EP0911423A1 - Verbinden von Werkstücken - Google Patents

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EP0911423A1
EP0911423A1 EP98120102A EP98120102A EP0911423A1 EP 0911423 A1 EP0911423 A1 EP 0911423A1 EP 98120102 A EP98120102 A EP 98120102A EP 98120102 A EP98120102 A EP 98120102A EP 0911423 A1 EP0911423 A1 EP 0911423A1
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EP
European Patent Office
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workpiece
workpieces
gas
thermal spraying
spray
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EP98120102A
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EP0911423B1 (de
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Peter Dipl.-Ing. Heinrich
Heinrich Professor Dr.-Ing. Kreye
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Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Publication date
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Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
Publication of EP0911423A1 publication Critical patent/EP0911423A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0911423B1 publication Critical patent/EP0911423B1/de
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/02—Coating starting from inorganic powder by application of pressure only
    • C23C24/04—Impact or kinetic deposition of particles

Definitions

  • the invention relates to a method for connecting workpieces, and a Workpiece assembly comprising a first workpiece, a second workpiece and one Connection between the two workpieces.
  • connections of workpieces or parts different types and geometries needed.
  • the property requirements the connections are different.
  • Particular difficulties prepares the production of connections of workpieces that are in the Greatly differentiate between geometry and / or material.
  • the present invention is based on the object of a method for connecting of workpieces, which simplifies the connection of workpieces, cheaper or made possible at all.
  • a connection of itself very different in geometry and / or material (in terms of Material composition as well as regarding the material properties) Workpieces are made possible.
  • the object is achieved in that a by thermal spraying Spray layer or several spray layers are produced, which at least partially a surface of a first workpiece and at least partially one Cover the surface of a second workpiece, a powder Filler metal directed onto the surfaces to be coated using a gas becomes.
  • An essential feature of the invention is that the filler material in Powder form and not as wire.
  • the workpieces to be connected can vary greatly in terms of their geometry differentiate.
  • the method according to the invention can be used for fastening of webs or stiffeners in thin-walled constructions in particular can be used with advantage.
  • first sprayed Layers useful that have a particularly high adhesive strength and / or a particular have good adhesion to both workpieces or where the material has one thermal expansion coefficient approximated to the material of the workpiece owns.
  • first spray layers are important, for example, if one of the workpieces to be connected is made of glass or ceramic and the Connection should be exposed to temperature changes. Comments on Production of a spray layer according to the invention also applies accordingly to Cases with multiple spray layers.
  • a workpiece assembly is created in the manner described a first workpiece and a second workpiece with a connection between the two workpieces from one produced by thermal spraying Spray layer or several produced by thermal spraying Spray layers which at least partially have a surface of the first workpiece and at least partially covers a surface of the second workpiece or cover up.
  • Thermal spraying for coating is known as autogenous as process variants Flame spraying or high-speed flame spraying, arc spraying, plasma spraying, detonation spraying and laser spraying.
  • arc spraying are particularly suitable for the invention, of detonation spraying and laser spraying and in particular that of autogenous flame spraying or high speed flame spraying.
  • a flame spray process is therefore preferred as a thermal one Spraying process used.
  • Thermal spray processes are essentially characterized in that they enable evenly applied coatings.
  • Coatings can be applied by varying the spray materials can be adapted to different requirements.
  • the spray materials can be processed in the form of wires, rods or as powder. With thermal In addition, thermal post-treatment can be provided for spraying.
  • the powdered filler material is applied to the material to be coated Surfaces passed without the powder particles of the filler be melted in a gas jet.
  • the statement that the powder particles of the filler material did not melt in the gas jet in the context of the present invention should also mean that the particles in the gas jet are essentially not melted. This can thereby ensuring that the temperature of the gas jet is below the Melting point of the powder particles of the filler material. But even at temperatures of the gas jet from 100 K to 200 K above the melting point of the Powder particles of the filler material can be due to the extremely short residence time Particles in the gas jet melt or melt in the range of milliseconds the powder particles can be prevented.
