DE112015001324T5

DE112015001324T5 - Automatisches System zum abrasiven Hartauftragsschweißen

Info

Publication number: DE112015001324T5
Application number: DE112015001324.5T
Authority: DE
Inventors: Scott W. BEARY; Michael J. PROFFITT; Wanti Muchtar; David Landon; Bjorn Johnson; Clint A. WEINBERG
Original assignee: Vermeer Manufacturing Co
Current assignee: Vermeer Manufacturing Co
Priority date: 2014-03-18
Filing date: 2015-03-18
Publication date: 2017-01-05
Also published as: AU2015231297A1; CN106102976A; WO2015143081A1

Abstract

Es werden Schweißsysteme, Schweißvorrichtungen und Schweißverfahren, einschließlich einer Partikelspeisevorrichtung, zum Hartauftragsschweißen bereitgestellt. In einem Aspekt wird das Werkstück in einer Schwingungsweise bewegt, während der Schweißbrenner und das Partikelzufuhrsystem während wenigstens eines Abschnitts des Schweißdurchgangs stationär gehalten werden. Der Schweißbrenner und das Partikelzufuhrsystem können außerdem in einer Nicht-Schwingungsweise bewegt werden. Es können Prozessgeschwindigkeiten von etwa 18–30 in/min bei einer Carbideinfügung, die größer als 30% ist, und einer gleichmäßigen Verteilung erhalten werden.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldungen Nrn. 61/955.078, eingereicht am 18. März 2014, 62.077.142, eingereicht am 7. November 2014, und 62/088.278, eingereicht am 5. Dezember 2014, die hier alle durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen sind.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Das Hartauftragsschweißen ist ein Metallbearbeitungsprozess, bei dem ein härteres oder widerstandsfähigeres Material auf einem Basismetall, typischerweise durch einen Lichtbogenschweißprozess, aufgetragen wird. Es ist eine übliche Technik zum Bewerkstelligen des Hartauftragsschweißens, ein Schmelzbad in einem Bereich, in dem das Hartauftragsschweißen auszuführen ist, zu bilden und gleichzeitig Partikel mit vorteilhaften Verschleiß- und/oder Schleifeigenschaften in das Schmelzbad zuzuführen, wobei bei der Erstarrung effektiv ein Oberflächenverbundwerkstoff erzeugt wird.
Einige aktuelle auf der Robotertechnik basierende Hartauftragsschweißsysteme verwenden ein an einem gegebenen Ort fixiertes Werkstück mit einer beweglichen Lichtbogenschweißeinheit und einem gleichzeitig arbeitenden Speisesystem für die Partikel (z. B. Wolframcarbid), die gemeinsam verwendet werden, um das gewünschte Hartauftragsschweißen auszuführen. Ein derartiges Speisesystem enthält im Allgemeinen einen stationären Behälter/eine stationäre Quelle des Carbids, eine vibrierende Durchflussdosierungsvorrichtung, die unter dem Behälter/der Quelle befestigt ist, einen Ausspeisungsmechanismus und einen Zufuhrschlauch, der vibrierende Durchflussdosierungsvorrichtung und den Ausspeisungsmechanismus miteinander verbindet. Der stationäre Behälter und die zugeordnete vibrierende Durchflussdosierungsvorrichtung sind oft an einer Position mehrere Fuß über der Schweißzone befestigt, um teilweise eine ausreichende Strömung des Carbids durch den Zufuhrschlauch zu erzeugen (d. h., einen ausreichend steilen Strömungswinkel bereitzustellen, um die Bewegung des Carbids durch den Zufuhrschlauch sicherzustellen) und um den Schweißbereich angemessen frei von Verschmutzungen zu halten, um den Arbeitsbereich zu maximieren. Der Ausspeisungsmechanismus ahmt andererseits die Bewegung der beweglichen Lichtbogenschweißeinheit nach, so dass die über den Ausspeisungsmechanismus zugeführten Partikel in die geschmolzene Zone des durch die Lichtbogenschweißeinheit erzeugten Lichtbogen-Schmelzbads zugeführt werden können. Diese Art der Bewegung wird normalerweise durch das Befestigen des Ausspeisungsmechanismus an der Lichtbogenschweißeinheit sichergestellt.
Eine schematische Version des Standes der Technik eines derartigen vibrierenden Carbid-Hartauftragsschweißsystems 510 (von dem eine Variante durch Rankin Carbide Automation (Rancho Cucamonga, CA) verfügbar ist) ist in 1 veranschaulicht. Dieses System 510 enthält eine Vibrationsfördereranordnung 535, einen eingebauten Carbidbunker oder -behälter 532, einen Zufuhr- oder Fallschlauch 567, einen Dosierungstrichter 564, ein Dosierungsrohr 514 und eine Schweißpistole 512. Es sind außerdem ein Partikelspeisesystem 516, ein Schwingarm 571, eine Tischplatte 580, eine Carbidauffangschale 582 und ein Controller 585 gezeigt. Die Vibrationsfördereranordnung 510 ist eingestellt, um z. B. mit 70–85 cps (Zyklen pro Sekunde) zu schwingen, um die Zufuhr des Carbids zu dem Schweißbad zu fördern. Die Schweißpistole 512 ist, wenn sie als ein Teil eines automatischen Prozesses verwendet wird, imstande, mit einer Rate von etwa 1–5 Hz mit einer Amplitude von 1–9 mm zu schwingen, wobei sie Schweißraupen erzeugt, die etwa 5/8 Zoll-1 Zoll breit (maximal 1,5 Zoll breit) sind. Das System ist dafür ausgelegt, das Carbid in die hintere Seite des Schmelzbades zu zielen.
