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Dokumentenidentifikation DE102004060235B4 21.12.2006
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Qualitätsprüfung von Werkstücken
Anmelder JRW technology + engineering GmbH, 55128 Mainz, DE
Erfinder Wahl, Matthias, Dr., 64287 Darmstadt, DE;
Weil, Alexander, 55270 Klein-Winternheim, DE
Vertreter Beyer & Jochem Patentanwälte, 60322 Frankfurt
DE-Anmeldedatum 15.12.2004
DE-Aktenzeichen 102004060235
Offenlegungstag 29.06.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 21.12.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 21.12.2006
IPC-Hauptklasse G01N 25/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren zur Qualitätsprüfung von Werkstücken, die in einem definierten, Wärme in das Werkstück einbringenden Verfahren bearbeitet werden, wobei unter definierten Umgebungsbedingungen zu einem bestimmten Zeitpunkt nach Abschluß des Bearbeitungsvorgangs eine Temperaturerfassung des Werkstückes erfolgt, die erfaßten Werte mit Sollwerten verglichen werden und bei der Feststellung unzulässiger Wertabweichungen das Werkstück als fehlerhaft qualifiziert wird. Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Nach der Bearbeitung von Werkstücken, beispielsweise einem Schweißvorgang mit Hilfe eines Elektronenstrahles in einer Vakuumkammer, besteht ein Bedürfnis, die Qualität des Bearbeitungsvorganges zu überprüfen, um zu vermeiden, daß fehlerhafte Teile montiert werden und später zu einem Ausfall führen. Eine solche Qualitätsprüfung ist oftmals schwierig, da beispielsweise bei einem Schweißvorgang, Umschmelzvorgang oder dergleichen Schadstellen optisch unsichtbar sein können, so daß aufwendige Röntgen- oder Ultraschalluntersuchungen nach der Bearbeitung des Werkstückes erforderlich sind, um fehlerhafte Bearbeitungen aufzudecken.

Die DE 199 53 415 C1 beschreibt ein Verfahren der eingangs genannten Art, wobei dort eine Kühleinrichtung in Verbindung mit einer Relativverschiebung des großflächigen Prüfkörpers vorgesehen ist. Die Einhaltung der definierten Umgebungsbedingungen ist hierbei schwierig.

Die DE-OS 1 648 349 beschreibt eine Temperaturerfassung an Walzgut zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, während die DE 196 50 883 A1 eine thermographische Prüfung von Schweißnähten an kontinuierlich bewegten Bahnen vorschlägt. Die DE 41 14 672 A1 beschreibt die Verwendung eines Pyrometers zur Temperaturerfassung.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zu schaffen, das die Einhaltung der definierten Umgebungsbedingungen sicherstellt.

Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art, bei welchem die Bearbeitung des Werkstückes und die Temperaturerfassung in einem evakuierten Raum vorgenommen werden, wobei die Temperaturerfassung durch eine vakuumdichte Optik von außerhalb des evakuierten Raumes vorgenommen wird.

Das Verfahren baut auf der Erkenntnis auf, daß bei einem fehlerhaft ausgeführten Verfahren, bei welchem Wärme in das Werkstück eingebracht wird, sich dieser Fehler in einer geänderten Temperaturverteilung in dem Werkstück äußert. Ist beispielsweise eine Schweißnaht nicht vollständig ausgeführt, wird sich der Fehler in einer geänderten Temperaturverteilung an der Oberfläche des Werkstückes bemerkbar machen. Auch während eines Umschmelzvorganges nicht aufgeschmolzene Materialbereiche führen zu einer geänderten Werkstückoberfläche, ebenso wie das versehentliche Aufschmelzen von Werkstückbereichen oder das Zerstören von verdeckt liegenden Werkstückbereichen durch überhöhten Wärmeeintrag. Solange die Zeit zwischen Ende des Bearbeitungsvorganges und der Temperaturerfassung unverändert ist und auch der Bearbeitungsvorgang selbst bei sich entsprechenden Werkstücken in gleicher Weise durchgeführt wird, muß bei korrekt ausgeführter Bearbeitung immer die gleiche Temperaturverteilung vorliegen. Die Einhaltung der definierten Umgebungsbedingungen ist daher für eine korrekte Durchführung des Verfahrens von Bedeutung.

