DE3050278C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Plasmalichtbogenumschmelzen der Oberfl{chenschicht eines flachen Metallwerkst}cks - Google Patents

Description

Zwischen den Kühlbalken ist eine Startplatte angeordnet, welche zum Herausziehen des aus dem Werkstück gebildeten Guüblockes bestimmt ist.

Die Plasmabrenner sind in die Kammer teilweise eingeführt, so daß nur deren Düsenabschnitte in sie hineinragen. Die Plasmabrenner sind in der Kammerwandung starr befestigt.

Aus der AT-PS 2 67 286 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Schmelzen von Material in der Oberfläche eines metallischen Körpers bekannt. Hierbei werden eine Anzahl von elektrischen Lichtbögen jeweils zwischen einer Elektrode und der Oberfläche des zu behandelnden Werkstükkes gebildet. Die einzelnen Lichtbogen werden durch einen Strom von Schutzgas umgeben, welches über das lichtbogenseitige Ende der Elektrode und über die mit diesen Lichtbogen zu schmelzende Oberfläche geleitet lö wird. Die einzelnen Lichtbogenbrenner bilden eine Querreihe zum Werkstück. Die Lichtbogenbildung erfolgt entweder aufgrund von Wechselstromwirkung oder von Gleichstromwirkung.

Auf das Werkstück wird vor dem Einschalten der Lichtbogen ein Pulver aufgebracht, um beim Schmelzvorgang eine Oberflächenlegierung zu schaffen. Das Metall wird innerhalb des ringförmigen Gasstromes geschmolzen, und zwar durch gegenseitige elektromagnetische induktion. Dieses als elektromagnetisches Induktions-Bestreichen bezeichnete Verfahren bewirkt, daß das flüssige Metall in einem im wesentlichen glatten und ebenen Zustand gelassen wird, um auf diese Weise ein großes Gebiet der Oberfläche des Metalles zu erfassen.

Die Lichtbogen sind in Reihen entweder symmetrisch oder versetzt angeordnet. Hinter einer solchen Lichtbogenbrennerreihe befindet sich ein Zusatzgehäuse mit einem Schutzgaseinlaß. Dieses Zusatzgehäuse soll eine gleichmäßige Verteilung des Gases in Form einer Decke aus Schutzgas über dem flüssigen Metall erzeugen.
Seitliche Wälle bewegen sich zusammen mit einer Bramme bzw. dem Werkstück im Zuge der Oberflächenbehandlung. Hierbei besteht der Nachteil, daß diese seitlichen Wälle mitangeschmolzen werden.

Bei diesem bekannten Verfahren erfolgt die Bildung der metallischen Überzugsschicht letztendlich über das sogenannte Lichtbogenischweißen. Damit erfolgt eine Verbindung eines Grundwerkstoffes mit einem demgegenüber unterschiedlichen Metallüberzug-Werkstoff.

Dieses bekannte Verfahren sowie deren Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weisen den Nachteil auf, daß aufgrund des Lichtbogenschmelzvorganges über die gesamte Breite des Werkstückes ein Metallsumpf von beträchtlicher Breite gebildet wird, bei dem es notwendig ist, über den gesamten Metallsumpf eine Schutzgasdecke zum Schutz dieses flüssigen Metalles zu bilden. Bei der Schaffung einer neutralen Atmosphäre in der Schmelzzone des Metalles ist es besonders schwierig eine solche Atmosphäre aufrecht zu erhalten, da in der Regel ein Gasaustausch dem Schutzgas und dem Metall sowie der umliegenden oxidischen Atmosphäre erfolgt. Aufgrund eines solchen Gasaustausches des Schutzgases treten Fehler und damit Verunreinigungen in der geschmolzenen Oberfläche auf. Dieses bekannte Verfahren ist daher zur Beseitigung von Fehlerstellen in der Oberflächenschicht von Metall nicht geeignet.

Wie eingangs erwähnt, ist der weitere Nachteil gegeben, daß die seitlichen Wälle an beiden Seiten des Werkstückes an der Oberfläche mitgeschmolzen und mitbewegt werden. Hierbei besteht der weitere Nachteil, daß Verunreinigungen aus den geschmolzenen Seitenwällen in das Werkstück gelangen.

Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß bei Lichtbogenbrennern Elektrodenmaterial in den Werkstoff gelangt. Insbesondere besteht die Verwendung von Kohlenstoffelektroden die Gefahr, daß Kohlenstoff in die Schmelzschicht gelangt.

Bei den bekannten Verfahren der eingangs genannten Art erfolgt die Formgebung der umgeschmolzenen Oberfläche durch deren Berührung mit den aktiven Kühlbacken. In der Makrostruktur der umgeschmolzcnen Schicht besteht hierbei die Gefahr der eventuellen Bildung von groben Fehlern, wie beispielsweise von Querrissen sowie von Längsporositäten.

Um das Umschmelzen der Oberflächenschicht des Werkstückes auf eine geringe Tiefe zu begrenzen, weiche z. B. der Dicke der Fehlerschicht entspricht, wird der Metallsumpf nach der Bildung einiger geschmolzener Bereiche kristallisiert, welche Bereiche sich im Wirkungsbereich der Plasmabrenner befinden. Diese teichartigen geschmolzenen Bereiche sind voneinander durch das erstarrte Metall getrennt.

Beim weiteren Durchziehen des Werkstückes über die Kühlbackenanordnung werden auf der Oberfläche des Werkstückes nicht durchgeschmolzene Stellen mit einer fehlerhaften Schicht gebildet. Bei einer anschließenden Verformung des Werkstückes besteht daher die Gefahr, daß die Oberflächenfehler zum Vorschein komnen, wonach dann das Werkstück verschrottet werden muß.

Aus diesem Grunde ist es daher notwendig, daß die Oberflächenschicht des Werkstückes bis zu einer Tiefe umgeschmolzen wird, die 5 bis 10 mal so groß ist wie die Dicke der fehlerhaften Schicht Dies bedeutet einen erhöhten Energieverbrauch, insbesondere einen erhöhten Plasmagasverbrauch. Die Folge ist, daß die Leistungsfähigkeit herabgesetzt wird sowie die Kosten für das Verfahren erhöht werden.

Beim Umschmelzen der Oberflächenschicht des Werkstückes nach dem bekannten Verfahren erfolgt die Kristallisation des flüssigen Metalls derart, daß die Achsen der ausgezogenen Kristalle dieser Schicht auf die geformte Gußblockoberfläche unter einen Winkel gerichtet sind, der im Bereich eines rechten Winkels liegt. Eine derartige Makrostruktur der Oberflächenschicht bleibt sogar erhalten, wenn die Plasmabrennerleistung sowie die Verschiebungsgeschwindigkeit des Werkstückes verändert wird. Bei einer solchen Maktrostruktur der umgeschmolzenen Schicht werden jedoch die Verformungsfähigkeiten des Metalles beeinträchtigt. Die anschließende Verformung des erkalteten Werkstückes birgt die Gefahr in sich, daß Risse zwischen den ausgezogenen Kristallen entstehen, weil die Richtung der Verformungskraft mit der Orientierung der Kristallachse übereinstimmt

Desweiteren ist hervorzuheben, daß bei den bekannten Verfahren die Dicke der umzuschme'izenden Werkstückschicht durch die Breite des Metallsumpfes auf der Werkstückoberfläche bestimmt ist Die Tiefe des Metallsumpfes übt praktisch keinen Einfluß auf die Dicke der umzuschmelzenden Schicht aus.

Daher führt der Versuch, den Metaliraffinationsvorgang durch Vergrößerung der Breite des Metallsumpfes zu

intensivieren, zur Vergrößerung der Tiefe der Werkstückdurchschmelzung. Dies bedeutet bei der gleichen Leistungsfähigkeit einen Mehrverbrauch an elektrischer Energie sowie an plasmabildendem Gas. j

Beim Versuch, die Leistungsfähigkeit der Behandlung durch Erhöhen der Durchziehgeschwindigkeit des γ,

Werkstückes über die Kühlbackenanordnung zu vergrößern, besteht die Gefahr, daß hierbei die Qualität der zu .''■!

formenden Werkstückoberfläche beeinträchtigt wird. Die Erhöhung der Durchziehgeschwindigkeit des Werk- 5 Ί'

Stückes führt bei konstant bleibender Dicke der umzuschmelzenden Schicht, welches durch Erhöhung der ij

Plasmabrennerleistung erzielt wird, dazu, daß der Flüssigkeitsmetallsumpf im Querschnitt eine in Bewegungs- \\

riciiiiing des Werkstückes ausgedehnte Form aufweist. Die Kristallisationsfront dieses Metallsumpfes weist in if

einem solchen Fall eine Keilform auf. Das Kristallwachstum erfolgt in Richtung zu der Achse dieses Keiles hin,

und zwar von dessen beiden Ebenen jeweils in entgegengesetzten Richtungen. Das entgegengerichtete Wachs- io \)

turn der Kristalle bedingt die Entstehung der Porosität in dem erstarrten Bereich des Werkstückes längs der i

Keilachse und führt zur Beeinträchtigung der Qualität der Oberflächenschicht dieses Werkstückes. i

Aus den vorgenannten Gründen erhält man ein Werkstück mit einer umgeschmolzenen Schicht mit genügender Qualität und einer Dicke, die in einem geringen Umfang zur Beseitigung der Fehler in der Ausgangsschicht ausreicht, nur mit einer relativ niedrigen Leistungsfähigkeit, welche den Anforderungen der gegenwärtigen Hüttentechnik nicht entspricht. Die Durchziehgeschwindigkeit des Werkstückes durch die Kühlbackenanordnung übersteigt in der Praxis den Wert von 30 mm pro Minute nicht.

Desweiteren ist festzustellen, daß aufgrund der Tatsache, daß die Tiefe des Flüssigkeitsmetallsumpfes keinen fcinfluß auf die Dicke der umzuschmeizenden Schicht ausübt, der Versuch, diese Dicke durch Steuerung der Tiefe des Metallsumpfes bei Änderung der Leistung der Plasmabrenner zu regeln, keine spürbaren Verbesserungen bringt.

Desweiteren ist bei den bekannten Verfahren der Nachteil gegeben, daß der Vorgang des Plasmalichtbogenumschmelzens instabil abläuft. So bestehen Schwankungen im Metalisumpfspiegel in der Kühlbackanordnung. Desweiteren besteht die Gefahr, daß eine tropfenförmige Übertragung eines Teils des Metalls aus der abzuschmelzenden Oberfläche in das Metallbad über den jeweiligen Plasmalichtbogen erfolgt.

Wenn solche flüssigen Metalltropfen in den Plasmalichtbogen gelangen, besteht die Gefahr einer Störung der Stabilität. Dies kann dazu führen, daß die Metalltropfen wegspritzen bzw. zerstäuben, was zu Metallverlusten sowie zur Beeinträchtigung der Qualität der Werkstoffoberfläche führt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Plasmalichtbogenumschmelzen der eingangs genannten Art sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen, bei dem es möglich sein soll, durch Veränderung der gegenseitigen Lage der Plasmabrenner sowie des Werkstückes in der Ausgangsstellung sowie durch Veränderung der Ebene der gegenseitigen Verschiebung zwischen Brenner und Werkstück im Laufe des Umschmelzvorganges ein Werkstück zu erzeugen, dessen umgeschmolzene Oberflächenschicht eine hohe Qualität und vorgegebene Dicke sowie Makrostruktur aufweisen soll und wobei eine hohe Leistungsfähigkeit der Bearbeitung gegeben sein soll. ;

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Werkstück in der Kühlbacken-Anordnung in eine waagerechte Ausgangstage gebracht wird, daß die Plasmabrenner über dem Werkstück in einer Reihe quer zu den parallelen Längskanten des Werkstückes derart angeordnet werden, daß die Anodenbrennflecke der Randplasmabrenner dieser Plasmabrennerreihe einerseits durch die parallelen Längskanten des Werkstückes begrenzt werden und daß andererseits ein Metallsumpf mit einer Länge gebildet wird, die gleich dem Abstand ^ zwischen diesen Parallelkanten ist und daß sich während der gegenseitigen Verschiebung des Werkstückes und der Plasmabrenner im Zuge des Umschmelzvorganges der Spiegel des Metallsumpfes entsprechend über die gesamte Werkstückoberfläche verschiebt und hierdurch eine umgeschmolzene Schicht gebildet wird, deren Dicke gleich der Tiefe des Metallsumpfes ist.

