WO2006105762A2 - Anordnung zur überwachung thermischer spritzprozesse - Google Patents

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Jörg Höschele
Stefan Schneiderbanger
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    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/0006—Investigating plasma, e.g. measuring the degree of ionisation or the electron temperature
    • H05H1/0012—Investigating plasma, e.g. measuring the degree of ionisation or the electron temperature using electromagnetic or particle radiation, e.g. interferometry
    • H05H1/0037—Investigating plasma, e.g. measuring the degree of ionisation or the electron temperature using electromagnetic or particle radiation, e.g. interferometry by spectrometry
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    • H05H1/0025—Investigating plasma, e.g. measuring the degree of ionisation or the electron temperature using electromagnetic or particle radiation, e.g. interferometry by using photoelectric means

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for monitoring thermal spraying processes according to the preamble of patent claim 1.
  • EP 0 542 542 B1 discloses an arrangement for timely (on-line) detection of powder spray particles in a plasma jet.
  • the light radiation emitted by the plasma jet is focused onto one end of a light guide.
  • the light radiation is divided by means of a dichroic lens into two light beams, which are each fed to a photodetector.
  • the photodetectors the temporal intensity distribution is determined for each light beam.
  • a filter which is connected upstream of the photodetectors, suitable wavelength ranges from the light radiation can be filtered and their temporal intensity profile can be determined.
  • EP 0 542 542 B1 also describes the possibility of using an optical fiber bundle and supplying the received radiation to a CCD camera.
  • PFI diagnostics is an imaging process and was developed for industrial use.
  • an optical CCD camera picks up the luminous region of the spray jet between the source of the spray jet and the coating surface, the separation of hot regions and colder zones being realized by transmission-matched gray filters.
  • the method is used for monitoring both the particle beam and the plasma or high-speed flame spray jet.
  • the brightness characteristics of the rays recorded and simulated by simple ellipse geometries Their characteristics are sensitive to changes in process parameters In this way, the PFI process allows the monitoring and quality control of the entire injection process up to the layer formation
  • a disadvantage of an arrangement which works according to the PFI method is that the PFI method can only be used in a controlled manner before and after the end of an injection process.
  • the PFI method does not allow a high-resolution process control because the entire PFI arrangement is system-dependent is not movable and designed so that the entire area between the source and the coating surface is monitored. It is not possible to monitor individual subsections of the spray jet
  • the object of the invention is to provide an arrangement with which a comprehensive high-resolution online process control of partial areas of the spray jet up to the entire coating space from the plasma source to simultaneous monitoring of the layer formation is possible
  • means are provided for dividing the light guided in the first optical fibers into the further optical fibers, wherein the one optical fibers are connected to the input aperture of a partial Ie flux arrangement and the other optical fibers are connected to the input aperture of a spectrometer and wherein
  • the evaluation is carried out in each case according to the method known to a person skilled in the art
  • the supply of the light beams to the particle flux image arrangement and to the spectrometers is advantageously synchronized in time.
  • additional spectral information at selected PFI ellipse points and thus comprehensive process control becomes possible
  • the inventive arrangement allows a comprehensive online process control of the thermal spraying process, combining the advantages of PFI technology with optical spectroscopy.
  • the arrangement is in particular fully capable online and due to its design also suitable to perform a process control
  • Another advantage is that it is possible, for example, simultaneously to determine the velocities of several different particles contained in the Piasmastrahl also several different gas and material flows can be determined in the plasma jet at the same time This is particularly advantageous if not as a spray material Powder material, but z B a powder mixture is used
  • the array may in this case be in particular an Lmienarray or a square or rectangular array, eg B with a 4x4 or 5x5 matrix
  • each optical fiber in the array is sequentially interrogated and thus the light radiation sequentially fed to the spectrometer.
  • the advantage here is a considerable space and cost saving of the components required for the process.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the arrangement according to the invention
  • FIG. 2 shows a second embodiment of the arrangement according to the invention
  • the optical fibers 2a are arranged in an exemplary one-dimensional array 6. Of course, a two-dimensional array is also possible.
  • the light emitted by the plasma 1 is transmitted to the optical fibers 2a
  • the optical fibers 2a are each connected to a light switch W
  • the light coming from the optical fibers 2a is divided equally into the optical fibers 2b and 2c
  • the optical fibers 2b are each connected to a spectrometer 3.
  • the optical fibers 2c are connected to the CCD camera connected to a PFI arrangement
  • the optical fiber 2c thus form the section of the Spnzstrahls on the input aperture (not shown) of the CCD camera
  • the spectrometer 3 the light of the plasma 1 is decomposed into its spectral components
  • FIG. 2 a second embodiment of the arrangement according to the invention is shown.
  • the structure in FIG. 2 essentially corresponds to the structure described in FIG. 1.
  • the individual optical fibers 2 are fed to a distributor circuit 4.
  • This distributor circuit 4 now passes the information of the individual optical fibers 2 sequentially to the spectrometer 3.
  • the distributor circuit 4 can of course be controlled by a control circuit, not shown

