NO142165B - Fremgangsmaate for styring av fremfoeringen av langstrakte materialstykker - Google Patents

Description

Fremgangsmåte og apparat til sveiseovertrekking av et arbeidsstykke.

Foreliggende oppfinnelse angår bue-sveisning og angår mer spesielt en fremgangsmåte for sveiseovertrekking av et

metallegeme.

Overflatebehandlinger omfatter avsetning av et lag metall av en sammensetning

på overflaten av et grunnmetall av samme

eller en annen sammensetning. Industrien

har lenge hatt behov for en elektrisk bue-fremgangsmåte, som kan gi sveisede me-talloverlegninger i et tykkelsesområde fra

0,025 cm til 0,318 cm og som har mindre

enn 20 pst. sveisefortynning. Tidligere

hadde lag (som var mindre enn 0,396 cm

tykkelse) fremstilt ved hjelp av fremgangsmåter med konsumerbar tråd i inert

gass eller neddyppet bueprosess vanligvis

fortynninger som var langt større enn 20

pst. Imidlertid ble utfellinger med mindre

enn 20 pst. fortynning i noen tilfeller fremstilt ved at det ble anvendt fremgangsmåter med ikke konsumerbar wolfram-elektrode ved buesveising i inert gass.

Denne fremgangsmåte har imidlertid en

alvorlig begrensning ved at overflatebe-handlingshastigheten må reduseres til under en økonomisk praktisk verdi, eller som

alternativ må avsetningstykkelsene økes til

ca. 0,245 cm, og dette kan være større enn

ønskelig. Videre krever slike kjente fremgangsmåter at overflatebehandlingsmateri-alet skal være tilgjengelig enten i tråd-eller stavform. Noen hård-overflatebe-handlingsmetaller kan, grunnet sine fysikalske egenskaper ikke trekkes til tråder,

men må støpes i korte stavlengder. Som et

resultat blir utførelsen av wolfram-inert-gass-fremgangsmåten meget vanskelig når det anvendes støpte staver som fyllmetall.

Med tidligere metallsprøytefremgangs-måter, hvor det ble anvendt enten en elektrisk bue eller en brennbar gass, ble det fremstilt overtrekk med en tykkelse i området 0,002 til 0,159 cm (med praktisk talt ingen fortynning). Slike sprøytefremgangs-måter hadde imidlertid et antall alvorlige ulemper, som inkluderer: 1. Det avsatte metall fra sprøyteover-trekning var prinsipielt mekanisk bundet til arbeidsstykket, og bindeegenskapene var forholdsvis svake. På den annen side er avsetningene ifølge foreliggende oppfinnelse en fullstendig smeltning sammen med arbeidsstykket, hvilket gir en sterk sveise-binding. Denne fysikalske karakteristikk er særlig viktig, hvor det kan ventes slag og store påkjenninger. For å forbedre bindestyrken for tidligere metallsprøyte-overtrekk ble arbeidsstykket ofte for-be-handlet ved etsing, gjort ru ved maskiner-ing eller det ble først påført et første lag av molybden før overtrekkingen. 2. På et flatt legeme var metall-sprøyteovertrekk i alminnelighet begrenset til mindre enn 0,159 cm i tykkelse og for tykk avsetning resulterte ofte i fullstendig adskillelse av overtrekket fra arbeidsstykket under overtrekningen. Nåvæ-rende avsetninger, som er sveisebundet til arbeidsstykket, behøver ikke å begrenses således i tykkelse, og det kan fremstilles avsetninger så tykke som 0,454 cm ved hjelp av foreliggende fremgangsmåte i ett arbeidstrinn. Videre resulterer flere lag ikke i en avskrelling. 3. Mikrostrukturen for tidligere avsatt metallsprøyteovertrekk besto av seg imel-lom bundne metalliske små plater, som var delvis smeltet og delvis mekanisk bundet til hverandre. Overtrekket inneholdt ofte me-talloksyder og hadde vanligvis en tetthet på mindre enn 90 pst. av det teoretiske. Ved anvendelser hvor korrosjonsmotstands-evne var viktig, begrenset dette generelt overtrekkingsmaterialet til slike som var anodiske like overfor grunnmetallet. For derfor å fremstille et smeltet overtrekk var det nødvendig med en gjentatt oppvarm-ning av overtrekket. En slik fremgangsmåte var kostbar og tidkrevende. I mot-setning til dette danner avsetningen ifølge foreliggende fremgangsmåte en fullstendig smeltet sammenhengende støpt struktur, som når 100 pst. av den teoretiske tetthet og har en ensartet, ikke-porøs overflate, som fullstendig beskytter grunnmetallet.

