DE102020124340A1

DE102020124340A1 - Beschichtete düsen für lichtbogenbrenner

Info

Publication number: DE102020124340A1
Application number: DE102020124340.5A
Authority: DE
Inventors: Robert J. Vasinko; Qingjun Zheng; Corinne Charlton; Joern Kohlscheen
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 2019-10-04
Filing date: 2020-09-18
Publication date: 2021-04-08
Also published as: US20210105888A1; CN112692413A

Abstract

In einem Aspekt werden Düsen für Lichtbogenbrenner beschrieben, die feuerfeste Beschichtungen zur Erhöhung der Betriebslebensdauer der Düse durch Widerstandsfähigkeit gegen Schweißspritzer und die damit verbundene Ansammlung von Metallschmelze-Ablagerungen umfassen. In einem Aspekt umfasst eine Düse für einen Lichtbogenbrenner einen ersten Körper, der eine zentrale Bohrung und eine Außenfläche beinhaltet. Eine Beschichtung wird durch thermisches Spritzen, physikalische Dampfabscheidung (PVD) oder chemische Dampfabscheidung (CVD) auf die Außenfläche aufgebracht, wobei die Beschichtung eine feuerfeste Schicht umfasst, die ein oder mehrere metallische Elemente, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Aluminium, Silicium und metallischen Elementen der Gruppen IIIB-VIIIB des Periodensystems besteht, und ein oder mehrere nichtmetallische Elemente, die aus den Gruppen IIIA, IVA, VA und VIA des Periodensystems ausgewählt sind, beinhaltet.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft Lichtbogenbrenner und insbesondere Brennerdüsen mit feuerfesten Beschichtungen.
HINTERGRUND
Das Erzeugen von Plasma zum Schneiden oder Schweißen ist ein wichtiges Hilfsmittel in der metallverarbeitenden Industrie. Plasma wird bei verschiedenen Prozessen erzeugt, einschließlich des Plasma-Pulver-Auftragschweißens, des MIG-Schweißens (auch GMAW-Schweißen genannt), des WIG-Schweißens (auch GTAW-Schweißen genannt), des Plasmaschneidens, des Plasmaspritzens. Bei diesen Verfahren kann das Plasma Temperaturen von mehr als 11.093 °C erreichen. Bei diesen Temperaturen treten häufig große Mengen von Schneid- und Schweißspritzern auf, die sich unvermeidlicherweise an der Schweißausrüstung ablagern. Dementsprechend muss die Ausrüstung regelmäßig gewartet werden. Die Wartung kann das Reinigen oder Ersetzen von Teilen mit Ablagerungen aus Metallschmelze beinhalten. Beim Schweißen durch Plasma-Pulver-Auftragschweißen, MIG oder Plasmaschneiden neigen beispielsweise Schweißrauch und Schweißspritzer dazu, sich auf der Düsenoberfläche anzusammeln, was die Lichtbogenübertragung stört, die Schweiß- und/oder Schneideffizienz verringert und Pulver- oder Drahtöffnungen verstopft. Normalerweise wird das Schweißen oder Schneiden unterbrochen, um die Düsenoberfläche zu reinigen oder die Düse komplett auszutauschen, je nach Schwere der Anhäufungen. Diese Unterbrechungen sind häufig, da derzeitige Düsen im Allgemeinen eine Höchstdauer von 1-2 Stunden durchgängiger Schneid- oder Schweißzeit bieten. Dieses eingeschränkte Betriebsfenster beschränkt die Schweiß- und Schneideffizienz und erhöht die Betriebskosten.
KURZDARSTELLUNG
In einem Aspekt werden Düsen für Lichtbogenbrenner beschrieben, die feuerfeste Beschichtungen zur Erhöhung der Betriebslebensdauer der Düse durch Widerstandsfähigkeit gegen Schweißspritzer und die damit verbundene Ansammlung von Metallschmelze-Ablagerungen umfassen. In einem Aspekt umfasst eine Düse für einen Lichtbogenbrenner einen ersten Körper, der eine zentrale Bohrung und eine Außenfläche beinhaltet. Eine Beschichtung wird durch thermisches Spritzen, physikalische Dampfabscheidung (Physical Vapor Deposition, PVD) oder chemische Dampfabscheidung (Chemical Vapor Deposition, CVD) auf die Außenfläche aufgebracht, wobei die Beschichtung eine feuerfeste Schicht umfasst, die ein oder mehrere metallische Elemente, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Aluminium, Silicium und metallischen Elementen der Gruppen IIIB-VIIIB des Periodensystems besteht, und ein oder mehrere nichtmetallische Elemente, die aus den Gruppen IIIA, IVA, VA und VIA des Periodensystems ausgewählt sind, beinhaltet. In einigen Ausführungsformen weist die feuerfeste Schicht eine kritische Last (L_c) von mindestens 45 kgf und/oder einen Restdruckbelastungszustand von mindestens 2 GPa auf. Darüber hinaus kann eine hierin beschriebene beschichtete Düse eine durchgängige Schweißlebensdauer aufweisen, die das Doppelte der Lebensdauer einer nicht beschichteten Düse beträgt.
In einem weiteren Aspekt werden hierin Verfahren zum Schweißen oder Schneiden beschrieben. In einigen Ausführungsformen umfasst ein Verfahren das Bereitstellen eines Lichtbogenbrenners, der eine Düse umfasst, wobei die Düse einen ersten Körper beinhaltet, der eine zentrale Bohrung und eine Außenfläche sowie eine durch thermales Spritzen, physikalische Dampfabscheidung (PVD) oder chemische Dampfabscheidung (CVD) auf der Außenfläche aufgebrachte Beschichtung umfasst. Die Beschichtung umfasst eine feuerfeste Schicht, die ein oder mehrere metallische Elemente, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Aluminium, Silicium und metallischen Elementen der Gruppen IIIB-VIIIB des Periodensystems besteht, und ein oder mehrere nichtmetallische Elemente, die aus den Gruppen IIIA, IVA, VA und VIA des Periodensystems ausgewählt sind, beinhaltet. Ein Metall- oder Legierungswerkstück wird mit dem Plasmabrenner geschweißt und/oder geschnitten. In einigen Ausführungsformen weist die beschichtete Düse eine durchgängige Schweiß- oder Schneidlebensdauer auf, die mehr als das Doppelte der Schweiß- oder Schneidlebensdauer einer nicht beschichteten Düse beträgt.
Diese und weitere Ausführungsformen werden in der folgenden detaillierten Beschreibung ausführlicher beschrieben.
Figurenliste

