DE2236171C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Plasmastrahlauftragschweißen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Plasmastrahlauftragschweißen, bei dem zur Erzielung einer aufgeschweißten Metallschicht als Zusatzmaterial Pulver oder Körner benutzt werden, das bzw. die fortlaufend in den Schmelzbereich bzw. Lichtbogen eines Plasmastrahls vordringen, der gleichzeitig sowohl die Oberfläche des Grundstoffes als auch das Pulver oder die Körner schmilzt, wobei als fester Zusatzwerkstoff ein im Plasmastrahl abschmelzendes, aufwickelbares Metall verwendet wird.

Das Auftragschweißen metallischer Oberflächen wird bei aus gewöhnlichen Metallen und Legierungen angefertigten Maschinenteilen und -elementen angewandt, um den Oberflächen besondere Eigenschafter zu verleihen, wie Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit Hitzebeständigkeit usw. S Es sind verschiedene Verfahren zum Auftragschweißen von Metallflächen mittels Piasmasirahl bekannt se z.B.

Auftragschweißen mittels in den Plasmastrahl eingebrachter und geschmolzener Metallpulver; ίο Auftragschweißen mittels Drähten, die mechanisch unterhalb des Plasmagenerators direkt in das ge schmolzene Bad an der Oberfläche des Grundmetalls eingebracht werden;

eine Kombination der beiden vorerwähnten Veris fahren, wobei eine Einführung des Drahtes direkt in das geschmolzene Bad und die Metallpulver, entweder direkt in das Bad oder in den Plasmastrahl erfolgt

Zum Beispiel ist gemäß der USA.-Patentschrift 3 179 783 ein Verfahren bekannt bei dem als Zusatzmaterial Pulver oder Körner benutzt werden, wobei das Pulver oder die Körner fortlaufend in den Schmelzbereich eines Plasmastrahls vordringen, der gleichzeitig sowohl die Oberfläche des Grundstoffes als auch das Puivei oder die Körner schmilzt.

Weiterhin ist gemäß der deutschen Patentschrift 1066 676 ein Verfahren zum Plasmastrahlauftragschweißen der eingangs genannten Art bekannt bei dem alc Zusatzmaterial sowohl Pulver oder Körner benutzt werden als auch ein kontinuierlicher Draht die zusammen mit dem Pulver bzw. den Körnern im Plasmastrahl niedergeschmolzen werden.

Die allen diesen Verfahren gemeinsamen Nachteile bestehen darin, daß die Herstellung der Schichten mit besonderen Eigenschaften, mit komplexen Legierungen, erschwert wird, sei es infolge der Notwendigkeit komplizierter Pulverdosiersysteme, sei es infolge der Unmöglichkeit diese Legierungen in der Form eines kontinuierlichen Drahtes zu erhalten.
In der Tat müssen die Metallpulver, im Falle ihrer Einführung in den Plasmastrahl oder direkt in das Metallschmelzbad besondere Körnungsbedingungen erfüllen und ferner muß die Aufschweißeinrichtung, wie beispielsweise im Falle des Verfahrens nach der USA.-Patentschrift 3 179 783 und auch des Verfahrens nach der deutschen Patentschrift 1 066 676 mit komplizierten Dosiersystemen ausgestattet sein, um die infolge der Ungleichförmigkeiten des Pulverflusses entstehende unzulässige Veränderung der Zusammensetzung der aufgetragenen Schicht zu vermeiden; bei der Verwendung der Zusatzstoffe nur in Drahtform sind die erwähnten Verfahren durch die Notwendigkeit begrenzt, vorher die Drähte in der gewünschten Zusammensetzung herzustellen, wobei bekanntermaßen eine Reihe von Metallegierungen und -mischungen sich nicht in Drahform walzen oder ziehen lassen.

Es ist außerdem ein Verfahren bekannt das z. B. in der deutschen Patentschrift 1 066 676 erwähnt ist, und das eine mit unter Einwirkung der Hitze schmelzende und sich auf das Werkstück ablagernde Karbidteilchen gefüllte Rohrelektrode verwendet; dieses Verfahren weist den Nachteil auf, daß die Dosierung des Hartmaterials auf der Oberflache des Werkstücks schwierig ist, wobei auch die Herstellungstechnologie der Elektrode an sich bereits kompliziert ist.

