DE602004012784T2

DE602004012784T2 - Vorrichtung zum Plamaschweissen mit Pulver und entsprechendes Verfahren

Info

Publication number: DE602004012784T2
Application number: DE602004012784T
Authority: DE
Inventors: Tetsu Innami; Hiroyuki Kiso; Hideki Ihara
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2003-01-06
Filing date: 2004-01-05
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2024-01-06
Also published as: CN1517168A; EP1435274A1; US6987236B2; ES2303916T3; DE602004012784D1; EP1435274B1; US20040159640A1; JP2004209525A; JP3726813B2; CN1298200C

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schweißen mit Hilfe eines Pulvers als Füllmaterial (im folgenden ein Plasmapulver-Schweißverfahren genannt).
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Ein Plasmaschweißverfahren erzielt infolge seiner hohen Energiedichte eine höhere Schweißwirkung als sie für das TIG-Schweißverfahren zulässig ist, wobei die Schweißqualität nicht geringer ist als die der TIG-Verschweißung. Ein Plasmapulverschweißverfahren, eines der Plasmaschweißverfahren mit der Ausnahme, dass ein Pulver als Füllmaterial verwendet wird, wurde weit verbreitet als Raupenschweißverfahren, als ein Verfahren zur Verbesserung der Oberflächenqualität eines Werkstückes verwendet.
Bei einem herkömmlichen Verfahren enthält das Pulver, das für das Plasmapulverschweißen verwendet wird, einen Bestandteil, der sich von einem Bestandteil eines Werkstückes unterscheidet, die beispielsweise zur Sicherung einer hohen Abnutzungsfestigkeit dient. (Es wird beispielsweise auf die geprüfte japanische Patentveröffentlichung No. H11-277246, Seite 2 bis 4 und 1 Bezug genommen). Ein Schweißbrenner ist auf einen hohen Abstand eingestellt, wobei die Brennweite des Pulverstrahls kürzer eingestellt ist als die Höhe des Schweißbrenners. (Siehe die geprüfte japanische Patentveröffentlichung No. H8-300157 (Seite 2 bis 3, 1 und 2) als Beispiel). Ein weiterer Schweißkopf für Pulverplasmaschweißen ist aus WO 01/72462 bekannt.
4 zeigt eine Beziehung zwischen einem Spitzenabschnitt eines Chips eines Schweißbrenners und einem Werkstück beim herkömmlichen Plasmapulverschweißverfahren. Die Plasmapulverschweißvorrichtung enthält einen Chip 101, eine Plasmadüse 102, eine Pulverdüse 103, eine Elektrode 104 und ein Werkstück 105. In 4 sind zudem eine Höhe "h", ein Durchmesser eines imaginären Kreises "P", der durch die Öffnungen der Pulverdüsen gebildet ist, ein Winkel "α", der durch sich schneidende Achsen der Pulverdüsen gebildet ist, und eine Brennweite "d" des Schnittpunktes von der Spitze des Chips 101 dargestellt.
Ein Bearbeitungsmechanismus des Plasmapulverschweißverfahrens, der auf diese Weise ausgebildet ist, wird als nächstes beschrieben. Es wird ein Plasmabogen zwischen der Elektrode 104 und dem Werkstück 105 gezogen, der die Plasmadüse 102 durchläuft. Daneben wird ein Pulver mit Hilfe eines Trägergases durch einen Öffnungsabschnitt der Pulverdüse 103 ausgestoßen. Das ausgestoßene Pulver wird durch den Plasmabogen erhitzt und auf eine Oberfläche des Werkstückes 105 übertragen. Die Höhe "h" des Schweißbrenners ist in einem Bereich von 10 mm bis 20 mm Länge eingestellt, um ein Überschmelzen des Werkstückes zu verhindern, und die Brennweite "d", die durch eine Kombination des Durchmessers des imaginären Kreises "W" und des Winkels am Schnittpunkt "a" festgelegt ist, ist in einem Bereich von 50 bis 60% der Höhe des Schweißbrenners "h" eingestellt. Somit wird das ausgestoßene Pulver zunächst dem Plasmabogen ausgesetzt und anschließend durch die Wärme aufgelöst, um auf dem Werkstück 105 abgeschieden zu werden. Mit dieser Anordnung wird das Pulver selektiv aufgelöst und ein Überschmelzen des Werkstückes gesteuert, wodurch verhindert wird, dass eine Komponente des Pulvers durch eine Komponente des Werkstückes verdünnt wird, wenn es auf der Oberfläche des Werkstückes abgeschieden wird.
