DE3438439A1

DE3438439A1 - Pulveroberflaechenschweissverfahren

Info

Publication number: DE3438439A1
Application number: DE19843438439
Authority: DE
Inventors: Masaru Nagoya Aichi Nagata; Yukou Takeuchi
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 1983-10-26
Filing date: 1984-10-19
Publication date: 1985-05-09
Also published as: GB2148768A; GB8426689D0; US4621183A; GB2148768B

Description

40 916 q/pc

Daido Tokushuko Kabushiki Kaisha, Nagoya-City / Japan

Pulveroberflächenschweißverfahren

Die Erfindung betrifft ein Pulveroberflächenschweißverfahren, das anwendbar ist zum Aufbauschweißen mit Pulver und insbesondere ein Pulveroberflächenschweißverfahren, welches zur Oberflächenbearbeitung eines Maschinenventiles in einem Automobilfahrzeug oder bei einem Schiffskörper und für andere Aufbauschweißgegenstände geeignet ist.

So wurde bei der Herstellung von Maschinenventilen im Automobilbau das Oberflächenschweißen an der Ventilvorderseite häufig durchgeführt, um den thermischen Widerstand und den Abnutzungs- oder Verschleißwiderstand des Ventiles zu erhöhen.

Beim Oberflächenschweißverfahren ist es jedoch erforderlich, daß die Ablagerung oder Beschichtung auf dem Basismaterial, wie z.B. dem Ventil oder ähnlichem vollständig ist, die Zusammensetzung des abgelagerten

Materiales dicht an der Zusammensetzung des Basismateriales vor dem Oberflächenschweißen ist, die Gestalt oder Form der Schweißraupe gut ist, und die Ausbeute bzw. der Ertrag des abgelagerten Metalles hoch ist. Um diese Anforderungen zu erfüllen versucht man das Plasmalichtbogenschweißen mit Pulver gegenwärtig anzuwenden.

Beim Pulverschweißen mit einem Plasmabrenner wird ein Plasmaarbeitsgas von einem Raum zwischen einer Stabelektrode und einer inneren Röhre, welche die Stabelektrode umgibt, geliefert, während ein zur Oberflä- : chenbehandlung vorgesehenes Pulver aus einem Raum

zwischen der inneren Röhre und einer äußeren Röhre, 15 welche die innere Röhre umgibt, geliefert wird und

die an ihrem Ende mit einer Plasmalichtbogenstrahldüse in einem Plasmalichtbogen versehen ist, wodurch das Oberflächenbehandlungspulver geschmolzen wird und auf einem zu schweißenden Basismaterial zur Oberflächenbehandlung aufgebracht wird.

Wenn jedoch ein solcher Plasmabrenner für die Oberflächenbehandlung des Basismaterials mit Pulver verwendet wird, tendieren Partikel mit großen Abmessun-

25 gen sich schneller fort zu bewegen als Partikel von

kleiner Größe während der Versorgung mit dem Oberflächenbearbeitungspulver aus einer Pulverzufuhreinrichtung über eine Pulverversorgungsanschlußleitung und den Raum zwischen der inneren und äußeren Röhre in

30 dem Brenner in Richtung auf den Plasmalichtbogen.

Wenn daher die Partikelgrößeverteilung des Oberflächenbehandlungspulvers, die Schweißgeschwindigkeit,

die Pulverform oder ähnliches ungeeignet ist, wenn die Versorgung des Oberflächenbehandlungspulvers in Übereinstimmung mit der Beendigung des Oberflächenschweißens beendet wird, wird das Stoppen oder Trennen der Pulverversorgung schlecht, weil der Betrag oder Wert der Partikel mit kleiner Größe, die in der letzten Stufe des Oberflächenschweißens geflossen sind, größer wird als in Figur la gezeigt. Folglich wird eine Schweißnaht gebildet, welche eine geringere Höhe aufweist. Daher erhält man nicht eine gewünschte Schweißraupe wie sie in Figur Ib dargestellt ist. Wenn daher beabsichtigt wird, ein ringähnliches Schweißen durchzuführen, wie z.B. das Oberflächenschweißen auf der Maschinenventilfront oder -oberseite für Automobilfahrzeuge häuft sich das zuletzt geschmolzene Metall, welches aus feinen Pulverpartikeln besteht, auf dem ersten oberflächenbehandelten Bereich sich an, so daß die Schweißraupenform in dem angehäuften Bereich schlecht ist. 20

Außerdem werden Probleme und Schwierigkeiten verursacht, wenn die Anordnung zwischen dem Plasmabrenner und dem Basismaterial, welches oberflächenbehandelt werden soll, wie z.B. die Entfernung in Aufwärts- und Abwärtsrichtung, der Versetzungsbetrag in horizontaler Richtung oder ähnlichem die Schweißgeschwindigkeit usw. ungeeignet und nicht passend sind. Wenn z.B. die Entfernung zwischen dem Plasmabrenner und dem Basismaterial zu groß ist, wird der Plasmalichtbogen instabil. Außerdem besteht die Gefahr, daß keine Verschmelzung verursacht wird zwischen dem abgelagerten Metall und dem Basismaterial. Wenn nun der

Abstand zu klein ist wird die Schweißraupenform schlecht. Wenn alternativ hierzu der Versetzungsbetrag ungeeignet ist, wird das geschmolzene Metall des Oberflächenbehandlungspulvers nicht gut auf der Vorderseite des Basismateriales abgelagert, welches

oberflächenbehandelt werden soll, so daß es von der Stirn- oder Frontseite herunterfallen kann.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die vorerwähnten im Stand der Technik gegebenen Nachteile und Probleme zu lösen und ein Pulverschweißverfahren zu schaffen, welches erkennbar gut ist zur Schaffung einer Schweißraupenform durch Plasmalichtbogenschweißen mit Pulver sowie im Verschmelzungszustand zwisehen dem abgelagerten Metall und dem Oberflächen-zubehandelnden Basismaterial. Es soll außerdem eine besonders gute Schweißraupenform sowie einen Verschmelzungszustand auch dann schaffen, wenn ringähnliche Schmelzbereiche.an der Oberflächenseite oder Stirnseite eines Maschinenventiles für ein Automobilfahrzeug gebildet werden soll.

Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zum Schmelzen eines Basismateriales geschaffen worden, welches

oberflächenbehandelt werden soll mit einem Oberflächenbehandlungspulver durch einen Plasmabrenner, in dem ein Plasmaarbeitsgas von einem Raum zwischen einer Stabelektrode und einer inneren Röhre geliefert wird, welche die Stabelektrode umgibt. Des weiteren wird das Oberflächenbehandlungspulver aus einem Raum zwischen der inneren Rohr und dem äußeren Rohr, welches das innere Rohr umgibt, geliefert. Der Plasma-

brenner ist an seinem einen Ende mit einer Plasmalichtbogenstrahldüse versehen. Das Pulver gelangt in den Plasmalichtbogen hinein, während das Basismaterial sich dreht. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Oberflächenbehandlungspulver nicht weniger als 95 % eines Pulvers enthält, welches eine Partikelgröße von -60 mesh bis +250 mesh aufweist und wobei das Schweißen mit einer Schweißgeschwindigkeit ausgeführt wird, welche nicht kleiner als 3,8 mm/sec

10 ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Oberflächenbehandlungspulver durch Gaszerstäubung oder Gaswasserzerstäubung erzeugt, wobei die Partikelgröße innerhalb eines Bereiches von -100 mesh bis +250 mesh ist, wobei das Schweißen ausgeführt wird mit einer Schweißgeschwindigkeit von nicht weniger als 4 mm/sec ohne daß der Plasmabrenner hin- und her pendelt. Ein Abstand (L,mm) zwischen dem Ende der

20 Plasmalichtbogenabstrahldüse und dem Basismaterial liegt innerhalb eines Bereiches von 0,5Ds+6-L-Ds+8 (wobei Ds der Öffnungsdurchmesser (mm) der Plasmalichtbogenabstrahldüse ist) und wobei der Versetzungswinkel (θ) des axialen Mittelpunktes des

Schweißbrenners in bezug auf das Rotationszentrum des Basismateriales innerhalb eines Bereiches von 7°^ώΘ-20° liegt bei einem seitlichen Verzögerungswinkel.

Weitere Vorteile der Erfindung finden sich in den Merkmalen der Unteransprüche sowie in der folgenden Beschreibung. Die Erfindung wird nun im Zusammenhang mit Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. la und Ib schematische Ansichten zur Darstellung der jeweiligen änderung in der Höhe einer
Schmelzraupe,

Fig. 2 einen Längsschnitt eines Plasmabrenners zur Benutzung im Rahmen des Pulveroberflächenschmelzverfahrens gemäß der Erfindung,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines

Flußregulierungsteiles für das Plasmaarbeitsgas, wie es in Fig. 2 benutzt wird,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer

anderen Ausfuhrungsform eines Fließregulierungsteiles 15 für das Plasmaarbeitsgas,

Fig. 5 eine Längsschnittansicht eines

Hilfs- oder Trägerteiles, wie es in der Erfindung verwendet wird,
20

Fig. 6a und 6b schematische Darstellungen für die Positionsbeziehung zwischen der Seitenkante des Basismateriales und der Seitenkante des Trägerteiles,

Fig. 7 eine schematische Ansicht zur Dar

stellung der Deformation des Schmelzbereiches am Ende der Ventiloberseite,

Fig. 8 eine schematische Draufsicht zur

30 Darstellung der Positionsbeziehung zwischen dem Plasmabrenner und dem Basismaterial,

3433439

Fig. 9 eine vergrößerte Schnittansicht des

Düsenteils im Plasmabrenner gemäß Fig. 2 und

Fig. 10a bis 1Od schematische Ansichten zur Darstellung der jeweiligen Form der Schweißraupe.

In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines Plasmabrenners zur Ausübung eines Pulveroberflächenschweißverfahrens gemäß der Erfindung zusammen mit einem Maschinenventil als ein Oberflächen zu behandelndes Basismaterial dargestellt. Dieser Plasmabrenner 1 ist
in seiner Mitte mit einer Stabelektrode versehen, die mit einem negativen Pol einer Leistungsquelle (nicht dargestellt) verbunden ist. Ein inneres Rohr 3 umgibt die Stabelektrode 2 konzentrisch mit einem bestimmten Abstand. In der dargestellten Ausfuhrungsform ist das innere Rohr 3 an seinem unteren Ende mit einer Gewindespitze 4 versehen. Jedoch kann das innere Rohr 3
mit der Spitze 4 ganz verbunden bzw. integriert sein.

Ein Kühlwasserdurchlauf 5 ist im Inneren der Innenröhre 3 und der Spitze 4 jeweils ausgebildet, während ein Durchgang oder Durchlauf für das Plasmaarbeitsgas 6 zwischen der Stabelektrode 2 und dem Innenrohr 3
definiert ist.