Das Verfahren ist grundsätzlich für jegliche Art von Bearbeitung geeignet, die mit einem Wärmeeintrag in das Material verbunden ist. Besonders geeignet ist es jedoch für die bereits angesprochenen Schweiß- und Umschmelzvorgänge, da sich dort Störungen des Bearbeitungsablaufes besonders signifikant in Temperaturänderungen niederschlagen.

Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft Bearbeitungsvorgänge, die in einem evakuierten Raum vorgenommen werden, wobei auch die Temperaturmessung im evakuierten Raum erfolgt. Das Vakuum stellt in besonders vorteilhafter Weise sicher, daß es zwischen dem Ende des Bearbeitungsvorganges und der Temperaturerfassung bei den definierten Umgebungsbedingungen für jedes Werkstück bleibt.

Typische Bearbeitungsverfahren, die in einer Vakuumkammer durchgeführt werden, sind das Bearbeiten mit Hilfe von Energiestrahlen, beispielsweise das Elektronenstrahlschweißen oder -umschmelzen oder auch Beschichtungsvorgänge, wie z. B. das Sputtern.

Aufgrund der Temperaturerfassung durch eine vakuumdichte Optik von außerhalb der Vakuumkammer, sind die Pyrometer oder die Kamera leicht zugänglich und der zu evakuierende Raum kann klein gehalten werden.

Sofern nicht sichergestellt werden kann, daß das Werkstück schon zu Beginn des Bearbeitungsvorganges eine bestimmte Temperatur mit definierter Verteilung besitzt, ist in bevorzugter Weiterbildung des Verfahrens vorgesehen, daß vor dem Bearbeitungsvorgang eine Ausgangstemperaturerfassung des Werkstückes erfolgt und zum Vergleich mit entsprechend angepaßten Sollwerten die Differenz zwischen den Ausgangstemperaturwerten und den nach der Bearbeitung erfaßten Temperaturwerten vorgenommen wird. Durch die Differenzbildung kann vermieden werden, daß Werkstücke, die bereits zu Beginn des Bearbeitungsvorganges eine stark von einem Durchschnittswert abweichende Temperaturverteilung besitzen, als fehlerhaft identifiziert und ausgesondert werden, obgleich der Bearbeitungsvorgang selbst korrekt durchgeführt worden ist.

Die Temperaturerfassung kann beispielsweise mit Hilfe wenigstens eines Pyrometers vorgenommen werden, wobei die Oberflächentemperatur mehrerer definierter Punkte auf der Werkstückoberfläche erfaßt und mit Sollwerten verglichen wird. Je nach Art des Bearbeitungsvorganges kann eine Vielzahl von Meßpunkten sinnvoll sein, um eine möglichst genaue Temperaturerfassung durchführen zu können, wobei in der Regel wenigstens drei Punkte erfaßt werden sollten, um zu einem aussagefähigen Meßergebnis zu gelangen.

