DE102016000138A1

DE102016000138A1 - Warmdraht-Laserplattierungsprozess und Verbrauchsmaterialien, die in diesem Prozess verwendet werden

Info

Publication number: DE102016000138A1
Application number: DE102016000138.0A
Authority: DE
Inventors: Dennis K. Hartman
Original assignee: Lincoln Global Inc
Current assignee: Lincoln Global Inc
Priority date: 2015-01-09
Filing date: 2016-01-11
Publication date: 2016-07-14
Also published as: JP2016128190A; CN105772982A; US20160199939A1; KR20160086281A

Abstract

Die im vorliegenden Text beschriebene Erfindung betrifft allgemein einen verbesserten Prozess auf dem Gebiet der Warmdraht-Laserplattierung, wobei die Verbesserung umfasst, der Elektrode erhöhte Mengen eines desoxidierenden Metalls beizumengen, wobei das desoxidierende Metall aus der Gruppe bestehend aus mindestens einem von Al, Ti, Si, Mn und Zr ausgewählt ist, wobei die Zugabe der erhöhten Menge des desoxidierenden Metalls die Plattierungsrate um mindestens 10–30% erhöht.

Description

Priorität
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/101,511, eingereicht am 9. Januar 2015, die hiermit durch Bezugnahme in vollem Umfang in den vorliegenden Text aufgenommen wird.
Technisches Gebiet
Die im vorliegenden Text beschriebene Erfindung betrifft allgemein einen verbesserten Prozess auf dem Gebiet der Warmdraht-Laserplattierung und insbesondere der Laserplattierung auf Rohren/Röhren oder gekrümmten Oberflächen.
Hintergrund der Erfindung
Plattieren ist ein weithin verwendeter Prozess, der in den verschiedensten Branchen verwendet wird, um die Oberflächen- und oberflächennahen Eigenschaften (zum Beispiel Verschleiß-, Korrosions- oder Wärmefestigkeit) eines Teils zu verbessern oder die Oberfläche einer Komponente zu regenerieren, die durch Gebrauch verschlissen ist. Plattieren beinhaltet insbesondere die Ausbildung einer neuen Oberflächenschicht, die eine andere Zusammensetzung als das Basismaterial hat.
Die Plattierungstechnologien lassen sich allgemein in drei Kategorien unterteilen: Lichtbogenschweißen; thermisches Sprühen; und lasergestützte Verfahren. Jedes dieser Verfahren hat Vorteile und Einschränkungen.
Die Laserplattierung ähnelt konzeptuell den Lichtbogenschweißverfahren, aber der Laser wird dafür verwendet, die Oberfläche des Substrats und des Plattierungsmaterials zu schmelzen, das in Draht-, Streifen- oder Pulverform vorliegen kann. Die Laserplattierung wird üblicherweise mit CO₂-Lasern, verschiedenen Arten von Nd:YAG-Lasern und neuerdings mit Faserlasern ausgeführt.
Die Laserplattierung erbringt in der Regel eine hochwertige Plattierung, d. h. eine Plattierung mit geringer Verdünnung, geringer Porosität und guter Oberflächengleichmäßigkeit. Die Laserplattierung erzeugt eine minimale Wärmezufuhr in das Teil, was weitestgehend ein Verziehen und die Notwendigkeit einer Nachbearbeitung beseitigt und den Verlust von legierenden Elementen oder ein Härten des Basismaterials vermeidet. Außerdem führt das rasche natürliche Abschrecken, das sich beim Laserplattieren vollzieht, zu einer feinkörnigen Struktur in der Plattierungsschicht.
Ein beispielhafter Laserplattierungsprozess kombiniert vorgewärmten Gas-Metall-Lichtbogenschweiß („GMAW”)-Draht mit einem mehrere Kilowatt starken Festkörper-Faserzuleitungslaser. Eine programmierbare GMAW-Stromquelle kann dafür verwendet werden, nur den Draht zu erwärmen, und die Elektrizität wird kurzgeschlossen, um einen traditionellen Lichtbogen zu verhindern. Die Stromquelle kann Software verwenden, die die Erwärmungsleistung mit der Lasersteuerung synchronisiert. Der vorgewärmte Draht, der in einem spezifizierten Winkel zu dem Laserstrahl zugeführt wird, reduziert die Leistungsanforderungen seitens des Lasers, die gerade ausreichen muss, um die Plattierung aufzutragen und sie fließen zu lassen, aber nicht so viel, dass eine übermäßige Verdünnung eintritt. Das Ergebnis ist ein Plattierungsprozess mit ähnlichen Verdünnungseigenschaften wie eine Pulverlaserplattierung und mit den Vorteilen der Verwendung eines Drahtes, einschließlich Positionsabweichungsfähigkeit.
Jedoch waren selbst mit den oben genannten Vorteilen die Abscheidungsraten für zylindrische Rohre/Röhren beschränkt, und in der Plattierungsindustrie ist die Fähigkeit, Plattierungsmaterial mit schnelleren Raten abzuscheiden, sehr wichtig.
Kurzdarstellung der Erfindung
Diese Erfindung löst das oben beschriebene Problem durch ein Plattierungsverbrauchsmaterial nach Anspruch 1, ein Laserplattierungsverbrauchsmaterial nach Anspruch 8 oder ein Verfahren nach Anspruch 9. Bevorzugte Ausführungsformen können der Beschreibung, den Zeichnungen und/oder den abhängigen Ansprüchen entnommen werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Prozess zum Erhöhen der Plattierungsgeschwindigkeit eines Schweißdrahtes mit hohem Nickelgehalt bereitgestellt, der die AWS ERNiCrMo-10-Standards erfüllt und weniger als 0,03 Gewichts-% Al enthält, wobei die Verbesserung Folgendes umfasst: Hinzufügen von zusätzlichem Al zu dem Schweißdraht, so dass die Gesamtmenge an Al mindestens 0,05 Gewichts-% Al beträgt, wobei der Prozess des Weiteren umfasst, die Drehzahl eines zu plattierenden Substrats um mindestens 10% im Vergleich zu dem Prozess zu erhöhen, der einen Schweißdraht verwendet, der die AWS ERNiCrMo-10-Standards erfüllt und weniger als 0,03 Gewichts-% Al enthält.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Prozess bereitgestellt, um die Plattierungsgeschwindigkeit eines Schweißdrahtes mit hohem Nickelgehalt, der die AWS ERNiCrMo-10-Standards erfüllt und weniger als 0,03 Gewichts-% Al enthält, zu erhöhen, wobei die Verbesserung Folgendes umfasst: Hinzufügen von zusätzlichem Al zu dem Schweißdraht, so dass die Gesamtmenge an Al mindestens 0,10 Gewichts-% Al beträgt, wobei der Prozess des Weiteren umfasst, die Drehzahl eines zu plattierenden Substrats um mindestens 15% im Vergleich zu dem Prozess zu erhöhen, der einen Schweißdraht verwendet, der die AWS ERNiCrMo-10-Standards erfüllt und weniger als 0,03 Gewichts-% Al enthält.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Prozess bereitgestellt, um die Plattierungsgeschwindigkeit eines Schweißdrahtes mit hohem Nickelgehalt, der die AWS ERNiCrMo-10-Standards erfüllt und weniger als 0,03 Gewichts-% Al enthält, zu erhöhen, wobei die Verbesserung Folgendes umfasst: Hinzufügen von zusätzlichem Al zu dem Schweißdraht, so dass die Gesamtmenge an Al mindestens 0,15 Gewichts-% Al beträgt, wobei der Prozess des Weiteren umfasst, die Drehzahl eines zu plattierenden Substrats um mindestens 20% im Vergleich zu dem Prozess zu erhöhen, der einen Schweißdraht verwendet, der die AWS ERNiCrMo-10-Standards erfüllt und weniger als 0,03 Gewichts-% Al enthält.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Prozess bereitgestellt, um die Plattierungsgeschwindigkeit eines Schweißdrahtes mit hohem Nickelgehalt, der die AWS ERNiCrMo-10-Standards erfüllt und weniger als 0,03 Gewichts-% Al enthält, zu erhöhen, wobei die Verbesserung Folgendes umfasst: Hinzufügen von zusätzlichem Al zu dem Schweißdraht, so dass die Gesamtmenge an AI mindestens 0,15 Gewichts-% Al beträgt, wobei der Prozess des Weiteren umfasst, die Drehzahl eines zu plattierenden Substrats um mindestens 30% im Vergleich zu dem Prozess zu erhöhen, der einen Schweißdraht verwendet, der die AWS ERNiCrMo-10-Standards erfüllt und weniger als 0,03 Gewichts-% Al enthält.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Prozess bereitgestellt, um die Plattierungsgeschwindigkeit eines Schweißdrahtes mit hohem Nickelgehalt, der die AWS ERNiCrMo-10-Standards erfüllt und weniger als 0,03 Gewichts-% Al enthält, zu erhöhen, wobei die Verbesserung Folgendes umfasst: Hinzufügen von zusätzlichen desoxidierenden Metallen zu dem Schweißdraht, so dass die Gesamtmenge an desoxidierendem Metall in mindestens einem von Al, Ti, Si, Mn und Zr mindestens 10% höher ist als in den Spezifikationen für eine Elektrode nach dem AWS ERNiCrMo-10-Standard, und wobei die Schweißelektrode weniger als 0,10 Gewichts-% Al, 0,015 Gewichts-% Ti, 0,01 Gewichts-% Si, 0,14 Gewichts-% Mn und 0,001 Gewichts-% Zr enthält, wobei der Prozess des Weiteren umfasst, die Drehzahl eines zu plattierenden Substrats um mindestens 20% im Vergleich zu dem Prozess zu erhöhen, der einen Schweißdraht verwendet, der die AWS ERNiCrMo-10-Standards erfüllt und weniger als 0,03 Gewichts-% Al enthält.