1 veranschaulicht eine perspektivische Ansicht einer beschichteten Düse gemäß einigen Ausführungsformen.
2 ist eine rasterelektronenmikroskopische (REM) Querschnittsabbildung einer Ti_0.40Al_0.60N-Beschichtung, die auf der Außenfläche einer Düse gemäß einigen Ausführungsformen aufgebracht ist.
3 ist ein Bild der Düse von 1 nach sieben Stunden durchgängigen Schweißens einer Stellite-6-Legierung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Hierin beschriebene Ausführungsformen sind unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung und die Beispiele und deren vorhergehenden und folgenden Beschreibungen leichter zu verstehen. Hierin beschriebene Elemente, Vorrichtungen und Verfahren sind jedoch nicht auf die in der detaillierten Beschreibung und in den Beispielen dargestellten spezifischen Ausführungsformen beschränkt. Es sollte erkannt werden, dass diese Ausführungsformen lediglich die Prinzipien der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Zahlreiche Modifikationen und Anpassungen sind für Fachleute auf dem Gebiet ohne Weiteres ersichtlich, ohne vom Sinn und Umfang der Erfindung abzuweichen.
Lichtboaenbrennerdüsen
Wie hierin beschrieben umfasst eine Düse für einen Lichtbogenbrenner einen ersten Körper, der eine zentrale Bohrung und eine Außenfläche beinhaltet. Eine Beschichtung wird durch thermisches Spritzen, physikalische Dampfabscheidung (PVD) oder chemische Dampfabscheidung (CVD) auf die Außenfläche aufgebracht, wobei die Beschichtung eine feuerfeste Schicht umfasst, die ein oder mehrere metallische Elemente, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Aluminium, Silicium und metallischen Elementen der Gruppen IIIB-VIIIB des Periodensystems besteht, und ein oder mehrere nichtmetallische Elemente, die aus den Gruppen IIIA, IVA, VA und VIA des Periodensystems ausgewählt sind, beinhaltet.
Unter Bezugnahme auf spezifische Komponenten kann die feuerfeste Schicht eine Zusammensetzung umfassen, die den obigen Parametern entspricht. Die feuerfeste Schicht kann beispielsweise ein Hartmetall, Nitrid, Carbonitrid, Oxid, Oxynitrid oder Oxycarbonitrid eines oder mehrerer Metalle umfassen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Aluminium, Silicium und metallischen Elementen der Gruppen IIIB-VIIIB des Periodensystems besteht. In einigen Ausführungsformen umfasst die feuerfeste Schicht beispielsweise M_1-xAl_xN, wobei 0,3 ≤ × ≤ 0,9 und M Titan, Chrom oder Zirkon ist. In einigen Ausführungsformen ist 0,4 ≤ x ≤ 0,6_. Die feuerfeste Schicht kann auch Ti_1-x-yMe_yAl_xN umfassen, wobei Me aus den Gruppen IVB-VIB des Periodensystems ausgewählt ist und x > 0, y ≥ 0 und 0,3 ≤ x+y ≤ 0,9 sind. Alternativ kann die feuerfeste Schicht ein Metalloxid umfassen. In einigen Ausführungsformen ist ein Oxid aus der Gruppe ausgewählt, die aus Chromoxid, Yttria-stabilisiertem Zirkon und Aluminiumtitanoxid besteht. Die keramischen Eigenschaften der hierin beschriebenen feuerfesten Schichten sorgen dafür, dass die feuerfesten Schichten elektrisch isolierend wirken.
Die feuerfeste Schicht kann durch physikalische Dampfabscheidung (PVD), chemische Dampfabscheidung (CVD) oder thermisches Spritzen aufgebracht werden. In einigen Ausführungsformen weist die feuerfeste Schicht einen Restdruckbelastungszustand auf. Die feuerfeste Schicht kann in einigen Ausführungsformen beispielsweise eine Restdruckbelastung von mindestens 2 GPa aufweisen. Die feuerfeste Schicht kann auch eine aus Tabelle I ausgewählte Restdruckbelastung aufweisen. Tabelle I - Restdruckbelastung der feuerfesten Schicht