  • the importance of higher gas temperatures or the advantage of heating the gas is that in hotter gases the speed of sound is higher and therefore also the particle speed becomes comparatively larger.
  • the cold gas process has compared to conventional thermal processes Spraying a number of advantages.
  • the thermal action and force action The surface of the substrate material is reduced, causing unwanted changes the material properties of the substrate material prevented or at least can be significantly reduced. Likewise, changes in the Structure of the substrate material can be prevented.
  • the one with the cold gas spraying process created layers have no or at least no pronounced texture, i.e. there is no preferred orientation of the individual grains or crystals.
  • the substrate is also not heated by a flame or a plasma, so that none or only extremely minor changes to the base body and no distortion of workpieces due to thermal stress due to thermal spraying.
  • the gas for thermal spraying can be nitrogen, helium, Argon, neon, krypton, xenon, a gas containing hydrogen, a carbon-containing one Gas, especially carbon dioxide, oxygen, an oxygen-containing Contain gas, air, water vapor or mixtures of the aforementioned gases.
  • gases air and / or helium known from EP 0 484 533 B1 are suitable nitrogen, argon, also for the gas carrying the powdered filler material, Neon, krypton, xenon, oxygen, a gas containing hydrogen, a carbon-containing one Gas, especially carbon dioxide, water vapor or mixtures of the aforementioned gases and mixtures of these gases with helium.
  • the proportion of helium of the total gas can be up to 90% by volume. A helium content of 10 to 50 vol .-% observed in the gas mixture.
  • the so produced Layers adhere very well to a wide variety of substrate materials, for example on metal, metal alloys, ceramics, glass, plastics and composite materials.
  • the coatings produced using the method according to the invention are of high quality, have an extremely low porosity and possess extremely smooth spray surfaces, so that there is usually a rework of the connection superfluous.
  • the gases used according to the invention have a sufficient density and Speed of sound to the required high speeds of the powder particles to be able to guarantee.
  • the gas can be inert and / or reactive gases contain. With the gases mentioned is the production of very dense and special uniform coatings possible, which is also due to their hardness and distinguish strength.
  • the layers have extremely low oxide contents. They have no or at least no pronounced texture, i.e. There is none Preferred orientation of the individual grains or crystals.
  • the substrate also becomes when cold gas spraying not heated by a flame or a plasma, so that none or only extremely minor changes to the base body and also no distortion of Workpieces occur due to thermal stresses due to thermal spraying.
  • the workpieces to be connected touch each other the connection point when applying the spray layer or layers.
  • the workpiece assembly produced in this way is below the connected workpieces the spray layer or the spray layers in direct contact.
  • the workpieces to be connected are at the connection point when applying the spray layer or layers spaced from each other and by thermal spraying the space at the junction is filled.
  • the workpiece network is therefore between the connected workpieces with the sprayed Filler material or filler material filled space.
  • the adjacent surface area of the workpieces are coated.
  • the gas jet can be heated to a temperature in the range between 30 and 800 ° C are, all known powdery spray materials are used can.
  • the invention is particularly suitable for wettable powders made of metals, metal alloys, Hard materials, ceramics and / or plastics.
  • the temperature of the gas jet selected between 300 and 500 ° C.
  • These gas temperatures are particularly suitable for the use of reactive gases or reactive Gas components.
  • reactive gas or gas components are in particular Hydrogen admixtures, carbon-containing gases or nitrogenous gases mention.
  • a gas jet with a pressure of 5 to 50 bar used. Above all, working with higher gas pressures brings additional Advantages because the energy transfer in the form of kinetic energy is increased. It gas pressures in the range from 21 to 50 bar are particularly suitable. Outstanding Spray results were achieved, for example, with gas pressures of around 35 bar.
  • the High pressure gas supply can, for example, by the in the German patent application DE 197 16 414.5 described method or the one described there Gas supply system can be ensured.
