WO2023016993A1 - VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR PULVERINJEKTIONSÜBERWACHUNG BEIM LASERSTRAHLAUFTRAGSCHWEIßEN - Google Patents

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR PULVERINJEKTIONSÜBERWACHUNG BEIM LASERSTRAHLAUFTRAGSCHWEIßEN Download PDF

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powder jet
laser beam
illumination
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Benedikt WESSINGER
Marco OPITZ
Björn Sautter
Nicolai Speker
Tim Hesse
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Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh
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    • B33Y50/02—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes

Definitions

  • the invention relates to a method for powder injection monitoring in laser beam build-up welding.
  • the invention also relates to a device for carrying out a method for powder injection monitoring.
  • the method according to the invention allows a particularly reliable powder injection monitoring, in particular a monitoring of the powder caustic.
  • a blockage, wear and/or change in the nozzle geometry can be detected and remedied at an early stage.
  • undesired changes in the powder jets among other things due to contamination, melting or mechanical defects such as damage to the outlet openings of powder injectors of the powder nozzle, can be reported to a user of the powder jet when they occur procedure are reported. The user can then correct the error that led to the change or exit the procedure to avoid damage.
  • the monitoring (method steps E) and F)) can be carried out at the same time as the powder injection and measurement (method steps A) to D)), in particular online.
  • the evaluation of the properties of the powder jet is carried out in particular with an evaluation unit for image data processing and a spatially resolving detector shape of the camera.
  • the camera is preferably arranged in the beam path of the working laser beam.
  • the camera is preferably positioned in the powder nozzle with the viewing direction along the powder jet, which spreads out in one jet direction.
  • the powder particles in the illuminated measuring zone of the powder jet reflect part of the radiation from the illumination in a direction opposite to the direction of the powder flow.
  • the illuminated measuring zone is preferably the caustic of the powder jet. This achieves a particularly good contrast.
  • the reflected radiation falls on the camera, which is arranged upstream of the illuminated measuring zone of the powder jet in the flow direction of the powder flow.
  • the camera detects a cross section of the powder jet.
  • powder jets of individual injectors of the powder nozzle can be made visible.
  • Each powder jet is characterized by the data from the measuring zone using suitable algorithms. If the properties of the individual powder jets are undesirable,
  • the method can be used to measure the position of the focus of the powder jet in relation to the nozzle mouth.
  • the offset from the powder jet to the working laser beam can also be determined.
  • the offset of the center of the focus of the working laser beam and the focus of the powder jet can be measured.
  • two or more working lasers are used to emit one working laser beam each.
  • the flow of powder particles emitted by the powder nozzle is referred to as the powder jet.
  • a powder flow is to be understood here in particular as the flow of the powder jet.
  • the powder jet usually has a gas and is also referred to as a powder-gas jet.
  • a working laser beam is understood to mean, in particular, a suitable electromagnetic wave that is emitted by a laser source in the form of the working laser.
  • An illumination (laser) beam for illuminating the powder jet is also generally in the form of an electromagnetic wave that is emitted by the illumination device.
  • the message is issued in the form of a warning message and/or in the form of an error message.
  • the warning message occurs in particular acoustically and/or optically.
  • An error message gives the user more precise information about the type of deviation and/or possible causes of the deviation.
  • the powder jet is illuminated in method step C) by a spotlight and/or a ring light.
  • a spotlight and/or a ring light can be used to illuminate in all spatial directions.
  • a comparatively large volume of the powder jet can be recorded for analysis, in particular the entire caustic of the powder jet.
  • a (laser) beam in these embodiments has a comparatively high intensity, which enables short exposure times.
  • the powder jet is illuminated in method step C) by at least one light-emitting diode.
  • a light-emitting diode is suitable for emitting a light-emitting diode spot laser beam for illuminating the powder jet.
  • Light-emitting diodes are also characterized by a long service life and a compact design.
  • the antiparallel reflection takes place through a deflection prism, a deflection mirror and/or a retroreflector.
  • These components can be arranged in a ring around the powder jet in order to achieve uniform illumination of the illuminated measuring zone of the powder jet by multiple reflections with only one illumination source.
  • the power of the illumination beam source for illuminating the powder jet can be selected to be comparatively small.
  • the retroreflector is designed in particular as a 90° retroreflector.
  • the entirety of the components in the process is collectively referred to here as deflection optics.
  • the illumination in method step C) takes place in the focus of the powder jet.
  • a deformation of the powder jet can be determined based on a deformation of the focus of the powder jet.
  • a further embodiment of the method is characterized in that the illumination in method step C) takes place directly below the at least one powder nozzle.
  • the illumination in method step C) takes place directly below the at least one powder nozzle.
  • a uniform discharge of the powder jet from the mouth of the powder nozzle is checked. In this way, wear and tear on the injection can be determined.
  • individual powder jets that emerge from the injectors of the powder nozzle can be examined.
  • An advantageous variant of the method is characterized in that the lighting in method step C) takes place in several lighting planes.
  • the illumination levels preferably run in the focus of the powder jet and directly below the at least one powder nozzle.
  • the information from the measurement from the different levels can be combined in order to obtain information about the course of the powder jet from the nozzle mouth to the focus.
  • method step D) includes the creation of a plurality of recordings that follow one another in time. This can preferably include the creation of one or more film sequences.