Restdruckbelastung, GPa

1-4

2-4

0,5-3

0,1-1
In Abwesenheit einer bestimmten Angabe, dass es sich um eine Druckbelastung handelt, können die hierin beschriebenen Restbelastungswerte einen negativen Wert aufweisen, um anzugeben, dass eine Restbelastung eine Druckbelastung ist. Wie Fachleuten bekannt ist, weist die Restbelastung in Abwesenheit einer bestimmten Angabe positive Werte auf, um Zugbelastungen anzugeben, und weist negative Werte auf, um Druckbelastungen anzugeben.
Für die hierin beschriebenen feuerfesten Schichten wurde ein modifiziertes Sin² _Ψ-Verfahren unter Nutzung von Seemann-Bohlin(S-B)-Geometrie zur Fokussierung verwendet, um die Restbelastung und die Scherbelastung zu ermitteln. Siehe V. Valvoda, R. Kuzel, R. Cerny, D.S. Rafaja, J. Musil, C.Kadlec, A.J. Perry, Thin Solid Films 193/194 (1990) 401. Gemäß diesem Verfahren wurden die Interplanarabstände aller messbaren Diffraktionspeaks mit verschiedenen Miller(hkl)-Indizes unter Nutzung der Röntgendiffraktionsgeometrie unter streifendem Einfall ermittelt. [Die Diffraktionspeaks verschiedener (hkl)-Ebenen wurden in einem einzelnen 2θ-Scan mit einem festen Strahleneinfallswinkel auf die Probe erfasst.] Da die Diffraktionsebenen in der Herangehensweise nach Perry et al. verschiedene Winkel auf die Normale der Probenoberfläche ergeben, ist ein Kippen der Probe ψ nicht notwendig. Perry et al. geben an, dass der Winkel ψ tatsächlich dem Bragg-Winkel θ minus dem Streifwinkel y entspricht (ψ = θ-γ). Daher wird in einem einzelnen 2θ-Scan automatisch eine Spanne von ψ Winkeln ausgewählt, wenn eine Anzahl von Bragg-Peaks mit verschiedenen Miller-Indizes aus verschiedenen 2θ-Winkeln gemessen wird. Die Restbelastung wurde daraufhin aus einem Diagramm der Gitterparameter, die aus den verschiedenen Peaks gegen Sin²", berechnet wurden, abgeleitet.
Bei feuerfesten Schichten, die M_1-xAl_xN umfassen, wobei M beispielsweise Titan ist, wurden die Restbelastung und die Scherbelastung durch Röntgendiffraktion unter Nutzung des Sin²ψ-Verfahrens unter streifendem Einfall mit Bezugnahme auf mehrere (hkl)-Reflexionen der kristallinen Phase des TiAIN ermittelt. Das zur Ermittlung der Restbelastung verwendete Messgerät war ein PANalytical Xpert Pro MRD, das mit einer Eulerwiege zur Handhabung der Probe ausgerüstet war. Die Röntgenquelle war eine Kupferröntgenröhre mit langem feinem Fokus, die bei 45 kV und 40 MA betrieben wurde. Das Messinstrument wurde mit einer Parallelstrahloptik konfiguriert, um die Belastung der Beschichtung zu ermitteln. Die Einfalloptik beinhaltete einen Röntgenspiegel und einen Soller-Schlitz von 0,04. Die Empfangsoptik beinhaltete einen 0,27-Grad-Parallelplattenkollimator, einen flachen Graphitmonochromator und einen versiegelten Proportionalzähler.
Die Reflexionen (111), (200), (220), (311), (222), (331), (420) und (422) von AlTiN wurden für die Messung der Restbelastungsniveaus ausgewählt. Der Streifeinfallwinkel wurde so ausgewählt, dass er die Substratreflexionen minimierte und gleichzeitig sicherstellte, dass die gesamte Dicke der feuerfesten Schicht in der Analyse enthalten war. Die Datenerfassungsparameter für die Stufengröße und die Zählzeit wurden für jede (hkl)-Reflexion angepasst, um eine geeignete Peakintensität für die genaue Ermittlung der Peakposition zu erhalten.
Die Peakdaten wurden dann unter Nutzung der folgenden Gleichungen auf Absorption und Transparenz korrigiert:

Absorotionskorrektur $A = [1 - \frac{tan (ω - θ)}{tan θ}] x [1 - e^{(- v t \times \frac{2 sin θ \times cos (ω - θ)}{{sin}^{2} θ - {sin}^{2} (ω - θ)})}]$
Transparenzkorrektur $\begin{array}{l} Δ 2 θ = \frac{180}{π} \times \frac{2 τ}{R} \times \frac{sin (θ) cos (θ)}{sin (ω)} \\ mit τ = \frac{t}{β} \times \frac{(1 - β) \times e^{- β} - e^{- β}}{1 - e^{- β}} \\ und β = \frac{2 μ t sin θ \times cos (ω - θ)}{{sin}^{2} θ - {sin}^{2} (ω - θ)} \end{array}$
Dabei ist:

t

= Schichtdicke

µ

= linearer Absorptionskoeffizient (cm^-1)

θ

= 2Theta / 2 (Grad)

(ω-θ)

= omega-Versatzwinkel (Grad)

ψ

= Kippwinkel (Psi-Belastung) (Grad)

τ

Informationstiefe (Mikrometer)

R

= Winkelmesser-Radius (mm)

Die Peakdaten wurden unter Nutzung der folgenden Gleichung auf Lorenz-Polarisierung korrigiert:

Polarisierungskorrektur $L P = \frac{{cos}^{2} 2 θ_{m o n} \times {cos}^{2} 2 θ}{sin θ}$
2θ_mon = Beugungswinkel des Graphitmonochromators

Die Kα₂-Peaks wurden unter Nutzung des Ladell-Modells entfernt. Die Peakpositionen wurden unter Nutzung einer modifizierten Lorentz-Formprofilfunktion verfeinert.
Die Restbelastung der feuerfesten Schicht wurde durch die folgende allgemeine Gleichung berechnet: $\frac{d_{φ ψ} - d_{0}}{d_{0}} = S_{1} (σ_{1} + σ_{2}) + \frac{1}{2} S_{2} σ_{φ} {sin}^{2} ψ$
wobei $σ_{φ} = σ_{1} {cos}^{2} φ + σ_{2} {sin}^{2} φ$

dφΨ: = Gitterkonstante mit Winkel φ und Neigung ψ
do: = spannungsfreie Gitterkonstante
φ: = Drehwinkel
ψ: = Neigung der Probe
σ1 & σ2: = Primärspannungs-Tensoren in der Oberfläche der Probe
σφ: = Spannung bei φ Drehwinkel
S1 & ½ S2: = Röntgenelastizitätskonstanten

\begin{matrix} S_{1} = \frac{- v}{E} & \frac{1}{2} S_{2} = \frac{1 + v}{E} \end{matrix}

Für die vorliegende TiAIN-Analyse wurde die Poissonzahl (υ) auf 0,20 eingestellt und das Elastizitätsmodul (E in GPa) wurde durch Nanoindentationsanalyse mit einem Fischerscope HM2000 gemäß ISO-Norm 14577 unter Nutzung eines Vickers-Indenters ermittelt. Die Indentationstiefe wurde auf 0,25 µm eingestellt. Die Restbelastungsanalyse durch XRD kann auf ähnliche Weise bei feuerfesten Schichten anderer Zusammensetzungen durchgeführt werden, indem mehrere für diese Zusammensetzungen geeignete (hkl)-Reflexionen, die unter Fachleuten bekannt sind, ausgewählt werden. Ferner können auch die Poissonzahl (υ) und die Elastizitätsmodule (E) für andere feuerfeste Schichten durch Nanoindentationsanalyse, wie hierin beschrieben, ermittelt werden.
Die feuerfeste Schicht der Beschichtung kann in einigen Ausführungsformen eine kritische Last (L_c) von mindestens 45 kgf aufweisen. In anderen Ausführungsformen weist die feuerfeste Schicht eine kritische Last (L_c) von mindestens 60 kgf auf. Die kritische Last der feuerfesten Schicht kann auch einen aus Tabelle II ausgewählten Wert aufweisen. Tabelle II - kritische Last (L_c) der feuerfesten Schicht