Ved hjelp av foreliggende fremgangsmåte kan det fremstilles sveiseoverlag på 0,025 cm tykkelse og større, som har langt mindre enn 20 pst. fortynning. Da denne fremgangsmåte anvender overflatebe-handlingsmetall i pulverform kan det anvendes nær sagt en hvilken som helst på forhånd valgt sammensetning av metall. Foreliggende fremgangsmåte byr på bedre mekaniske utførelser sammenlignet med tidligere fremgangsmåter. Videre kan lett tilgjengelige og billige legeringsrike pulver avsettes med forholdsvis høy fortynning og gir således metalloverlegg med lavere le-geringsinnhold med de ønskede egenskaper. F. eks. vil 50 pst. fortynnede avsetninger, fremstilt med ferrokrompulver med høyt karboninnhold av 66 pst. Cr, 5 pst. C, sammensetning inneholde omtrent 33 pst. krom og 2,5 pst. karbon, en vanlig legering for hård-overflate-behandlings-legering.

I foreliggende oppfinnelse kan de metalliske partikler som strømmer ut fra flammen være bare delvis smeltet. Slike partikler undergår imidlertid fullstendig smeltning ved kontakt med den smeltede dam på arbeidsstykket. Dammen skaffer oppvarmningsmediet, ved hjelp av hvilket alle de metalliske partikler smeltes ved kontakt, slik at det dannes en homogen sveiseavsetning. Dette står i kontrast til de tidligere fremgangsmåter hvor det ble anvendt bueflammer for overtrekking, hvor en del av partiklene synes bare å bli delvis smeltet ved kontakt med det forholdsvis kalde arbeidsstykke. Det skal også bemerkes at ved slike tidligere fremgangsmåter er tendensen for en del av partiklene til å oksydere så utstrakt at bindingen mellom dem er delvis smeltet og delvis mekanisk, hvilket resulterer i et porøst heterogent lag, som har forholdsvis svak binding med arbeidsstykket.

For å sikre høy effektivitet og ensartet fordeling av pulveret i bueutstrøm-ningen innføres det gasstransporterte pulver først tangentielt i et ringformet pul-verkammer. Et slikt kammer har begrenset areal og størrelse, således at pulveret med-deles en hvirvelvirkning med høy hastighet, hvorved pulveret ensartet fordeles omkring periferien i kammeret. Gasspul-verstrømmen rettes deretter ut ved passering gjennom en serie rette kanaler, som er parallelle med anordningens langsgå-ende akse, og det gassførte pulver ledes til en trakt som er konsentrisk med denne akse.

Vinkelen mellom retningen for pulver-inngangen med strømmen og aksen for en slik strøm er kritisk. Med for stor vinkel blir pulvergasstrømmen turbulent ved inn-gangspunktet i buestrømmen, hvilket resulterer i lav pulvereffekt og mulig tilstopping av pulver i pulveråpningen. På den annen side, hvis inngangsvinkelen er for liten blir pulveret utilstrekkelig oppvarmet, hvilket resulterer i at metallavsetningene på arbeidsstykket ikke er fullstendig smeltet. En pulverinngangsvinkel på 30° (med lengdeaksen) er blitt funnet å være ideell, skjønt en slik vinkel kan variere mellom 25° og 80°. Hvis vinkelen er 30° skjærer pulveret teoretisk den sentrale akse for den samlede bue ca. 0,295 cm under den bue-sammensnørende åpning.