  • step E) can include an actual evaluation of the chronological sequence of recordings, with a characteristic value preferably being determined which indicates a (temporal) change in the powder flow.
  • the change in the powder flow over time can include, for example, a change in the position of the powder jet or a change in the particle density of the powder jet in the plane of the recordings.
  • step F) can involve a comparison of the include determined characteristic value with a target value for the powder flow. If the characteristic value determined deviates from the target value for the powder flow by more than a predefinable maximum deviation (limit value), a message (for example in the form of a warning signal) can be output.
  • a message for example in the form of a warning signal
  • a further variant of the method has the following method step:
  • the automated adjustment can take place using the measurement results obtained as part of the method.
  • the automated adjustment contributes to a homogeneous melting of the powder.
  • a preferred embodiment of the method is characterized in that the beam direction of the working laser beam runs coaxially to the beam direction of the powder jet. This promotes homogeneous melting of the powder in the desired area of a workpiece.
  • a method for laser beam build-up welding is provided with the following features: B2) switching on a powder feed through at least one powder nozzle and thereby generating a powder jet; C2) illuminating the powder jet transversely to the jet direction of the powder jet; D2) creating a plurality of temporally successive recordings of the powder flow by a camera, the viewing direction of the camera running coaxially to the jet direction of the powder jet; E2) actual evaluation of the recordings, with a characteristic value being determined which indicates a change in the powder flow; F2) comparing the characteristic value determined with a target value for the powder flow; G2) starting a laser beam cladding process using a working laser beam as soon as the comparison according to step F2) shows, that the powder flow is within predetermined tolerance limits for the target value.
  • the assessment of the powder flow can therefore be used to wait for the powder flow to stabilize before starting a laser cladding process. Once the powder flow has stabilized, the hardfacing process can begin. In this way, a weld bead can be produced with consistent quality right from the start, while at the same time the waiting time to prepare for the build-up welding process is minimized.
  • the working laser beam is only switched on when the powder flow is within the predetermined tolerance limits.
  • the method disclosed here for preparing a laser beam cladding process can be combined with the method disclosed above for powder injection monitoring during laser beam cladding.
  • a device for monitoring powder injection during laser build-up welding has the following: a) a working laser for generating a working laser beam; b) at least one powder nozzle for generating a powder jet; c) an illumination device for illuminating the powder jet transversely to the direction of the powder jet; d) a camera for recording the powder flow, the viewing direction of the camera being coaxial to the beam direction of the working laser beam; e) a computer with an algorithm for the actual evaluation of the recording by the algorithm; f) an output device for outputting a message if a predefined deviation of the actual rating from a target rating is exceeded.
  • Such a device enables a user of the device to be warned quickly if the powder jet does not have the desired properties.
  • a first embodiment of the device has the following: g) An adjustment device for the automated adjustment of the focus of the powder jet to the focus of the working laser beam.
  • a further embodiment of the device is characterized in that the lighting device is designed to illuminate the powder jet in several planes. This allows the spatial progression of the powder jet to be determined.
  • the lighting device can be designed to illuminate the powder jet both in the focus of the powder jet and directly below the at least one powder nozzle.
  • FIG. 1 schematically shows a device for powder injection monitoring during laser beam cladding
  • FIG. 2 schematically shows a method for powder injection monitoring during laser beam build-up welding.
  • a working laser 12 is used to generate a Working laser beam 14 for irradiating a workpiece 16.
  • a powder jet 18 is generated by a powder nozzle 20.
  • the powder jet 18 is illuminated with an illumination (laser) beam 24 in a section of the powder jet 18 by an illumination device 22 embodied in particular as a light-emitting diode 34 .
  • the illumination (laser) beam 24 runs perpendicular to the direction of the powder jet 18.
  • the illumination (laser) beam 24 is reflected antiparallel by a deflection optics 36, with the deflection optics 36 in particular a deflection prism, a deflection mirror and/or has a retroreflector.
  • the illumination preferably takes place in a plane Ei, which runs through the focus of the powder jet 18 and/or the working laser beam 14, and/or a plane E2, which is arranged close to the powder nozzle 20.
  • a camera 26 in a housing 38 of the device 10 takes pictures of the powder jet 18 , the line of sight of the camera 26 running coaxially to the beam direction RP of the powder jet 18 , which here coincides with the beam direction of the working laser beam 14 .
  • An algorithm is installed on a computer 28, which evaluates the recording by the camera 26 with an actual rating.
  • An output device 30 is used to output a message when a predefined deviation of the actual rating from a target rating is exceeded.
  • the focus of the powder jet 18 can be adjusted to the focus of the working laser beam 12 by an adjustment device 32 .
  • FIG. 2 schematically shows a method 100 for powder injection monitoring during laser beam cladding.
  • the workpiece 16 is irradiated with a working laser beam 14 in a first step 102 .
  • a powder jet 18 is produced, the powder for the powder jet 18 being conveyed through a powder nozzle 20 .
  • the powder jet 18 is illuminated in a third step 106 transversely to the direction of the powder jet 18 .
  • a camera 26 takes a picture of the illuminated section of the powder jet 18 .
  • the direction of view of the camera 26 runs coaxially to the jet direction of the powder jet 18.
  • the aforementioned Steps 102 through 106 occur simultaneously.
  • an algorithm carries out an actual assessment of the recording.
  • a message is output if the actual rating deviates from the target rating by a predetermined amount.