  • the powder particles can run at one speed can be accelerated from 300 to 1600 m / s. Suitable in the process according to the invention speeds of the powder particles between 1000 and 1600 m / s, particularly preferably between 1250 and 1600 m / s, since in this case the Energy transfer in the form of kinetic energy is particularly high.
  • the powders used in the process according to the invention preferably have Particle sizes from 1 to 100 ⁇ m.
  • the applied spray layer 3 covers the surface of the first tube 1 and the surface in the connection area of the second pipe 2.
  • the spray layer 3 and thus the pipe connection extends over the entire circumference of the pipe.
  • the arrow shows that the Making the pipe connection the pipes can be turned.
  • FIG 2 shows two enlargements of possible sections in picture A and picture B.
  • Pipe connections for example from Figure 1 in section.
  • picture A they touch Pipe pieces 1 and 2 are not immediately, but they are at a short distance arranged to each other.
  • auxiliary workpiece 4 which the Covering the area of the pipe interior, a connection is made through the spray layer 3 manufactured, which fills the pipe gap and the adjacent pipe ends of the Pipes 1 and 2 covered.
  • the pipe ends of the pipes shown in Figure B of Figure 2 1 and 2 taper.
  • the tube ends are for thermal spraying Establishing a pipe connection in contact with each other.
  • the spray layer 3 fills also the space created by the tapering of the pipe ends.
  • Figure 3 shows a thin-walled structural part 5, which stiffens with a web 6 becomes. Construction part 5 and web 6 touch. I'm at the contact surfaces adjoining surface area are spray layers 3 for connecting the two Workpieces sprayed on.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Werkstücken. Erfindungsgemäß wird durch thermisches Spritzen eine Spritzschicht hergestellt, welche teilweise eine Oberfläche eines ersten Werkstückes und teilweise eine Oberfläche eines zweiten Werkstückes überdeckt, wobei ein pulverförmiger Zusatzwerkstoff mittels eines Gases auf die zu beschichtenden Oberflächen geleitet wird. Bevorzugt wird Temperatur des Gasstrahles so gewählt, beispielsweise im Bereich zwischen 30 und 800 °C, daß die Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes im Gasstrahl nicht geschmolzen werden. Die zu verbindenden Werkstücken können sich an der Verbindungsstelle beim Aufbringen der Spritzschicht berühren. Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung sind die zu verbindenden Werkstücke an der Verbindungsstelle beim Aufbringen der Spritzschicht mit einem Abstand zueinander angeordnet, wobei durch das thermische Spritzen der Zwischenraum an der Verbindungsstelle gefüllt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Werkstücken, sowie einen Werkstückverbund umfassend ein erstes Werkstück, ein zweites Werkstück und eine Verbindung zwischen beiden Werkstücken.
In der industriellen Fertigung werden Verbindungen von Werkstücken oder Teilen unterschiedlichster Art und Geometrie benötigt. Die Anforderungen an die Eigenschaften der Verbindungen sind dabei unterschiedlich. Besondere Schwierigkeiten bereitet die Herstellung von Verbindungen von Werkstücken, die sich in der Geometrie und/ oder im Material stark unterscheiden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verbinden von Werkstücken aufzuzeigen, welches das Verbinden von Werkstücken vereinfacht, verbilligt oder überhaupt erst ermöglicht. Insbesondere sollte ein Verbinden von sich in der Geometrie und/oder im Material stark unterscheidenden (hinsichtlich der Materialzusammensetzung wie auch hinsichtlich der Materialeigenschaften) Werkstücken ermöglicht werden.
Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß durch thermisches Spritzen eine Spritzschicht oder mehrere Spritzschichten hergestellt werden, welche zumindest teilweise eine Oberfläche eines ersten Werkstückes und zumindest teilweise eine Oberfläche eines zweiten Werkstückes überdecken, wobei ein pulverförmiger Zusatzwerkstoff mittels eines Gases auf die zu beschichtenden Oberflächen geleitet wird.