In vorteilhafter Weise werden anstelle von Lichtbogenbrenner, Plasmabrenner verwendet, die sich dadurch auszeichnen, daß ein Plasmagasstrom von hoher Temperatur gebündelt auf das Werkstück gerichtet wird, wobei der Plasmastrahl durch besonders hohe Temperaturen von Gasionen gekennzeichnet ist.

Durch die Anordnung der Plasmabrenner über die gesamte Breite des Werkstückes, durch die Erzeugung eines eng begrenzten Metaüsumpfes über die gesamte Breite des Werkstückes bis hin zu den parallelen Kanten, -

durch Vermeidung einer Lichtbogenbildung und einer damit resultierenden Verbreiterung des Flüssigkeitssumpfes sowie durch Relativbewegung des Werkstückes jegenüber den Plasmabrennern wird der Vorteil erzielt, daß der Metallsumpfspiegel sich fortlaufend auf der Werkstückoberfläche bewegt, und zwar in Abhängigkeit von der Relativgeschwindigkeit. Dies gewährleistet die Bildung einer Makrostruktur, bei welcher die Achsen der ausgezogenen Kristalle parallel zu der zu bearbeitenden Oberfläche verlaufen. Bei einer solchen Makrostruktur erhöht sich die Verformungsfähigkeit des Werkstückes, was bei der nachfolgenden Werkstückverformung von besonderer Bedeutung ist. Hierbei wird eine einseitige Ausrichtung der Kristallisationsfront erreicht. Das Kristallwachstum erfolgt von den Wänden und vom Boden des Metallsumpfes nur in einer Richtung und zwar in Richtung des Sumpfspiegels. Dadurch wird die Entstehung der Schrumpfporosität des Metalls ausgeschlossen und eine hohe Qualität der Oberflächenschicht des Werkstückes gewährleistet Außerdem ist zu berücksichtigen, daß die seitlichen Begrenzungen für das Werkstück gekühlt sind, so daß von den Seiten her das Wachsen der Kristalle in einer Richtung erfolgt Die Wachstumsrichtung ist gegeben durch den Sumpfspiegel des Metalls und damit letztendlich durch die Ziehrichtung des Werkstückes in Bearbeitungsrichtung. Auf diese Weise wird die Entstehung der Schrumpfporosität des Metalls ausgeschlossen und eine Qualität der Oberflächenschicht des Werkstückes gewährleistet.

Bei der Erfindung trennt sich die zu bearbeitende Oberfläche des Werkstückes von der Arbeitsfläche der Kühlbackenanordnung ab. Der Metallsumpfspiegel wird in der Ebene der zu bearbeitenden Oberfläche ausgerichtet

Infolgedessen wird die Oberfläche des aufgeschmolzenen Metalles ungehindert geformt, ohne mit der Ar-

beitsfläche der Kühlbacken-Anordnung in Berührung zu kommen. Eine mechanische Einwirkung der Kühlbakkenanordnung auf das Werkstück erfolgt nicht. Bei der ungehinderten Formung der aufgeschmolzenen Oberfläche erhöht sich außerdem die Qualität der Oberflächenschicht des Werkstückes. Außerdem wird die Leistungsfähigkeit der Verarbeitung durch Erhöhung der Geschwindigkeit der gegenseitigen Verschiebung des Werk-Stückes und der Plasmabrenner erzielt, da die Geschwindigkeitsgröße keine Auswirkung auf die Qualität der zu formenden Oberfläche aufweist.

Dadurch, daß das Werkstück waagerecht angeordnet ist, braucht der Metallsumpf nicht auf dem gesamten Querschnitt des Werkstückes durch Kühlbacken begrenzt zu werden. Auf diese Weise wird die Berührungsfläche der Kühlbacken-Anordnung mit dem Metallsumpf verringert. Somit erfolgt die Wärmeableitung vom geschmolzenen Material nicht nur durch die Wärmeleitung über die Arbeitsfläche der Kühlbackenanordnung, sondern vielmehr durch Konvektion und Strömung von der gewissermaßen ungehindert geformten Oberfläche. Die Kühlbacken-Anordnung dient im wesentlichen zum Zurückhalten des aufgeschmolzenen Metalles auf der Werkstückoberfläche.

Hierbei vermindern sich die bei der Verschiebung des Werkstückes in bezug auf die Kühlbacken-Anordnung enstehenden Widerstandskräfte. Somit wird die Wahrscheinlichkeit der Rißbildung in der Oberflächenschicht des Werkstückes ebenfalls vermindert.

Darüber hinaus vereinfacht sich der konstruktive Aufbau der Kühlbacken-Anordnung.

Die Anordnung der Plasmabrenner in einer Reihe oberhalb des Werkstückes in der vorbeschriebenen Art ermöglicht es, den Mctal'sumpf in einer Länge aufrecht zu erhalten, welche dem zwischen den Seitenkanten des Werkstückes entspricht. Die Leistung der Plasmabrenner auf der Metallsumpflänge kann wunschgemäß verteilt werden. Hierdurch ist es möglich, die Form der Schmelzfront und der Kristallisationsfront des Metallsumpfes zu steuern. Auf diese Weise wird die gewünschte bzw. geforderte Makrostruktur der Oberflächenschicht des Werkstückes vorgegeben.

Außerdem wird beim erfindungsgemäßen Verfahren die Dicke der umgeschmolzenen Schicht des Werkstükkes durch die Tiefe des Metallsumpfes bestimmt. Dieses bietet die Möglichkeit, die Dicke der umgeschmolzenen Schicht des Werkstückes durch Änderung der Metallsumpfteile durch die Wahl eines entsprechenden Verhältnisses zwischen der Leistung der Plasmabrenner und der Geschwindigkeit der gegenseitigen Verschiebung des Werkstückes sowie der Plasmabrenner in bedeutendem Maße zu steuern. Infolgedessen kann das Werkstück bis zu einer Tiefe aufgeschmolzen werden, die minimal ist und darüber hinaus ausreichend ist, um die Fehler der Ausgangsoberflächenschicht zu beseitigen mit der gleichzeitigen Wirkung, daß der Verbrauch von elektrischer Leistung sowie des Plasmagases stark vermindert ist.

Mit dem größten Nutzeffekt kann die vorliegende Erfindung im Hüttenwesen bei der Bearbeitung von flachen Werkstücken, beispielsweise Brammen, Gußstücken, Walzerzeugnissen und Schmiedestücken zur abfallfreien Beseitigung von deren Oberflächenfehlern und somit zur Vereinfachung nachfolgender plastischer Verformung dieser Werkstücke verwendet werden.

Es ist zweckmäßig, die Geschwindigkeit der gegenseitigen Verschiebung des Werkstückes und der Plasmabrenner in der Horizontalebene in einem Bereich von 3 bis 500 mm/min zu wählen.

Die derart gewählte Geschwindigkeit ist optimal und sichert die Bildung einer Werkstückoberfläche von hoher Qualität mit einer dichten Makrostruktur.

Wenn die Geschwindigkeit weniger als 3 mm/min beträgt, ist die Leistungsfähigkeit der Bearbeitung relativ niedrig und entspricht daher nicht den Anforderungen des modernen Hüttenbetriebs.

Wenn die Geschwindigkeit 500 mm/min übertrifft, wird dadurch die Steuerung für die Aufrechterhaltung des Metallsumpfes zwischen den Seitenkanten des Werkstückes erschwert.

Es ist wünschenswert, die Anzahl der Plasmabrenner in der vorstehend erwähnten Reihe als ein Vielfaches von drei zu wählen und an diese Brenner Drehstrom anzuschließen.

Falls den Plasmabrennern Drehstrom zugeführt wird, können viel einfachere Stromquellen verwendet werden, als bei der Gleichstromspeisung. Dies hat die Verminderung der Materialkosten für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Folge.

Es ist zweckmäßig, mindestens einige der Plasmabrenner der vorstehend erwähnten Reihe in Pendelbewegung in der Ebene zu versetzen, welche zur Richtung der gegenseitigen Verschiebung des Werkstückes sowie die Plasmabrenner senkrecht verläuft.

Dadurch wird eine gleichmäßige Durchschmelzung der Oberflächenschicht des Werkstückes sowie das Vermischen des Metallsumpfes während des Umschmelzens infolge der mechanischen Einwirkung von Plasmalichtbögen auf den Sumpf gewährleistet. Da außerdem die Pendelbewegungen eines Plasmabrenners zur Vergrößerung der durch diesen beheizten Fläche führen, entsteht die Möglichkeit, die Anzahl der Plasmabrenner in der vorstehend erwähnten Reihe zu reduzieren.

Die besten Ergebnisse werden dann erreicht, wenn an die Plasmabrenner Pendelbewegungen mit einer Frequenz von 10 bis 100 Bewegungen/min übertragen werden.

Eine derartige Pendelfrequenz gewährleistet die optimalen Bedingungen zum Aufrechterhalten des Metallsumpfes.

Falls diese Frequenz weniger als 10 Pendelbewegungen/min beträgt, können bei einer relativ hohen Geschwindigkeit der Verschiebung des Metallsumpfspiegels über die Oberfläche des Werkstückes in einigen Fällen nichtabgeschmolzene Stellen auf dieser Oberfläche hervortreten.

Bei einer Frequenz von über 100 Pendelbewegungen/min kommt es zum Verspritzen des Metalls. Dabei wira §§5 65 die Qualität der zu formenden Oberfläche beeinträchtigu

% Die Pendelbewegungen in der vorsteher-d erwähnten Ebene können an die Mittel-Plasmabrenner der genannig ten Reihe übertragen werden, wobei die Randbrenner dieser Reihe in der erwähnten Ebene unbeweglich

fitj bleiben.

Bei einer solchen Modifikation des erfindungsgemäßen Verfahrens verbessert sich die Formung der Seitenkanten der umzuschmelzenden Oberfläche. Eine solche Modifikation ist sehr günstig bei der Bearbeitung von Werkstücken aus Metall und Legierungen mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, wie Kupfer. Gold und Platin. In diesem Falle übt die intensive Wärmeableitung an den Werkstückkanten infolge dessen hoher Wärmeleitfähigkeit keinen Einfluß auf die Stabilität des Umsrhmelzvorganges aus.

Es ist zweckmäßig, die Rand-Plasmabrenner der vorstehend erwähnten Reihe mit Gleichstrot,ι und die Mittel-Plasmabrenner dieser Reihe mit Wechselstrom zu speisen.

