DE4424760C2

DE4424760C2 - Verfahren zur Oberflächen- oder Randschichtbehandlung mit Widerstandserwärmung

Info

Publication number: DE4424760C2
Application number: DE4424760A
Authority: DE
Inventors: Gernot Sitte
Original assignee: SCHWEISTECHNISCHE LEHR und VER
Current assignee: SCHWEISTECHNISCHE LEHR und VER
Priority date: 1994-07-04
Filing date: 1994-07-04
Publication date: 1996-01-18
Anticipated expiration: 2014-07-05
Also published as: DE4424760A1

Description

Es ist bekannt, auf Sondermaschinen zylindrische metallische Teile mit dem Wider standsrollennahtschweißen unter Verwendung von Platinen, Drähten oder Metallpul vern zu beschichten (DD 282 191 A5) bzw. unter Verwendung von Metallpulvern zu armieren (Bauteile aus niedrigschmelzenden Metallen, z. B. Aluminium; Z. Aluminium, 69 (1993) S. 631). Diese Maschinen arbeiten mit Wechselstrom und mit konstanter Elektrodenkraft.

Dieses Verfahren hat beim Widerstandsrollennaht-Auftragschweißen den Nachteil, daß die zulässige Parameterstreuung sehr eng ist, da einerseits an der gerade zu schwei ßenden Stelle genügend Energie eingebracht werden muß, um eine sichere Bindung zu erreichen, andererseits aber die eingebrachte Energie möglichst niedrig zu halten ist, damit die der Schweißung vorlaufende Oberflächenoxidation nicht so stark wird, daß sie eine spätere Bindung zwischen Schweißteil und aufzutragender Schicht gefährdet.

Zur Reduzierung dieser Nachteile wurde vorgeschlagen, Rollenelektroden unterschied licher Leitfähigkeit zu verwenden (DD 252 334 A1), so daß der höhere Energieeintrag erst erfolgt, wenn die Grundwerkstoffoberfläche schon durch das "angeheftete" Pulver vor dem Sauerstoffzutritt geschützt ist. Nachteile dieser Verfahrensvariante sind, daß eine Rollenverwechslung möglich ist und daß die erzeugte Wärme nicht nur in Schweiß richtung, sondern vor allem auch quer zu ihr abfließt, wodurch die Gefahr der Oberflä chenoxidation nur unwesentlich vermindert wird.

Um den eigentlichen Bindeprozeß und damit die Eigenschaften von Verbindungen, die unter Verwendung von Widerstandserwärmung hergestellt werden, durch eine verbesserte Wärme- bzw. Prozeßführung positiv zu beeinflussen, ist es ferner bekannt, u. a. beim Widerstandspunkt- und -buckelschweißen (Z. ZIS-Mitteilungen, Halle (1986) 4, S. 391-399), beim Widerstandsumformen (Z. ZIS Mitteilungen, Halle (1984) 4, S. 419-425 und Halle (1986) 4, S. 391-399), beim Diffusionslöten (Z. ZIS-Mitteilungen, Halle (1980) 4, S. 391-395) und beim Rollennahtschweißen, mit intermittierender Drehbewegung, (DVS-Merkblatt 2906, November 1975, Widerstandsschweißen) Kraft- und/oder Stromprogramme anzuwenden. Damit werden z. B. eine Verringerung des Spritzens während des Schweißprozesses, der Aufhärtung der Verbindung, der Festigkeitsstreuung, der Höhendifferenz beim Diffusionslöten und eine Erhöhung der Elektrodenstandzeiten angestrebt und z. T. auch erreicht. Es ist nicht bekannt, daß diese vorteilhaften Verfahrensvarianten beim Widerstandsrollennahtschweißen mit kontinuierlicher Drehbewegung der Rollenelektorden eingesetzt werden.