  • the invention relates to powder injection monitoring during laser cladding.
  • a powder jet 18 is directed from a powder nozzle 20 onto a workpiece 16 .
  • the powder in the powder jet 18 is fused to the workpiece 16 by a working laser beam 14 which is irradiated onto the workpiece 16 .
  • the powder jet 18 is illuminated by an illumination (laser) beam 24 perpendicular to the direction of the powder jet 18 .
  • a camera 26 with a viewing direction that runs parallel to the beam direction of the powder jet 18 images the section of the powder jet 18 that is illuminated by the illuminating (laser) beam 24 . The aforementioned take place
  • An algorithm carries out an actual evaluation of the illuminated section of the powder jet 18 . If the actual rating deviates from a target rating by a specified amount, a message is issued.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Pulverinjektionsüberwachung beim Laserstrahlauftragschweißen. Bei der Pulverinjektionsüberwachung wird ein Pulverstrahl (18) aus einer Pulverdüse (20) auf ein Werkstück (16) gelenkt. Das Pulver in dem Pulverstrahl (18) wird durch einen Arbeitslaserstrahl (14), der auf das Werkstück (16) gestrahlt wird, mit dem Werkstück (16) verschmolzen. Der Pulverstrahl (18) wird durch einen Beleuchtungs(laser)strahl (24) quer zu der Richtung des Pulverstrahls (18) beleuchtet. Eine Kamera (26) mit einer Blickrichtung, die parallel zu der Strahlrichtung des Pulverstrahls (18) verläuft, bildet den Abschnitt des Pulverstrahls (18) ab, der durch den Beleuchtungs(laser)strahl (24) beleuchtet wird. Die vorgenannten Schritte erfolgen gleichzeitig. Ein Algorithmus führt eine Ist-Bewertung des beleuchteten Abschnitts des Pulverstrahls (18) durch. Wenn die Ist-Bewertung in einem vorgegebenen Maß von einer Soll-Bewertung abweicht, wird eine Meldung ausgegeben.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Pulverinjektionsüberwachung beim La- serstrahlauftragschweißen
Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Pulverinjektionsüberwachung beim Laserstrahlauftragschweißen. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Pulverinjektionsüberwachung.
Es ist bekannt, die Eigenschaften eines Pulverstrahls zu ermitteln, siehe zum Beispiel den Jahresbericht des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT 2011. Dieser Jahresbericht ist der Anmelderin zwar bekannt, es kann sich dabei allerdings auch um internen, nicht veröffentlichten Stand der Technik handeln. Weiterhin ist ein Verfahren zur Pulverinjektionsüberwachung aus der US 5,396,333 A bekannt geworden. Bei den bekannten Verfahren besteht jedoch die Gefahr, dass Verfahrensfehler nicht rechtzeitig bemerkt werden.
Aufgabe der Erfindung
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, das Verfahren zur Überwachung der Pulverinjektion sicherer auszugestalten. Es ist weiter Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur sicheren Durchführung eines Verfahrens zur Pulverinjektionsüberwachung bereitzustellen. Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist:
A) Bestrahlen eines Werkstücks mit einem Arbeitslaserstrahl;
B) Pulverförderung durch zumindest eine Pulverdüse und dadurch Erzeugung eines Pulverstrahls;
C) Beleuchtung des Pulverstrahls guer zur Strahlrichtung des Pulverstrahls;
D) Erstellen einer Aufnahme des Pulverflusses durch eine Kamera, wobei die Blickrichtung der Kamera koaxial zur Strahlrichtung des Pulverstrahls verläuft;
E) Ist-Bewertung der Aufnahme durch einen Algorithmus;
F) Ausgabe einer Meldung bei Überschreitung einer vordefinierten Abweichung der Ist-Bewertung von einer Soll-Bewertung.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine besonders zuverlässige Pulverinjektionsüberwachung, insbesondere eine Überwachung der Pulverkaustik. Durch Ausgabe der Meldung kann/können eine Verstopfung, Verschleiß und/oder Änderung der Düsengeometrie frühzeitig erkannt und behoben werden. Durch die Meldung zur Abweichung einer Ist-Bewertung von einer Soll-Bewertung einer beleuchteten Messzone des Pulverstrahls können insbesondere unerwünschte Veränderungen der Pulverstrahlen, unter anderem durch Verschmutzung, Verschmelzen oder mechanische Defekte wie Beschädigungen von Austrittsöffnungen von Pulverinjektoren der Pulverdüse, bei ihrem Auftreten einem Anwender des Verfahrens gemeldet werden. Der Anwender kann dann den Fehler, der zu der Veränderung geführt hat, beheben oder das Verfahren beenden, um Schaden zu vermeiden. Die Überwachung (Verfahrensschritte E) und F)) kann zeitparallel zur Pulverinjektion und Messung (Verfahrensschritte A) bis D)), insbesondere online, durchgeführt werden.