Wie es oben erläutert wurde, wird mit dem herkömmlichen Plasmapulverschweißverfahren versucht, das Pulver, das eine andere Zusammensetzung als jene des Werkstückes hat, auf der Oberfläche des Werkstückes abzuscheiden, um die Oberflächenqualität zu verbessern. Zu diesem Zweck wird das Schmelzen des Werkstückes auf ein Minimum gesteuert, so dass das Pulver nicht mit dem Bestandteil des Werkstückes verdünnt wird und seine ursprüngliche Eigenschaft verliert, oder sich mit dem Werkstückbestandteil verbindet und eine schädliche Substanz bildet. Somit bleibt ein Problem beim herkömmlichen Schweißverfahren, dass darin besteht, dass sich das Verfahren nicht für die Verbindung von Werkstücken eignet, die ein ausreichendes Schmelzen der Werkstücke erfordern.
Dieses Problem wird mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.
Es wird eine Schweißvorrichtung angegeben, die enthält: ein Pulver, das eine identische Art eines Hauptbestandteiles wie jene des Werkstückes hat, eine Zuführeinrichtung, die das Pulver dem Werkstück zuführt, einen Schweißbrenner, der ein Plasma zwischen sich und dem Werkstück erzeugt und das Pulver, das durch die Zuführeinrichtung zugeführt wird, auf dem Werkstück fokussiert und das Pulver auf das Werkstück überträgt, eine Stromquelle, die dem Schweißbrenner elektrische Energie zuführt, wobei eine Brennweite vom Schweißbrenner zu einem Brennpunkt des Pulvers gleich oder größer als die Höhe des Schweißbrenners eingestellt ist, die einem Abstand vom Werkstück zum Schweißbrenner gleichkommt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Zeichnung, die eine Positionsbeziehung zwischen einer Querschnittsansicht eines Spitzenabschnittes eines Chips und einem Werkstück gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt.
2 ist ein Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung.
3 ist eine Querschnittsansicht eines Chips gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
4 ist eine Zeichnung, die eine Positionsbeziehung zwischen einem Querschnitt eines herkömmlichen Chips und einem Werkstück zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
(Beispielhafte Ausführungsform)
2 zeigt eine Plasmapulverschweißvorrichtung, enthaltend einen Schweißbrenner 3, eine Stromquelle 1, die dem Schweißbrenner 3 elektrischen Strom zuführt, eine Zuführeinrichtung 2, die ein Pulver dem Schweißbrenner 3 zuführt, eine Gaszuführeinrichtung 4, die ein Gas der Zuführeinrichtung 2 und dem Schweißbrenner 3 zuführt, eine Steuereinheit 5, die ein vorbestimmtes Signal der Stromquelle 1 und der Zuführeinrichtung 2 zuführt, und ein Werkstück 6. Ein Arbeitsprinzip der in dieser Weise aufgebauten Schweißvorrichtung wird als nächstes erläutert. Die Steuereinheit 5 gibt eingestellte Werte von Schweißbedingungen des Schweißens, d. h. eine Größe des Plasmastromes und eine Menge des zuzuführenden Pulvers sowie ein Startsignal zum Schweißen an die Stromquelle 1 und die Zuführeinrichtung 2 aus. Die Zuführeinrichtung 2 bestimmt auf der Basis des eingestellten Wertes für die Menge des Pulvers von der Steuereinheit 