45-60 kgf

60-100 kgf

≥ 100 kgf
Die kritische Last, die die Haftung der feuerfesten Schicht kennzeichnet, wird gemäß dem folgenden Protokoll ermittelt. Es wird ein Vickers-Indenter mit Oberflächenskalen verwendet, der keine Risse, Abplatzungen, Beschädigungen oder anhaftenden Oberflächenverunreinigungen aufweist. Darüber hinaus werden ein Punktamboss (Durchmesser 0,25 Zoll) und ein flacher Amboss (Durchmesser 2 Zoll) verwendet. Die geeignete Vorlast (10 kg) für die angewendete Indenterlast wird ausgewählt. Eine flache Oberfläche des beschichteten Substrats wird ausgewählt und unter dem spitzen Indenter auf dem Amboss platziert, und die Stellschraube wird auf die erforderliche Nullstellung eingestellt. Die Indentation(en) wird/werden mit der gewünschten Oberflächenlast (z. B. 45, 60, 100, 150 kgf usw.) vorgenommen. Die Stellschraube wird gelöst, und die Probe wird seitlich für die Anwendung der nächsten Last positioniert. Die Indentationen werden voneinander beabstandet, um Wechselwirkungen oder Beeinflussungen durch benachbarte Indentationen zu vermeiden. Der empfohlene Abstand der Beabstandung beträgt 3-5x den Durchmesser der Indentation. Gelöste, aber noch haftende, feuerfeste Schichten können entfernt werden, indem die Probe einige Minuten lang in einem Ultraschallbad versenkt wird. Alternativ kann ein Klebeband verwendet werden, um gelöste feuerfeste Schichten zu entfernen. Die indentierten Proben werden unter einem optischen Mikroskop (10x-100x) auf Absplitterungen und Ablösungen entlang des Rands der Oberfläche der Indentation untersucht. Die kritische Last (L_c) wird bei derjenigen Belastung angegeben, bei der Absplitterungen und/oder Ablösungen der Beschichtung über den Durchmesser der Indentation hinaus auftreten. Die hierin beschriebenen feuerfesten Schichten können jede gewünschte Dicke aufweisen. Die Dicke einer feuerfesten Schicht kann gemäß mehreren Überlegungen ausgewählt werden, einschließlich u. a. der Identität der Zusammensetzung der Schicht und der Aufbringungstechnik. Eine mit PVD oder CVD aufgebrachte feuerfeste Schicht kann im Allgemeinen eine Dicke von 1-10 µm aufweisen. In einigen Ausführungsformen weist eine mit PVD oder CVD aufgebrachte feuerfeste Schicht eine Dicke von 2-5 µm auf. Alternativ kann eine durch thermisches Spritzen aufgebrachte feuerfeste Schicht eine Dicke zwischen 25 µm und 500 µm aufweisen.
In einigen Ausführungsformen kann die feuerfeste Schicht einer oder mehreren Nachbeschichtungs-Behandlungen unterzogen werden. Die feuerfeste Schicht kann beispielsweise mit verschiedenen nassen und/oder trockenen Partikelzusammensetzungen gestrahlt werden. Die Nachbeschichtungs-Strahlbehandlung kann auf jede gewünschte Art vorgenommen werden. In einigen Ausführungsformen umfasst die Nachbeschichtungs-Strahlbehandlung Kugelstrahlen oder Druckstrahlen. Das Druckstrahlen kann auf eine Vielzahl von Arten vorgenommen werden, einschließlich Druckluftstrahlen, Nassdruckluftstrahlen, Druckflüssigkeitsstrahlen, Nassstrahlen und Dampfstrahlen. Das Nassstrahlen wird beispielsweise durch Nutzung einer Aufschlämmung von anorganischen und/oder keramischen Partikeln, wie etwa Tonerde, und Wasser durchgeführt. Die Partikelaufschlämmung kann pneumatisch auf eine Oberfläche des beschichteten Schneidwerkzeugkörpers gerichtet werden, damit sie auf die Oberfläche der Beschichtung trifft. Die anorganischen und/oder keramischen Partikel können im Allgemeinen eine Größe in einem Bereich zwischen etwa 20 µm und etwa 100 µm aufweisen. Die Strahlparameter beinhalten Druck, Auftreffwinkel, Abstand zu der Oberfläche des Teils und Dauer.
In anderen Ausführungsformen wird die feuerfeste Schicht einer Nachbeschichtungs-Behandlung durch Polieren unterzogen. Das Polieren kann mit einer Paste aus Diamant- oder Keramikkörnern einer geeigneten Größe erfolgen. Die Korngröße der Paste beträgt in einigen Ausführungsformen von 1 µm bis 10 µm. In einer Ausführungsform wird eine Diamantpaste mit einer Korngröße von 5-10 µm verwendet, um die Beschichtung zu polieren. Eine hierin beschriebene feuerfeste Schicht kann für eine Zeitspanne gestrahlt oder poliert werden, die ausreichend ist, um eine gewünschte Oberflächenrauheit (R_a) und/oder andere Parameter zu erreichen, wie etwa eine gesteigerte Restdruckbelastung in der feuerfesten Schicht. In einigen Ausführungsformen weist eine feuerfeste Schicht, die einer Nachbeschichtungs-Behandlung unterzogen wurde, eine Oberflächenrauheit (R_a) auf, die aus Tabelle III ausgewählt ist. Tabelle III - Nachbeschichtungs-Oberflächenrauheit (R_a) - nm

