Diagnostik
Hochgeschwindigkeitskinematographie
Die Regelung von Schweißprozessen und die Abfolge einzelner Prozessphasen erfolgt innerhalb weniger Millisekunden.
Die Untersuchung und Dokumentation der Prozesse muss daher mit weitaus höherer Frequenz erfolgen. Messsignale im MHz-Bereich werden zur Prozessanalyse mit Hochgeschwindigkeitsaufnahmen von bis zu 500.000 Bildern pro Sekunde synchronisiert und ausgewertet.
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Particle Image Velocimetry
Durch die Particle Image Velocimetry (PIV) ist es möglich zweidimensionale Strömungsfelder örtlich und zeitlich hoch aufgelöst zu untersuchen.
Bewusst in die Strömung eingebrachte, hoch schmelzende Keramikoxid-Partikel werden durch einen gepulsten Diodenlaser in sehr kurzen zeitlichen Abständen belichtet und mit Hilfe einer Hochgeschwindigkeitskamera mit etwa 40.000 Bildern pro Sekunde aufgenommen.
Die statistische Auswertung der Position einzelner Partikelgruppen ermöglicht über eine spezielle Software die quantitative Berechnung von Strömungsfeldern.
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Schlieren - Technik
Die Schlierenmesstechnik nutzt die aus der Strömung entstehenden Dichteunterschiede bzw. den von der Dichte linear abhängigen Brechungsindex, um die Ablenkung von Lichtstrahlen quantitativ zu erfassen. Die Ausbildung und Ausbreitung kompressibler Wirbel oder die Einwirbelung von Umgebungsluft werden auf diesem Weg visualisiert.
Durch die Wahl geeigneter Beleuchtungsquellen-Filter-Kombinationen ist es möglich, die starke Strahlung des Lichtbogens nahezu auszublenden.
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Energieeintragsmessung
Zur Abschätzung der Energieeinbringung des Lichtbogens in das Bauteil werden die Wärmestromdichte sowie die elektrische Stromdichte gemessen.
Dazu wird der Brenner über zwei wassergekühlte Kupferplatten bewegt, die durch einen 0,15 mm-Spalt thermisch und elektrisch isoliert sind. Zur Bestimmung der Wärmestromdichte wird die Stromstärke in Abhängigkeit vom Abstand des Lichtbogenzentrums zur Trennebene aufgenommen, für die Wärmestromdichte hingegen werden die Temperaturänderung sowie der Massenstrom des Kühlwassers gemessen. Über die Abel-Integration werden aus den Strom- und Kalorimetriekurven die elektrische Strom- bzw. die Wärmestromdichte in Abhängigkeit vom Lichtbogenradius berechnet.
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Staudruckmessung nach Lin und Eagar
Der Staudruck des Lichtbogens beeinflusst die Schmelzbadbewegung und kann zur Deformationen des flüssigen Schweißgutes führen.
Zur Messung des Staudruckes wird der Lichtbogen über eine 0,5 mm-Bohrung gefahren, die sich in einer wassergekühlten Kupferplatte befindet. Mit Hilfe eines piezoresistiven Drucksensors wird der Staudruck in Abhängigkeit vom Lichtbogenradius gemessen und kann beispielsweise zur Validierung von WIG-Simulationsmodellen genutzt werden.
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Sauerstoffmessung
Für die Bewertung der Schutzgasabdeckung ist die Kenntnis über die Kontamination des Schutzgases durch Umgebungsluft von großer Bedeutung.
Das definierte Absaugen einer geringen Gasmenge in unmittelbarer Nähe des Lichtbogens und die Anwendung des Lambda-Sonden Prinzips ermöglichen die Messung des Sauerstoffgehaltes am Werkstück. Die Qualität der Schutzgasabdeckung kann so messtechnisch bewertet und zur Validierung der Simulationsmodelle genutzt werden.
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Emissionsmessung
Als Schweißrauche werden Gase und Partikel bezeichnet, die beim Schweißen emittiert werden, wobei es sich bei den meisten Partikeln um Metalloxide handelt. Die Partikelgrößen liegen ein bis zwei Größenordnungen unter der bei 10 μm Größe festgelegten Grenze für Feinstaub.
Für die Quantifizierung der Emissionen steht eine Rauchkammer nach DIN EN ISO 15011-1 zur Verfügung. Die Absaugmenge beträgt 1 m³/min. Die verwendeten Glasfaserfilter haben einen Durchmesser von 250 mm und ein mittleres Rückhaltevermögen von 0,5 μm. Die Rückstände in diesem Filter werden mit einer Differenzwägung quantifiziert.
Ergänzend können REM- und EDX-Analysen zur Charakterisierung der Rückstände durchgeführt werden.
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