DE19747383A1

DE19747383A1 - Verbinden von Werkstücken

Info

Publication number: DE19747383A1
Application number: DE19747383A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Heinrich; Heinrich Prof Dr Ing Kreye
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde Gas AG
Priority date: 1997-10-27
Filing date: 1997-10-27
Publication date: 1999-04-29
Also published as: EP0911423A1; DE59811830D1; EP0911423B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Werkstücken, sowie einen Werkstückverbund umfassend ein erstes Werkstück, ein zweites Werkstück und eine Verbindung zwischen beiden Werkstücken.

In der industriellen Fertigung werden Verbindungen von Werkstücken oder Teilen unterschiedlichster Art und Geometrie benötigt. Die Anforderungen an die Eigenschaf ten der Verbindungen sind dabei unterschiedlich. Besondere Schwierigkeiten bereitet die Herstellung von Verbindungen von Werkstücken, die sich in der Geometrie und/oder im Material stark unterscheiden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verbinden von Werkstücken aufzuzeigen, welches das Verbinden von Werkstücken vereinfacht, verbilligt oder überhaupt erst ermöglicht. Insbesondere sollte ein Verbinden von sich in der Geometrie und/oder im Material stark unterscheidenden (hinsichtlich der Material zusammensetzung wie auch hinsichtlich der Materialeigenschaften) Werkstücken er möglicht werden.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß durch thermisches Spritzen eine Spritz schicht oder mehrere Spritzschichten hergestellt werden, welche zumindest teilweise eine Oberfläche eines ersten Werkstückes und zumindest teilweise eine Oberfläche eines zweiten Werkstückes überdecken, wobei ein pulverförmiger Zusatzwerkstoff mittels eines Gases auf die zu beschichtenden Oberflächen geleitet wird.

Es können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens Werkstücke aus unterschied lichen Werkstoffen verbunden werden. Die unterschiedlichen Werkstoffe können dabei sein:

- Metalle oder Metallegierungen mit sehr unterschiedlichem Schmelzpunkt,
- Metalle oder Metallegierungen mit unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit oder unterschiedlichem Wärmeausdehnungsverhalten,
- Metalle oder Metallegierungen, die beim gemeinsamen Aufschmelzen und der damit verbunden Durchmischung anschließend beim Abkühlen spröde inter metallische Phasen bilden, welche die Festigkeit der Verbindung beeinflussen,
- Metall-Keramikverbindungen.

Ferner können sich die zu verbindenden Werkstücke hinsichtlich ihrer Geometrie stark unterscheiden. So kann das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise für das Be festigen von Stegen oder Versteifungen bei insbesondere dünnwandigen Konstruktio nen mit Vorteil eingesetzt werden.

Für die überwiegende Zahl der Anwendungen wird es in der Regel genügen, daß ledig lich eine Spritzschicht hergestellt wird. Es können aber auch zwei oder mehrere Spritz schichten aufgetragen werden. Dies ist beispielsweise für erste aufgespritzte Schich ten sinnvoll, die eine besonders hohe Haftfestigkeit und/oder eine besonders gute Haftung auf beiden Werkstücken besitzen oder bei denen der Werkstoff einen dem Material des Werkstückes angenäherten thermischen Ausdehnungskoeffizienten be sitzt. Derartige erste Spritzschichten sind beispielsweise von Bedeutung, wenn eines der zu verbindenden Werkstücke aus Glas oder Keramik besteht und die Verbindung Temperaturwechseln ausgesetzt werden soll. Ausführungen zur erfindungsgemäßen Herstellung einer Spritzschicht gelten entsprechend auch für Fälle mit mehreren Spritz schichten.

In jedem Fall entsteht auf die beschriebenen Art und Weise ein Werkstückverbund aus einem ersten Werkstück und einem zweiten Werkstück mit einer Verbindung zwischen beiden Werkstücken aus einer durch thermisches Spritzen erzeugten Spritzschicht oder aus mehreren durch thermisches Spritzen erzeugten Spritzschichten, welche zumindest teilweise eine Oberfläche des ersten Werkstückes und zumindest teilweise eine Oberfläche des zweiten Werkstückes überdeckt bzw. überdecken.

