DE212014000086U1 - Mit einem Kern versehenes Verbrauchsmaterial für lichtbogenfreie Prozesse zum Fügen oder Auftragsschweissen sowie dieses umfassende Systeme - Google Patents

Mit einem Kern versehenes Verbrauchsmaterial für lichtbogenfreie Prozesse zum Fügen oder Auftragsschweissen sowie dieses umfassende Systeme Download PDF

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Abstract

Verbrauchsmaterial für lichtbogenfreie Abscheidungsprozesse, das Folgendes umfasst: einen Kern; und einen metallischen Mantel, der den Kern umgibt, wobei das Verbrauchsmaterial eine kombinierte Gesamtmenge an Barium, Kalium, Lithium, Natrium und Strontium im Bereich von 0 bis 0,02 Gewichtsprozent des Verbrauchsmaterials hat, und wobei bevorzugt die kombinierte Gesamtmenge im Bereich von 0 bis 0,01% liegt.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Erfindung betrifft Verbrauchsmaterialien, die für lichtbogenfreie Füge- oder Auftragsschweißarbeiten verwendet werden. Genauer gesagt, betrifft die vorliegende Erfindung mit einem Kern versehene Verbrauchsmaterialien, die bei lichtbogenfreien Füge- und Auftragsschweißarbeiten verwendet werden und die chemische Zusammensetzungen haben, die keinen Lichtbogen für den Verbrauchsmaterialtransfer erfordern.
  • HINTERGRUND
  • Im Zuge der Weiterentwicklung von Warmdraht-Füge- und Auftragsschweißanwendungen, insbesondere durch The Lincoln Electric Company aus Cleveland, Ohio, wird der Prozess immer effizienter und kann für viele verschiedene Anwendungen verwendet werden. Jedoch verwendet der Prozess viele Male bekannte Verbrauchsmaterialien, die ursprünglich für Abscheidungsprozesse entwickelt worden waren, die mit einem Lichtbogen arbeiten. Zwar sind diese Verbrauchsmaterialien oft akzeptabel, doch sie können Materialien enthalten, die nicht wünschenswert sind, aber für einen Lichtbogenprozess benötigt werden, oder ihnen fehlen Materialien, die eigentlich wünschenswert wären, aber nur schlecht durch einen Lichtbogentransferprozess übertragen werden. Darum ist es wünschenswert, über Verbrauchsmaterialien zu verfügen, die speziell für lichtbogenfreie Transferprozesse entwickelt wurden.
  • Weitere Einschränkungen und Nachteile herkömmlicher, traditioneller und vorgeschlagener Lösungsansätze erkennt der Fachmann durch Vergleichen solcher Lösungsansätze mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die im übrigen Teil der vorliegenden Anmeldung mit Bezug auf die Zeichnungen dargelegt sind.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Um die Abscheidungs- und insbesondere die Rückgewinnungseffizienzen bestimmter Verbindungen in einer Schweißnaht zu verbessern, schlägt die Erfindung ein Verbrauchsmaterial für lichtbogenfreie Abscheidungsprozesse nach den Ansprüchen 1, 11 und 15 vor. Bevorzugte Ausführungsformen können den abhängigen Ansprüchen entnommen werden. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen Verbrauchsmaterialien, die mit lichtbogenfreien Abscheidungsprozessen, einschließlich Warmdraht-Abscheidungsprozessen, verwendet werden. Einige beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beseitigen die Verwendung von Lichtbogeninitiatoren oder Lichtbogenstabilisatoren in dem Verbrauchsmaterial. Andere beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung fügen dem Verbrauchsmaterial zusätzliche Mengen an Carbonaten zu, als normalerweise in Verbrauchsmaterialien für Lichtbogenschweißprozesse vorhanden wären. Gleichermaßen enthalten andere beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zusätzliche Mengen an Nitriden, als normalerweise in Verbrauchsmaterialien für Lichtbogenschweißprozesse vorhanden wären. Andere beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthalten Carbide, die durch lichtbogenfreie Prozesse abgeschieden werden sollen.
  • Diese und andere Merkmale der beanspruchten Erfindung sowie Details veranschaulichter Ausführungsformen davon werden anhand der folgenden Beschreibung und Zeichnungen besser verstanden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die oben beschriebenen und/oder weitere Aspekte der Erfindung werden anhand einer ausführlichen Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen besser verstanden, in denen Folgendes zu sehen ist:
  • 1A–1B sind beispielhafte Veranschaulichungen von mit einem Kern versehenen Verbrauchsmaterialien gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung; und
  • 2 veranschaulicht ein Funktions-Blockschaubild einer beispielhaften Ausführungsform eines kombinierten Drahtzufuhrvorrichtungs- und Energiequellensystems für Plattierungs-, Aufbau-, Füll- und Hartauftragsschweißanwendungen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Es werden nun beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beiliegenden Figuren beschrieben. Die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen sollen das Verstehen der Erfindung unterstützen und sind nicht dafür gedacht, den Schutzumfang der Erfindung in irgend einer Weise einzuschränken. Gleiche Bezugszahlen beziehen sich stets auf gleiche Elemente.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen mit einem Kern versehene Verbrauchsmaterialien, die speziell in lichtbogenfreien Abscheidungsprozessen, zum Beispiel Warmdrahtprozessen, verwendet werden. Die mit einem Kern versehenen Verbrauchsmaterialien können entweder einen Metallkern oder einen Flussmittelkern aufweisen. Beispielhafte Ausführungsformen sind in den 1A (Metallkern) und 1B (Flussmittelkern) gezeigt. Es versteht sich, dass zwar der Begriff „Flussmittelkern” verwendet wird, dass dieser Begriff aber nicht so verstanden werden darf, als beinhalte er traditionelle Flussmittel, die in Lichtbogenschweißoperationen verwendet werden. Da die Verbrauchsmaterialien der vorliegenden Erfindung in einem lichtbogenfreien Prozess verwendet werden, kann auf traditionelle „Flussmittel” verzichtet werden. Der Terminus „Flussmittelkern” im Sinne des vorliegenden Dokuments meint einen Kern aus körnigem Material (das metallische und nicht-metallische Teilchen enthalten kann, obgleich die Einbindung von Nichtmetallen in verschiedenen Ausführungsformen nicht notwendig ist), im Gegensatz zu einem Metallkern, wie er in 1A gezeigt ist. In jeder Ausführungsform umgibt ein Mantel 1010/1110 den Kern 1030/1130. Der allgemeine Aufbau und die allgemeine Herstellung von mit einem Kern versehenen Verbrauchsmaterialien sind bekannt und müssen im vorliegenden Dokument nicht genauer beschrieben werden. Beispielhafte Ausführungsformen der im vorliegenden Dokument beschriebenen mit einem Kern versehenen Verbrauchsmaterialien sind weder auf Füge- noch auf Materialauftragsprozesse beschränkt.