In der Plasmaarbeitsgaszuführung 6, die zwischen der
Stabelektrode 2 und dem Innenrohr 3 vorgesehen ist,
ist ein Fließ- oder Flußregulierungsglied 8 vorhanden, welches mit einer Vielzahl von Löchern 7 zum

Durchlassen des Plasmaarbeitsgases versehen ist.
Darüber hinaus können diese Löcher 7 in dem Flußoder Strömungsregulierungsglied 8 in gleichen Abstän-

den auf dem Umfang verteilt in gradliniger Form angeordnet sein, wie durch die gestrichelte Linie in Fig. 3 gezeigt ist. Sie können aber auch in Spiralform vorgesehen sein, wie dies gestrichelt in Fig. 4 gezeigt ist. In jedem Falle dient das Flußregulierungsglied 8 zur Regulierung des Flusses des Plasmaarbeitsgases, welches von dem oberen Teil des Brenners in Pfeilrichtung einströmt, um hierdurch den Fluß des Plasmaarbeitsgases in seinem horizontalen Abschnitt zu uniformieren. Als Ergebnis werden die Verschmelzung des Oberflächenbehandlungspulvers sowie die Haftung des abgelagerten Metalles auf dem Basismaterial ebenso einheitlich bzw. gleichbleibend gemacht, wie dies später erwähnt wird. Außerdem wirkt das Fließ-

15 und Strömungsregulierungsglied 8 als Sicherung für die Stabelektrode 2, welches die Stabelektrode 2 stets in einem konzentrischen Zustand in bezug auf das Innenrohr 3 hält mit der Folgewirkung, daß eine ungleiche Abnutzung der Stabelektrode 2 verhindert

20 wird.

Am unteren Ende des Innenrohres 3 (die Spitze 4 beim dargestellten Ausführungsbeispiel) ist eine Plasmalichtbogenverengungsdüse 9 ausgebildet. Des weiteren

ist ein Außenrohr 11 um die äußere Peripherie des Innenrohres 3 in einem vorgegebenen Abstand vorgesehen. Am unteren Ende des Außenrohres 11 ist eine Plasmalichtbogenstrahldüse 12 ausgebildet. Zwischen dem Innenrohr 3 und dem Außenrohr 11 ist ein Pulverzuführungsdurchgang 13 definiert, wodurch ein Oberflächenbehandlungspulver 14 zusammen mit einem Pulverträgergas aus einer Pulvervorratsvorrichtung (nicht darge-

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stellt) zum Plasmalichtbogen 10 befördert werden kann. Darüber hinaus ist eine Kühlwasserzufuhr und Durchlauf 15 im Inneren des Außenrohres 11 zum Kühlen der Düse 12 vorgesehen.
5

Außerdem ist ein Ringflußregulierungsglied 16 nahe dem unteren Bereich des Außenrohres 11 im konzentrischen Zustand mit der Plasmalichtbogenabstrahlduse für ein Schutzgas vorgesehen, welches dazu dient, einheitlf.ch und gleichmäßig das Umfeld des Plasmalichtbogens 10 mit einem Schutzgas zu schützen bzw. abzuschirmen, welches durch eine Schutzgaspassage 17 strömt. In diesem Falle ist das Schutzgasströmungsregulierungsglied 16 innerhalb von dem Öffnungsende der Plasmalichtbogenabstrahlduse 12 angeordnet, um eine ungleichmäßige und unzureichende Versorgung des Schutzgases zu verhindern, und zwar aufgrund des Ansteigens des Durchdringungs- oder Permeationswiderstandes auf der Basis der Adhäsion von "Splushes" des Pulvers und des verschmolzenen Metalles in bezug auf das Fluß- oder Strömungsregulierungsglieds 16 während der Oberflächenbehandlung, wodurch die Adhäsion der "Splushes" verhindert werden kann, um stets den Durchdringungswiderstand des Strömungsregulierungsgliedes 16 konstant zu halten und um den Schutz oder Abschirmeffekt gegen den Plasmalichtbogen gut auszubilden bzw. zu entwickeln. Darüber hinaus ist das Schutzgasströmungsregulierungsglied 16 aus einem laminierten Netzkörper, einem gesinterten Körper aus Metall oder Keramik mit einer geeigneten Permeabilität (Dichte und ähnlichem) hergestellt.

Unter dem Plasmabrenner 1 mit der obengenannten Struktur ist ein Basismaterial 18 vorgesehen, welches oberflächenbehandelt werden soll. Als solches dient ein Maschinenventil für ein Kraftfahrzeug. Dieses Ventil wird gedreht und durch ein Trägerteil gehalten,

In F^g. 5 ist eine Struktur des Halteteiles 20 dargestellt, bei dem das Basismaterial (Ventil) 18 auf seiner Bodenseite durch eine Trägerscheibe 21 gehalten wird. Diese Trägerscheibe 21 ist mit dem Trägerkörper 22 durch Schrauben 23 fixiert. Außerdem ist ein Kühlungsraum 24 zwischen der Trägerscheibe 21 und dem Trägerkörper 22 vorgesehen, in dem ein Kühlwasser durch Kühlwasserpassgen 25, 26 zirkuliert, die in dem

15 Trägerkörper 22 vorgesehen sind.

Der Trägerkörper 22 ist mittels einer Vielzahl von O-Ringen 27 in einem Ringblock 28 fest angeordnet. Der Ringblock 28 ist mit einem Trägerarm 29 verbun-20 den, um das Trägerglied 20 aufzunehmen.

Außerdem ist eine Stütz- oder Hinterplatte 30 auf der unteren Seite des Trägerkörpers 22 vorgesehen, während eine Welle 31 mit dem unteren Ende des Trägerkörpers 22 integriert bzw. einstückig verbunden ist. Sie ist mit einer Drehantriebseinrichtung (nicht dargestellt) verbunden, in der Weise, daß das Trägerteil 20 in Pfeilrichtung gedreht wird und hierbei das Basismaterial 18 festhält.

Wie in den Fig. 6a und 6b dargestellt, ist das Basismaterial 18 mit dem Trägerglied 20 verbunden bzw. an diesem angebracht, um so die folgende Beziehung zu erfüllen:

h ^ 1,OH, w ^ 2,0H, oc ^ 90'

wobei H die Höhe der Seitenkante des Basismateriales 18, h die Höhe des Trägergliedes 20 (in der darge-

5 stellten Ausführungsform die Trägerscheibe 21) die

vom Boden des Basismateriales 18 längs seiner Seitenkante hervorragt, w die Breite des Trägergliedes 20, welche von der Seitenkante des Pasismateriales 18 hervorsteht und cc ein Neigungswinkel der Seitenkante

10 des Trägergliedes 20 bedeuten. Fig. 6b zeigt einen Fall, in dem h=0, w=0 und d=0 sind.