Eine wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß der Zusatzwerkstoff in Pulverform und nicht als Draht vorliegt.
Es können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens Werkstücke aus unterschiedlichen Werkstoffen verbunden werden. Die unterschiedlichen Werkstoffe können dabei sein:
  • Metalle oder Metallegierungen mit sehr unterschiedlichem Schmelzpunkt,
  • Metalle oder Metallegierungen mit unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit oder unterschiedlichem Wärmeausdehnungsverhalten,
  • Metalle oder Metallegierungen, die beim gemeinsamen Aufschmelzen und der damit verbunden Durchmischung anschließend beim Abkühlen spröde intermetallische Phasen bilden, welche die Festigkeit der Verbindung beeinflussen,
  • Metall-Keramikverbindungen.
Ferner können sich die zu verbindenden Werkstücke hinsichtlich ihrer Geometrie stark unterscheiden. So kann das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise für das Befestigen von Stegen oder Versteifungen bei insbesondere dünnwandigen Konstruktionen mit Vorteil eingesetzt werden.
Für die überwiegende Zahl der Anwendungen wird es in der Regel genügen, daß lediglich eine Spritzschicht hergestellt wird. Es können aber auch zwei oder mehrere Spritzschichten aufgetragen werden. Dies ist beispielsweise für erste aufgespritzte Schichten sinnvoll, die eine besonders hohe Haftfestigkeit und/oder eine besonders gute Haftung auf beiden Werkstücken besitzen oder bei denen der Werkstoff einen dem Material des Werkstückes angenäherten thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt. Derartige erste Spritzschichten sind beispielsweise von Bedeutung, wenn eines der zu verbindenden Werkstücke aus Glas oder Keramik besteht und die Verbindung Temperaturwechseln ausgesetzt werden soll. Ausführungen zur erfindungsgemäßen Herstellung einer Spritzschicht gelten entsprechend auch für Fälle mit mehreren Spritzschichten.
In jedem Fall entsteht auf die beschriebene Art und Weise ein Werkstückverbund aus einem ersten Werkstück und einem zweiten Werkstück mit einer Verbindung zwischen beiden Werkstücken aus einer durch thermisches Spritzen erzeugten Spritzschicht oder aus mehreren durch thermisches Spritzen erzeugten Spritzschichten, welche zumindest teilweise eine Oberfläche des ersten Werkstückes und zumindest teilweise eine Oberfläche des zweiten Werkstückes überdeckt bzw. überdecken.
Das thermische Spritzen zum Beschichten kennt als Verfahrensvarianten das autogene Flammspritzen oder das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, das Lichtbogenspritzen, das Plasmaspritzen, das Detonationsspritzen und das Laserspritzen.
Für die Erfindung eignen sich vor allem die Verfahrensvarianten des Lichtbogenspritzens, des Detonationsspritzens und des Laserspritzens und insbesondere die des autogenen Flammspritzens oder des Hochgeschwindigkeits-Flammspritzens. Erfindungsgemäß wird folglich bevorzugt ein Flammspritzverfahren als thermisches Spritzverfahren eingesetzt.
Thermische Spritzverfahren werden in allgemeiner Form beispielsweise in
  • Übersicht und Einführung in das "Thermische Spritzen", Peter Heinrich, Linde-Berichte aus Technik und Wissenschaft, 52/1982, Seiten 29 bis 37,
    oder
  • Thermisches Spritzen - Fakten und Stand der Technik, Peter Heinrich, Jahrbuch Oberflächentechnik 1992, Band 48, 1991, Seiten 304 bis 327, Metall-Verlag GmbH,
beschrieben.
Thermische Spritzverfahren zeichnen sich im wesentlichen dadurch aus, daß sie gleichmäßig aufgetragene Beschichtungen ermöglichen. Durch thermische Spritzverfahren aufgetragene Beschichtungen können durch Variation der Spritzmaterialien an unterschiedliche Anforderungen angepaßt werden. Die Spritzmaterialien können dabei in Form von Drähten, Stäben oder als Pulver verarbeitet werden. Beim thermischen Spritzen kann zusätzlich eine thermische Nachbehandlung vorgesehen sein.
