WO2015155116A1 - VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR MESSUNG VON PULVERSTRÖMEN EINES LASERSCHWEIßWERKZEUGS - Google Patents

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR MESSUNG VON PULVERSTRÖMEN EINES LASERSCHWEIßWERKZEUGS Download PDF

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Stefan Czerner
Detlef Müller
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Lufthansa Technik Ag
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    • G01F9/003—Measuring volume flow relative to another variable, e.g. of liquid fuel for an engine with electric, electro-mechanic or electronic means by measuring the weight

Definitions

  • the invention relates to a method for measuring powder flows of a laser welding tool and to an apparatus for carrying out the method.
  • filler materials can be supplied in the form of powder to apply material or to fill areas such as gaps.
  • size and spacing of the powder particles and thus the bulk density or, in general, the density of the powder jet can vary.
  • Powder conveyors are typically bulk conveyors, i. It is a defined volume of powder per unit time promoted to the welding process. However, this powder volume may vary depending on the powder in the mass of the supplied material.
  • orientation and dimensions of the powder jet can vary.
  • Pulse utilization rates are between 30 and 70% common. In some cases, utilization rates of below are tolerated, in general, the profitability of the
  • the problem is that the alignment of laser beam and powder jet to each other occupy a quality-determining role in the welding process. Both beams, so the laser beam and the powder beam must be set up advantageously always in the same position to each other and this device must be reliably detected to ensure that the work was always achieved by comparable output parameters within proven tolerances. Since the conventional measurement is not in the focus of the powder jet and / or at the operating point of the laser welding tool, but at the output of the powder hose, the powder jet can reach the effective location of the laser beam in a different density. It is therefore not ensured that the same mass flow is always supplied in the welding process, even if constant values were measured on the powder hose.
  • the conventional type of measurement thus does not provide a solution for ensuring that powder is supplied to the welding process with equal tolerances.
  • the powder nozzle the entire powder outside the energy input zone, for example, the laser beam to a workpiece, so that no filler material reaches the welding process.
  • the conventional measuring technique would prove that sufficient powder has been supplied, which in turn can lead to the fact that the welding result is changed in an inadmissible manner.
  • Significant safety issues in welding quality and economic problems due to rework are the result.
  • Cladding is generally used to feed, melt and bond filler material to a workpiece.
  • the combination of filler material and workpiece generally leads to an order of material. This material can be used to fill gaps or increase the component volume.
  • Melting and bonding generally requires energy.
  • This energy can be supplied for example with electric arc, plasma jets, electron beams or laser beams.
  • the higher the quality of the energy source the more accurately the location of action of the energy source can be determined.
  • action sites are usually set on the material surface of a few micrometers to a few millimeters.
  • effective site sizes of 0.2 mm to 3 mm are common.
  • the smaller the site of action of the laser radiation the more precisely the additional material must be supplied.
  • a danger here is that the filler material strikes elsewhere than, for example, a laser beam of 0.35 mm diameter.
  • the object of the invention is to provide a measuring method and a measuring device which enable quality assurance during laser deposition welding, so that it can be ensured that a defined and advantageously constant powder mass flow is used.
  • the invention solves this problem with the features of the independent claims.
  • the weighing according to the invention of the powder mass which has passed through the respective aperture within a predetermined period of time makes it possible in a simple manner to measure the mass density or the mass flow of the powder jet. Due to the inventive arrangement of the aperture in each case in the focus, work or work area of the laser welding tool, the powder mass flow in the focus of the powder jet, i. At the actual operating point, it is determined what is decisive for the quality of the welding result.
  • a differentiated limitation of errors is made possible.
  • the quotient between the measured powder mass and the target powder mass resulting from the desired powder mass flow is then subsequently formed.
  • This quotient is a variable which is particularly meaningful for the quality of the powder jet and is therefore advantageous for the quality assurance of the laser welding process, depending on the aperture size. Tool used, as will be described in more detail below.
  • the “desired working diameter” is the width of the powder flow in the laser beam effect location that is advantageous for the welding process, and this target working diameter is defined by the user
  • At least one of the diaphragms has a diaphragm opening with a larger cross section than a desired focus size or a nominal working diameter of the powder jet.
  • Apertures, the aperture of which have a larger cross-section than a nominal working diameter, are referred to below as large apertures.
  • At least one of the diaphragms has a diaphragm opening with a cross section which lies in the region of a desired focus cross section of the powder jet.