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung charakteristischer Eigenschaften eines Plasmastrahls in einem thermischen Spritzprozess, umfassend Mittel zur Zuführung von Spritzmaterialien in das Plasma, einem ein- oder zweidimensionales Array aus ersten Lichtleitfasern (2a) zur Aufnahme der vom Plasma (1 ) ausgesandte Lichtstrahlung und weiteren Lichtleitfasern (2b, 2c) zur Verteilung der vom Plasma (1 ) ausgesandte Lichtstrahlung. Gemäß der Erfindung sind Mittel (W) vorhanden zur Aufteilung des in den ersten Lichtleitfasern (2a) geführten Lichts in die weiteren Lichtleitfasern (2b, 2c), wobei die eine Lichtleitfasern (2c) mit der Eingangsblende einer Particle-Flux-Anordnung (7) und die anderen Lichtleitfasern (2b) mit der Eingangsblende eines Spektrometers (3) verbunden sind und wobei Mittel (5, 7) zur Ermittlung des momentanen Zustandes des Spritzprozesses vorhanden sind.

Description

Anordnung zur Überwachung thermischer Spritzprozesse
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Überwachung thermischer Spritzprozesse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 .
Aus EP 0 542 542 B1 ist eine Anordnung zur zeitnahen (on-line) Erfassung von Pulverspritz-Partikeln in einem Plasmastrahl bekannt. Die von dem Plasmastrahl ausgesaπdte Lichtstrahlung wird auf ein Ende eines Lichtleiters fokussiert. An dem anderen Ende des Lichtleiters wird die Lichtstrahlung mittels einer dichroitischen Linse in zwei Lichtstrahlen aufgeteilt, welche jeweils einem Photodetektor zugeführt werden. In den Photodetektoren wird für jeden Lichtstrahl die zeitliche Intensitätsverteilung bestimmt. Mittels eines Filters das den Photodetektoren vorgeschaltet ist, können geeignete Wellenlängenbereiche aus der Lichtstrahlung gefiltert und deren zeitlicher Intensitätsverlauf bestimmt werden.
In EP 0 542 542 B1 wird auch die Möglichkeit beschrieben, ein Lichtleiterbündel zu verwenden und die empfangene Strahlung einer CCD-Kamera zuzuführen.
Eine weitere Anordnung bei dem mittels Photodetektoren die zeitliche Intensitätsverteilung der von einem Plasma ausgesandten Lichtstrahlung bestimmt wird, ist aus US 5,986,277 bekannt.
In dieser Anorndung kann somit ausschließlich die Intensitätsverteilung der Lichtstrahlung im Plasma und die Geschwindigkeit und Temperatur der Partikel bestimmt werden.
Eine Überwachung der für den Spritzprozeß relevanter Prozeßgrößen wird in DE 1 01 40 299 A1 beschrieben. In dieser Anordnung wird die Lichtstrahlung spektrometrisch untersucht und ausgewertet.Dabei werden neben Geschwindigkeit und Temperatur der Partikel auch die Plasmazusammensetzung, die Zusammensetzung der Spritzmaterialien sowie der Gas- und Materialfluß bestimmt
Mit der beschriebenen Anordnung ist allerdings keine Überwachung des Partikelstrahls und der Schicht¬ bildung möglich.
Ein bekanntes Verfahren zur Überwachung des Beschichtungsprozesses ist das Particle-Flux-Imaging- Verfahren (PFI-Verfahren). Die PFI-Diagnostik ist ein bildgebendes Verfahren und wurde für den industriellen Einsatz entwickelt. Dabei nimmt eine optische CCD-Kamera den leuchtenden Bereich des Spritzstrahls zwischen der Quelle des Spritzstrahls und der Beschichtungsfläche auf, wobei die Trennung von Heißbereichen und kälteren Zonen durch transmissionsangepasste Graufilter realisiert werden. Das Verfahren dient zum Monitoring sowohl des Partikelstrahls als auch des Plasma- bzw. Hochgeschwindigkeits- Flammspritz-Strahls. Mit minimalem apparativem Aufwand werden die Helligkeitsverläufe der Strahlen erfasst und durch einfache Ellipsen-Geometrien nachgebildet Deren Kenngroßen reagieren empfindlich auf Änderungen der Prozeßparameter In dieser Weise erlaubt das PFI-Verfahren die Überwachung und Qualitätskontrolle des gesamten Spritzprozesses bis hin zur Schichtbildung
Em Nachteil einer Anordnung, welche nach PFI-Verfahren arbeitet ist allerdings, dass das PFI-Verfahren nur vor und nach Beendigung eines Spritzprozesses kontrollierend eingesetzt werden kann Außerdem ist mit dem PFI-Verfahren keine hoch aufgelöste Prozesskontrolle möglich, da die gesamte PFI-Anordnung systembedingt nicht beweglich ist und so ausgelegt, dass gesamte Bereich zwischen Quelle und Be- schichtungsflache überwacht wird Eine Überwachung einzelner Teilbereiche des Spritzstrahls ist nicht möglich
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zu schaffen, mit welcher eine umfassende hoch aufgelöste online- Prozesskontrolle von Teilbereichen des Spritzstrahls bis hin zum gesamten Beschichtungsraum von der Plasmaquelle zu bei gleichzeitiger Überwachung der Schichtbildung möglich ist
Diese Aufgabe wird mit der Anordnung gemäß Anspruch 1 gelost Vorteilhafte Ausfuhrung der Erfindung sind Gegenstand von Unteranspruchen
Gemäß der Erfindung sind Mittel vorhanden zur Aufteilung des in den ersten Lichtleitfasern geführten Lichts in die weiteren Lichtleitfasern, wobei die eine Lichtleitfasern mit der Eingangsblende einer Partic- Ie-Flux-Anordnung und die anderen Lichtleitfasern mit der Eingangsblende eines Spektrometers verbun den sind und wobei Mittel zur Ermittlung des momentanen Zustandes des Spritzprozesses vorhanden sind Die Auswertung erfolgt hierbei jeweils nach dem einem Fachmann bekannten Verfahren