In einer speziellen Ausführungsform wird ein Prozess bereitgestellt, um die Plattierungsgeschwindigkeit eines Schweißdrahtes mit hohem Nickelgehalt, der die AWS ERNiCrMo-10-Standards erfüllt und weniger als 0,03 Gewichts-% Al enthält, zu erhöhen, wobei die Verbesserung einen Schweißdraht umfasst, der die folgenden Gewichtsprozente von Elementen enthält:

	Techalloy^® 622-Spezifikationen AWS ERNiCrMo-10	Techalloy^® 622 typische Zusammensetzung	Techalloy^® 622 neu formulierte Zusammensetzung
% C	0,015% max.	0,009%	0,011%
% Mn	0,01%	0,21%	0,14%
% Fe	2,0–6,0%	4,56%	4,42–4,59%
% P	0,02% max.	0,002%	0,003–0,004%
% S	0,010% max.	0%	0%
% Si	0,08% max.	0,03%	0,01%
% Cu	0,50% max.	0,002%	0,002%
% Ni	Rest	56,40%	56,52–57,05%
% Co	2,50% max.	0,027%	0,062–0,065%
% Cr	20,0–22,5%	21,81%	21,28–21,50%
% Mo	12,5–14,5%	13,6%	13,4–13,8%
% V	0,35% max.	0,027%	0,023–0,024%
% W	2,5–3,5%	3,22%	3,31%
% Sonstige	0,50% max.	Rest	Rest
% Al	-	0,022%	0,154–0,157%