  • a diaphragm is referred to below as a suitable aperture.
  • Dejus- tation of the powder jet is detected when the mass measured with a suitable diaphragm deviates from a nominal mass resulting from the desired mass flow, although the total powder mass flow measured with a large diaphragm lies within the desired range. In this way, a misalignment of powder and / or laser beam is metrologically conspicuous.
  • the apertures are generally selected to cover a range from the maximum aperture to at least the target focus area. As described above, it is thus possible to decide directly whether the powder bulk density is the source of the error or whether a maladjustment in the powder feed, in particular a misadjusted powder and / or laser beam, is the source of a measured deviation.
  • the number of diaphragms used is preferably in the range between two and seven, more preferably in the range between three and six, and is for example four or five. With such a f-number, a meaningful diameter profile of the powder mass flow can be determined with reasonable expenditure of time.
  • the device preferably comprises a diaphragm holder for holding the diaphragms and preferably at least one measuring cup which can be arranged on the side of a diaphragm facing away from the laser welding tool.
  • the device preferably has at least one receiving space for the measuring cup, wherein the measuring cup can be removed from the apparatus, in particular for weighing, preferably by a removal opening.
  • the diaphragm In the region of the diaphragm opening, the diaphragm preferably has a conical wall widening in a conical manner towards the side facing away from the laser welding tool.
  • the conically widening diameter of the aperture ensures an unobstructed passage of the powder jet through the aperture and prevents clogging of the aperture. It is conceivable that instead of a plurality of apertures with fixed opening widths, an adjustable aperture is used in which aperture apertures of different sizes can be set stepwise or continuously, for example in the manner of a photo aperture.
  • FIG. 4-5 different perspective views of he inventive measuring device
  • the laser welding tool 10 is used for laser cladding, in particular in aircraft construction and comprises a housing 11, in which a device 12 indicated only schematically Generating a laser beam 13 is arranged.
  • the laser beam generating device 12 may be either a laser or an optical device for transmitting and focusing an externally generated laser beam.
  • the laser beam 13 is directed by the device 12 to an operating point 14 in which the workpiece surface to be welded, for example a gas turbine part, is to be arranged, see FIG. 3.
  • the laser beam 13 is in particular aligned with the central axis of the laser welding tool 10. A focused or slightly defocused operation of the laser beam 13 is possible to produce different laser beam diameters in the work area.
  • FIG. 11 A defocused operation of the laser beam 13 is shown in FIG. 11, for example.
  • the working plane 36 is generally the surface of the workpiece 15 and / or the essle level, in which the aperture 23 (see below) is to be arranged.
  • the focus 37 of the laser beam 13 does not lie here in the working plane 36, but has a distance from the working plane 36, so that the focus 37 of the laser beam 13 is arranged between the laser welding tool 10 and the working plane 36.
  • Fig. 11 also shows the axis of symmetry 39 of the laser welding tool. This forms the reference line of laser beam 13 and powder beam 17. These are congruent with the line of symmetry 39 in rotationally symmetric beams and perfect alignment.
  • the laser welding tool 10 further comprises outlet openings 16, to which in the housing 11 of the laser welding tool 10 powder from an only schematically shown reservoir 18, for example via a hose 19 and a powder channel 38 in the laser welding tool (see Fig. 11) is supplied.
  • the powder channel 38 can be used as a single bore or as individual bores, be designed as an annular gap or in another suitable manner to align the powder jet 17 and the powder jets 17 on the working plane 36.
  • the outlet nozzles 16 are preferably arranged on a circle around the laser beam 13, as best seen in Fig. 3, and arranged so that the emerging from the outlet nozzle 16 powder jets 17 are directed conically to the operating point 14.
  • the individual powder partial beams 17 are referred to below in their entirety as the powder jet 17.
  • the laser beam 13 heats the workpiece 15 and melts it locally.
  • 17 material is additionally introduced via the powder jet.
  • the powder jet 17 has a nominal cross-sectional area As and a corresponding nominal diameter Ds at the operating point 17, which guarantee an optimum welding result.
  • FIGS. 4 to 8 show a measuring device 20, by means of which misalignment of the powder and / or laser beam and density deviations of the powder jet can be reliably measured and thus enables quality assurance of the laser welding tool 10, as will be explained in detail below .
  • the measuring device 20 comprises a diaphragm holder 21 and a supply 32 of diaphragms 22 with differently sized diaphragm openings 23 (see FIGS. 9 and 10), which cover a range from a maximum diaphragm opening to at least a minimum target focus cross section to be examined.