Manche Verfahren benutzen Metallbänder, die in ihrer Zusammensetzung die Legierungselemente einschließen. Ähnlich wie im soeben beschriebenen Ver-

fahren sind die Nachteile der Bandherstellungstechnologie, sowie der Regelungsschwierigkeiten der Hartmaterialmenge auf der Werkstücksoberfläche.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Plasmastrahlauftragschweißung zu schaffen, bei dem sowohl komplizierte Dosierungssysteme als auch eine umfangreiche Lagerhaltung verschiedener Elektroden vermieden wird, ohne daß dajurch die Vielseitigkeit der erzielbaren Legierungen eingeschränkt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man als festen Zusatzwerkstoff ein Metallband benutzt, das beim Vorschieben rinnenförmig profiliert wird und für den Transport des Pulvers oder der Körner in die Schmelzzone dient, wobei die Zusammensetzung der erzielten Metallschicht durch das Mischungsverhältnis zwischen dem von dem Metallband bzw. dem Pulver oder den Körnern herrührenden Mengen durch die Dicke und die Breite des Metallbandes bzw. durch die Breite und die Form der Rinne pro Längeneinheit des Bandes geregelt wird.

Die wesentlichsten Vorteile diese/ Lösung bestehen darin, daß man in sehr einfacher Weise die Profiiierungswerkzeuge austauschen kann, so daß man also je nach der gewünschten Legierung die verschiedenartigsten Profilierungswerkzeuge und Metallbandabmessungen verwenden und damit das erforderliche Mischungsverhältnis einstellen kann. Es wird also ermöglicht. Legierungen und Metallmischungen herzustellen, die in Draht- oder Flachbandform nicht erhältlich sind. Einerseits wird dadurch die Notwendigkeit komplizierter Pulver- und Körnerdosierungsvorrichtungen durch die Möglichkeit beseitigt, die gewünschten Mis*.hungsverhältnisse in einfacher Weise zu erzielen, indem man das Pulver oder die Körner im freien Fall durch ein Zuführungsrohr auf das Profilband fließen läßt, wobei sich die Dosierung aus der jeweiligen Profilierung des Metallbandes und aus der Höhenverstellung des Zuführungsrohres ergibt. Andererseits erübrigt sich aber eine umfangreiche Lagerhaltung von Zusatzwerksioffen, weil schon mit Hilfe eines einzigen Metallbandes und eines einzigen Pulvers verschiedenartigste Legierungsverhältnisse erzielbar sind.

Mit der Erfindung wird weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen, die sich dadurch auszeichnet, daß die zwecks Erzielung von aufgeschweiPten Schichten mit in weiten Grenzen einstellbaren giornetrischen Parametern und chemischer Zusammensetzung einen durch Elektromotor angetriebenen Wagen besitzt, auf den ein Träger eines Breitbandes und ein Steuerfeld eine Stützdrehsäule, eire durch einen Elektromotor angetriebene Profiliervorrichtung, ein mit einem Verschluß versehener Behälter, ein durch Elektromotor angetriebenes Pendelwerk mit zwei Einstellarmen, ein Einstellwerk und drei Griffe zum senkrechten Einstellen der Profiliermaschine, des Behälters und des Plasmaerzeugers, in der Nähe des Wagens, der sich auf einer Rollbahn bewegt und sich einem durch einen Elektromotor angetriebenen Drehwerk nähert sowie eine an sich bekannte Einheit zur Beschickung mit Strom, Schutzgas und Kühlwasser für den Plasmaerzeuger aufgebaut sind, so daß sich nach Einregelung der energetischen und geometrischen Parameter der gesamte Aufschweißprozeß unter Steuerung und Überwachung von einem Steuerkasten aus mechanisiert entfaltet.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand eines Anwendungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Fi g. 1, 2 und 3 noch näher erläutert:

F i g. 1 zeigt eine Seiten- und Vorderansicht eines Bohrgestängeverbinders während dessen Auftragsschweißens mit körnigem Wolframkarbid und mit vom Breitband herrührendem Stahl;

F i g. 2 zeigt einen Querschnitt durch die Wolfnunkarbid-Stahlaufschweißung auf einem Bohrgestängeverbinder;

Fig.3 zeigt eine Gesamtansicht des Plasma-Auftragsschweißaggregats bei der Verwendung zum Aufschweißen eines Bohrgestängeverbinders.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht in der gleichzeitigen Verschmelzung in dem von einem Plasmagenerator 2 erzeugten Plasmastrahl 1, der Oberfläche des Werkstücks 3, eines rinnenförmig profilierten Stahlbandes 4 und der darauf aufgebrachten Wolframkarbidkörner 5, wobei sich ein Schweißbad 6 bildet, das infolge der Drehung des Werkstücks 3 in der durch Pfeil angedeuteten Richtung erstarrt und eine Auftragsschicht 7 ergibt, die aus teilweise geschmolzenen Wolframkarbidkörnern 8 besteht, die in ein Bindemittel 9 eingebettet sind, das sich seinerseits aus dem vom vollständigen Schmelzen des Stahlbandes 4 und dem teilweisen Schmelzen des Bohrgestängeverbinders 3 und der Wolframkarbidkörner 5 herrührenden Metall zusammensetzt. Deren Schmelzgrad wird durch die Einregelung der Richtung, des Sinnes und der Stellung der Einführung des Stahlbandes 4 in den Aufschmelzbereich, sowie durch Einregelung des elektrischen Parameters und der Stellung des Plasmagenerators 2 in bezug auf den Gestängeverbinder 3 bestimmt.