Die Speisung von Rand-Plasmabrennern mit Gleichstrom ermöglicht es, die Plasmalichtbögen dieser Plasmabrenner auf die Werkstückkanten genauestens zu richten, da der Anodenbrennfleck des Gleichstrom-Plasmalichtbogens auf der zu bearbeitenden Oberfläche praktisch unbeweglich ist, wodurch eine hohe Beständigkeit der Kantenbearbeitung gewährleistet wird. Gleichzeitig ruft die Speisung des jeweiligen Mittel-Plasmabrenners mit Wechselstrom Pendelbewegungen des Plasmalichtbogens bezüglich dieses Brenners hervor, wodurch bei der gleichen Pendelfrequenz des Plasmabrenners die Vergrößerung der Pendelamplitude des Plasmabrennerlichtbogens bedingt wird. Dies hat die Vergrößerung der mechanischen Einwirkung des Plasmalichtbogens auf den Metallsumpf sowie eine Erweiterung der Heizzone, welche durch den jeweiligen pendelnden Brenner gebildet wird,zur Folge.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch durch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einer Kammer mit einer zur Aufnahme des Werkstückes dienenden Kühlbacken-Anordnung, welche zwei parallel -/MeinanrW angeordnete Kühlbacken enthält sowie mit in der Kammer angeordneten Plasmabrennern, die über Zuführungoleitungen mit einer Plasmagasquelle, mit einer Stromquelle und mit einer Kühlwasserquelle verbunden sind, dadurch gelöst, daß die Plasmabrenner im Inneren der Kammer auf Wellen montiert sind, von welchen jede über eine Dichtungsbuchse in der Wand dieser Kammer derart angeordnet ist, daß ihre Achse parallel zu den horizontal angeordneten Kühlbacken verläuft und mit einem Antrieb versehen ist, durch den die Wellen auf ihrer eigenen Achse drehbar sind, daß ein Antrieb zur gegenseitigen Verschiebung des Werkstückes und der Wellen in einer zu der Ebene der Kühlbacken parallelen Ebene längs der Achse dieser Wellen vorgesehen ist, die mit mindestens einem der an der Verschiebung teilnehmenden Elemente verbunden ist.

Die Anordnung von Plasmabrennern an den Antriebswellen, deren Achse zu den Kühlbacken parallel verlaufen, sowie das Vorhandensein eines Antriebs zur gegenseitigen Verschiebung des Werkstückes und der erwähnten Wellen in der zu den Küh'backen parallel verlaufenden Ebene längs der Achse dieser Wellen ermöglichen es, das Plasmalichtbogenumschmelzen der Oberflächenschicht des Werkstückes in Übereinstimmung mit der erfindungsgemäßen Technologie durchzuführen und somit ein Werkstück mit Oberflächenschicht hoher Qualität, mit vorgegebenen Dicke und Makrostruktur bei hoher Leistungsfähigkeit der Bearbeitung zu erhalten.

Es ist wünschenswert, die erfindungsgemäße Anlage gemäß der Modifikation auszuführen, bei welcher die Welle des jeweiligen Plasmabrenners einen axialen Kanal aufweist, in welchem die Zuführungsverbindungen dieses Brenners verlegt sind.

Bei einem derartigen Aufbau der Anlage steigert sich deren Betriebszuverlässigkeit und der Bedienungskomfort.

Am konstruktionsmäßig einfachsten ist die Modifikation der Anlage, bei welcher die Balken der Kühlbacken-Anordnung auf einem in der dicht angeschlossenen Kammer bewegbar angeordneten Wagen befestigt sind und der Antrieb zur gegenseitigen Verschiebung des Werkstückes und der erwähnten Wellen samt Plasmabrennern als ein Antrieb zur fortschreitenden Bewegung ausgeführt ist, welcher mit diesem Wagen zwecks gemeinsamer Verschiebung der Kühlbacken und des Werkstückes bezüglich der Wellen samt Plasmabrennern verbunden ist.

Die Anlage einer derartigen Bauweise kann bei der Plasma-Lichtbogenbearbeitung von relativ kurzen Werkstücken (bis 1000 mm) mit einer verhältnismäßig kleinen Dicke (bis 100 mm) bei einer Stromstärke vol. I kA vorteilhaft verwendet werden. Die erwähnten Begrenzungen der Werkstückdicke und der Stromstärke sind auf an sich bekannte Schwierigkeiten bei der Gestaltung der Stromzuführung zum Werkstück zurückzuführen, welche beim Vorhandensein des vorstehend erwähnten Wagens beweglich sein muß.

Der Antrieb zur gegenseitigen Verschiebung des Werkstückes sowie der Wellen mit den Plasmabrennern kann ferner in Gestalt eines Antriebs zur fortschreitenden Bewegung ausgeführt werden, welcher mit diesen Wellen verbunden ist, während die Balken der Kühlbacken-Anordnung zuzüglich der dicht abgeschlossenen Kammer und des Werkstückes unbeweglich befestigt werden können.

Der Umstand, daß bei unbeweglicher Anordnung der Kühlbacken die Wellen mit einem Antrieb zur fortschreitenden Bewegung ausgestattet sind, gewährleistet eine Plasma-Lichtbogenbearbeitung des unbeweglichen Werkstückes, was die Möglichkeit bietet, die Länge der dicht abgeschlossenen Kammer bis auf eine Größe zu vermindern, welche die Werkstücklänge unbedeutend übertrifft. Für das unbewegliche Werkstück ist eine stationäre Stromzuführung erforderlich, was die Möglichkeit bietet, die Stärke des verwendeten elektrischen Stromes zu vergrößern und folglich wesentlich dickere Werkstücke, als bei der vorhergehenden Modifikation, zu bearbeiten. Bei unbeweglichen Kühlbacken vereinfacht sich die Kühlwasserzuführung zu diesen.

Die Anlage einer derartigen Bauweise kann bei der Plasma-Lichtbogenbearbeitung von relativ dicken Werkstücken (über 100 mm) bei einer Stromstärke bis 5 kA besonders vorteilhaft verwendet werden.

Es ist sinngemäß, die erfindungsgemäße Anlage in Übereinstimmung mit der Modifikation auszuführen, nach der die Kühlbalken bezüglich der dicht abgeschlossenen Kammer unbeweglich befestigt sind und der Antrieb zur gegenseitigen Verschiebung des Werkstückes und der Wellen samt Plasmabrennern in Gestalt von Rollen ausgeführt ist, welche mit einem Drehantrieb versehen sind und mit dem Werkstück zwecks dessen Durchziehens zwischen den Kühlbalken in Berührung stehen.

Dank des Vorhandenseins von Antriebsrollen, welche das Durchziehen des Werkstückes zwischen den Kühlbalken unter den Plasmabrennern sicherstellen, bleibt der durch die letzteren gebildete Metallsumpf bezüglich der erwähnten Balken praktisch unbeweglich. Dies ermöglicht es, die Länge der gekühlten Balken wesentlich zu

vermindern und sie bis auf eine Größe zu bringen, welche die vorgegebene Metallsumpfbreite ums 1,5- bis 2fache vergrößert.

Eine derartige Modifikation der Anlage ist bei der Plasma-Lichtbogenbearbeitung von relativ lange Werkstücken (über 1000 mm) mit einer Dicke bis 100 mm zweckmäßig. Bei einer solchen Modifikation ist es sehr günstig, Wechsehtrom anzuwenden, da sich in diesem Falle die Notwendigkeit der Stromzuführung zum Werkstück erübrigt

Möglich ist auch eine Modifikation der erfindungsgemäßen Anlage, nach der die Wellen mit Plasmabrennern und die Balken der Kühlbacken-Anordnung miteinander durch ein in der dicht abgeschossenen Kammer bewegbar angeordnete Halterung verbunden sind, und der Antrieb zur gegenseitigen Verschiebung des Werk-Stückes und der Wellen mit den Plasmabrennern als ein Antrieb zur fortschreitenden Bewegung ausgeführt ist, welcher mit der besagten Halterung zwecks gemeinsamer Verstellung der Wellen samt Plasmabrennern sowie der Kühlbacken bezüglich des Werkstückes verbunden ist

Das Vorhandensein der Halterung, welches die Wellen samt Plasmabrennern sowie die Balken der Kühlbak-

Ken-Anordnung zu einem einheitlichen System vereinigt, das sich bezüglich des unbeweglichen Werkstückes verstellen läßt, gewährleistet — wie bei der vorhergehend erwähnten Modifikation — die Unbeweglichkeit des Metallsumpfes bezüglich der besagten Balken und gestattet somit, die Länge der letzteren zu verkürzen.

Es ist zweckmäßig, die Anlage einer derartigen Bauart bei der Plasma-Lichtbogenbearbeitung von Werkstük-

ken mit einer Länge von über 1000 mm und einer Breite von über 100 mm zu verwenden. Bei einer solchen Modifikation ist es zweckmäßig, dank der Unbeweglichkeit des Werkstückes während der Bearbeitung Gleich-

20 strom zu verwenden.

Das Wesen der vorliegenden Erfindung wird an Hand der Beschreibung nachstehender Ausführungsbeispiele anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

Fig. 1 Eine perspektivische Darstellung einer Vorrichtung zum Plasmalichtbogenumschmelzen der Oberflächenschicht eines flachen Metallwerkstückes mit parallelen Seitenkanten (Mit dem Pfeil ist die Richtung der Werkstückverschiebung gezeigt);

F i g. 2 Vorrichtung gemäß F i g. 1, Ansicht von rechts;

F i g. 3 die Vorrichtung gemäß F i g. 1 in Draufsicht, in der Ausführungsvariante, nach der die Plasmabrenner in

Pi ndelbewegung in der zur Verschiebungsrichtung des Werkstückes senkrecht verlaufenden Ebene versetzt werden. (Mit den Pfeilen sind Richtungen der Pendelbewegungen von Plasmabrennern sowie der Werkstückver-

30 Schiebung gezeigt);

F i g. 4 die Vorrichtung gemäß F i g. 3 in der Ausführungsvariante, nach der Pendelbewegungen an die Mittelbrenner der besagten Reihe in der Ebene übertragen werden, die zu der Verschiebungsrichtung des Werkstükkes senkrecht verläuft, während die Randbrenner in der erwähnten Ebene unbeweglich bleiben (Die Mittelbrenner sind in der Zeichnung durch Strichlinien angedeutet);
F i g. 5 im Längsschnitt eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche gemäß der Ausführungsvariante ausgestaltet ist, nach der die Balken der Kühlbacken-Anordnung auf ei ne m Antriebswagen befestigt sind, gemäß der Erfindung;

F i g. 6 die Anlage gemäß F i g. 5 als Ansicht von links;

Fig.7 im Längsschnitt die erfindungsgemäße Anlage in der Ausführungsvariante, nach der die Wellen der Plasmabrenner mit einem Antrieb zur fortschreitenden Bewegung verbunden und die Kühlbalken bezüglich der

dicht abgeschlossenen Kammer und des Werkstückes unbeweglich befestigt sind; F i g. 8 die Anlage gemäß F i g. 7 als Ansicht von links;

F i g. 9 im Längsschnitt die erfindungsgemäße Anlage in der Ausführungsvariante, nach der die letztere Rollen

aufweist, welche mit einem Drehantrieb gekoppelt sind und mit dem Werkstück zwecks deiiüen Durchziehens

45 zwischen den unbeweglichen Kühlbalken in Berührung stehen; Fig. 10 die Anlage gemäß F i g. 6 im Schnitt in der Ebene X-X der F i g. 9;

F i g. 11 im Längsschnitt die erfindungsgemäße Anlage in der Ausführungsvariante, dergemäß die Wellen mit Plasmabrennern und die Kühlbalken an der Antriebshalterung befestigt sind;

Fig. 12 die Anordnung gemäß Fig. 11, im Schnitt in der Ebene XII-XII der Fig. 11.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Plasmalichtbogenumschmelzen der Oberflächenschicht eines flachen Metallwerkstückes mit parallelen Seitenkanten weist die folgenden Merkmale auf.