Eine Alternative zur Pyrometrie besteht darin, die Temperaturerfassung mit Hilfe einer thermografischen Kamera durchzuführen, wobei die Temperaturverteilung der Werkstückoberfläche bildhaft erfaßt wird und mit Hilfe einer Bildverarbeitungssoftware mit einer Sollverteilung verglichen wird. Welche Art der Temperaturerfassung jeweils zum Einsatz kommt, hängt von den spezifischen Erfordernissen des Einzelsfalls ab.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Eine solche Vorrichtung besitzt wenigstens eine Bearbeitungsstation, in welcher ein Werkstück unter Wärmeeinwirkung bearbeitet wird, und eine Temperaturerfassungseinrichtung, die die Temperatur der Werkstückoberfläche zu einem definierten Zeitpunkt nach Abschluß der Bearbeitung mißt, wobei sie eine Datenverarbeitungsvorrichtung aufweist, die die erfaßten Temperaturwerte mit Sollwerten vergleicht und bei Überschreiten einer zulässigen Abweichung die Fehlerhaftigkeit des Werkstückes signalisiert und/oder dieses aussondert, wobei erfindungsgemäß eine Vakuumkammer mit einer Schleusenstation und zur Temperaturerfassung wenigstens eine thermografische Kamera oder wenigstens ein Pyrometer vorgesehen ist, wobei die thermografische Kamera oder das Pyrometer außerhalb der Vakuumkammer liegen und die Temperaturmessung über eine vakuumdichte Optik in der Wandung der Vakuumkammer erfolgt. Wie bereits erwähnt, ist die definierte Einhaltung der Umgebungsbedingungen für den Erfolg des Verfahrens wichtig, wobei dies durch die Vakuumbedingungen ohne weiteres gegeben ist.

Zur Erfassung eventuell auftretender Temperaturschwankungen der Werkstücke vor der Bearbeitung ist in bevorzugter Weiterbildung der Vorrichtung vorgesehen, daß die erste Temperaturerfassungseinrichtung oder eine zweite Temperaturerfassungseinrichtung die Temperatur der Werkstückoberfläche vor der Bearbeitung erfaßt und die Datenverarbeitungsvorrichtung die Differenz der beiden Temperaturmessungen bildet und das Ergebnis mit Sollwerten vergleicht.

Nachfolgend wird anhand der beigefügten Abbildung näher auf ein Ausführungsbeispiel der Erfindung eingegangen.

Die Abbildung zeigt eine Schnittdarstellung einer Vorrichtung 10 für das Verschweißen von Werkstücken 12 mit Hilfe eines Elektronenstrahls, der in einer Elektronenstrahlquelle 14 erzeugt wird. Die Elektronenstrahlquelle 14 ist an eine Vakuumkammer 16 angeflanscht, die mit Hilfe einer ersten Vakuumpumpe 18 evakuierbar ist. Die Vakuumkammer 16 besitzt eine Schleusenstation 20 mit einem Schleusentor 22 und einer Bearbeitungsstation 24, in welcher der Elektronenstrahl auf das Werkstück einwirkt. Zum Transport der Werkstücke 12 zwischen der Schleusenstation 20 und der Bearbeitungsvorrichtung 24 ist eine karusselartige Transfervorrichtung 26 vorgesehen, die mit Hilfe eines Antriebes 28 drehbar ist. Die Werkstücke 12 sind mit Hilfe von Haltern 30 in Aufnahmekammern 32 der Transfervorrichtung 26 gehalten, wobei in der Schleusenstation 20 die Abdichtung der Aufnahmekammer 32 zu dem Rest der Vakuumkammer 16 durch Anheben und Anpressen der Wandung 34 der Aufnahmekammer 32 über eine Dichtung 36 um die Schleusenöffnung erfolgt. Eine seitliche Abdichtung 35 verschließt ein Fenster, durch welches in der Bearbeitungsstation 24 der Elektronenstrahl einstrahlt. Eine zweite Vakuumpumpe 38 dient zur Evakuierung der Schleusenkammer nach dem Schließen des Schleusentores 22 über ein Ventil 37, während ein Belüftungsventil 39 ein kontrolliertes Belüften der Schleusenstation 20 vor dem Öffnen des Schleusentores 22 ermöglicht.

