DE3905684A1

DE3905684A1 - Auftragschweissverfahren

Info

Publication number: DE3905684A1
Application number: DE19893905684
Authority: DE
Inventors: Ulrich Prof Dr Ing Draugelates; Belkacem Dr Ing Bouaifi
Original assignee: Draugelates Ulrich Prof Dr-Ing 3380 Goslar De
Current assignee: Draugelates Ulrich Prof Dr-Ing 3380 Goslar De
Priority date: 1989-02-24
Filing date: 1989-02-24
Publication date: 1990-08-30

Description

Die Erfindung betrifft ein Auftragschweißverfahren, bei dem das Anschmelzen des Grundwerkstoffes durch einen geführten Energie strahl erfolgt, während der Beschichtungswerkstoff in Form eines Drahtes oder zweier Drähte (Heißdraht) im Nachlauf des Energie strahls zugeführt und im direkten Stromdurchgang mit Hilfe des Heißdrahtprinzips unmittelbar unter Schmelztemperatur aufge heizt wird.

Bekannt ist ein Auftragschweißverfahren als Plasma-Heißdraht- Auftragschweißen, bei dem das Anschmelzen des Grundwerkstoffes durch einen oszillierenden, mit nicht abschmelzender Elektrode arbeitenden Plasmabrenner mit übertragenem Lichtbogen erfolgt. Der Grundgedanke dieses PHA-Verfahrens ist die Trennung des An schmelzens des Grundwerkstoffes und des Schmelzens des Zusatz werkstoffes zum Auftragschweißen. Bedingt durch die Trennung der zum Auftragschweißen erforderlichen Funktionen ist im Verhältnis zu anderen Verfahren ein geringerer Energiebetrag zum Anschmelzen des Grundwerkstoffes erforderlich. Dadurch kann der Plasmabrenner mit verhältnismäßig geringer Energie betrieben werden, was sich günstig auf die Ausbildung des Gefüges von Grundwerkstoff und Plattierung sowie auf die Breite der Wärmeeinflußzone auswirkt. Einbrandtiefe und Auftragdicke lassen sich unabhängig voneinander über den Plasmastrom und die Heißdrahtleistung und -zufuhr variieren.

Bei herkömmlichen Verfahren mit großen Einbränden, großen Auf mischungsgraden und Abbränden der Legierungselemente kann ein Ausgleich der Legierungszusammensetzung der Auftragschweißung nur durch ein Überlegieren des Beschichtungswerkstoffes erreicht werden. Andernfalls ist es notwendig, durch mehrere Lagen die gewünschten Eigenschaften an der Oberfläche einzustellen. Da beim PHA-Verfahren nur ein geringer Abbrand auftritt und die Aufmischung auf sehr kleine Werte eingestellt werden kann, wer den die gewünschten Eigenschaften der Auftragschweißung häufig bereits in der ersten oder zweiten Lage erreicht.

Die mit dem eingangs erläuterten Auftragschweißverfahren herge stellten Verbundsysteme aus einem mechanisch festen metallischen Grundwerkstoff und einer metallischen Schutzschicht mit gegen über dem Grundwerkstoff erhöhter Beständigkeit finden insbesonde re bei korrosions-, oxidations- und verschleißbeanspruchten Bau teilen Anwendung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Hochleistungs- Schweißverfahren zu schaffen, mit dem Verbundsysteme aus einem mechanisch festen metallischen Grundwerkstoff und einer metalli schen Schutzschicht mit gegenüber dem Grundwerkstoff erhöhter Be ständigkeit gegen Korrosions-, Oxidations- und Verschleißbean spruchungen hergestellt werden können.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß als Energiestrahl ein Laser- oder Elektronenstrahl verwendet wird, und daß zu einer stabilen Prozeßführung zumindest die geometri sche Zuordnung von Heißdraht und Laser- oder Elektronenstrahl, der Heißdraht-Vorschub sowie die Heißdraht-Stromquelle nach Maßgabe eines vorgegebenen Prozeßablaufes prozeßrechnergesteuert zeitlich abgestimmt und koordiniert werden zur Herstellung von Schichten mit einer Lagendicke < 3 mm und einer Aufmischung < 10%.

