DE60028683T2

DE60028683T2 - Verfahren zur Reparatur von aus sprühkompaktiertem Stahl hergestellten Wekzeugen mit WIG-Schweissprozess

Info

Publication number: DE60028683T2
Application number: DE60028683T
Authority: DE
Inventors: Nakhelh Minneapolis Hussary; Paul Earle Beverly Hills Pergande
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 1999-10-12
Filing date: 2000-10-06
Publication date: 2006-12-07
Anticipated expiration: 2020-10-07
Also published as: US6297466B1; EP1092496A3; DE60028683D1; EP1092496A2; EP1092496B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein sprüh- oder spritzgeformtes Stahlwerkzeug, das gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 durch einen thermischen Sprüh- oder Spritzprozeß hergestellt wird (siehe z.B. JP-A-60/24365), und insbesondere auf ein Verfahren zur Reparatur solcher sprüh- oder spritzgeformter Stahlwerkzeuge durch ein WIG-Schweißverfahren.
Hintergrund der Erfindung
Sprüh- oder Spritzgeformte Werkzeuge werden dadurch hergestellt, daß zunächst ein Modell des gewünschten Werkzeuges unter Einsatz einer Freiformtechnik hergestellt wird. Das Modell wird dann dazu verwendet, eine keramische Gießform herzustellen, welche ein Negativ des zu erzeugenden Werkzeuges darstellt. Die resultierende Keramikform ist die Aufnahme, in welche Metall gespritzt wird, um einen Auftrag mit der Form des gewünschten Werkzeuges zu bilden.
Zumindest eines der Spritzformverfahren ist Lichtbogen-Draht-Spritzen. Beim Lichtbogen-Draht-Spritzen wird elektrischer Strom von zwei elektrisch leitenden, abbrennbaren Draht elektroden geführt, wobei sich zwischen den Drahtspitzen ein elektrischer Lichtbogen bildet. Ein von hinten gegen die nachgeführten Drahtelektroden geblasener Hochgeschwindigkeitsgasstrom trägt die flüssige Metallschmelze ab, die sich kontinuierlich nachbildet, während die Drahtelektroden vom Lichtbogen abgeschmolzen werden. Der Hochgeschwindigkeitsgasstrom bricht die Metallschmelze auf bzw. zerstäubt sie in feinere Partikel, so daß eine feine Verteilung von Metallschmelzentröpfchen erzeugt wird. Das Zerstäubungsgas beschleunigt die Metallschmelzentröpfchen dann weg von den Elektrodenspitzen auf den Artikel, wo die Metallschmelzentröpfchen auf das Substrat auftreffen und so inkremental einen Auftrag in der Form des Werkzeuges formen.
Der Spritzvorgang ergibt ein feines Mikrogefüge, das erhöhte Festigkeit, Zähigkeit und Duktilität gegenüber Metallen bietet, die in herkömmlichen Gießverfahren verarbeitet werden. Die Regelung der Temperatur des Auftrages bestimmt die Restspannungen. Auf diese Weise läßt sich maßliche Präzision und niedrige Restspannungen in dem roh aufgetragenen Werkzeug erzielen.
Das fertige Werkzeug ist mit einem Aluminium-Epoxyd-Füllstoff hinterfüllt. Danach wird das fertige Werkzeug eingespannt und zur Herstellung von Teilen verwendet, wie bei jedem anderen Stanz-, Spritzguß- oder Gießverfahren. Es bestehen Bedenken bezüglich der Dauerfestigkeit, weil die Porosität des so hergestellten Werkzeuges fünf Prozent und mehr beträgt, aber Vorab-Schätzungen der Dauerfestigkeit dieser Teile unter Last liegen bei 10.000 und mehr Zyklen, was für Prototyp-Werkzeug-Anwendungen durchaus akzeptabel ist.
Das Spritzformen von Stahl wird zur raschen Herstellung von Prototypen und Produktionswerkzeugen aus Stahl verwendet, wodurch sich deutliche Kosteneinsparungen gegenüber herkömmlich hergestellten Teilen durch Bearbeitung und Wärmebehandlung von Stahlwerkzeugen für solche Anwendungsgebiete wie Spritzgießen und Stanzen ergeben. Im typischen Falle kann die Herstellung von kleinen Losen von Prototypen von Dauerwerkzeugen vier bis fünf Monate in Anspruch nehmen, während große Werkzeugprototypen bis zu einem Jahr zur Herstellung beanspruchen können. Spritzgeformte Werkzeuge lassen sich in einem Monat zu wesentlich niedrigeren Kosten als Dauerwerkzeuge herstellen.
Solche spritzgeformten Prototyp-Werkzeuge aus Stahl haben jedoch nur eine begrenzte Lebensdauer gegenüber ihrem herkömmlich bearbeiteten Stahl-Gegenstück, teilweise wegen der körnigeren Struktur des spritzgeformten Stahls und allgemein wegen der insgesamt niedrigeren Festigkeit des gespritzten Werkstoffes. Es kann davon ausgegangen werden, daß spritzgeformte Stahlwerkzeuge einen größeren Reparaturbedarf im Laufe ihrer Nutzlebensdauer haben, sowie bei der anschließenden Lebensdauerverlängerung durch weitergehende Oberflächenreparaturverfahren. Typische Werkzeugreparaturen beinhalten das Lichtbogen-Auftragsschweißen neuen Materials auf das Werkzeug und die anschließende Bearbeitung und das Schleifen des Materials zur Anpassung an das Werkzeug. Die inhomogene Natur thermisch gespritzten Stahls ermöglicht aber die Durchführung allgemein üblicher Auftragsschweißtechniken nicht, wie sie bei Werkzeugstählen angewendet werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung ist die wirtschaftliche Reparatur von sprüh- oder spritzgeformten Stahlwerkzeugen durch den Einsatz eines WIG-Schweißverfahrens.