DE69313980T2

DE69313980T2 - Verfahren zum Auftragschweissen an einem Werkstück mittels Plasma mit übertragenem Lichtbogen

Info

Publication number: DE69313980T2
Application number: DE69313980T
Authority: DE
Inventors: J Philippe Dacquet; Maurice Ducos; Alain Proner
Original assignee: SNMI SOC NOUV METALL IND
Current assignee: SNMI SOC NOUV METALL IND
Priority date: 1992-11-27
Filing date: 1993-11-25
Publication date: 1998-03-26
Anticipated expiration: 2013-11-26
Also published as: AU5193693A; JP3335447B2; AU660240B2; ATE158212T1; JPH06210456A; FR2698572A1; EP0599737B1; EP0599737A1; FR2698572B1; US5624717A; DE69313980D1; CA2103492A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Auftragschweißverfahren für ein metallisches Werkstück mittels Materialaufbringung durch Plasmaschweißen bzw. Plasmaspritzen.
Sie wird insbesondere für die Materialauftragschweißung bei Teilen wie Ventilen für Motoren mit interner Verbrennung angewandt.
Die Auftragschweißtechnik besteht darin, relativ dicke Schichten eines Materials auf einem Substrat herzustellen, um diesem die Qualitäten des aufgetragenen Materials zu verleihen.
Nach dieser Technik stellt man zwischen dem Substrat und dem aufgetragenen Material durch Schweißung eine metallurgische Verbindung her, was eine Erhitzung des Substrats notwendig macht, um dessen Oberfläche bei der Zuführung des Aufschweißmaterials im geschmolzenen Zustand zu schmelzen.
Dadurch entsteht in dem Substrat in der Umgebung des Auftrags eine thermisch aktivierte Zone und eine Verdünnung des Substrats in dem aufgetragenen Material.
Auftragschweißungen dieses Typs können ausgeführt werden mit Hilfe von konventionellen Schweißgeräten wie z.B. Sauerstoff-Azethylen-Brennern, und mit Geräten, die einen Lichtbogen benutzen wie die WIG-Brenner (Wolfram-Inertgas-Brenner), die MIG-Brenner (Metall-Inertbas-Brenner) und Geräten zum Plasmaschweißen bzw. -sprizen (PTA). Diese Schweißgeräte werden kontinuierlich oder diskontinuierlich mit Zufuhrmaterial in Form von Pulvern, Stäben oder Drähten gespeist.
Wenn man die Plasmaschweißtechnik (PTA) benutzt, bildet der übertragene Lichtbogen das Erhitzungselement des Auftragmaterials und der Oberfläche des das Substrat bildenden Werkstücks Das zu behandelnde Werkstück wird auf ein bezüglich der Kathode des Brenners positives Potential gebracht und der Brenner und der Plasmastrahl werden dann ganz von dem elektrischen Strom zwischen dem Brenner und dem Substrat durchflossen, der an dieses die zum Erhitzen und lokalisierten Schmelzen der Auftragschweißzone nötige Energie überträgt. Das Zufuhrmaterial wird auf der Oberfläche des Werkstücks geschmolzen, um ein flüssiges Bad zu bilden, das ununterbrochen in dem Maße erneuert wird, wie das Werkstück unter dem Brenner verschoben wird. Das Schmelzen der Oberfläche des Substrats ermöglicht eine metallurgische Verbindung, die mit der identisch ist, die man bei den Schweißverfahren antrifft.
Mit gegenwärtig benutzten klassischen Geräten, deren Düsen einen Durchmesser von 2,5 bis 4,5mm aufweisen, trägt man das Material in Form einer Schweißnaht auf, indem man das Werkstück in bezug auf den Brenner mit einer Relativgeschwindigkeit Brenner- Werkstück von 0,08m/min bis 1,10m/min verschiebt und indem man in Höhe der Düsen mittlere Stromdichten von 5 bis 12A/mm² benutzt.