  • the diaphragm holder 21 comprises a plurality of, for example, five measuring stations 24a to 24e, wherein each measuring station 24 a corresponding aperture 22 and a measuring cup 26 are assigned.
  • the panel holder 21 is preferably cuboidal and comprises an upper wall 25 in which a corresponding wall opening 27 is provided for each panel.
  • the panel holder 20 On the side of each wall opening 27 facing away from the laser welding tool 10, the panel holder 20 has a receiving space 34 for a measuring cup 26 and preferably a retaining ring 31 for holding a measuring cup 26 in the receiving space 34.
  • the measuring cup 26 can alternatively also stand on a bottom wall 35 of the aperture holder 20.
  • a lateral removal opening 33 for inserting and removing a corresponding measuring cup 26 into or out of the diaphragm holder 20 is provided for each measuring station 24.
  • the orifices 22 are preferably circular disks with a centrally arranged aperture 23.
  • the wall aperture 27 advantageously has a slightly smaller diameter than the aperture 22.
  • An annular, circumferential, upwardly protruding web 28 may be provided on the wall aperture 27, see FIGS. 9 and 9 10.
  • the diaphragm 22 may have a corresponding, downwardly projecting annular collar 29, the inner diameter of which corresponds to the outer diameter of the web 28, so that the diaphragm 22 can be placed on the diaphragm holder 21 with a precise fit over the wall opening 27.
  • the diameter of the aperture 23 widens downward, ie to the La sersch dowerkmaschinemaschinemaschinegraphy facing away conical, as best seen in Fig. 10 can be seen.
  • the diaphragm 22 has a conical wall 30, which may have an angle of inclination in the range between 30 ° and 60 °, preferably between 40 ° and 50 °, for example about 45 °.
  • the powder jet 17 of the laser welding tool 10 to be examined has in focus a desired surface As and a corresponding desired working diameter Ds.
  • the selected apertures 22 have, for example, the diameters 2 Ds, 1.8 Ds, 1.6 Ds, 1.4 Ds, 1.2 Ds and Ds.
  • the selected panels 22 are each placed over the wall openings 27 on the aperture holder 20, so that the collar 29 and the webs 28 cooperate precisely. Furthermore, a measuring cup 26 is inserted into each receiving space 34 in each case.
  • the laser beam 13 and the powder beam 17 are firstly directed at a defined focal distance, for example, on a flat surface and aligned with each other by matching the center of the powder spot and the laser spot.
  • the laser welding tool 10 is successively positioned over each aperture 23 in each case at the working distance to the aperture holder 20, so that the laser beam 13 passes centrally through the aperture 23 and the iris aperture tion 23 is optimally adjusted powder jet 17 centrally in the focus area of the powder jet 17.
  • the powder jet 17 is then switched on or generated or applied for a predetermined period of time dt, so that the powder jet 17 is conveyed through the respective aperture 23 and captured in the measuring cup 26 arranged thereunder. Thereafter, all measuring cups are weighed on a balance, not shown, to determine the respectively received powder mass m P. As a rule, as the aperture diameter decreases, smaller powder masses m pa to, for example, m pe are determined.
  • the maximum amount of powder m P , ma X is determined here as the amount of powder at which no losses of powders still occur at the orifices.
  • the maximum powder quantity m P , ma X corresponds to the target powder quantity m P; S oii (see below), if the density of the powder jet corresponds to the nominal density.
  • the following evaluation is carried out automatically either manually or by means of a data processing device.
  • the target powder mass m P l S oii results from the known target powder mass flow multiplied by the measuring time dt.
  • the quotient of the measured powder mass for example m pa , is then determined for each target powder mass m P , so ii.
  • This quotient amounts to 1.0 for an ideal powder jet, but deviates from 1.0 in the case of a misalignment of the laser and / or powder jet or a deviation of the powder density.
  • quotients of the powder mass densities can also be considered.
  • the absolute masses can also be used in particular as control values.
  • there are a number of measurements or screens corresponding number of measured values here, for example five measured values m pa ... m p. From this measurement profile differentiated statements about the cause of a deviation from the target value can be made, which makes quality assurance of the laser welding tool 10 possible in the first place.
  • the largest aperture 23 is chosen, for example, so that even with a maximum misaligned laser or powder beam 17 occurring in practice, this still passes completely through the aperture 23. If a deviation from the desired powder mass is measured at the largest aperture 23, this is due to a corresponding deviation of the powder density or powder bulk density of the laser welding tool 10 supplied powder.