Wenn der Seitenkantenbereich des Trägergliedes 20 von der Seitenkante des Basismateriales 18 stark hervorsteht, so daß die obengenannten Beziehungen nicht erfüllt werden, passiert der Fluß des Plasmaarbeitsgases und des Pulverträgergases längs der Oberfläche des Basismateriales 18 und kommt mit der Seitenkantenoberfläche des Trägerteiles 20 in "Kollision" und verursacht hierbei eine Störung und Umlenkung dieser Gasflüsse. Als Ergebnis fließt ein verschmolzenes Ablagerungsmetall 35 (dargestellt in Fig. 2), welches zur Oberflächenbehandlung auf die Oberseite des Basismateriales 18 aufgebracht ist, zur zentralen Seite hin (Axialseite) dieses Basismateriales 18 aufgrund des gestörten Plasmalichtbogenflusses, so daß ein Endbereich des abgelagerten Metalles nach seiner Verfestigung eine deformierte Formgebung, wie in Fig. 7 dargestellt ist, hervorbringt.

Auf der anderen Seite sind in die Erfindung mit eingeschlossen der Fall, in dem das Basismaterial 18 durch das Trägerglied 20 lokal aufgenommen ist (d.h.

h und w sind negative Werte) und der Fall, in dem die Seitenkante des Trägergliedes 20 nach innen geneigt ist (d.h. oC ist ein negativer Wert).

In der Praxis wird beim Pulveroberflächenschmelzen gemäi3 der Erfindung ein negativer Pol einer Leistunjsquelle (nicht dargestellt) mit der Stabelektrode 2 und ein positiver Pol mit dem Basismaterial 18 verbunden, wodurch ein Plasmalichtbogen 10 zwischen der Stabelektrode 2 und dem Basismaterial 18 erzeugt wird und wodurch gleichzeitig das Cberflächenbehandlungspulver 14 in dem Plasmalichtbogen 10 hineingebracht wird zusammen mit dem Pulverträgergas. Das Pulver wird auf der Oberfläche des Basismateriales 18 (Ventiloberseite) in einem verschmolzenen Zustand abgelagert.

Da das Flußregulierungsglied 8 für das Plasmaarbeitsgas zwischen der Stabelektrode 2 und dem Innenrohr 3 angeordnet ist, wird das Plasmaarbeitsgas gleichmäßig und einheitlich in seinem horizontalen Abschnitt, um so die Konzentrizität des Plasmagases zu vergrößern und zu steigern, so daß die Versorgung des Oberflächenbehandlungspulvers 14 im Horizontalabschnitt ver-

25 einheitlicht wird und die ungleichmäßige Abnutzung

der Stabelektrode 2 verhindert wird, wodurch ein gutes Oberflächenschmelzen erzielt wird. Außerdem werden der Plasmabogen 10 und ein Teil des Basismateriales 18, welches oberflächenbehandelt werden soll, wirksam nach außen durch das Schutzgas geschützt und abgeschirmt, wodurch eine gute oberflächengeschmolzene Schicht erhalten werden kann.

Als Elektrode in dem Plasmabrenner wird eine Stabelektrode verwendet, die z.B. aus hoch schmelzendem Metall (oder einer Legierung), wie z.B. Wolfram oder ähnlichem, hergestellt ist. In diesem Falle kann die gesamte Elektrode aus hoch schmelzendem Metall oder Material, wie Wolfram oder ähnlichem, hergestellt sein. Die Elektrode kann aber auch einen Plasmalichtbogenerzeugungsbereich enthalten, der aus dem hoch schmelzendem Teil gemacht ist, während der andere

10 verbleibende Teil aus einem elektrisch leitfähigem wassergekühltem Rohr oder ähnlichem besteht.

Als Oberflächenbehandlungspulver kann Gebrauch gemacht werden von thermischen widerstandsfähigen Legierungen und abnutzungswiderstandsfähigen Legierungen, insbesondere von Co-Basislegierungen, wie z.B. Stellte, Ni-Basislegierungen, wie z.B. "Colmonoy", Fe-Basislegierungen, wie z.B. FMS, usw. Wenn das Oberflächenbehandlungspulver einen großen Betrag von großen Partikeln aufweist, wird das Nichtverschmelzen des Pulvers ungünstig beim Oberflächenschmelzen mit dem Plasmalichtbogen verursacht, während wenn die Partikel mit kleiner Größe zu zahlreich im Pulver sind, die Menge des verspritzten Pulvers groß wird

25 und die Ausbeute verringert wird. Das Steppen oder

Trennen der Partikel mit kleiner Größe ist im letzten Stadium des Oberflächenschmelzens schlecht, weil die Versorgung der Partikel mit kleiner Größe dazu neigt, verzögert zu werden, verglichen mit der Versorgung von Partikeln großer Größe. Folglich wire eine niedrige Schweißraupe, wie in Fig. la dargestellt, gebildet und hierdurch die Form der Schweißraupe ver-

schl ichtert. Wenn andererseits die Schweißgeschwindigk'iit zu niedrig ist kann eine gute Schweiraupenform nicht erhalten werden. Aus diesem Grunde wird gemä.3 der Erfindung das Schweißen mit einer Schweiß-

5 geschwindigkeit ausgeführt, die nicht kleiner als

3,8 :n/sec ist, und zwar bei Verwendung eines Oberflächenbehandlungspulvers, welches nicht weniger als 95 % von Pulver enthält, mit einer Partikelgröße von -60 .Tiesh bis +250 mesh.

