Partikelgeschwindigkeiten und des Schmelzzustandes der
Spritzpartikel Sp könnte also die Schichtqualität durch eine entsprechende Einstellung
von Betriebsparametern des Plasmaspritzens optimiert werden. Als maßgebliche Betriebsparameter
sind dabei der Strom, die Spannung, der Primärgasfluß, der Senkundärgasfluß, der
Pulverfluß und der Trägergasfluß zu nennen. Auch das Pulverzufuhrrohr Pz spielt
eine
wesentliche Rolle, da es durch Auswechseln im Querschnitt verändert werden kann,
die Richtung der Einblasung des Pulvers in den Plasmastrahl Ps bestimmt und auch
durch seinen Abstand zum Plasmastrahl Ps die Schichtqualität beeinflußt.
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Zur Messung der Partikelgeschwindigkeiten der im Plasmastrahl Ps beschleunigten
Spritzpartikel Sp dient ein Laser-Doppler-Anemometer, welches aus einem Argon-Ionen-Laser
L, einer Sendeoptik So, einer Empfangsoptik, einem als Fotomultiplier ausgebildeten
Fotodetektor und einer Auswerteelektronik Ae besteht. Die Empfangsoptik und der
Fotodetektor sind dabei zusammengefaßt als ein Baustein Efd dargestellt. Insbesondere
im Zusammenhang mit den Figuren 2 und 3 ist zu erkennen, daß die Sendeoptik So den
von dem Argon-Ionen-Laser L erzeugten Laserstrahl Ls in zwei kohärente, fokussierte
Laserstrahlen Ls1 und Ls2 aufteilt, die sich unter dem Winkel 2& schneiden und
durch ihr Kreuzungsvölumen das innerhalb des Plasmastrahls Ps liegenende Meßvolumen
Mv bilden. Die beiden Laserstrahlen Ls1 und Ls2 sind dabei in bezug auf das in den
Figuren 1 und 2 dargestellte x, y, z-Koordinatensystem in x-Richtung polarisiert.
Als Folge der Überlagerung der beiden Laserstrahlen Ls1 und Ls2 ändert sich die
Intensität im Meßvolumen Mv in der horizontalen y-Richtung periodisch, d.h. Orte
maximaler und minimaler Helligkeit wechseln in y-Richtung ab. Dies ist in Figur
3 durch Interferenzstreifen If im Meßvolumen Mv aufgezeigt, wobei sich der Streifenabstand
zu d = 2 sinoc ergibt. Hierbei ist X die Wellenlänge des Laserlichts.
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Bewegt sich ein Spritzpartikel Sp wie in Figur 3 gezeigt durch das
Meßvolumen Mv, so wird es in Orten maximaler Helligkeit maximal Streulicht Stl und
an Orten minimaler Helligkeit minimal Streulicht Stl aussenden. Die Modulationsfrequenz
D des Streulichts Stl ist hierbei proportional zur
horizontalen
Geschwindigkeitskomponente v der Partikelgeschwindigkeit v. Das Streulicht Stl wird
im Baustein EFd von der Empfangsoptik auf den Fotodetektor gebündelt, welcher das
Streulichtsignal in ein elektrisches Signal umwandelt.
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Berücksichtigt man die gaußförmige Intensitätsverteilung der Laserstrahlen
Ls1 und Ls2, so ergibt sich ein typischer Signalverlauf, welcher auch als Burst
bezeichnet wird. Ein derartiger Burst ist in Figur 3 dargestellt, wobei in horizontaler
Richtung die Zeit t und in vertikaler Richtung das elektrische Signal Si aufgetragen
ist. Aus jedem registrierten Burst läßt sich die horizontale Geschwindigkeitskomponente
Ve vy des Spritzpartikels Sp berechnen zu
Die Periodendauer TD bzw. die Dopplerfrequenz fd = 1/TD wird aus dem gemessenen
Signal entnommen.
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Gemäß Figur 1 wird das von dem Fotodetektor erzeugte elektrische Signal
Si der Auswerteelektronik Ae zugeführt, die meist auch als "LDA Counter Processor"
bezeichnet wird.
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Das auch als Dopplersignal zu bezeichnende elektrische Signal Si durchläuft
in der Auswerteelektronik Ae einen Vorverstärker Vv, eine Diskriminatorschaltung
Ds und einen Baustein B für die digitale Messung der Dopplerfrequenz. Die gemessene
Dopplerfrequenz wird dann als Maß für die Partikelgeschwindigkeit im Meßvolumen
Mv über ein Interface Ic in eine Einrichtung zur digitalen Datenverarbeitung ED
eingegeben, bei welcher es sich beispielsweise um einen Rechner handelt.