En ytre hylse er regulerbar således at bredden på trakten kan reguleres. Den ide-elle traktbredde er en funksjon av pulver-størrelsen, gasspulverhastighet og over-flatebehandlingsmateriale. Størrelsen for trakten påvirker pulverstrømningshastig-heten og fokuseringspunktet for pulveret under dysen. Pulverkammeret virker tilfredsstillende når det anvendes pulver så stort som Tyler 20 x 30 maskestørrelsen (0,833 mm x 0,503 mm masker). Det skal bemerkes at uten kanalene ville pulveret som strømmer ut fra den nedre ringfor-mede kanal hvirvle, slik at lite eller intet pulver ville gå inn i den samlede bue. Videre blir, hvis pulveret innføres i elektrodeboringen og bringes til å passere gjennom den buesammensnørende åpning, frem-gangsmåten vanskeligere å kontrollere. Dette skriver seg fra at med forholdsvis lave, sentrale gasshastigheter har de metalliske partikler en tendens til å smelte ved dyseveggen samt til hverandre. Etter kort tid bygger de seg hurtig opp og for-andrer dysediameteren og formen, og set-ter eventuelt apparatet ut av drift.

Foreliggende oppfinnelse anvender både overførte og ikke-overførte buer, som er uavhengig av hverandre og er regulerbare for å oppfylle spesielle driftsbetingelser.

Spesielt anvendes en ikke-overført bue for å kontrollere varmen for utstrømningen og metallpulveret. Den overførte bue til-fører varme til pulveret og kontrollerer varmen til arbeidsstykket, og kontrollerer derved sveisefortynning. To uavhengig kon-trollerte kraftkilder skaffer egnede anord-ninger for valg av et stort felt av de beste driftsbetingelser. F. eks. foretrekkes det med materialer som har høyt smeltepunkt, f. eks. wolfram, å anvende en ikke-over-ført buestrøm for å lett smelting av metallpulveret. På den annen side, når det avsettes materialer, slik som rustfritt stål eller kopper, kan det anvendes en lavere, ikke-overført bueenergi. Skjønt det er elektrisk mindre effektivt kan det anvendes en variabel motstand i kretsen for å er-statte den ikke-overførte buetilførsel. Med en slik anordning tapes en del uavhengig-het for kontroll like overfor overførte og ikke-overførte buer.

Fordelen ved foreliggende oppfinnelse avhenger av en «myk» eller forholdsvis lav strømhastighet. Gasstrømmer med høy hastighet resulterer i en kraftig forstyr-relse i den avsatte dam, og gir utilfreds-stillende avsetninger. Foreliggende oppfinnelse kan følgelig utføres under anvendelse av gasstrømmer gjennom den sentrale boring i en størrelsesorden på 0,140 mytime, skjønt oppfinnelsen ikke er begrenset til dette. Strømningshastigheten for gassen som transporterer pulveret er av sekundær betydning og reguleres for det minimum ved hvilket virkningen er tilstrekkelig. Den nøyaktge verdi avhenger av typen og stør-relsen på metallpulveret og den relative beliggenhet for de forskjellige utstyrsbe-standdeler. Som beskrevet ved hjelp av eksempler varierer gasstrømningshastighe-ten fra 0,196 til 0,420 mVtime.

Det kan anvendes forskjellige gasser for foreliggende fremgangsmåte, f. eks. argon, helium, hydrogen, nitrogen, karbon-monoksyd, eller blandinger av disse, avhengig av om det skal anvendes en inert, reduserende eller meget høy temperatur-strøm. Den sentrale buestrøm kan også være forskjellig fra den pulvertransport-erende gass. Når det overflatebehandles med visse materialer og avhengig av de spesielle betingelser, kan det være ønskelig

å anvende hjelpegassbeskyttelse omkring buesonen for å hindre atmosfærisk foru-rensning av det smeltede lag. Dette opp-nås ved hjelp av en porøs skive, som holdes av en sylindrisk vegg, festet til brenneren.

Gass tilføres kammeret ved hjelp av et inntaksrør.

Det er blitt funnet at det kan anvendes likestrøm med rett eller omvendt polaritet

eller en vekselstrøm for de overførte eller ikke-overførte buer. Imidlertid foretrekkes likestrøms rett-polaritet.