Zur Erzielung einer stabilen Prozeßführung werden die verfahrens technischen Parameter mit Hilfe eines Prozeßrechners und einer entsprechenden Software-Entwicklung optimal aufeinander abge stimmt. Bedingt durch den Einsatz des Heißdraht-Zusatzes ist eine Steigerung der Abschmelzleistung und eine Verbesserung der Qualität der Auftragschweißungen erzielbar, ohne die Wärmeein bringung in den Grundwerkstoff zu erhöhen. Hierbei lassen sich Einbrandtiefe und Auftragschichtdicke getrennt voneinander über den Laser- bzw. Elektronenstrahl und die Heißdraht-Leistung und -zufuhr variieren.

Beim Laserstrahl-Schweißen hängt die Energieumsetzung davon ab, welcher Anteil der auf den Grundwerkstoff auftreffenden Strahl energie absorbiert und in Wärme umgewandelt wird bzw. infolge von Reflexion für den Erwärmungsvorgang unwirksam bleibt. Der Laserstrahl-Wirkungsgrad hängt in erster Linie vom Reflexions vermögen des zu schweißenden Grundwerkstoffs ab, ist meist sehr schlecht und liegt in der Regel bei etwa 10% . Die Steigerung der Leistungsfähigkeit des Laserstrahl-Schweißverfahrens und da mit seiner Wirtschaftlichkeit ist - unter Gewährleistung einer hohen Schichtqualität - mit der Erhöhung der Abschmelzleistung durch die Einführung der Heißdraht-Technik verbunden. Es hat sich gezeigt, daß durch die Kombination des Laserstrahls mit der Heißdraht-Technik eine Steigerung der Abschmelzleistung um ca. 90% möglich ist, wobei das Verbundsystem allen Anforderungen an die mechanisch-technologischen Eigenschaften und die Beständig keit gegen Korrosion, Oxidation oder Verschleiß genügt.

Erfindungsgemäß ist es vorteilhaft wenn zusätzlich die Laser strahl-Fokussierung, eine Pendelbewegung des Laser- oder Elektro nenstrahles und/oder des Werkstückes, die Werkstückführung, eine Gasversorgung zum Schutz des Schmelzbades, eine Heißdraht-Was serkühlung und/oder der Heißdraht-Vorschub prozeßrechner gesteuert werden.

Besonders günstige Eigenschaften der Auftragschweißungen in Bezug auf die Schichtreinheit und Fehlerfreiheit werden dann erzielt, wenn neben der optimalen Fokussierung des Laserstrahls die geome trische Anordnung der Heißdrähte mit einem Anstellwinkel von 20 bis 40°, einem Abstand zwischen Laserstrahl und Drahtkreu zungspunkt von 0 bis 4 mm, einem Winkel zwischen den Heißdrähten von 30 bis 60° und einer freien Heißdrahtlänge von insgesamt 200 mm vorgenommen wird.

Zur Sicherstellung eines stabilen Schweißvorgangs soll eine Be einflussung des Laserstrahls durch die Entstehung eines Licht bogens zwischen den Heißdrähten vermieden werden. Daher ist es erfindungsgemäß zweckmäßig, wenn im Heißdraht-Stromkreis mit einer Arbeitsspannung von 10 bis 25 V gearbeitet wird.

Die genaue Justierung des Drahtkreuzungspunktes relativ zum La ser- bzw. Elektronenstrahl wird durch eine entsprechende Mechanik in der Heißdraht-Zufuhreinrichtung ermöglicht. Hierdurch kann eine definierte Verlagerung des Drahtkreuzungspunktes während des Schweißprozesses eine Optimierung der geometrischen Zuordnung von Heißdrähten und Laserstrahl vorgenommen werden.

Für die Zuführung der beiden vorzugsweise auf zwei Dornspulen ge wickelten Heißdrähte dienen erfindungsgemäß eine Drahtvorschub einheit mit Regelung, zwei Richtwerke und eine Drahtzuführung.

Ein vorzugsweise verwendeter Vier-Rollenantrieb erlaubt eine stu fenlose Drahtgeschwindigkeit bis zu 20 m/min.

Zur Gewährleistung einer genauen und reproduzierbaren Zuführung der Drähte wird erfindungsgemäß zwischen Dornspule und Drahtvor schubgerät ein Zwei-Ebenen-Richtwerk eingesetzt, das eine Richt genauigkeit von 10 mm Durchbiegung auf 1 m Drahtlänge erlaubt.