  • Es ist anzumerken, dass die im vorliegenden Dokument besprochenen und beschriebenen Verbrauchsmaterialien mit einem Kern versehene Verbrauchsmaterialien sind, die für Füge-, Schweiß- und/oder Auftragsschweiß- und Plattierungsoperationen verwendet werden, und die im vorliegenden Dokument beschriebenen Verbrauchsmaterialien sind keine Verbrauchsmaterialien zum Hartlöten.
  • Wie allgemein bekannt ist, arbeitet ein Lichtbogentransferprozess (sei es zum Fügen oder zum Auftragsschweißen) mit einem wärmeintensiven Lichtbogenplasma, um das Verbrauchsmaterial zu einer Schmelzpfütze zu übertragen. Dafür enthalten traditionelle Lichtbogenprozess-Verbrauchsmaterialien verschiedene Elemente und Verbindungen, die benötigt werden, um die Lichtbogenzündung zu unterstützen und die Lichtbogenstabilität beizubehalten. Des Weiteren werden in traditionellen Lichtbogenprozess-Verbrauchsmaterialien verschiedene Elemente und Verbindungen ganz und gar vermieden oder werden nur sehr sparsam verwendet, da sie schlecht mit der Lichtbogen interagieren und/oder nur schlecht durch den Lichtbogen übertragen werden. Zum Beispiel handelt es sich bei diesen Materialien oft um Carbonate, Nitride, Carbide und elementare Kohlenstoffe. In anderen Anwendungen werden auch andere metallische Elemente nur sparsam oder gar nicht in für Lichtbogenprozesse vorgesehenen Verbrauchsmaterialien verwendet. Zu diesen Elementen können Kupfer, Magnesium und Seltenelemente gehören. Jedoch kann es vorteilhaft sein, einige dieser Verbindungen in einer Abscheidung zu verwenden, um verschiedene Festigkeits- und Leistungseigenschaften zu erhalten. Des Weiteren kann das Fehlen des Lichtbogens das Übertragen aller oder fast aller Elemente und Verbindungen des Verbrauchsmaterials ermöglichen, die sonst flüchtig sind oder schnell verloren gehen und nur schwer durch Lichtbogenschweißen zu übertragen sind.
  • In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung haben das mit einem Kern versehene Verbrauchsmaterialien (1000/1100) keinerlei Lichtbogeninitiatoren oder Lichtbogenstabilisatoren. Da die Verbrauchsmaterialien nicht mit einem Lichtbogenabscheidungsprozess verwendet werden, werden solche Komponenten nicht benötigt. Die Verwendung von Lichtbogeninitiatoren und Lichtbogenstabilisatoren in traditionellen mit einem Kern versehenen Verbrauchsmaterialien ist oft das Ergebnis eines Kompromisses zwischen der Notwendigkeit dieser Komponenten und dem Risiko negativer Auswirkungen auf die Abscheidung. Die hygroskopische Natur einiger der Komponenten kann sogar zu einem Anstieg des Wasserstoffgehalts in der Abscheidung führen, was unerwünscht sein kann. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung brauchen diesen Kompromiss nicht, da diese Komponenten aus den Verbrauchsmaterialien beseitigt sind. Genauer gesagt, werden Strontium, Barium, Lithium, Natrium und Kalium einzeln oder in Kombination in Lichtbogenprozess-Verbrauchsmaterialien verwendet, um die Lichtbogeninitiierung und Lichtbogenstabilisierung zu unterstützen. Diese Elemente können praktisch in verschiedenen Kombinationen in Mengen bis zu 10 bis 15 Gewichtsprozent des Verbrauchsmaterials verwendet werden. Weil Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht in einem Lichtbogen-Abscheidungsprozess verwendet werden, brauchen diese Elemente nicht vorhanden zu sein. So haben in beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung das mit einem Kern versehene Verbrauchsmaterialien 1000/1100 einen kombinierten Gesamtanteil an Barium, Kalium, Lithium, Strontium und Natrium im Bereich von 0 bis 0,02 Gewichtsprozent des Verbrauchsmaterials. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen liegt dieser Bereich bei 0 bis 0,01 Gewichtsprozent des Verbrauchsmaterials. Das heißt, in den Verbrauchsmaterialien der vorliegenden Erfindung werden weder Barium, Kalium, Lithium, Strontium noch Natrium absichtlich zu dem Verbrauchsmaterial hinzugefügt. Zwar können Spurenmengen dieser Elemente vorliegen, doch die Spurenmengen, falls vorhanden, übersteigen nicht die im vorliegenden Dokument angegebenen Bereiche. Weil Barium, Lithium, Strontium, Natrium und Kalium jeweils als Lichtbogenstabilisatoren und -initiatoren verwendet werden, hilft ihr Fehlen in den Verbrauchsmaterialien der vorliegenden Erfindung beim Verhindern der Entstehung eines Lichtbogens in lichtbogenfreien oder Warmdrahtprozessen, wodurch Geschwindigkeit und Effizienz des Warmdrahtprozesses erhöht werden.