Vorteilhaft ist die Zufuhrung der Lichtstrahlen zu der Particle-Flux-Image-Anordnung und zu den Spektro- metern zeitlich synchronisiert Damit wird eine zusätzliche spektrale Information an ausgewählte PFI- Ellipsenpunkten und damit eine umfassende Prozesskontrolle möglich
Die erfindungsgemaße Anordnung erlaubt eine umfassende online Prozesskontrolle des thermischen Spritzprozesses unter Kombination der Vorteile der PFI-Technologie mit der optischen Spektroskopie Die Anordnung ist insbesondere uneingeschränkt online fähig und aufgrund seiner Konzeption auch geeignet, eine Prozessregelung durchzufuhren
Im Gegensatz zum Stand der Technik kann mit der erfindungsgemaßen Anordnung für jede Lichtleitfaser sowohl der zeitliche Verlauf eines gesamten Spektrums als auch die Leuchtdichte an einer definierten Position bestimmt werden Mittels des Spektrometers wird eine spektrale Auflosung von individuellen Bildpunkten (gebildet durch die einzelnen Lichtleitfasern) entlang des Plasmastrahls erreicht Gleichzeitig wird mit dem PFI-Verfahreπ durch individuelle Bildpunkte (gebildet durch die einzelnen Lichtleitfasern) eine räumlich hoch aufgelöste Auswertung der Leuchtdichte des Plasmastrahls erreicht
Außerdem ist es möglich, aus den gemessenen Spektren anhand charakteristischer Spektrallmien PuI- verspπtzmateπalien sowie Gas- und Flussigprecursoren zu identifizieren und deren zeitlichen Verlauf zu bestimmen Eine Identifizierung der entsprechenden Spektrallmien ist für jede Lichtleitfaser unabhängig möglich Es ist also insbesondere möglich, in der erfindungsgemaßen Anordnung den Plasmastrahl räumlich und zeitlich hinsichtlich seines momentanen Prozeßzustands zu untersuchen
Ein weiterer Vorteil ist, dass es z B möglich ist, gleichzeitig die Geschwindigkeiten mehrerer verschiedener im Piasmastrahl enthaltener Partikel zu bestimmen Außerdem können gleichzeitig mehrere verschiedene Gas- und Materialflusse im Plasmastrahl bestimmt werden Dies ist besonders dann von großem Vorteil, wenn als Spritzmaterial nicht nur ein Pulvermaterial, sondern z B eine Pulvermischung verwendet wird
In einer vorteilhaften Ausfuhrung der Erfindung ist es möglich, die Lichtstrahlung der einzelnen Lichtleitfasern des erfindungsgemaßen Arrays sequentiell einem einzigen Spektrometer zuzuführen Das Array kann hierbei insbesondere ein Lmienarray oder ein quadratisches oder rechteckiges Array, z B mit einer 4x4- oder 5x5- Matrix sein
Hierbei wird jede Lichtleitfaser im Array sequentiell abgefragt und somit die Lichtstrahlung sequentiell dem Spektrometer zugegefuhrt Der Vorteil hierbei ist eine erhebliche Raum- und Kosteneinsparung der für das Verfahren benotigten Komponenten Mittels den einem Fachmann bekannten Schaltungen ist ein Umschalten der einzelnen Lichtleitfasern auf das Spektrometer ohne großen Zeitverlust möglich
In einer weiteren vorteilhaften Ausfuhrung der Erfindung ist es möglich, mittels dem aus den Spektren ermittelten Prozeßzustand die Prozeßparameter des Spritzprozesses zu regeln Dabei ist es z B möglich die Gas- und Matenalflusse des Plasmastrahls und des in das Plasma eingespeisten Spritzmaterials zu regeln
Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand von Zeichnungen naher erläutert Es zeigen Fig 1 eine erste Ausfuhrungsform der erfindungsgemaßen Anordnung, Fig 2 eine zweite Ausfuhrungsform der erfindungsgemaßen Anordnung
Fig 1 zeigt eine erste Ausfuhrungsform der erfindungsgemaßen Anordnung Hierbei sind die Lichtleitfasern 2a in einem beispielhaften eindimensionalen Array 6 angeordnet Selbstverständlich ist auch ein zweidimensionales Array möglich Das von dem Plasma 1 abgestrahlte Licht wird auf die Lichtleitfasern 2a abgebildet Die Lichtleitfasern 2a sind jeweils mit einer Lichtweiche W verbunden Das von den Lichtleitfasern 2a kommende Licht wird zu jeweils gleichen Anteilen auf die Lichtleitfasern 2b und 2c aufgeteilt Die Lichtleitfasern 2b sind jeweils mit einem Spektrometer 3 verbunden Die Lichtleitfasern 2c sind mit der CCD-Kamera einer PFI-Anordnung verbunden Die Lichtleitfaser 2c bilden somit den Ausschnitt des Spnzstrahls auf die Eingangsblende (nicht dargestellt) der CCD-Kamera ab Im Spektrometer 3 wird das Licht des Plasmas 1 in seine Spektralanteile zerlegt Die in den einzelnen Spektrometem 3 erzeugten Frequenzspektren werden in einem Prozessor 5, z B einem Computer wei- terverarbeitet
In Fig 2 ist eine zweite Ausfuhrungsform der erfmdungsgemaßen Anordnung dargestellt Dabei entspricht der Aufbau in Fig 2 im wesentlichen dem in Fig 1 beschrieben Aufbau Allerdings werden in der in Fig 2 dargestellten Ausfuhrungsform die einzelnen Lichtleitfasern 2 einer Verteilerschaltung 4 zugeführt Diese Verteilerschaltung 4 leitet nun die Informationen der einzelnen Lichtleitfasern 2 sequentiell zu dem Spektrometer 3 Die Verteilerschaltung 4 kann dabei selbstverständlich von einer nicht dargestellten Steuerschaltung gesteuert werden