Bei solchen Energien ist es im Falle von kleinen Werkstücken wie z.B. Ventilen nötig, das Werkstück während des Auftragschweißens zu kühlen, um eine Veränderung seiner Eigenschaften aufgrund der Erwärmung zu vermeiden. Diese Kühlung erreicht man im allgemeinen, indem man das Werkstück auf einem intern durch eine Wasserzirkulation gekühlten Träger anordnet.
Durch diese Techniken erhält man i.allg. Schweißnähte mit gerundetem Profil, d.h. mit einer Überdicke an aufgetragenem Material, und relativ hohen mittleren Verdünnungsgraden, z.B. in der Größenordnung von 8 bis 12%
Die vorliegende Erfindung hat genau ein Auftragschweißverfahren zum Gegenstand, bei dem die Technik des Plasmaschweißens bzw. -spritzens benutzt wird, die ermöglicht, die aufgetragene Überdicke zu begrenzen, auf die Kühlung des Werkstücks während des Auftragschweißens zu verzichten und den Verdünnungsgrad zu einzuschränken.
Erfindungsgemäß besteht das Auftragschweißverfahren zur Beschichtung eines Werkstücks mit einem Material mittels Plasmaschweißens bzw. -spritzens darin, auf dem zu beschichtenden Werkstück mehrere Schweißnähte aus dem besagten Material nebeneinander anzubringen, partiell überlappt, oder eine spiralförmge Naht aus besagtem Material mit partieller Überlappung der Windungen, um auf dem Werkstück einen Auftrag von gewünschter Breite zu erzeugen, wobei der Auftrag nur mittels Plasmaschweißens erfolgt, indem das Plasma in bezug auf das Werkstück mit einer Geschwindigkeit von 1,5 bis 50m/min verschoben wird und indem man eine derartige Plasmaleistung benutzt, daß die Oberfläche des Werkstücks über eine Dicke von höchstens gleich 0,5mm schmilzt und daß die Kornvergröberung in der geschmolzenen Zone 10% nicht überschreitet, ohne Kühlung des Werkstücks während des Auftragschweißens.
Bei diesem Verfahren wird durch eine sehr schnelle Relativverschiebung des Werkstücks in bezug auf das Plasma die Plasmaleistung besser genutzt, indem die thermisch aktivierte Zone begrenzt wird, eine Kornvergröberung in der thermisch aktivierten Zone vermieden wird und die Erhitzungsenergie abgestrahlt bzw. abgeleitet wird, ohne daß das momentan bearbeitete Stück gekühlt werden muß.
Erfindungsgemäß wird die Verschiebungsgeschwindigkeit v des Plasmas in bezug auf das Werkstück gewählt in Abhängigkeit von der Art des das Werkstück bildenden Materials, der bei der Auftragschweißoperation geschmolzenen Dicke p und dem Durchmesser d des Plasmaflecks auf dem Werkstück.
Diese Geschwindigkeit v entspricht der Formel:
in der
d der Durchmesser des Flecks ist,
p die geschmolzene Dicke des Werkstücks ist,
die volumenbezogene Masse des Werkstückmaterials ist,
η die Wärmeleitfähigkeit dieses Materials ist, und
Cp die spezifische Wärme dieses Materials ist.
Um geschmolzene Dicken von 0,5mm nicht zu überschreiten, muß sich die Geschwindigkeit innerhalb eines Bereichs von 1,5 bis 50m/min befinden.
Bei diesem Verfahren wird auch die Plasmaleistung so gewählt, daß eine geschmolzene Dicke von 0,5mm nicht überschritten wird und die Kornvergröberung gering bleibt.
Dies kann man erreichen, indem man Leistungen benutzt, die der folgenden Gleichung entsprechen:
in der U die an den Plasmabrenner gelegte Spannung ist (in V), I die Stromstärke ist (in A), v die Relativgeschwindigkeit Brenner- Werkstück ist (in m/s) und d der Durchmesser des Plasmaflecks ist (in m).
Generell trägt man auf das zu beschichtende Werkstück mehrere Schweißnähte auf, aneinandergrenzend mit partieller Überlappung der Nähte oder spiralförmig mit partieller Überlappung der Windungen, um auf dem Werkstück einen Auftrag von gewünschter Breite zu bilden.