  • Es ist anzumerken, dass in dieser Anmeldung alle Prozentsätze von Elementen oder Verbindungen auf Gewichtsprozent des Verbrauchsmaterials und nicht auf Gewichtsprozent des Mantels (1010/1110) oder des Kerns (1030/1130) basieren. Insofern im vorliegenden Dokument verschiedene Elemente und Verbindungen namentlich genannt werden, sind des Weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht auf ihr Vorhandensein – weder im Mantel noch im Kern – beschränkt. Es kann von Vorteil sein, viele der im vorliegenden Dokument namentlich genannten Elemente und Verbindungen im Interesse einer leichteren Herstellbarkeit in die Kerne von Verbrauchsmaterialien einzuarbeiten, aber die im vorliegenden Dokument beschriebenen Ausführungsformen sind nicht darauf beschränkt. Das heißt, einige der im vorliegenden Dokument beschriebenen Verbindungen, Legierungen und Elemente können auch dem Mantel beigegeben werden.
  • In weiteren beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden den Verbrauchsmaterialien 1000/1100 Carbonate beigegeben, um eine gewünschte chemische Zusammensetzung der Abscheidung zu erreichen. Die Verwendung von Carbonaten in Lichtbogenprozess-Verbrauchsmaterialien erfolgte aufgrund der Reaktion von Carbonaten im Lichtbogen immer sparsam. In der Regel ist die Gesamtmenge an Carbonaten in mit einem Kern versehenen Verbrauchsmaterialien (für Lichtbogenprozesse) kleiner als 3 Gewichtsprozent des Verbrauchsmaterials. (Es ist anzumerken, dass dieser Betrag in Stabelektroden, die keine mit einem Kern versehenen Verbrauchsmaterialien im Sinne des vorliegenden Textes sind, anders sein kann.) Jedoch kann in beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Verwendung von Carbonaten auch über diese bekannten Werte hinaus erhöht werden, so dass die Verbrauchsmaterialien eine Abscheidung mit einer gewünschten chemischen Zusammensetzung erbringen können. Das heißt, in beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung liegt die vorhandene Menge an Carbonaten im Bereich von 3 bis 20 Gewichtsprozent des Verbrauchsmaterials. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt die Menge an Carbonaten in dem mit einem Kern versehenen Verbrauchsmaterial im Bereich von 5 bis 15 Gewichtsprozent des Verbrauchsmaterials. In Ausführungsformen, wo mehr Carbonate gewünscht werden, kann die Menge im Bereich von 10 bis 20% liegen. Eine solche Menge an Carbonaten in einem traditionellen mit einem Kern versehenen Lichtbogenprozess-Verbrauchsmaterial könnte Stabilisierungsprobleme während der Abscheidung verursachen, insbesondere weil die Materialien mit dem Lichtbogen interagieren. Jedoch können solche Werte von Carbonaten mit beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können beliebige oder eine Kombination von zwei oder mehr von folgenden Carbonaten verwenden: Calciumcarbonat, Magnesiumcarbonat, Bariumcarbonat, Lithiumcarbonat, Strontiumcarbonat und Eisencarbonat. In anderen beispielhaften Ausführungsformen kann es wünschenswert sein, Wolframcarbonat oder Lanthancarbonate hinzuzufügen. Natürlich ist anzumerken, dass in jeder Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine kombinierte Menge an Natrium, Kalium, Lithium, Strontium oder Barium im Bereich von 0 bis 0,02% oder 0 bis 0,01% haben soll, keines von Natriumcarbonat, Kaliumcarbonat, Bariumcarbonat, Lithiumcarbonat oder Strontiumcarbonat verwendet zu werden braucht.
  • In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden Nitride zu den mit einem Kern versehenen Verbrauchsmaterialien 1000/1100 hinzugefügt. Wie im Fall von Carbonaten verwenden traditionelle Lichtbogenprozess-Verbrauchsmaterialien begrenzte Mengen an Nitriden, weil sie dazu neigen, Stickstoff im Lichtbogen zu erzeugen, der die Qualität der Abscheidung oder des Abscheidungsprozesses beeinträchtigen kann, wie allgemein bekannt ist. In der Regel enthalten mit einem Kern versehene Lichtbogenprozess-Verbrauchsmaterialien Nitride in einer Menge von insgesamt weniger als 0,5 Gewichtsprozent des Verbrauchsmaterials. Auch hier kann es jedoch wünschenswert sein, eine gewisse Menge an Nitriden in der Abscheidung zu haben, um eine gewünschte chemische Zusammensetzung zu erreichen. Dies kann nicht mit Lichtbogenprozess-Verbrauchsmaterialien geschehen, wohl aber mit Verbrauchsmaterialien der vorliegenden Erfindung. Genauer gesagt, können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Nitride im Bereich von 0,5 bis 25 Gewichtsprozent des Verbrauchsmaterials haben. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen liegen die Nitride im Bereich von 1 bis 20 Gewichtsprozent des Verbrauchsmaterials. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen liegen die Nitride im Bereich von 5 bis 15 Gewichtsprozent des Verbrauchsmaterials. Es ist anzumerken, dass, falls eine Kombination von Nitriden verwendet wird, die Kombination in den oben genannten Bereichen liegen würde. Zu Beispielen von Nitriden, die mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, gehören: Titan, Bor, Vanadium, Tantal, Aluminium und Niob. Carbonitride können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ebenfalls hinzugefügt werden und können Carbonitride von B, T1, V, Ta, Nb und Al enthalten.