Die Auswertung der Eigenschaften des Pulverstrahls erfolgt insbesondere mit einer Auswerteeinheit zur Bilddatenverarbeitung und einem ortsauflösenden Detektor in Form der Kamera. Die Kamera ist vorzugsweise im Strahlengang des Arbeitslaserstrahls angeordnet. Bevorzugt ist die Kamera in der Pulverdüse mit der Blickrichtung entlang des Pulverstrahls positioniert, der sich in einer Strahlrichtung ausbreitet. Die Pulverpartikel in der beleuchteten Messzone des Pulverstrahls reflektieren einen Teil der Strahlung der Beleuchtung in einer Richtung entgegen der Stromrichtung des Pulverflusses. Bei der beleuchteten Messzone handelt es sich vorzugsweise um die Kaustik des Pulverstrahls. Dadurch wird ein besonders guter Kontrast erzielt. Die reflektierte Strahlung fällt auf die Kamera, die in Stromrichtung des Pulverflusses stromaufwärts von der beleuchteten Messzone des Pulverstrahls angeordnet ist. Die Kamera detektiert dann einen Querschnitt des Pulverstrahls. Insbesondere können Pulverstrahlen einzelner Injektoren der Pulverdüse sichtbar gemacht werden. Durch geeignete Algorithmen wird jeder Pulverstrahl durch die Daten aus der Messzone charakterisiert. Bei unerwünschten Eigenschaften der einzelnen Pulverstrahlen wird eine Warnmeldung oder Fehlermeldung ausgegeben.
Unter anderem kann mit dem Verfahren die Lage des Fokus des Pulverstrahls in Bezug auf den Düsenmund vermessen werden. Auch der Versatz von dem Pulverstrahl zu dem Arbeitslaserstrahl kann bestimmt werden. Vorzugsweise kann der Versatz des Mittelpunkts des Fokus des Arbeitslaserstrahls und des Fokus des Pulverstrahls gemessen werden.
Die Beleuchtung im Verfahrensschritt C) erfolgt vorzugsweise senkrecht ±30°, insbesondere senkrecht ±20°, besonders bevorzugt senkrecht ±10°, zur Strahlrichtung des Pulverstrahls. Der Pulvermassenstrom liegt, je nach Anwendungsfall, bevorzugt in einem Bereich von mindestens 1 g/min, vorzugsweise mindestens 5 g/min, und bis zu 500 g/min, vorzugsweise bis zu 250 g/min. Es können zwei oder mehr Pulverstrahlen verwendet werden. Die Beleuchtungsdauer beträgt insbesondere 10 Millisekunden oder mehr. Der Winkel zwischen den Längsachsen der Pulverinjektoren und der Längsachse des Körpers der Pulverdüse ist bevorzugt kleiner als 45°. Bei einigen Ausgestaltungen des Verfahrens werden zwei oder mehr Arbeitslaser zur Emission von jeweils einem Arbeitslaserstrahl verwendet. Als Pulverstrahl wird insbesondere der Strom der Pulverpartikel bezeichnet, die von der Pulverdüse ausgesendet werden. Unter einem Pulverfluss ist hier insbesondere der Fluss des Pulverstrahls zu verstehen. Der Pulverstrahl weist in der Regel ein Gas auf und wird auch als Pulver-Gas-Strahl bezeichnet. Unter einem Arbeitslaserstrahl wird insbesondere eine geeignete elektromagnetische Welle verstanden, die von einer Laserquelle in Form des Arbeitslasers ausgesendet wird. Auch ein Beleuchtungs(laser)strahl zur Beleuchtung des Pulverstrahls ist in der Regel als elektromagnetische Welle ausgebildet, die von der Beleuchtungseinrichtung ausgesendet wird.
Bei einer ersten Ausgestaltung des Verfahrens wird die Meldung in Form einer Warnmeldung und/oder in Form einer Fehlermeldung ausgegeben. Die Warnmeldung erfolgt insbesondere akustisch und/oder optisch. Dadurch wird ein Anwender des Verfahrens auf einfache Weise bei einer Abweichung der Ist-Bewertung von der Soll-Bewertung gewarnt. Eine Fehlermeldung gibt dem Anwender insbesondere genauere Hinweise auf die Art der Abweichung und/oder mögliche Ursachen der Abweichung.
Bei einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Pulverförderung im Verfahrensschritt B) durch mehrere Pulverdüsen. Dadurch erfolgt die Pulverförderung räumlich gleichmäßiger als mit nur einer Pulverdüse.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Beleuchtung des Pulverstrahls im Verfahrensschritt C) durch einen Linienlaser. Bei Verwendung eines Linienlasers ist die Lage der beleuchteten Zone durch die Ebene, in der der Linienlaserstrahl den Pulverstrahl schneidet, präzise bestimmt. Bei einer Beleuchtung senkrecht zu der Richtung des Pulverstrahls weist die beleuchtete Zone in der Richtung entlang des Pulverstrahls eine geringe Ausdehnung auf. Dies führt zu einer guten Messauflösung. Mit dem Linienlaser, zum Beispiel einem roten Linienlaser, können Querschnitte des Pulverstrahls in einzelnen Ebenen gemessen werden. Zum Beispiel kann gezielt die Ebene ausgewählt werden, in der der Fokus des Pulverstrahls liegt. Der Linienlaser kann den Pulverstrahl in dessen Querschnitt durchleuchten, um auf diese Weise mit nur einem Laserstrahl den Querschnitt vollständig zu analysieren.