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Von der Diskriminatorschaltung Ds wird ein Signal Sa abgezweigt und
über einen ECL/TTL-Wandler W einem Partikelzähler
Paz zugeführt,
welcher die Anzahl der pro Zeiteinheit durch einen Querschnitt des Meßvolumens Mv
strömenden Spritzpartikel Sp ermittelt. Die auf diese Weise durch den Partikelzähler
Paz ermittelte Partikel stromdichte wird dann über einen Bus Bu in die Einrichtung
zur digitalen Datenverarbeitung ED eingegeben.
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Aus Figur 1 geht auch hervor, daß die Einrichtung zur digitalen Datenverarbeitung
ED über eine Robotersteuerung Rs und eine Verstelleinrichtung Ve die Spritzpistole
S in x-Richtung, in y-Richtung und in z-Richtung verstellen kann. Auf diese Weise
kann der Plasmastrahl Ps relativ zum Meßvolumen Mv derart verstellt werden, daß
an einer Vielzahl von vorgebbaren Meßorten innerhalb des Plasmastrahls Ps jeweils
die Partikelgeschwindigkeiten und die Partikelstromdichten gemessen werden können.
Diese Messungen werden beispielsweise an 100 ausgewählten Meßorten durchgeführt.
Aus den an den verschiedenen Meßorten ermittelten und dann gespeicherten Partikelgeschwindigkeiten
werden dann Mittelwerte gebildet und in einem Sichtgerät Sg ortsrichtig in Form
eines Isotachenfeldes Itf grafisch dargestellt. Die Mittelwertbildung ist dabei
erforderlich, weil die Spritzpartikel Sp aufgrund ihrer verschiedenen Größen an
den gleichen Meßorten verschiedene Partikelgeschwindigkeiten aufweisen können. Außerdem
wird aus den an den verschiedenen Meßorten ermittelten Partikelstromdichten eine
mittlere Partikelflugbahn Pfb errechnet und im Sichtgerät Sg grafisch dargestellt.
Die Linien Pfb 50 zeigen diejenigen Bereiche im Plasmastrahl Ps an, die von 50%
aller Spritzpartikel Sp durchflogen werden, während die Linien Pfb 90 diejenigen
Bereiche anzeigen, die von 90% aller Spritzpartikel Sp durchflogen werden.
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In der Einrichtung zur digitalen Datenverarbeitung EDD können aus
den mittleren Partikelgeschwindigkeiten und den
mittleren Partikelflugbahnen
die mittleren Verweilzeiten der Spritzpartikel Sp im heißen Plasmastrahl Ps errechnet
werden. Aus den mittleren Verweilzeiten kann dann aufgrund einer bekannten oder
angenommenen Temperaturverteilung im Plasmastrahl Ps die Wärmeaufnahme der Spritzpartikel
Sp und damit der Schmelzzustand der Spritzpartikel Sp bestimmt werden.
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Mit Hilfe der in Figur 1 dargestellten Einrichtung können also an
dem für die Beschichtung eines Werkstückes vorgesehenen Ort y = y0 die mittleren
Endgeschwindigkeiten und der Schmelzzustand der Spritzpartikel Sp angegeben werden.
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Diese für die Schichtqualität maßgeblichen Werte können dann durch
eine entsprechende Einstellung von Betriebsparametern optimiert werden. Erst mit
den nunmehr eingestellten Betriebsparametern wird dann die Beschichtung der Werkstücke
durchgeführt.
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Bei der in Figur 1 dargestellten Auswerteelektronik Ae handelt es
sich um ein Signalverarbeitungssystem, welches in 55L90a LDA Counter Processor,l982,
Seiten 1 bis 10, Prospekt der Firma DISA Elektronik AXS, DK-2740 Skovlunde, Dänemark
näher beschrieben ist. Ein detailliertes Blockschaltbild der Auswerteelektronik
Type 55L90a LDA Counter Processor ist dort auf Seite 5 dargestellt.
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Figur 4 zeigt ein stark vereinfachtes Blockschaltbild der Signalverarbeitung.