In Ausgestaltung der Erfindung wird der pulverförmige Zusatzwerkstoff auf die zu beschichtende Oberflächen geleitet, ohne daß die Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes im Gasstrahl geschmolzen werden.
In jüngerer Zeit wurde darüber hinaus ein weiteres thermisches Spritzverfahren entwickelt, welches auch als Kaltgasspritzen bezeichnet wird. Es handelt sich dabei um eine Art Weiterentwicklung des Hochgeschwindigkeits-Flammspritzens mit Pulver. Dieses Verfahren ist beispielsweise in der europäischen Patentschritt EP 0 484 533 B1 beschrieben. Beim Kaltgasspritzen kommt ein Zusatzwerkstoff in Pulverform zum Einsatz. Die Pulverpartikel werden beim Kaltgasspritzen jedoch nicht im Gasstrahl geschmolzen. Vielmehr liegt die Temperatur des Gasstrahles unterhalb des Schmelzpunktes der Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes (EP 0 484 533 B1) oder aber nur in geringem Maße oberhalb der Schmelztemperatur des Pulvers. Im Kaltgasspritzverfahren wird also ein im Vergleich zu den herkömmlichen Spritzverfahren "kaltes" bzw. ein vergleichsweise kälteres Gas verwendet. Gleichwohl wird das Gas aber ebenso wie in den herkömmlichen Verfahren erwärmt, aber lediglich auf Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes der Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes oder auf Temperaturen des Gasstrahles von 100 K bis zu 200 K oberhalb des Schmelzpunktes der Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes.
Die Angabe, daß die Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes im Gasstrahl nicht geschmolzen werden, soll im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch bedeuten, daß die Partikel im Gasstrahl im wesentlichen nicht angeschmolzen werden. Dies kann dadurch sichergestellt werden, daß die Temperatur des Gasstrahles unterhalb des Schmelzpunktes der Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes liegt. Aber selbst bei Temperaturen des Gasstrahles von 100 K bis zu 200 K oberhalb des Schmelzpunktes der Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes kann aufgrund der extrem kurzen Verweilzeit der Partikel im Gasstrahl im Bereich von Millisekunden ein Schmelzen oder auch ein Anschmelzen der Pulverpartikel verhindert werden. Die Bedeutung der höheren Gastemperaturen bzw. der Vorteil der Erwärmung des Gases liegt darin, daß in heißeren Gasen die Schallgeschwindigkeit höher ist und dadurch auch die Partikelgeschwindigkeit vergleichsweise größer wird.
Das Kaltgasverfahren besitzt gegenüber herkömmlichen Verfahren des thermischen Spritzens eine Reihe von Vorteilen. Die thermische Einwirkung und Kraftwirkung auf die Oberfläche des Substratwerkstoffes ist verringert, wodurch ungewollte Veränderungen der Materialeigenschaften des Substratwerkstoffes verhindert oder zumindest merklich verringert werden können. Ebenso können weitgehend Änderungen in der Struktur des Substratwerkstoffes unterbunden werden. Die mit dem Kaltgasspritzverfahren erzeugten Schichten besitzen keine oder zumindest keine ausgeprägte Textur, d.h. es gibt keine Vorzugsorientierung der einzelnen Körner oder Kristalle. Das Substrat wird ferner nicht durch eine Flamme oder ein Plasma erwärmt, so daß keine oder nur extrem geringe Veränderungen am Grundkörper und auch kein Verzug von Werkstücken durch Wärmespannungen infolge des thermischen Spritzens auftreten.