Das gesamte Verfahren wird vermittels eines einheitlichen Aggregats durchgeführt, bestehend aus einem von einem Elektromotor 11 angetriebenen Wagen 10, auf dem sich die Stützen 12 zum Tragen der Stahlbandrolle 13, ein Steuerkasten 14, eine Drehstützsäule 15, eine von einem Elektromotor 17 angetriebene Profiliervorrichtung 16, ein mit einem Verschluß 19 versehener Pulverbehälter 18, ein von einem Elektromotor 21 angetriebenes Pendelwerk 20, die Einstellarme 22 und 23 und das Einstellwerk 24 mit den Griffen 25, 26 und 27 befinden. In der Nähe des sich auf der Rollbahn bewegenden Wagens 10 befindet sich ein von einem Elektromotor 30 angetriebenes Werk 29 zum Drehen des Werkstücks 3. Der Apparat ist auch mit einer — nicht dargestellten - Einrichtung zu dessen Versorgung mit Kraft, Wasser und Schutzgas versehen.

Bei ringförmiger Auftragsschweißung steht der Wagen 10 still, und das Werkstück 3 dreht sich in der Vorrichtung 29. Durch den Griff 25 des Einstellwerkes stei-

gen gleichzeitig die Profiliermaschine 16, der Pulverbehälter 18 und der Arm 23 mit dem Pendelwerk 20 sowie der Plasmagenerator 2; mittels des Griffes 26 wird die Lage des Behälters 18 in bezug auf das Profilband 4, mithin die Höhe der Körnerschicht 5, eingestellt; mittels des Griffes 27 wird die Höhenlage des Plasmagenerators 2 in bezug auf das Profilband 4 mit der Körnei schicht 5 und durch Einstellung der Länge der Arme 22 und 23 die Pendelamplitude des Plasmaerzeugers 2 und seine Lage in bezug auf den Zenit des Werkstücks 3

verändert; durch entsprechende Wahl des Drehsinns des Werkstücks 3 und durch entsprechendes Neigen der Profiliermaschine 16 wird Richtung und Sinn der Einführung der Zusatzmaterialien 4 und 5 in den Schmelzbereich des Verbinders 3 eingestellt. Die Pen-

<>5 delgeschwindigkeit des Plasmabrenners 2, die Vorschubgeschwindigkeit des Profilbandes 4 und die Drehgeschwindigkeit des Verbinders 3 werden vom Steuerkasten 14 aus vermittels der Motoren mit Drehzahlän-

derung 21, 17 bzw. 30 eingeregelt. Die energetischen Daten des Schmelzprozesses, die Zusammensetzung und Menge des Plasma- und des Schutzgases, sowie die Kühlwassermenge für den Plasmaerzeuger 2 werden von der Schalttafel der Beschickungsanlage aus gesteuert Die Form des Profilbandes 4 wird durch entsprechende Wahl der Profile der Rollen der Profiliervorrichtung 16 sowie der Breite und Dicke des Stahlbandes der Rolle 13 geregelt. Nach Einregelung sämtlicher Parameter zum Erzielen einer aufgeschweißten Schicht 7 von gewisser Breite, Eindringtiefe und Überhöhung, sowie nach entsprechender Wahl der Körnung der Wolframkarbide entfaltet sich der gesamte Auftragsschweißvorgang mechanisiert, vom Steuerkasten 14 aus gesteuert. ι S

Unter Laborbedingungen wurde die Plasmastrahlaufschweißung von Bohrgestängeverbindern vorgenommen, wobei die Verbinder aus niedrig legierten Vergütungsstählen der Type 41 MoC 11 (0,43% C, 031% Si, 0,79% Mn, 0,025% S, 0,021% P, 0,22% Mo und 1,2% Cr) hergestellt, und das Zusatzmaterial Weichstahlband mit den Abmessungen 0,5 χ 20 mm und Wolframkarbidkörner der Größe 20 bis 30 Mesh waren.

Die Auftragsschweißdaten waren Ii = 60 A, I2 - 140 A. Ui = 18 V, U2 = 34 bis 36 V; Q Plasmagas = 1 l/min, Q Schutzgas = 8 l/min; Drehzahl des Werkstücks : π — 0,25 T/min; Außendurchmesser des Werkstücks: De — 180 mm. Es wurde eine 4 bis 5 mm dicke und 24 mm breite Auftragsschicht erzielt, in der die WK-Körner ungeschmolzen eingeschlossen sind, wie aus F i g. 2 ersichtlich.