Weil sich der Ausspeisungsmechanismus in der Form des Dosierungsrohrs 514 bewegt und der Behälter 532 stationär ist, führt diese Kombination als Teil eines Hartauftragsschweiß-Produktionsprozesses in der Massenproduktion dazu, dass der Zufuhrschlauch 567 an einem Ende befestigt ist und sich an dem anderem ziemlich schnell bewegt. Der Zufuhr- oder Fallschlauch kann eine Länge in der Größenordnung von fünf Fuß aufweisen, während das Dosierungsrohr eine Länge in der Größenordnung von vier Zoll aufweisen kann. Diese Dynamik, die der Bewegung des Zufuhrschlauchs 567 zugeordnet ist, und dessen Gesamtlänge erzeugt eine Anzahl von Herausforderungen. Erstens verursachen die Harmonischen in dem Zufuhrschlauch eine Schwappwirkung darin, die verursachen kann, dass der Zufuhrschlauch 514 ziemlich schnell abgenutzt wird. Zweitens machen es dieselben Harmonischen/dieselbe Bewegung es viel schwieriger, die Anordnung des Carbids/des Schleifmittels innerhalb des Schmelzbades zu steuern und gleichermaßen eine gleichmäßige Verteilung des Schleifmittels überall in der fertiggestellten Schweißraupe zu erreichen. Außerdem wird eine Falllänge von wenigstens 4–5 ft typischerweise verwendet, um über den vollen Bewegungsbereich des Ausspeisungsmechanismus eine angemessene Strömung durch den Zufuhrschlauch 567 sicherzustellen (d. h., der Winkel des Zufuhrschlauchs 514 muss sich nah genug an der Vertikalen befinden, um ein Verstopfen zu vermeiden). Infolge dieser großen Falllänge und der Dichte der Carbidpartikel können die Geschwindigkeit und der Impuls, die durch das Carbid/die Partikel erreicht werden, beim Aufprall auf dem Schmelzbad signifikant sein, was das Spritzen des Carbids und/oder des Schweißguts fördern kann, wobei keines von diesen eine gute, gleichmäßige Hartaufschweißung fördern würde. Infolge der Schwierigkeit beim Steuern der Anordnung des Schleifmittels an dem gewünschten Ort kann schließlich eine unerwünschte Menge des Schleifmittels auf dem Boden enden und/oder anderweitig zu Abfall werden. Es ist entsprechend der Wunsch, ein System bereitzustellen, das eine oder mehrere dieser Herausforderungen überwinden kann.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In verschiedenen Aspekten stellt die Erfindung Vorrichtungen und Systeme und Verfahren zum Auftragen von Carbidpartikel enthaltenden Aufschweißmaterialien bereit. Die Vorrichtungen, Systeme und Verfahren der Erfindung können die Herstellung von Carbid enthaltenen Hartaufschweißungen mit einer guten Einlagerung und Verteilung von verschleißfesten Partikeln innerhalb der Hartaufschweißung ermöglichen. Die Ausführungsformen der vorliegenden Vorrichtungen, Systeme und Verfahren, in denen eine Schwingungsbewegung des Schweißbades verursacht wird, können derartige Faktoren wie die Mischung/Verteilung des Carbids/Partikelstoffs innerhalb des Schweißbades und eine verringerte Gelegenheit der Kernbildung des Materials der sekundären Phasen unmittelbar an dem hinzugefügten Aufschweißmaterial verbessern, was innerhalb der resultierenden Aufschweißmikrostruktur überraschend vorteilhafte Ergebnisse erzeugen kann. Die bereitgestellten Vorrichtungen, Systeme und Verfahren können außerdem den Abfall der verschleißfesten Partikel im Vergleich zu den herkömmlichen Vorrichtungen, Systemen und Verfahren verringern.
In einem Aspekt der Offenbarung enthält ein Lichtbogenschweißsystem einen Lichtbogenschweißbrenner, ein Partikelzufuhrsystem und eine bewegliche Werkstückhalterung. In den Ausführungsformen ist während eines gegebenen Lichtbogenschweißdurchgangs der Lichtbogenschweißbrenner bezüglich des Werkstücks stationär oder ist die Bewegungsgeschwindigkeit der Spitze des Schweißbrenners kleiner als die des Werkstücks. Es wird hier demonstriert, dass die Bewegung des Werkstücks, während der Schweißbrenner und das Partikelzufuhrsystem während eines Schweißdurchgangs stationär gehalten werden, die in das Schweißbad aufgenommene Anzahl der Partikel im Vergleich zu einem Schweißdurchgang, bei dem das Werkstück stationär gehalten wird und der Schweißbrenner bewegt wird, vergrößern kann. In einer Ausführungsform ist die Schwingungsbewegung des Werkstücks während des Schweißdurchgangs so gewählt, um die Mischung zu verbessern und/oder die Bildung von Kernbildungsstellen innerhalb des Schweißbades zu unterbrechen, was die Erstarrung des Bades wesentlich verlangsamt. Weil es einen sehr kurzen verfügbaren Zeitraum (z. B. einem Bruchteil einer Sekunde) gibt, um die Partikel innerhalb des Schweißbades unterzubringen, bevor das Bad viskos wird und schließlich erstarrt, können es die Prozesse der Erfindung unterstützen, den verfügbaren Zeitraum zu maximieren, um das gewünschte Niveau der Carbidimprägnierung zu erhalten. Zusätzlich kann die Bewegung des Werkstücks während des Schweißdurchgangs die Auflösung und/oder Bildung einer sekundären Phase (sekundärer Phasen) an der Grenzfläche der Wolframcarbidpartikel verringern.
In einer weiteren Ausführungsform ermöglicht die Schwingungsbewegung des Werkstücks, während der Schweißbrenner stationär gehalten wird oder die Spitze des Schweißbrenners mit einer relativ niedrigen Geschwindigkeit bewegt wird, die Verwendung hoher Geschwindigkeiten in der Richtung des Schweißdurchgangs. Es kann z. B. eine Prozessgeschwindigkeit von etwa 10–40 in/min und spezieller 15–30 in/min und sogar 20–30 in/min durch das Bewegen des Werkstücks über die sich bewegende Werkstückhalterung und die Verwendung einer Schwingungsbewegung mit einer endgültigen ”Vorwärts”-Bewegung in der Richtung des Schweißdurchgangs erhalten werden. Die Wirkungsgrade beim Erhalten des Carbids in dem Bad, die den Prozessen der vorliegenden Erfindung zugeordnet sind, können erwünschte Hartaufschweißungen erzeugen, während sie schnellere Prozessgeschwindigkeiten als jene Geschwindigkeiten (z. B. 10–12 in/min oder weniger), die typischerweise bei der Verwendung einer sich bewegenden Pistole/eines sich bewegenden Fallrohrs und einer stationären Probe zugeordnet sind, ermöglichen. In einem weiteren Aspekt der Erfindung können relativ hohe Schweißstromstärken und Drahtvorschubgeschwindigkeiten im Zusammenhang mit relativ hohen geradlinigen Schweißprozessgeschwindigkeiten verwendet werden. In einer Ausführungsform weist die Einlagerung relativ großer Mengen von Carbidpartikeln eine größere Kühlwirkung auf das Schmelzbad auf, was die Verwendung relativ hoher Schweißstromstärken und Drahtvorschubgeschwindigkeiten erlaubt.
In einer Ausführungsform stellt die Erfindung ein Schweißsystem zum Bilden einer Aufschweißschicht auf einem Werkstück bereit, wobei das Schweißsystem Folgendes umfasst:

a. einen Lichtbogenschweißkopf, der in einem für eine Lichtbogenschweißoperation förderlichen Winkel im Wesentlichen abwärts orientiert ist, wobei der Lichtbogenschweißkopf konfiguriert ist, während eines gegebenen Lichtbogenschweißdurchgangs der Lichtbogenschweißoperation stationär und/oder auf eine Nicht-Schwingungsbewegung eingeschränkt zu sein;
b. ein Partikelzufuhrsystem, das ein Partikelfallrohr und eine Partikelspeisevorrichtung umfasst, wobei die Partikelspeisevorrichtung unmittelbar an dem Partikelfallrohr positionierbar ist, um während des Betriebs des Lichtbogenschweißkopfs einen im Wesentlichen vertikalen Fluidströmungsweg dazwischen aufrechtzuerhalten, das Partikelzufuhrsystem konfiguriert ist, während eines gegebenen Lichtbogenschweißdurchgangs eine Partikelströmung über das Partikelfallrohr zu einer Oberfläche eines Werkstücks bereitzustellen, und das Partikelfallrohr eine obere Aufnahmeöffnung und eine untere Zufuhröffnung definiert und unmittelbar an dem Lichtbogenschweißkopf befestigt ist; und
c. eine bewegliche Werkstückhalterung, die konfiguriert ist, das Werkstück während des Betriebs des Lichtbogenschweißkopfes automatisch zu bewegen, wobei die Bewegung des Werkstücks dessen Schwingung mit einer Frequenz von 1 Hz bis 10 Hz umfasst.