In der Ausgangsstellung wird das flache Metallwerkstück 1 (s. F i g. 1 der beiliegenden Zeichnungen) mit

parallelen Seitenkanten la und \b, welches insbesondere der in Form eines Quaders aufweist, in einer Kühlbakken-Anordnung waagerecht angeordnet, der zwei in der Horizontalebene parallel zueinander liegende gekühlte Balken 2 und 3 einschließt. Die Zuführung des Kühlwassers zu den Balken 2 und 3 erfolgt über Stutzen 4 und dessen Abführung über Stutzen 5 (zwecks Einfachheit ist einer der Ableitstutzen nicht gezeigt).

Ober dem Werkstück 1 werden zu einer Reihe quer zu dessen gleichlaufenden Seitenkanten la und \b Plasmabrenner 6 senkrecht derart angeordnet, daß die Anodenbrennflecke 7 der Randbrenner dieser Reihe durch Kanten la und li>des Werkstückes 1 begrenzt sind.

Die Plasmalichtbögen zwischen den Stirnseiten der Plasmabrenner 6 und der zu bearbeiterden Oberfläche
des Werkstückes 1 werden angezündet, indem sämtlichen Plasmabrennern plasmabildendes Gas, beispielsweise Argon, und elektrischer Strom zugeführt werden.

Bei einem derartigen Erwärmen des Werkstückes 1 wird auf seiner Oberfläche an einem der Enden (gemäß der Zeichnung am rechten Ende) der Metallsumpf 8 gebildet. Dabei ist die Länge des Metiiillsumpfes 8 dem Abstand zwischen den Kanten la und 16des Werkstückes 1, mit anderen Worten, der Breite des letzteren gleich Das Zurückhalten des flüssigen Metalls auf der Oberfläche des Werkstückes 1 und dessen nachfolgende Kristal !isation werden durch Kühlbalken 2 und 3 gewährleistet.

Es ist hervorzuheben, daß der Spiegel 8a des Metallsumpfes 8 in der Ebene der zu bearbeitenden Oberfläche

1 c des Werkstückes 1 Hegt und die Arbeitsfläche 9 des jeweiligen .Kühlbalkens 2 und 3 zu der Oberfläche 1 c des Werkstückes 1 senkrecht ausgerichtet ist und mit dieser Oberfläche nicht in Berührung kommt, wie die aus F i g. 2 zu sehen ist. Infolgedessen werden günstige Bedingungen für die Metallkristallisation und für die Formung einer Oberfläche von hoher Qualität geschaffen.

Nach der Bildung des Metallsumpfes 8 auf der Oberfläche Ic des Werkstückes 1 mit vorgegebener Tiefe, s welche die Dicke f der umzuschmeizenden Schicht des Werkstückes 1 (Fi g. 1) bestimmt, wird die gegenseitige Verschiebung des letzteren sowie der Plasmabrenner 6 in der Horizontalebene längs der Kanten la und \b des Werkstückes 1 vollzogen.

Eine derartige gegenseitige Verschiebung wird beispielsweise durch Bewegung des Werkstückes 1 in der F i g. 1 mit dem Pfeil gezeigten Richtung gewährleistet. Es versteht sich von selbst, daß auch anders vorgegangen werden kann. Die Plasmabrenner 6 können über dem unbeweglichen Werkstück 1 in entgegengesetzter Richtung verschoben werden.

Je nach der Verschiebung des Spiegels 8a des Metallsumpfes 8 über die Oberfläche Ic des Werkstückes 1 in der zu der Verschiebung des Werkstückes entgegengesetzten Richtung (in der Zeichnung nach links) wird dieses über die ganze Oberfläche bis zu einer Tiefe durchgeschmolzeri, die der Tiefe des Sumpfes 8 gleich ist, und erhärtet anschließend infolge der Wärmeableitung von dessen Oberfläche in der Umgebung durch Konvektion und Strahlung sowie durch Wärmeleitung über die Arbeitsflächen 9 der Kühlbalken 2 und 3 der Kühlbacken-Anordnung.

Im Verlaufe des Umschmelzvorgangs werden die Fehler der Oberflächenschicht des Werkstückes beseitigt Die Dicke der umgeschmolzenen Schicht wird ausgehend von der Tiefe, auf der die genannten Fehler im Werkstück gelagert sind, gewählt.

Die Breite des Metallsumpfes 8, die Geschwindigkeit der Verstellung des Werkstückes 1 und die Leistung der Plasmabrenner 6 werden je nach dem Werkstoff des Werkstückes 1 sowie den Abmessungen des letzteren gewählt Darüber hinaus wird die Geschwindigkeit der Werkstückverschiebung in einen Bereich von 3 bis 500 nun. ausgehend von den Bedingungen, welche zur Gewährleistung der Metallsumpfstabilität sowie der erforderlichen Leistungsfähigkeit der Bearbeitung notwendig sind, gewählt.

Es ist hervorzuheben, daß, da die gekühlte Fläche des Werkstückes 1 (welche mit der Arbeitsfläche 9 der Kühlbaiken 2 und 3 in Berührung steht) mit dessen zu formender (zu bearbeitender) Fläche Ic nicht zusammenfällt, anders gesagt von dieser abgetrennt ist bei einer derartigen Technologie die Möglichkeit entsteht, die Leistungsfähigkeit der Bearbeitung durch Erhöhung der Geschwindigkeit der Werkstückverschiebung wesentlieh zu steigern und somit eine hohe Qualität der bearbeiteten Oberfläche zu gewährleisten.

Im letzten Stadium des Vorgangs, wenn der Spiegel 8a des Metallsumpfes 8 das gegenüberliegende (linke) Ende ties Werkstückes 1 erreicht, wird die Verschiebung des letzteren eingestellt und bei langsamer Verminderung der Leistung der Plasmabrenner 6 eine gleichmäßige Kristallisation des Metalls auf diesem Abschnitt gewährleistet.

Im Verlaufe des Umschmelzvorgangs wird die Tiefe des Metallsumpfes 8 und somit auch die Dicke t der umzuschmelzenderc Oberflächenschicht durch Änderung der Leistung der Plasmabrenner 6 sowie der Geschwindigkeit der Verschiebung des Werkstückes 1 gesteuert Mit der Erhöhung der vorstehend erwähnten Leistung und der Verminderung der Geschwindigkeit der Verschiebung des Werkstückes 1 nimmt die Tiefe des Sumpfes 8 zu.

Bei der Umverteilung der Leistung der Plasmabrenner 6 der erwähnten Reihe nach der Breite des Werkstükkes 1 wird die Einschmelzungsfront des Sumpfes 8 sowie dessen Kristallisationsfront in Übereinstimmung mit der erforderlichen Makrostruktur der umzuschmeizenden Schicht geändert.

Dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik ist es bekannt, daß zum Umschmelzen der Oberfläche des Werkstückes 1 auf dessen gesamter Länge, einschließlich dessen Randabschnitte, das Abfließen des Flüssigmetails auf diesen Abschnitten verhindert werden muß. Zu diesem Zweck werden auf der abzuschmelzenden Oberfläche nicht aufgeschmolzene Abschnitte am rechten Ende des Werkstückes 1 (im Anfangsstadium des Vorgangs) sowie an dessen linkem Ende (im Endstadium) aufrechterhalten, oder neben den Backen 2 und 3, welche längs der Kanten la und Xb des Werkstückes i liegen,, zusätzliche Kühl-Backen an dessen Stirnseiten angeordnet (die zusätzlichen Backen sind in F i g. 1 nicht gezeigt). Im letztgenannten Fall stellt die Kühlbacken-Anordnung einen gekühlten Rahmen dar, welcher das Werkstück 11 auf dem Umfang umfaßt.

Es ist zu bemerken, daß die Plasmabrenner 6 sowohl mit Gleichstrom ais auch mit Wechselstrom, insbesondere mit Drehstrom, gespeist werden können. Es ist bekannt, daß im letztgenannten Fall die Speisequellen vereinfacht werden. Bei Drehstromspeisung der Plasmabrenner 6 wird ihre Anzahl als Vielfaches von drei gewählt. Je drei Brenner werden mit einer separaten Drehstromquelle verbunden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Plasmalichtbogenumschmeh:en kann in Übereinstimmung mit der Modifikation durchgeführt werden, bei welcher nur an einen Teil der Plasmabrenner 6 der vorstehend erwähnten Reihe bzw. sämtlichen Plasmabrennern, wie es Fig.3 zu ersehen ist, Pendelbewegungen bezüglich des beweglichen Werkstückes 1 in der Ebene, die zur Bewegungsrichtung des letzteren quer verläuft, vermittelt werden. Bei einer derartigen Modifikation kann die Anzahl der Plasmabrenner 6 der besagten Reihe reduziert werden. Darüber hinaus gewährleisten die Pendelbewegungen der Plasmabrenner 6 ein gleichmäßiges Durchschmelzen der Oberflächenschicht des Werkstückes 1 sowie das Vermischen des aufgeschmolzenen Metalls im Sumpf 8 durch mechanische Einwirkung von Plasmalichtbögen auf das letztere.

Zur Schaffung optimaler Bedingungen zum Aufrechterhalten des Metallsumpfes 8 werden die Pendelbewegungen der Plasmabrenner mit einer Frequenz vorgenommen die in einum Bereich von 10 bis 100 Pendelbewegungen/min liegt Die Wahl der Pendelfrequenz ist von der Werkstoffart des Werkstückes 1, der Geschwindigkeit dessen Verschiebung, der Leistung der Plasmabrenner 6 sowie von der erforderlichen Makrostruktur der unigeschmolzenen Schicht abhängig.

In Fig.4 bei beiliegenden Zeichnungen ist eine Durchführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, bei welcher die Pendelbewegungen in der vorstehend erwähnten Ebene nur an die Mittel-Plasmabrenner 6 der besagten Reihe vermittelt werden und die Randbrenner 6a und 6b dieser Reihe in der vorhergehend erwähnten Ebene unbeweglich bleiben.

5 Es ist zweckmäßig, eine solche Durchführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Plasmalichtbogenumschmelzen für die Bearbeitung von Werkstücken aus Kupfer, Gold und Platin sowie anderen Werkstoffen mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit zu verwenden. Durch die unbewegliche Anordnung von Rand-Plasmabrennern 6a und 6b weisen die Seitenkanten la und 16 der umzuschmelzenden Oberfläche des Werkstückes 1 eine ausgeprägte stabile Form ungeachtet der intensiven Wärmeableitung im Bereich dieser Kanten auf.
ίο Zu einer zuverlässigen Orientierung der Plasmalichtbögen der Rand-Plasmabrenner 6a und 6b auf die Kanten la und \b des Werkstückes 1 werden die besagten Brenner mit Gleichstrom und zur Vergrößerung der Pendelamplitude der Plasmalichtbögen der Mittel-Plasmabrenner 6c werden die letzteren mit Wechselstrom gespeist. Wie es die durchgeführten Versuche gezeigt haben, wird bei einer derartigen kombinierten elektrischen Speisung die bestmögliche Durchschmelzung der Werkstückoberfläche erreicht. Bei Notwendigkeit, die 15 gegenüberliegende (in F i g. 1 die untere) Seite des Werkstückes 1 zu bearbeiten, wird dieses gewendet und auf die gleiche Weise behandelt

f Es ist vollkommen klar, daß durch die vorstehend beschriebenen und in F i g. 1 bis 4 veranschaulichten

% Durchführungsvarianten des erfindungsgemäßen Verfahrens dessen mögliche Durchführungsvarianten bei wei-

I₁ tem nicht erschöpft sind.

