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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen Aufbringen
einer Schutzschicht auf eine Schweißnaht eines aus verzinktem
Stahlblech hergestellten Produkts nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Verzinktes
Stahlblech erfreut sich ungebrochener Beliebtheit bei der Herstellung
verschiedenster Produkte, da durch die Zinkschicht ein wirksamer Rostschutz
des Stahlblechs gewährleistet ist. Je nach den erforderlichen
Umform- bzw. Fügeverfahrensschritten kann es während
des Herstellungsprozesses eines aus verzinktem Stahlblech hergestellten
Produkts jedoch zu einer Verletzung der Zinkschicht kommen. In diesem
Zusammenhang stellt insbesondere das Schweißen von verzinktem
Stahlblech ein Problem dar. Aufgrund des relativ niedrigen Siedepunktes
von Zink bei ungefähr 900°C, verdampft das Zink
im Bereich der Schweißnaht während des Schweißvorganges,
da zum Schweißen von Stahl weitaus höhere Temperaturen
erforderlich sind. Beim Verdampfen des Zinks entstehen zudem gefährliche
Zinkspritzer, durch die die Randbereiche der Schweißnaht
verunreinigt werden. Die zu verschweißenden verzinkten
Stahlbleche werden deshalb üblicherweise im Bereich der
späteren Schweißnaht von der Zinkschicht befreit.
In jedem Fall weist das hergestellte Produkt im Bereich der Schweißnaht keine
Zinkschutzschicht mehr auf.
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Aus
AT 004739 U1 ist
ein Verfahren bekannt, mit dem die im Bereich der Schweißnaht
entstandene Lücke der Zinkschutzschicht geschlossen werden kann.
Dazu wird ein Plasmastrahl bei gleichzeitiger kontinuierlicher Zuführung
von Zink entlang der Schweißnaht geführt. Der
Plasmastrahl erwärmt sowohl die Schweißnaht als
auch das zugeführte Zink auf die Schmelztemperatur des
Zinks, so dass sich das zugeführte Zink verflüssigt,
die Schweißnaht benetzt und sich mit dem Zink der angrenzenden
Zinkschutzschicht verbindet. Im Ergebnis liegt eine durchgehende
Zinkschutzschicht vor, durch die der Korrosionsschutz des darunterliegenden
Stahls gewährleistet ist.
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Bei
diesem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zum Aufbringen
einer Schutzschicht ergeben sich jedoch folgende Probleme. Die Schmelztemperatur
von Zink ist zwar sehr viel geringer als die von Stahl, jedoch noch
ausreichend hoch, dass durch die Erwärmung der Schweißnaht
sowie deren Umgebung durch den Plasmastrahl ein Verzug des hergestellten
Produkts auftritt. Zum anderen muss zum Schließen der Schutzschicht
relativ viel Zink zugeführt und gleichzeitig auf Schmelztemperatur
erwärmt werden. Der damit ver bundene erforderliche Wärmeübertrag
limitiert das Verfahren in seiner Schnelligkeit. Beide Nachteile
wiegen besonders schwer bei der Herstellung von aus verzinktem Stahlblech
hergestellten Endlosprofilen, die an einer oder mehreren Stellen
entlang des Profils eine Längsschweißnaht aufweisen.
Zu diesen Profilen zählen neben weitaus komplexeren Profilen
die bekannten geschweißten T-Profile sowie geschweißte
Hohlprofile aller Art, insbesondere längsverschweißte
Rohre.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zum Aufbringen
einer aus einem Zusatzmaterial bestehenden Schutzschicht auf eine
Schweißnaht eines aus verzinktem Stahlblech hergestellten
Produkts anzugeben, mit dem die aus dem Stand der Technik bekannten
Nachteile umgangen werden, und das insbesondere eine höhere
Verfahrensgeschwindigkeit erlaubt sowie zu einem geringeren Verzug
der hergestellten Produkte führt.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch die Merkmale des
Anspruchs 1. Demnach liegt dann eine erfindungsgemäße
Lösung der Aufgabe vor, wenn das hergestellte Produkt ein
Profil ist, als Zusatzmaterial eine Zinnlegierung verwendet wird,
deren Schmelztemperatur unter der Schmelztemperatur von Zink liegt,
und alle Füge- bzw. Umformverfahrensschritte der Profilherstellung
bereits vor dem Aufbringen der Zinnlegierung erfolgt sind. Zinn
und Zinnlegierungen haben eine wesentlich geringere Schmelztemperatur
als Zink oder Zinklegierungen. Dadurch muss durch den zur Beschichtung
verwendeten Plasmastrahl wesentlich weniger Wärme zugeführt
werden, um die Zinnlegierung und die Schweißnaht auf die
Schmelztemperatur der Zinnlegierung zu erwärmen, als es
bei der Verwendung von Zink als Zusatzmaterial der Fall ist. Unter
Verwendung des gleichen Plasmastrahls lässt sich bei Verwendung
einer Zinnlegierung anstatt von Zink eine wesentlich höhere
Verfahrensgeschwindigkeit bei der Herstellung von geschweißten
Profilen erzielen. Durch die höhere Verfahrensgeschwindigkeit
steigt die Produktivität bei gleichzeitiger Kostensenkung.