Buebegrensende dyser i områder med en diameter fra 0,32 til 0,80 cm er blitt forsøkt, skjønt 0,40 til 0,48 cm diameter er mest hensiktsmessig for sveiseovertrekking. Det anvendes en 0,40 cm diameter når små områder skal overflatebehandles og hvor det er ønskelig med en «stiv» bue for å hindre «buevandring». Oppfinnelsen ble anvendt ved overflatebehandling av ventilflater for biler. Det foretrekkes en åpningsdiameter på 0,48 cm når det er ønskelig med en «myk» bue. Jo større åp-ningsdiameteren er jo større er buens tendens til å vandre, mens jo mindre åpnings-diameteren er jo «stivere» blir buen, og sveisegjennomtrengningen blir større. Elek-trodens tilbaketrekning, dvs. avstanden mellom elektrodespissen og den nedre ende på dyseåpningen er ideelt lik åpningsdia-meteren. For stor tilbakesetning reduserer varmen i utstrømningen og kan medføre at den ikke-overførte bue slår over på innsiden av elektrodeboringen og resulterer i vanskeligheter ved starting av overført bue samt ødeleggelse av innsiden på brenneren. For liten tilbakesetning resulterer i en ikke-samlet bue som er uegnet.

Metalliske pulverstørrelser i området fra Tyler 150 x D (0,104 mm x støvmaske) opp til 20 x 30 (0,833 mm x 0,503 mm maske) er tilfredsstillende. De finere stør-relser smeltes lettere i buen og anvendes når det er ønskelig med en homogen avsetning. De større størrelser anvendes i spesielle tilfeller når det er ønskelig å fremstille en heterogen avsetning med lite smeltning av pulvertilsetningen. Et eksempel på det siste tilfelle er klart når det er ønskelig å avsette wolfram-karbid-partikler i en masse av grunnmetall.

På tegningen er i fig. 1 vist skjema-tisk, delvis i tverrsnitt, en overflatebehand-lingsapparatur som illustrerer oppfinnelsen,

fig. 2 og 3 er tverrsnitt etter linjene

2—2 og 3—3 av brenneren som vist på fig. 1,

fig. 4 er et riss i likhet med fig. 1 av en

modifikasjon, og

fig. 5 er et diagram som viser vinkel-

området for traktpassasjen med brennerens akse.

Som vist på fig. 1 har brenneren T en innvendig sylindrisk boring 10, som av-sluttes ved den nedre ende i en buestabili-serende åpning 12, som har en sylindrisk indre vegg. Sentrert aksielt i denne boring og elektrisk isolert fra brennerlegemet er en ikke-konsumerbar elektrode 14 av slikt materiale som wolfram, vannavkjølt kopper eller kopper forsynt med wolframspiss. En regulerbar sveisekraftkilde 16 er forbundet mellom elektroden 14 og legemet 18 over en ikke-overført bryter 24. Kraftkilden 16 kontrollerer driftkarakteristikken for den ikke-overførte bue mellom elektroden 14 og åpningen 12 i dysen 19 for legemet 18.

En annen regulerbar sveisekraftkilde 26 er forbundet mellom elektroden 14 og arbeidsstykket 28 over en overført bue-krets, omfattende ledere 30 og 32, idet den førstnevnte inneholder en bryter 34. For-målet med kraftkilden 26 er å kontrollere den overførte buekraft mellom elektroden 14 og arbeidsstykket 28, hvorved oppvarm-ningsgraden for arbeidsstykket og den relative sveisefortynning kontrolleres. De to kraftkilder 16 og 26 er forbundet (i tilfelle av likestrøm), således at elektroden 14 har rett polaritet. Det innrøres en beskyttelsesgass, f. eks. argon, i boringen 10 for å beskytte elektroden og opprettholde den ikke-overførte bue samt den overførte bue.

Det metalliske pulver 35 lagres i en lufttett pulvertrakt 36. Fra trakten passerer pulvermassen gjennom en regulerbar tut 38 over på overflaten for et hjul 40 som kan rotere med forskjellig hastighet. Pulveret faller fra det roterende hjul 40 og transporteres til brenneren T ved hjelp av en bæregass, f. eks. argon, tilført gjennom ledningen 42. Gass innføres også i toppen av trakten ved hjelp av en gren 44 for å opprettholde et konstant trykk på toppen av pulveret 35 for å sikre ensartet utmatning gjennom tuten 38. Pulverstrøm-ningshastighetene varieres ved å forandre avstanden mellom trakt-tut og hjul og/ eller hjulhastighet.