≤ 500

≤ 250

< 200
Die feuerfeste Schicht kann in einigen Ausführungsformen direkt auf die Außenfläche der Düse aufgebracht werden. Alternativ kann die Beschichtung ferner eine oder mehrere Zwischenschichten zwischen der Düsenaußenfläche und der feuerfesten Schicht umfassen. Feuerfeste Zwischenschichten der Beschichtung können ein oder mehrere metallische Elemente, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Aluminium und metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems besteht, und ein oder mehrere nichtmetallische Elemente, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus nichtmetallischen Elementen der Gruppen IIIA, IVA, VA und VIA des Periodensystems besteht, umfassen. Beispielsweise können in einigen Ausführungsformen eine oder mehrere Zwischenschichten aus TiN, AlTiN, TiC, TiCN oder Al₂O₃ zwischen der Düsenaußenfläche und der feuerfesten Schicht platziert sein. Zwischenschichten können jede gewünschte Dicke aufweisen, die den Zielen der vorliegenden Erfindung nicht zuwiderläuft. In einigen Ausführungsformen weist eine Zwischenschicht eine Dicke in dem Bereich von 100 nm bis 5 µm auf.
Wie hierin beschrieben, umfasst eine Düse des Lichtbogenbrenners einen ersten Körper mit einer zentralen Bohrung und einer äußeren Oberfläche. In einigen Ausführungsformen wird ein zweiter Körper in der zentralen Bohrung angeordnet, wodurch ein Kanal zwischen dem ersten Körper und dem zweiten Körper gebildet wird. Der zweite Körper kann beispielsweise konzentrisch in der zentralen Bohrung des ersten Körpers angeordnet sein. Auf ähnliche Weise kann die Düse einen zusätzlichen Körper umfassen, der in der zentralen Bohrung angeordnet ist, wobei ein Kanal zwischen dem zweiten Körper und dem zusätzlichen Körper gebildet wird. Die Kanäle, die zwischen dem ersten, zweiten und/oder zusätzlichen Körper gebildet werden, können mehrere Funktionen erfüllen, einschließlich als Passagen für Schutzgase, Wasserkühlung und/oder Pulver- oder Drahtschweißmaterial. Abhängig von der Funktion können die zweiten und/oder zusätzlichen Körper nicht beschichtet oder zumindest teilweise mit einer hierin beschriebenen feuerfesten Schicht beschichtet sein.
1 veranschaulicht eine perspektivische Ansicht einer beschichteten Düse gemäß einigen Ausführungsformen. Wie in 1 veranschaulicht, umfasst die Düse eine Außenfläche, auf die eine Beschichtung aufgebracht ist. In der Ausführungsform von 1 ist eine feuerfeste Schicht aus Ti_0.40Al_0.60N auf die Außenfläche aufgebracht. Die feuerfeste Schicht aus Ti_0.40Al_0.60N weist eine graue Farbe auf. Die Düse umfasst eine zentrale Öffnung zur Übertragung des von dem Brenner erzeugten Lichtbogens auf das Werkstück. Die Düse umfasst darüber hinaus zwei der zentralen Öffnung benachbarte Öffnungen. Diese Öffnungen können Schutzgas oder Pulverschweißmaterial transportieren. FIG: 2 ist ein rasterelektronenmikroskopischer Querschnitt der feuerfesten Schicht aus Ti_0.40Al_0.60N, die auf die Außenfläche der Düse aufgebracht ist.
