DE19654336C1 - Oberflächenbehandlung von metallischen Bändern mittels magnetisch bewegten Lichtbogen - Google Patents

Description

Das Prinzip des magnetisch bewegten Lichtbogens ist aus der Schweißtechnik bereits seit langem bekannt. Nachfolgend wird die magnetisch angetrie­ bene zyklische Bewegung des Lichtbogens entlang einer beliebig gestalteten geschlossenen Bahn kurz "Rotation" genannt. Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Behandlung der Oberfläche von ebenen Metallbändern mittels rotierendem Lichtbogen zur Oberflächenfeinreini­ gung, zur Oberflächenstrukturierung und/oder zur Wärmebehandlung. Die Wärmebehandlung dient der Gefügeveränderung und/oder der Erzeugung speziel­ ler Oberflächenschichten durch nachfolgende Beaufschlagung mit Reaktionsgasen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird unter anderem zur Oberflächenfeinreinigung und -strukturierung von Band bei der Verbunddrahther­ stellung eingesetzt. Bei der Erzeugung von Ver­ bunddrähten wird kontinuierlich um einen Kerndraht ein Metallrohr geschweißt. Durch nachfolgendes gemeinsames Ziehen wird der Mantelwerkstoff auf den Kern gepreßt und durch gemeinsame Umformung ein Verbundwerkstoff hergestellt. Das setzt vor­ aus, daß die zu plattierenden Oberflächen metal­ lisch blank sind und eine glatte, porenfreie Ober­ fläche haben.

Entsprechend dem Stand der Technik wird die Ober­ fläche durch mechanische Bearbeitung mit Bürsten unmittelbar vor der Plattierung gereinigt. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß sich die Bürsten mit zunehmender Einsatzdauer mit Fremdstoffen beladen und mechanisch verschleißen. Infolgedessen kommt es zu einer Kontamination der zu plattierenden Flächen mit unerwünschten Fremd­ stoffen und Bürstenabrieb.

In der Patentschrift DE 42 11 167 A1 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierli­ chen thermischen Oberflächenbehandlung von metal­ lischen Langprodukten (z. B. Drähten oder Rohren) beschrieben. Das Ziel dieses Verfahrens besteht darin, mittels rotierendem Lichtbogen feinfühlig steuerbar einen gleichmäßigen Energieeintrag über die gesamte Materialoberfläche zu erreichen. Diese Vorrichtung ist ausschließlich für stabförmige Materialien geeignet.

Eine Vorrichtung zur Behandlung von ebenen Me­ talloberflächen mittels magnetisch bewegtem Licht­ bogen wird in der WO 95/25420 be­ schrieben. Bei dieser Vorrichtung läuft der Licht­ bogen auf einer ebenen geschlossenen Elektroden­ bahn, angetrieben durch ein dazu senkrechtes Mag­ netfeld. Bei der beschriebenen Vorrichtung wird das Magnetfeld durch Elektro- oder Permanentmagne­ te erzeugt und mittels Polschuhen in die Nähe der Lichtbogenlauflinie geleitet. Durch die erforder­ liche Nähe der Polschuhe zum Lichtbogen und zur Werkstückoberfläche treten eine Reihe von Problemen auf, insbesondere hinsichtlich der Kühlung, der elektrischen Isolation und der Beladung der Pol­ schuhe mit Stoffen, die durch den Lichtbogen von der Oberfläche freigesetzt werden und zu einer Wiederverunreinigung der Oberfläche führen können. Bei dieser Anordnung besteht die Gefahr, daß durch Bildung von elektrisch leitfähigen Ansätzen an den Polschuhen im Verlauf des Behandlungsprozesses der Lichtbogen zwischen Polschuhen und Elektrode oder zwischen Polschuhen und Werkstückoberfläche brennt, was zu einer Minderung der Qualität der Ober­ flächenbehandlung und zu einer Zerstörung der Elektrode bzw. Polschuhe führt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, welche die Oberflächenbehandlung von Metallbändern mittels magnetisch bewegtem Lichtbo­ gen auf eine Weise ermöglicht, die die mit dem Stand der Technik verbundenen Nachteile vermeidet. Die Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden durch die Ansprüche 1 bis 14 beschrieben.