Der Prozess kann des Weiteren enthalten, die Drehzahl eines zu plattierenden Substrats um mindestens 20% im Vergleich zu dem Prozess zu erhöhen, der einen Schweißdraht verwendet, der die AWS ERNiCrM0-10-Standards erfüllt und weniger als 0,03 Gewichts-% Al enthält.
Diese und weitere Aufgaben von Ausführungsformen dieser Erfindung werden offenbar, wenn sie im Licht der Zeichnungen, der detaillierten Beschreibung und der beigefügten Ansprüche betrachtet werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die obigen und/oder weitere Aspekte der Erfindung werden anhand der ausführlichen Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen verständlicher, in denen Folgendes dargestellt ist:
1 ist eine schaubildhafte Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform eines Systems der vorliegenden Erfindung; und
2 ist eine schaubildhafte Darstellung einer weiteren Ansicht eines Plattierungsprozesses von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Es werden nun beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beiliegenden Figuren beschrieben. Die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen sollen das Verstehen der Erfindung unterstützen und sind nicht dafür gedacht, den Schutzumfang der Erfindung in irgendeiner Weise einzuschränken. Gleiche Bezugszahlen beziehen sich stets auf gleiche Elemente.
Es ist anzumerken, dass die folgende Besprechung und Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung im Kontext der Plattierung eines Rohres/einer Röhre oder einer gekrümmten Oberfläche erfolgt. Jedoch können andere beispielhafte Ausführungsformen auf alle Arten von zu plattierenden Oberflächen angewendet werden, und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind nicht in dieser Hinsicht beschränkt. Des Weiteren konzentrieren sich die folgenden Besprechungen auf beispielhafte Ausführungsformen, die einen Laser verwenden, um Wärme für den Plattierungsvorgang bereitzustellen. Jedoch können in anderen beispielhaften Ausführungsformen auch andere Wärmequellen verwendet werden. Es ist außerdem anzumerken, dass die Verweise im vorliegenden Text auf Gewichtsprozente bestimmter Elemente oder Zusammensetzungen Gewichtsprozente der gesamten Elektrode oder des gesamten Verbrauchsmaterials sind.
Wir wenden uns nun 1 zu, wo ein beispielhaftes Plattierungssystem 100 der vorliegenden Erfindung gezeigt ist. Das gezeigte System 100 ist ähnlich aufgebaut wie bekannte Laserplattierungssysteme. Das System 100 enthält eine Drahtzufuhrvorrichtung 110, die einen Draht/ein Verbrauchsmaterial 101 von einer Drahtquelle 115 zuführt, um den Draht 101 dem Plattierungsvorgang zuzuführen. Eine Stromversorgung 120 ist mit der Drahtzufuhrvorrichtung 110 mindestens für Steuerungs- oder Kommunikationszwecke gekoppelt. In einigen beispielhaften Ausführungsformen wird die Stromversorgung 120 dafür verwendet, ein Erwärmungssignal an die Drahtzufuhrvorrichtung 110 und/oder an eine Kontaktspitze 125 auszusenden, um ein Erwärmungssignal in den Plattierungsdraht 101 einzuspeisen, wobei das Erwärmungssignal so gesteuert wird, dass kein Lichtbogen entsteht. Das Erwärmungssignal ist ein Stromsignal, das den Draht 101 während des Plattierungsprozesses erwärmt, um die Abscheidung des Drahtes 101 zu unterstützen. In anderen beispielhaften Ausführungsformen kann ein kalter Draht ohne Stromversorgung 120 verwendet werden, und der Draht wird mittels des Lasers geschmolzen. Das Erwärmungssignal von der Stromversorgung 120 kann von der Kontaktspitze 125 durch das Werkstück W und zurück zu der Stromversorgung 120 gerichtet werden (wie gezeigt), oder der Strom kann einfach durch die Kontaktspitze 125 geleitet werden, um den Draht 101 mittels Widerstand in der Kontaktspitze 125 so zu erwärmen, dass kein Strom durch das Werkstück W geleitet wird. Wie dem Fachmann allgemein klar ist, wird die Kontaktspitze 125 so positioniert, dass sie den Plattierungsdraht 101 in einem Winkel in den Plattierungsvorgang einleitet und den Draht in die schmelzflüssige Pfütze hinein abscheidet.
Das System 100 enthält außerdem eine Laserstromversorgung 150, die einen Laser 155 innerhalb einer Brennerbaugruppe 160 mit Strom versorgt. Die Brennerbaugruppe 160 enthält den Laser 155, der einen Laserstrahl 156 auf die Oberfläche des Werkstücks W richtet, und eine Düse 165, die ein Schutzgas auf die Oberfläche des Werkstücks W richtet, um den Plattierungsvorgang abzuschirmen. In einem Plattierungsvorgang wird der Laserstrahl 156 dafür verwendet, die Oberfläche des Werkstücks zu erwärmen, um eine schmelzflüssige Oberfläche zu erzeugen, um die Adhäsion der Plattierungsschicht von dem Draht 101 zu erlauben. Das Schutzgas kann jede beliebige Art von Schutzgas sein, das dem Plattierungsvorgang nützt, und kann in beispielhaften Ausführungsformen 100% Argon sein. Das Schutzgas kann von einem Tank/einer Quelle 140 zugeführt werden, und sein Zustrom kann über ein (nicht gezeigtes) Ventil gesteuert werden.
