DE102018102143B4

DE102018102143B4 - Herstellungsverfahren für ein verschleißarmes Rohrhalbzeug, Rohrhalbzeug und Verwendung

Info

Publication number: DE102018102143B4
Application number: DE102018102143.7A
Authority: DE
Inventors: Wolfram Möhler
Original assignee: Cep - Compound Extrusion Products GmbH; CEP COMPOUND EXTRUSION PRODUCTS GmbH
Current assignee: Cep - Compound Extrusion Products GmbH; CEP COMPOUND EXTRUSION PRODUCTS GmbH
Priority date: 2018-01-31
Filing date: 2018-01-31
Publication date: 2020-11-05
Anticipated expiration: 2038-02-01
Also published as: DE102018102143A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein verschleißarmes Rohrhalbzeug, ein Herstellungsverfahren dafür, bei dem in einen hohlzylindrischen Hüllblock eines ersten Materials mit relativ geringer Härte ein Kernblock eines zweiten Materials mit relativ höherer Härte eingebracht wird, und anschließend der so gebildete Block mindestens einmal über ein profiliertes Innenwerkzeug stranggepresst wird, mindestens einmal über ein profiliertes Innenwerkzeug gezogen wird, und mindestens einmal ohne Innenwerkzeug gezogen wird, sowie Verwendungen des Rohrhalbzeugs.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines, insbesondere verschleißarmen, Rohrhalbzeugs, ein Rohrhalbzeug sowie dessen Verwendung als Stromkontaktdüse und als Ausgangsmaterial bei der Herstellung einer Drahtführung für eine Wickel-, Dreh- oder Erodiermaschine..
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Stromkontaktrohr für Lichtbogenschweißbrenner mit verbesserten Eigenschaften im Vergleich zu herkömmlichen Stromkontaktrohren bereit zu stellen.
Üblicherweise werden diese Rohre mit einer runden Innengeometrie erzeugt, deren Abmessung auf den jeweiligen Schweißdrahtdurchmesser abgestimmt ist. Hergestellt werden diese Rohre üblicherweise durch Kombination von Strangpressen und Ziehen. Ausgehend von großformatigen Pressblöcken werden Vorrohre stranggepresst, die durch Ziehen über Dorn oder im Hohlzug an Endabmessung verarbeitet werden. Das Ziehen über einen Dorn ist erforderlich, um eine eng tolerierte Innengeometrie (rundes Loch) herzustellen. Bei dieser Vorgehensweise werden auch Schwankungen der Innengeometrie, die durch das Strangpressen auftreten, reduziert. Üblicherweise sind die Innenkonturen kreisrund ausgebildet. Der Durchmesser der Innenkontur (ID = Innendurchmesser) ist üblicherweise 0,1 bis 0,4 mm größer als der Durchmesser des zu verschweißenden Drahtes. Im Kontaktrohr erfolgt der Stromübergang auf den Schweißdraht. Die zum Aufschmelzen des Schweißdrahtes erforderlichen Stromstärken liegen im Bereich von ca. 80 A bis ca. 500 A. Weiterhin soll der Draht durch das Kontaktrohr präzise geführt werden. Bei den üblicherweise eingesetzten Kontaktrohren erfolgt der Stromübergang durch Punkt- bzw. Linienkontakt.
In DE 10 2004 008 058 A1 wurde demgegenüber vorgeschlagen, für Stromkontaktdüsen Rohre mit einer Innenbohrung mit einem Fünfkantprofil zu verwenden, um eine linienförmige elektrische Kontaktierung des Schweißdrahts an mindestens zwei Innenflächen des Fünfkantprofils zu gewährleisten und gleichzeitig Verstopfungen der Innenbohrung durch Abrieb und Schmutzpartikel zu vermeiden. Wie eine derartige Innenbohrung mit Fünfkantprofil hergestellt werden könnte offenbart das Dokument jedoch nicht. Ebenfalls vorgeschlagen wurde eine Werkstoffkombination aus einem Kupfermantel (Cu) und einem Zirkoniumkupferkern (CuCrZr). CuCrZr hat zwar eine gegenüber reinem Cu deutlich größere Härte und damit Verschleißbeständigkeit. Diese Eigenschaft sinkt jedoch bereits bei Temperaturen um 400 °C rapide ab, so dass bei den für das Lichtbogenschweißen typischen Temperaturen dennoch ein starker Verschleiß der Stromkontaktdüse hingenommen werden muss.