Zur Verfahrensverbesserung werden bekannterweise auch andere Stromformen ge nutzt. Es gibt Widerstandsschweißmaschinen mit einer Gleichstromquelle sowohl für das Punkt- und Buckel- als auch für das Rollennahtschweißen. Gleichstrom wird be sonders dann eingesetzt, wenn die elektrische Energie eine Rolle spielt und schwer schweißbare metallische Werkstoffe zu verarbeiten sind. Eine weitere bekannte Mög lichkeit ist in diesem Zusammenhang die Verwendung von Inverterstromquellen, allerdings bisher nur für das Widerstandspunktschweißen (Z. Schweißen & Schneiden, Düsseldorf (1993) 12, S. 670-671). Vorzugsweise arbeiten diese Inverter mit einer Frequenz von 1000 Hz. Ziel war bisher fast ausschließlich die Ausnutzung des Vorteils des geringen Transformatorgewichtes z. B. für Roboter. Die technologischen Vorteile, u. a. die gute Stellbarkeit der Stromimpulse, wurden bisher nur in Maschinen zum Fein punktschweißen genutzt.

Sowohl Gleichstrom- als auch Inverterstromquellen werden in Maschinen zum Wider standsrollennaht-Auftragschweißen nicht eingesetzt.

Mit dem Verfahren des Widerstandsrollennaht-Auftragschweißens werden vorzugswei se zylindrische Teile aus Eisenwerkstoffen beschichtet. Vereinzelt werden auch ebene Teile aus diesen Werkstoffen bearbeitet. Es ist aber ebenfalls bekannt, daß bei Al-Grundwerkstoffen mit dem Widerstandsrollennahtschweißen und bestimmten Parameterkombinationen eine Einlagerung von Hartstoffkörnern in die Randschicht des Al-Schweißteiles erreicht werden kann (Steffens u. a.: Vortrag AWS-Convention 1986). Der Nachteil dieses aufgrund hoher Duktilität der Randschicht vorteilhaften Verfahrens der Randschichtarmierung ist, daß die Armierungstiefe eine Funktion der Korngröße des eingesetzten Metallpulvers ist, und es bereits bei Korngrößen oberhalb von 100 µm versagt, weil die größeren Körner während des Armierungsprozesses zerstört werden.

Alle bekannten Verfahrensvarianten zum Widerstandsrollennaht-Auftragschweißen bzw. zur Randschichtarmierung mittels Widerstandserwärmung von zylindrischen und ebenen Bauteilen aus niedrigschmelzenden Metallen haben also den Nachteil, daß die Erwärmung der zu verbindenden Teile während eines Stromimpulses nicht kontinuier lich erfolgt. Das führt zu einer unnötig hohen Aufheizung des Grund- und pulverförmi gen Zusatzwerkstoffes, was wiederum die Folge hat, daß Körner größer 100 µm des Zusatzwerkstoffes in der Eindringphase in den Werkstoff des zu beschichtenden Teiles zerstört werden. Durch diese verfahrensbedingte Korngrößenbegrenzung wird eben falls die Tiefe der Randschichtarmierung begrenzt, was für bestimmte Anwendungsfäl le einen entscheidenden Nachteil darstellt.

Der angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren zur Rand schichtarmierung niedrigschmelzender Metalle zu erarbeiten, das einen während der Stromzeit kontinuierlichen Wärmeeintrag in die Verbindung bei gleichzeitiger Minimie rung des Gesamtwärmeeintrages ermöglicht und somit die Voraussetzung schafft, Randschichtarmierungen größerer Dicke durch eine größere einsetzbare Korngröße zu erzielen.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, indem ein impulsförmiger Gleichstrom, vorzugsweise mit Stromanstieg, als Schweißstrom verwendet wird und daß das Bauteil synchron zum Schweißstrom mit einer Elektrodenkraft beaufschlagt wird, wobei innerhalb der letzten 10-20 ms der Stromzeit t_s ein Kraftanstieg von vorzugsweise 150-250% des Ausgangswertes erfolgt. Nach Erreichen des vorgegebenen Wertes bleibt dieser für die restliche Stromzeit konstant und sinkt erst in der folgenden Strompause wieder auf den Ausgangswert der Elektrodenkraft ab. Durch die Verwendung von Gleichstrom fallen die beim phasenangeschnittenen Wechselstrom während der Stromzeit üblichen Stromunterbrechungen weg, wodurch der Stromeintrag kontinuierlicher ist und eine exaktere Dosierung der benötigten Gesamtwärmemenge erreichbar wird. Damit wird es möglich, als Zusatzwerkstoff Metallpulver mit einer Korngröße größer 100 µm einzusetzen.