Um nun für einen guten Fluß des Oberflächenbehandlungspulvers in dem Plasmalichtbogen zusammen mit dem Pulverträgergas zu sorgen ist es wünschenswert, Pulver zu verwenden, die durch einen Pulvererzeugungsprozaß erhalten werden, mit einer Kühlungsrate die langsamer ist als die des Flüssigkeitszerstäubungsprozesses, wie z.B. Gaszerstäubung oder Gaswasserzerstäubung. Das bedeutet, daß das durch die Flüssigkeitszerstäubung erhaltene Pulver häufig unregelmäßig in seiner Gestalt und Form ist und außerdem uneinheitlich oder ungleichmäßig in der Versorgung und unzureichend in der Verschmelzung durch den Plasmalichtbogen, während fast alle die Pulver, welche durch die Gaszerstäubung oder Gaswasserzerstäubung erhalten werden, sehr dicht an der kugelförmigen Gestalt sind und daher relativ gleichmäßig sind, so daß sie gleichmäßig und glatt geliefert werden bzw. fliessen. Sie werden außerdem in zufriedenstellender Weise durch den Plasmalichtbogen verschmolzen und schaffen auf diese Weise eine gute Schmelzraupenform, die beachtlich ist.

Als Oberflächenbehandlungspulver, die die obengenannten Anforderungen erfüllen, gibt es Puder, die durch Gasflüssigkeit gemischte Gaszerstäubung hergestellt werden, wie dies in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 53-11269 und Nr. 53-26591 offenbart ist, von deren Gegenständen bevorzugt in der Erfindung Gebrauch gemacht wird.

Beim Betrieb des vorerwähnten Plasmabrenners wird das Pulveroberflächenschmelzen ausgeführt unter solchen Bedingungen, wie sie in Fig. 8 gezeigt sind, wobei e:'.n Abstand (L,mm), zwischen dem Ende der Plasmalichtbogenabstrahldüse 12 und dem Basismaterial 18 innerhalb eines Bereiches von 0,5Ds+6^aL^Ds+8 ist, wobei Ds der Durchmesser in mm der Düse 12 und der Versetzungswinkel [B-) des axialen Mittelpunktes des Plasmabrenners mit Bezug auf das Drehzentrum des Basismateriales 18 die Bedingung erfüllt 7^ο-θ^ί20° an einer Verzogerungswinkelseite oder einer Seite gegenüberliegend der Drehrichtung des Basismaterials/ wie durch Pfeil A gezeigt.

.Wenn der Abstand L die obere Grenze überschreitet wird der Abstand zwischen der Stabelektrode 2, die

mit dem negativen Pol der Versorgungsquelle verbunden ist und dem Basismaterial 18, welches mit dem positiven Pol der Leistungsquelle verbunden ist, zu lang. Außerdem wird der Plasmalichtbogen 10 unstabil mit dem Ergebis, daß eine schlechte Schmelzraupenform entsteht und ein Fehlen der Verschmelzung gegenüber dem Basismaterial 18. Wenn der Abstand L kleiner als die untere Grenze ist, tendiert der Plasmalichtbogen

10 sehr stark dazu das verschmolzene Material aus dem Bereich des Materials, welches oberflächenbehandelt werden soll, wegzublasen mit dem Ergebnis, daß die Schweißraupenform verschlechtert wird. Wenn andererseits der Versetzungswinkel θ kleiner als 7° ist, wird die Schweißraupenform schlecht. Außerdem wird eine fehlende Verschmelzung oder mangelhafte Verschmalzung gegenüber dem Basismaterial 18 verursacht. Wenn der Versetzungswinkel ■& 20° übersteigt fällt das verschmolzene Metall nach unten auf das Basismaterial 18 und verschlechtert die Schweißraupenform und verursacht di;n Mangel an Verschmelzung.

Wie Ln Fig. 9 dargestellt ist es vorzuziehen, daß das PulVfjroberflächenschmelzen unter Erfüllung der folgenden Beziehungen ausgeführt wird:

Dr=(O,6 '—■ 0,9)xDs, Tr=(O,9 -^- l,l)xDs, 20 De^O,9xDr

wobei De der Durchmesser in mm der Stabelektrode .2, Dr der Qffnungsdurchmesser in mm der Plasmalichtbogenverengungsdüse 9, Tr die Düsendicke in mm der Düse

25 9 und Ds der Öffnungsdurchmesser in mm der Plasma-

lichtbogenabstrahldüse 12 ist. In diesem Fall werden die Stabilisierung und die Konzentrizität des Plasmalichtbogens gesteigert, um das Oberflächenbehandlungspulver in genügendem Maße zu verschmelzen, wo-

30 durch eine gute Oberflächenschmelzschicht mit einer hohen Ausbeute erzielt werden kann.

Es ist außerdem wünschenswert, daß die Stromdichte der Stabelektrode 2 nicht mehr als 13,5 A/mm beträgt. Wenn die Stromdichte zu exerziv ist, wird der Verbrauch der Elektrode zu groß und ihre Lebensdauer verkürzt.

Als Plasmaarbeitscfas wird ein inaktives Gas, wie z.B. Ar-Gas, N_-Gas auü diesem gemischte Gase oder ähnliches verwendet. Wenn die Menge des Plasmaarbeitsgases zu klein ist ist es schwierig, einen stabilen Plasmalichtbogen 2^-,u bilden, während wenn die benutzte Plasmaarbeitsgasmenge zu groß ist die Gefahr besteht, daß das verschmolzene Metall weggeblasen wird, wodurch die Schweißraupenform verschlechtert wird. Daher wird die Menge des benutzten Plasmaarbeitsgases

2
(£/min*mm ) gesteuert, um der Beziehung zu genügen

(0,03 --Ό,13)xl/4 ¹TfDr , wobei Dr der Öffnungsdurchmesser in mm der Plasmalichtbogenverengungsdüse 9 ist.