Claims

Patentansprüche
1 . Anordnung zur Messung charakteristischer Eigenschaften eines Plasmastrahls in einem thermischen Spritzprozess, umfassend Mittel zur Zuführung von Spritzmaterialien in das Plasma, einem ein- oder zweidimensionales Array aus ersten Lichtleitfasern (2a) zur Aufnahme der vom Plasma (1 ) ausgesaπdte Lichtstrahlung und weiteren Lichtleitfasern (2b, 2c) zur Verteilung der vom Plasma (1 ) ausgesandte Lichtstrahlung, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (W) vorhanden sind zur Aufteilung des in den ersten Lichtleitfasern (2a) geführten Lichts in die weiteren Lichtleitfasern (2b, 2c), wobei die einen Lichtleitfasern (2c) mit der Eingangsblende einer Particle-Flux-Anordnung (7) und die anderen Lichtleitfasern (2b) mit der Eingangsblende eines Spektrometers (3) verbunden sind und wobei Mittel (5, 7) zur Ermittlung des momentanen Zustandes des Spritzprozesses vorhanden sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , wobei die Zuführung der Lichtstrahlen zu der Particle-Flux-Image- Anordnung und zu den Spektrometern zeitlich synchronisiert ist.
3. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Mittel (4) vorhanden sind zur sequentiellen Zuführung der Lichtstrahlen der einzelnen Lichtleitfasern (2b) zu dem Spektrometer (3).
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