In WO 2019/072338 A1 wird eine Kontaktdüse für das Lichtbogenschweißen offenbart, die einen Kanal mit einem Querschnitt eines sternförmigen Innenvielrundes mit konvex gerundeten Seiten aufweist. Ein zu führender Schweißdraht wird immer in einer Ecke des Innenvielrundes zwischen zwei gerundeten Seiten geführt. Die Ecken weisen zudem eine Tiefe auf, die es ermöglicht, Verschmutzungen zunächst aufzunehmen und dann auch durch die Bewegung des Schweißdrahtes aus dem Kanal heraus zu führen. Zur Herstellung der Kontaktdüse wird lediglich offenbart, dass ein Hohlprofil in einem Ziehverfahren über einen Dorn gezogen wird, um die gewünschte Innenkontur des Kanals herzustellen. Auf die genaue Ausformung der konvex gerundeten Seiten wird nicht eingegangen. Die Kontaktdüse ist zudem einschichtig aufgebaut und besteht vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, bevorzugt aus CuCrZr, wodurch sich auch hier eine geringere Verschleißbeständigkeit bei Temperaturen ab 400 °C ergibt.
Die DE 44 04 802 C1 beschreibt ein Kontaktrohr für Lichtbogenschweißbrenner, welches mindestens zweischichtig aufgebaut ist. Eine innere Schicht weist dabei eine partikelverstärkte Matrix auf und ist von einer erheblich stärkeren, partikelfreien äußeren Schicht umgeben, wobei das Matrixmaterial im Wesentlichen die gleiche Zusammensetzung und gleiche elektrische Eigenschaften aufweist, wie die äußere Schicht. Die äußere Schicht besteht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, vorzugsweise Elektrolytkupfer. Dieser zeichnet sich zwar durch eine gute elektrische Leitfähigkeit bei gleichzeitig preiswerter Herstellung aus, weist jedoch ebenfalls die bereits beschriebene verringerte Abriebfestigkeit bei sehr hohen Temperaturen auf. In die Matrix der inneren Schicht sind 5 bis 25 Vol.-% verstärkende Partikel, vorzugsweise Aluminiumoxidpartikel eingebracht. Die Verbindung der beiden Schichten erfolgt mittels Strangpressen, wobei durch den hohen Verformungsgrad beim Strangpressen eine grenzflächenfreie Bindung der inneren mit der äußeren Schicht erfolgt. Das hier beschriebene Kontaktrohr weist einen kreisrunden Querschnitt auf, wodurch eine Verstopfung durch Abrieb oder Schmutzpartikel kaum oder nur unzureichend verhindert werden kann.
Ausgehend von diesem Stand der Technik stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, ein Herstellungsverfahren anzugeben, mit dem kostengünstig und effizient ein verschleißarmes Rohrhalbzeug hergestellt werden kann, das zur Herstellung von Stromkontaktdüsen für das Lichtbogenschweißen geeignet ist, eine sichere elektrische Kontaktierung des Schweißdrahtes gewährleistet und eine möglichst geringe Verstopfungsneigung aufweist. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein zur Herstellung von Stromkontaktdüsen geeignetes Rohrhalbzeug anzugeben, das auch bei extrem hohen Temperaturen, wie sie im Bereich des Lichtbogens auftreten können, nicht nur eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit, sondern auch eine sehr große Härte aufweist und beibehält.
Diese Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Rohrhalbzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 sowie dessen Verwendung für eine Stromkontaktdüse gemäß Patentanspruch 9 als auch für ein Ausgangsmaterial bei der Herstellung einer Drahtführung für eine Wickel-. Dreh- oder Erodiermaschine gemäß Patentanspruch 10.
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Herstellung eines Rohrhalbzeugs, umfassend die folgenden Schritte:

• In einen hohlzylindrischen Hüllblock eines ersten Materials mit relativ geringer Härte wird ein Kernblock eines zweiten Materials mit relativ höherer Härte eingebracht und so ein Block zur Weiterverarbeitung gebildet.
• Der Block wird mindestens einmal über ein profiliertes Innenwerkzeug stranggepresst.
• Das so erhaltene Zwischenprodukt wird mindestens einmal über ein profiliertes Innenwerkzeug gezogen, bis es den beabsichtigten Enddurchmesser aufweist und die Innenkontur ebenfalls die gewünschten Maße aufweist.
• Anschließend wird das dadurch erhaltene Zwischenprodukt mindestens einmal ohne Innenwerkzeug (d.h. im Hohlzug) gezogen.

Die Begriffe „relativ geringe Härte“ und „relativ höhere Härte“ bezieht sich dabei auf das Verhältnis der Härtewerte des ersten Materials und des zweiten Materials im Vergleich miteinander, d.h. das erste Material ist weicher als das zweite Material, oder anders ausgedrückt, das zweite Material ist härter als das erste Material.
Bei dem durch dieses Verfahren erzeugten Rohrhalbzeug weicht die Innenkontur von der kreisrunden Form ab. Zur Verbesserung der Kontaktbedingungen zwischen einem Schweißdraht und der Innenkontur einer aus dem vorgeschlagenen Halbzeug hergestellten Stromkontaktdüse wird in dem vorgeschlagenen Herstellungsverfahren eine mindestens dreieckige Innenkontur des Rohrhalbzeugs erzeugt, wobei grundsätzlich ungeradzahlige Vielecke bevorzugt werden. Als besonders vorteilhaft hat sich eine fünfeckige Innenkontur erwiesen. Wird ein solches Rohrhalbzeug zur Herstellung einer Stromkontaktdüse verwendet, so erfolgt der elektrische Kontakt zum zu verschweißenden Draht immer an mindestens zwei Stellen gleichzeitig, so dass die Kontaktierung sicherer wird und gleichzeitig die Stromdichte herabgesetzt wird.
Das Verfahren kann vorteilhaft so ausgeführt werden, dass der Block bereits durch das Strangpressen von einem Ausgangsdurchmesser auf einen Zwischendurchmesser gebracht wird, der höchstens 25% des Ausgangsdurchmessers beträgt. Dadurch müssen beim anschließenden Ziehen nur noch deutlich geringere Umformgrade realisiert werden.
Besonders vorteilhaft kann das Verfahren so ausgeführt werden, dass der Schritt des Strangpressens endkonturnah durchgeführt wird. Beispielsweise kann das Verfahren so ausgeführt werden, dass der Block durch das Strangpressen von einem Ausgangsdurchmesser auf einen Zwischendurchmesser gebracht wird, der um nicht mehr als 20% größer ist als der Enddurchmesser des Rohrhalbzeugs.
Besonders vorteilhaft wird das Strangpressen als hydrostatisches Strangpressen durchgeführt, bei dem die Presskraft vom Stempel nicht unmittelbar, sondern über ein Wirkmedium (Wasser oder Öl) auf den Block aufgebracht wird.
Das so hergestellte Rohrhalbzeug kann beispielsweise für das erste Material Elektrolytkupfer und für das zweite Material ein dispersionsverfestigter Kupferwerkstoff ausgewählt werden. Elektrolytkupfer hat eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit und ist relativ preiswert. Dispersionsverfestigte Kupferwerkstoffe hingegen zeichnen sich dadurch aus, dass sie eine deutlich größere Härte und damit Verschleißfestigkeit als reines Kupfer aufweisen. Anders als das bisher verwendete Zirkoniumkupfer behalten sie diese hohe Abriebfestigkeit auch bei sehr hohen Temperaturen um 800 °C bei, so dass insgesamt ein deutlich günstigeres Verschleißverhalten erzielt werden kann.
Der dispersionsverfestigte Kupferwerkstoff kann neben Kupfer mindestens ein Metalloxid, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe umfassend A1203, CeO2, Y2O3, MgO, CaO, oder/und Nichtmetalle wie C oder/und Metalle und Halbmetalle wie Al, Ti, B oder/und Karbide oder/und Boride als Dispersionsbildner enthalten.
