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BESCHREIBUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf das lichtogenauftragsschweissen und
betrifft insbesondere Verfahren zur Herstellung von versohleissfesten Schichten
durch Auftragsschweissen sowie Vorrichtungen zu dessen Durchführung.
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Die vorliegende Erfindung kann im Maschinenbau, Gerätebau, in der
Metallurgie bei der Herstellung von neuen und der Erneuerung von abgenutzten Bauteilen
wie Wellen, Rädern Zaharäder, Bulidozermesser, Pflugschare usw., die unter starkem
Verschleiss, in aggressiven Medien, bei hohen Geschwindigkeiten, Temperaturen und
Belastungen betrieben werden, mit Erfolg eingesetzt werden.
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Bekannt ist ein Veriahrea zur Herstellung von verschleisafesten Schichten
durch Auftragsschweissen, das das Lichtbogensohmelzen eines Elektrodendrahtes und
die Zurubrurg von versohleissfesten Feststoffteilchen unter Einwirkung von Ultraschallschwingungen
auf die letzteren vorsieht (SU-Urheberschein Nr. 416209, Kl. B23K 9/04 vom 20.3.72).
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Im bekannten Verfahren werden die verschleissfesten Feststoffteilchen
auf die Oberfläche des aufgeschweissten Stahls durch Lichtbogenschmelzen des Elektrodenstahldrahtes
zuge?uiirt. Dabei wird auf die auf der Oberfläche des aufgeschweissten Stahls bereits
im festen Zustand bei einer temperatur von 850 bis 900°C befindlichen Teilchen mit
Ultraschallschwingungen eingewirkt.
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Bei diesem Verfahren sind die teilchen mit dem auf geschweissten
Metall nicht fest gebunden und fliegen aus diesem schon bei geringen Belastungen
heraus, weil sie in die bei einer Temperatur von 850 bis 900°O aufgeweichte Stahloberfläche
nur eingedrückt und an der interatomaren Wechselwirkung mit dem Metall infolge vorhandener
Oxidfilme und Verunreinigungen nicht beteiligt sind. Wenn auch bei diesem Verfahren
das aufgeschweisste Metall verfestigt wird, so findet es nur auf der Oberfläche
und nicht im gesamten Volumen des aufgeschweissten Metalls statt.
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Bekannt ist eine Vorrichtung zur erzeugung von Ultraschallschwingungen,
die einen magnetostriktiven Wandler enthalt, der mit einem Hochfrequenzgeverator
elel<trisch und mit einem Konzentrator mechanisch verbunden ist, der die Ultraschallschwingungen
auf die verschleissfesten Feststoffteilchen überträgt. Ein Nachteil der Vorrichtung
für die Erzeugung der Ultraschallschwingungen besteht darin, dass die Ultraschallschwingungen
vom Konzentrator auf die Teilchen unmittelbar durch deren Kontakt mit der abstrahlenden
Stirnfläche des Konzentrtors übertragen werden. Dabei wird nur wenig akustische
Energie auf die Teilchen übertragen, weil sie mit der abstraheenden Flache des Konzentrators
nur in einzelnen Punkten im Kontakt stehen. Durch eine geringe akustische EontaktEläche
wird der Koeffizient der Energieübertragung auf die zwischen verringert und folglich
die Wirksamkeit der Wechselwirkung der Feststoffteilchen mit dem aufgeschweissten
Metall herabgesetzt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein solches
Verfahren zum Auftragen von verschleissfesten Werkstoffen sowie eine derartige Vorrichtung
für dessen Durchführung zu schaffen, welche es gestatten, eine gleichmässige Verteilung
der verschleissfesten Feststoffteilchen im gesamten Volumen des aufgeschweissten
Metalls, eine gute Benetzung und Durchtrånkung der Feststoffteilchen durch das Schmelzmetall
sowie ein gleichmässiges Legieren und Modifizieren des aufgeschweissten Metalls
durch diese über das gesamte Volumen zu erzielen und somit eine hohe Verschleissfestig
keit des Auftrags zu geahr'leisten.
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Die gestellte Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung von
verschleissfesten Schichten durch Auftragsschweissen gelost, das das Lichtbogenschmelzen
eines Elektrodendrahtes und die Zuführung von verschleiss asten Feststoffteilchen
in die Schmelze unter Einwirkung von Ultraschallschwingungen auf die letzteren vorsieht
und
in dem erf½dungsgem"ass die verschleissfesten Feststoffteilchen
in einem Hohldraht untergebracht werden, der in das Schmelzbad des Elektroden drahtes
unmittelbar eingeführt wird, und zur Einwirkung mittels Ultraschallschwingungen
auf die verschleissfesten Feststoffteilchen diese Schwingungen dem Hohldraht mitgeteilt
werden.