Im Bereich der Bearbeitungsstation 24 ist ein Pyrometer 42 angeordnet, mit Hilfe dessen die Oberflächentemperatur des bearbeiteten Werkstückes zu einem definierten Zeitpunkt nach dem Abschluß der Einwirkung des Elektronenstrahles erfaßbar ist. Denkbar ist es auch, das Pyrometer 40 an einer weiteren, ihm eigens zugeordneten Station vorzusehen, die zwischen der Bearbeitungsstation 24 und der Schleusenstation 20 liegt. Die erfaßten Meßwerte werden an eine Datenverarbeitungsvorrichtung 42 weitergegeben und dort mit hinterlegten Sollwerten verglichen. Wird bei diesem Vergleich eine unzulässige Abweichung von den Sollwerten festgestellt, kann daraus geschlossen werden, daß der Bearbeitungsvorgang des Werkstückes fehlerhaft war. Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann dann ein Signal auslösen oder steuerungstechnisch unmittelbar dafür sorgen, daß das betroffene Werkstück nach der Entnahme aus der Schleusenstation 20 ausgesondert wird.

Die im Bereich der Bearbeitungsstation 24 immer vorliegenden Vakuumbedingungen sorgen dafür, daß zwischen dem Ende des Bearbeitungsvorganges und der Temperaturerfassung keine unkontrollierten Umgebungsbedingungen für eine unbeabsichtigte Veränderung der Temperaturverteilung im Werkstück sorgen können. Zweckmäßig ist die Erfassung der Temperatur der Werkstückoberfläche an wenigstens drei Punkten, ggf. können aber auch mehr Punkte ausgewertet werden, um die Genauigkeit der Erfassung zu verbessern.

In der Abbildung ist zu erkennen, daß das Pyrometer 40 außerhalb der Vakuumkammer 16 angeordnet ist, wobei zur Erfassung der Temperatur eine vakuumdichte Optik 44 in der Wandung der Vakuumkammer 16 vorgesehen ist.

Anstelle des gezeigten Pyrometers 40 kann die Temperaturerfassung auch mit Hilfe einer thermografischen Kamera vorgenommen werden, wobei die dann vorgenommene bildhafte Erfassung der Temperaturverteilung in der Datenverarbeitungsvorrichtung mit Hilfe einer Bildauswertungssoftware mit einer Sollverteilung verglichen wird.

Sofern bei der Bearbeitung in der Vorrichtung 10 nicht sichergestellt werden kann, daß die an der Schleusenstation 20 eingebrachten Werkstücke 12 wenigstens annähernd eine gleich große und gleichmäßig verteilte Temperatur besitzen, kann das Vorsehen einer weiteren Temperaturerfassungseinrichtung, beispielsweise in Form eines weiteren Pyrometers im Bereich der Schleusenstation 20 sinnvoll sein. Mit Hilfe dieser Temperaturerfassungseinrichtung kann dann die Temperaturverteilung des noch nicht bearbeiteten Werkstückes bestimmt werden, Nach der Erfassung der Temperaturwerte nach der Bearbeitung wird dann eine Differenzbildung vorgenommen, wobei der ermittelte Differenzwert für jeden Temperaturwert oder, bei einer thermografischen Bilderfassung einer zu errechnenden Differenzverteilung, mit den Sollwerten verglichen wird. Auf diese Weise können Schwankungen bei der Temperatur der eingebrachten Werkstücke erfaßt und unnötige Fehlerauslösungen verhindert werden.

Die gezeigte Vorrichtung ermöglicht die berührungslose Qualitätsüberprüfung des Werkstückes unmittelbar nach der Bearbeitung, so daß eine gesonderte Qualitätsüberprüfung, die in der Regel mit Hilfe von Röntgenstrahlen oder Ultraschall in einer entsprechend aufgebauten Meßvorrichtung erfolgen muß, vermieden werden.

Anstelle der gezeigten Vorrichtung zum Elektronenstrahlschweißen der Werkstücke können auch andere Bearbeitungsvorgänge in der Vakuumkammer durchgeführt werden, beispielsweise Umschmelzvorgänge mit Hilfe eines Elektronenstrahles oder sonstiger Energiestrahlen. Denkbar ist auch die Erfassung der Oberflächentemperatur des Werkstückes nach Beschichtungsvorgängen, beispielsweise einem Sputtervorgang.