Ähnliche Effekte werden erzielt, wenn anstelle der Gleichstromquelle eine Inverter stromquelle eingesetzt wird, ebenfalls in Kombination mit Strom-Kraft-Programmen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß durch die Verwendung von Strom- und/oder Kraftprogrammen in Verbindung mit einer geeigneten Schweißstrom quelle die Zuverlässigkeit des Widerstandsrollennaht-Auftragschweißens bzw. Rand schichtarmierens von Bauteilen aus niedrigschmelzenden Metallen größer wird, da nicht mehr so enge Parametergrenzen eingehalten werden müssen, daß durch die Senkung des Gesamtwärmeeintrages auch andere kritische metallische Werkstoffe, z. B. Grauguß, sicher beschichtet werden können und daß grundsätzlich beim Rand schichtarmieren größere Armierungstiefen erreichbar sind.

Ausführungsbeispiele für die Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1 Strom- und Kraftverlauf beim konventionellen Widerstandsrollennahtschweißen,

Fig. 2 Strom- und Kraftverlauf beim Widerstandsrollennahtschweißen unter Verwen dung eines Drei-Phasen-Transformators mit nachgeschaltetem Gleichrichtersatz,

Fig. 3 Strom- und Kraftverlauf beim Widerstandsrollennahtschweißen unter Verwen dung eines Inverters.

Beim konventionellen Widerstandsrollennahtschweißen bzw. Widerstandsrollennaht- Auftragschweißen (Fig. 1) wird üblicherweise mit einem Programm gearbeitet, das ge kennzeichnet ist durch eine bestimmte Kombination von Strom- und Pausenzeiten. Im konkreten Beispiel wird auf einen Zylinder aus unlegiertem Stahl eine NiCrBSi-Legie rung als Metallpulver aufgeschweißt. Die Stromzeit t_s 1 und die Pausenzeit t_p 2 betragen je 5 Perioden. Die Amplitude des Schweißstromes I_S 3 beträgt 8,5 kA. Die Elektro denkraft F_E 4 ist konstant. Infolge des Phasenanschnittes hat jede 5 Perioden lange Stromzeit t_s 1 9 Stromunterbrechungen 5 von je 10 ms Dauer. Diese Stromunterbre chungen 5 sind Abkühlphasen innerhalb der Stromzeit t_s 1 gleichzusetzen und führen dazu, daß sowohl der Stahlzylinder als auch das Metallpulver nicht kontinuierlich er wärmt werden. In Folge dessen muß die Stromzeit t_s 1 verlängert werden, was wieder um zu einer unnötig hohen Aufheizung der Verbindungspartner führt, mit den Folgen einer nicht erwünschten starken Oberflächenoxidation, Kornzerstörung usw. Die für das Verfahren typischen Sinterprozesse lassen aufgrund der möglichen Parameter kombinationen nur Schweißgeschwindigkeiten von ca. 300 mm/min zu.

Fig. 2 zeigt die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung bei Verwendung von Drei- Phasen-Gleichstrom beim Widerstandsrollennaht-Auftragschweißen bzw. Randschicht armieren. Mit einem Schweißstrom I_S 3 von 4,3 kA und einer Stromzeit t_s 1 von 3 Perio den unter Beibehaltung einer Pausenzeit t_p 2 von 5 Perioden wird etwa der gleiche schweißtechnische Effekt wie beim konventionellen Widerstandsrollennahtschweißen durch Wegfall der Stromunterbrechungen 5 erzielt. Der Gesamtwärmeeintrag wird geringer, damit verbunden ist eine verminderte Oberflächenoxidation und die Bindung zwischen den Verbindungspartnern wird besser. Die während des Schweißprozesses wirkende Elektrodenkraft F_E 4 beträgt 250 daN. Über ein Proportionalventil wird wäh rend der letzten 20 ms der Stromzeit t_s 1 die Elektrodenkraft F_E 4 auf 400 daN erhöht. Dadurch werden nahezu alle Mikroporen aus der teigigen Schicht herausgepreßt, was ebenfalls die Schichtqualität erhöht. Die sich in der Strompause t_p 2 anschließende Erstarrung der Verbindungspartner erfolgt ebenfalls unter einer Elektrodenkraft F_E 4 von 400 daN, so daß eine optimale Schichthaftung bzw. Armierungsschicht vorhanden ist. Bei Beendigung der Strompause t_p 2 sinkt die Elektrodenkraft F_E 4 auf den Aus gangswert von 250 daN. Durch das verwendete Strom-Kraft-Programm verlaufen die Sinterprozesse rascher und die Schweißgeschwindigkeit kann bei mindestens gleicher Qualität auf ca. 500 mm/min gesteigert werden.