Eine Zinnbeschichtung stellt genauso wie eine Zinkbeschichtung eine
wirksame Schicht gegen Korrosion eines Stahlblechs dar. Jedoch ist
der Korrosionsschutz einer Zinnschutzschicht weitaus anfälliger
gegen eine Verletzung der Schutzschicht als der Korrosionsschutz einer
Zinkschutzschicht. Der Grund dafür ist, dass Zink eher
mit Sauerstoff reagiert als Eisen, und Eisen eher mit Sauerstoff
reagiert als Zinn. Entsteht in der Zinkschicht eines verzinkten
Stahlblechs ein kleines Loch, so „opfert” sich
das Zink, dass die beschädigte Stelle umgibt, und geht
eine Verbindung mit dem Luftsauerstoff ein. Durch die Reaktionsprodukte
entsteht über der beschädigten Stelle eine neue
Schutzschicht. Man nennt diesen Effekt den kathodischen Schutz.
Da Zinn gegenüber Eisen das edlere Metall ist, besteht
dieser Schutz bei einer Zinnschutzschicht nicht. Wird die Zinnschutzschicht
eines Stahlblechteils derart stark beschädigt, dass das
darunterliegende Stahlblech lokal freiliegt, so ist der Korrosionsschutz
an dieser Stelle nicht mehr gewährleistet. Es kommt zum
sogenannten Lochfraß. Eine Beschädigung der Zinnschutzschicht
muss deshalb verhindert werden. Da eine Verletzung der Zinnschutzschicht insbesondere
bei Füge- bzw. Umformverfahrensschritten auftreten kann,
ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass alle Füge-
bzw. Umformverfahrensschritte der Profilherstellung bereits vor
dem Aufbringen der Zinnlegierung erfolgen. Nach dem Aufbringen der
Zinnlegierungsschutzschicht kann noch eine Beschichtung, beispielsweise
eine Pulverbeschichtung, vorgenommen werden. Eine derartige Beschichtung
erfolgt zum einen aus ästhetischen Gesichtspunkten, zum
anderen wird der Korrosionsschutz dadurch weiter verbessert.
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Weitere
Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Demnach
wird als Zinnlegierung vorzugsweise niedrig legiertes Zinn eingesetzt.
Auch kann reines Zinn zum Einsatz kommen. Die für die Beschichtung eines
Stahlblechs erforderlichen Werkstoffeigenschaften der Zinnbeschichtung,
wie Duktilität usw., werden in der Regel mit niedriglegiertem
Zinn erreicht.
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Vorteilhafterweise
ist der bei der Beschichtung zum Einsatz kommende Plasmastrahl von
einer Schutzgashülle umgeben. Die Schutzgashülle
wird durch das Einblasen eines Schutzgases, z. B. Argon oder Helium,
erzeugt und verhindert, dass die zugeführte verflüssigte
Zinnlegierung und der durch den Plasmastrahl erwärmte Bereich
der Schweißnaht mit dem Luftsauerstoff in Verbindung kommen.
Größe und Form der Schutzgashülle können
an die Schweißnaht angepasst werden.
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Alternativ
oder zusätzlich dazu ist es von Vorteil, wenn mit der Zinnlegierung
gleichzeitig Flussmittel zugeführt wird. Durch das Flussmittel
werden eventuell auf der Oberfläche der Schweißnaht
befindliche Oxide aufgelöst und abtransportiert, gleichzeitig
verhindert auch die Benetzung der Schweißnahtoberfläche
durch das Flussmittel, dass Schweißnaht und Zinnlegierung
mit dem Luftsauerstoff in Berührung kommen.
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Vorzugsweise
wird die Zinnlegierung als kontinuierlich zugeführter Draht
zugeführt.