Alternativ oder zusätzlich dazu erfolgt die Beleuchtung des Pulverstrahls im Verfahrensschritt C) durch einen Spotstrahler und/oder ein Ringlicht. Durch solche (Laser-)Strahlen kann eine Beleuchtung mit einer Ausdehnung in allen Raumrich- tung erfolgen. Es kann ein vergleichsweise großes Volumen des Pulverstrahls zur Analyse erfasst werden, insbesondere die gesamte Kaustik des Pulverstrahls. Dabei weist ein (Laser-)Strahl bei diesen Ausführungsformen eine vergleichsweise hohe Intensität auf, die kurze Belichtungszeiten ermöglicht.
Bei einer Variante des Verfahrens erfolgt die Beleuchtung des Pulverstrahls im Verfahrensschritt C) durch zumindest eine Leuchtdiode. Insbesondere eignet sich eine Leuchtdiode zum Aussenden eines Leuchtdioden-Spot-Laserstrahls zur Beleuchtung des Pulverstrahls. Leuchtdioden zeichnen sich außerdem durch eine hohe Lebensdauer und eine kompakte Ausgestaltung aus.
Bei einer bevorzugten Form des Verfahrens wird die Beleuchtung des Pulverstrahls im Verfahrensschritt C) antiparallel reflektiert. Die Strahlung zur Beleuchtung einer Messzone des Pulverstrahls durchläuft die Messzone und wird anschließend reflektiert, woraufhin sie die Messzone erneut durchläuft. Dadurch wird insbesondere eine gleichmäßige Ausleuchtung der Messzone bewirkt.
Bei einer Weiterbildung der vorgenannten Form des Verfahrens erfolgt die antiparallele Reflexion durch ein Umlenkprisma, einen Umlenkspiegel und/oder einen Retroreflektor. Diese Bauelemente lassen sich ringförmig um den Pulverstrahl anordnen, um durch Mehrfachreflexionen mit nur einer Beleuchtungsquelle eine gleichmäßige Beleuchtung der beleuchteten Messzone des Pulverstrahls zu bewirken. Bei Verwendung dieser Bauelemente kann die Leistung der Beleuchtungsstrahlquelle zur Beleuchtung des Pulverstrahls vergleichsweise klein gewählt werden. Der Retroreflektor ist insbesondere als 90°- Retroreflektor ausgestaltet. Die Gesamtheit der Bauelemente im Verfahren wird hier zusammengefasst als Umlenkoptik bezeichnet. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Beleuchtung im Verfahrensschritt C) im Fokus des Pulverstrahls. Insbesondere kann hier geprüft werden, ob die Lage dieses Fokus in Bezug auf den Mund der Pulverdüse und damit die Ausrichtung des Pulverstrahls mit den Vorgaben übereinstimmt. Es kann auch gemessen werden, wie groß der Versatz des Fokus des Pulverstrahls zu dem Fokus des Arbeitslaserstrahls ist. Eine Deformation des Pulverstrahls kann anhand einer Deformation des Fokus des Pulverstrahls festgestellt werden.
Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Beleuchtung im Verfahrensschritt C) direkt unterhalb der zumindest einen Pulverdüse erfolgt. Hierbei wird ein gleichmäßiger Austritt des Pulverstrahls aus dem Mund der Pulverdüse geprüft. Dadurch kann ein Injektionsverschleiss festgestellt werden. Insbesondere können einzelne Pulverstrahlen untersucht werden, die aus Injektoren der Pulverdüse austreten.
Eine vorteilhafte Variante des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtung im Verfahrensschritt C) in mehreren Beleuchtungsebenen erfolgt. Die Beleuchtungsebenen verlaufen vorzugsweise im Fokus des Pulverstrahls und direkt unterhalb der zumindest eine Pulverdüse. Die Informationen der Messung aus den verschiedenen Ebenen können kombiniert werden, um Aussagen zu dem Verlauf des Pulverstrahls von dem Düsenmund zu dem Fokus zu erhalten.
Gemäß einer weiteren Variante umfasst der Verfahrensschritt D) das Erstellen mehrerer zeitlich aufeinanderfolgender Aufnahmen. Davon kann vorzugsweise die Erstellung einer oder mehrerer Filmsequenzen umfasst sein.
Zusätzlich kann der Verfahrensschritt E) eine Ist-Bewertung der zeitlichen Abfolge von Aufnahmen umfassen, wobei vorzugsweise ein Kennwert ermittelt wird, der auf eine (zeitliche) Veränderung des Pulverflusses hinweist. Die zeitliche Veränderung des Pulverflusses kann beispielsweise eine Lageänderung des Pulverstrahls oder eine Änderung der Partikeldichte des Pulverstrahls in der Ebene der Aufnahmen umfassen. Der Verfahrensschritt F) kann in diesen Fällen einen Vergleich des ermittelten Kennwerts mit einem Sollwert für den Pulverfluss umfassen. Wenn der ermittelte Kennwert um mehr als eine vorgebbare Maximalabweichung (Grenzwert) von dem Sollwert für den Pulverfluss abweicht, kann eine Meldung (beispielsweise in Form eines Warnsignals) ausgegeben werden. Durch die Messung und Bewertung der Veränderungen des Pulverflusses kann beispielsweise ein „Tänzeln" (d.h. örtliche Verschiebungen) des Pulverstrahls, ein periodisches „Spucken" der Pulverdüse (d.h. Unregelmäßigkeiten des Pulvermassestroms) oder andere unerwünschte dynamische Erscheinungen des Pulverflusses über den Aufnahmezeitraum erfasst und ggf. Gegenmaßnahmen ergriffen werden.
