-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nachbehandlung
einer Schweißnaht an einem Werkstück, um die mechanischen
Eigenschaften der Schweißnaht zu verbessern.
-
Insbesondere
im Bereich des Flugzeugbaus, wo in sehr großem Umfang Aluminium
verwendet wird, gibt es das Bestreben, aus diesem Werkstoff oder
seinen Legierungen bestehende Werkstücke statt durch Nieten über
Schweißnähte miteinander zu verbinden, da dies
mit einer Gewichtsersparnis verbunden ist, was gerade in diesem
Bereich hochrelevant ist.
-
Wie
bei allen Metallen besteht auch bei Aluminium bei der Herstellung
einer Schweißnaht, gleich welches thermische Schweißverfahren
gewählt wird, das Problem, dass sich im Bereich der Schweißnaht Zugspannungen
im Material der Schweißnaht selbst wie auch im Material
der benachbarten Werkstücke ausbilden. Diese Zugspannungen
können einerseits dazu führen, dass die Festigkeit
des Materials vermindert wird. Andererseits kann es aufgrund der
Zugspannungen unter Belastung zu einer Bildung von Rissen im Bereich
der Oberfläche kommen, die zum einen die Festigkeit der
Schweißnaht weiter beeinträchtigen und zum anderen
die Korrosion in diesem Bereich beschleunigen.
-
Um
das Problem der Zugspannungen zu beseitigen, ist es möglich,
die geschweißten Werkstücke auszulagern, also
eine Temperaturbehandlung durchzuführen. Wenn die Werkstücke
jedoch eine bestimmte Größe überschreiten,
ist eine solche Behandlung nicht mehr durchführbar. Des
Weiteren ergibt sich beim Auslagern das Problem, dass sich die Werkstücke
dabei möglicherweise verziehen, was ebenfalls unerwünscht
ist. Schließlich scheidet eine thermische Nachbehandlung
bei bereits ausgehärteten Materialien aus.
-
Außerdem
erweist es sich als Problem, dass die Aluminium-Werkstücke,
die verschweißt werden sollen, häufig aus einer
Aluminium-Legierung mit einer Beschichtung aus reinem Aluminium
bestehen, wobei die Beschichtung als "Opferanode" dient, um die
Aluminium-Legierung des Werkstücks vor Korrosion zu schützen.
Im Bereich der Schweißnaht wird diese Beschichtung durch
den Schweißprozess zerstört, sodass in diesem
Bereich auch die Wirkung der Opferanode verloren geht und die Aluminium-Legierung
der Werkstücke hier in verstärktem Maße
Korrosionsangriffen ausgesetzt ist. Außerdem wird der Bereich
der Schweißnaht durch das Einmischen des Materials der
Beschichtung unedler und damit einem erhöhten Korrosionsrisiko
ausgesetzt. Es wäre daher weiterhin wünschenswert,
wenn nach der Herstellung einer Schweißnaht an derartigen
Werkstücken auch im Bereich der Schweißnaht wieder
ein Opferanodenmaterial vorhanden wäre.
-
Daher
ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur
Nachbehandlung einer Schweißnaht bereitzustellen, durch
welches die Zugspannungen im Bereich der Schweißnaht vermindert werden.
-
Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe dadurch gelöst, dass auf die Schweißnaht
an einem Werkstück eine Deckschicht durch Kaltgasspritzen aufgebracht
wird.
-
Dabei
kann die Schweißnaht vor dem Aufbringen der Deckschicht
durch beliebige, aus dem Stand der Technik bekannte Schweißverfahren
gebildet werden, wobei insbesondere Gasschmelzschweißen,
Lichtbogenschweißen und Laserschweißen in Frage
kommen. Die Schweißnaht kann zum einen den Zweck erfüllen,
zwei Bauteile zu einem einzigen Werkstück zu verbinden,
oder zum anderen dazu dienen, Öffnungen in einem Werkstück
zu schließen.
-
Beim
Kaltgasspritzen wird pulverförmiges Material, aus dem die
Deckschicht gebildet wird, innerhalb einer Düse in einen
Gasstrahl gegeben, sodass die Partikel auf hohe Geschwindigkeiten,
typischerweise auf Geschwindigkeiten oberhalb der Schallgeschwindigkeit,
beschleunigt werden und damit eine hohe kinetische Energie erhalten.