Gemäß der Erfindung wird ein Metallband 3, das als Katode (-) gepolt ist, durch eine Vorrichtung für die Bandbehandlung geführt, die im wesentlichen aus einer als Anode (+) gepolten Gegenelektrode 1, und paarweise sowohl symmetrisch zur Mittelachse der Gegenelektrode als auch zur Bandoberfläche ange­ ordneten Elektromagneten und/oder Permanentmagneten 2 besteht. Die Magnete werden so gepolt, daß sich gleichnamige Pole gegenüberstehen. Die durch die Kontur der Gegenelektrode vorgegebene Lichtbogen­ bahn kann nahezu beliebig gestaltet sein, im einfachsten Fall als Kreisbahn. Die Gestalt des Magnetfeldes wird durch die Form, die Stärke und die Lage der Magnete so auf die Kontur der Gegenelektrode abge­ stimmt, daß die magnetischen Feldlinien senkrecht auf der Tangente an den Querschnitt der Gegenelek­ trode bzw. die Lichtbogenbahn und parallel zu der durch die Lichtbogenbahn umschriebenen Fläche liegen. An das Metallband und die Gegenelektrode wird eine Gleichspannungsquelle, die einen kon­ stanten Lichtbogenstrom liefert, angeschlossen, und durch eine geeignete Zündvorrichtung wird ein Lichtbogen gezündet. Die durch die Wechselwirkung des antreibenden Magnetfeldes mit dem Eigenmagnet­ feld des Bogens entstehende Kraftwirkung auf den Bogen bewegt den Bogen entlang der durch die Gegenelektrode vorgeschriebenen Bahn.

Die Lichtbogenbehandlung erfolgt unter Schutzgas bei Normaldruck in einem gegenüber der Umgebung abgekapselten Raum 6 (Fig. 2a), durch den das Band 3 hindurchgeführt wird.

Zur Einstellung und Erhaltung der Schutzgasatmo­ sphäre im Behandlungsraum wird während der Behand­ lung ständig durch die Einlaßöffnung 9 Schutzgas zugegeben.

Der durch den rotierenden Lichtbogen bewirkte Effekt hängt wesentlich von der Lichtbogenstrom­ stärke und der Lichtbogengeschwindigkeit sowie der Bandgeschwindigkeit und der Art und Struktur der Bandoberfläche selbst ab. Die Geschwindigkeit des rotierenden Lichtbogens ist abhängig von der Lichtbogenlänge, dem Lichtbogenstrom, dem Magnet­ feld sowie der Zusammensetzung und Viskosität des Schutzgases.

Die Zusammensetzung und die Temperatur der Schutz­ gasatmosphäre haben einen wesentlichen Einfluß, wobei mit abnehmender Viskosität des Schutzgases die Lichtbogengeschwindigkeit ansteigt. Als Schutzgas kommen verschiedene Inertgase und deren Gemische zum Einsatz, vorzugsweise ein Gemisch aus Helium und Argon. Je höher der Anteil von Helium ist, um so schneller rotiert der Lichtbogen und um so gleichmäßiger ist der Energieeintrag. Gleich­ zeitig nimmt jedoch die Zündwilligkeit des Licht­ bogens ab.

Durch gezielte Wahl der Parameter Bandgeschwindig­ keit, Elektrodenabstand, Stromstärke, Magnet­ feldstärke, Schutzgasmenge und -zusammensetzung kann die Bogenrotation entsprechend der angestreb­ ten Oberflächenqualität gesteuert werden.

Die Stabilität des rotierenden Lichtbogens hängt in großem Maße von der Art und Weise der Stromzu­ führung zum bewegten Band ab. Bei einseitiger Stromzuführung kann der aus der Schweiß­ technik bekannte "Blaseffekt" dazu führen, daß auf den Bogen nicht nur eine zur Lichtbogenlaufli­ nie tangentiale Kraftkomponente wirkt, sondern zusätzlich auch eine dazu senkrechte. Überschrei­ tet diese einen kritischen Wert, wird der Lichtbo­ gen zum Verlassen der Gegenelektrode gezwungen und verlischt. Das Verlöschen und Neuzünden des Bogens mindert die Qualität der behandelten Oberfläche. Das wird dadurch vermieden, daß die Stromzuführung zum Band direkt unterhalb der durch die Geometrie der Gegenelektrode vorgegebenen Lichtbogenlaufli­ nie erfolgt, vorzugsweise durch Andrücken federnd gelagerter Kohlebürsten 4.