In diesem Fall haben die Nähte oder die Windungen generell eine Breite von weniger als 2mm.
Um diese Nähte oder Windungen von sehr geringer Breite herzustellen, konzentriert man die Energie des Plasmas auf eine Zone mit einem sehr kleinen Durchmesser und erreicht so ein sehr schnelles Schmelzen der Werkstückoberfläche und des Aufschweißmaterials bei einer relativ hohen Verschiebungsgeschwindigkeit des Plasmas in bezug auf das Werkstück. Dadurch kann die dem Werkstück an seiner Oberfläche zugeführte Energie leicht abgestrahlt bzw. abgeleitet werden.
Außerdem kann man durch das Auftragschweißen von aneinandergrenzenden Nähten oder Windungen die Überdicke des Auftrags vermeiden und dadurch Aufschweißmaterial sparen.
Zudem führt die sehr enge Einschnürung des Plasmas in dem Brenner, deren Durchmesser kleiner als 2mm ist, zu sehr hohen Energiedichten (mehr als 30A/mm²), was ermöglicht, Relativgeschwindigkeiten Brenner-Werkstück von mehr als 3,5m/min zu erreichen und in der thermisch aktivierten Zone, die 0,5mm nicht überschreitet, vorzügliche metallurgische Eigenschaften zu erzielen und Auftragstrukturen, die extrem fein sind.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines der Erläuterung dienenden Ausführungsbeispiels hervor, bezogen auf die beigefügten Zeichnungen:
- die Figur 1 stellt schematisch eine Ventil-Auftragschweißvorrichtung nach der vorhergehenden Technik dar,
- die Figur 2 stellt die Form des mit der Vorrichtung der Figur 1 hergestellten Auftrags dar,
- die Figur 3 zeigt einer erfindungsgemäße Auftragschweißvorrichtung,
- die Figur 4 zeigt die Form des mit der Vorrichtung der Figur 3 hergestellten Auftrags, und
- die Figuren 5 und 6 sind Gefügebilder, die jeweils die Struktur der thermisch aktivierten Zone von Werkstücken zeigen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und nach dem Verfahren der vorhergehenden Technik beschichtet wurden.
In Figur 1 ist sehr schematisch eine Auftragschweißvorrichtung dargestellt, die ein zu beschichtendes Werkstück 1, den Träger 3 dieses zu beschichtenden Werkstücks und den Plasmabrenner 5 umfaßt, der für diese Aufschweißung benutzt wird.
In diesem Beispiel wird das Teil 1 durch ein Motorenventil mit 34mm Durchmesser gebildet, das eine gerundete Auskehlung 1a aufweist, in der das Aufschweißmaterial 7, i.allg. gebildet durch eine Abscheidung auf Kobaltbasis, aufgetragen wird.
Um diese Beschichtung auszuführen, benutzt man den Plasmaschweißbrenner 5 und beachtet die folgenden Auftragschweißbedingungen:
- Düsendurchmesser: 3mm,
- Intensität: 120A,
- Rotationsgeschwindigkeit des Trägers 3: 10 U/min
- Relativgeschwindigkeit Brenner-Werkstück: 1,06 m/min,
- Gewicht des Aufschweißmaterials pro Ventil: 79, und
- Aufschweißzeit pro Ventil: 15s.
Für dieses Aufschweißen läßt man das Ventil auf dem intern durch eine Wasserzirkulation gekühlten Träger 3 rotieren, um in der Auskehlung 1a eine Schweißnaht 7 von gerundeter Form aufzutragen. Die durch das Plasma der Oberfläche des Werkstücks 1 zugeführte Energie bewirkt dessen Erhitzung, wobei es gekühlt wird durch den Träger 3.
In Figur 2 ist die Form der hergestellt Schweißnaht dargestellt. In dieser Figur sieht man, daß die Schweißnaht 7 in der Mitte eine große Überdicke in bezug auf die für den Auftrag erforderliche Dicke e aufweist.