Wenn die Partikel auf das zu beschichtende Werkstück bzw. die
Oberfläche der Schweißnaht auftreffen, bilden
sie eine dichte, fest haftende Schicht, da es aufgrund der hohen
kinetischen Energie und der daraus resultierenden Wärmefreigabe
beim Auftreffen auf das Werkstück zu einer Haftung der
Partikel untereinander und auch an dem Werkstück kommt.
Im Hinblick auf Details zum Kaltgasspritzen wird im Übrigen
auf die
DE 101 26
100 A1 verwiesen Durch den ständigen Aufprall
weiterer fester Partikel weisen kaltgasgespritzte Schichten nach
dem Aufbringen auf ein Werkstück Druckspannung auf. Außerdem
werden bei dem Beschichtungsprozess in das Werkstück selbst
Druckspannungen eingebracht.
-
Dadurch
ergibt sich die Möglichkeit, durch das Aufbringen einer
kaltgasgespritzten Schicht auf die Oberfläche einer zuvor
gebildeten Schweißnaht die Zugspannungen darin zu kompensieren
und damit die Festigkeit zu erhöhen. Auf diese Weise wird außerdem
die Neigung zur Rissbildung stark zu vermindert, sodass auf diese
Weise die Korrosionsbeständigkeit der Schweißnaht
verbessert wird.
-
Wenn
die Größe der beim Kaltgasspritzen verwendeten
Partikel zwischen 10 und 60 μm und vorzugsweise zwischen
20 und 45 μm liegt, hat es sich gezeigt, dass sich gute
Ergebnisse hinsichtlich der Reduzierung der Zugspannungen in der Schweißnaht
und dem Werkstück erzielen lassen.
-
Auch
wenn die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt
ist, so hat sich das erfindungsgemäße Verfahren
als besonders vorteilhaft in Hinblick auf Werkstücke herausgestellt,
deren Material Aluminium oder Aluminium-Legierungen umfasst. Es
ist aber auch möglich, dass das erfindungsgemäße
Verfahren bei Werkstücken aus Titan oder Titan-Legierungen
angewandt wird. Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße
Verfahren bei Werkstücken aus Stahl angewandt werden, wobei
insbesondere dann, wenn verzinkte Stahl-Werkstücke nachbehandelt werden,
es möglich ist, im Bereich der Schweißnaht die
ursprünglich guten Korrosionseigenschaften wiederherzustellen.
Weiterhin kann das Verfahren auch bei Kupfer und Kupferlegierungen
angewandt werden.
-
Um
die Korrosionsbeständigkeit der Schweißnaht weiter
zu verbessern, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn sich das
Material der Deckschicht anodisch zum Material der Schweißnaht verhält.
In diesem Fall wirkt die Deckschicht nicht nur den Zugspannungen
entgegen, sondern dient gleichzeitig als Opferanode in Bezug auf
die Schweißnaht, sodass das Material der Schweißnaht
keinen Angriffen durch Korrosion ausgesetzt ist.
-
In
weiter bevorzugter Weise kann das Material der Deckschicht ferner
so gewählt sein, dass es sich auch anodisch zu dem Material
des Werkstücks verhält und damit auch diesem gegenüber
als Opferanode wirkt. Bei einer derartigen Wahl des Materials der
Deckschicht können insbesondere die Eigenschaften wiederhergestellt
werden, die, sofern das Werkstück mit einer als Opferanode
ausgebildeten Beschichtung versehen ist, vor der Bildung der Schweißnaht
vorlagen.
-
Insbesondere
können die Materialen in der Weise gewählt werden,
dass das Material der Werkstücke eine Aluminium-Legierung
aufweist und die Deckschicht aus Aluminium besteht, wobei die Werkstücke
in weiter bevorzugter Weise auch eine Beschichtung aus Aluminium
aufweisen.
-
Im
Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung beschrieben,
die lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel darstellt.
In der Zeichnung zeigt
-
1 schematisch
den Aufbau einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
In 1 ist
ein Werkstück 1 mit einer Schweißnaht 3 gezeigt,
wobei die Schweißnaht 3 durch bekannte Schweißverfahren
gebildet sein kann, beispielsweise Gasschmelzschweißen,
Lichtbogenschweißen und Laserschweißen. Bei dem
Material des Werkstücks 1 handelt es sich in dem
hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel um eine
Aluminium-Legierung, wobei auf dem Werkstück 1 noch
eine Beschichtung 5 aus reinem Aluminium vorhanden ist,
die als Opferanode dient und im Bereich der Schweißnaht 3 aufgrund
des Schweißprozesses unterbrochen ist. Die Dicke des Werkstücks 1 kann
in dem hier beschriebenen Beispiel zwischen 0,5 und 10 mm liegen,
und die Beschichtung 5 kann mehrlagig ausgebildet sein.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es aber
auch denkbar, dass Werkstücke aus Kupfer oder aus Titan
sowie Titan- oder Kupfer-Legierungen verwendet werden. Es ist aber
auch möglich Werkstücke aus Stahl zu verwenden,
wobei insbesondere dann, wenn verzinkte Stahl-Werkstücke
nachbehandelt werden, es möglich ist, im Bereich der Schweißnaht
die ursprünglich guten Korrosionseigenschaften wiederherzustellen.