Bei der Lichtbogenbehandlung wird den Metallbän­ dern Wärmeenergie zugeführt. Falls durch die Lichtbogenbehandlung ausschließlich eine Oberflä­ chenreinigung und/oder -modifizierung erfolgt und eine Veränderung der Bandeigenschaften durch eine Temperaturerhöhung vermieden werden soll, muß das Band während der Behandlung erfindungsgemäß auf einer gekühlten Unterlage 5 geführt werden, welche dem Band die durch den Lichtbogen zugeführ­ te Wärmeenergie bereits während der Behandlung zum großen Teil wieder entzieht. Insbesondere bei der Behandlung von dünnen Bändern bei kleiner Band­ geschwindigkeit ist eine gleichzeitige Kühlung erforderlich, um eine starke Erwärmung bis hin zu Aufschmelzungen der Bandoberfläche auszuschließen.

Bei einer Wärmebehandlung mittels rotierendem Lichtbogen erfolgt die Kühlung nicht während, sondern- nach der Lichtbogenbehandlung. Dazu schließt sich an den Lichtbogenbehandlungsraum ein abgeschlossener Reaktionsraum 14 (Fig. 3 ) an, der über die Gaseinlaßöffnung 13 mit Inertgas beaufschlagt wird. Die Größe des Reaktionsraumes wird entsprechend der erforderlichen Reaktionszeit in Abhängigkeit von der Bandgeschwindigkeit einge­ stellt.

Zur Schaffung spezieller Oberflächenschichten auf dem Band wird durch die Lichtbogenbehandlung eine reaktionsfreudige Oberfläche geschaffen, und durch Zugabe von reaktiven Stoffen, z. B. vorgeheizten Reaktionsgasen, über die Einlaßöffnung 13 in den Reaktionsraum 14 kann eine chemische Umwandlung oder eine Beschichtung der behandelten Oberfläche erreicht werden.

Die Lichtbogenlauffläche der Gegenelektrode 1 wird durch den rotierenden Lichtbogen ebenfalls aufgeheizt. Da eine Erwärmung und Anschmelzung der Gegenelektrode aus Verschleißgründen auf jeden Fall vermieden werden muß, wird diese aus einem Material mit guter elektrischer und Wärmeleitfä­ higkeit, z. B. Kupfer oder Kupferlegierungen, her­ gestellt und durch eine Kühlvorrichtung gekühlt.

Der seitliche Abstand der Gegenelektrode und damit des Lichtbogens von den Bandkanten darf einen minimalen Abstand in Höhe des 0,1-fachen Abstandes Gegenelektrode-Bandoberfläche nicht unterschrei­ ten, um eine Überhitzung und/oder Anschmelzung der Bandkanten zu vermeiden.

Die Haltevorrichtung der Gegenelektrode wird so ausgeführt, daß der Abstand der Gegenelektrode vom Band und damit die Lichtbogenlänge vor und/oder während der Behandlung definiert eingestellt wer­ den kann.

Die Wände des Behandlungsraumes 6 werden ge­ kühlt, um das Aufheizen der Schutzgasatmosphäre und damit eine Erhöhung der Viskosität des Schutz­ gases zu verhindern und um das Ablagern von Stof­ fen, die bei der Behandlung von der Bandoberfläche abgegeben werden, zu beschleunigen.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Magnete und der Gegenelektrode werden die mit dem Stand der Technik verbundenen Nachteile beseitigt, da keine Polschuhe mehr erforderlich sind. Die Gegen­ elektrode kann wesentlich kompakter gebaut werden. Die Kühlung kann effektiv und ohne großen techni­ schen Aufwand realisiert werden. Die an den ge­ kühlten Wänden sich ablagernden Stoffe können leicht vollständig entfernt werden. Mit der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung ist es erstmals möglich, sowohl eine Oberflächenreinigung als auch eine Wärmebehandlung durchzuführen.

Weiterhin verringert sich der Fertigungsaufwand für die gesamte Vorrichtung wesentlich gegenüber dem Stand der Technik.

Nachfolgend wird die Erfindung an drei Ausfüh­ rungsbeispielen erläutert.