Der an dem Baustein EFd enthaltene Fotodetektor erzeugt als Dopplersignal ein elektrisches
Signal Si, welches zunächst den Vorverstärker Vv mit stufenweise einstellbarer Verstärkung
durchläuft. Der Vorverstärker Vv enthält außerdem stufenweise einstellbare Hochpaß-
und Tiefpaß-Filter. Der Verlauf dieses derart vorverstärkten und gefilterten Dopplersignals
ist in Figur 5 dargestellt. Die
nachfolgende Diskriminatorschaltung
Ds, die auch als "Two Level Validation" bezeichnet wird, ist ein spezielles Amplitudenfilter.
Nur dann, wenn der Momentanwert des Dopplersignals nacheinander und in richtiger
Reihenfolge den Spannungswert Null, einen ersten Spannungswert von 50 mV und einen
zweiten Spannungswert von 100 mV durchlaufen hat, wird das mittlerweile in eine
Rechteckspannung (vgl. Fig. 5) umgeformte Dopplersignal an einen Streifenzähler
Sz durchgelassen. Dieser Streifenzähler Sz steuert zwei Torschaltungen Tsl und Ts2,
die über eine Anzahl von beispielsweisen 5/8 Nulldurchgängen bzw. vom Spritzpartikel
Sp überquerten Interferenzstreifen If (vgl. Fig. 3) hinweg geöffnet bleiben. In
der Öffnungsphase der beiden Torschaltungen Tsl und Ts2 läuft in einen Niedrigstzähler
Nz und einen Höchstzähler Hz die Zeitbasisfrequenz Zbf von beispielsweise 500 MHz
ein.
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Sobald die vor dem Höchstzähler Hz angeordnete Torschaltung Ts2 nach
acht Nulldurchgängen geschlossen ist, wird in einem Komparator Kom in einer fest
verdrahteten Rechenschaltung ein 5/8-Vergleich durchgeführt gemäß: 100 . |5 . C
- C |# e . 5. C 8 h L 8 H Hierbei sind CH und CL die in dem Höchstzähler Hz bzw.
dem Niedrigstzähler Nz anstehenden Werte und e ist die in Stufen vorgebbare Genauigkeitstoleranz
des Komparators Kom. Nur die vom Komparator Kom als gültig bewerteten Counts werden
zur weiteren Verarbeitung freigegeben und in das Interface Ic (vgl. Fig. 1) eingelesen.
Damit ist sichergestellt, daß nur Dopplerfrequenzen und nicht etwa Rauschen gemessen
werden.
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In Figur 4 ist nochmals angedeutet, daß auch die Messung der Partikelstromdichte
von dem handelsüblichen LDA Counter Processor abgeleitet werden kann. Hierzu wird
ein Ausgangssignal
Sa der Diskriminatorschaltung Ds über den ECL/TTL-Wandler
W dem Partikelzähler Paz zugeführt, welcher über den Bus Bu (vgl. Fig. 1) ansteuerbar
ist. Bei dem ECL/TTL-Wandler W handelt es sich um eine Transistorschaltung, welche
eine emitter-gekoppelte Logik mit einer Transistor-Transistor-Logik verknüpft. Der
Partikelzähler Paz registriert die Anzahl der in Figur 5 dargestellten Bursts und
damit die Anzahl der pro Zeiteinheit durch einen bestimmten Querschnitt des jeweils
angefahrenen Meßvolumens Mv fliegenden Spritzpartikel Sp (vgl. Fig. 3). Diese Werte
werden dann für jedes mit Hilfe der Verstelleinrichtung Ve (vgl. Fig. 1) angefahrene
Meßvolumen Mv gespeichert.
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Figur 6 zeigt das Grundprinzip für die Erkennung des Burst-Endes eines
Dopplersignals. Das Burst-Ende wird wieder über eine Diskriminatorschaltung bzw.
1,Two Level Validation" festgestellt, wenn nacheinander und in richtiger Reihenfolge
die Triggerschwellen 100 mV, 50 mV und der Spannungswert Null durchlaufen werden.
Durch diese Erkennung des Burst-Endes können in bestimmten Fällen, in welchen beispielsweise
nacheinander drei kurze und zeitlich aufeinander abgestimmte Bursts auftreten, Falschdaten
durch Abschalten des Counting-Prozesses vermieden werden. Außerdem wird die Erkennung
des Burst-Endes für hier bevorzugt anzuwendende Betriebsarten des "LDA Counter Processors"
verwendet, bei welchen zur Ermittlung der Partikelgeschwindigkeiten die jeweils
insgesamt auftretende Anzahl von Interferenzstreifen If (vgl.
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Fig. 3) allein oder kombiniert mit dem vorstehend geschilderten 5/8-Vergleich
gezählt wird.