_ 20 Das vorstehend beschriebene Verfahren wird mit Hilfe einer Anlage zum Plasmalichtbogenumschmeizen der

I Oberflächenschicht eines flachen Metallwerkstückes mit parallelen Seitenkanten durchgeführt, die in F i g. 5 bis

II 12 der beiliegenden Zeichnungen dargestellt ist

ff Di_ese Anlage (s. F i g. 5 und 6) enthält eine auf dem Gerüst 10 montierte dicht abgeschlossene Kammer 11

jf sowie in dieser angeordnete Plasmabrenner 6. Die dicht abgeschlossene Kammer 11 gestattet es, die Bearbei-

p 25 tung des Werkstückes 1 in der kontrollierbaren Atmosphäre durchzuführen.

?! Der jeweilige Plasmabrenner ö ist durch die Zuführungsverbindungen 12, J3 und 14 mit den Plasmagas-,

|j Strom- und Kühlwasserquellen verbunden (zwecks Einfachheit sind diese Quellen in der Zeichnung nicht

;? gezeigt).

Ji'' Die Anlage weist ferner eine Kühlbacken-Anordnung auf, die zum Unterbringen des Werkstückes 1 im

, 30 Inneren bestimmt ist und zwei wassergekühlte Backen 2 und 3, weiche den in Fi g. 1 bis 4 gezeigten ähnlich sind, !■■- aufweist. Diese Kühlbacken sind in Horizontalebene angeordnet und liegen parallel zueinander. Die Kühlbak-

ii ken-Anordnuag weist außerdemiivei zusätzliche Backen 15 und 16 auf, welche zusammen mit den Kühibalken 2

;. und 3 einen Rahmen bilden, der das Werkstück 1 auf dessen Umfang umschließt

Die Plasmabrenner 6 (F i g. 5) sin". erfindungsgemäß an Wellen 17 angeordnet Die jeweilige Welle 17 ist in der

■ 35 Wand der dicht abgeschlossenen Kammer 11 über eine Dichtungsbuchse 18 angeordnet, die in einer an der

S besagten Kammer über eine Isolierzwischenlage 20 angebrachten Hülse 19 eingebaut ist.

ä Am Gerüst 10 ist ein Balken 22 mit in dessen öffnungen angeordneten Isolierbuchsen 23 befestigt Jede der

^;; Wellen 17 durchgreift entsprechende Buchse 23 und ist derweise angeordnet, daß deren Achse den Balken 2 und

3 (s. F i g. 6) der Kühlbacken-Anordnung parallel ist.

40 Die Wellen 17 weisen einen gemeinsamen Antrieb 24 zum Drehen um ihre eigenen Achsen auf, welcher einen ' Hydraulikzylinder 25 darstellt, dessen Kolben 26 über die Kolbenstange 27 mit einer Leiste 28 verbunden ist. An

\ der Leiste 28 sind Stifte 29 angebracht, deren Anzahl der Anzahl von Wellen 17 (folglich auch der Anzahl der

i\ Plasmabrenner 6) entspricht. Entsprechende Wellen 17 sowie Stifte 29 sind miteinander durch einen Hebel 30

;" gekoppelt.

' :i 45 Bei der fortschreitenden Verschiebung der Leiste 28 werden die Hebel 30 unter der Einwirkung des Kolbens ■'■ 26 des Hydraulikzylinders 25 — dank einer derartigen baulichen Gestaltung — gleichlaufend um die Achsen der

';:] Wellen 17 geschwenkt, wobei die letzteren gedreht und die Plasmabrenner 6 in derselben Richtung geschwenkt

V; werden. Bei der Änderung der Bewegungsrichtung der Leiste 28 werden die Weilen 17 und die Plasmabrenner in

t entgegengesetzter Richtung gedreht bzw. geschwenkt. Auf diese Weise können die Pendelbewegungen der

; 50 Plasmabrenner in Vertikalebene gewährleistet werden, wie es in F i g. 6 mit den Pfeilen gezeigt ist.

ΙΊ Es ist bekannt, daß die Pendelbewegungen der Plasmabrenner nicht nur mit Hilfe eines für sämtliche Wellen

17 gemeinsamen Antriebs 24, sondern auch mit Einzeltrieben gewährleistet werden können.

;'[ Für die Erhöhung der Betriebssicherheit der erfindungsgemäßen Anlage sowie deren Bedienungskomforts

^: weist die Welle 17 des jeweiligen Plasmabrenners 6 einen Axialkanal 31 auf, durch welchen die Zuführungsver-

55 bindungen, entsprechend 13,14 und 15, des besagten Brenners durchgelassen sind. Um die Dichte des Axialka- : ; nals 31 der Welle 17 sicherzustellen, ist zwischen der Stirnseite der letzteren und dem Plasmabrenner 6 eine

¹ ;■ Vakuumdichtung 32 angeordnet.

Die Anlage enthält erfindungsgemäß auch einen Antrieb zur gegenseitigen Verschiebung des Werkstückes 1 und der Wellen 17 in der zu den Kühlbacken 2 und 3 parallel verlaufenden Ebene längs der Achsen der besagten 60 Wellen. Dieser Antrieb kann wahlweise entweder mit dem Werkstück 1 oder mit den Wellen 17 gekoppelt sein.

Der erwähnte Antrieb kann insbesondere derart ausgeführt werden, daß die Bewegung in der erwähnten

Ebene an das Werkstück übertragen wird, wie es F i g. 5 und 6 veranschaulichen. Zu diesem Zweck werden die Kühlbacken, entsprechend 2,3,15 und 16, auf einem Wagen 23 angeordnet, welcher in der dicht abgeschlossenen

Kammer 11 auf Schienen 34 montiert ist. Zur Verbesserung der Kristallisationsbedingungen des Werkstückes 1

65 wird auf dem Wagen 33 auch eine gekühlte Grundplatte 35 angeordnet.

Der Wagen 33 (s. F i g. 5) weist einen Antrieb 36 zur fortschreitenden Bewegung, welcher insbesondere in Gestalt eines Hydraulikzylinders 37 ausgeführt ist. dessen Kolben 38 über die Kolbenstange 39 an der über eine Zwischenlage 41 in der Wand der dicht abgeschlossenen Kammer 11 angeordneten Hülse 40 angebracht ist. Der

10

Hydraulikzylinder 37 ist bezüglich des Gerüstes 10 und des Kolbens 38 in der in F i g. 5 mit dem Pfeil angedeuteten Richtung sowie in entgegengesetzter Richtung bewegbar angeordnet und mit dem Wagen 33 über den Tragarm 42 sowie die Zugstange 43 fest verbunden, welche über die Öffnungen in der Hülse 40, der Zwischenlage 41 und der Wand der dicht abgeschlossenen Kammer 11 durchgelassen ist. Die Hülse 40 weist eine Dichtungsbuchse 44 auf und ist mit einem Deckel 45 verschlossen.

Die Anlage gemäß der vorstehend beschriebenen Modifikation gewährleistet die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf folgende Weise. Das Werkstück 1 wird auf der gekühlten Grundplatte 35 zwischen den Kühlbacken 2, 3,15 und 16 angeordnet und in der Kammer 11 wird eine kontrollierbare Atmosphäregebildet.

Bei Zuleitung von Plasmagas sowie elektrischem Strom über die Verbindungen 12 und 13 an die Plasmabrenner 6 werden zwischen den Stirnseiten der erwähnten Brenner und dem Werkstück 1 Plasmalichtbögen gebildet. Zwecks Abkühlung der Düsen der Plasmabrenner 6 wird zu den letzteren über die Verbindungen 14 Wasser gefördert Falls zur Plasmabildung Gleichstrom verwendet wird, wird eine der Stromquellen an den Wagen 33 über eine Stromzuführung (nicht gezeigt) angeschlossen.

Nach der Metallsumpfbildung auf der ganzen Breite des Werkstückes 1 wird an einer dessen Stirnseiten (der rechten in F i g. 5) dem Hydraulikzylinder 37 die Druckflüssigkeit zugeführt, woraufhin sich der Wagen 33 samt Werkstück 1 nach rechts verschiebt Auf diese Weise erfolgt das Durchschmelzen des Werkstückes 1 auf die vorgegebene Tiefe auf der gesamten Länge des Werkstückes 1.

Zur Durchführung der Modifikationen des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche in Fig.3 ':nd 4 veranschaulicht sind, wird während der Verschiebung des Werkstückes 1 die Druckflüssigkeit abwechselnd in den kolbenseitigen Raum des Hydraulikzylinders 'J3 gefördert Somit werden an die Plasmabrenner 6 in der zu der Verschiebungsrichtung des Werkstückes 1 querliegenden Ebene Pendelbewegungen vermittelt, wie es auf F i g. 6 ersichtlich ist

Die Anlage in Übereinstimmung mit der in F i g. 5 und 6 dargestellten Modifikation kann für die Bearbeitung von Werkstücken mit einer Länge von bis zu 1000 mm sowie einer Stärke von bis zu 100 mm bei einer Stromstärke von bis 1 kA erfolgreich verwendet werden.

Für dickere Werkstücke (mit einer Dicke von über 100 mm) und bei einer größeren Stromstärke (bis 5 kA) ist es zweckmäßig, die erfindungsgemäße Anlage gsmäß der in F i g. 7 und 8 gezeigten Modifikation auszuführen.

In Übereinstimmung mit dieser Ausführungsvariante sind die Balken 2,3,15 und 16 der Kühlbacken-Anordnung die gekühlte Grundplatte 35 und das Werkstück 1 bezüglich der hermetisch abgeschlossenen Kammer 11 unbeweglich angeordnet, während die Wellen 17 — außer dem Drehantrieb 24 — mit einem Antrieb 46 zu deren fortschreitenden Bewegung längs ihrer Achsen ausgestattet sind.

Der Antrieb 26 (s. F i g. 7) stellt einen Hydraulikzylinder 47 dar, dessen Kolben 48 über seine Kolbenstange 49 mit der Hülse 19 gekoppelt ist Im Unterschied zu der in F i g. 5 und 6 dargestellten Ausführungsvariante ist in der gegebenen Ausführungsvariante der Baiken 22 (Fig.8) mit Rollen 50 ausgestattet und auf am Gestell 10 befestigten Führungen 51 angeordnet. Der Hydraulikzylinder 47 und der Balken 22 sind miteinander starr verbunden.

Bei Zuführung der Druckflüssigkeit dem Hydraulikzylinder 47 fängt dieser an, sich bezüglich des Kolbens 48 nach rechts zu verschieben, wie es in Fi g. 7 mit Pfeil gezeigt ist, und versetzt den die Wellen 17 samt Plasmabrennern 6 tragenden Balken 22 in fortschreitende Bewegung in derselben Richtung. Die Plasmabrenner 6 verschieben sich über dem unbeweglichen Werkstück 1 und brennen dieses fortlaufend der Länge nach ab.

Eis muß hervorgehoben werden, daß bei einer derartigen baulichen Gestaltung im Unterschied dazu, wir es in der vorstehend beschriebenen Ausführungsvariante der Fall ist, die Kühlwasserzuleitung zu der Kühlbacken-Anordnung vereinfacht wird. Ferner wird in einem solchen Fall bei Verwendung von Gleichstrom zur Plasmaerzeugung der Aufbau der Stromzuführung (nicht gezeigt) zum Werkstück 1 vereinfacht. Es ist auch hervorzuheben. daß bei einem derartigen konstruktiven Aufbau das Längenmaß der dicht abgeschlossenen Kammer 11 vermindert wird: Gegebenenfalls überschreitet dieses Maß nur unwesentlich die Länge des Werkstückes 1, während sie bei der vorhergehend erläuterten Ausführungsvariante infolge der Verschiebung des Werkstückes 1 im Inneren der dicht abgeschlossenen Kammer 11 die doppelte Länge des Werkstückes 1 nicht unterschreiten kann.