5 einen Grad der Zuführmenge des Pulvers. Die Stromquelle 1 bestimmt auf der Basis des eingestellten Wertes, der von der Steuereinheit 5 eingegeben wird, einen Ausgabepegel der elektrischen Spannung zum Schweißbrenner 3. Die Stromquelle 1 führt bei Empfang des Schweißstartsignals von der Steuereinheit 5 die vorgeschriebene Größe des elektrischen Stromes dem Scheißbrenner 3 zu und gibt EIN-Signale an die Gaszuführeinrichtung 4 und die Zuführeinrichtung 2 aus. Die Gaszuführeinrichtung 4 führt bei Empfang des EIN-Signals ein Plasmagas dem Schweißbrenner 3 und ein Trägergas der Zuführeinrichtung 2 zum Zuführen des Pulvers zum Schweißbrenner 3 zu. Die Zuführeinrichtung 2 führt bei Empfang des EIN-Signals eine vorbestimmte Menge des Pulvers dem Schweißbrenner 3 zu. Der Schweißbrenner 3 erzeugt einen Plasmabogen zwischen sich selbst und dem Werkstück 6, behält das Spannen des Bogens bei und bläst das Pulver auf das Werkstück.
1 zeigt Details eines Spitzenabschnittes des Schweißbrenners 3, eine Beziehung zwischen dem Werkstück und einem Schweißkopf. Wie es in 1 gezeigt ist, enthält die Plasmapulverschweißvorrichtung einen Chip 14, eine Plasmadüse, die eine gemeinsame Mittelachse mit der Elektrode 12 teilt, und eine Vielzahl von Pulverdüsen 8, wobei jede Achse von der Achse der Plasmadüse 7 geneigt ist und auf einem imaginären Umfang des konzentrischen Kreises liegt. Der Chip 14 ist zur Befestigung an den Schweißbrennerkörper 9 geschraubt. Eine Pulverleitung 11 verbindet die Zuführeinrichtung 2 und den Schweißbrennerkörper 9. Der Pulversumpf 10 ist eine Vertiefung in Ringform, die mit einem Ausgang der Pulverleitung verbun den ist und sich zum Spitzenabschnitt des Schweißbrennerkörpers öffnet. Ein Plasmagasleitungsweg 13 befindet sich zwischen der Elektrode 12 und dem Schweißbrennerkörper 9 und führt zur Plasmadüse 7. Eing Schweißbad 15 wird vom Plasmabogen 16 erwärmt und geschmolzen. Eine Breite des Schweißbades ist mit "W" gekennzeichnet, eine Höhe des Schweißbrenners, d. h. ein Abstand vom Werkstück 6 zur Spitze des Chips 14 ist mit "h" gekennzeichnet, und eine Brennweite von der Spitze des Chips 14 zu einem Brennpunkt, in dem sich die Achsen der Pulverdüsen 9 und die Achse der Elektrode 12 kreuzen, ist mit "d" gekennzeichnet.
Ein Arbeitsmechanismus dieses Aufbaus wird als nächstes erläutert. Wenn elektrischer Strom der Stromquelle 1 zugeführt wird, wird ein Plasmabogen 16 zwischen der Elektrode 12 und dem Werkstück 16 gezogen. Um den Plasmabogen 16 wird ein Plasmagas mit Hilfe der Gaszuführeinrichtung 4 durch den Plasmagasleitungsweg 13 und die Plasmadüse 7 zugeführt. Es wird in diesem Fall reines Argongas verwendet, wobei jedoch Argon gemischt mit Wasserstoff oder Argon gemischt mit Helium oder ein nicht oxidierendes Gas, wie etwa reines Helium, verwendet werden können. Der Plasmabogen 16 wird auf einer Wand der Plasmadüse 7 mit dem Plasmagas konzentriert, wodurch das Werkstück 6 innerhalb einer Zone der Breite des Schweißbades "W" geschmolzen wird.
Andererseits wird das Pulver in den Pulversumpf 10 des Schweißbrennerkörpers 9 von der Zuführeinrichtung 2 durch den Pulverleitungsweg 11 mit Hilfe des Trägergases zugeführt.