Die Düse kann aus einem Material bestehen, das mit den Zielen der vorliegenden Erfindung übereinstimmt. In einigen Ausführungsformen ist die Düse beispielsweise aus Kupfer oder Kupferlegierung gebildet. Düsen, die hierin beschriebene Beschichtungen umfassen, können eine durchgängige Schweiß- oder Schneidlebensdauer aufweisen, die mehr als das Doppelte der Lebensdauer einer nicht beschichteten Düse beträgt. Eine durchgängige Schweiß- oder Schneidlebensdauer bezieht sich auf den Zeitraum, währenddessen der Brenner einen Lichtbogen erzeugt und bei einer Schweiß- oder Schneidoperation verwendet wird. Dementsprechend beinhaltet die durchgängige Schweiß- oder Schneidlebensdauer nicht den Zeitraum, währenddessen der Brenner keinen Lichtbogen erzeugt. In einigen Ausführungsformen weist die hierin beschriebene Düse eine durchgängige Schweiß- oder Schneidlebensdauer von mindestens 5 Stunden auf. Hierin beschriebene beschichtete Düsen können mit allen Arten von Lichtbogenbrennern genutzt werden, einschließlich Plasmalichtbogenbrennern, Plasmatransferlichtbogenbrennern, Plasmaschneidern und/oder Brennern für das MIG-Schweißen und WIG-Schweißen.
Die beschichtete Düse von 1 wurde einer Zeitspanne von 7 Stunden durchgängigen Schweißens einer Stellite-6-Legierung unterzogen. Die beschichtete Düse war Teil eines EXCALIBUR®-Brenners, der von Kennametal Stellite im Handel erhältlich ist. 3 ist ein Bild der Düse nach Abschluss der 7 Stunden. Auffälligerweise waren die zentrale und die benachbarten Öffnungen nicht durch Metallschmelzeablagerungen durch Schweißspritzer verstopft. Ein vergleichbarer nicht beschichteter Einsatz wurde ebenfalls durchgängigem Schweißen einer Stellite-6-Legierung unter Verwendung des EXCALIBUR®-Brenners unterzogen. Die nicht beschichtete Düse musste nach drei Stunden durchgängigen Schweißens ersetzt werden.
Verfahren zum Schweißen und/oder Schneiden
In einem weiteren Aspekt werden hierin Verfahren zum Schweißen oder Schneiden beschrieben. In einigen Ausführungsformen umfasst ein Verfahren das Bereitstellen eines Lichtbogenbrenners, der eine Düse umfasst, wobei die Düse einen ersten Körper beinhaltet, der eine zentrale Bohrung und eine Außenfläche sowie eine durch thermales Spritzen, physikalische Dampfabscheidung (PVD) oder chemische Dampfabscheidung (CVD) auf die Außenfläche aufgebrachte Beschichtung umfasst. Die Beschichtung umfasst eine feuerfeste Schicht, die ein oder mehrere metallische Elemente, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Aluminium, Silicium und metallischen Elementen der Gruppen IIIB-VIIIB des Periodensystems besteht, und ein oder mehrere nichtmetallische Elemente, die aus den Gruppen IIIA, IVA, VA und VIA des Periodensystems ausgewählt sind, beinhaltet. Ein Metall- oder Legierungswerkstück wird mit dem Lichtbogenbrenner geschweißt und/oder geschnitten. In einigen Ausführungsformen weist die beschichtete Düse eine durchgängige Schweiß- oder Schneidlebensdauer auf, die mehr als das Doppelte der Schweiß- oder Schneidlebensdauer einer nicht beschichteten Düse beträgt. Die in den hierin beschriebenen Verfahren genutzten Düsen können jegliche Zusammensetzung und/oder Eigenschaften aufweisen, die in dem vorstehenden Abschnitt I beschrieben sind. Hierin beschriebene beschichtete Düsen können mit allen Arten von Lichtbogenbrennern genutzt werden, einschließlich Plasmalichtbogenbrennern, Plasmatransferlichtbogenbrennern, Plasmaschneidern und/oder Brennern für das MIG-Schweißen und WIG-Schweißen.
Es wurden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung zur Erfüllung der verschiedenen Zwecke der Erfindung beschrieben. Es sollte erkannt werden, dass diese Ausführungsformen lediglich die Prinzipien der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Zahlreiche Modifikationen und Anpassungen davon sind für Fachleute auf dem Gebiet ohne Weiteres ersichtlich, ohne vom Sinn und Umfang der Erfindung abzuweichen.
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 Nicht-Patentliteratur