Es hat sich gezeigt, daß die zahlreichen verfahrenstechnischen Möglichkeiten des thermischen Spritzens nach dem Kaltgasverfahren für das Verbinden von Werkstücken genutzt werden können. Durch die Möglichkeiten der Verwendung unterschiedliche Pulvermaterialien und Pulvermischungen eröffnet sich eine breite Palette für Werkstückverbindungen.
Erfindungsgemäß kann das Gas für das thermische Spritzen Stickstoff, Helium, Argon, Neon, Krypton, Xenon, ein Wasserstoff enthaltendes Gas, ein kohlenstoffhaltiges Gas, insbesondere Kohlendioxid, Sauerstoff, ein Sauerstoff enthaltendes Gas, Luft, Wasserdampf oder Mischungen der vorgenannten Gase enthalten. Neben den aus der EP 0 484 533 B1 bekannten Gasen Luft und/oder Helium eignen sich auch für das den pulverförmigen Zusatzwerkstoff tragende Gas ein Stickstoff, Argon, Neon, Krypton, Xenon, Sauerstoff, ein Wasserstoff enthaltendes Gas, ein kohlenstoffhaltiges Gas, insbesondere Kohlendioxid, Wasserdampf oder Mischungen der vorgenannten Gase und Mischungen dieser Gase mit Helium. Der Anteil des Helium am Gesamtgas kann bis zu 90 Vol.-% betragen. Bevorzugt wird ein Heliumanteil von 10 bis 50 Vol.-% im Gasgemisch eingehalten.
Es hat sich gezeigt, daß durch den Einsatz von unterschiedlichen Gasen zum Beschleunigen und Tragen des pulverförmigen Zusatzwerkstoffes die Flexibilität und Wirksamkeit des Verfahrens wesentlich vergrößert werden kann. Die so hergestellten Schichten haften sehr gut auf den verschiedensten Substratwerkstoffen, beispielsweise auf Metall, Metallegierungen, Keramik, Glas, Kunststoffe und Verbundwerkstoffe. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Beschichtungen sind von hoher Güte, weisen eine außerordentlich geringe Porösität auf und besitzen extrem glatte Spritzoberflächen, so daß sich in der Regel eine Nacharbeitung der Verbindung erübrigt.
Die erfindungsgemäß eingesetzten Gase besitzen eine ausreichende Dichte und Schallgeschwindigkeit, um die erforderlichen hohen Geschwindigkeiten der Pulverpartikel gewährleisten zu können. Das Gas kann dabei inerte und/oder reaktive Gase enthalten. Mit den genannten Gasen ist die Herstellung von sehr dichten und besonders gleichmäßigen Beschichtungen möglich, welche sich außerdem durch ihre Härte und Festigkeit auszeichnen. Die Schichten weisen extrem geringe Oxidgehalte auf. Sie besitzen keine oder zumindest keine ausgeprägte Textur, d.h. es gibt keine Vorzugsorientierung der einzelnen Körner oder Kristalle. Das Substrat wird ferner beim Kaltgasspritzen nicht durch eine Flamme oder ein Plasma erwärmt, so daß keine oder nur extrem geringe Veränderungen am Grundkörper und auch kein Verzug von Werkstücken durch Wärmespannungen infolge des thermischen Spritzens auftreten.
In Ausgestaltung der Erfindung berühren sich die zu verbindenden Werkstücken an der Verbindungsstelle beim Aufbringen der Spritzschicht bzw. der Spritzschichten. Im so hergestellten Werkstückverbund stehen die verbundenen Werkstücke unterhalb der Spritzschicht bzw. der Spritzschichten in unmittelbarem Kontakt.
Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung sind die zu verbindenden Werkstücke an der Verbindungsstelle beim Aufbringen der Spritzschicht bzw. der Spritzschichten mit einem Abstand zueinander angeordnet und durch das thermische Spritzen wird der Zwischenraum an der Verbindungsstelle gefüllt. Im Werkstückverbund befindet sich also zwischen den verbundenen Werkstücken ein mit dem gespritzten Zusatzwerkstoff oder Zusatzwerkstoffen gefüllter Zwischenraum. Mit Vorteil kann neben dem Zwischenraum an der Verbindungsstelle auch der angrenzende Oberflächenbereich der Werkstücke beschichtet werden.