Die Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Plasmalichtbogenumschmelzen der Oberflächenschicht eines flachen Materialwerkstückes mit gleichlaufenden Seitenkanten kann auch so ausgeführt werden, wie es in Fig. 9 und 10 dargestellt ist.

Gemäß dieser Modifikation der Anlage hat die Kühlbacken-Anordnung nur zwei gekühlte Balken 2 und 3, welche in der dicht abgeschlossenen Kammer 11 unbeweglich befestigt sind und parallel zu den Wellen 17 verlaufen. Beide Kühlbalken 2 und 3 werden mit Hilfe von Andrückvorrichtungen 52 (Fig. 10) und 53 an die Seitenkanten des Werkstückes 1 angedrückt. Die Andrückvorrichtungen 52 und 53 können auf eine beliebige, an sich bekannte Weise ausgeführt werden und werden daher hier näher nicht erläutert.

Die Kühlwasserzuführung zu den Kühlbalken 2 und 3 findet über Stutzen 4 statt.

Zur Gewährleistung der gegenseitigen Verschiebung des Werkstückes 1 und der Wellen 17 samt Plasmabrcnnern 6 ist die Anlage mit Rollen 54 ausgestattet, die unterhalb der Kühlbalken 2 und 3 angeordnet sind und eine Rollbahn bilden, wie es in F i g. 9 dargestellt ist. Die Rollen 54 sind mit einem Drehantrieb 55 (F i g. 10) gekoppelt.

Das zu bearbeitende Werkstück 1 wird auf der Rollbahn zwischen den Kühlbalken 2 und 3 derart angeordnet, ciaü eine Reibungswechselwirkung zwischen dem Werkstück 1 und den Rollen 54 entsteht. Bei Einschalten des Antriebs 55 ziehen die rotierenden Rollen 54 das Werkstück 1 zwischen den Kühlbalken 2 und 3 hindurch und es gestatten somit den Plasmabrennern 6, das Werkstück 1 fortlaufend der Länge nach abzuschmelzen.

Der auf der Oberfläche des Werkstückes 1 gebildete flüssige Metallsumpf ist in diesem Fall bezüglich der Kühlbalken 2 und 3 praktisch unbeweglich. Da die Aufgabe der Kühlbaiken 2 und 3 im wesentlichen im

Zurückhalten des flüssigen Metallsumpfes auf der Werkstückoberfläche besteht, so entsteht - dank der Unbc weglichkeit dieses Metallsumpfes bezüglich der erwähnten Kühlbalken - die Möglichkeit, die Länge dei letzteren im Vergleich zu deren Länge in den vorstehend beschriebenen Ausführungsvarinnten der Anlage ζ ι vermindern. Für praktische Zwecke reicht es schon aus, die Länge der Kühlbalken 2 und 3 de* Kühlbacken-An· Ordnung so zu wählen, daß sie die vorgegebene Metallsumpfbreite ums 1,5- bis 2fache überschreitet.

Die in Fig.9 und 10 gezeigte Modifikation der erfindungsgemäßen Anlage wird zweckmäßigerweise zur Plasma-Lichtbogenbearbeitung von verhältnismäßig langen Werkstücken mit einer geringen Dicke (mit einer Länge von über 1000 mm und einer Dicke bis zu 100 mm) verwendet. Zur Vereinfachung der Stromzuführung zwecks Bildung des Plasmalichtbogens ist es sinngemäß, bei einer derartigen Modifikation Wechselstrom zu

ίο verwenden.

Möglich ist auch eine weitere Ausführungsvariante der Anlage zur Durchführung des crfindungsgcmäßcn Verfahrens, die in Fig. 11 und 12 dargestellt ist. In Übereinstimmung mit dieser Ausführungsviiriante schließt die Anlage eine Halterung 56 ein. die in ihrem Unterteil Laufrollen 57 zur Bewegung auf den in der dicht abgeschlossenen Kammer 11 verlegten Schienen 58 aufweist.

Im Unterteil der Halterung 56 sind Kühlbalken 2 und 3 der Kühlbacken-Anordnung befestigt, die den in Fig. 9 gezeigten ähnlich sind. Der Oberteil der Halterung 56 ist mit den Wellen 17 derart verbunden, daß diese die Möglichkeit haben, sich in der Halterung 56 um ihre geometrischen Achsen zu drehen. Dies bedeutet, daß die Halterung 56, die Wellen 17, die Plasmabrenner 6 sowie Kühlbalken 2 und 3 ein einheitliches, bezüglich des unbeweglichen Werkstückes 1 verschiebbares System bilden. Die Halterung 56 und somit dns gesamte System können mit einem beliebigen der bisher bekannten Antriebe zur fortschreitenden Bewegung angetrieben werden. Dabei kann die Halterung 56 mit dem genannten Antrieb sowohl unmittelbar als auch über die Wellen 17 gekoppelt werden, wie es in F i g. 11 gezeigt ist.

Im letztgenannten Fall schließt die Anlage einen Antrieb 46 zur fortschreitenden Bewegung ein, der als Hydraulikzylinder 47 gestaltet ist, wie es in der vorhergehend näher erläuterten und in Fig. 7 dargestellten

25 Modifikation der Fall ist.

Bei Verstellung des Hydraulikzylinders 47 bezüglich des Kolbens 48 in der in F i g. 11 mit dem Pfeil gezeigten Richtung bewegen sich in derselben Richtung bezüglich des unbeweglichen Werkstückes Il die Wellen 17 samt Plasmabrennern 6, die Halterung 56 sowie die Kühlbalken 2 und 3. Hiermit wird die Verschiebung des Metallsumpfes nach der Länge des Werkstückes 1 gewährleistet, was ein fortlaufendes Abschmelzen der gesamten

30 Werkstückoberfläche sicherstellt.

Während der Verschiebung der Halterung 56 und sonstiger mit diesem in Verbindung stehender Elemente können die Pendelbewegungen der Plasmabrenner 6 bei Notwendigkeit genau so, wie :ri den vorstehend erläuterten Modifikationen mit Hilfe des Hydraulikzylinders 25 (Fig. 11) vollzogen werden, wie es in Fig. 12 gezeigt ist.

In sämtlichen vorstehend erläuterten Modifikationen der Anlage, die in Fig. 5 bis 12 dargestellt sind, ist der Antrieb zur gegenseitigen Verschiebung des Werkstückes 1 und der Wellen 17 samt Plasmabrennern 6 mit einem der an dieser Verschiebung teilnehmenden Elemente, und zwar entweder mit dem Wertstück 1 oder den Wellen 17, gekoppelt.

Es ist bekannt, daß der erwähnte Antrieb gleichzeitig mit dem Werkstück 1 und den Wellen 17 gekoppelt sein kann und an diese Elemente entgegengerichtete Bewegungen übertragen kann. Ein derartiger konstruktiver Aufbau ist für den Fachmann bekannt.

Es muß hervorgehoben werden, daß die jeweilige der hier beschriebenen Modifikationen der erfindungsgemäßen Anlage ein wirksames Plasmalichtbogenumschmelzen der fehlerhaften Oberflächenschicht des Werkstückes in Übereinstimmung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gewährleistet und sivnit gestattet, ein Werkstück von hoher Qualität mit der erforderlichen Makrostruktur der Oberflächenschicht bei hoher Leistungsfähigkeit der Bearbeitung zu erzeugen.

Im weiteren sind zum Zwecke der Anschaulichkeit konkrete Ausführungsbeispiele des erllndungsgemäßen Verfahrens zum Plasmalichtbogenumschmelzen unter Zuhilfenahme der beschriebenen Anlage gebracht.

12

Bei- Werkstatt

Werkstück-Abmessungen [mm]
abc

Betriebsparameter Plasma- Siroinurt

bildendes Gas

Strom/ Spannung U \ d T Brenner-

[kA] [V] [mm/min] [mm] [min] Grippe

pro Brenner im Plasma-Lichibogen

Bren- Fre- Ampli- N h

ner quenz f lüde [kW] [mm]

Anzahl [l/min] A π [mm]

1	nicht rostender Stahl	584	365	96	Argon	Gleichstrom	0,48	47 bis 52	34	5 bis 8	21	I.Gruppe 2. Gruppe	8
2	Eisen- Nickel- Legierung	563	268	52	Argon- Wasserstoff- Gemisch	Gleichstrom	0,39	52 bis 55	3	7 bis 9	197	Mittel- Bremer Rand Brenner	5
3	hitzebe ständige Legierung	1610	372	35	Argon- Helium- Gemisch	Wechsel-/ Drehstrom	0.73 bis 0,76 0,70 bis 0,74	68 bis 72 70 bis 75	123	4 bis 5	17	Mittel- Brenner Rard- Brenner
4	Eisen- Kobalt- Legierung	1575	268	50	Argon- Wasserstoff- Gemisch	Wechsel-/ Drehstrom Gleichstrom	2,6 2,1	68 bis 72 66	275	5 bis 7	9	Mittel- Brenner Rard- Brenner	3 2
5	nicht rostender Stahl	1295	301	65	Argüii- Helium- Gemisch	Wechsel·/ Drehstrom Gleichstrom	2,6 2,4	7ö bis 72 65 bis 68	342	4 bis 5	7		3 2
6	Konstruk tions- Stahl	1380	250	250	Argon- Helium- Gemisch		2,8 2,5	73 bis 76 68 bis 72	500	3 bis 4	5	Mittel- Brenner Rand- Brenner	3 2
7	Titan- Legierung	960		Radius 158	Argon	Wechsel-/ Drehstrom	0,55 bis 0,58	62 bis 65	102	4 bis 7	12	3
8	Werkzeug- Stahl	2560	600	600	Argon- Helium- Gemisch		2.5 2.6	75 bis 78 65 bis 68	86	4 bis 6	34	3 2

10 20

52 30

100 15

65 34

62 45

150 50

Fortsetzung

Bei- Werkstatt

Werkstück-Abmessungen
[mm]
abc

Betriebsparameter Plasma- Stromart

bildendes
Gas

Strom y Spannung ί/ ν d T Brenner-

[kA] [V] [mm/min] [mm] [min] Gruppe

pro Brenner im Plasma-Lichtbogen

Bren- Fre- Ampli- N h

ner quenz.A tude [kW] [mm]

Anzahl [I'min] A η [mml

hitzebeständige
Legierung

Eisen-Nickel-Legierung

nichtrostender
Stahl

Kupfer

hitzebeständige
Legierung

Werkzeug-Stahl

Werkzeug-Stahl

1530 615 152

580 150 45

Argon

Argon

1560

Radius Argon
135

968 256 55

460 150 60

Argon-

Helium-

Gemisch

Argon

2870 70 70

Wechsel-/ 0,75 bis 0,78 60 bis 65

Drehstrom 0,70 bis 0,7? 60 bis 63

0,76 bis 0,77 62 bis 65

Gleichstrom 0,6 bis 0,8 55 bis 62

Wechselstrom 2,7 70 bis 72

Gleichstrom 2,2 75 bis 82

Wechselstrom 2,1 65 bis 70

Gleichstrom 2,8 72 bis 75

Gleichstrom 0,62

1105 260 95 Argon Gleichstrom 1,15

Wechselstrom 1,3 Gleichstrom

95

54

278

123

98

143

4 bis

6 bis

5 bis

7 bis

6 bis 7

5 bis 8

4 bis 7

21	!.Gruppe	3	32	20
	2. Gruppe	3	32	20
	3. Gruppe	3	32	20
14	Mittel-	1	19	45
	Brenner
	Rand-	2
	Brenner
8	Mittel-	3	75	18
	Brenner
	Rand-	2
	Brenner
12	Mittel-	3	28	23
	Brenner
	Rand-	2
	Brenner

Mittel-Brenner Rand-Brenner

84

90

35

Als Ausführungsbeispiel wurden 16 Beispiele geliefert, die der Übersichtlichkeit halber in der Tabelle zusammengestellt sind.