-
Das
Material der Schweißnaht 3 ist aufgrund des Schweißprozesses
aus dem Material des Werkstücks 1 selbst und dem
der Beschichtung 5 gebildet und damit unedler als das Werkstück-Material.
Dadurch ist die Schweißnaht 3 zunächst
korrosionsanfälliger als das übrige Werkstück 1.
Des weiteren steht die Schweißnaht 3 und der zu
ihr benachbarte Bereich des Werkstücks 1 vor der
Beschichtung unter Zugspannungen, sodass die Festigkeit und auch die
Korrosionsbeständigkeit, wie eingangs erläutert, hier
vermindert sind (siehe Pfeile 7).
-
Zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird das Werkstück 1 in einem Abstand zwischen
10 und 60 mm vor einer Kaltgasspritzdüse 9 angeordnet,
die hier nur schematisch dargestellt ist.
-
In
der Kaltgasspritzdüse 9 werden Partikel mit einer
Größe zwischen 10 und 60 μm und vorzugsweise
zwischen 20 und 45 μm in einem Gasstrom 11 typischerweise
auf Geschwindigkeiten oberhalb der Schallgeschwindigkeit beschleunigt.
Bei dem Material der Partikel handelt es sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel
um Aluminium, und als Prozessgas wird Stickstoff verwendet, wobei
das Prozessgas vorgeheizt werden kann und einen Druck zwischen 5
bis 60 bar und bevorzugt zwischen 20 bis 40 bar hat.
-
Die
Partikel in dem Gasstrom 9 treffen in dem Bereich der Schweißnaht 3 auf
das Werkstück 1 und bilden über der Schweißnaht 3 eine
Deckschicht 13. Dabei hat der Gasstrom 9 einen
typischen Durchmesser von 2 bis 10 mm, sodass bevorzugt mehrfach in
Zeilen über den Bereich der Schweißnaht 3 gefahren
wird, um die Deckschicht 13 aus reinem Aluminium mit einer
Dicke von 0,05 bis 10 mm auf den Bereich der Schweißnaht 3 aufzubringen.
-
Das
erfindungsgemäße Aufbringen der Deckschicht 13 auf
die Schweißnaht 5 mittels Kaltgasspritzens führt
dazu, dass es aufgrund der hohen kinetischen Energie der Partikel
und der daraus resultierenden Wärmefreigabe beim Auftreffen
auf das Werkstück 1 zu einer Haftung der Partikel
untereinander in der Deckschicht 13 und an dem Werkstück 1 kommt.
Außerdem werden am Anfang des Beschichtungsprozesses in
das Werkstück 1 selbst Druckspannungen eingebracht,
durch die die nach dem Schweißen vorhandenen Zugspannungen 7 kompensiert
werden. Danach werden u. a. durch den ständigen Aufprall
weiterer fester Partikel in der Deckschicht 13 Druckspannungen
(Pfeil 15) aufgebaut.
-
Dadurch
ergibt sich die Möglichkeit, durch das Aufbringen einer
kaltgasgespritzten Deckschicht 13 auf die Oberfläche
einer zuvor gebildeten Schweißnaht 3 die Zugspannungen 7 darin
zu kompensieren und damit die Festigkeit zu erhöhen. Auf diese
Weise wird außerdem die Neigung zur Rissbildung stark zu
vermindert, sodass auf diese Weise auch die Korrosionsbeständigkeit
der Schweißnaht 3 verbessert wird.
-
Da
die Deckschicht 13 in dem hier beschriebenen bevorzugten
Ausführungsbeispiel aus reinem Aluminium besteht, verhält
sich die Deckschicht 13 anodisch sowohl zu den Werkstücken 1 als
auch zu der Schweißnaht 3, sodass auch auf diesem
Wege die Korrosionsbeständigkeit des geschweißten Werkstücks
verbessert wird.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-