Der Gasstrahl kann auf eine Temperatur im Bereich zwischen 30 und 800 °C erwärmt werden, wobei alle bekannten pulverförmigen Spritzmaterialien eingesetzt werden können. Die Erfindung eignet sich insbesondere für Spritzpulver aus Metallen, Metalllegierungen, Hartstoffen, Keramiken und/oder Kunststoffen.
In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Temperatur des Gasstrahles im Bereich zwischen 300 und 500 °C gewählt. Diese Gastemperaturen eignen sich insbesondere für den Einsatz von reaktiven Gasen oder reaktiven Gasbestandteilen. Als reaktive Gas oder Gasbestandteile sind insbesondere Wasserstoffzumischungen, kohlenstoffhaltige Gase oder stickstoffhaltige Gase zu erwähnen.
In Weiterbildung der Erfindung wird ein Gasstrahl mit einem Druck von 5 bis 50 bar eingesetzt. Vor allem das Arbeiten mit höheren Gasdrücken bringt zusätzliche Vorteile, da die Energieübertragung in Form von kinetischer Energie erhöht wird. Es eignen sich insbesondere Gasdrücke im Bereich von 21 bis 50 bar. Hervorragende Spritzergebnisse wurden beispielsweise mit Gasdrücken von etwa 35 bar erzielt. Die Hochdruckgasversorgung kann beispielsweise durch das in der deutschen Patentanmeldung DE 197 16 414.5 beschriebene Verfahren bzw. die dort beschriebene Gasversorgungsanlage sichergestellt werden.
Im erfindungsgemäßen Verfahren können die Pulverpartikel auf eine Geschwindigkeit von 300 bis 1600 m/s beschleunigt werden. Im erfindungsgemäßen Verfahren eignen sich dabei insbesondere Geschwindigkeiten der Pulverpartikel zwischen 1000 und 1600 m/s, besonders bevorzugt zwischen 1250 und 1600 m/s, da in diesem Fall die Energieübertragung in Form von kinetischer Energie besonders hoch ausfällt.
Die im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Pulver besitzen bevorzugt Partikelgrößen von 1 bis 100 µm.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens können alle geeigneten Vorrichtungen eingesetzt werden, insbesondere gilt dies für die in der EP 0 484 533 B1 beschriebene Vorrichtung.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Hierbei zeigen:
Figur 1
eine erfindungsgemäß hergestellte Verbindung zweier Rohre;
Figur 2
zwei Ausschnittsvergrößerungen möglicher Rohrverbindungen zum Beispiel aus Figur 1;
Figur 3
ein erfindungsgemäß hergestellter Werkstückverbund bestehend aus einem Konstruktionsteil und einem Steg.
In Figur 1 ist ein Werkstückverbund zweier Rohre 1 und 2, beispielsweise aus unterschiedlichen Werkstoffen, dargestellt. Die aufgebrachte Spritzschicht 3 überdeckt im Verbindungsbereich die Oberfläche des ersten Rohres 1 und die Oberfläche des zweiten Rohres 2. Die Spritzschicht 3 und damit die Rohrverbindung erstreckt sich über den ganzen Rohrumfang. Der Pfeil verdeutlicht, daß bei der Herstellung der Rohrverbindung die Rohre gedreht werden können.
