DE1615269C - Verfahren zum Herstellen eines unter der Oberflache fortlaufenden, im Querschnitt geschlossenen Kanals in einem Werkstuck aus Metall - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines unter der Oberfläche fortlaufenden, im Querschnitt geschlossenen Kanals in einem aus einem definierte Werte bezüglich Wärmeleitfähigkeit, Dichte und Oberflächenspannung der Schmelze aufweisenden Metall oder einer solchen Metallegierung bestehenden Werkstück.

Es ist bereits bekannt, Kanäle in einem aus Metall bestehenden Werkstück mittels eines Bohrers herzustellen. Mit einem Bohrer lassen sich jedoch unter der Oberfläche fortlaufende, im Querschnitt geschlossene Kanäle sowohl mit'gekrümmtem Verlauf in ebenen Werkstücken als auch in räumlich gekrümmten Werkstücken schwerlich herstellen.

Es ist weiterhin bekannt, Werkstücke mit gekrümmt verlaufenden Kanälen durch Gießen herzustellen. Abgesehen davon, daß der Gießvorgang sehr schwierig auszuführen ist, wird in diesem Fall das Metallteil zugleich mit dem gewünschten Kanal hergestellt und nicht der Kanal nachträglich in ein Werkstück gearbeitet.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens der eingangs genannten Gattung, mit dem auch Kanäle mit gekrümmtem Verlauf in bereits fertige Werkstücke beliebiger Gestalt nachträglich eingearbeitet werden können.

Zu diesem Zweck sieht die Erfindung vor, daß ein Lichtbogen-Plasmabrenner mit seiner Brennerdüse, die in an sich bekannter Weise für die Bildung von zwei unterschiedlichen Gasströmen mit einem inneren und einem äußeren, ringförmigen Kanal versehen ist, im Abstand von dem Werkstück auf dessen Oberfläche gerichtet wird, daß die elektrische Leistung und die Gasströmung des Plasmabrenners so eingestellt werden, daß der Plasmastrahl bis etwa zu der Bodentiefe des vorgesehenen Kanals in das Werkstück eindringt, und daß das Material des Werkstücks bezüglich seiner Wärmeleitfähigkeit, Dichte und Oberflächenspannung der Schmelze so gewählt wird, daß bei einer Bewegung des Werkstücks und des Plasmabrenners relativ zueinander parallel zu dem gewünschten Kanalverlauf die aufgebrachte Wärme im Arbeitsbereich verbleibt und das geschmolzene Material unter dem Plasmagasdruck eine Brücke bildet, die während der Relativbewegung von Werkstück und Plasmabrenner erstarrt. Der Plasmastrahl, der Gas enthält, nimmt bei seinem Eindringen in das Material des Werkstückes bis etwa zu der Bodentiefe des vorgesehenen Kanals Gas mit, wodurch zwangläufig eine über das eingedrungene und eingeschlossene Gasvolumen greifende Brückenbildung der Schmelze herbeigeführt wird. Da das Material im geschmolzenen Zustand eine seiner Dichte entsprechende Oberflächenspannung aufweist, bricht die über das Gasvolumen verlaufende Brücke nicht auseinander. Wenn der Plasmastrahl mit einer der gewählten geringen Wärmeleitfähigkeit angemessenen Geschwindigkeit über das Werkstück bewegt wird, erstarrt die Brücke über dem eingeschlossenen Gasvolumen, bevor das Gas entweichten kann.

Vorteilhafterweise ist es bei dem erfindungsgeniäßen Verfahren nicht erforderlich, auch wenn in einem Werkstück beliebiger Gestalt unter der Oberfläche fortlaufende Kanäle mit gekrümmtem Verlauf erforderlich sind, das Werkstück als Einzelstück in einem schwierigen Gießvorgang direkt mit dem Kanal herzustellen. Vielmehr können erlinduiigsgemäß in bereits serienmäßig gefertigte Werkstücke beliebiger Gestalt nachträglich solche Kanäle mit jeder beliebigen Krümmung eingearbeitet werden.

Bevorzugt sind die beiden Gaskanäle der Brennerdüse für die Abgase unterschiedlicher Gasmengen ausgebildet und wird als Schutzgas Argon verwendet. Dabei strömt vorteilhafterweise das Gas in dem inneren, die Elektroden enthaltenden Kanal mit geringem Druck und in dem konzentrisch darumliegenden Schutzgaskanal mit hohem Druck.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung beispielsweise beschrieben; in dieser zeigt

ίο F i g. 1 schematisch in einer perspektivischen Ansicht das Verfahren gemäß der Erfindung,

F i g. 2 eine teilweise Schnittansicht einer Brennerdüse eines Lichtbogen-Plasmabrenners, der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wird, und

F i g. 3 und 4 perspektivisch Metallteile verschiedener Gestalt, in denen verschieden geformte, unter der Metalloberfläche fortlaufende Kanäle hergestellt werden.