  • Die obigen beispielhaften Ausführungsformen können individuell in einem mit einem Kern versehenen Verbrauchsmaterial für lichtbogenfreie Prozesse verwendet werden oder können in Kombination miteinander verwendet werden, um ein mit einem Kern versehenes Verbrauchsmaterial bereitzustellen, das für eine gewünschte Füge- oder Auftragsschweißarbeit optimiert wurde.
  • In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die für Auftragsschweiß- oder Plattierungsoperationen verwendet werden, kann der Mantel 1010/1110 auch aus einer Eisen-basierten, Nickel-basierten oder Cobalt-basierten Legierung bestehen und kann eine beliebige Anzahl von Legierungselementen und -verbindungen im Kern 1030 oder in der Füllung 1130 aufweisen (in Abhängigkeit von der Ausführungsform). Zu Beispielen von Legierungselementen, die sich entweder im Kern 1030 oder in der Füllung 1130 befinden, gehören: C, Cr, Mo, Ni, Fe, Mn, Si, Al, N, Co, Nb, Ti, Ta, V und Cu usw. Zu Beispielen von Verbindungen, die sich ebenfalls im Kern 1030 oder in der Füllung 1130 finden, gehören Carbide von W, Ti, Ti-Al, Cr, V, Nb, Co, Mo und Ta. In Abhängigkeit von der vorgesehenen Anwendung für ein bestimmtes Verbrauchsmaterial können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Carbide im Bereich von 10 bis 50 Gewichtsprozent des Verbrauchsmaterials enthalten. In Anwendungen, wo eine große Menge an Carbiden benötigt wird, können die Carbide im Bereich von 30 bis 50 Gewichtsprozent des Verbrauchsmaterials liegen, während in anderen Anwendungen, wo weniger Carbide benötigt werden, die Carbide im Bereich von 10 bis 30 Gewichtsprozent des Verbrauchsmaterials liegen können. In einigen beispielhaften Ausführungsformen kann der prozentuale Carbidgehalt sogar noch höher als 50% sein und kann bis 80% reichen, und kann im Bereich von 50 bis 80% liegen. In solchen Ausführungsformen mit hohen Prozentsätzen an Carbidfüllung muss die Füllung im Kern besonders dicht sein, und der Mantel muss relativ dünn im Vergleich zu allgemein verwendeten Mänteln sein. Zum Beispiel kann eine Ausführungsform Rheniumpulver und einen dünnen Beryllium-Mantel verwenden, um solche hohen Carbid-Prozentsätze zu erreichen. In einigen beispielhaften Ausführungsformen kann eine Mischung aus zwei oder mehr der obigen Carbide in einem gewünschten Verhältnis verwendet werden. Jedoch sollten in solchen Ausführungsformen die obigen Prozentsätze allgemein in Abhängigkeit von den Ausführungsformen beibehalten werden.
  • Weitere beispielhafte Ausführungsformen können Verbindungen von Boriden enthalten, einschließlich Boriden von Ti, V, Nb und Ta. Außerdem können Ausführungsformen Sulfide von W und Mo enthalten.
  • Die Zugabe von Carbiden, Boriden, Nitriden und/oder Carbonitriden kann der Plattierungs- oder Auftragsschweißabscheidung Abriebfestigkeit hinzufügen, um ihre Lebensdauer in Verschleißanwendungen zu erhöhen. Jedoch kann die Zugabe von Sulfiden im Fall von Metall-auf-Metall-Verschleißanwendungen Schmierfähigkeit hinzufügen.
  • Mit einem Kern versehene Verbrauchsmaterialien der vorliegenden Erfindung, die für Auftragsschweiß-/Plattierungsoperationen verwendet werden, können eine Abscheidung mit bis zu 70% eines der obigen Carbide, Boride, Sulfide und/oder Nitriden erzeugen, um die gewünschten Eigenschaften zu erhalten.
  • Wie oben angesprochen, können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auch für Fügeanwendungen verwendet werden. In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die für Fügeanwendungen verwendet werden, kann der Mantel 1010/1110 auch aus einer Eisen-basierten, Nickel-basierten oder Cobalt-basierten Legierung bestehen und kann eine beliebige Anzahl der Legierungselemente und -verbindungen im Kern 1030 oder in der Füllung 1130 (in Abhängigkeit von der Ausführungsform) haben. Zu Beispielen der Verbindungen können Metalloxide wie zum Beispiel TiO2 und Al2O3 gehören. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die zum Fügen verwendet werden, können auch Carbide enthalten, wie zum Beispiel TiAlC, TiC, NbC, Cr3C2, Cr23C6 und Cr7C3, die einzeln oder in Kombination verwendet werden können. Die Metalloxide und Carbide können entweder in Nanoteilchengröße oder gröberen Korngrößen verwendet werden. Wenn die Carbide als Nanoteilchen verwendet werden, so wirken sie als Inokulanten zur Kornraffinierung während der Fugenverfestigung und -transformation. Größere Teilchen mit einem Nenndurchmesser im Bereich von 10 bis 400 Mikrometern können Abrieb- und Verschleißfestigkeit in der Abscheidung bereitzustellen und können in einigen Fällen als Dispersionsverstärker dienen, die die Festigkeit und Zähigkeit der Schweißnaht erhöhen. In einigen beispielhaften Ausführungsformen können die Teilchen sogar noch größer sein, um eine raue, verschleißfeste Oberfläche bereitzustellen. Zum Beispiel können in einigen beispielhaften Ausführungsformen Carbidteilchen noch größer als 400 Mikrometer sein, aber in solchen Ausführungsformen kann es Platzbeschränkungen beim Anordnen solcher Teilchen im Kern des Verbrauchsmaterials geben. In einigen beispielhaften Ausführungsformen kann eine Kombination von Nanoteilchen und größeren Teilchen verwendet werden. In einigen beispielhaften Ausführungsformen liegen die Metalloxide und Carbide in dem mit einem Kern versehenen Verbrauchsmaterial vor, um eine Schweißabscheidung mit bis zu 5% der Metalloxide und/oder Carbide zu erhalten.