  • the size of the aperture 23, in which the deviation occurs for the first time (coming from the largest aperture 23 ago), an advantageous measure of the size of the misalignment. If, for example, the deviation occurs only at the aperture 23, which corresponds to the nominal working diameter of the powder jet 17, then the misalignment of the powder jet is comparatively small. For quality assurance in production, the measured variables of the different panels are used. In addition to the absolute values, the quotients of reduced mass and orifice size give a characteristic gradation according to the invention that is measurable per powder and nozzle.
  • This grading is used for quality assurance, so that deviations in the replacement of the nozzle or after cleaning the nozzle or after maladjustment are even detectable.
  • the gradation in the quotient of target mass to actual mass describes the powder density distribution in the working plane 14.
  • Aperture A leads to target mass flow A, Aperture B to 75% of A, Aperture C to 50% of A, Aperture D to 40% of A.
  • Aperture B leads to target mass flow A
  • Aperture B leads to 75% of A
  • Aperture C leads to 50% of A
  • Aperture D leads to 40% of A.

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Abstract

Ein Verfahren zur Messung von Pulverströmen eines Laserschweißwerkzeugs (10) umfasst die Schritte: Sukzessives Verwenden einer Mehrzahl von Blenden (22) mit unterschiedlich großen Blendenöffnungen (23), wobei die Blendenöffnung jeweils im Arbeitsbereich des Laserschweißwerkzeugs (10) angeordnet wird und für jede Blende ein Pulverstrahl (17) für eine vorbestimmte Zeitdauer aufgebracht wird und ein Wiegen der jeweils durch die jeweilige Blendenöffnung (23) hindurchgetretene Pulvermasse erfolgt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Pulverströmen eines Laserschweißwerkzeugs
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Pulverströmen eines Laserschweißwerkzeugs sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens .
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.
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 .
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.
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.
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.
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 Zu- satzwerkstoff zugeführt werden. Eine Gefahr ist hierbei, dass der Zusatzwerkstoff an anderer Stelle als zum Beispiel ein Laserstrahl mit 0,35 mm Durchmesser auftrifft.
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.
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.
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.
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 .
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 Schweiß- prozess die Sicherstellung von stets konstanten Pulverzufüh- rungen 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.
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.
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 .
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 Laserschweiß- Werkzeugs genutzt, wie im Folgenden noch genauer beschrieben wird .
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.
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.
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 Dejus- tierung 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 Soll- bereich liegt. Auf diese Weise wird eine Dejustage von Pulver- und/oder Laserstrahl messtechnisch auffällig. 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 Pul- verschüttdichte die Fehlerquelle ist, oder ob eine Dejustage in der PulverZuführung, insbesondere ein fehljustierter Pulver- und/oder Laserstrahl, die Quelle einer gemessenen Abweichung ist .
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.
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 .
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 . 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.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1-3 perspektivische Ansichten eines Laserschweißwerkzeugs in unterschiedlichen Ausführungsformen (Quelle: Trumpf Lasertechnik);
Fig. 4-5 unterschiedliche perspektivische Ansichten einer er findungsgemäßen Messvorrichtung;
Fig. 6-8 unterschiedliche perspektivische Querschnittsansich ten einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung;
Fig. 9-10 Querschnittsansichten einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung in einem Ausschnitt;
Fig. 11 eine vergrößerte Ansicht eines erfindungsgemäßen La serschweißwerkzeugs ; und
Fig. 12 ein Flussdiagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Messverfahrens.
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 Fig. 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.
Eine defokussierte Arbeitsweise des Laserstrahls 13 ist beispielsweise in Fig. 11 dargestellt. Die Arbeitsebene 36 ist in der Regel die Oberfläche des Werkstücks 15 und/oder die ess- ebene, 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. Fig. 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.
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 Fig. 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 Fig. 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.
Zusätzlich über die Zuführung des Pulvers durch einzelne Öffnungen 16 ist die Zuführung durch einen Ringspalt (siehe Fig. 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.
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-Querschnitts- fläche As und einen entsprechenden Solldurchmesser Ds, die ein optimales Schweißergebnis garantieren.