Die Wirkung des Pulversumpfes 10 wird als nächstes erläutert. Da der Chip 14 auf den Schweißbrennerkörper 9 geschraubt ist, wird die Positionsbeziehung zwischen der Pulverdüse 8 und dem Schweißbrennerkörper 9 instabil. Ein Zweck des Pulversumpfes besteht darin, eine Gegenmaßnahme für dieses potentielle Problem zu bieten. Ist der Pulversumpf 10 nicht als Vertiefung in Ringform sondern als eine Linie zylindrischer Löcher ausgebildet, die entlang eines imaginären Umfangs des konzentrischen Kreises angeordnet sind, wie es der Fall bei den Pulverdüsen 8 ist, kann die Pulverdüse 8 möglicherweise nicht korrekt zum Pulversumpf 10 in Abhängigkeit davon angeordnet sein, wie der Chip an den Schweißbrennerkörper geschraubt ist, was vermutlich dazu führt, dass das Pulver nicht in die Pulverdüse 8 eingeleitet wird, sondern im Pulversumpf 10 verbleibt. Der Pulversumpf 10 ist als Vertiefung in Ringform ausgebildet, um zu vermeiden, dass das Pulver infolge eines Positionsunterschiedes im Sumpf verbleibt.
Da die Achse der Pulverdüse 8 geneigt zur Achse der Plasmadüse 7 angeordnet ist, wird das Pulver, das durch die Pulverdüse 8 geblasen wird, an der Brennweite "d" gebündelt.
Eine Beziehung zwischen der Brennweite "d" und der Höhe "h" dieser Erfindung wird als nächstes erläutert. Ein wesentliches Problem dieser Erfindung besteht darin, wie wirkungsvoll die Energie des Plasmabogens 16 auf das Werkstück 6 zum Schweißen einer Vielzahl von Werkstücken angewendet wird. Um dieses Problem zu lösen, wird die Schmelzenergie des Plasmabogens 16, die das Werkstück 6 schmilzt, zum Schmelzen und Abscheiden des Pulvers verwendet.
Ist die Brennweite "d" kürzer als die Höhe des Schweißbrenners "h", wird die Energie des Plasmabogens 16 zum Schmelzen des Pulvers, das dem Plasma zugeführt wird, in großem Maße verbraucht und die Schmelzenergie für das Werkstück 6 dementsprechend verringert. Dadurch kann ein ungenügendes Schmelzen der Werkstücke 6 hervorgerufen werden, wodurch die Stücke nicht verscheißt werden. Daher ist es wichtig, die Brennweite "d" mit größerer Länge beizubehalten als die Höhe des Schweißbrenners "h", so dass der Plasmabogen eine ausreichende Energiemenge dem Werkstück 6 zuführen kann.
Wird eine Vielzahl von Werkstücken geschweißt, müssen wenigstens zwei Werkstücke in unterschiedlichen Materialbestandteilen verwendet werden und die Stücke mit einem Spalt zwischen den jeweiligen Materialbestandteilen verscheißt werden.
In der Zwischenzeit wird das Pulver in das Schweißbad 15, das der Plasmabogen 16 durch Schmelzen des Werkstückes 6 erzeugt hat, eingeleitet, auf dem Schweißbad 15 abgeschieden und bildet die Schweißraupe. Damit das Pulver wirkungsvoll abgeschieden wird, muss die Brennweite "d" eingestellt sein, da das Pulver innerhalb einer Zone "W" der Breite des Schweißbades eingeblasen werden kann. Die Breite des Schweißbades "W" variiert gemäß den Schweißbedingungen, wie etwa des Plasmastromes, der Höhe des Schweißbrenners "h" und der Schweißgeschwindigkeit, weshalb eine Obergrenze der Brennweite "d" gemäß dieser Bedingungen schwankt. Wenn die Breite des Schweißbades "W" groß ist, fällt die Effizienz der Abscheidung des Pulvers nicht ab, selbst wenn die Brennweite "d" größer ist als die Höhe des Schweißbrenners "h". Erfolgt das Schweißen jedoch mit einem geringen Strom und ist die Breite des Bades "W" gering, muss die Brennweite "d" in der Nähe der Höhe des Schweißbrenners "h" eingestellt sein, um die Effizienz bei der Abscheidung des Pulvers beizubehalten. Es gibt zwei Verfahren zum Ändern der Brennweite "d"; eines besteht darin, den Schweißbrennerkörper 9 auszutauschen, und ein weiteres besteht darin, den Chip 14 auszutauschen, wobei das Austauschen des Chips 14 hinsichtlich Kosten und Austauschmöglichkeiten vorteilhaft ist.