  • Bei Verwendung beispielhafter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann in Abhängigkeit von der Anwendung gegebenenfalls ein Schutzgas verwendet werden. In einigen beispielhaften Ausführungsformen kann das Schutzgas nach Bedarf 100% Argon oder eine beliebige Kombination von Argon/CO2, Argon/O2, Argon/N2 und Argon/He oder Gemischen davon sein.
  • Es ist anzumerken, dass die verschiedenen Ausführungsformen von Verbrauchsmaterialien, wie im vorliegenden Dokument beschrieben, in jedem Prozess verwendet werden können, in dem das Verbrauchsmaterial durch direkten Kontakt mit der Pfütze in die Pfütze hinein abgeschieden wird. Zum Beispiel können Verbrauchsmaterialien, wie im vorliegenden Dokument beschrieben, in Kaltdraht-, Warmdraht-, Laser-, Laser-Warmdraht-, GTAW-Warm-/Kaltdraht- und GMAW-Warm-/Kaltdraht-Prozessen verwendet werden. Insofern ein GTAW- oder GMAW-Prozess verwendet wird, wird der Lichtbogen verwendet, um die Pfütze zu erzeugen, und nicht, um das Verbrauchsmaterial vollständig in die Pfütze zu schmelzen oder zu transferieren.
  • Es ist auch anzumerken, dass verschiedene Kombinationen der obigen beispielhaften Ausführungsformen in Betracht gezogen werden, um ein Verbrauchsmaterial mit gewünschten Leistungseigenschaften zu erzeugen, und solche Kombinationen können erzeugt werden, ohne vom Wesen oder Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Das heißt, es werden verschiedene Ausführungsformen in Betracht gezogen, die verschiedene Kombinationen von oben besprochenen Attributen verwenden, einschließlich des Fehlens von Lichtbogeninitiatoren und -stabilisatoren, des Vorhandenseins von Carbonaten, des Vorhandenseins von Nitriden, des Vorhandenseins von Carbiden, Boriden, Sulfiden, Teilchengröße usw., einschließlich der verschiedenen im vorliegenden Dokument besprochenen Bereiche und Mengen.
  • Wenden wir uns nun 2 zu. 2 veranschaulicht ein Funktions-Blockschaubild einer beispielhaften Ausführungsform eines kombinierten Drahtzufuhrvorrichtungs- und Energiequellensystems 100 zum Ausführen von Plattierungs-, Aufbau-, Füll-, Hartauftragsschweiß- oder Füge- bzw. Schweißanwendungen, die Verbrauchsmaterialien der verschiedenen im vorliegenden Dokument beschriebenen Ausführungsformen verwenden können. Das System 100 enthält ein Laserteilsystem, das in der Lage ist, einen Laserstrahl 110 auf ein Werkstück 115 zu fokussieren, um das Werkstück 115 zu erwärmen. Das Laser-Teilsystem ist eine hoch-intensive Energiequelle. Das Laser-Teilsystem kann eine beliebige Form einer hochenergetischen Laserquelle sein, einschließlich beispielsweise Kohlendioxid-, Nd:YAG-, Yb-Scheiben-, YB-Faser-, Faserübertragungs- oder Direktdioden-Lasersysteme. Des Weiteren können sogar Weißlicht- oder Quarzlasersysteme verwendet werden, wenn sie genügend Energie haben. Weitere Ausführungsformen des Systems können mindestens eines von Folgendem enthalten: einen Elektronenstrahl, ein Plasma-Lichtbogenschweiß-Teilsystem, ein Gas-Wolfram-Lichtbogenschweiß-Teilsystem, ein Gas-Metall-Lichtbogenschweiß-Teilsystem, ein Flussmittelkern-Lichtbogenschweiß-Teilsystem, und ein Unterpulver-Lichtbogenschweiß-Teilsystem, um als die hoch-intensive Energiequelle zu dienen. Die folgende Spezifikation nimmt wiederholt Bezug auf das Lasersystem, den Laserstrahl und die Laserstromversorgung; es versteht sich jedoch, dass diese Verweise nur beispielhafter Art sind, da jede beliebige hoch-intensive Energiequelle verwendet werden kann. Zum Beispiel kann eine hoch-intensive Energiequelle mindestens 500 W/cm2 bereitstellen. Das Laser-Teilsystem enthält eine Laservorrichtung 120 und eine Laserstromversorgung 130, die miteinander wirkverbunden sind. Die Laserstromversorgung 130 liefert die Energie zum Betreiben der Laservorrichtung 120.