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Im flüssigen Metall beispielsweise Stahl/werden bei einer Temperatur
von 1600 bis 1700°C unter Einwirkung des Ultraschallfeldes Strömungen erzeugt, durch
die die im Metall befindlichen Feststoffteilchen über das gesamte Volumen des Schmelzmetalls
transportiert und gleichmässig verteilt werden und sich bei dessen Erstarren in
diesem fest verankern. Durch die Kavitation im flüssigen Metall werden die Teilchen
von unterschiedlichen Verunreinigungen und Oxidfilmen bis zu unbefleckten Oberflächen
gereinigt, wobei zwischen den Atomen des Schmelzmetalls und der Teilchen eine interatomare
Wechselwirkung entsteht. Beim Erstarren entsteht eine feste Bindung der Teilchen
an das aufgeschweisste Metall. Ausserdem wird die Bindung der teilchen an das Metall
durch den kapillarenUltraschalleffekt verstårkt, wodurch eine gute Durchtrankung
der Feststoffteilchen durch die Metallatome gesichert und deren Bindung an die Atome
des aufgeschweissten Metalls gefördert wird. Durch eine intensive Diffusion an der
Schmelze-Feststoffteilchen-Grenzfläche sowie durch die Dispergierung der Feststoffteilchen
in einem starken Ultraschallfeld wird das aufgeschweisste Metall durch die Atome
der Feststoffteilchen legiert und modifiziert.
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Dadurch wird die Anzahl der aktiven Kristallisationszentren vergrössert,
das Gefüge des Werkstoffs und seine physikalis ch-me chan is chen Eigenschaften
geändert.
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Zweckmässigerweise werden Borkarbidteilchen als verschleissfeste
Feststoffteilchen verwendet, weil Borkarbid eine genügend hohe Härte und gute Korrosionsschutzeigen
schaften besitzt.
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Die Gr"osse der verschleissfesten Teilchen kann in einem Bereich
von 3 bis 20 r liegen. Die Teilchen
unter 3 Jum werden im geschmolzenen
Metall unter Ein-Wirkung der Hochtemperaturen und der Energie des Ultraschallfeldes
praktisch völlig zersj6rt. Die Teilchen ueber 20 Mm werde infolge ihrer grossen
Masse und der ragheitJgegenüber$?ransport durch akustische Strom ungleichmässig
im Volumen des aufgeschweissten Metalls verteilt.
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Die Amplitude der Ultraschallschwingungen,die dem mit verschleissfesten
Teilchen gefüllten Draht mitgeteilt werden, liegt in einem Bereich von 6 bis 15
µm und ihre Frequenz betragt. Bei einer Amplitude unter 6 µm reicht die Energie
nicht aus, um die Aktivierung der Teilchen, Fluktationsvorgange und Übergang von
Fluktationen in Kristallisationskeime, Benetzung, Durchtränkung, Dispergierung,
Diffusion und eine gleichmassige Verteilung der Teilchen im Volumen des aufgeschweissten
Metalls zu erzielen. Bei einer Amplitude über 15 µm wird die Wirksamkeit ebenfalls
ver0-ringert: einerseits infolge Dämpfungswirkung der ausgedehnten Kavitation und
andererseits infolge hoher lokaler Temperaturen und Energien, durch die die Feststofteilchen
desaktiviert werden.
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Der Frequenzbereich von 18 bis 44 kRz ist durch die technologischen
Besonderheiten der verschleissfesten Werkstoffe bedingt. Bei Frequenzen unter 18
und über 44 kHz und gleichen sonstigen Bedingungen des AufschweiSvorganges werden
die pohysikalisch-mechanischen Werkstoffeigenschaften verschlechtert.
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Die gestellte Aufgabe wird ebenfalls durch eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens gelöst, die einen magnetostriktiven Wandler enthalt, der mit einem
Hochfrequenzgenerator elektrisch und mit einem Konzentrator mechanisch verbunden
ist, durch den die Ultraschallschwingungen auf die Feststoffteilchen uebertragen
werden, und in der erfindungsgemäss der Konzentrator in Gestalt eines Stabes ausgebildet
ist, der eine Spiralnut an der Aussenfläche für die Unterbringung des Hohldrahtes
be-* 18 bis 44 kHz.
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sitzt, der mit verschleissfesten Teilchen gefüllt und an die Konzentratoroberfläche
durch eine den Eonzentrator umschliessende Hülse gedrückt ist, Elastische mechanische
Schwingungen, die aus den elektrischen Schwingungen des Generators durch den magnetostriktiven
Wandler erzeugt werden, werden dem Konzentrator zugef"uhrt. Da der akustische Kontakt
des Drahtes mit den Feststoffteilchen durch die Spiralnut erfolgt und ein Heraustreten
des Hohldrahtes mit den Feststoffteilchen aus der Nut durch die den Konzentrator
umschliessende Hülse verhindert wird, wird die akustische Energie vom Konzentrator
auf den Draht und folglich auf die Feststoffteilchen stabil und zuverl"assig übertragen.