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Als
besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Zinnlegierung
als Pulver zugeführt wird. Dadurch kann eine sehr gleichmäßige
Verteilung des Zinns bzw. der Zinnlegierung auf der Oberfläche
der Schweißnaht erreicht werden. Außerdem kann
das Pulver durch den Plasmastrahl sehr leicht auf die Schmelztemperatur
gebracht werden. Hierbei ist es von besonderem Vorteil, wenn das
Pulver als Paste zugeführt wird, die neben dem Zinnlegierungspulver
auch Flussmittel enthält. Dadurch wird eine optimale Verteilung
von Flussmittel und Zinnlegierung erreicht. Die aus Flussmittel
und Zinnlegierungspulver bestehende Paste wird vorzugsweise durch
ein Röhrchen zugeführt. Somit kann der für den
kontinuierlichen Beschichtungsprozess notwendige Massenstrom an
Flussmittel und Zinnlegierung konstant gehalten werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform werden sowohl die Schweißnaht
als auch die zugeführte Zinnlegierung durch den Plasmastrahl
erwärmt. Dazu wird die in Stabform, als Granulat, Pulver,
Draht oder Paste vorliegende Zinnlegierung in einen Bereich auf
der Schweißnaht zugeführt, der zum Zeitpunkt der
Zuführung unter direkter Einwirkung des Plasmastrahls steht
und von diesem erwärmt wird. Die Zuführung der
Zinnlegierung erfolgt somit in den Plasmastrahl hinein. Der durch
die verflüssigte Zinnlegierung zu benetzende Bereich der
Schweißnaht und die zugeführte Zinnlegierung selbst
können somit gleichzeitig auf die Schmelztemperatur der
Zinnlegierung gebracht werden. Ein Vorteil dieser Vorgehensweise
ist, dass die Schweißnaht und damit das hergestellte Profil
nur geringe Arbeitstemperaturen erfahren und somit ein Verzug des
hergestellten Profils nahezu ausgeschlossen wird, da die Schweißnaht
lediglich auf bzw. geringfügig über die Schmelztemperatur
der Zinnlegierung erwärmt werden muss, damit eine optimale
Benetzung der Schweißnaht durch die Zinnlegierung erreicht
wird. Die geringe notwendige Erwärmung ermöglicht
zudem ein sehr schnelles Beschichtungsverfahren.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens erfolgt die Zuführung der Zinnlegierung nicht
in den Plasmastrahl hinein, sondern in unmittelbarer Nähe
zum Plasmastrahl, nachdem die Schweißnaht an dieser Stelle
bereits durch den Plasmastrahl erwärmt wurde. Die Schweißnaht
muss hierzu auf eine Temperatur erwärmt werden, die über
der Schmelztemperatur der Zinnlegierung liegt, so dass die Zinnlegierung beim
Auftreffen auf die Schweißnaht schmilzt und die Schweißnaht
benetzt. Die Erwärmung der Schweißnaht auf eine über
der Schmelztemperatur der Zinnlegierung liegende Temperatur ist
notwendig, damit die Schweißnaht genügend Wärme
an die zugeführte Zinnlegierung abgeben kann, um diese
zum Schmelzen zu bringen. Diese Vorgehensweise empfiehlt sich besonders
bei Zuführung einer Zinnlegierungs-Flussmittelpaste durch
ein Röhrchen, um das Röhrchen vor der Hitzeinwirkung
des Plasmastrahls zu schützen. Plasmastrahl und Röhrchen
sind dazu leicht voneinander beabstandet.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird die Schweißnaht so stark erwärmt,
dass die Zinkschicht des verzinkten Stahlblechs am Rande der Schweißnaht
schmilzt und zumindest in einem Übergangsbereich eine Zinn-Zinklegierung
mit der zugeführten Zinnlegierung eingeht. Dadurch wird
ein homogener Übergang zwischen der Zinkschicht des verzinkten Stahlblechs
und der Zinnschicht über der Schweißnaht erzeugt.
Dies verbessert einerseits die Haftung der Zinnschicht im Randbereich
der Schweißnaht, zum anderen wird dadurch auch der Korrosionsschutz
durch den Zinkanteil im Randbereich der Zinnschicht verbessert.
Durch geeignet starke Erwärmung und geeignete Prozessführung
kann erreicht werden, dass ein gewisser Zinkanteil durch Diffusionsprozesse
auch mittig über der Schweißbahn gegeben ist.