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung gemäß Patentanspruch 1 vermeidet die obengenannten Unzulänglichkeiten und ermöglicht die Reparatur thermisch spritzgeformter Stahlwerkzeuge, wie z.B. Gesenkteile, vor Ort in der Werkstatt, so daß die Ausfallzeit der Werkzeuge gesenkt wird. Das Verfahren beinhaltet die Schritte zunächst der Reinigung des Reparaturbereiches des spritzgeformten Werkzeuges und Befreiung von Schmutz und Verunreinigungen. Dann wird die so gereinigte Oberfläche vorbereitet, indem sie für einen vorgegebenen Zeitraum allmählich bis auf eine vorgegebene Temperatur vorgewärmt wird, um alle Feuchtigkeit im Werkzeug auszukochen, und den Temperaturschock beim Schweißen zu verringern. Dann erhält die gereinigte und vorbereitete Oberfläche einen Schweißauftrag im Reparaturbereich mittels eines WIG-Schweißverfahrens.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Diese und andere Vorteile sind aus der nun folgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich, die in Verbindung mit der anhängenden Zeichnung zu betrachten ist, in der die einzige Figur ein Flußdiagramm des Verfahrens zur Reparatur spritzgeformter Werkzeuge darstellt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform im einzelnen
Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung zur Reparatur thermisch gespritzter Stahlwerkzeuge, wie z.B. von Gesenkteilen, ermöglicht die Durchführung deren Reparatur vor Ort in der Werkstatt.
In diesem Verfahren wird ein qualifizierter WIG-Schweißer eingesetzt.
Bei 10 reinigt der Schweißer zuerst den Reparaturbereich des spritzgeformten Stahlwerkzeuges von allem Schmutz und Verunreinigungen. Zu solchem Schmutz und solchen Verunreinigungen zählen z.B. auch Formtrennmittel.
Der Reparaturbereich wird dann bei 12 durch allmähliches Vorwärmen des Bereiches über einen vorgegebenen Zeitraum bis auf eine vorgegebene Temperatur vorbereitet, um so alle Feuchtigkeit aus dem Werkzeug herauszukochen, und den Temperaturschock beim Schweißen zu senken. Dieser Schritt kann dadurch ausgeführt werden, daß dieser Bereich langsam und gleichmäßig mit einem Propanbrenner bestrichen wird, derart, daß die Temperaturzunahme 50°C pro Stunde nicht überschreitet. Die vorgegebene Temperatur liegt bei ca. 200°C. Höhere Temperaturen können ebenfalls funktionieren, aber die Aluminium-Epoxyd-Hinterfüllung beginnt bei über 200°C zu zerfallen. Es können auch andere Hinterfül lungsstoffe entwickelt werden, die auch höheren Vorwärmtemperaturen standhalten können. Diese Werkstoffe würden dann auch eine höhere Vorwärmung zulassen, wodurch die Robustheit der Reparatur verbessert würde, und eine größere Energieeinleitung in das Werkzeug ermöglicht würde.
Nachdem der Reparaturbereich so vorbereitet worden ist, wird bei 14 eine Auftragsschweißung mittels eines Elektroschweißverfahrens wie z.B. Wolfram-Inertgas-Schweißen, WIG 16, auf die Reparaturfläche aufgetragen. WIG-Schweißen wird mit Gleichstrom mit negativer Polung und unter einem Argon-Schutzgasschild durchgeführt. Der Stromstärkebereich für WIG-Schweißen liegt zwischen 50 und 70 Ampere bei 30 Volt Gleichspannung.
Das fertige Werkzeug wird bei 18 mit einer Aluminium-Epoxyd-Hinterfüllung hinterfüllt. Der Hinterfüllungswerkstoff wird dazu benutzt, den Raum zwischen dem spritzgeformten Stahlwerkzeug und der Werkzeugträgerplatte in der Stanz- oder Gießpresse auszufüllen. Die Hinterfüllung ist wesentlich leichter zu bearbeiten, als der gespritzte Stahl, und ist auch billiger.
WIG-Schweißen wird deshalb eingesetzt, weil Lichtbogenschweißen eine relativ hohe Energiemenge sehr schnell auf einen kleinen Bereich konzentriert. Höhere Stromeinstellungen neigen aber dazu, das Schweißbad zu überhitzen, und können mehr Wärme zuführen, als abgeführt werden kann, ohne hohe Spannungen aufgrund des Wärmedehnungskoeffizienten zu erzeugen. Höhere Stromeinstellungen neigen auch zur Bildung von Rissen in dem Substrat unter dem Schweißwerkstoff. Niedrigere Energieeinstellungen funktionieren auch gut, brauchen aber länger, bis der Vorgang abgeschlossen ist.
Eine weitere Technik, die gut funktioniert, besteht im Auftrag einer "Bindeschicht" von Schweißmaterial bei niedrigem Strom, um so porositätsgebundene Defekte zu minimieren. Ist die "Bindeschicht" aufgetragen, kann der WIG-Schweißer schneller und mit höheren Stromeinstellungen schweißen. Die "Bindeschicht"--Technik arbeitet dort gut, wo größere Flächen mit Schweißmaterial aufgebaut werden müssen.
Bei dem WIG-Prozeß wird ein Schweißstab aus schwach kohlenstoffhaltigem Stahl eingesetzt, oder es kann in einer Alternative ein zu wenigstens 93% reiner Nickel-Schweißstab verwendet werden. Ein zu 99% reiner Nickel-Stab ist der bevorzugte Schweißstab.
Nachdem die Auftragsschweißung ausgebildet ist, hilft Behämmern der noch rotglühenden Schweißung, die Spannungen in der Schweißung und in den umgebenden Bereichen beim Abkühlen der Schweißung abzubauen. Da das Behämmern aber eine bedienerabhängige Variable ist, wurde in einer bevorzugten Ausführungsform kein Behämmern eingesetzt, weil das Werkzeug zu leicht beschädigt werden kann.
Nach der Vollendung der Auftragsschweißung wird bei 20 das Teil zur Erzielung der gewünschten Oberfläche fertigbearbeitet, durch herkömmliches Schleifen und Polieren. Das Werkzeug bzw. Gesenk wird dann wieder zum Einsatz gebracht.
Es ist somit ein Schweißverfahren zur Reparatur von spritzgeformten Stahlwerkzeugen mittels eines WIG-Schweißverfahrens beschrieben worden. Dieses Verfahren kann vor Ort in der Fabrikhalle durchgeführt werden, und die Ausfallzeit der Maschine wird auf ein Minimum begrenzt.