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Figur 7 zeigt in stark vereinfachter Darstellung das Grundprinzip
für die Ermittlung der mittleren Partikel flugbahn Pfb aus den gemessenen Partikelstromdichten.
In der x-, z-Ebene sind hier Linien konstanter Partikelstromdichte L20, L40, L60
und L90 angegeben, die
die äußeren Begrenzungen derjenigen Flächen
angeben, durch welche in einer zur y-Richtung senkrechten Schnittebene 20% bzw.
40% bzw. 60% bzw. 90% aller der vom Partikelzähler Paz (vgl. Fig. 1 und 4) registrierten
Spritzpartikel Sp fliegen. Die Linien L20 bis L90 sind in Figur 7 zur Vereinfachung
der zeichnerischen Darstellung als zum Schnittpunkt der x-Achse und der z-Achse
konzentrische Kreise angegeben, was aber tatsächlich wegen der im Plasmastrahl Ps
(vgl. Fig. 1) vorhandenen Unsymmetrien nicht der Fall ist.
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Die Schwerpunkte der durch die Linien L20 bis L90 begrenzten Flächen
liegen wegen der im Plasmastrahl Ps vorhandenen Symmetrie in z-Richtung in der x,
y-Ebene. Bei diesen Schwerpunkten handelt es sich nicht um die geometrischen Schwerpunkte
der Flächen, sondern um die mit der Partikelstromdichte gewichteten Schwerpunkte.
Bestimmt man nun für eine Vielzahl von Schnitten y = y1, Y = Y2, y = Y3 usw.
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die Schwerpunkte derjenigen Flächen, durch welche die Mehrzahl aller
Spritzpartikel Sp fliegt, so ergibt die Verbindungslinie dieser Schwerpunkte die
mittlere Partikelflugbahn Pfb (vgl. Fig. 1). Für die Schwerpunktbildung werden dabei
bevorzugt die Linien L90 herangezogen, da die verbleibenden 10% der Spritzpartikel
Sp sich am Rande des Plasmastrahls Ps mit sehr niedrigen Geschwindigkeiten bewegen
und auch nicht mehr aufgeschmolzen werden.
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In Figur 8 zeigt die strichpunktiert dargestellte Linie eine ideale
bzw. optimale mittlere Partikelflugbahn Pfb, die auf eine richtige Einstellung der
hierfür maßgeblichen Betriebsparameter schließen läßt. Die gestrichelt und ausgezogen
dargestellten Linien Pfb' bzw. Pfb" zeigen auf falsche Parametereinstellungen beruhende
Extremwerte der mittleren Partikelflugbahnen an. Bei der Linie Pfb' ist die Einblasung
des Pulvers über das Pulverzufuhrrohr Pz so schwach, daß die Spritzpartikel Sp am
Plasmastrahl Ps abprallen. Bei der Linie Pfb" ist die Einblasung des Pulvers über
das Pulverzufuhrrohr Pz zu stark, so daß die Spritzpartikel Sp durch
den
Plasmastrahl Ps hindurchgeschossen werden.
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Figur 9 zeigt in der x, y-Ebene das Isotachenfeld Itf der mittleren
Partikelgeschwindigkeiten. Dabei entsprechen die Linien Li50, Li100, Li200, Li250
und Li300 mittleren Partikelgeschwindigkeiten von 50 bzw. 100 bzw. 200 bzw. 250
bzw. 300 m/s. An der zusätzlich eingezeichneten mittleren Partikelflugbahn Pfb ist
zu erkennen, daß die Spritzpartikel Sp (vgl. Fig. 1, 3 und 8) zunächst beschleunigt
und dann auf ihrem weiteren Weg in y-Richtung wieder abgebremst werden. Wichtig
ist dabei insbesondere, daß die Spritzpartikel Sp in den heißen Zonen wegen der
erforderlichen Wärmeaufnahme nicht zu schnell sind und daß am vorgesehenen Ort der
Beschichtung die mittleren Endgeschwindigkeiten im Bereich der für eine optimale
Schichtqualität erforderlichen Werte liegen.
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Figur 10 zeigt schließlich als Beispiel die Temperaturverteilung im
Plasmastrahl Ps in Form von in der x,y-Ebene liegenden Isothermen It1 bis It4. Dabei
entspricht beispielsweise die Isotherme It1 einer Temperatur von 50000 K, während
die Isotherme It4 einer Temperatur von beispielsweise 20 0000 K entspricht.