Gemäß der Erfindung wird das inaktive Gas, wie zuvor beschrieben, auch als Pulverträgergas verwendet. Wenn die Menge des verwendeten Pulverträgergases zu gering ist, ist es schwierig, das Oberflächenbehandlungspulver zu liefern. Wenn die Trägergasmenge zu groß ist wird das geschmolzene Metall weggeblasen, wodurch die Schweißbett- oder -raupenform verschlechtert wird. Daher wird gemäß der Erfindung das Pulverträgergas in einer Menge von nicht mehr als 0,4 ö'/min verwendet, vorzugsweise zwischen 0,1-0,3 £/min, auf der Basis 1 g/min des gelieferten Oberflächenbehandlungspulvers.

Um eine gute Form der Schweißraupe zu erhalten wird das Dberflächenschweißen bei einer Schweißgeschwindigkait von nicht weniger als 3,8 mm/sec ausgeführt, vorzugsweise nicht kleiner als 4 mm/sec. Wenn die Schwaißgeschwindigkeit kleiner als 3,8 mm/sec ist, kann keine gute Schweißraupe gebildet werden.

Besonders wenn das Oberflächenschweißen auf die Ventiloberseite einer Kraftfahrzeugmaschine angewendet 10 wird ist es wünschenswert, das Schweißen ohne Hin- und Herpendeln bzw. Schlangenbildung (weaving) auszuführen, um eine gute Schvveißraupenform zu schaffen.

Die Erfindung wird deutlicher anhand der folgenden Beispiele zusammen mit Vergleichsbeispielen veranschaulicht :

Beispiel 1:

In diesem Beispiel wurde eine Oberfläche eines Auslaßventiles eines Automobilmotores (Durchmesser: 50 ir.m) einem Oberflächenschmelzen mit einem Oberflächenbehandlungspulver ausgesetzt (hergestellt durch Gaszerstäubung von Stellite #12) mit einer Partikel-

25 größenverteilung, wie in der folgenden Tabelle 1 dargestellt, bei einer Schweißgeschwindigkeit, wie in Tabelle 1 gezeigt, unter Verwendung des Plasmabrenners gemäß Fig. 2 mit einem Hauptstrom von 100 A und einer Bogenspannung von 36 V.

Tabelle

Laufende	der	1	Partikel-Größen-Verteilung	-lOOmesh ~ +150mesh	-150mesh ~ +200mesh	-200mesh ~ +250mesh	-250mesh ~ +325mesh	Schweißge schwindigkeit (mm/sec)	Schweiß raupen - form
Nr.	emäß	2	-lOOmesh	25	30	40	0	12.5
	cn tn φ d	3	5	35	35	30	0	"	O
ispi find	4	0	31	35	30	4		O
Φ U	CJ!	0	25	38	30	5	"	. O
Vergleichs- beispiel	8	4	45	30	25	0	ff	O
7	0	21	15	55	CJl	ff	O
8	4	55	45	0	0	ff
9	0	30	3 0	30	0	ff	X
10	10	35	35	CJl	10	ff	X
CJI	40	30	20	10 3	ff	X
0

Bemerkung:

.exzellent (Fig. lOa) , O'"gut (Fig. 1 Ob or lOc),

'"mäßig gut

co ;■

GO OO

X '"schlecht (Fig.1Od)

Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, daß wenn das Oberflächenschmelzen mit einer Schmelzgeschwindigkeit von nicht weniger als 3,8 mm/sec ausgeführt wird mit einem Oberflächenbehandlungspulver, welches nicht weniger als 95 % eines Pulvers enthält, mit einer Partiltelgröße von -100 mesh ^s +250 mesh die resultierende Schweißraupe gut ist in ihrere Form. Wenn jedoch das Oberflächenbehandlungspulver eine große Menge von Partikeln kleiner Größe oder von Partikeln großer Größe enthält, wie in den Vergleichsbeispielen dargestellt, kann die gute Schweißraupenform nicht erhalten werden.

Beispiel 2:

In diesem Beispiel wurde die Oberseite eines Auslaßventiles für einen Automobilmotor (50 mm Durchmesser) einem Oberflächenschweißen ausgesetzt unter Verwendung des Plasmabrenners von Fig. 2 mit den Bedingungen wie in der folgenden Tabelle 2 gezeigt. In diesem Falle wurden der Düsendurchmesser Ds (mm), der Plasmalichtbogenstrahldüse 12, der Durchmesser L (mm) zwischen dem Ende des Plasmabrenners und dem Basismaterial 18 und der Versetzungswinkel -& geändert, wie in der folgenden Tabelle 3 dargestellt, um die resultierende Schmelzraupenform und den Verschmelzungszustand mit dem Basismaterial zu prüfen. Die so erhaltenen Ergebnisse sind ebenfalls in Tabelle 3 wiedergegeben.

Tabelle

Bogenschweißstrom	1 1 5 A
Bogenschweißspannung	3 8V
Plasma-Arbeits-Gas	A r
Pulver-Träger-Gas	A r
Oberflächenbehandlungs pulver	Steinte # S (- 1 0 0 ~ + 2 5 Omesh : nicht weniger als 95 %)
Pendeln (weaving) des Plasmabrenners

Tabelle

Laufende Nr.	1	Düsendurch messer D (ram)	Entfernung L (mra)	Versatzwinkel θ (° )	Schweißge schwindigkeit (mm/sec)	Schweißrau penform	Verschmelzungs- zustand
-Beispiel der Erfindung	2	4.0	9.0	10	8	O	O'
Vergleichs^ beispiel	3 " .	4.0	10.0'	10	8	(§)	O
' 4	4.0	.11.0	15	8	(§)	O
5	Λ-.0	8.0	15	8	O	(§)
6	4.0	. 9.5	20	8	O	O
7	3.2	10.5	20	8	(§)	O
8	4.0	9.0	5	8	X	X
9	4.0	7.5	10	8	X	O
10	4.0	8.0	15	8	X	O.
11	4.0	13.0	20	8	O	X
12	4.0	11.0	25	8	X	X
4.0	7.0	25	8	X	X

Bemerkung: Die Symbole <§> , O . δ und. X sind die gleichen wie in Tabelle 1

GO -P--GO OO

Aus Tabelle 3 ist ersichtlich, daß wenn der Abstand L zwischen dem Plasmabrennerende und dem Basismaterial und der Versetzungswinkel -Θ- innerhalb der Bereiche, wie sie durch die Erfindung definiert sind, liegen, sowohl die Schweißraupenform und der Verschmelzungszustand zufriedenstellend sind, während wenn der Abstand L und der Winkel θ außerhalb der definierten Bereiche liegen, keine zufriedenstellende Schweißraupenform und Verschmelzungszustand erhalten werden

10 kann.