1. Ausführungsbeispiel

Als 1. Ausführungsbeispiel wurde die in Fig. 2 gezeigte Anordnung gewählt. Die Gegenelektrode ist als zylindrische Hohlelektrode 1, die einseitig verschlossen ist und von innen mit Wasser gekühlt wird, ausgebildet. Ein zylinderförmiger Permanent­ magnet 2 befindet sich in dem wassergekühlten Innenraum. Die Gegenelektrode wird mittig über dem Band elektrisch isoliert 7 angeordnet und hat an beiden Seiten einen seitlichen Abstand von 15% des Abstandes Gegenelektrode-Bandoberfläche zu den Bandkanten. Das straff gezogene Band 3 wird gleitend über ein wassergekühltes Gleitstück 5 aus einer verschleißfesten Legierung mit guter elektrischer und Wärmeleitfähigkeit, z. B. einer Kupfer-Aluminiumlegierung, geführt. Dieses Gleit­ stück übernimmt vier Funktionen. Erstens wird das Band in der Höhe festgelegt. Zweitens erfolgt die Stromzufuhr über das Gleitstück zum Band. Zur Verbesserung der Stromübertragung werden in das Gleitstück mehrere Kohlebürsten 4 gegenüber der durch die Gegenelektrode vorgegebenen Lichtbogen­ lauflinie eingebracht, die federnd gelagert gegen das fest aufliegende Band drücken. Drittens wird die auf das Band übertragene Wärmeenergie gleich­ zeitig über das Gleitstück abgeführt. Viertens dient das Gleitstück als Aufnahme für den zweiten Magneten 2 unterhalb des Bandes, der bezüglich der Fläche durch die Mitte zwischen Gegenelektrode und Bandoberkante symmetrisch zu dem oberen Magne­ ten in der Gegenelektrode justiert wird. Die den Bogenraum umschließenden Wände 6 bestehen aus nicht­ magnetischem Metall und sind mit einer Kühl­ vorrichtung versehen. Der bis auf den Bandeintritt und Bandaustritt geschlossene Bogenraum wird ge­ genüber der Außenatmosphäre durch eine Eintritts- und Austrittsdichtung 8 abgedichtet. In der den Bogenraum umgrenzenden Wand befindet sich eine mit einem Anschluß versehene Öffnung 9 für die Schutzgaszugabe.

2. Ausführungsbeispiel

Als zweites Ausführungsbeispiel wurde die in Fig. 3 dargestellte Anordnung gewählt. Diese Anordnung kann insbesondere für die Wärmebehandlung von Bändern mittels rotierenden Lichtbogen eingesetzt werden. Die Anordnung der Magnete 2 ist analog dem 1. Ausführungsbeispiel. Die Stromzuführung erfolgt über Kohlebürsten 4, die unterhalb der Lichtbogenlauflinie durch Federn von unten auf das Band 3 aufgedrückt werden. Im Gegensatz zu dem ersten Ausführungsbeispiel wird das Band während der Lichtbogenbehandlung nicht durch den Kontakt mit einem Gleitstück gekühlt, dadurch zunächst auf die erforderliche Temperatur aufgeheizt und nach der Oberflächen- und/oder Wärmebehandlung mittels zweier teilweise umschlungener gekühlter Umlen­ krollen 10 wieder abgekühlt. Der Energieeintrag nimmt mit zunehmender Lichtbogenstromstärke und abnehmender Bandgeschwindigkeit zu. Der Kühlrol­ lenraum 11 kann mit einer speziellen Gasatmos­ phäre über die Gaseintrittsöffnung 12 beaufsch­ lagt werden. Der Kühlrollenraum und der Behand­ lungsraum 6 sind durch einen mit Gasdichtungen 8 abgeschotteten Reaktionsraum 14 miteinander verbunden.

Soll durch die Wärmebehandlung ausschließlich eine Gefügeveränderung bewirkt werden, wird im Rea­ ktionsraum und im Kühlrollenraum eine Inertgasat­ mosphäre (z. B. Argon) aufrechterhalten.

3. Ausführungsbeispiel

Als drittes Ausführungsbeispiel wurde in in Fig. 4 dargestellte Anordnung gewählt. Anstelle des Gleitstückes bzw. der Kohlebürsten läuft das zu behandelnde Band 3 über eine wassergekühlte Rolle 15. Zwei Permanentmagnete 2 werden sym­ metrisch zum einen oberhalb in der Gegenelektrode 1 und zum anderen innerhalb der Rolle 15 ju­ stiert. Die Rolle aus einer verschleißfesten Le­ gierung mit guter elektrischer und Wärmeleitfähig­ keit dient zur räumlichen Fixierung des Bandes, zur Stromübertragung zum Band und zur Kühlung des Bandes. Die Lichtbogenlauffläche der Gegenelektro­ de wird so gestaltet, daß der Abstand zwischen Elektrode 1 und Bandoberfläche 3 an allen Punkten gleich ist. Durch die gekrümmte Oberfläche der Rolle ist die Symmetrie entlang der Lichtbo­ genbahn zwischen den Magneten nicht vollständig gegeben. Die Abweichung hat jedoch keinen nennens­ werten Einfluß auf die Lichtbogenrotation, solange der Rollendurchmesser mindestens 5 mal so groß ist wie der Durchmesser der Gegenelektrode. Die Elek­ trode wird elektrisch isoliert aufgehängt 7. Der Lichtbogenraum wird durch gekühlte Wände 6 und Dichtungen am Bandeinlauf und Bandauslauf gegenüber der Umgebung abgeschottet. Durch die Gaseintrittsöffnung 9 wird zur Aufrechterhaltung einer Schutzgasatmosphäre Schutzgas zugegeben.