Die Untersuchungen des Mikrogefüges bewiesen, daß die WK-Körner nicht zerschmolzen wurden.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet folgende Vorteile:

Die Legierung oder die Metallmischung, die die aufgeschweißte Schicht bildet, wird im Schmelz- und Auftragsprozeß selbst erhalten durch gleichzeitiges Schmelzen des Bandstahls und des Pulvers oder der Körner der gewünschten Zusammensetzung, wodurch ein breiter Regelungsbereich der chemischen Zusammensetzung sichergestellt wird, was es ermöglicht, auch Legierungen und Metallmischungen zu erzielen, die in Draht- und Flachbandform nicht erhältlich sind, wobei die Notwendigkeit komplizierter Pulver- und Körnerdosiervorrichtungen im Bereich der Plasmaschmelzzone durch die Möglichkeit beseitigt wird, sie im Voraus in den gewünschten Verhältnissen zu mischen und sie durch freien Fall auf das Profilstahlband zu dosieren, welches gleichzeitig einerseits einen Legierungsbestandteil und andererseits ein schmelzbares Förderband für Zusatzpulver oder -körner bildet;

indem das Aggregat eine kompakte Einheit bildet, bietet es die Möglichkeit, seiner Verwendung sowohl als einer ortsfesten Einrichtung zur Aufschweißung kleiner Werkstücke, als auch einer beweglichen Einrichtung zum Auftragsschweißen von Blechen, Kesselschüssen und großer Werkstücke im allgemeinen;

die vielfachen Regelungsmöglichkeiten des Aggregats gewährleisten das Erzielen von Schichten vielartiger Geometrie bei gewünschter Breite, Eindringtiefe und Überhöhung; die Bauart des Aggregats ermöglicht seine Verwendung zum Plasmaauftragen unter Benutzung von nur Draht und Rachband ohne Zusatz von Pulvern oder Körnern, mit der Möglichkeit der Zuleitung eines elektrischen Stromes auch durch den Draht oder das Flachband selbst

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims (2)

1. ■Patentansprüche:

   t. Verfahren zum Plasmastrahlauftragschweißen, bei dem zur Erzielung einer aufgeschweißten Metallschicht &Is Zusatzmaterial Pulver oder Körner benutzt werden, das bzw. die fortlaufend in den Schmelzbereich bzw. Lichtbogen eines Plasmastrahls vordringen, der gleichzeitig sowohl die Oberfläche des Grundstoffes als auch das Pulver oder die Körner schmilzt, wobei als fester Zusatzwerkstoff im Plasmastrahl abschmelzendes, aufwikkelbares Metall verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß man als festen Zusatzwerkstoff e<n Metallband benutzt das beim Vorschieben rinnenförmig profiliert wird und für den Transport des Pulvers oder der Körner in die Schmelzzone dient, wobei die Zusammensetzung der erzielten Metallschicht durch das Mischungsverhältnis zwischen dem von dem Metallband bzw. dem Pulver oder den Körnern herrührenden Mengen durch die Dicke und die Breite des Metallbandes bzw. durch die Breite und die Form der Rinne pro Längeneinheit des Bandes geregelt wird.
2. 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwecks Erzielung von aufgeschweißten Schichten mit in weiten Grenzen einstellbaren geometrischen Parametern und chemischer Zusammensetzung einen durch Elektromotor (11) angetriebenen Wagen (10) besitzt, auf den ein Träger (12) eines Breitbandes (13) und ein Steuerfeld (14) eine Stützdrehsäule (15), eine durch einen Elektromotor (17) angetriebene Profiliervorrichtung (16), ein mit einem Verschluß (19) versehener Behälter (18), ein durch Elektromotor (21) angetriebenes Pendelwerk (20) mit zwei Einstellarmen (22 und 23), ein Einstellwerk (24) und drei Griffe (25,26 und 27) zum senkrechten Einstellen der Profiliermaschine (16), des Behälters (18) und des Plasmaerzeugers (2), in der Nähe des Wagens (10), der sich auf einer Rollbahn (28) bewegt und sich einem durch einen Elektromotor angetriebenen Drehwerk (29) nähert, sowie eine an sich bekannte Einheit zur Beschickung mit Strom, Schutzgas und Kühlwasser für den Plasmaerzeuger (2) aufgebaut sind, so daß sich nach Einregelung der energetischen und geometrischen Parameter der gesamte Aufschweißprozeß unter Steuerung und Überwachung von einem Steuerkasten (14) aus mechanisiert entfaltet.