  • Das System 100 enthält außerdem ein Warmfülldrahtzufuhrvorrichtungs-Teilsystem, das in der Lage ist, mindestens einen ohmschen Fülldraht 140 bereitzustellen, um einen Kontakt mit dem Werkstück 115 in der Nähe des Laserstrahls 110 herzustellen. Natürlich versteht es sich, dass mit der Erwähnung des Werkstücks 115 im vorliegenden Text die Schmelzpfütze als Teil des Werkstücks 115 angesehen wird, so dass der Verweis auf einen Kontakt mit dem Werkstück 115 auch einen Kontakt mit der Pfütze enthält. Das Warmfülldrahtzufuhrvorrichtungs-Teilsystem enthält eine Fülldrahtzufuhrvorrichtung 150, ein Kontaktrohr 160 und eine Warmdraht-Stromversorgung 170. Während des Betriebes wird der Fülldraht 140, der dem Laserstrahl 110 vorauseilt, durch elektrischen Strom aus der Warmdraht-Stromversorgung 170, die zwischen dem Kontaktrohr 160 und dem Werkstück 115 wirkverbunden ist, widerstandserwärmt. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Warmdraht-Stromversorgung 170 eine Gleichstromversorgung, obgleich Wechselstrom- oder sonstige Arten von Stromversorgungen ebenfalls möglich sind. Der Draht 140 wird von der Fülldrahtzufuhrvorrichtung 150 durch das Kontaktrohr 160 in Richtung des Werkstücks 115 geführt und erstreckt sich über das Rohr 160 hinaus. Der Verlängerungsabschnitt des Drahtes 140 wird so widerstandserwärmt, dass der Verlängerungsabschnitt sich dem Schmelzpunkt annähert oder diesen erreicht, bevor er eine Schweißpfütze auf dem Werkstück berührt. Der Laserstrahl 110 dient zum Schmelzen eines Teils des Grundmetalls des Werkstücks 115, um eine Schweißpfütze zu bilden, und dient auch zum Schmelzen des Drahtes 140 auf das Werkstück 115. Die Stromversorgung 170 liefert einen großen Teil der Energie, die benötigt wird, um den Fülldraht 140 widerstandszuerwärmen. Das Zuführvorrichtungs-Teilsystem kann gemäß bestimmten anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in der Lage sein, gleichzeitig einen oder mehrere Drähte bereitzustellen. Zum Beispiel kann ein erster Draht für Hartauftragsschweißen und/oder Korrosionsschützen des Werkstücks verwendet werden, und ein zweiter Draht kann dafür verwendet werden, die Struktur des Werkstücks zu verstärken.
  • Das System 100 enthält des Weiteren ein Bewegungssteuerungsteilsystem, das in der Lage ist, den Laserstrahl 110 (die Energiequelle) und das mit einem Kern versehene Verbrauchsmaterial 140 in derselben Richtung 125 entlang des Werkstücks 115 (wenigstens im relativen Sinn) dergestalt zu bewegen, dass der Laserstrahl 110 und das mit einem Kern versehene Verbrauchsmaterial 140 in einer festen Beziehung zueinander bleiben. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Relativbewegung zwischen dem Werkstück 115 und der Laser/Draht-Kombination erreicht werden, indem man das Werkstück 115 tatsächlich bewegt oder indem man die Laservorrichtung 120 und das Drahtzufuhrvorrichtungs-Teilsystem bewegt. In 2 enthält das Bewegungssteuerungsteilsystem eine Bewegungssteuereinheit 180, die mit einem Roboter 190 wirkverbunden ist. Die Bewegungssteuereinheit 180 steuert die Bewegung des Roboters 190. Der Roboter 190 ist mit dem Werkstück 115 wirkverbunden (zum Beispiel mechanisch daran befestigt), um das Werkstück 115 so in der Richtung 125 zu bewegen, dass sich der Laserstrahl 110 und der Draht 140 praktisch an dem Werkstück 115 entlang bewegen. Gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Laservorrichtung 110 und das Kontaktrohr 160 in einem einzelnen Kopf integriert sein. Der Kopf kann über ein Bewegungssteuerungsteilsystem, das mit dem Kopf wirkverbunden ist, entlang des Werkstücks 115 bewegt werden.
  • Im Allgemeinen gibt es verschiedene Verfahren, wie eine hoch-intensive Energiequelle und ein Warmdraht relativ zu einem Werkstück bewegt werden können. Wenn das Werkstück zum Beispiel rund ist, so können die hoch-intensive Energiequelle und der Warmdraht ortsfest sein, und das Werkstück kann unter der hoch-intensiven Energiequelle und dem Warmdraht gedreht werden. Alternativ kann sich ein Roboterarm oder eine Linearzugvorrichtung parallel zu dem runden Werkstück bewegen, und während das Werkstück gedreht wird, können sich die hoch-intensive Energiequelle und der Warmdraht kontinuierlich oder schrittweise einmal je Umdrehung bewegen, um zum Beispiel Material auf die Oberfläche des runden Werkstücks aufzutragen. Wenn das Werkstück flach oder zumindest nicht rund ist, so kann das Werkstück unter der hoch-intensiven Energiequelle und dem Warmdraht bewegt werden, wie in 2 gezeigt. Jedoch kann auch ein Roboterarm oder eine Linearzugvorrichtung oder sogar ein an einem Träger montierter Schlitten dafür verwendet werden, eine hoch-intensive Energiequelle und einen Warmdrahtkopf relativ zu dem Werkstück zu bewegen.