Hierin bedeuten a die Länge, b die Breite und c die Dicke des gefertigten Werkstücks. Der Strom / gilt pro Brenner und ist in kA gemessen. Es handelt sich hierbei um die Plasmalichtbogen-Stromstärke im jeweiligen Brenner. Der Spannungsabfall irr Plasmalichtbogen wird in Volt gemessen. Dieser Spannungsabfall ist mit U bezeichnet. Mit ν ist die Geschwindigkeit der gegenseitigen Verschiebung des Werkstückes und der Plasmabrenner bezeichnet. Sie wird in mm pro Minute gemessen. Die Dicke der umgeschmolzenen Oberflächenschicht des Werkstücks ist mit eibezeichnet und ist in mm angegeben. Die Bearbeitungszeit ist mit Tbezeichnet; sie beinhaltet die reine Bearbeitungszeit einschließlich des zum Vollziehen des Anfangs- bzw. Startstadiums und des Abschlußstadiums des Prozesses erforderliche Zeit. Mit N ist die Nennleistung des jeweiligen Brenners bezeichnet. Sie ist in kW angegeben. Mit h ist der Abstand zwischen der Stirnseite der Elektrode des Plasmabrenners und der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche bezeichnet. Sie ist in mm angegeben. Mit η ist die Anzahl der verwendeten Brenner bezeichnet. Mit A ist die Pendelamplitude der Plasmabrenner bezeichnet. Sie ist in mm angegeben Mit fist die Pendelfrequenz der Plasmabrenner bezeichnet. Sie ist in l/Min, angegeben.

Im folgenden werden die Ergebnisse der einzelnen Beispiel"; 1 bis 16 näher erläutert.

Beispiel 1

im Ergebnis der Bearbeitung des rechtwinkligen Prcfüstückes wurden die Fehler der Aiisgangs-Oherflärhenschicht des Werkstückes restlos beseitigt. Dabei wurden in der Oberflächenschicht keine für das bisher bekannte Verfahren kennzeichnenden sekundären Fehler, wie Risse und Porosität, festgestellt. Die Oberfläche des bearbeiteten Werkstückes wiesen nur eine geringe Rauhigkeit auf und übertraf ihrer Güte nach die an Schrumpfund Entgratmaschinen erreichbare Oberfläche.

Im Verlauf des Umschmelzvorganges verringerte sich der Wasserstoffgehalt in der Werkstückoberflächenschicht von 0,0041 auf 0,0018 Gew.-°/o und der Sauerstoffgehalt von 0,0034 auf 0,002 Gew.-°/o.

Der Stickstoffgehalt in der erwähnten Oberflächenschicht verringerte sich unwesentlich und der Gehalt an Legierungsbestandteilen insbesondere an Cr und Ti blieb erhalten.

In der umgeschmolzenen Oberflächenschicht wurden die Kristalle parallel zur bearbeiteten Oberfläche orientiert, wodurch eine hohe Verformbarkeit des Werkstückes im Verlauf der darauffolgenden Verformung gewährleistet wird.

Beispiel 2

Das Werkstück hat dieselbe Form wie im Beispiel 1. Es wurde nach dem in F i g. 1 gezeigten Verfahren bearbeitet. Dabei wurden genau solche Plasmabrenner wie im Beispiel 1 verwendet.

Die Qualität des bearbeiteten Werkstückes sowie die Makrostruktur ihrer Oberflächenschicht waren die gleiche wie im Beispiel 1. Im Verlauf des Werkstückschmelzens blieb sein Gehalt an Legierungsbestandteilen (Fc, Ni, Si, Mn, Ca, Mg₁Ti) konstant.

Der Gehalt an Gasbeimengungen in der umgeschmolzenen Schicht war verhältnismäßig gering und entsprach der Gassättigung des Metalls der tieferen Werkstückschichten.

Beispiel 3

Dieses Werkstück weist die gleiche Form auf wie im Beispiel 1. Es wurde mit Hilfe der im Beispiel 1 beschi iebenen Plasmabrenner bearbeitet.

Die Qualität des bearbeiteten Werkstückes und die Makrostruktur seiner Oberflächenschicht waren dieselbe wie im Beispiel 1. Die chemische Zusammensetzung des Werkstückes blieb im Verlauf des Umschmelzens erhalten.

B e i s ρ i e 1 4

Dieses Werkstück weist die gleiche Form auf wie im Beispiel 1. Die Randbrenner blieben im Verlauf der Werkstückverschiebung bezüglich der Seitenkanten des Werkstückes unbeweglich, während die mittlere Brennergruppe Pendelbewegungen ausführte, wie aus F i g. 4 ersichtlich ist.

Die Qualität der umgeschmolzenen Schicht war genauso wie im Beispiel 1. Die chemische Zusammensetzung der Schicht blieb im Verlauf des Umschmelzens erhalten.

Beispiel 5

Dieses Werkstück weist die gleiche Form auf wie im Beispiel 1. Es wurde nach dem im Beispiel 4 (Fig. 4) beschriebenen Verfahren bearbeitet.

Die Qualität der umgeschmolzenen Schicht war die gleiche wie im Beispiel 1. Die chemische Zusammensetzung blieb im Verlauf des Umschmelzens erhalten.

Beispiel 6

Dieses Werkstück ist ein Vierkantprofil und wurde nach dem im Beispiel 4 beschriebenen und im Bild 4 gezeigten Verfahren bearbeitet.

Die Qualität der umgeschmolzenen Schicht war genauso wie im Beispiel 1 gezeigt. Die chemische Zusammensetzung blieb im Verlauf des Umschmelzens erhalten.

Beispiel 7

Dieses Werkstück weist die Form eines Halbzylinders auf. Die Qualität Makrostruktur und chemische Zusammensetzung der umschmolzenen Schicht war die gleiche wie im Beispiel 1.

Beispiel 8

10

Dieses Werkstück weist die gleiche Form auf wie im Beispiel 6 beschrieben. Es wurde waagerecht angeordnet und nach dem Verfahren gemäß F i g. 4 bearbeitet

Die Qualität. Makrostruktur und chemische Zusammensetzung der umgeschmolzenen Schicht war die gleiche wie im Beispiel 1.

15

Beispiel 9

Dieses Werkstück weist die gleiche Form auf wie im Beispiel 1. Die Plasmabrenner sind denen im Beispiel 1 ähnlich. Die Anzahl dieser Brenner wurde als Vielfaches von 3 gewählt Sämtliche Brenner wurden in Pendelbewegung versetzt entsprechend der Darstellung von F i g. 3.

Die Qualität des bearbeiteten Werkstückes und die Makrostruktur seiner Oberflächenschicht war genauso, wie im Beispiel 1 beschrieben. Die chemische Zusammensetzung des Werkstückes im Verlauf des Umschmelzens seiner Oberflächenschicht blieb erhalten.

25 Beispiel 10

Dieses Werkstück weist die gleiche Form wie im Beispiel 1 auf. Die Bearbeitung erfolgte mit Plasmabrennern, die den Plasmabrennern von Beispiel 1 ähnelten. Die Randbrenner blieben an den Werkstückkanten unbeweglich. Die Mittelbrenner wurden ähnlich wie in F i g. 4 in Pendelbewegung versetzt

Die Qualität, Makrostruktur und chemische Zusammensetzung der umgeschmolzenen Oberflächenschicht des Werkstückes entspricht der im Beispiel I.

Beispiel U

Dieses Werkstück weist dieselbe Form auf wie im Beispiel 7. Das Werkstück wurde mit Plasmabrennern bearbeitet entsprechend dem Beispiel 4 und entsprechend der F i g. 4.

Die Qualität der umgeschmolzenen Schicht war genauso wie im Beispiel 1 beschrieben. Die chemische Zusammensetzung des Werkstückes blieb im Verlauf des Umschmelzens ihrer Oberflächenschicht erhalten.

40 Beispiel 12

Dieses Werkstück wurde mit der in F i g. 4 gezeigten Ausführung bearbeitet.

Die Qualität der umgeschmolzencn Schicht war so wie im Beispiel 1 beschrieben. Die chemische Zusammensetzung des Werkstückes blieb im Verlauf des Umschmelzens seiner Oberflächenschicht erhalten.

45

Beispiel 13

Dieses Werkstück wurde in der Kühlbacken-Anordnung waagerecht angeordnet und in Übereinstimmung mil der in F i g. 4 gezeigten Modifikation bearbeitet.

so Die Qualität des bearbeiteten Werkstückes sowie die Makrostruktur seiner Oberflächenschicht waren genauso wie im Beispiel 1 beschrieben. Die chemische Zusammensetzung des Werkstückes blieb im Verlauf des Umschmelzens seiner Oberflächenschicht erhalten.

Beispiel 14

55

Dieses Werkstück wurde mit Plasmabrennern bearbeitet wie sie im Beispiel 1 beschrieben und in Fig. I dargestellt sind.

Die Qualität des bearbeiteten Werkstückes und die Makrostruktur seiner Oberflächenschicht waren genausc wie im Beispiel 1 beschrieben. Die chemische Zusammensetzung des Werkstückes blieb im Verlauf des Umschmelzens seiner Oberflächenschicht erhalten.

Beispiel 15

Dieses Werkstück mit prismatischer Gestalt und mit einem Trapezprofil wurde entsprechend der in F i g.'. gezeigten Modifikation bearbeitet.

Die Qualität, Makrostruktur und chemische Zusammensetzung der umgeschmolzenen Schicht war genausc wie im Beispiel 1 beschrieben.

Beispiel 16

Dieses Werkstück weist die gleiche Form auf wie im Beispiel 6 beschrieben. Der eine Pendelbewegung ausführende Plasmabrenner entspricht dem in F i g. 3 gezeigten Plasmabrenner.

Die Qualität der umgeschmolzenen Schicht war genauso wie im Beispiel 1 beschrieben. Die chemische 5 Zusammensetzung des Werkstückes blieb im Verlauf des Umschmelzens seiner Oberflächensicht erhalten.

Weitere Beispiele

Bei einem weiteren Beispiel erfolgte die Bearbeitung des Werkstückes wie im Beispiel 4 beschrieben. Das ic· Werkstück wurde umgewendet und auf diese Weise seine Umkehrseite bearbeitet

Die Bearbeitung erfolgt im wesentlichen mit den vorhergehend erwähnten Betriebsparametern. Die Geschwindigkeit der gegenseitigen Verschiebung des Werkstückes und der Plasmabrenner wurde dabei herabgesetzt unter den unteren empfohlenen Wert (bis auf 2,5 mm pro Minute). Die Pendelfrequenz dieser Brenner wurde oberhalb des oberen empfohlenen Wertes (bis auf 12C Zyklen pro Minute) erhöht. 15

Bei ungenügender Qualität der umgeschmolzenen Schicht eines derart bearbeiteten Werkstückes wurde die Bearbeitungszeit beträchtlich verlängert (60fach) und betrug 560 Minuten.