In den Fig. 4 bis Fig. 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. Die Messvorrichtung 20 umfasst einen Blendenhalter 21 und ein Vorrat 32 von Blenden 22 mit unterschiedlich großen Blendenöffnungen 23 (siehe Fig. 9 und Fig. 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 Laserschweißwerk- zeug 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 Fig. 4 und Fig. 5) zum Einsetzen und Entnehmen eines entsprechenden Messbechers 26 in die bzw. aus dem Blendenhalter 20 vorgesehen .
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 Fig. 9 und Fig. 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 La- serschweißwerkzeug abgewandten Seite hin kegelförmig, wie am besten in Fig. 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.
Im Folgenden wird die Vermessung des Pulverstrahls 17 eines Laserschweißwerkzeugs 10 und eine entsprechende Auswertung zur Qualitätssicherung beschrieben.
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.
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.
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 Blendenöff- nung 23 bei optimal justiertem Pulverstrahl 17 zentral im Fokusbereich des Pulverstrahls 17 liegt.
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 ; Soii (siehe unten) , wenn die Dichte des Pul- verstrahls der Solldichte entspricht.
Die folgende Auswertung wird entweder manuell oder mittels einer Datenverarbeitungseinrichtung automatisiert durchgeführt .
Die Soll-Pulvermasse mP l Soii 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, soii 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. 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.
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.
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 .
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. 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.
Diese Abstufung wird zur Qualitätssicherung eingesetzt, so dass Abweichungen bei Austausch der Düse oder nach Reinigung der Düse oder nach Dejustage überhaupt erst detektier- bar werden.
Die Abstufung in den Quotienten aus Soll-Masse zu Ist-Masse beschreibt die Pulverdichteverteilung in der Arbeitsebene 14.
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 .
Für die Qualitätssicherung in der Produktion sind diese Nachweise qualitätsrelevant und reduzieren Kosten durch reduzierte Kosten fehlender Qualität. 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. Der zuvor geschilderte Verfahrensablauf ist in dem Flussdiagramm gemäß Fig. 12 graphisch dargestellt.

Claims

Ansprüche :
1. Verfahren zur Messung von Pulverströmen eines Laserschweißwerkzeugs (10), gekennzeichnet durch die Schritte:
- sukzessives Verwenden einer Mehrzahl von Blenden (22) mit unterschiedlich großen Blendenöffnungen (23), wobei die Blendenöffnung jeweils im Arbeitsbereich des Laserschweißwerkzeugs (10) angeordnet wird;
- für jede Blende (22) Aufbringen des Pulverstrahls (17) für eine vorbestimmte Zeitdauer und Wiegen der jeweils durch die jeweilige Blendenöffnung (23) hindurchgetretene Pulvermasse .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Quotient zwischen der gemessenen Pulvermasse und der sich aus dem Soll -Pulvermassenstrom ergebenden Soll-Pulvermasse gebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der gebildete Quotient für die Qualitätskontrolle verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Blenden (22) eine Blendenöffnung (23) mit einem größeren Querschnitt als ein Soll-Fokusquerschnitt des Pulverstrahls (17) aufweist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine fehlerhafte Abweichung der Pulverdichte festgestellt wird, wenn die mit der beschriebenen Blende (22) gemessene Masse von einer sich aus dem Sollmassenstrom ergebenden Sollmasse abweicht.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Blenden (22) eine Blendenöffnung (23) mit einem Querschnitt aufweist, der im Bereich eines Soll-Fokusdurchmessers des Pulverstrahls (17) liegt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dejustierung des Pulverstrahls (17) festgestellt wird, wenn die mit der beschriebenen Blende (22) gemessene Masse von einer sich aus dem Sollmassenstrom ergebenden Sollmasse abweicht .
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der verwendeten Blendenöffnungen (23) im Bereich zwischen zwei und sieben liegt.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle einer Mehrzahl von Blenden eine verstellbare Blende verwendet wird.
10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Blendenhalter (20) zum Halten der Blenden (22) aufweist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens einen Messbecher (26) aufweist, der an der dem Laserschweißwerkzeug (10) abgewandten Seite einer Blende (22) anordenbar ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Blendenhalter (20) mindestens einen Aufnahmeraum (34) für den Messbecher (26) aufweist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmeraum (34) eine Entnahmeöffnung (33) aufweist, durch die der Messbecher (26) aus dem Blendenhalter (20) entnehmbar ist .
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (22) im Bereich der Blendenöffnung (23) eine sich zu der dem Laserschweißwerkzeug (10) abgewandten Seite hin kegelförmig erweiternde Kegelwand (30) aufweist.
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