  • Das System 100 enthält des Weiteren ein Abfühl- und Stromsteuerungsteilsystem 195, das mit dem Werkstück 115 und dem Kontaktrohr 160 wirkverbunden ist (d. h. praktisch mit dem Ausgang der Warmdrahtstromversorgung 170 verbunden ist) und in der Lage ist, einen Potenzialunterschied (d. h. eine Spannung V) zwischen dem Werkstück 115 und dem Warmdraht 140 und einen Strom (I) durch das Werkstück 115 und den Warmdraht 140 zu messen. Das Abfühl- und Stromsteuerungsteilsystem 195 kann des Weiteren in der Lage sein, einen Widerstandwert (R = V/I) und/oder einen Leistungswert (P = V·I) aus der gemessenen Spannung und dem gemessenen Strom zu berechnen. Im Allgemeinen beträgt, wenn der Warmdraht 140 in Kontakt mit dem Werkstück 115 steht, der Potenzialunterschied zwischen dem Warmdraht 140 und dem Werkstück 115 null Volt oder sehr nahe null Volt. Infolge dessen kann das Abfühl- und Stromsteuerungsteilsystem 195 abfühlen, wann das mit einem Kern versehene Verbrauchsmaterial 140 in Kontakt mit dem Werkstück 115 steht, und ist mit der Warmdraht-Stromversorgung 170 wirkverbunden, um des Weiteren in der Lage zu sein, den Stromfluss durch das mit einem Kern versehene Verbrauchsmaterial 140 in Reaktion auf das Abfühlen zu steuern, wie ausführlicher in der Anmeldung beschrieben ist, die durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit in den vorliegenden Text aufgenommen ist. Genauer gesagt, wird der Erwärmungsstrom so gesteuert, dass kein Lichtbogen zwischen dem mit einem Kern versehene Verbrauchsmaterial 140 und der Pfütze entsteht, und der Strom wird so gesteuert, dass, wenn ein Lichtbogen detektiert wird, oder wenn ein Schwellenwert (Spannung, Strom und/oder Leistung) erreicht ist, der Erwärmungsstrom entweder abgeschaltet oder so modifiziert wird, dass kein Lichtbogen entsteht. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Abfühl- und Stromsteuereinheit 195 ein integraler Bestandteil der Warmdraht-Stromversorgung 170 sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Bewegungssteuereinheit 180 des Weiteren mit der Laserstromversorgung 130 und/oder der Abfühl- und Stromsteuereinheit 195 wirkverbunden sein. Auf diese Weise können die Bewegungssteuereinheit 180 und die Laserstromversorgung 130 miteinander kommunizieren, damit die Laserstromversorgung 130 weiß, wann sich das Werkstück 115 bewegt, und damit die Bewegungssteuereinheit 180 weiß, ob die Laservorrichtung 120 aktiv ist. Gleichermaßen können die Bewegungssteuereinheit 180 und die Abfühl- und Stromsteuereinheit 195 auf diese Weise miteinander kommunizieren, damit die Abfühl- und Stromsteuereinheit 195 weiß, wann sich das Werkstück 115 bewegt, und damit die Bewegungssteuereinheit 180 weiß, wann das Warmfülldrahtzufuhrvorrichtungs-Teilsystem aktiv ist. Eine solche Kommunikation kann dafür verwendet werden, Aktivitäten zwischen den verschiedenen Teilsystemen des Systems 100 zu koordinieren.
  • Natürlich ist die obige Besprechung allgemeiner Natur, und das gezeigte System 100 ist ein Laser-Warmdrahtsystem. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind nicht auf die Verwendung des in 2 gezeigten Systems 100 beschränkt, sondern können auch andere Systeme verwenden, die Verbrauchsmaterialien ohne einen Lichtbogen abscheiden. Beispiele solcher anderen Systeme und ihrer Funktionen und Konfigurationen sind in der US-Patentanmeldung 13/547,649, eingereicht am 12. Juli 2012, beschrieben, die durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit in das vorliegende Dokument aufgenommen wird. Genauer gesagt, nimmt die vorliegende Anmeldung die detaillierten Besprechungen des Betriebes und der Struktur der Warmdrahtsysteme und insbesondere der Verfahren und Systeme zum Steuern des Erwärmungsstroms für den Draht 140 auf, die in jeder der 1–5, 11A–15, 17–18 und 20–27 offenbart sind, so dass kein Lichtbogen zwischen dem Draht und einer Pfütze auf dem Werkstück entsteht. Des Weiteren können Prozesse der oben beschriebenen Art jede in Betracht gezogene Ausführungsform des mit einem Kern versehenen Verbrauchsmaterials, wie im vorliegenden Dokument beschrieben, verwenden.
  • Obgleich die Erfindung mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben wurde, ist dem Fachmann klar, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Äquivalente substituiert werden können, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Außerdem können viele Modifizierungen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne ihren Schutzumfang zu verlassen. Darum ist es beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die konkret offenbarten Ausführungsformen zu beschränken ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Energiequellensystem
    110
    Laserstrahl
    115
    Werkstück
    120
    Laservorrichtung
    125
    Richtung
    130
    Laserstromversorgung
    140
    mit einem Kern versehenes Verbrauchsmaterial
    150
    Drahtzufuhrvorrichtung
    160
    Kontaktrohr
    170
    Drahtstromversorgung
    180
    Bewegungssteuereinheit
    190
    Roboter
    195
    Stromsteuerungs-Teilsystem
    1000
    Verbrauchsmaterial
    1010
    Mantel
    1030
    Kern
    1100
    Verbrauchsmaterial
    1110
    Mantel
    1130
    Kern

Claims (19)

  1. Verbrauchsmaterial für lichtbogenfreie Abscheidungsprozesse, das Folgendes umfasst: einen Kern; und einen metallischen Mantel, der den Kern umgibt, wobei das Verbrauchsmaterial eine kombinierte Gesamtmenge an Barium, Kalium, Lithium, Natrium und Strontium im Bereich von 0 bis 0,02 Gewichtsprozent des Verbrauchsmaterials hat, und wobei bevorzugt die kombinierte Gesamtmenge im Bereich von 0 bis 0,01% liegt.
  2. Verbrauchsmaterial nach Anspruch 1, wobei der metallische Mantel aus einer Eisen-basierten Legierung, einer Nickel-basierten Legierung oder einer Cobalt-basierten Legierung besteht.
  3. Verbrauchsmaterial nach Anspruch 1 oder 2, das des Weiteren eine Carbonat im Bereich von 3 bis 20 Gewichtsprozent des Verbrauchsmaterials umfasst, und bevorzugt im Bereich von 5 bis 15 Gewichtsprozent des Verbrauchsmaterials, und ganz besonders bevorzugt im Bereich von 10 bis 20 Gewichtsprozent des Verbrauchsmaterials.
  4. Verbrauchsmaterial nach Anspruch 3, wobei das Carbonat mindestens eines von Calciumcarbonat, Magnesiumcarbonat, Eisencarbonat, Titancarbonat und Lanthancarbonat ist.