Eine Steuereinheit 130 wird dafür verwendet, den Betrieb des Systems 100 zu steuern, und kann dafür verwendet werden, die Stromversorgung 120, die Laserstromversorgung 150 und die Drahtzufuhrvorrichtung 110 zentral zu steuern und zu synchronisieren. Die Steuereinheit kann jede beliebige Art von Computer-/Prozessor-basiertem System sein, und obgleich sie in 1 als eine separate Komponente gezeigt ist, kann sie auch in die Stromversorgung, die Laserstromversorgung oder die Drahtzufuhrvorrichtung integriert werden.
2 zeigt eine nähere Ansicht des Plattierungsvorgangs. In der gezeigten Ausführungsform ist das Werkstück W ein Rohr/eine Röhre oder irgendeine andere Art von Objekt, das eine gekrümmte Oberfläche hat. Natürlich können Ausführungsformen der Erfindung auch auf flachen Werkstücken verwendet werden. Wie gezeigt, verlässt das Schutzgas SG die Düse 165, um eine Abschirmung auszuführen, während die Plattierungsschicht C auf die Oberfläche des Werkstücks W abgeschieden wird. Wie gezeigt, wird das Werkstück W während einer beispielhaften Ausführungsform des Plattierungsvorgangs unter dem Brenner 160 gedreht, um die Plattierungsschicht C in einem schraubenförmigen Muster abzuscheiden. Es ist anzumerken, dass in der gesamten vorliegenden Spezifikation das beispielhafte Werkstück W in den Figuren als ein „Rohr” bezeichnet wird. Es versteht sich jedoch und ist klar, dass in einigen Fällen ein Rohr mit kleinem Durchmesser auch als „Röhre” bezeichnet werden kann. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen das Plattieren sämtlicher Arten von gekrümmten Oberflächen, einschließlich Rohren, Röhren usw. Die Verwendung des Begriffes „Rohr” soll also nicht auf Rohre mit größerem Durchmesser beschränkt sein, sondern soll lediglich beispielhaft sein.
Wie oben beschrieben, betreffen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung das Plattieren, und insbesondere betreffen beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung das Verbessern der Abscheidungsrate eines Nickel/Chrom/Molybdän-Drahtes, der die AWS ERNiCrM0-10-Spezifikationen erfüllt. Diese AWS-Spezifikation ist in der folgenden Tabelle dargelegt, die den Gewichtsprozentsatz des Drahtes für die spezifizierten Komponenten zeigt. In beispielhaften Ausführungsformen ist der Draht ein Volldraht. Jedoch kann in anderen beispielhaften Ausführungsformen auch eine andere Drahtkonstruktion verwendet werden. Zum Beispiel kann der Draht 101 ein Metallkerndraht sein. Dieser Draht wird oft für Plattierungsanmeldungen verwendet, wobei der Draht auf eine Oberfläche abgeschieden wird, um Korrosionsbeständigkeit bereitzustellen. Zum Beispiel wird der Draht verwendet, um eine Plattierungsschicht auf der Außenseite von Rohr- oder Röhrenoberflächen bereitzustellen. Es gibt verschiedene marktübliche Ausführungsformen dieses Drahtes nach AWS-Spezifikation, darunter Draht, der von The Lincoln Electrical Company aus Cleveland, Ohio, hergestellt wird. Dieser Draht wird als Techalloy^® 622 bezeichnet, und eine typische Zusammensetzung für dieses Produkt ist ebenfalls in der folgenden Tabelle gezeigt.
Wenn diese AWS-Verbrauchsmaterialien für einen Plattierungsvorgang verwendet werden, und insbesondere, wenn gekrümmte Oberflächen plattiert werden, so neigt der Nickel in dem Verbrauchsmaterial zum Reagieren mit Sauerstoff und erzeugt eine große Menge Nickeloxid. Eine erhöhte Menge Nickeloxid neigt dazu, die Fließfähigkeit der Plattierungsabscheidung zu beeinträchtigen, während sie gebildet wird, und erzeugt eine grüne Farbe auf der Oberfläche der Plattierungsschicht. Das zeigt sich insbesondere auf gekrümmten Oberflächen von kleinem Durchmesser. Diese Entstehung von Nickeloxid wird oft verstärkt, wenn eine Plattierung auf gekrümmten Oberflächen ausgeführt wird, und insbesondere gekrümmten Oberflächen mit einem relativ kleinen Radius. Das liegt an dem Umstand, dass es dem Schutzgas schwer fällt, den Vorgang vollständig abzuschirmen, wenn die Oberfläche stärker gekrümmt ist. Aufgrund dessen haben typische Plattierungsvorgänge von Rohr- und anderen gekrümmten Oberflächen eine relativ langsame Geschwindigkeit und können eine hohe Strömungsrate für Schutzgas verwenden.