3 zeigt Parameter bei den Formen des Chips 14 in dieser Ausführungsform, die die Brennweite "d" unterschiedlich gestalten. In 3 sind die Parameter einer Dicke eines Chips "t", eines imaginären Durchmessers "r" eines Kreises, der durch die Pulverdüsen 8 auf einem imaginären Umfang des konzentrischen Kreises ausgebildet ist, und eines geneigten Winkels "β" der Pulverdüse 8 dargestellt. Um die Brennweite "d" zu verändern, werden die Parameter der Dicke des Chips "t", des Durchmessers des imaginären Kreises "r" und der geneigte Winkel "β" geändert. Tabelle 1

Durchmesser des imaginären Kreises (mm)	Dicke eines Chips (mm)	Neigungswinkel (°)	Brennweite (mm)	Höhe des verwendeten Schweißbrenners (mm)
26	8,0	45	5,0	5,0
26	4,0	45	7,0	5,0
26	4,0	45	9,0	5,0
26	8,6	35	10,0	10,0
26	4,6	35	14,0	10,0

Tabelle 1 zeigt eine beispielhafte Beziehung dieser Parameter zwischen der Form des Chips und den erhaltenen Brennweiten. Die Chips mit einer Brennweite von 5, 7 und 10 mm sind für einen Schweißbrenner mit einer Höhe von 5 mm bestimmt. Die Chips mit einer Brennweite von 10 und 14 mm sind für einen Schweißbrenner mit einer Höhe von 10 mm bestimmt. Jeder Chip in diesen Beispielen verfügt über acht Pulverdüsen 8, die auf dem imaginären Umfang des Kreises mit einem Abstand von 45° angeordnet sind. Wird eine Ungleichmäßigkeit des ausgeblasenen Pulvers berücksichtigt, ist eine größere Zahl von Düsen vorteilhafter. Erfolgt ein Schweißen in linearer Richtung, kann eine Düse verwendet werden.

Tabelle 2 zeigt Beispiele von Bestandteilen des Pulvers, das zum Schweißen eines Werkstückes verwendet wird. Tabelle 2

Stahlart des Werkstückes	Bestandteil des Pulvers
Stahlart des Werkstückes	C	Mn	Si	Ni	Cr	Mo	Andere
SM490	0,02	1,30	0,51	–	–	–	–
SUS304	0,05	0,61	0,21	10,5	20,4	–	–
SUS316	0,04	0,33	0,25	13,2	19,3	2,49	–
SUS430	0,05	0,46	0,43	0,18	18,7	–	Nb0,81
SUS410	0,08	0,35	0,37	0,21	12,9	–	–