In F i g. 2 ist die Brennerdüse 22 eines Lichtbogen-Plasmabrenners im Schnitt gezeigt, die eine Elektrode 2 aus Wolfram aufweist, die zentrisch in der Brennerdüse angeordnet ist. Der Strom wird über ein Kupferteil 4 geführt. Die Elektrode 2 liegt in einer zentralen Kammer, die durch einen zylindrischen Kanal in Form eines Rohres 6 gebildet wird, durch den ein inertes Gas unter geringem Druck strömt. Ein zweites konzentrisches Rohr 8 umschließt das Rohr 6, wobei im Zwischenraum zwischen den beiden Rohren ein Kühlmedium 10 vorgesehen ist, das Wasser sein kann, welches durch den Zwischenraum zirkuliert. Der äußere Teil des Gehäuses der Brennerdüse wird durch ein äußeres zylindrisches Rohr 12 gebildet. Durch den Zwischenraum zwischen diesem Rohr und dem Innenrohr 8 strömt unter hohem Druck ein inertes Gas, das als Schutzgas für den Plasmastrahl benutzt wird.

Diese äußere Gasströmung führt durch eine Filterlinse oder eine sonstige Einrichtung 14, die aus einem porösen Material bestehen kann, zur Konzentrierung

• der Gasströmung, wodurch die Gasströmung gerichtet und Turbulenz vermieden wird, so daß die Gasströmung als Schutzgasring genau nach unten gerichtet ist. Im Betrieb wird, wenn der Elektrode 2 elektrische Leistung zugeführt wird, um zwischen dem Ende der Wolframelektrode 2 und den Seitenflächen einer zentralen Öffnung 16 einen Lichtbogen zu zünden, das inerte Gas, das am Lichtbogen vorbeiströmt, ionisiert und in ein Plasma verwandelt, das in Form eines konzentrierten, sehr intensiven Strahles aus der Brennerdüse austritt, die mit der. Öffnung 16 zum Arbeitsstück hin gerichtet ist. Wenn die Gasströmung und der elektrische Strom für eine bestimmte Anwendung sorgfältig gesteuert werden, wird der gegen die Metalloberfläche gerichtete Plasmastrahl das Metallteil nur teilweise aufschmelzen, wobei — wenn gleichzeitig die Brennerdüse in seitlicher Richtung beim Abkühlen des Metalls weiterbewegt wird — sich beim Erstarren des Metalls ein unter der Oberfläche verlaufender, im Querschnitt geschlossener Kanal ausbildet.

Die Ausbildung des Kanals läßt sich am besten in F i g. 1 erkennen, in der ein Metallteil 20, in dem ein solcher Kanal hergestellt wird, auf eine geeignete Auflage gelegt ist, wobei die Brennerdüse 22 im Abstand oberhalb des Metallteils angeordnet ist. Die Elektrode der Brennerdüse ist mit einer Stromversorgung 24 verbunden. Die beiden von den Rohren gebildeten, ringförmigen Kanäle werden aus Vorratsbehältern 26 und 28 für den inneren bzw. äußeren Kanal mit inertem Gas versorgt. Der auf die Ober-

fläche des Metalls 20 auftreffende Plasmastrahl 30 dringt bis etwas unterhalb der unteren gestrichelten Linie 32 des herzustellenden Kanals ein. Wenn nun die Brennerdüse weiterbewegt wird, erstarrt das Metall über der oberen gestrichelten Linie, die bei 34 dargestellt ist, wobei ein unter der Oberfläche fortlaufender Kanal 36 entsteht. Es kann entweder die Brennerdüse längs der Oberfläche des Metallteils 20 in Richtung des Pfeiles weiterbewegt oder das Metallteil in entgegengesetzter Richtung unter der Brennerdüse entlanggezogen werden.

Um die erwünschten Abmessungen des Kanals im Metallteil zu erhalten, darf der Plasmastrahl nicht vollständig durch das Material des Metallteils hindurchdringen', sondern er darf nur in eine vorgegebene Tiefe eindringen. Die Leistung der Brennerdüse muß so geregelt werden, daß der Plasmastrahl nur teilweise eindringt, wobei für jeden besonderen Fall eine sorgfältige Einstellung erforderlich ist. Die Tiefe, in der sich der Kanal bildet, wird durch die Eindringtiefe des Plasmastrahls bestimmt, und die Größe ist abhängig von der Größe der öffnung 16 der Brennerdüse 22.

Bei einem Blech aus einer Titanlegierung mit einer Dicke von 7,5 mm wurde mit einem Austrittsdurchmesser der Brennerdüsenöffnung von etwa 3,5 mm ein Kabel mit einem Durchmesser von etwa 3,2 mm hergestellt. Bei einem Öffnungsdurchmesser von 2,8 mm betrug der Durchmesser des erzeugten Kanals

Wesentlich sind die Werkstoffeigenschaften des zu bearbeitenden Materials wie Dichte, Oberflächenspannung im geschmolzenen Zustand und Wärmeleitfähigkeit. Die Wärmeleitfähigkeit muß so niedrig sein, daß die aufgebrachte Wärme im Arbeitsbereich verbleibt und nicht durch Wärmeleitung sofort abgeleitet wird. Die Oberflächenspannung des geschmolzenen ■ Metalls muß so groß sein, daß das geschmolzene Material unter dem Gasdruck des Plasmastrahls in der gewünschten Form des Kanals an seiner Stelle verharrt.