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Mit der in Figur 1 schematisch dargestellten Einrichtung zum Beschichten
von Werkstücken mit einer Plasmaspritzvorrichtung können für die Schichtqualität
maßgebliche Erkenntnisse über die mittleren Endgeschwindigkeiten der Spritzpartikel
und über den Schmelzzustand der Spritzpartikel gewonnen werden. Wird dabei festgestellt,
daß die mittlere Endgeschwindigkeit zu hoch ist, so könnte dies zu einer Zerstörung
empfindlicher Oberflächen der zu beschichtenden Werkstücke führen. In diesem Fall
wird dann der Primär- und Senkundärgasfluß zurückgenommen und/oder die Stromstärke
erniedrigt.
Wird festgestellt, daß die mittlere Endgeschwindigkeit
zu niedrig ist, so wird zunächst einmal geprüft, ob die mittlere Partikelflugbahn
Pfb den in Figur 8 dargestellten optimalen Verlauf nimmt und ggf. eine Korrektur
durchgeführt. Ist die mittlere Endgeschwindigkeit bei einem richtigen Verlauf der
mittleren Partikelflugbahn Pfb zu niedrig, so wird der Primär- und Sekundärgasfluß
erhöht und/oder die Stromstärke erhöht.
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Wird bei der Überprüfung des Schmelzzustandes festgestellt, daß dieser
zu niedrig ist, so wird zunächst einmal die mittlere Partikelflugbahn Pfb überprüft
und ggf. eine Korrektur vorgenommen. Verläuft die mittlere Partikelflugbahn Pfb
optimal, so wird die Stromstärke erhöht und/oder der Sekundärgasfluß erhöht. Ist
der Schmelzzustand zu hoch, so können die Spritzpartikel Sp verdampfen oder sich
zersetzen. In diesem Fall nimmt man dann die Stromstärke zurück und/oder man nimmt
den Sekundärgasfluß zurück.
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Sind nach der vorstehend geschilderten Überprüfung alle Betriebsparameter
im Hinblick auf die Schichtqualität optimal eingestellt, so kann mit diesen Betriebsparametern
dann die Beschichtung der Werkstücke durchgeführt werden.
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Bei der als Ausführungsbeispiel der Erfindung geschilderten Einrichtung
zum Beschichten von Werkstücken durch Plasmaspritzen basiert die Messung der Partikelgeschwindigkeiten
allein auf der Messung der in Figur 3 dargestellten horizontalen Geschwindigkeitskomponente
v . Es ist aber auch möglich, durch eine zusätzliche Messung der vertikalen Geschwindigkeitskomponente
VX (vgl. Fig. 3), die Partikelgeschwindigkeit v zu ermitteln. In diesem Fall kann
dann ein Zweifarben-Laser-Doppler-Anemometer verwendet werden, welches die gleichzeitige
Messung der horizontalen Geschwindigkeitskomponente y und der vertikalen Geschwindigkeitskomponente
v
ermöglicht. Hierzu wird beispielsweise ein grünes ( > = 514 nm) und ein blaues
( 2 = 488 nm) Interferenzstreifensystem erzeugt, in dem zwei grüne Laserstrahlen
aus einer horizontalen Ebene und zwei blaue Laserstrahlen aus einer vertikalen Ebene
in das gemeinsame Meßvolumen Mv (vgl. Fig. 3) fokussiert werden. Aus der Modulationsfrequenz
des grünen Streulichtes kann die horizontale Geschwindigkeitskomponente v und aus
der des blauen die vertikale Geschwindigkeitskomponente v der Partikelgeschwindigkeit
v ermittelt werden.
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Gemäß einer weiteren Variante der erfindungsgemäßen Einrichtung ist
die in Figur 1 dargestellte Sendeoptik So mit zwei Braggzellen ausgerüstet, durch
welche eine Frequenzverschiebung des Dopplersignals um 2 MHz bewirkt wird. Hierdurch
kann der in der Praxis ggf. auftretende Bereich der Partikelgeschwindigkeiten v
ausgewertet werden, ohne die Hoch- und Tiefpaßfilter im Vorverstärker Vv (vgl. Figuren
1 und 4) verstellen zu müssen. Eine derartige Verstellung der Hoch- und Tiefpaßfilter
wäre ohne die Braggzellen insbesondere dann erforderlich, wenn die Partikelgeschwindigkeit
v innerhalb des Plasmastrahis starken Schwankungen unterliegt.
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14 Patentansprüche 10 Figuren