Bei dieser Erfindung wird das Pulver mit geschmolzenen Werkstückmaterial im Schweißbad 15 legiert, wobei das Pulver, das einen identischen Bestandteil wie jenen des Werkstückes enthält, selektiv eingeschlossen wird, so das der legierte Bestandteil die Schweißergebnisse nicht beeinträchtigen kann. Das Pulver, das denselben Bestandteil enthält, wie jenen des Werkstückes, ist als das Pulver definiert, in dem dieselbe Art des Bestandteils wie jener des Werkstückes verwendet wird, der legierte Bestandteil jedoch nicht die Schweißergebnisse beeinträchtigt.
Unter Berücksichtigung, dass einige Bestandteile während des Schweißvorgangs oxidieren und verbraucht werden, wird eine Menge eines derartigen Bestandteils, wie etwa Si und Mn, für das Schweißen von SM490 und Cr für Edelstahl höher gewählt, als er im Stahl des Werkstückes enthalten ist. Bei SUS430 werden 0,81% von Nb hinzugefügt, um die Zähigkeit des geschweißten Abschnittes im Metall zu erhöhen. Wie diese Fälle zeigen, kann bei der Herstellung einer Legierung mit dem Werkstück, ein Bestandteil, der nicht im Werkstück enthalten ist, dem Pulver hinzugefügt werden, um das Schweißleistungsverhalten zu verbessern, solange der legierte Bestandteil kein nachteilige Auswirkung hat.
Wie es erläutert wurde, enthält die vorliegende Erfindung das Pulver, das dieselbe Art eines Hauptbestandteiles hat, wie der des Werkstückes, wobei die Zuführeinrichtung das Pulver dem Werkstück zuführt, der Schweißbrenner das Plasma zwischen sich selbst und dem Werkstück erzeugt, um das Pulver, das durch die Zuführeinrichtung zugeführt wird, auf dem Werkstück zu fokussieren und das Pulver auf das Werkstück zu übertragen, und die Stromquelle die elektrische Leistung dem Schweißbrenner zuführt. Durch Einstellen eines größeren Abstandes vom Schweißbrenner auf den Brennpunkt, an dem das Pulver fokussiert wird, als den Abstand vom Schweißbrenner zum Werkstück, werden das Pulver und das Werkstück gleichzeitig erwärmt und können eine Vielzahl von Werkstücken verschweißt werden.

Claims

Verfahren zum Schweißen, das die folgenden Schritte umfasst: Erzeugen eines Plasmas zwischen einem Schweißbrenner (3), der eine Elektrode (12) und Pulverdüsen (8) umfasst, und einem Werkstück (6) aus einem vorgegebenen Material, das einen Hauptbestandteil hat; Fokussieren eines Pulvers, das den gleichen Typ Hauptbestandteil hat wie das Werkstück, auf das Werkstück (6), um das Pulver von dem Schweißbrenner (3) auf das Werkstück (6) zu übertragen, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver prozentual eine größere Menge solcher Komponenten enthält, die während des Schweißprozesses oxidiert und/oder verbraucht werden, als in dem vorgegebenen Material des Werkstücks (6), und dass beim Schritt des Fokussierens ein Abstand (d) von dem Schweißbrenner (3) zu einem Brennpunkt, an dem die Achse der Pulverdüsen (8) und die Achse der Elektrode (12) einander schneiden, in einem Bereich von 5 bis 14 mm liegt und größer eingestellt ist als eine Höhe (h), des Schweißbrenners, die in einem Bereich von 5 bis 10 mm liegt.
Verfahren zum Schweißen nach Anspruch 1, wobei beim Schritt des Erzeugens des Plasmas ein Abstand von dem Schweißbrenner (3) zu einem Brennpunkt, an dem ein Plasma fokussiert wird, der Höhe des Brenners nahezu gleich eingestellt ist.
Verfahren zum Schweißen nach Anspruch 1, wobei beim Schritt des Fokussierens des Pulvers auf das Werkstück (6) zum Überfragen des Pulvers auf das Werkstück (6) wenigstens zwei verschiedene Materialbestandteile für die Werkstücke (6) eingesetzt werden und die Stücke so verschweißt werden, dass ein Spalt zwischen jeweiligen Materialbestandteilen erzeugt wird.
Verfahren zum Schweißen nach Anspruch 2, wobei beim Schritt des Fokussierens des Pulvers auf das Werkstück (6) zum Übertragen des Pulvers auf das Werkstück (6) wenigstens zwei verschiedene Materialbestandteile für die Werkstücke (6) einge setzt werden und die Stücke so verschweißt werden, dass ein Spalt zwischen jeweiligen Materialbestandteilen erzeugt wird.
Verfahren zum Schweißen nach Anspruch 1, wobei als ein Verfahren zum Ändern des Abstandes von dem Schweißbrenner zu dem Brennpunkt, auf den das Pulver fokussiert wird, ein Plättchen ausgetauscht wird.