Beispiel 3;

Das Oberflächenschweißen einer Auslaßventilaußenfläehe für einen Automobilmotor wurde in der gleichen Weise ausgeführt wie im Beispiel 2 beschreiben unter den in der Tabelle 2 gezeigten Bedingungen ausgenommen, daß die Menge des verwendeten Plasiraarbeitsgases, der Öffnungsdurchmesser der Plasmalichtbogenverengungsdüse, die Menge des verwendeten Oberflächenbehandlungspulvers, die Menge des verwendeten Pulverträgergases und die Schweißgeschwindigkeit geändert wurden, wie in der folgenden Tabelle 4 gezeigt. Die Form der Schweißraupe wurde visuell beobachtet, um das in Tabelle 4 wiedergegebene Ergebnis zu erhalten.

Tabelle

Laufende Nr.	1	Menge des Plas maarbeitsgases • (Ä/min)	• Öff nungsdurdhmesser der Plasmalichtbogen- verengungsdüse (mm)	— Menge des Oberflä- chenbehandlungs- , pulvers Tg/min)	Menge des Pulver-Trä gergases (£ /min)	Schweißge schwindig keit (mm/sec)	Schweißraupen form
Beispiel nach der Erfindung	2	V 1.0	3.5	18.6	5.5	3.0	(§)
I W Xi ü iH •H CL) Q) -H fH ft tn W !M -H Q) Q) > Λ	3	0.4	3.5	18.6	2.5	9.0	O
4	0'.3	2.8	10..0	1.5	8.0	O
5	2.7	■ '7.0	25.0	8.0	12.1	O
6	2.8	8.0	25.0	4.0	.12.1 ·	O
11	1.86	5.0	25.0	.2.5	12.1	O
12	1.54	3.5	18.6	5.5	8.0	X
13	0.8	7.0	25.0	7,0	8.0	s.chlechte Verschmelzung
14	1.2.	3.5	18.6	8.0	9.0	X
2.8	6.0	25.0	12.5	12.1	X -tx*

Bemerkung: Symbole

(S), O und X sind die gleichen wie in Tabelle 1

Aus Tabelle 4 ist ersichtlich, daß wenn die Menge des Plasmaarbeitsgases zu gering ist, eine schlechte Verschmelzung in dem Schmelzteil hervorgerufen wird, während dann, wenn die Menge des Plasmaa::beitsgases und/oder des Pulverträgergases zu groß ist, das verschmolzene Metall weggespritzt wird und hierdurch die Schweißraupenform verschlechtert wird.

Beispeil 4:

Das Oberflächenschweißen einer Auslaßventilaußenfläche eines Automobilmotors (Durchmesser: 50 mm, Höhe der Seitenkante: 2 mm) wurde in der gleichen Weise wie im Beispiel 2 beschrieben ausgeführt, unter den Bedingungen gemäß Tabelle 2 ausgenommen, daß die Höhe h und die Breite w des Trägergliedes 20 vom Boden des Basismateriales 18 hervorsteht und der Neigungswinkel j£ der Seitenkante des Trägergliedes 20 gemäß der folgenden Tabelle 5 geändert wurden. Die Form der Schweißraupe wurde geprüft, um ein Ergebnis zu erhalten wie es in Tabelle 5 enthalten ist.

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Aus Tabelle 5 ist ersichtlich, daß wenn die hervorstehende Höhe und Breite des Trägergliedes 20 und der Neigungswinkel der Seitenkante zu groß sind/ die gute Schweißraupenform nicht zufriedenstellend erreicht werden kann.

Beispiel 5:

Eine Scheibe mit einem Durchmesser von 30 mm und einer Dicke von 10 mm wurde einem Oberflächenschweißen mit 30%Cr-2%Fe-Ni-Pulver als ein Oberflächenbehandlungspulver 4 in einem Plasmabrenner verwendet mit einer Struktur an Ausbildung wie in Fig. 2 gezeigt und einer Spezifikation wie in der folgenden Tabelle 6 aufgeführt. Die Lebensdauer der Stabelektrode 2 wurde gemessen, um ein Ergebnis zu erhalten wie es in Tabelle 6 wiedergegeben ist.

ergleichseispiel

ro ο

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co ro

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Beispiel der Erfindung

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CO OO J^ CO

Wie oben beschrieben/ ist bei dem Pulveroberflächenschweißverfahren nach der Erfindung die Form der Schweißraupe besonders gut und ebenso der Verschmelzungszustand zwischen dem abgelagerten Metall und dem Basismaterial, welches oberflächenbehandelt werden soll. Sogar wenn das Pulveroberflächenschweißen angewendet wird für einen ringähnlichen Bereich, welcher oberflächenbehandelt werden soll, wie z.B. eine Motorventi!außenfläche für ein Automobilfahrzeug oder ähnliches, wird eine gute Schweißraupenform und ein guter Verschmelzungszustand in zufriedenstellender Weise erreicht. Außerdem macht es die Erfindung möglich, den Plasmalichtbogen zu stabilisieren und die Konzentrizität des Plasmalichtbogens zu verstärken, so daß der Verbrauch der Elektrode klein ist und die Lebensdauer der Elektrode beträchtlich verlängert ist. Das Fliessen oder Strömen des Oberflächenbehandlungspulvers ist gleichmäßig und vereinheitlicht gemacht worden, um den Wert und die Menge des abgelagerten Metalles konstant zu machen.