Bei einem weiteren Beispiel erfolgte die Bearbeitung des Werkstückes wie im Beispiel 6 beschrieben. Das Werkstück wurde umgewendet und auf dieselbe Weise dessen Umkehrseite bearbeitet

Die Bearbeitung erfolgt im wesentlichen mit den vorhergehend erwähnten Betricbspararnetern. Die Ge- 20 schwindigkeit der gegenseitigen Verschiebung des Werkstückes und der Plasmabrenner wurde hierbei auf einen Wert oberhalb des oberen empfohlenen Wertes erhöht (bis auf 520 mm pro Minute). Die Pendelfrequenz der Brenner wurde herabgesetzt auf einen Wert unterhalb des unteren empfohlenen Wertes (bis auf 6 Zyklen pro Minute).

Bei einer hohen Leistung während der Bearbeitung des Werkstückes (die Bearbeitungszeit betrug 4 Minuten) 25 blieben an dessen Oberfläche einzelne nicht durchgeschmolzene Abschnitte erhalten. Hierdurch wurde die Güte der bearbeiteten Oberfläche beeinträchtigt

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   fenden Ebene auf die Mittel-Plasmabrenner (6c) der Reihe der Plasmabrenner (6) übertragen werden, während di; randseitigen Plasmabrenner (6a und 6b)in der Ebene unbeweglich gehalten werden.

   7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die randseitigen Plasmabrenner (6a und 6b) ' der Plasmabrennerreihe mit Gleichstrom und die Mittel-Plasmabrenner (6c) mit Wechselstrom versorgt

   8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit einer Kammer mit einer zur Aufnahme des Werkstückes dienenden Kühlbacken-A.nordnung, welche zwei parallel zueinander angeordnete Kühlbacken enthält, sowie mit in der Kammer angeordneten Plasmabrennern, die über Zuführungsleitungen mit einer Plasmagasquelle, mit einer Stromquelle und mit einer Kühlwasserquelle verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmabrenner (6) im Inneren der Kammer (11) *ui Wellen (17) montiert sind, von welchen jede über eine Dichtungsbuchse (18) in der Wand dieser Kammer (11) derart angeordnet ist, daß ihre Achse parallel zu den horizontal angeordneten Kühlbacken (2, 3) verlauft und mit einem Antrieb (24) versehen ist, durch den die Weüsn (17) um ihre eigene Achse drehbar sind, daß ein Antrieb zur gegenseitigen Verschiebung des Werkstückes (1) und der Wellen (17) in einer zu der Ebene der Kühlbakken (2 und 3) parallelen Ebene längs der Achsen dieser Wellen (17) vorgesehen ist, die mit mindestens einem der an der Verschiebung teilnehmenden Elemente (1,17) verbunden ist.

   9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (17) des jeweiligen Plasmabrenners (6) einen Axialkanal (31) aufweist, in welchem die Zuführungsverbindungen (12,13,14) dieses Plasmabrenners (6) verlegt sind.

   10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlbacken (2 und 3) der Kühlbacken-Anordnung auf einem in der Kammer bewegbar angeordneten Wagen (33) befestigt sind und daß der Antrieb zur gegenseitigen Verschiebung des Werkstückes (1) und der Wellen (17) samt den Plasmabrennern (6) als Antrieb (36) zur fortschreitenden Bewegung ausgebildet ist, welcher mit diesem Wagen (33) zur gemeinsamen Verschiebung der Kühlbacken (2 und 3) und des Werkstückes (1) bezüglich der Wellen (17) samt den Plasmabrennern (6) verbunden ist.

   11. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb zur gegenseitigen Verschiebung des Werkstückes (1) und der Wellen (17) samt den Plasmabrennern (6) als Antrieb (46) zur fortschreitenden Bewegung ausgeführt ist, welcher mit diesen Wellen (17) verbunden ist, während die Kühlbacken (2 und 3) der Kühlbacken-Anordnung in bezug auf die Kammer (11) und das Werkstück (1) unbeweglich befestigt sind.

   12, Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlbacken (2,3) der Kühlbakken-Anordnung in bezug auf die Kammer (11) unbeweglich befestigt sind und daß der Antrieb zur gegenseitigen Verschiebung des Werkstückes (1) und der Wellen (17) mit den Plasmabrennern (6) als Rollen (54) ausgebildet sind, welche mit einem Drehantrieb (55) versehen sind und mit dem Werkstück in Berührung stehen, um dieses zwischen den Kühlbacken (2,3) der Kühlbacken-Anordnung durchzuziehen.

   13. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellen (17) mit den Plasmabrennern (6) sowie die Kühlbacken (2 und 3) der Kühlbacken-Anordnung durch eine in der Kammer (11) bewegbar angeordnete torförmige Trägervorrichtung verbunden sind, und daß der Antrieb zur gegenseitigen Verschiebung des Werkstückes (1) und der Wellen (17) mit dem Plasmabrennern (6) als Antrieb (46) zur

   fortschreitenden Bewegung ausgebildet ist, welcher mit der torförmigen Trägervorrichtung (56) verbunden ist, um die Wellen (17) mit den Plasmabrennern (6) und die Kühlbacken, (2,3) der Kühlbacken-Anordnung in bezug auf das Werkstück (1) zu verstellen.

   Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Plasmalichtbogenumschmelzen der Oberflächenschicht eines flachen, mit mindestens zwei parallelen Längskanten versehenen Metallwerkstückes, das in einer Kühlbacken-Anordnung untergebracht wird und durch Plasmabrenner zur Bildung eines Metallsumpfes erwärmt wird, wobei den Plasmabrennern plasmabildendes Gas und elektrischer Strom zugeführt wird und wobei das Werkstück uod die Plasmabrenner längs der parallelen Längskanten des Werkstückes gegeneinander verschoben werden.

   Die vorliegende Erfindung bezieht sich demnach auf die hierfür maßgebliche Elektrometallurgie und insbesondere auf die Plasmalichtbogenbearbeitung von Metallen. Hierbei kommt die Technologie des Plasmalichtbogenumschmelzens der Oberflächenschicht eines flachen Metallwerkstückes mit gleichlaufenden Seitenkanten zur Anwendung. Auch ist hierbei der Aufbau der Anlage zur Durchführung des Plasmalichtbogenumschmelzens von Bedeutung.

   Unter einem flachen Metallwerkstück mit gleichlaufenden Seitenkanten wird ein Werkstück verstanden, welches mindestens eine ebene Fläche aufweist, die durch zwei parallele Linien begrenzt wird. Bei Anwendung dieser Definition wird unter einem flachen Werkstück auch ein prismatisches Werkstück mit rechtwinkligem Querschnitt verstanden oder aber ein Werkstück, welches die Gestalt eines Halbzylinders aufw<.-;t.

   Bekanntlich weisen die auf metallurgische. Weise, insbesondere nach dem Metallstrangusverfahrc-n erzeugten Werkstücke, unterschiedliche Fehler in der Oberflächenschicht auf, wie z. B. Risse, Gasblasen, Krusten, Biegungen, grobe nicht metallische Einschlüsse, Zunder an der Oberfläche usw. Aus diesem Grunde wird das zu behandelnde Werkstück vor dem anschließenden Fertigungsvorgang, d. h. der plastischen Verformung, wie z. B. durch Walzen, einer besonderen Behandlung durch spanabhebend; Bearbeitung unterzogen, um die fehlerhafte Oberflächenschicht abzutragen. Eine solche Bearbeitung erfolgt zum Beispiel durch Fräsen, Hobeln oder durch Schleifen unter Verwendung von besonderen Schleifmitteln, wodurch erhebliche Metallverluste bis zu 30% gegeben sind.

   Die Verarbeitung solcher metallischer Abfälle wie z. B. Metallspäne erfolgt im Wege der Verarbeitung dieser Abfälle durch Pressen und nachfolgendes Umschmelzen. Diese Verarbeitung erfordert einen zusätzlichen Aufwand an Zeit sowie an Produktionsmitteln. Jedoch bleiben die Metallverluste hierbei in erheblichem Maße bestehen. Insbesondere wirken sich solche Metallverluste dann als besonders nachteilig aus, wenn wertvolle Werkstoffe zu bearbeiten sind. Bei der Bearbeitung von Hartlegierungen besteht die Gefahr, daß ein erhöhter Verschleiß der Schneidwerkzeuge gegeben ist, was zur Verringerung der Arbeitsprcduktivität sowie zur Verteuerung des Arbeitsablaufes führt.

   Darüber hinaus besteht der Nachteil, daß bei spanabhebender Beseitigung der Fehier in der Oberflächenschicht des Metallwerkstückes ein erhöhter Zeitaufwand gegeben ist, was ebenfalls zur Verringerung der Arbeitsproduktivität führt. Auch ist es nachteilig, das erhebliche Produktionsflächen zum Unterbringen solcher Bcarbeitu^gsmaschinen erforderlich sind.

   Im Vergleich zu solchen auf mechanischem Wege erfolgenden Bearbeitungen von Werkstücken erzielt man eine größere Wirkung bei der Behandlung der Oberflächenschicht eines Werkstückes, indem man diese Oberflächenschicht verfeinert, und zwar z. B. im Wege des Plasmalichtbogenumschmelzens. Diese Technologie gewährleistet die gesamte Beseitigung von Oberflächenschichtfehlern bei minimalen Metallverlusten. Em Vorteil dieses Verfahrens ist darin zu sehen, daß die Metalldichte des Werkstücks erhöht wird. Auch ist der Vorteil gegeben, daß der Gehalt des Werkstückes a« Gasbeimengungen sowie an nichtmetallischen Einschlüssen verringert wird.

   Aus der GB-PS 13 05 671 ist zum Beispiel ein Verfahren zum Plasmalichtbogenumschmelzen der Oberflächenschicht eines Metallwerkstückes insbesondere eines flachen Werkstückes mit parallelen Seitenkanten bekannt. In diesem Verfahren wird ein Metallsumpf gebildet. Das Werkstück findet sich in einer Kühlbackenanordnung und wird durch Plasmabrenner erwärmt. Das plasmabildende Gas sowie der elektrische Strom werden den Plasmabrennern zugeführt. Die Plasmabrenner und das Werkstück werden gegeneinander längs der parallelen Seitenkamen des Werksiückes verschoben.

   Bei diesem Verfahren wird das Werkstück mit rechtwinkligem Querschnitt in der Ausgangsstellung in der Kühlbackenanordnung senkrecht derart untergebracht, dau diese das Werkstück über den gesamten Umfang umschließt. Die Plasmabrenner werden um das Werkstück herum in dessen Profilebene so angeordnet, daß sich gegenüber der jeweiligen Kante des Werkstückes ein Plasmabrenner befindet.

   Das Werkstück wird auf einer sogenannten Startplatte angeordnet und beim Umschmelzen des äußeren Bereiches des Werkstückes durch die Plasmabrenner durch die Kühlbackenanordnung gezogen. Dieses Ziehen erfolgt in senkrechter Ebene, wobei der Metallsumpfspiegel an der jeweiliger Werkstückkante senkrecht zu der zu bearbeitenden Oberfläche ausgerichtet ist.

   Dieses bekannte eingangs beschriebene Verfahren zum Plasmaliehtbogenumsehmelzen ist mit Hilfe einer Anlage durchführbar, wie sie in der GB-PS 12 37 115 bzw. in der FR-PS 15 79 039 beschrieben ist.

   Diese Anlage enthält eine hermetisch abgeschlossene Kammer mit einer Kühlbackenanordnung zur Aufnahme des Werkstückes. Desweiteren sind in diese Kammer eingeführte Plasmabrenner vorgesehen, wobei Verbindungsleitungen für die Zufuhr von Plasmagas, von Strom und von Kühlwasser sorgen. Die Kühlbackenanordnung weist die Form eines rechtwinkligen Rahmens auf, welcher das Werkstück über seinen Umfang umgreift. Die jeweils gegenübe: hegenden Elemente dieses Rahmens stellen zwei in der Horizontalebene parallel zueinander angeordnete gekühlte Balken dar.