In Figur 1 stellt man außerdem fest, daß die mit dem Aufschweißmaterial zu beschichtende Oberfläche ein besonderes Profil aufweist, die vor der Aufschweißoperation durch maschinelle Bearbeitung hergestellt wurde, um der Form der Schweißnaht Rechnung zu tragen und das geschmolzene Zufuhrmaterial zu halten.
In Figur 3 ist eine Auftragschweißvorrichtung zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.
In dieser Figur wird das Ventil 1 durch eine geeignete Einrichtung in Drehung versetzt, ohne auf einem Kühltisch 3 angeordnet zu sein, und weist eine mit Material zu beschichtende Oberfläche 1a auf.
Auf dieser Oberfläche erzeugt man eine durch Windungen 7a, 7b, 7c gebildete Schweißnaht, indem man den Plasmabrenner 5 verschiebt, um eine spiralförmige Naht mit partieller Überlappung der Windungen unter folgenden Bedingungen herzustellen:
- Düsendurchmesser: 1,5mm
- Plasmafleckdurchmesser: 2,3mm
- Stärke (I): 60A
- Spannung (U): 30V
- Rotationsgeschwindigkeit (v): 33 U/min
- Gewicht des Aufschweißmaterials pro Ventil: 2g
- Aufschweißzeit pro Ventil: 9s.
Die hergestellte Aufschweißung weist das in Figur 4 dargestellte Profil auf. In dieser Figur sieht man, daß die Herstellung einer spiralförmigen Schweißnaht ermöglicht, die Überdicke des aufgeschweißten Materials hinsichtlich der gewünschten Dicke e zu begrenzen und somit bezüglich des Materials und der späteren maschinellen Bearbeitung zu sparen.
Außerdem beträgt die Dicke der geschmolzenen Zone bei dem Werkstück p 0,17mm und die Kornvergröberung in der thermisch aktivierten Zone Z überschreitet nicht 10%, wie man in der beigefügten Figur 5 sehen kann.
In der Figur 6 ist zum Vergleich die Struktur des mit dem Plasmabrenner nach der vorhergehenden Technik hergestellten Werkstücks dargestellt, und man kann feststellen, daß die Kornvergröberung in der thermisch aktivierten Zone Z in diesem Fall sehr viel größer ist.
In dem oben beschriebenen Beispiel beträgt die Plasmaleistung UI 1800W und das Verhältnis UI/vd ist gleich 1,349.10&supmin;&sup7;.W s/m².

Claims

1. Verfahren zum Auftragschweißen an einem metallischen Werkstück (1) durch Auftragen eines Materials mittels eines Plasmas mit übertragenem Lichtbogen, wobei das Verfahren darin besteht, auf dem Werkstück (1) mehrere Schweißnähte (7a, 7b, 7c) aus besagtem Material nebeneinander mit partieller Überdeckung der Schweißnähte aufzutragen oder eine spiralförmige Schweißnaht aus diesem Material mit partieller Überdeckung der Windungen, um auf dem Werkstück einen Auftrag mit der gewünschten Breite zu bilden, wobei der Auftrag nur durch Plasma mit übertragenem Lichtbogen (5) ausgeführt wird, indem das Plasma in bezug auf das Werkstück mit einer Geschwindigkeit von 1,5 bis 50 m/min verschoben wird und indem eine derartige Plasmaleistung benutzt wird, daß die Oberfläche des Werkstücks auf eine Dicke von höchstens gleich 0,5mm schmilzt und die Kornvergröberung in der geschmolzenen Zone 10% nicht überschreitet, ohne das Werkstück im Laufe des Auftragschweißens zu kühlen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück ein Ventil ist und daß jede Schweißnaht oder jede Windung eine Breite unter 2mm hat.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung des Plasmas folgende Gleichung befriedigt:

in der U die an den Plasmabrenner gelegte Spannung ist, I die Stromstärke in A ist, v die relative Geschwindigkeit Brenner-Werkstück ist und d der Durchmesser des Spots bzw. Flecks in m ist.