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Um
den Verzug des hergestellten Profils so gering wie möglich
zu halten, wird die Schweißnaht jedoch nur so stark erwärmt,
dass die flüssige Zinnlegierung die Schweißnaht
vollständig benetzen kann, wobei die Schmelztemperatur
der Zinkschicht am Rande der Schweißnaht nicht erreicht
wird. Dazu muss die Schweißnaht in der Regel geringfügig über die
Schmelztemperatur der Zinnlegierung erwärmt werden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt das
Aufbringen der Zinnlegierung unmittelbar nach Erstellung der Schweißnaht.
Ein endlos hergestelltes Profil wird dazu unter einem Schweißgerät
und einem nachgeschalteten Plasmastrahlgerät zur Aufbringung
der Zinnlegierungsschutzschicht vorbeigeführt. Schweißgerät
und Plasmastrahlgerät sind mechanisch miteinander gekoppelt.
Das Schweißen des Profils und das Aufbringen der Zinnlegierung
erfolgt somit in einem gemeinsamen Arbeitsschritt.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen
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1 einen
Querschnitt durch eine Schweißnaht, die mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren mit einer Schutzschicht aus einer Zinnlegierung versehen
wird und
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2 einen
mittig durch die Schweißnaht verlaufenden Längsschnitt
durch die Schweißnaht aus 1 während
des Aufbringens der Zinnlegierung.
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Für
die weiteren Ausführungen gilt: Sind in einer Figur Bezugszeichen
enthalten, die in der zugehörigen Figurenbeschreibung nicht
weiter erwähnt sind, so wird auf deren Erläuterung
in vorangehenden Figurenbeschreibungen Bezug genommen.
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1 zeigt
einen Querschnitt durch eine Schweißnaht 3 eines
endlos aus Stahlblech 1 hergestellten Profils. Das verwendete
Stahlblech 1 ist verzinkt und weist deshalb auf seiner
Oberseite eine Zinkschicht 2 auf. Im dargestellten Fall
ist das Stahlblech 1 nur einseitig verzinkt, das erfindungsgemäße Verfahren
eignet sich jedoch auch für zweiseitig verzinktes Stahlblech.
Die Zinkschicht 2 des verzinkten Stahlblechs 1 wurde
bis zu einem gewissen Abstand von der späteren Schweißnaht 3 entfernt,
um eine Verdampfung der Zinkschicht bzw. die Entstehung von Zinkspritzern
während des Schweißvorgangs zu verhindern. Zum
Aufbringen einer Schutzschicht aus einer Zinnlegierung wird ein
Plasmastrahl 5 entlang der Schweißnaht 3 bzw.
die Schweißnaht 3 unter einem feststehenden Plasmastrahl 5 entlang
geführt. Dabei erwärmt der Plasmastrahl 5 die
Schweißnaht 3 auf eine über der Schmelztemperatur
der zugeführten Zinnlegierung liegende Temperatur. Wie
in 2 zu erkennen ist, wird nach der Erwärmung
der Schweißnaht 3 durch den Plasmastrahl 5 eine
aus Zinnlegierungspulver und Flussmittel bestehende Paste 7 durch
ein Röhrchen 6 auf die Schweißnaht zugeführt.
Die Zuführung erfolgt in unmittelbarer Nähe zum
Plasmastrahl 5. Durch den Wärmeübergang
von der erwärmten Schweißnaht 3 zur zugeführten
Zinnlegierungs-Flussmittelpaste wird die zugeführte Zinnlegierung
beim Auftreffen auf die Schweißnaht 3 erschmolzen
und verteilt sich gleichmäßig über der
Schweißnaht 3 und den unmittelbar an die Schweißnaht 3 angrenzenden
Bereich des verzinkten Stahlblechs 1. In 1 ist
die entstandene Schutzschicht 4 unter dem Plasmastrahl 5 zu
erkennen. Die über der Schweißnaht 3 liegende Schutzschicht 4 überlappt
die Zinkschicht 2 des verzinkten Stahlblechs 1 über
eine gewisse Breite. Die Breite der Überlappung wird über
die Erwärmung der Schweißnaht 3 sowie über
den Massenstrom der zugeführten Zinnlegierungs-Flussmittelpaste 7 gesteuert.
In 2 ist ferner zu erkennen, dass das in der Paste 7 enthaltene
Flussmittel auf der Zinnlegierung aufschwimmt und somit eine Flussmittelschicht 8 auf der
aus der Zinnlegierung bestehenden Schutzschicht 4 bildet.
Die Flussmittelschicht 8 kann nach Erkalten der Flussmittelschicht 8 und
der Schutzschicht 4 problemlos entfernt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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