Das thermische Spritzen zum Beschichten kennt als Verfahrensvarianten das auto gene Flammspritzen oder das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, das Lichtbogen spritzen, das Plasmaspritzen, das Detonationsspritzen und das Laserspritzen.

Thermische Spritzverfahren werden in allgemeiner Form beispielsweise in

- Übersicht und Einführung in das "Thermische Spritzen", Peter Heinrich, Linde-Berichte aus Technik und Wissenschaft, 52/1982, Seiten 29 bis 37,

oder

- Thermisches Spritzen - Fakten und Stand der Technik, Peter Heinrich Jahrbuch Oberflächentechnik 1992, Band 48, 1991, Seiten 304 bis 327, Metall-Verlag GmbH,

beschrieben.

Thermische Spritzverfahren zeichnen sich im wesentlichen dadurch aus, daß sie gleichmäßig aufgetragene Beschichtungen ermöglichen. Durch thermische Spritz verfahren aufgetragene Beschichtungen können durch Variation der Spritzmaterialien an unterschiedliche Anforderungen angepaßt werden. Die Spritzmaterialien können dabei in Form von Drähten, Stäben oder als Pulver verarbeitet werden. Beim thermi schen Spritzen kann zusätzlich eine thermische Nachbehandlung vorgesehen sein.

In Ausgestaltung der Erfindung wird der pulverförmige Zusatzwerkstoff auf die zu be schichtende Oberflächen geleitet, ohne daß die Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes im Gasstrahl geschmolzen werden.

In jüngerer Zeit wurde darüber hinaus ein weiteres thermisches Spritzverfahren ent wickelt, welches auch als Kaltgasspritzen bezeichnet wird. Es handelt sich dabei um eine Art Weiterentwicklung des Hochgeschwindigkeits-Flammspritzens mit Pulver. Dieses Verfahren ist beispielsweise in der europäischen Patentschrift EP 0 484 533 B1 beschrieben. Beim Kaltgasspritzen kommt ein Zusatzwerkstoff in Pulverform zum Ein satz. Die Pulverpartikel werden beim Kaltgasspritzen jedoch nicht im Gasstrahl ge schmolzen. Vielmehr liegt die Temperatur des Gasstrahles unterhalb des Schmelz punktes der Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes (EP 0 484 533 B1) oder aber nur in geringem Maße oberhalb der Schmelztemperatur des Pulvers. Im Kaltgasspritzenver fahren wird also ein im Vergleich zu den herkömmlichen Spritzverfahren "kaltes" bzw. ein vergleichsweise kälteres Gas verwendet. Gleichwohl wird das Gas aber ebenso wie in den herkömmlichen Verfahren erwärmt, aber lediglich auf Temperaturen unter halb des Schmelzpunktes der Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes oder auf Tempera turen des Gasstrahles von 100 K bis zu 200 K oberhalb des Schmelzpunktes der Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes.

Die Angabe, daß die Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes im Gasstrahl nicht ge schmolzen werden, soll im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch bedeuten, daß die Partikel im Gasstrahl im wesentlichen nicht angeschmolzen werden. Dies kann dadurch sichergestellt werden, daß die Temperatur des Gasstrahles unterhalb des Schmelzpunktes der Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes liegt. Aber selbst bei Tem peraturen des Gasstrahles von 100 K bis zu 200 K oberhalb des Schmelzpunktes der Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes kann aufgrund der extrem kurzen Verweilzeit der Partikel im Gasstrahl im Bereich von Millisekunden ein Schmelzen oder auch ein An schmelzen der Pulverpartikel verhindert werden. Die Bedeutung der höheren Gastem peraturen bzw. der Vorteil der Erwärmung des Gases liegt darin, daß in heißeren Ga sen die Schallgeschwindigkeit höher ist und dadurch auch die Partikelgeschwindigkeit vergleichsweise größer wird.