Wie in der folgenden Tabelle (Tabelle 1) gezeigt, spezifiziert die AWS-Spezifikation keine Menge an Aluminium, und die typische Techalloy^®-Zusammensetzung hat einen Aluminiumgehalt von 0,022 Gewichts-%. Es ist jedoch entdeckt worden, dass eine Erhöhung des Aluminiumgehalts in Draht dieses AWS-Typs die Leistung des Plattierungsvorgangs verbessern kann, insbesondere beim Plattieren gekrümmter Oberflächen. Es ist sogar entdeckt worden, dass erhöhte Mengen an Aluminium die Abscheidungsgeschwindigkeit für einen Plattierungsvorgang signifikant erhöhen können. Die folgende Tabelle zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Elektrode mit einer erhöhten Menge Aluminium, wie oben beschrieben. Diese Zusammensetzung soll beispielhaft sein. TABELLE 1

	Techalloy^® 622-Spezifikationen AWS ERNiCrM0-10	Techalloy^® 622 typische Zusammensetzung	Techalloy^® 622 neu formulierte Zusammensetzung
% C	0,015% max.	0,009%	0,011%
% Mn	0,01%	0,21%	0,14%
% Fe	2,0–6,0%	4,56%	4,42–4,59%
% P	0,02% max.	0,002%	0,003–0,004%
% S	0,010% max.	0%	0%
% Si	0,08% max.	0,03%	0,01%
% Cu	0,50% max.	0,002%	0,002%
% Ni	Rest	56,40%	56,52–57,05%
% Co	2,50% max.	0,027%	0,062–0,065%
% Cr	20,0–22,5%	21,81%	21,28–21,50%
% Mo	12,5–14,5%	13,6%	13,4–13,8%
% V	0,35% max.	0,027%	0,023–0,024%
% W	2,5–3,5%	3,22%	3,31%
% Sonstige	0,50% max.	Rest	Rest
% Al	-	0,022%	0,154–0,157%

Um die Nutzeffekte von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weiter zu erläutern, wird ein Vergleich der Plattierungsparameter angestellt. Genauer gesagt, wenn die obige typische Zusammensetzung von Techalloy^® 622 verwendet wurde, waren die Plattierungsdrehzahlen für die vorgesehene Abscheidungsrate in der Regel auf etwa 29 mm/s beschränkt, wenn ein Substrat mit einem Durchmesser von 1,25'' plattiert wurde, das eine Röhrenwanddicke von 0,240'' aufwies. Jedoch können durch Erhöhen der Al-Menge in der obigen Zusammensetzung von etwa 0,02% auf zwischen 0,154% und 0,157% (ein ungefähr 7-facher Überschuss) die Abscheidungsraten auf dem gleichen darunterliegenden runden Substrat so erhöht werden, dass die Drehzahl auf etwa 38 mm/s erhöht werden könnten, wobei die Drehzahlen bis zu etwa 44 mm/s betragen können und nach wie vor akzeptable Ergebnisse erreicht werden. Somit können beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine um mindestens 30% höhere Produktion erreichen, was in einer kommerziellen Umgebung beachtlich ist.
Wie oben angedeutet, offenbarte eine Oberflächenanalyse von Plattierungsmaterial unter Verwendung der Zusammensetzung eines typischen Techalloy^® 622- oder AWS-kompatiblen Drahtes das Vorhandensein von NiO_x neben Oxiden von Cr, Fe und Mn. Jedoch offenbarte eine Oberflächenanalyse des Plattierungsmaterials unter Verwendung der Techalloy^® 622-Formulierung mit erhöhten Mengen von Al das Vorhandensein von überwiegend AlO_x und minimalem CrO_x auf der Oberfläche, mit minimalem bis gar keinem NiO_x.
Ohne an irgend eine Theorie oder irgend einen Betriebsmodus gebunden sein zu wollen, wird davon ausgegangen, dass das Hinzufügen kontrollierter Mengen desoxidierender Elemente (zum Beispiel Al, Ti und eventuell Si, Mn, Zr) die Oxidation von Nickel verhindert, was eine bessere Vernetzung/höhere Leistung bei höheren Vorschubgeschwindigkeiten erlaubt, wodurch die Produktivität steigt. Es wird davon ausgegangen, dass AI und Ti sich schneller mit Sauerstoff kombinieren, als die anderen Elemente sich mit dem Luftsauerstoff kombinieren, was es den anderen Elementen erlaubt, in dem Schweißmetall zu verbleiben, anstatt als Schlacke auszuoxidieren. Wenn die Elemente in Lösung in der Schweißpfütze verbleiben, so vernetzt sich das Schweißmetall besser mit der vorherigen Schweißlage, wodurch höhere Drehzahlen möglich werden und nach wie vor eine akzeptable Schweißnaht ohne Defekte entsteht.