Anspruch[de]
Verfahren zur Qualitätsprüfung von Werkstücken (12), die in einem definierten, Wärme in das Werkstück (12) einbringenden Verfahren bearbeitet werden, wobei unter definierten Umgebungsbedingungen zu einem bestimmten Zeitpunkt nach Abschluß des Bearbeitungsvorgangs eine Temperaturerfassung des Werkstückes (12) erfolgt, die erfaßten Werte mit Sollwerten verglichen werden und bei der Feststellung unzulässiger Wertabweichungen das Werkstück (12) als fehlerhaft qualifiziert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitung des Werkstückes (12) und die Temperaturerfassung (40) in einem evakuierten Raum (16) vorgenommen werden, wobei die Temperaturerfassung durch eine vakuumdichte Optik (44) von außerhalb des evakuierten Raumes (44) vorgenommen wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Bearbeitungsvorgang eine Ausgangstemperaturerfassung des Werkstückes (12) vorgenommen wird und zum Vergleich mit entsprechend angepaßten Sollwerten die Differenz zwischen den Ausgangstemperaturwerten und den nach dem Bearbeiten erfaßten Temperaturwerten gebildet wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturerfassung mit Hilfe wenigstens eines Pyrometers (40) vorgenommen wird, wobei die Oberflächentemperatur mehrerer definierter Punkte auf der Werkstückoberfläche erfaßt wird. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächentemperatur an wenigstens drei Punkten erfaßt wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturerfassung mit Hilfe einer thermografischen Kamera erfolgt, wobei die Temperaturverteilung der Werkstückoberfläche bildhaft erfaßt wird und mit Hilfe einer Bildverarbeitungssoftware mit einer Sollverteilung verglichen wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück vor der Temperaturerfassung mit einem Energiestrahl (14) bearbeitet wird. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (12) mit einem Elektronenstrahl (14) geschweißt wird. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (12) mit einem Energiestrahl umgeschmolzen wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (12) bedampft wird. Vorrichtung mit wenigstens einer Bearbeitungsstation (24), in welcher ein Werkstück (12) unter Wärmeeinwirkung bearbeitbar ist, und einer Temperaturerfassungseinrichtung (40, 44), die die Temperatur der Werkstückoberfläche zu einem bestimmten Zeitpunkt nach Abschluß der Bearbeitung mißt, wobei eine Datenverarbeitungsvorrichtung (42) vorgesehen ist, die die Temperaturwerte mit Sollwerten vergleicht und bei Überschreiten einer unzulässigen Abweichung die Fehlerhaftigkeit des Werkstückes (12) signalisiert und/oder dieses aussondert, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vakuumkammer mit einer Schleusenstation (20) und zur Temperaturerfassung wenigstens eine thermografische Kamera oder wenigstens ein Pyrometer (40) vorgesehen sind, wobei die thermografische Kamera oder das Pyrometer (40) außerhalb der Vakuumkammer (16) liegen und die Temperaturmessung über eine vakuumdichte Optik (44) in der Wandung der Vakuumkammer (16) erfolgt. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturerfassungseinrichtung oder eine zweite Temperaturerfassungseinrichtung die Temperatur der Werkstückoberfläche vor der Bearbeitung erfaßt und die Datenverarbeitungsvorrichtung (42) die Differenzwerte aus beiden Temperaturmessungen bildet und das Ergebnis mit Sollwerten vergleicht. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Temperaturerfassung wenigstens eine thermografische Kamera oder wenigstens ein Pyrometer (40) vorgesehen ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die thermografische Kamera oder das Pyrometer (40) außerhalb der Vakuumkammer (16) liegen und die Temperaturmessung über eine vakuumdichte Optik (44) in der Wandung der Vakuumkammer (16) erfolgt.






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