Claims (14)

1. Vorrichtung zur kontinuierlichen Behandlung der Oberfläche und/oder zur kontinuierlichen Wärmebehandlung von Metallbändern mittels eines zwischen dem als Katode gepolten Band (3) und einer als Anode gepolten Gegenelektrode (1) magnetisch zyklisch bewegten Lichtbogens, dadurch gekennzeichnet, daß das den Lichtbogen antreibende Magnetfeld durch paarweise sowohl symmetrisch zur Mittelachse der Gegenelektrode als auch zur Bandoberfläche angeordnete, mit gleichnamigen Polen sich gegenüberliegende Elektro- und/oder Permanentmagnete (2) erzeugt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gestalt der Gegenelektrode und die Gestalt der Magnete, die das Magnetfeld erzeugen, so aufeinander abgestimmt sind, daß die magnetischen Feldlinien entlang der durch die Gegen­ elektrode vorgegebenen Lichtbogenbahn senkrecht auf der Tangente an den Querschnitt der Gegenelektrode oder an die Lichtbogenbahn stehen und nahezu parallel zu der durch die Lichtbogenbahn umschriebenen Fläche liegen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum, in dem sich der Lichtbogen bewegt, durch gekühlte Wände (6) umschlossen und mit Schutzgasatmosphäre beaufschlagt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum als Behandlungsraum mit Banddurchführungen und einer oder mehreren Schutzgaseinlaßöffnungen (9) ausgebildet ist und Dichtungen (8) die Banddurchführungen abdichten.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode (1) aus einem Material mit guter elektrischer und Wärmeleitfähigkeit, insbesondere aus Kupfer oder Kupferlegierungen, hergestellt und durch eine Kühlvor­ richtung gekühlt ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Gegenelektrode zum Band durch eine ver­ stellbare Haltevorrichtung vor und/oder während der Behandlung definiert einstellbar ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode so ausgeführt ist, daß als seitlicher Abstand der Gegenelektrode von den Bandkanten das 0,1-fache des Abstandes zwischen Gegenelektrode und Bandoberfläche nicht unterschritten wird.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzuführung zum Band und die Kühlung des Bandes während der Behandlung mittels eines gekühlten Bandgleitstückes (5) aus Metall mit hoher elektrischer und Wärmeleitfähigkeit erfolgt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 für die Feinreinigung und Oberflächenbehandlung von Bändern, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzuführung zum Band zusätzlich durch mindestens sechs in das Bandgleitstück integrierte, federnd gelagerte Kohlebürsten (4) erfolgt, die gegenüber der durch die Gegenelektrode vorgegebenen Lichtbogenbahn unterhalb des Bandes angebracht werden.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 für die Feinreinigung und Oberflächenbehandlung von Bändern, dadurch gekennzeichnet, daß die Fixierung des Bandabstandes von der Gegenelektrode, die Stromzuführung zum Band und die Kühlung des Bandes während der Behandlung mittels einer vom Band teilweise umschlungenen gekühlten Rolle (15) aus Metall mit hoher elektrischer und Wärmeleitfähigkeit realisierbar sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 für die Wärmebehandlung von Bändern, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzuführung ausschließlich über Kohlebürsten erfolgt, die unterhalb der Lichtbogenbahn durch Federn von unten an das Band drücken, und die Abkühlung des Bandes danach mittels einer Kühlvorrichtung, die z. B. aus teilweise umschlungenen gekühlten Rollen (10) besteht, erfolgt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß sich unmittelbar an den Behandlungsraum ein abgeschlossener Reaktionsraum (14) mit Inertgasatmosphäre anschließt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß sich für die Beeinflussung der Oberfläche von Bändern unmittelbar an den Behandlungsraum ein abgeschlossener Reaktionsraum (14) mit Reaktionsgasatmosphäre anschließt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Behandlungsraum, der Reaktionsraum und der Abkühlraum gegeneinander und nach außen mittels Dichtungen (8) abge­ schottet sind.