Das bestätigt Informationen unter Verwendung von Standardreduktionspotenzialen, die unten in Tabelle 2 wiedergegeben sind. TABELLE 2

Element	Reaktion	E°/V
Al	Al³⁺ + 3e^– ⇋ Al_(s)	–1,66
Cr	Cr³⁺ + 3e^– ⇋ Cr_(s)	–0,41
Fe	Fe³⁺ + 3e^– ⇋ Fe_(s)	–0,06
Mn	Mn²⁺ + 2e^– ⇋ Mn_(s)	–1,18
Ni	Ni²⁺ + 2e^– ⇋ Ni_(s)	–0,27
Si	SiO_2(s) + 4H⁺ + 2e^– ⇋ Si_(s) + 2H₂O	–0,86
Ti	Ti²⁺ + 2e^– ⇋ Ti_(s)	–1,63
Zr	ZrO_2(s) + 4H⁺ + 4e^– ⇋ Zr_(s) + 2H₂O	–1,43

Wenn das Elektrodenpotenzial positiv ist, so ist die Reaktion die spontane Reaktion in der Richtung von links nach rechts. Wenn das Elektrodenpotenzial negativ ist, so ist die spontane Reaktion in der entgegengesetzten Richtung.
Dadurch wird mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung der Plattierungsvorgang positiv beeinflusst, indem man die Menge des Aluminiums so erhöht, dass sie höher als in bekannten Formulierungen ist. In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung liegt die Menge des Aluminiums im Bereich von 0,13–0,30 Gewichts-%. Des Weiteren ist in beispielhaften Ausführungsformen eine erhöhte Menge Titan vorhanden und liegt im Bereich von 0,03–0,20 Gewichts-%.
In weiteren beispielhaften Ausführungsformen beträgt die Menge des Aluminiums mindestens 0,05 Gewichts-% des Drahtes und kann in Ausführungsformen im Bereich von 0,05 bis 0,3 Gewichts-% liegen. In zusätzlichen beispielhaften Ausführungsformen beträgt die Menge des Aluminiums mindestens 0,1 Gewichts-% des Drahtes und kann in weiteren Ausführungsformen im Bereich von 0,1 bis 0,3 Gewichts-% liegen. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen beträgt die Menge des Aluminiums mindestens 0,15 Gewichts-% des Drahtes und kann in weiteren beispielhaften Ausführungsformen im Bereich von 0,15 bis 0,3 Gewichts-% liegen. Natürlich ist anzumerken, dass eine Obergrenze der Menge an Aluminium durch die maximale Menge anderer Komponenten beschränkt wird, die in der Zusammensetzung zulässig sind. Natürlich sollte Aluminium nicht die gesamte übrige Materialmenge aufbrauchen, aber sie kann in Ausführungsformen eine Mehrheit der anderen zulässigen Materialien ausmachen.
Mit den oben beschriebenen Zusammensetzungen können beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Abscheidungsgeschwindigkeit eines Plattierungsvorgangs auf gekrümmten Oberflächen, zum Beispiel Rohren usw., verbessern. Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können sogar einen Plattierungsvorgang bereitstellen, der eine Plattierung auf einer Oberfläche eines Werkstücks mit einer Vorschubgeschwindigkeit (zum Beispiel einer Drehzahl des Rohres) von mindestens ungefähr 32 mm/s abscheiden kann. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen kann die Plattierung auf einer Oberfläche eines Werkstücks mit einer Vorschubgeschwindigkeit (zum Beispiel einer Drehzahl des Rohres) von mindestens ungefähr 33,5 mm/s abgeschieden werden. In zusätzlichen beispielhaften Ausführungsformen kann eine Plattierung auf einer Oberfläche eines Werkstücks mit einer Vorschubgeschwindigkeit (zum Beispiel einer Drehzahl des Rohres) von mindestens ungefähr 35 mm/s abgeschieden werden, und in weiteren beispielhaften Ausführungsformen kann eine Plattierung auf einer Oberfläche eines Werkstücks mit einer Vorschubgeschwindigkeit (zum Beispiel einer Drehzahl des Rohres) von mindestens ungefähr 38 mm/s abgeschieden werden. In Abhängigkeit von der Zusammensetzung kann die Plattierung in anderen Ausführungsformen auf einer Oberfläche eines Werkstücks mit einer Vorschubgeschwindigkeit (Drehzahl des Rohres) von mindestens ungefähr 44 mm/s abgeschieden werden.
Es ist anzumerken, dass Nutzeffekte von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sowohl auf flachen als auch auf gekrümmten Oberflächen erreicht werden können. Jedoch können bei einigen beispielhaften Ausführungsformen die oben genannten Vorschubgeschwindigkeiten auf gekrümmten Oberflächen, wie Rohren usw., und insbesondere Rohren mit kleinem Durchmesser, zum Beispiel Rohren mit einem Durchmesser von 3 Inch oder weniger, erreicht werden. Traditionell erforderte der Plattierungsprozess bei Rohren von solchen kleinen Durchmessern langsame Geschwindigkeiten, weil eine ordnungsgemäße Abschirmung auf solchen gekrümmten Oberflächen sichergestellt werden musste. Aber bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die oben angegebenen höheren Geschwindigkeiten erreicht werden. Dieser Nutzeffekt ergibt sich aus der verbesserten chemischen Zusammensetzung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, auch wenn die Zeitdauer, die das Schutzgas in Kontakt mit der gekrümmten Oberfläche steht, bei Rohren mit kleinerem Durchmesser beschränkt ist. Des Weiteren können diese erhöhten Geschwindigkeiten auch mit Rohren von größerem Durchmesser (größer als 3 Inch Durchmesser) im Verbund mit einer Reduzierung der Menge des benötigten Schutzgases erreicht werden. Zum Beispiel wird in traditionellen Plattierungsvorgängen ein Schutzgas aus 100% Argon mit einer Strömungsrate von 30–50 CFH verwendet. Jedoch kann in beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Strömungsrate im Bereich von 10–25 CFH verwendet werden, und in anderen beispielhaften Ausführungsformen liegt die Strömungsrate im Bereich von 15–20 CFH. Diese Strömungsrate kann in Abhängigkeit von den gewünschten Eigenschaften des Plattierungsvorgangs für Werkstücke/Rohre sowohl mit größerem als auch mit kleinerem Durchmesser verwendet werden und ist aufgrund der im vorliegenden Text beschriebenen verbesserten Zusammensetzungen erreichbar.