Gassført pulver fra anordningen D fø-res tangentielt inn i et ringformet pulver-kammer 46, fig. 3, i brenneren T. Dette kammer 46 har et slikt areal og størrelse at det meddeler pulveret en hvirvelvirkning med høy hastighet, og fordeler derved pulveret ensartet omkring kammerets periferi. Denne gassførte pulverstrøm rettes deretter ut ved passering gjennom en rekke parallelle kanaler 48, som er anbragt i avstand fra hverandre omkring periferien for dysen og er parallelle med brennerens lengdeakse. Etter å ha forlatt kanalene 48, føres det gassførte pulver videre ved hjelp av en konisk trakt 50, således at det kommer inn i buestrømmen umiddelbart under men så nær åpningen 12 som mulig. Trakten 50 er konsentrisk med lengdeaksen for brenneren T, og den skråttstilte akse for en slik passasje har en vinkel på 25° til 80° med hensyn til aksen «a». Dette pulver-fordelingssystem skaffer ensartet pulver-fordeling i den rettede bue og gir høy pulveropphetningseffekt. En hylse 52 som omslutter pulverkammeret og passasjer og hjelper til å føre pulveret til buestrømmen er aksielt regulerbar ved hjelp av en mut-ter 54 gjenget til brennerlegemet ved 56. Dette tillater regulering av bredden av den koniske trakt 50 for optimum pulveropp-varmningseffekt. Det er skaffet vannavkjø-ling av brennerlegemet 18 og hylsen 52, hvilket inkluderer et vanninntak 58, passasje 60 i legemet 18, passasje 62 i hylsen 52 og vannuttak 64. Gass går inn i brennerlegemet gjennom inntaket 66.

Som vist på fig. 1 kan brenneren være forsynt med hjelpegassbeskyttelsesanord-ninger, slik som et porøst legeme 67, som holdes på plass ved hjelp av et hus 69, som er gjenget inn på legemet 52, og inn i hvilket det avgis egnet beskyttelsesgass via inntaket 71.

Når det er etablert en overført bue mellom enden på elektroden 14 og arbeidsstykket 28, tar buen form av den indre vegg for åpningen 12, og gir en samlet bue som er vegg-stabilisert. Gassført pulver innfø-res ved hjelp av trakten 50 i strømmen, hvor det oppvarmes, akselereres gjennom uttaket 68 for dysen 70 i hylsen 52 og avsettes på arbeidsstykket 28.

Ved drift blir brennergassen og kjøle-vannet først slått på. Den åpne kretsspen-ning for kraftkilden 16 påtrykkes over elektroden 14 og brennerlegemet 18 ved å lukke bryteren 24. Deretter påtrykkes enten mo-mentan puls av høyfrekvensstrøm mellom elektroden 14 og dysen 19, eller ved «touch» starting, tennes en ikke-overført bue. Gass-ført metallisk pulver kommer ut fra pulver-utleveringsanordningen D, passerer gjennom brenneren T og går deretter sammen med strømmen med høy temperatur umiddelbart under åpningen 12. En overført bue mellom elektroden 14 og arbeidsstykket 28 etableres ved å lukke bryteren 34. Når brenneren T gis en lineær bevegelse i forhold til arbeidsstykket 28 avsettes en strimmel. Brenneren T kan også bringes til å oscillere på tvers av bevegelsesretningen og således gi forholdsvis brede avsetninger.

Den overførte bue slukkes ved å åpne bryteren 34. Den ikke-overførte bue tjener deretter som sparebue som holder brenneren i en tilstand ferdig for bruk. Noen gan-ger kan det være ønskelig bare å bruke den overførte bue, f. eks. når det avsettes materialer med forholdsvis lavt smeltepunkt, f. eks. kopper. Her åpnes den ikke-overførte buebryter 24 umiddelbart etter at det er etablert en overført bue, og lukkes igjen umiddelbart før slukningen av den over-førte bue.

Som vist på fig. 4 omfatter kretsen en variabel motstand 72 i krets med bare en kraftkilde 74, hvori kontrollen av den energi som tilføres den ikke-overførte bue fremkalles ved regulering av den variable motstand 72. Med denne modifikasjon an-ordnes bryteren 76 og 78 for å kunne bryte den overførte bue og den ikke-overførte bue, henholdsvis på «på» og «av».