Eine weitere Variante des Verfahrens weist folgenden Verfahrensschritt auf:
G) Automatisierte Justage des Fokus des Pulverstrahls an den Fokus des Arbeitslaserstrahls.
Die automatisierte Justage kann anhand der im Rahmen des Verfahrens gewonnen Messergebnisse erfolgen. Die automatisierte Justage liefert einen Beitrag zu einem homogenen Schmelzen des Pulvers.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlrichtung des Arbeitslaserstrahls koaxial zu der Strahlrichtung des Pulverstrahls verläuft. Dies fördert ein homogenes Schmelzen des Pulvers im erwünschten Bereich eines Werkstücks.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Laserstrahlauftragschweißen mit den folgenden Merkmalen bereitgestellt: B2) Einschalten einer Pulverförderung durch zumindest eine Pulverdüse und dadurch Erzeugen eines Pulverstrahls; C2) Beleuchten des Pulverstrahls quer zur Strahlrichtung des Pulverstrahls; D2) Erstellen mehrerer zeitlich aufeinanderfolgender Aufnahmen des Pulverflusses durch eine Kamera, wobei die Blickrichtung der Kamera koaxial zur Strahlrichtung des Pulverstrahls verläuft; E2) Ist-Bewertung der Aufnahmen, wobei ein Kennwert ermittelt wird, der auf eine Veränderung des Pulverflusses hinweist; F2) Vergleichen des ermittelten Kennwerts mit einem Sollwert für den Pulverfluss; G2) Starten eines Laserstrahlauftragschweißprozesses unter Verwendung eines Arbeitslaserstrahls, sobald der Vergleich gemäß Schritt F2) ergibt, dass der Pulverfluss innerhalb vorbestimmter Toleranzgrenzen für den Sollwert liegt.
Die Bewertung des Pulverflusses kann also verwendet werden, um vor dem Beginn eines Laserstrahlauftragschweißprozesses eine Stabilisierung des Pulverflusses abzuwarten. Sobald der Pulverfluss sich stabilisiert hat, kann der Auftragschweißprozess begonnen werden. Auf diese Weise kann eine Schweißraupe von Beginn an mit gleichbleibender Qualität erzeugt werden, wobei gleichzeitig die Wartezeit zur Vorbereitung des Auftragschweißprozesses minimiert wird.
Gemäß einer Variante des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass der Arbeitslaserstrahl erst eingeschaltet wird, wenn der Pulverfluss innerhalb der vorbestimmten Toleranzgrenzen liegt.
Das hier offenbarte Verfahren zur Vorbereitung eines Laserstrahlauftragschweißprozesses ist mit dem weiter oben offenbarten Verfahren zur Pulverinjektionsüberwachung während des Laserstrahlauftragschweißens kombinierbar.
Eine Vorrichtung zur Pulverinjektionsüberwachung beim Laserstrahlauftragschweißen, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weist Folgendes auf: a) Einen Arbeitslaser zur Erzeugung eines Arbeitslaserstrahls; b) zumindest eine Pulverdüse zur Erzeugung eines Pulverstrahls; c) eine Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung des Pulverstrahls quer zur Strahlrichtung des Pulverstrahls; d) eine Kamera zum Erstellen einer Aufnahme des Pulverflusses, wobei die Blickrichtung der Kamera koaxial zur Strahlrichtung des Arbeitslaserstrahls verläuft; e) einen Rechner mit einem Algorithmus zur Ist-Bewertung der Aufnahme durch den Algorithmus; f) eine Ausgabeeinrichtung zur Ausgabe einer Meldung bei Überschreitung einer vordefinierten Abweichung der Ist-Bewertung von einer Soll-Bewertung. Eine solche Vorrichtung ermöglicht eine rasche Warnung an einen Anwender der Vorrichtung, wenn der Pulverstrahl nicht die gewünschten Eigenschaften aufweist.
Eine erste Ausführungsform der Vorrichtung weist Folgendes auf: g) Eine Justageeinrichtung zur automatisierten Justage des Fokus des Pulverstrahls an den Fokus des Arbeitslaserstrahls.
Dies verbessert das homogene Schmelzen des Pulvers im erwünschten Bereich eines Werkstücks.
Eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Beleuchtungseinrichtung dazu ausgebildet ist, den Pulverstrahl in mehreren Ebenen zu beleuchten. Dadurch kann der räumliche Verlauf des Pulverstrahls ermittelt werden. Die Beleuchtungseinrichtung kann dabei dazu ausgebildet sein, den Pulverstrahl sowohl im Fokus des Pulverstrahls als auch direkt unterhalb der zumindest eine Pulverdüse zu beleuchten.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung
Fig. 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Pulverinjektionsüberwachung beim Laserstrahlauftragschweißen;
Fig. 2 zeigt schematisch ein Verfahren zur Pulverinjektionsüberwachung beim La- serstrahlauftragschweißen.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung 10 zur Pulverinjektionsüberwachung beim Laserstrahlauftragschweißen. Ein Arbeitslaser 12 dient der Erzeugung eines Arbeitslaserstrahls 14 zum Bestrahlen eines Werkstücks 16. Ein Pulverstrahl 18 wird durch eine Pulverdüse 20 erzeugt. Der Pulverstrahl 18 wird durch eine, insbesondere als Leuchtdiode 34 ausgebildete, Beleuchtungseinrichtung 22 in einem Abschnitt des Pulverstrahls 18 mit einem Beleuchtungs(laser)strahl 24 beleuchtet. Der Beleuchtungs(laser)strahl 24 verläuft senkrecht zur Richtung des Pulverstrahls 18. Zur homogenen Beleuchtung des Pulverstrahls 18 in der beleuchteten Messzone wird der Beleuchtungs(laser)strahl 24 durch eine Umlenkoptik 36 antiparallel reflektiert, wobei die Umlenkoptik 36 insbesondere ein Umlenkprisma, einen Umlenkspiegel und/oder einen Retroreflektor aufweist. Zur Bestimmung des räumlichen Verlaufs des Pulverstrahls 18 erfolgt die Beleuchtung vorzugsweise in einer Ebene Ei, die durch den Fokus des Pulverstrahls 18 und/oder des Arbeitslaserstrahls 14 verläuft und/oder einer Ebene E2, die nahe der Pulverdüse 20 angeordnet ist.