Wie zuvor in Tabelle 1 gezeigt, wird die Zusammensetzung eines beispielhaften Verbrauchsmaterials gezeigt. Die folgende Tabelle 3 zeigt die Zusammensetzung weiterer beispielhafter Ausführungsformen. TABELLE 3

	Beispielhafte Zusammensetzung Gewichts-%
% C	0,009 bis 0,012%
% Mn	0,12 bis 0,16%
% Fe	4,2–4,8%
% P	0,003–0,004%
% S	0%
% Si	0,005 bis 0,015%
% Cu	0,0015 bis 0,0025%
% Ni	53–59%
% Co	0,06–0,065%
% Cr	20,5–22%
% Mo	12,5–14,5%
% V	0,022–0,025%
% W	3 bis 3,5%
% Al	0,1–0,3%
% Ti	0,015 bis 0,2%
% Zr	0,0005 bis 0,002%
% Sonstige	Rest

In weiteren Ausführungsformen kann das Aluminium im Bereich von 0,05 bis 0,3 Gewichts-% liegen, und in anderen Ausführungsformen kann es im Bereich von 0,15 bis 0,3 Gewichts-% liegen. Des Weiteren kann das Titan im Bereich von 0,03 bis 0,1 Gewichts-% liegen. Des Weiteren werden, wie zuvor erläutert, Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verbessert, indem man die Mengen anderer oxidierender Materialien (außer Nickel) erhöht. Zu diesen anderen oxidierenden Materialien können Al, Ti, Si, Mn und Zr und beliebige Kombinationen davon gehören. Obgleich Aluminium als ein besonders nützliches oxidierendes Material in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung festgestellt wurde, können diese anderen Oxidationsmittel ebenfalls einen Nutzeffekt erzielen. In beispielhaften Ausführungsformen liegt der Gesamtgewichtsprozentsatz der Kombination aus verwendeten Oxidationsmitteln (außer Nickel) im Bereich von 0,2 bis 0,5 Gewichts-%. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen liegt die Kombination im Bereich von 0,25 bis 0,4 Gewichts-%. In zusätzlichen beispielhaften Ausführungsformen liegt der kombinierte Gewichtsprozentsatz im Bereich von 0,28 bis 0,35%. Wenn zum Beispiel ein Verbrauchsmaterial jedes von Al, Ti, Si, Mn und Zr enthält, so liegt die Kombination jedes dieser Oxidationsmittel in Abhängigkeit von der gewünschten Leistung zusammen im Bereich von 0,2 bis 0,5 Gewichts-% oder 0,25 bis 0,4 Gewichts-% oder 0,28 bis 0,35 Gewichts-%. Des Weiteren liegt in einem anderen Beispiel, das nur eine Teilmenge dieser Oxidationsmittel verwendet (zum Beispiel nur Al, Ti und Si; oder Al, Ti, Mn und Zr; usw.), die Kombination jedes dieser Oxidationsmittel in Abhängigkeit von der gewünschten Leistung zusammen im Bereich von 0,2 bis 0,5 Gewichts-% oder 0,25 bis 0,4 Gewichts-% oder 0,28 bis 0,35 Gewichts-%. Natürlich können auch andere Kombinationen dafür verwendet werden, die Entstehung von Nickeloxid zu minimieren.
Obgleich die Erfindung konkret mit Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Dem Durchschnittsfachmann leuchtet ein, dass verschiedene Änderungen in Form und Detail daran vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Schutzumfang der Erfindung, wie durch die folgenden Ansprüche definiert, abzuweichen.
Bezugszeichenliste

100: System
101: Draht/Verbrauchsmaterial
110: Drahtzufuhrvorrichtung
115: Drahtquelle
120: Stromversorgung
125: Kontaktspitze
130: Steuereinheit
140: Tank/Quelle
150: Laserstromversorgung
155: Laser
156: Laserstrahl
160: Brennerbaugruppe
165: Düse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