Der dispersionsverfestigte Kupferwerkstoff ist ein durch Reaktionsmahlen und mechanisches Legieren hergestellter pulvermetallurgischer Werkstoff auf der Basis von reinem Kupfer. Durch gezielte Beigaben von Dispersionsbildnern werden eine ultrafeine Gefügestruktur und Dispersionsverfestigung erreicht, die eine Steigerung der Härte, Festigkeit und Zähigkeit bewirkt. Die Wirkung der Ausscheidungen besteht darin, den Verformungswiderstand des Werkstoffs zu erhöhen, indem sie die Bewegung natürlicher Defekte im Metallatomgitter, der sog. Versetzungen, behindern. Versetzungsbewegung ist die metallphysikalische Voraussetzung für jegliche Verformung. Zugleich sorgt eine sehr feine Gefügestruktur dafür, dass sich keine kritischen Versetzungsstaus bilden können, die den Bruchwiderstand des Werkstoffes senken.
Zur Herstellung eines dispersionsverfestigten Kupferwerkstoffs wird reines Kupferpulver zusammen mit Legierungszusätzen und Dispersionsbildnern in einer Kugelmühle nach einem ganz bestimmten Mahlregime intensiv vermahlen. Durch sich wiederholende Zerkleinerungs- und Kaltverschweißungsprozesse werden ultrafeine, thermisch stabile Oxide und Karbide als Ausscheidungen in der Kupfermatrix gebildet und fein verteilt. Es entsteht ein Kupferverbundwerkstoff mit homogener Verteilung, zunächst als Granulat. Dieses wird zu Blöcken verpresst und anschließend durch das oben beschriebene Verfahren zu dem Rohrhalbzeug weiterverarbeitet.
Die beschriebenen, nach dem vorgeschlagenen Verfahren hergestellten Rohrhalbzeuge lassen sich vorteilhaft als Ausgangsmaterial bei der Herstellung einer Stromkontaktdüse für Lichtbogenschweißbrenner verwenden, die eine hohe elektrische Leitfähigkeit mit hoher Hitzebeständigkeit und Abriebfestigkeit kombiniert.
Die Herstellung des neuartigen Kontaktrohres erfolgt durch Strangpressen und Ziehen. Zur Erzeugung der Innengeometrie erfolgt das Strangpressen über einen profilierten Dorn, der einen Vieleck-Querschnitt mit drei oder mehr Seiten aufweist, vorzugsweise eine fünfeckige Kontur. Das Strangpressen erfolgt vorzugsweise endabmessungsnah.
Nachfolgend erfolgt die Profilierung durch Dorne mit unterschiedlichen Abmessungen, die ebenfalls eine dem Pressdorn entsprechende Geometrie aufweisen. Bei der Umformung zum finalen Rohrhalbzeuge mit den erforderlichen Endabmessungen von Außendurchmesser (beispielsweise zwischen 6 und 25 mm) und Innenabmessung (beispielsweise zwischen 0,6 und 5 mm) ergeben sich jedoch Schwierigkeiten beim Einsatz von profilierten Ziehdornen hinsichtlich der Formgestaltung und auch hinsichtlich der mechanischen Stabilität der hoch mechanisch beanspruchten Dorne.
Aus diesen Gründen erfolgen die finalen ein bis zehn Züge ohne Innenwerkzeug (Dorn). Völlig überraschend stellt sich heraus, dass bereits nach einem Hohlzug sich eine gleichmäßige Kontur eingestellt hat, die als sternförmig beschrieben werden kann und die sich erheblich von der mit dem Innenwerkzeug erzeugten Querschnittsform unterscheidet. Es entsteht eine Profilform, die Vorteile gegenüber der ursprünglichen Form beim Schweißen aufweist.
Durch die Bildung dieser sternförmigen Querschnittsform entstehen zusätzliche Räume für die Ablagerung von möglichen Verschmutzungen, die von Schweißdraht oder aus der Drahtfördereinrichtung herrühren können und normalerweise Störungen im Schweißprozess hervorrufen. Die Kontaktbedingungen zur Stromübertragung auf den Schweißdraht verbessern sich gegenüber einer runden Profilform dadurch, dass der Stromübergang permanent an zwei Kontaktstellen erfolgt. Das Kontaktrohr zeigt ein deutlich verbessertes Zündverhalten, was besonders bei kurzen Schweißnähten und häufigem Zünden zu beobachten ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige

1 einen Querschnitt durch das nach dem beschriebenen Verfahren erzeugte Rohrhalbzeug.

Das Rohrhalbzeug weist eine äußere Schicht aus einem ersten Material 1 auf, das im gezeigten Ausführungsbeispiel aus Elektrolytkupfer besteht. Darin eingeschlossen und innig mit der äußeren Schicht verbunden ist eine innere Schicht aus einem zweiten Material 2 angeordnet, das im Ausführungsbeispiel aus einem dispersionsverfestigten Kupferwerkstoff besteht. Die innere Schicht 2 weist einen offenen Hohlraum auf, der zur elektrisch leitenden Führung eines Drahtes dienen kann und der in Form eines ungeradzahligen, nämlich fünfeckigen, sternförmigen Innenquerschnitts 3 ausgeführt ist, d.h. die Seiten des Fünfecks sind nicht geradlinig, sondern einwärts gewölbt, wodurch der durch den Innenquerschnitt geführte Draht das zweite Material 2 stets an mindestens zwei Stellen leitend berührt.
Bezugszeichenliste

1: erstes Material
2: zweites Material
3: sternförmiger Innenquerschnitt

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Rohrhalbzeugs, bei dem • in einen hohlzylindrischen Hüllblock eines ersten Materials (1) mit relativ geringer Härte ein Kernblock eines zweiten Materials (2) mit relativ höherer Härte eingebracht wird, und anschließend der so gebildete Block • mindestens einmal über ein profiliertes Innenwerkzeug stranggepresst wird, • mindestens einmal über ein profiliertes Innenwerkzeug gezogen wird, und • mindestens einmal ohne Innenwerkzeug gezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Block durch Strangpressen von einem Ausgangsdurchmesser auf einen Zwischendurchmesser gebracht wird, der höchstens 25% des Ausgangsdurchmessers beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Schritt des Strangpressens endkonturnah durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Block durch Strangpressen von einem Ausgangsdurchmesser auf einen Zwischendurchmesser gebracht wird, der um nicht mehr als 20% größer ist als der Enddurchmesser des Rohrhalbzeugs.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die profilierten Innenwerkzeuge im Querschnitt mindestens drei Ecken, bevorzugt eine ungerade Anzahl von Ecken, besonders bevorzugt fünf Ecken aufweisen.
Rohrhalbzeug, hergestellt durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5.
Rohrhalbzeug nach Anspruch 6, bei dem das erste Material Elektrolytkupfer ist und bei dem das zweite Material ein dispersionsverfestigter Kupferwerkstoff ist.
Rohrhalbzeug nach Anspruch 7, bei dem der dispersionsverfestigte Kupferwerkstoff neben Kupfer mindestens ein Metalloxid, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe umfassend Al₂O₃, CeO₂, Y₂O₃, MgO, CaO, als Dispersionsbildner enthält.
Verwendung eines Rohrhalbzeugs nach einem der Ansprüche 6 bis 8 als Ausgangsmaterial bei der Herstellung einer Stromkontaktdüse für Lichtbogenschweißbrenner.
Verwendung eines Rohrhalbzeugs nach einem der Ansprüche 6 bis 8 als Ausgangsmaterial bei der Herstellung einer Drahtführung für eine Wickel-, Dreh- oder Erodiermaschine.