Som vist på fig. 1 øker gass som er innført aksielt i brenneren T med ca. 135 l/time i hastighet etter at den samtidig er blitt sammensnørt og også termisk oppvarmet ved energi fra den ikke-overførte bue og/eller den overførte bue, og den nevnte gass kombineres etter som den kommer ut fra brenneråpningen med det gass-førte metalliske pulver. Den dannede strøm har tilstrekkelig lav hastighet til at sveise-dammen ikke blåses bort fra buesonen på arbeidsstykket 28.

Følgende tabell angir typiske driftsbetingelser som er funnet egnet for sveise-overflatebehandling med jern, nikkel, kopper, wolfram og kobolt som grunnmateri-aler ifølge foreliggende oppfinnelse. Disse avsetninger er sveisebundet til arbeidsstykket og har 100 pst. av den teoretiske tetthet. Ved å kontrollere variable, slik som termisk energioverføring, åpningsstørrelse, beskyttelsesgass og pulverstørrelse kan det avsettes et stort antall materialer ved svei-sing.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte til sveiseovertrekking av et arbeidsstykke, omfattende ut-tømning av en gass gjennom en dyse som har en indre sylindrisk vegg som omgir endedelen av en ikke-konsumerbar elektrode i konsentrisk avstandsforhold og dannelse av en bue mellom enden av elektroden og dysen, idet buen sendes sammen med den nevnte gasstrøm inn i en innsnevret passasje i dysen, hvorved en sterkt oppvarmet kombinert bue- og gasstrøm føres til uttømning fra passasjen og over-trekningsmaterialet mates i form av gass-ført pulver inn i den nevnte bue- og gass-strøm, og denne pulverførende strøm rettes mot overflaten på arbeidsstykket, karakterisert ved at det nevnte pulver i form av en konvergerende konisk strømning innføres i bue- og gasstrømmen vesentlig i nedstrømsretningen for utløpet for den innsnevrede passasje.

2. Fremgangsmåte ifølge påstand 1, karakterisert ved at der også etableres en bue mellom arbeidsstykket og stav-elektroden.

3. Fremgangsmåte ifølge påstand 1, karakterisert ved at det gassførte pulver rettes inn i bue- og gasstrømmen med en inngangsvinkel på mellom 25 og 80°.

4. Fremgangsmåte ifølge påstand 2 og 3, karakterisert ved at gasshast-igheten og konsentrasjonen for pulveret i bue- og gasstrømmen reguleres i forhold til den del av den elektriske strøm som tilføres til de respektive buer for å kontrollere fortynningen av overtrekket.

5. Apparat for utførelse av fremgangs-måten som angitt i påstandene 1—4, hvilket omfatter en buebrenner bestående av en ikke-konsumerbar stavelektrode anbrakt i en dyse, idet enden av elektroden er an- ordnet koaksialt inne i en innsnevret ut-løpspassasje i dysen, og enden av dysen er anbrakt nær utløpet for en annen dyse, idet den første dyse kommuniserer med en gasskilde og rommet mellom den første og annen dyse kommuniserer med en kilde for pulverisert overtrekksmateriale, samt en buestrømtilførselskrets forbundet mellom stav-elektroden og dysen, karakterisert ved at de nevnte dyser omfatter en ytre dyse og en indre dyse som har tilpassede koniske overflater som skaffer en traktlignende vei for strømning av det pulveriserte overtrekksmateriale inn i lys-buestrømmen som passerer mellom de to dyser.

6. Apparat ifølge påstand 5, karakterisert ved at utløpsåpningen for den ytre dyse er større enn åpningen for den indre dyse.

7. Apparat ifølge påstand 5 eller 6, karakterisert ved at det er anord-net reguleringsinnretninger for kontrollering av bredden på den traktliknende vei.

8. Apparat ifølge en hvilken som helst av påstandene 5—7, karakterisert ved at hellingsvinkelen for den traktliknende vei med den første dyses lengdeakse er mellom 25 og 80°.

9. Apparat ifølge påstand 7, karakterisert ved at en annen buestrøm-tilførselskrets er forbundet mellom stav-elektroden og arbeidsstykket.

10. Apparat ifølge påstand 7, karakterisert ved at minst en av de nevnte buestrømtilførselskretser er forsynt med en regulerbar impedans for kontrollering av den kraftmengde som tilføres den tilsva-rende bue.