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Nachstehend wird die vorliegende Erfindung an Hand eines konkreten
Ausf"uhrungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung erlåutert,
in der eine erfindungsgemässe Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallschwingungen
schematisch im I;ngsschmitt dargestellt ist, durch die das erfindungsgemässe Verfahren
zum Auftragen von verschleissfesten Werkstoffen realisiert wird.
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Das erSindungsgemåsse Verfahren zum Auftragen von verschleissfesten
Werkstoffen besteht im folgenden.
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In die Aufschweisszone wird ein Elektrodendraht 1 Sur das Auftragsschweissen
kontinuierlich zugeführt. Unter Wärmeeinwirkung des Lichtbogens, der zwischen dem
Ende des Elektroden drahtes 1 und dem Auftragteil 2 brennt, schmilzt der Draht 1
und bildet auf dem Teil 2 eine Schicht 3 des Auf tragme talls. In das Schmelzbad
4 wird ein Hohldraht 5 eingefuhrt, der mit versohleissfesten Feststoffteilchen 6
gefüllt ist. Dabei v dem mit den Feststoffteilchen 6 gefullten Hohldraht 5 Ultraschallschwingungen
mitgeteilt.
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Mit dem Eintauchen durch die Flussmittelschicht 7 gelangt der Hohldraht
5 mit den Feststoffteilchen 6 in das Schmelzbad 4, schmilzt auf und erzeugt Ultraschallschwingungen
im Schmelzbad 4. Beim Gelangen ins geschmolzene Metall werden die verschleissfesten
Feststoffteilchen unter Einwirkung der Ultraschallschwingungen im gesamten Volumen
des
geschmolzenen Metalls gleichassig verteilt und bei dessen Erstarren in diesem fest
verankert. Dabei werden die Teilchen 6 von den Verunreinigungen und OxidBilmen gereinigt
und mit dem geschmolzenen Metall benetzt, sodass bei der Erstarrung des Metalls
eine feste Bindung der Feststoffteilchen 6 an das Metall entsteht. Ausserdem wird
eine gute Durchtränkung der Feststoffteilchen 6 durch das geschmolzene Metall erzielt.
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Durch die U Itras challschwingungen im geschmolzenen Metall mit über
das gesamte Volumen verteilten verschleissfesten Feststoffteilchen 6 wird ein legieren
und ein Modifizieren des aufgeschweissten Metalls 3 durch die Atome der Feststoffteilchen
6 gefordert.
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Als verschleissfeste Feststoffteilchen 6 werden Borkarbidteilchen
verwendet. Es können ebenfalls Siliziumkarbid, Wolframkarbid und andere Karbide
zur Anwendung kommen, Die Teilchen haben eine Grösse von 3 bis 20 juni.
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Die Ultraschallschwingungen besitzen eine Amplitude von 6 bis 15
jum und eine Frequenz von 18 bis 44 kEz.
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Die Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallschwingun gen, mit der
die Durchführung des erfindungsgema'ssen Verfahren ermöglicht wird, enthalt einen
magnetostriktiven Wandler 8, der mit einem Hochfrequenzgenerator 9 elektrisch und
mit einem Konzentrator 10 mechanisch verbunden ist, der die Ultraschallschwingungen
auf die Fes ts toffte ilche n ubertragt. Erfindungsgemäss ist der Konzentrator IO
in Gestalt eines Metallstabes ausgebildet, der eine Spiralnut 11 an der Ausenläche
für die Unterbringung eines Hohldrahtes 5 besitzt, der mit verschleissfesten Feststoffteilchen
6 ge-Sullt ist. Für das Anpressen des Drahtes 5 an die Oberfläche des Xonzentrators
IO ist zwecks einer stabilen nbertragung der akustischen Energie auf das geschmolzene
Metall eine pulse 12 vorgesehen, die den Konzentrator IO von aussen umschliesst
und ein Heraustreten des Drahtes 5 mit Feststoffteilchen 6 aus der Nut 11 verhindert.
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Die Vorrichtung sur Erzeugung der Ultraschallschwingungen funktioniert
folgenderweise.
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Mechanische elastische Schwingungen, die aus elektrischen Schwingungen
des Generators 9 durch den magnetostriktiven Wandler 8 erzeugt werden, werden in
den Konzentrator IO eingeleitet. Die Ultraschallschwingungen werden von dem in der
Spiralnut 11 angeordneten mit den Feststoffteilchen 6 gefüllten Draht 5 aufgenommen,
und beim Aufschmelzen des Drahtes 5 gelangen die verschleissfesten Feststoffteilchen
6 in das Schmelzbad 4.
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Die vorliegende Erfindung gestattet es, verschleissfeste Werkstoffaiiftragsschichten
bei der Fertigung und Erneuerung von Teilen herzustellen, welche unter starkem Verschleiss,
in aggressiven Medien, bei hohen Geschwindigkeiten, Temperaturen und Belastungen
betrieben werden.
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