  5. Verbrauchsmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das des Weiteren ein Nitrid im Bereich von 0,5 bis 25 Gewichtsprozent des Verbrauchsmaterials umfasst, und bevorzugt im Bereich von 1 bis 20 Gewichtsprozent des Verbrauchsmaterials, und ganz besonders bevorzugt im Bereich von 5 bis 15 Gewichtsprozent des Verbrauchsmaterials.
  6. Verbrauchsmaterial nach Anspruch 5, wobei das Nitrid mindestens eines von Titan-, Bor-, Vanadium-, Tantal-, Aluminium- und Niob-Nitriden ist.
  7. Verbrauchsmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das des Weiteren ein Carbid umfasst, wobei das Carbid bevorzugt im Bereich von 10 bis 80 Gewichtsprozent des Verbrauchsmaterials liegt, und bevorzugt im Bereich von 10 bis 30 Gewichtsprozent des Verbrauchsmaterials, und ganz besonders bevorzugt im Bereich von 30 bis 50 Gewichtsprozent des Verbrauchsmaterials.
  8. Verbrauchsmaterial nach Anspruch 7, wobei das Carbid mindestens eines von W, Ti, TiAl, Cr, V, Nb, Co, Mo und Ta ist, oder das Carbid mindestens eines von TiAlC, TiC, NbC, Cr3C2, Cr23C6 und C7C3 ist.
  9. Verbrauchsmaterial nach Anspruch 7 oder 8, wobei mindestens ein Teil des Carbids einen Nenndurchmesser im Bereich von 10 bis 400 Mikrometern hat.
  10. Verbrauchsmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 9, das des Weiteren mindestens eines von einem Borid von Ti, V, Nb und Ta und/oder mindestens eines von einem Sulfid von W und Mo umfasst.
  11. Verbrauchsmaterial für lichtbogenfreie Abscheidungsprozesse, das Folgendes umfasst: einen Kern; und einen metallischen Mantel, der den Kern umgibt, wobei das Verbrauchsmaterial mindestens ein Carbonat umfasst und im Bereich von 3 bis 20 Gewichtsprozent des Verbrauchsmaterials vorliegt.
  12. Verbrauchsmaterial nach Anspruch 11, wobei das Verbrauchsmaterial eine kombinierte Gesamtmenge an Barium, Kalium, Lithium, Natrium und Strontium im Bereich von 0 bis 0,02 Gewichtsprozent des Verbrauchsmaterials hat.
  13. Verbrauchsmaterial nach Anspruch 11 oder 12, wobei das Verbrauchsmaterial mindestens ein Nitrid enthält und das mindestens eine Nitrid im Bereich von 0,5 bis 25 Gewichtsprozent des Verbrauchsmaterials vorliegt.
  14. Verbrauchsmaterial nach einem der Ansprüche 11 bis 13, das des Weiteren mindestens ein Carbid im Bereich von 10 bis 80 Gewichtsprozent des Verbrauchsmaterials umfasst.
  15. Verbrauchsmaterial für lichtbogenfreie Abscheidungsprozesse, das Folgendes umfasst: einen Kern; und einen metallischen Mantel, der den Kern umgibt, wobei das Verbrauchsmaterial mindestens ein Nitrid enthält und das mindestens eine Nitrid im Bereich von 0,5 bis 25 Gewichtsprozent des Verbrauchsmaterials vorliegt.
  16. Verbrauchsmaterial nach Anspruch 15, wobei das Verbrauchsmaterial mindestens ein Carbonat umfasst und das mindestens eine Carbonat im Bereich von 3 bis 20 Gewichtsprozent des Verbrauchsmaterials liegt.
  17. Verbrauchsmaterial nach Anspruch 15 oder 16, wobei das Verbrauchsmaterial eine kombinierte Gesamtmenge an Barium, Kalium, Lithium, Natrium und Strontium im Bereich von 0 bis 0,02 Gewichtsprozent des Verbrauchsmaterials hat.
  18. Verbrauchsmaterial nach einem der Ansprüche 15 bis 17, das des Weiteren mindestens ein Carbid im Bereich von 10 bis 80 Gewichtsprozent des Verbrauchsmaterials umfasst.
  19. Verbrauchsmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 18, geeignet zum: Erzeugen einer Schmelzpfütze mit mindestens einer hoch-intensiven Energiequelle, bevorzugt mit einer Laservorrichtung; Bestimmen eines oberen Schwellenwertes; Richten mindestens eines mit einem Kern versehenen Verbrauchsmaterials auf die Schmelzpfütze; Erwärmen des mindestens einen mit einem Kern versehenen Verbrauchsmaterials mit einem Erwärmungssignal von einer Stromquelle auf eine solche Temperatur, dass das mit einem Kern versehene Verbrauchsmaterial in der Schmelzpfütze schmilzt, wenn das mit einem Kern versehene Verbrauchsmaterial mit der Schmelzpfütze in Kontakt steht; Aufrechterhalten des Kontakts zwischen dem mit einem Kern versehenen Verbrauchsmaterial und der Schmelzpfütze während des Abscheidens des mit einem Kern versehenen Verbrauchsmaterials; Überwachen einer Rückmeldung von dem Erwärmungssignal; Abschalten des Erwärmungssignals, wenn der obere Schwellenwert durch das Erwärmungssignal erreicht wird, so dass kein Lichtbogen zwischen dem mit einem Kern versehenen Verbrauchsmaterial und der Schmelzpfütze erzeugt wird; und Einschalten des Erwärmungssignals, um das Erwärmen des mit einem Kern versehenen Verbrauchsmaterials fortzusetzen, wobei das mit einem Kern versehene Verbrauchsmaterial Folgendes umfasst: einen Kern; und einen metallischen Mantel, der den Kern umgibt, wobei das mit einem Kern versehene Verbrauchsmaterial eine kombinierte Gesamtmenge an Barium, Kalium, Lithium, Natrium und Strontium im Bereich von 0 bis 0,02 Gewichtsprozent des Verbrauchsmaterials hat.
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