AWS ERNiCrMo-10-Standards [0009]
AWS ERNiCrMo-10-Standards [0010]
AWS ERNiCrMo-10-Standards [0011]
AWS ERNiCrMo-10-Standards [0012]
AWS ERNiCrMo-10-Standards [0013]
AWS ERNiCrMo-10-Standards [0014]
AWS ERNiCrM0-10-Standards [0015]
AWS ERNiCrM0-10-Spezifikationen [0026]

Claims

Plattierungsverbrauchsmaterial, das Folgendes umfasst: Nickel im Bereich von 53 bis 59 Gewichts-%; Chrom im Bereich von 20,5 bis 22 Gewichts-%; Molybdän im Bereich von 12,5 bis 14,5 Gewichts-%; und Aluminium im Bereich von 0,05 bis 0,3 Gewichts-%.
Verbrauchsmaterial nach Anspruch 1, wobei das Verbrauchsmaterial ein Volldrahtverbrauchsmaterial oder ein Laserplattierungsverbrauchsmaterial ist.
Verbrauchsmaterial nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Aluminium im Bereich von 0,1 bis 0,3 Gewichts-% oder besonders bevorzugt im Bereich von 0,15 bis 0,3 Gewichts-% liegt.
Verbrauchsmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das des Weiteren Titan im Bereich von 0,03 bis 0,2 Gewichts-% oder besonders bevorzugt im Bereich von 0,03 bis 0,1 Gewichts-% umfasst.
Verbrauchsmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das des Weiteren mindestens eines von Titan, Silizium, Mangan und Zirkon umfasst.
Verbrauchsmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das des Weiteren mindestens eines von Titan, Silizium, Mangan und Zirkon umfasst und eine Gesamtmenge des mindestens einen von Titan, Silizium, Mangan und Zirkon und Aluminium im Bereich von 0,2 bis 0,5 Gewichts-% liegt oder besonders bevorzugt im Bereich von 0,25 bis 0,4 Gewichts-% liegt.
Verbrauchsmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das des Weiteren mindestens eines von Titan, Silizium, Mangan und Zirkon umfasst und eine Gesamtmenge des mindestens einen von Titan, Silizium, Mangan und Zirkon und Aluminium im Bereich von 0,28 bis 0,35 Gewichts-% liegt.
Laserplattierungsverbrauchsmaterial, wobei das Verbrauchsmaterial Folgendes umfasst: Kohlenstoff im Bereich von 0,009 bis 0,012 Gewichts-%; Mangan im Bereich von 0,12 bis 0,16 Gewichts-%; Eisen im Bereich von 4,2 bis 4,8 Gewichts-%; Phosphor im Bereich von 0,003 bis 0,004 Gewichts-%; Silizium im Bereich von 0,005 bis 0,015 Gewichts-%; Kupfer im Bereich von 0,0015 bis 0,0025 Gewichts-%; Nickel im Bereich von 53 bis 59 Gewichts-%; Kobalt im Bereich von 0,06 bis 0,065 Gewichts-%; Chrom im Bereich von 20,5 bis 22 Gewichts-%; Molybdän im Bereich von 12,5 bis 14,5 Gewichts-%; Vanadium im Bereich von 0,022 bis 0,025 Gewichts-%; Wolfram im Bereich von 3 bis 3,5 Gewichts-%; Aluminium im Bereich von 0,1 bis 0,3 Gewichts-%; Titan im Bereich von 0,015 bis 0,2 Gewichts-%; und Zirkon im Bereich von 0,0005 bis 0,002 Gewichts-%, wobei das Verbrauchsmaterial ein massives Verbrauchsmaterial ist.
Verfahren zur Laserplattierung, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Anordnen eines Verbrauchsmaterials auf einem Werkstück, wobei das Verbrauchsmaterial Nickel im Bereich von 53 bis 59 Gewichts-% umfasst, Chrom im Bereich von 20,5 bis 22 Gewichts-% umfasst, Molybdän im Bereich von 12,5 bis 14,5 Gewichts-% umfasst und Aluminium im Bereich von 0,05 bis 0,3 Gewichts-% umfasst; Richten eines Laserstrahls auf das Werkstück, um das Werkstück zu erwärmen; Erwärmen mindestens eines des Werkstücks und des Verbrauchsmaterials, um eine Plattierungsschicht auf einer Oberfläche des Werkstücks abzuscheiden; Abscheiden des Verbrauchsmaterials auf dem Werkstück bei einer Vorschubgeschwindigkeit von mindestens 32 mm/s; und Bereitstellen eines Schutzgases während des Abscheidens des Verbrauchsmaterials; wobei das Werkstück eine gekrümmte Oberfläche hat.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Werkstück ein Rohr ist, das einen Außendurchmesser von maximal 3 Inch aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Schutzgas mit einer Strömungsrate im Bereich von 10 bis 25 CFH oder besonders bevorzugt im Bereich von 15 bis 20 CFH bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Vorschubgeschwindigkeit mindestens 33,5 mm/s beträgt oder bevorzugt mindestens 35 mm/s beträgt oder besonders bevorzugt mindestens 38 mm/s beträgt oder ganz besonders bevorzugt mindestens 44 mm/s beträgt.