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Claims

40 916 q/pc Daido Tokushuko Kabushiki Kaisha, Nagoya-City / Japan Pulveroberflächenschweißverfahren PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Schweißen eines Basismateriales, welches mit einem Oberflächenbehandlungspulver oberflächenbehandelt werden soll durch einen Plasmabrenner, in dem ein Plasmaarbeitsgas.von einem Raum zwi- sehen einer Stabelektrode und einem inneren Rohr geliefert wird, welches die Stabelektrode umgibt, wobei das Oberflächenbehandlungspulver von einem Raum zwischen dem Innenrohr und einem Außenrohr geliefert
wird, welches das Innenrohr umgibt und an seinem unteren Ende mit einer Plasmalichtbogenstrahldüse versehen ist, und zwar in den Plasmalichtbogen, während sich das Basismaterial dreht,

dadurch gekennzei chnet , daß das Oberflächenbehandlungspulver nicht weniger als 95 % PuI-

15 ver mit einer Partikelgröße von -60 mesh bis

+250 mesh enthält und daß das Schweißen ausgeführt
wird mit einer Schweißgeschwindigkeit von nicht weniger als 3,8 mm/sec.

2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß das Oberflächenbehandlungspulver durch einen Gaszerstäubungsprozeß erzeugt wird.
5

3. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß das Oberflächenbehandlungspulver durch einen Gaswasserzerstäubungsprozeß erzeugt wird.
10

4. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzei chnet , daß das Oberflächenbehandlungspulver ausgewählt ist aus Legierungen auf Co-Basis, auf Ni-Basis und auf Fe-Basis. 15

5. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß die Partikelgröße innerhalb eines Bereiches von -100 mesh bis H-250 mesh liegt.
20

6. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch 'gekennzeichnet , daß die Schweißgeschwindigkeit nicht geringer als 4 mm/sec. ist.
25

7. Vorfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzei chnet , caß das Basismaterial ein Maschinenventil für ein Automobilfahrzeug oder ein Schiff ist.
30

8. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß das Schweißen ohne Hin- und Herpendeln (weaving) des Plasmabrenners ausgeführt wird.
35

9. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß ein Fluß- oder Strömungsregulierungsteil mit einer Vielzahl von Löchern oder Bohrungen zum Passieren des Plasmaarbeitsgases vorgesehen ist und daß das Regulierungsteil zwischen der Stabelektrode und dem Innenrohr vorgesehen ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9,

dadurch gekennzeichnet , daß die Löcher des Fluß- oder Strömungsregulierungsteiles in geradliniger Form in gleichen Intervallen auf dem Umfang verteilt vorgesehen sind.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Löcher für das Fluß- oder Strömungsregulierungsteil in Spiralenform gleichmäßig auf dem Umfang verteilt angeordnet sind.

12. Verfahren'nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß der Plasmabrenner außerdem eine Schutzgaszuführung aufweist, welche außerhalb des Außenrohres vorgesehen ist und

den Plasmalichtbogen umgibt und daß er am Ende mit

einer Plasmalichtbogenstrahldüse versehen ist und daß ein Ringfluß- oder Strömungsregulierungsteil für das Schutzgas vorgesehen ist, welches in die Schutzgaszuführ.ung in der Nähe des unteren Bereiches des Außen-

rohres vorgesehen ist.

13. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß der Abstand L (mm) zwischen dem Ende der Piasmalichtbogenstrahlduse (12) und dem Basismaterial (18) innerhalb eines Bereiches von 0,5Ds+6-L^aDs+8 liegt (wobei Ds der Öffnungsdurchmesser (mm) der Plasmalichtbogenstrahldüse (12)) und ein Versetzungswinkel (0) des axialen Mittelpunktes des Plasmabrenners (1) in bezug auf den Rotationsmittelpunkt des Basismateriales innerhalb eines Bereiches von 7°-θ-20° auf einer Verzögerungswinkelseite gegeben ist.

14. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzei chnet , daß der Piasmabrenner (1) die folgenden Beziehungen erfüllt:

Dr=(O,6 ~ 0,9)xDs, Tr=(O,9 ^ l,l)xDr, De^O,9xDr

wobei Dr der Öffnungsdurchmesser (mm) der Plasmalichtbogenverengungsdüse (9) ist, die am Ende des Innenrohres (3) ausgebildet, Ds der Öffnungsdurchmesser (mm) der Plasmalichtbogenstrahldüse (12), Tr die Düsendicke (mm) der Plasmalichtbogenverengungsdüse (9) und De der Durchmesser (mm) der Stabelektrode (2) ist. 25

15. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , äaß die Stabelektrode (2) eine Stromdichte von nicht mehr als

13,5 A/mm aufweist.

Λ * A Λ

— 5 —

16. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß die Menge

2 des benutzten Plasmaarbeitsgases ( £. /min' mm )

(0,03 ·— 0,13)xl/4^cV Dr² beträgt, wobei Dr der Öffnungsdurchmesser der Plasmalichtbogenverengungsdüse (9) ist.

17. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß das Ober-10 flächenbehandlungspulver zusammen mit nicht mehr als 0,4 /min eines Pulverträgergases verwendet wird, auf der Basis von 1 g/min des Pulvers.

18. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß das Basismaterial (18) durch ein Trägerteil (20) gehalten wird, welches die folgenden Beziehungen erfüllt:

h ^ 1,0 H

w ^ 2,0 H,
oC ^ 90°

wobei H die Höhe der Seitenkantenflache des Basismateriales, h die Höhe des von dem Boden des Basistei-25 les hervorragenden Halteteiles, w die Breite des von der Seitenkantenflache des Basismateriales hervorragenden Trägerteiles und cc der Neigungswinkel einer Seitenkantenflache des Trägerteiles sind.