Die Dichte des Materials ist wesentlich, da die Gasdruckkräfte des Plasmastrahls bei einem sehr dichten Material ein besonders hohes Gewicht beim Bilden des Kanals aufnehmen müssen. '

Das Verfahren gemäß der Erfindung wurde erfolgreich bei Titanlegierungen angewandt, es ist aber auch bei Kohlenstoffstählen anwendbar.

Als Beispiel für ein zufriedenstellendes Ergebnis seien die folgenden Daten mitgeteilt: Bei Herstellung eines Kanals in einem ebenen Teil aus einer Titanlegierung, das eine Dicke von etwa 6,35 mm aufwies, wurden für die elektrische Leistung, den Gasstrom und die mechanische Vorschubbewegung folgende Werte eingestellt:

Elektrische Leistung

Strom 168 bis 175 A

SDannun'e 26 V

Gasstrom

lnnenkanal 2<s3 l/h Argon,

85 l/h Helium

Außenkanal 1840 l/h Argon

Vorschubgeschwindigkeit 100 mm/Min.

Mit diesen Werten wurde ein zufriedenstellender, unter der Oberfläche verlaufender Kanal in dem Teil hergestellt, dessen Länge nur davon abhängig war, wie lange die Leistung eingeschaltet war und die Bewegung fortgesetzt wurde.

Die Bewegung muß nicht unbedingt in einer geraden Linie erfolgen, sondern kann jedem gewünschten Verlauf folgen, wie es beispielsweise in F i g. 3 dargestellt ist, in der eine Platte 20' mit einem U-förmig ausgebildeten länglichen Kanal 40 dargestellt ist, der in ähnlicher Weise hergestellt wird, wie an einer Bandsäge ein Teil mit der gewünschten Form ausgeschnitten wird.

F i g. 4 zeigt eine weitere Möglichkeit, bei der ein halbzylindrisches Teil 20" mit einem länglichen Kanal ausgebildet wird, der zu einem bogenförmigen Kanal wird, wenn die in der Zeichnung dargestellte Herstellung des Kanals weiter fortgesetzt wird. Im dargestellten Fall kann es sich beispielsweise um ein Lager handeln, in dem ein solcher Kanal hergestellt werden soll. Die Herstellung solcher Kanäle durch Bohren ist unmöglich, während die Herstellung durch Gießen sehr schwierig ist. Das beschriebene Verfahren zeigt eine sehr einfache Möglichkeit auf, derartige, unter der Oberfläche verlaufende Kanäle herzustellen. Dabei lassen sich auch Abweichungen von regclmäßigen geometrischen Verläufen ohne weiteres vcrwirkliehen, da dazu nur die beiden Teile relativ zueinander auf dem gewünschten Weg bewegt werden müssen, wobei nur der Abstand zwischen dem Metallteil und der Brennerdüse bei gleicher Materialdicke beibehalten werden muß, wenn die Gasversorgung und die elektrischen Werte einmal eingestellt sind.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen eines unter der Oberfläche fortlaufenden, im Querschnitt geschlossenen Kanals in einem aus einem definierte Werte bezüglich Wärmeleitfähigkeit. Dichte und Oberflächenspaiinungder Schmelze aufweisenden Metall oder einer solchen Metallegierung bestehenden Werkstück, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lichtbogen-Plasmabrenner mit seiner Brennerdüse (22), die in an sich bekannter Weise für die Bildung von zwei unterschiedlichen Gasströmen mit einem inneren (6) und einem äußeren, ringförmigen Kanal (12) versehen ist, im Abstand von dem Werkstück (20) auf dessen Oberfläche gerichtet wird, daß die elektrische Leistung und die Gasströmung des Plasmabrenners so eingestellt werden, daß der Plasmastrahl (30) bis etwa zu der Bodentiefe (32) des vorgesehenen Kanals (36) in das Werkstück (20) eindringt, und daß das Material des Werkstückes (20) bezüglich seiner Wärnieleitfähigkeit, Dichte und Oberflächenspannung der Schmelze so gewählt wird, daß bei einer Bewegung des Werkstückes (20) und des Plasmabrenners relativ zueinander parallel zu dem gewünschten Kanalverlauf die aufgebrachte Wärme im Arbeitsbereich verbleibt und das geschmolzene Material unter dem Plasmagasdruck eine Brücke bildet, die während der Relativbewegung von Werkstück ^{und Plasmabrenner} erstarrt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- «lehnet _ daO die _beiden Gaskanale (6 12) der Brennerdüse (22) fur die Abgabe untersch.edhchcr Gasmengen ausgebildet sind und daß als Schutzgas Argon verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas in dem inneren, die Elektroden (2) enthaltenden Kanal (6) mit geringern Druck und in dem konzentrisch duruniliegenden Schutzgaskanal (12) mit hohem Druck strömt.