V. Valvoda, R. Kuzel, R. Cerny, D.S. Rafaja, J. Musil, C.Kadlec, A.J. Perry, Thin Solid Films 193/194 (1990) 401 [0011]

Claims

Düse für einen Lichtbogenbrenner, umfassend: einen ersten Körper, der eine zentrale Bohrung und eine Außenfläche umfasst; und eine Beschichtung, die durch physikalische Dampfabscheidung (PVD) oder chemische Dampfabscheidung (CVD) auf die Außenfläche aufgebracht wird, wobei die Beschichtung eine feuerfeste Schicht umfasst, die ein oder mehrere metallische Elemente, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Aluminium, Silicium und metallischen Elementen der Gruppen IIIB-VIIIB des Periodensystems besteht, und ein oder mehrere nichtmetallische Elemente, die aus den Gruppen IIIA, IVA, VA und VIA des Periodensystems ausgewählt sind, beinhaltet.
Düse nach Anspruch 1, wobei die feuerfeste Schicht eine Dicke von 1 µm bis 10 µm aufweist.
Düse nach Anspruch 1 oder 2, wobei die feuerfeste Schicht eine kritische Last (L_c) von mindestens 45 kgf aufweist.
Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die feuerfeste Schicht eine kritische Last (L_c) von mindestens 60 kgf aufweist.
Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die feuerfeste Schicht eine Druckrestbelastung von mindestens 2 GPa aufweist.
Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die feuerfeste Schicht eine Druckrestbelastung von 1-4 GPa aufweist.
Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die feuerfeste Schicht ein Oxid des einen oder der mehreren metallischen Elemente umfasst.
Düse nach Anspruch 7, wobei das Oxid ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Chromoxid, Yttria-stabilisiertem Zirkon und Aluminiumtitanoxid.
Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die feuerfeste Schicht Ti_1-x-yMe_yAl_xN umfasst, wobei Me ausgewählt ist aus den Gruppen IVB-VIB des Periodensystems und x > 0, y ≥ 0 und 0,3 ≤ x+y ≤ 0,9 sind.
Düse nach Anspruch 9, wobei 0,4 ≤ x+y ≤ 0,6 ist.
Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner einen zweiten Körper umfassend, der in der zentralen Bohrung angeordnet ist, wobei ein Kanal zwischen dem ersten Körper und dem zweiten Körper gebildet wird.
Düse nach Anspruch 11, ferner einen zusätzlichen Körper umfassend, der in der zentralen Bohrung angeordnet ist, wobei ein Kanal zwischen dem zweiten Körper und dem zusätzlichen Körper gebildet wird.
Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Düse eine durchgängige Schweiß- oder Schneidlebensdauer von mindestens 5 Stunden aufweist.
Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Düse eine durchgängige Schweiß- oder Schneidlebensdauer von mindestens 7 Stunden aufweist.
Verfahren zum Schweißen oder Schneiden, umfassend: Bereitstellen eines Lichtbogenbrenners, der eine Düse umfasst, wobei die Düse einen ersten Körper, der eine zentrale Bohrung und eine Außenfläche umfasst, und eine Beschichtung beinhaltet, die durch physikalische Dampfabscheidung (PVD) oder chemische Dampfabscheidung (CVD) auf die Außenfläche aufgebracht ist, wobei die Beschichtung eine feuerfeste Schicht umfasst, die ein oder mehrere metallische Elemente, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Aluminium, Silicium und metallischen Elementen der Gruppen IIIB-VIIIB des Periodensystems besteht, und ein oder mehrere nichtmetallische Elemente, die aus den Gruppen IIIA, IVA, VA und VIA des Periodensystems ausgewählt sind, beinhaltet; und Schweißen oder Schneiden eines Metall- oder Legierungswerkstücks mit dem Lichtbogenbrenner.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Düse eine durchgängige Schweiß- oder Schneidlebensdauer aufweist, die mehr als das Doppelte der Lebensdauer einer nicht beschichteten Düse beträgt.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei die feuerfeste Schicht eine Dicke von 1 µm bis 10 µm aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die feuerfeste Schicht eine kritische Last (L_c) von mindestens 45 kgf aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei die feuerfeste Schicht eine kritische Last (L_c) von mindestens 60 kgf aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei die feuerfeste Schicht eine Druckrestbelastung von mindestens 2 GPa aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, wobei die feuerfeste Schicht eine Druckrestbelastung von 1-4 GPa aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, wobei die feuerfeste Schicht ein Oxid des einen oder der mehreren metallischen Elemente umfasst.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei das Oxid ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Chromoxid, Yttria-stabilisiertem Zirkon und Aluminiumtitanoxid.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 23, wobei die feuerfeste Schicht Ti_1-x-yMe_yAl_xN umfasst, wobei ausgewählt ist aus den Gruppen IVB-VIB des Periodensystems und x > 0, y ≥ 0 und 0,3 ≤ x+y ≤ 0,9 sind.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei 0,4 ≤ x+y ≤ 0,6 ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 25, wobei die Düse ferner einen zweiten Körper umfasst, der in der zentralen Bohrung angeordnet ist, wobei ein Kanal zwischen dem ersten Körper und dem zweiten Körper gebildet wird.
Düse für einen Lichtbogenbrenner, umfassend: einen ersten Körper, der eine zentrale Bohrung und eine Außenfläche umfasst; und eine Beschichtung, die durch thermisches Spritzen auf die Außenfläche aufgebracht ist, wobei die Beschichtung eine feuerfeste Schicht umfasst, die ein oder mehrere metallische Elemente, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Aluminium, Silicium und metallischen Elementen der Gruppen IIIB-VIIIB des Periodensystems besteht, und ein oder mehrere nichtmetallische Elemente, die aus den Gruppen IIIA, IVA, VA und VIA des Periodensystems ausgewählt sind, beinhaltet.