Claims

Verfahren zur Reparatur thermisch sprüh- oder spritzgeformter Stahlwerkzeuge, wie Gesenkteile, folgende Schritte aufweisend: Reinigen (10) des Reparaturbereiches des spritzgeformten Werkzeuges von allem Schmutz oder Verunreinigungen, und gekennzeichnet durch folgende Schritte: Vorbereiten (12) des Reparaturbereiches durch allmähliches Vorwärmen für einen vorgegebenen Zeitraum bis auf eine vorgegebene Temperatur zum Auskochen aller Feuchtigkeit im Werkzeug und Reduzierung des Temperaturschocks durch den Schweißprozeß; und dann Auftragen (14) eines Schweißauftrages auf den Reparaturbereich mittels eines Auftrages einer Wolfram-Inertgas-(WIG)-Schweißraupe.
Verfahren nach Anspruch 1, worin der Schritt der Vorbereitung (12) des Reparaturbereiches mittels einer langsamen und gleichförmigen Bestreichung des Bereiches mit einem Propangasbrenner bei einer Temperaturzunahme von nicht mehr als 50 Grad Celsius pro Stunde erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, wo in dem Schritt der Vorbereitung (12) des Reparaturbereiches des spritzgeformten Werkzeuges auf die vorgegebene Temperatur besagte vorgegebene Temperatur etwa 200 Grad Celsius beträgt.
Verfahren nach Anspruch 3, worin die vorgegebene Temperatur des spritzgeformten Werkzeuges im Bereich von 180 bis 200 Grad Celsius liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das WIG-Schweißverfahren Gleichstrom mit einer negativen Polung und ein Argon-Schutzgas zum Einsatz bringt.
Verfahren nach Anspruch 5, worin der Strombereich des WIG-Schweißverfahrens zwischen 50 und 70 Ampere bei einer Spannung von etwa 30 Volt Gleichstrom liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das WIG-Schweißverfahren einen Schweißstab aus schwach kohlenstoffhaltigem Stahl zum Einsatz bringt.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das WIG-Schweißverfahren einen Nickel-Schweißstab aus mindestens zu 99% reinem Nickel zum Einsatz bringt.
Verfahren nach Anspruch 1, worin der Schritt der Vorbereitung (12) des Reparaturbereiches mittels einer Vorwärmung des Reparaturbereiches in einem Ofen mit einer Temperaturzunahme von nicht mehr als 50 Grad Celsius pro Stunde erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9, wo in dem Schritt der Vorbereitung (12) des Reparaturbereiches des spritzgeformten Stahlwerkzeuges bis auf die vorgegebene Temperatur diese Temperatur bei etwa 200 Grad Celsius liegt.