Eine Kamera 26 in einem Gehäuse 38 der Vorrichtung 10 erstellt Aufnahmen des Pulverstrahls 18, wobei die Blickrichtung der Kamera 26 koaxial zur Strahlrichtung RP des Pulverstrahls 18 verläuft, die hier mit der Strahlrichtung des Arbeitslaserstrahls 14 zusammenfällt. Auf einem Rechner 28 ist ein Algorithmus installiert, der die Aufnahme durch die Kamera 26 mit einer Ist-Bewertung bewertet. Eine Ausgabeeinrichtung 30 dient der Ausgabe einer Meldung bei Überschreitung einer vordefinierten Abweichung der Ist-Bewertung von einer Soll-Bewertung. Durch eine Justageeinrichtung 32 kann der Fokus des Pulverstrahls 18 an den Fokus des Arbeitslaserstrahls 12 justiert werden.
Fig. 2 zeigt schematisch ein Verfahren 100 zur Pulverinjektionsüberwachung beim Laserstrahlauftragschweißen. Bei dem Verfahren wird in einem ersten Schritt 102 das Werkstück 16 mit einem Arbeitslaserstrahl 14 bestrahlt. In einem zweiten Schritt 104 wird ein Pulverstrahl 18 erzeugt, wobei das Pulver für den Pulverstrahl 18 durch eine Pulverdüse 20 gefördert wird. Der Pulverstrahl 18 wird in einem dritten Schritt 106 quer zur Strahlrichtung des Pulverstrahls 18 beleuchtet. Durch eine Kamera 26 wird in einem vierten Schritt 108 eine Aufnahme des beleuchteten Abschnitts des Pulverstrahls 18 erstellt. Dabei verläuft die Blickrichtung der Kamera 26 koaxial zur Strahlrichtung des Pulverstrahls 18. Die vorgenannten Schritte 102 bis 106 erfolgen gleichzeitig. In einem fünften Schritt 110 führt ein Algorithmus eine Ist-Bewertung der Aufnahme durch. In einem sechsten Schritt 112 wird eine Meldung ausgegeben, wenn die Ist-Bewertung von der Soll- Bewertung um ein vorgegebenes Maß abweicht.
Unter Vornahme einer Zusammenschau aller Figuren der Zeichnung betrifft die Erfindung eine Pulverinjektionsüberwachung beim Laserstrahlauftragschweißen. Bei der Pulverinjektionsüberwachung wird ein Pulverstrahl 18 aus einer Pulverdüse 20 auf ein Werkstück 16 gelenkt. Das Pulver in dem Pulverstrahl 18 wird durch einen Arbeitslaserstrahl 14, der auf das Werkstück 16 gestrahlt wird, mit dem Werkstück 16 verschmolzen. Der Pulverstrahl 18 wird durch einen Beleuch- tungs(laser)strahl 24 senkrecht zu der Richtung des Pulverstrahls 18 beleuchtet. Eine Kamera 26 mit einer Blickrichtung, die parallel zu der Strahlrichtung des Pulverstrahls 18 verläuft, bildet den Abschnitt des Pulverstrahls 18 ab, der durch den Beleuchtungs(laser)strahl 24 beleuchtet wird. Dabei erfolgen die vorgenannten
Schritte gleichzeitig. Ein Algorithmus führt eine Ist-Bewertung des beleuchteten Abschnitts des Pulverstrahls 18 durch. Wenn die Ist-Bewertung in einem vorgegebenen Maß von einer Soll-Bewertung abweicht, wird eine Meldung ausgegeben.