Das Kaltgasverfahren besitzt gegenüber herkömmlichen Verfahren des thermischen Spritzens eine Reihe von Vorteilen. Die thermische Einwirkung und Kraftwirkung auf die Oberfläche des Substratwerkstoffes ist verringert, wodurch ungewollte Verände rungen der Materialeigenschaften des Substratwerkstoffes verhindert oder zumindest merklich verringert werden können. Ebenso können weitgehend Änderungen in der Struktur des Substratwerkstoffs unterbunden werden. Die mit dem Kaltgasspritzver fahren erzeugten Schichten besitzen keine oder zumindest keine ausgeprägte Textur, d. h. es gibt keine Vorzugsorientierung der einzelnen Körner oder Kristalle. Das Sub strat wird ferner nicht durch eine Flamme oder ein Plasma erwärmt, so daß keine oder nur extrem geringe Veränderungen am Grundkörper und auch kein Verzug von Werk stücken durch Wärmespannungen infolge des thermischen Spritzens auftreten.

Es hat sich gezeigt daß die zahlreichen verfahrenstechnischen Möglichkeiten des thermischen Spritzens nach dem Kaltgasverfahren für das Verbinden von Werk stücken genutzt werden können. Durch die Möglichkeiten der Verwendung unter schiedliche Pulvermaterialien und Pulvermischungen eröffnet sich eine breite Palette für Werkstückverbindungen.

Erfindungsgemäß kann das Gas für das thermische Spritzen Stickstoff, Helium, Argon, Neon, Krypton, Xenon, ein Wasserstoff enthaltendes Gas, ein kohlenstoffhaltiges Gas, insbesondere Kohlendioxid, Sauerstoff, ein Sauerstoff enthaltendes Gas, Luft oder Mischungen der vorgenannten Gase enthalten. Neben den aus der EP 0484 533 B1 bekannten Gasen Luft und/oder Helium eignen sich auch für das den pulverförmigen Zusatzwerkstoff tragende Gas ein Stickstoff, Argon, Neon, Krypton, Xenon, Sauerstoff, ein Wasserstoff enthaltendes Gas, ein kohlenstoffhaltiges Gas, insbesondere Kohlen dioxid, oder Mischungen der vorgenannten Gase und Mischungen dieser Gase mit Helium. Der Anteil des Helium am Gesamtgas kann bis zu 90 Vol.-% betragen. Bevor zugt wird ein Heliumanteil von 10 bis 50 Vol.-% im Gasgemisch eingehalten.

Es hat sich gezeigt, daß durch den Einsatz von unterschiedlichen Gasen zum Be schleunigen und Tragen des pulverförmigen Zusatzwerkstoffes die Flexibilität und Wirksamkeit des Verfahrens wesentlich vergrößert werden kann. Die so hergestellten Schichten haften sehr gut auf den verschiedensten Substratwerkstoffen, beispiels weise auf Metall, Metallegierungen, Keramik, Glas, Kunststoffe und Verbundwerk stoffe. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Beschichtungen sind von hoher Güte, weisen eine außerordentlich geringe Porosität auf und besitzen extrem glatte Spritzoberflächen, so daß sich in der Regel eine Nacharbeitung der Ver bindung erübrigt.

Die erfindungsgemäß eingesetzten Gase besitzen eine ausreichende Dichte und Schallgeschwindigkeit, um die erforderlichen hohen Geschwindigkeiten der Pulver partikel gewährleisten zu können. Das Gas kann dabei inerte und/oder reaktive Gase enthalten. Mit den genannten Gasen ist die Herstellung von sehr dichten und beson ders gleichmäßigen Beschichtungen möglich, welche sich außerdem durch ihre Härte und Festigkeit auszeichnen. Die Schichten weisen extrem geringe Oxidgehalte auf. Sie besitzen keine oder zumindest keine ausgeprägte Textur, d. h. es gibt keine Vorzugs orientierung der einzelnen Körner oder Kristalle. Das Substrat wird ferner beim Kalt gasspritzen nicht durch eine Flamme oder ein Plasma erwärmt, so daß keine oder nur extrem geringe Veränderungen am Grundkörper und auch kein Verzug von Werk stücken durch Wärmespannungen infolge des thermischen Spritzens auftreten.

In Ausgestaltung der Erfindung berühren sich die zu verbindenden Werkstücken an der Verbindungsstelle beim Aufbringen der Spritzschicht bzw. der Spritzschichten. Im so hergestellten Werkstückverbund stehen die verbundenen Werkstücke unterhalb der Spritzschicht bzw. der Spritzschichten in unmittelbarem Kontakt.

Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung sind die zu verbindenden Werk stücke an der Verbindungsstelle beim Aufbringen der Spritzschicht bzw. der Spritz schichten mit einem Abstand zueinander angeordnet und durch das thermische Sprit zen wird der Zwischenraum an der Verbindungsstelle gefüllt. Im Werkstückverbund befindet sich also zwischen den verbundenen Werkstücken ein mit dem gespritzen Zusatzwerkstoff oder Zusatzwerkstoffen gefüllter Zwischenraum. Mit Vorteil kann neben dem Zwischenraum an der Verbindungsstelle auch der angrenzende Ober flächenbereich der Werkstücke beschichtet werden.

Der Gasstrahl kann auf eine Temperatur im Bereich zwischen 30 und 800°C erwärmt werden, wobei alle bekannten pulverförmigen Spritzmaterialien eingesetzt werden können. Die Erfindung eignet sich insbesondere für Spritzpulver aus Metallen, Metallegierungen, Hartstoffen, Keramiken und/oder Kunststoffen.

In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Temperatur des Gas strahles im Bereich zwischen 300 und 500°C gewählt. Diese Gastemperaturen eignen sich insbesondere für den Einsatz von reaktiven Gasen oder reaktiven Gasbestand teilen. Als reaktive Gas oder Gasbestandteile sind insbesondere Wasserstoffzumi schungen, kohlenstoffhaltige Gase oder stickstoffhaltige Gase zu erwähnen.

In Weiterbildung der Erfindung wird ein Gasstrahl mit einem Druck von 5 bis 50 bar eingesetzt. Vor allem das Arbeiten mit höheren Gasdrücken bringt zusätzliche Vorteile, da die Energieübertragung in Form von kinetischer Energie erhöht wird. Es eignen sich insbesondere Gasdrücke im Bereich von 21 bis 50 bar. Hervorragende Spritzergeb nisse wurden beispielsweise mit Gasdrücken von etwa 35 bar erzielt. Die Hochdruck gasversorgung kann beispielsweise durch das in der deutschen Patentanmeldung DE 197 16 414.5 beschriebene Verfahren bzw. die dort beschriebene Gasversorgungs anlage sichergestellt werden.

Im erfindungsgemäßen Verfahren können die Pulverpartikel auf eine Geschwindigkeit von 300 bis 1600 m/s beschleunigt werden. Im erfindungsgemäßen Verfahren eignen sich dabei insbesondere Geschwindigkeiten der Pulverpartikel zwischen 1000 und 1600 m/s, besonders bevorzugt zwischen 1250 und 1600 m/s, da in diesem Fall die Energieübertragung in Form von kinetischer Energie besonders hoch ausfällt.

Die im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Pulver besitzen bevorzugt Partikel größen von 1 bis 100 µm.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens können alle geeigneten Vor richtungen eingesetzt werden, insbesondere gilt dies für die in der EP 0 484 533 B1 beschriebene Vorrichtung.

Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäß hergestellte Verbindung zweier Rohre;

Fig. 2 zwei Ausschnittsvergrößerungen möglicher Rohrverbindungen zum Beispiel aus Fig. 1;

Fig. 3 ein erfindungsgemäß hergestellter Werkstückverbund bestehend aus einem Konstruktionsteil und einem Steg.

In Fig. 1 ist Werkstückverbund zweier Rohre 1 und 2, beispielsweise aus unterschied lichen Werkstoffen, dargestellt. Die aufgebrachte Spritzschicht 3 überdeckt im Verbindungsbereich die Oberfläche des ersten Rohres 1 und die Oberfläche des zweiten Rohres 2. Die Spritzschicht 3 und damit die Rohrverbindung erstreckt sich über den ganzen Rohrumfang. Der Pfeil verdeutlicht, daß bei der Herstellung der Rohrverbindung die Rohre gedreht werden können.