Fig. 3 zeigt die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung am Beispiel der Randschicht armierung eines zylindrischen Bauteils aus einer AlMg-Legierung mit einem NiCrBSi- Pulver in einer Korngröße von 180 µm unter Verwendung einer Inverterstromquelle. Die Stromzeit t_s 1 beträgt 60 ms. Zu Beginn der Stromzeit t_s 1 beträgt der Schweiß strom I_S 3 3 kA und steigt innerhalb von 45 ms kontinuierlich auf 6 kA. Die während des Schweißprozesses wirkende Elektrodenkraft F_E 4 hat zu Beginn jeder Stromzeit t_s 1 eine Höhe von 200 daN. Nach 50 ms erfolgt ein Anstieg auf 350 daN. Dabei laufen fol gende Prozesse ab: Der niedrige Schweißstrom I_S 3 am Beginn der Stromzeit t_s 1 ver hindert, daß die relativ großen Körner des verwendeten Metallpulvers überhitzt und zerstört werden bevor die Al-Matrix erweicht und das Eindringen der Körner ermög licht. Unter den auf der Al-Oberfläche aufliegenden Körnern erweicht der Al-Matrix werkstoff zunächst örtlich und ermöglicht ein kontinuierliches Eindringen der Körner in die Al-Matrix, ohne daß die Stromdichte in der Ebene Korn/Al-Matrix aufgrund des ansteigenden Schweißstromes I_S 3 größer wird, da die Berührungsfläche schnell wächst. Nach 50 ms haben sich die einzelnen teigigen Zonen im Al-Werkstoff unter halb der Körner zu einer einzigen Zone von etwa 5 mm Durchmesser vereinigt. Die jetzt erfolgende Krafterhöhung drückt die noch außen sitzenden Körner in den Matrix rand und die zuerst eingedrungenen noch tiefer. Während der folgenden Strompause t_p 2 von 100 ms fällt die Elektrodenkraft F_E 4 wieder auf ihr Ausgangsniveau von 200 daN und die Prozesse wiederholen sich bis zum Abschluß der Armierung.

Bezugszeichenliste

1 Stromzeit t_s
2 Strompause t_p
3 Schweißstrom I_S
4 Elektrodenkraft F_E
5 Stromunterbrechung

Claims

1. Verfahren zur Oberflächen- oder Randschichtbehandlung mit Widerstandser wärmung unter Verwendung von Rollenelektroden bei kontinuierlicher Relativbewegung zwischen Rollenelektroden und Werkstück, insbesondere zur Armierung der Randschicht zylindrischer oder ebener Bauteile aus niedrigschmelzenden Metallen, vorzugsweise Aluminium, durch Einlagerung pulverförmiger Hartstoffe, dadurch gekennzeichnet, daß der verwendete Schweißstrom I_S (3) ein Gleichstrom mit oder ohne Stromanstieg ist, daß das Bauteil synchron zum Schweißstrom I_S (3) mit einer Elektrodenkraft F_E (4) beaufschlagt wird, wobei innerhalb der letzten 10-20 ms der Stromzeit t_s (1) ein Kraftanstieg von vorzugsweise 150-250% des Ausgangswertes erfolgt und daß diese erhöhte Elektrodenkraft F_E (4) nach einer vorgewählten Wirkzeit in der der Stromzeit t_s (1) folgenden Strompause t_p (2) auf ihren Ausgangswert abgesenkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißstrom I_S (3) von einer Inverterstromquelle erzeugt wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngröße der verwendeten pulverförmigen Hartstoffe größer 100 µm ist.