Vorrichtung
Figure imgf000014_0001
Arbeitslaser
14 Arbeitslaserstrahl
16 Werkstück
18 Pulverstrahl
20 Pulverdüse
22 Beleuchtungseinrichtung
24 Beleuchtungs(laser)strahl
26 Kamera
28 Rechner
30 Ausgabeeinrichtung
32 Justageeinrichtung
34 Leuchtdiode
36 Umlenkoptik/Retroreflektor
38 Gehäuse
El, E2 Beleuchtungsebenen
RP Strahlrichtung des Pulverstrahls

Claims

Patentansprüche Verfahren zur Pulverinjektionsüberwachung beim Laserstrahlauftragschweißen mit folgenden gleichzeitig erfolgenden Verfahrensschritten:
A) Bestrahlen eines Werkstücks (16) mit einem Arbeitslaserstrahl (14);
B) Pulverförderung durch zumindest eine Pulverdüse (20) und dadurch Erzeugung eines Pulverstrahls (18);
C) Beleuchtung des Pulverstrahls (18) quer zur Strahlrichtung des Pulverstrahls (18);
D) Erstellen einer Aufnahme des Pulverflusses durch eine Kamera (26), wobei die Blickrichtung der Kamera (26) koaxial zur Strahlrichtung des Pulverstrahls (18) verläuft; wobei das Verfahren weiterhin folgende Verfahrensschritte aufweist:
E) Ist-Bewertung der Aufnahme durch einen Algorithmus;
F) Ausgabe einer Meldung bei Überschreitung einer vordefinierten Abweichung der Ist-Bewertung von einer Soll-Bewertung. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Meldung in Form einer Warnmeldung und/oder in Form einer Fehlermeldung ausgegeben wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Pulverförderung im Verfahrensschritt B) durch mehrere Pulverdüsen (20) erfolgt. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Beleuchtung des Pulverstrahls (18) im Verfahrensschritt C) durch einen Linienlaser, einen Spotstrahler und/oder ein RJnglicht erfolgt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Beleuchtung des Pulverstrahls (18) im Verfahrensschritt C) durch zumindest eine Leuchtdiode (34) erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Beleuchtung des Pulverstrahls (18) im Verfahrensschritt C) antiparallel reflektiert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die antiparallele Reflexion durch ein Umlenkprisma, einen Umlenkspiegel und/oder einen Retroreflektor (36) erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Beleuchtung im Verfahrensschritt C) im Fokus des Pulverstrahls (18) erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Beleuchtung im Verfahrensschritt C) direkt unterhalb der zumindest einen Pulverdüse (20) erfolgt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Beleuchtung im Verfahrensschritt C) in mehreren Beleuchtungsebenen (El, E2) erfolgt.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verfahrensschritt D) das Erstellen mehrerer zeitlich aufeinanderfolgender Aufnahmen umfasst.
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Verfahrensschritt E) eine Ist-Bewertung der zeitlichen Abfolge von Aufnahmen umfasst, wobei vorzugsweise ein Kennwert ermittelt wird, der auf eine Veränderung des Pulverflusses hinweist.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit folgendem Verfahrensschritt:
G) Automatisierte Justage des Fokus des Pulverstrahls (18) an den Fokus des Arbeitslaserstrahls (14).
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Strahlrichtung des Arbeitslaserstrahls (14) koaxial zur Strahlrichtung des Pulverstrahls (18) verläuft.
15. Verfahren zum Laserstrahlauftragschweißen mit folgenden Verfahrensschritten:
B2) Einschalten einer Pulverförderung durch zumindest eine Pulverdüse (20) und dadurch Erzeugen eines Pulverstrahls (18);
C2) Beleuchten des Pulverstrahls (18) quer zur Strahlrichtung des Pulverstrahls (18);
D2) Erstellen mehrerer zeitlich aufeinanderfolgender Aufnahmen des Pulverflusses durch eine Kamera (26), wobei die Blickrichtung der Kamera (26) koaxial zur Strahlrichtung des Pulverstrahls (18) verläuft;
E2) Ist-Bewertung der Aufnahmen, wobei ein Kennwert ermittelt wird, der auf eine Veränderung des Pulverflusses hinweist;
F2) Vergleichen des ermittelten Kennwerts mit einem Sollwert für den Pulverfluss;
G2) Starten eines Laserstrahlauftragschweißprozesses unter Verwendung eines Arbeitslaserstrahls (14), sobald der Vergleich gemäß Schritt F2) ergibt, dass der Pulverfluss innerhalb vorbestimmter Toleranzgrenzen für den Sollwert liegt.
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Arbeitslaserstrahl (14) erst eingeschaltet wird, wenn der Pulverfluss innerhalb der vorbestimmten Toleranzgrenzen liegt.
17. Vorrichtung (10) zur Pulverinjektionsüberwachung beim Laserstrahlauftragschweißen, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (10) Folgendes aufweist: a) Einen Arbeitslaser (12) zur Erzeugung eines Arbeitslaserstrahls (14); b) zumindest eine Pulverdüse (20) zur Erzeugung eines Pulverstrahls (18); c) eine Beleuchtungseinrichtung (22) zur Beleuchtung des Pulverstrahls (18) quer zur Strahlrichtung des Pulverstrahls (18); d) eine Kamera (26) zum Erstellen einer Aufnahme des Pulverflusses, wobei die Blickrichtung der Kamera (26) koaxial zur Strahlrichtung des Pulverstrahls (18) verläuft; e) einen Rechner (28) mit einem Algorithmus zur Ist-Bewertung der Aufnahme durch den Algorithmus; f) eine Ausgabeeinrichtung (30) zur Ausgabe einer Meldung bei Überschreitung einer vordefinierten Abweichung der Ist-Bewertung von einer Soll-Bewertung. Vorrichtung nach Anspruch 17, bei der die Vorrichtung (10) Folgendes aufweist: g) Eine Justageeinrichtung (32) zur automatisierten Justage des Fokus des Pulverstrahls (18) an den Fokus des Arbeitslaserstrahls (14). Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, bei dem die Beleuchtungseinrichtung (22) dazu ausgebildet ist, den Pulverstrahl (18) in mehreren Ebenen (El, E2) zu beleuchten.
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