Figur 2 zeigt in Bild A und in Bild B zwei Ausschnittsvergrößerungen möglicher Rohrverbindungen zum Beispiel aus Figur 1 im Schnitt. In Bild A berühren sich die Rohrstücke 1 und 2 nicht unmittelbar, sondern sie sind mit einem geringen Abstand zueinander angeordnet. Unter Zuhilfenahme des Hilfswerkstückes 4, welches den Bereich des Rohrinnern abdeckt, wird eine Verbindung durch de Spritzschicht 3 hergestellt, die den Rohrzwischenraum ausfüllt und die angrenzenden Rohrenden der Rohre 1 und 2 bedeckt. Die in Bild B von Figur 2 dargestellten Rohrenden der Rohre 1 und 2 verjüngen sich. Die Rohrenden sind beim thermischen Spritzen zur Herstellung einer Rohrverbindung in Kontakt miteinander. Die Spritzschicht 3 füllt auch den durch die Verjüngung der Rohrenden entstehenden Raum aus.
Figur 3 zeigt ein dünnwandiges Konstruktionsteil 5, welches mit einem Steg 6 versteift wird. Konstruktionsteil 5 und Steg 6 berühren sich. Im an die Berührungsflächen angrenzenden Oberflächenbereich sind Spritzschichten 3 zur Verbindung der beiden Werkstücke aufgespritzt.

Claims (12)

  1. Verfahren zum Verbinden von Werkstücken (1, 2; 5, 6), dadurch gekennzeichnet, daß durch thermisches Spritzen eine Spritzschicht (3) oder mehrere Spritzschichten hergestellt werden, welche zumindest teilweise eine Oberfläche eines ersten Werkstückes (1; 5) und zumindest teilweise eine Oberfläche eines zweiten Werkstückes (2; 6) überdecken, wobei ein pulverförmiger Zusatzwerkstoff mittels eines Gases auf die zu beschichtenden Oberflächen geleitet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der pulverförmige Zusatzwerkstoff auf die zu beschichtende Oberflächen geleitet wird, ohne daß die Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes im Gasstrahl geschmolzen werden.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die zu verbindenden Werkstücken (1, 2; 5, 6) an der Verbindungsstelle beim Aufbringen der Spritzschicht (3) berühren.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verbindenden Werkstücken (1, 2; 5, 6) an der Verbindungsstelle beim Aufbringen der Spritzschicht (3) mit einem Abstand zueinander angeordnet sind und durch das thermische Spritzen der Zwischenraum an der Verbindungsstelle gefüllt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem Zwischenraum an der Verbindungsstelle auch der angrenzende Oberflächenbereich der Werkstücke (1, 2; 5, 6) beschichtet wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas für das thermische Spritzen Stickstoff, Helium, Argon, Neon, Krypton, Xenon, ein Wasserstoff enthaltendes Gas, ein kohlenstoffhaltiges Gas, insbesondere Kohlendioxid, Sauerstoff, ein Sauerstoff enthaltendes Gas, Luft, Wasserdampf oder Mischungen der vorgenannten Gase enthält.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Gasstrahles beim thermischen Spritzen im Bereich zwischen 30 und 800 °C liegt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrahl beim thermischen Spritzen einen Druck von 5 bis 50 bar aufweist.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulverpartikel beim thermischen Spritzen auf eine Geschwindigkeit von 300 bis 1600 m/s beschleunigt werden.
  10. Werkstückverbund umfassend ein erstes Werkstück (1; 5), ein zweites Werkstück (2; 6) und eine Verbindung (3) zwischen beiden Werkstücken (1, 2; 5, 6), dadurch gekennzeichnet, daß eine durch thermisches Spritzen erzeugte Spritzschicht (3) oder mehrere durch thermisches Spritzen erzeugte Spritzschichten zumindest teilweise eine Oberfläche des ersten Werkstückes (1; 5) und zumindest teilweise eine Oberfläche des zweiten Werkstückes (2; 6) überdeckt bzw. überdecken.
  11. Werkstückverbund nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich die verbundenen Werkstücken (1, 2; 5, 6) unterhalb der Spritzschicht (3) oder der Spritzschichten berühren.
  12. Werkstückverbund nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen den verbundenen Werkstücken (1, 2; 5, 6) ein mit dem gespritzten Zusatzwerkstoff oder den gespritzten Zusatzwerkstoffen gefüllter Zwischenraum befindet.
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