Fig. 1 zeigt eine schematische Konzeptdarstellung zur Durchfüh rung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das System erlaubt über die menügeführte Eingabe der Parameterdaten die Steuerung der Anlagenfunktionen im programmierten zeitlichen Verlauf des Auf tragschweißprozesses sowie die Regelung und Überwachung einzelner Prozeßgrößen nach vorgegebenen Sollwerten.

Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungs gemäßen Verfahrens.

Mit 1 ist eine handelsübliche Lasereinrichtung bezeichnet, die einen Strahlanalysator sowie eine Strahlumlenkung umfaßt. Mit 2 ist der Laserstrahl bezeichnet. Ein Werkstück 3 liegt auf einem gesteuerten Kreuzsupport 4. Die beiden Heißdrähte sind mit 5 bezeichnet. Diese Heißdrähte weisen gegenüber der Ebene des Werkstückes 3 einen Anstellwinkel α auf (siehe Fig. 2) und schließen zwischen sich einen Winkel β ein (siehe Fig. 1). Fig. 2 läßt erkennen, daß der Abstand zwischen Laserstrahl 2 und dem Drahtkreuzungspunkt 6 Null ist. Fig. 2 läßt ferner eine Justiereinrichtung 7 erkennen, wobei die eingezeichneten Pfeile deutlich machen, daß durch diese Justiervorrichtung der Drahtkreuzungspunkt 6 gegenüber dem Laserstrahl 2 justiert wer den kann.

Claims

1. Auftragschweißverfahren, bei dem das Anschmelzen des Grund werkstoffes durch einen geführten Energiestrahl erfolgt, während der Beschichtungswerkstoff in Form eines Drahtes oder zweier Drähte (Heißdraht) im Nachlauf des Energie strahls zugeführt und im direkten Stromdurchgang mit Hilfe des Heißdrahtprinzips unmittelbar unter Schmelztemperatur aufgeheizt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Energie strahl ein Laser- oder Elektronenstrahl verwendet wird, und daß zu einer stabilen Prozeßführung zumindest die geometri sche Zuordnung von Heißdraht und Laser- oder Elektronen strahl, der Heißdraht-Vorschub sowie die Heißdraht-Strom quelle nach Maßgabe eines vorgegebenen Prozeßablaufes prozeßrechnergesteuert zeitlich abgestimmt und koordiniert werden zur Herstellung von Schichten mit einer Lagendicke < 3 mm und einer Aufmischung < 10%.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu sätzlich die Laserstrahl-Fokussierung prozeßrechnergesteuert ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Pendelbewegung des Laser- oder Elektro nenstrahles und/oder des Werkstückes prozeßrechnergesteuert ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die Werkstückführung prozeßrechnergesteuert ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Gasversorgung zum Schutz des Schmelzbades prozeßrechnergesteuert ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Heißdraht-Wasserkühlung prozeßrechnergesteuert ist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich der Heißdraht-Vorschub pro zeßrechnergesteuert ist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Heißdraht unter einem Anstellwin kel (α) von 20 bis 40°, vorzugsweise 25°, bezogen auf die Ebene des Grundwerkstoffes, zugeführt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Zufuhr von zwei Heißdrähten ein Abstand zwischen Laserstrahl und Drahtkreuzungspunkt von 0 bis 4 mm, vorzugsweise 0 mm, gewählt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine defi nierte Verlagerung des Drahtkreuzungspunktes.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Zufuhr von zwei Heißdrähten ein zwischen diesen eingeschlossener Winkel (β) von 30 bis 60°, vorzugsweise 45°, gewählt wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekenn zeichnet durch die Verwendung einer freien Heißdrahtlänge von insgesamt etwa 200 mm.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Heißdraht-Stromkreis mit einer Ar beitsspannung von 10 bis 25 V gearbeitet wird.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Heißdraht auf seinem Vorschubweg gerichtet wird.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Heißdraht Fülldrähte oder Massiv drähte verwendet werden.

16. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Ein einer Drahtspule nachgeordnetes Zwei-Ebenen-Richt werk zur Erzielung einer hohen Richtgenauigkeit der Heißdrähte (5);
b) eine dem Richtwerk nachgeschaltete Drahtvorschubein richtung mit Regelung;
c) eine in der Heißdraht-Zuführeinrichtung vorgesehene Justiereinrichtung (7) zur Justierung des Drahtkreu zungspunktes (6) relativ zum Laser- bzw. Elektronen strahl (2).