Fig. 2 zeigt in Bild A und in Bild B zwei Ausschnittsvergrößerungen möglicher Rohrverbindungen zum Beispiel aus Fig. 1 im Schnitt. In Bild A berühren sich die Rohrstücke 1 und 2 nicht unmittelbar, sondern sie sind mit einem geringen Abstand zueinander angeordnet. Unter Zuhilfenahme des Hilfswerkstückes 4, welches den Bereich des Rohrinneren abdeckt, wird eine Verbindung durch die Spritzschicht 3 hergestellt, die den Rohrzwischenraum ausfüllt und die angrenzenden Rohrenden der Rohre 1 und 2 bedeckt. Die in Bild B von Fig. 2 dargestellten Rohrenden der Rohre 1 und 2 verjüngen sich. Die Rohrenden sind beim thermischen Spritzen zur Herstellung einer Rohrverbindung in Kontakt miteinander. Die Spritzschicht 3 füllt auch den durch die Verjüngung der Rohrenden entstehenden Raum aus.

Fig. 3 zeigt ein dünnwandiges Konstruktionsteil 5, welches mit einem Steg 6 versteift wird. Konstruktionsteil 5 und Steg 6 berühren sich. Im an die Berührungsflächen angrenzenden Oberflächenbereich sind Spritzschichten 3 zur Verbindung der beiden Werkstücke aufgespritzt.

Claims

1. Verfahren zum Verbinden von Werkstücken (1, 2; 5, 6), dadurch gekennzeich net, daß durch thermisches Spritzen eine Spritzschicht (3) oder mehrere Spritz schichten hergestellt werden, welche zumindest teilweise eine Oberfläche eines ersten Werkstückes (1; 5) und zumindest teilweise eine Oberfläche eines zweiten Werkstückes (2; 6) überdecken, wobei ein pulverförmiger Zusatzwerkstoff mittels eines Gases auf die zu beschichtenden Oberflächen geleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der pulverförmige Zusatzwerkstoff auf die zu beschichtende Oberflächen geleitet wird, ohne daß die Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes im Gasstrahl geschmolzen werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die zu verbindenden Werkstücken (1, 2; 5, 6) an der Verbindungsstelle beim Aufbringen der Spritzschicht (3) berühren.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verbindenden Werkstücken (1, 2; 5, 6) an der Verbindungsstelle beim Auf bringen der Spritzschicht (3) mit einem Abstand zueinander angeordnet sind und durch das thermische Spritzen der Zwischenraum an der Verbindungsstelle gefüllt wird.

5. Verfahren nach nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem Zwischenraum an der Verbindungsstelle auch der angrenzende Oberflächen bereich der Werkstücke (1, 2; 5, 6) beschichtet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas für das thermische Spritzen Stickstoff, Helium, Argon, Neon, Krypton, Xenon, ein Wasserstoff enthaltendes Gas, ein kohlenstoffhaltiges Gas, insbesondere Kohlendioxid, Sauerstoff, ein Sauerstoff enthaltendes Gas, Luft oder Mischungen der vorgenannten Gase enthält.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Gasstrahles beim thermischen Spritzen im Bereich zwischen 30 und 800°C liegt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrahl beim thermischen Spritzen einen Druck von 5 bis 50 bar aufweist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulverpartikel beim thermischen Spritzen auf eine Geschwindigkeit von 300 bis 1600 m/s beschleunigt werden.

10. Werkstückverbund umfassend ein erstes Werkstück (1; 5) ein zweites Werkstück (2; 6) und eine Verbindung (3) zwischen beiden Werkstücken (1, 2; 5, 6), dadurch gekennzeichnet, daß eine durch thermisches Spritzen erzeugte Spritzschicht (3) oder mehrere durch thermisches Spritzen erzeugte Spritzschichten zumindest teilweise eine Oberfläche des ersten Werkstückes (1; 5) und zumindest teilweise eine Oberfläche des zweiten Werkstückes (2; 6) überdeckt bzw. überdecken.

11. Werkstückverbund nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich die verbundenen Werkstücken (1, 2; 5, 6) unterhalb der Spritzschicht (3) oder der Spritzschichten berühren.

12. Werkstückverbund nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen den verbundenen Werkstücken (1, 2; 5, 6) ein mit dem gespritzen Zusatzwerkstoff oder den gespritzen Zusatzwerkstoffen gefüllter Zwischenraum befindet.