In einer Ausführungsform sind sowohl der Lichtbogenschweißkopf, das Partikelfallrohr als auch die Partikelspeisevorrichtung konfiguriert, während eines gegebenen Lichtbogenschweißdurchgangs stationär und/oder auf eine Nicht-Schwingungsbewegung eingeschränkt zu sein.
In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung ein Schweißsystem zum Bilden einer Aufschweißschicht auf einem Werkstück bereit, wobei das Schweißsystem Folgendes umfasst:

a. einen Lichtbogenschweißkopf, der in einem für eine Lichtbogenschweißoperation förderlichen Winkel im Wesentlichen abwärts orientiert ist, wobei der Lichtbogenschweißkopf konfiguriert ist, während eines gegebenen Lichtbogenschweißdurchgangs der Lichtbogenschweißoperation stationär und/oder auf eine Bewegung oder eine Gelenkverbindung in einer Nicht-Schwingungsweise eingeschränkt zu sein;
b. ein Partikelzufuhrsystem, das ein Partikelfallrohr, das unmittelbar an dem Lichtbogenschweißkopf befestigt ist, und eine Partikelspeisevorrichtung umfasst, wobei die Partikelspeisevorrichtung unmittelbar an dem Partikelfallrohr positionierbar ist, um während des Betriebs des Lichtbogenschweißkopfs einen im Wesentlichen vertikalen Fluidströmungsweg aufrechtzuerhalten, das Partikelzufuhrsystem konfiguriert ist, während des gegebenen Lichtbogenschweißdurchgangs eine Partikelströmung über das Partikelfallrohr zu einer Oberfläche eines Werkstücks bereitzustellen, und das Partikelfallrohr eine obere Aufnahmeöffnung und eine untere Zufuhröffnung definiert und unmittelbar an dem Lichtbogenschweißkopf befestigt ist;
c. eine bewegliche Werkstückhalterung, die konfiguriert ist, das Werkstück während des Betriebs des Lichtbogenschweißkopfes automatisch zu bewegen, wobei die Bewegung der Arbeit

In einer Ausführungsform sind sowohl der Lichtbogenschweißkopf, das Partikelfallrohr als auch die Partikelspeisevorrichtung konfiguriert, während eines gegebenen Lichtbogenschweißdurchgangs an einer im Wesentlichen festen Position gehalten zu sein oder auf eine Nicht-Schwingungsbewegung eingeschränkt zu sein. Eine relativ einfache Bewegung des Schweißkopfes um ein festes axiales System (d. h., im Wesentlichen nicht schwingend) und/oder entlang einer linearen Richtung kann das Hartauftragsschweißen um die Ecken eines Teils fördern. Die Partikelzufuhrvorrichtung kann mit dem Schweißkopf bewegt werden, um die Partikelzufuhr zu dem Schweißkopf zu fördern. In einer weiteren Ausführungsform, wie z. B. wenn das Hartauftragsschweißen um die Ecken eines Teils ausgeführt wird, können der Lichtbogenschweißkopf, das Partikelfallrohr und die Partikelspeisevorrichtung eine einfache Bewegung bereitstellen, wie oben erörtert worden ist, um die benötigten Winkel zu fördern. In einer Ausführungsform sind sowohl der Lichtbogenschweißkopf, das Partikelfallrohr als auch die Partikelspeisevorrichtung konfiguriert, während eines gegebenen Lichtbogenschweißdurchgangs des Lichtbogenschweißsystems stationär gehalten zu sein.
In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung ein Lichtbogenschweißsystem bereit, das Folgendes umfasst:

a. einen Lichtbogenschweißbrenner, der konfiguriert ist, ein geschmolzenes Schmelzbad auf einem Werkstück zu bilden, wobei der Lichtbogenschweißbrenner konfiguriert ist, um während eines gegebenen Lichtbogenschweißdurchgangs entweder gelenkig angebracht oder stationär gehalten zu sein;
b. ein Partikelfallrohr, das unmittelbar an dem Lichtbogenschweißbrenner befestigt ist;
c. eine Partikelspeisevorrichtung, die konfiguriert ist, eine Partikelströmung zu dem Partikelfallrohr bereitzustellen, wobei die Partikelspeisevorrichtung ferner konfiguriert ist, während eines gegebenen Lichtbogenschweißdurchgangs höchstens einen Freiheitsgrad aufzuweisen, und die Partikelspeisevorrichtung konfiguriert ist, während eines gegebenen Schweißdurchgangs einen im Wesentlichen vertikalen Strömungsweg mit dem Partikelfallrohr aufrechtzuerhalten; und
d. eine bewegliche Werkstückhalterung, die konfiguriert ist, während des Betriebs des Lichtbogenschweißbrenners ein Werkstück zu bewegen oder gelenkig anzubringen, wobei die Bewegung ihre Schwingung umfasst.

In einer Ausführungsform ist das bewegliche Werkstück konfiguriert, das Werkstück während des Betriebs des Lichtbogenschweißbrenners automatisch zu bewegen. In einer Ausführungsform wird die Schwingung mit einer Frequenz im Bereich von 1 Hz bis 10 Hz ausgeführt. In einer Ausführungsform ist die bewegliche Werkstückhalterung konfiguriert, das Werkstück während des Betriebs des Lichtbogenschweißbrenners zu bewegen oder anderweitig gelenkig anzubringen (z. B. eine Translations- und/oder Drehbewegung bereitzustellen). In einer Ausführungsform wird bzw. ist die Werkstückhalterung durch einen Werkstückmanipulations-Roboterarm bewegt oder gelenkig angebracht. In einer Ausführungsform stellt der Roboterarm wenigstens drei Bewegungsachsen bereit. In einer Ausführungsform kann die Bewegung oder die Gelenkverbindung des Werkstücks z. B. durch eine Roboterarm- und Kopfkombination erreicht werden, die sechs Freiheitsgrade ermöglicht (die Translation in den x-, y-, z-Richtungen; die Drehung um die x-, y-, z-Achsen). In einer Ausführungsform kann die bewegliche Werkstückhalterung einen Vorwärts- oder seitlichen Fortschritt in einer ersten Richtung und ein Schwingen in einer zweiten Richtung mit Ausnahme der ersten Richtung aufrechterhalten. In einer Ausführungsform kann die bewegliche Werkstückhalterung einen Vorwärts- oder seitlichen Fortschritt in einer ersten Richtung mit einer Rate von 15 bis 30 Zoll pro Minute aufrechterhalten. In einer Ausführungsform stellt der Roboterarm ausreichende Bewegungsachsen bereit, damit das Hartauftragsschweißen an den Ecken und auf der Oberfläche auf verschiedenen Ebenen in einem einzigen Schweißprozess ausgeführt werden kann, ohne die Schweißraupe starten und stoppen zu müssen.
In einer Ausführungsform sind sowohl der Lichtbogenschweißkopf, das Partikelfallrohr und die Partikelspeisevorrichtung konfiguriert, um an einer im Wesentlichen festen oder stationären Position gehalten zu sein und/oder auf eine Nicht-Schwingungsbewegung eingeschränkt zu sein. In den Ausführungsformen enthält die Bewegung in einer Nicht-Schwingungsweise eine lineare Bewegung, eine Drehbewegung, eine Kippbewegung und deren Kombinationen. In einer Ausführungsform ist die Bewegung der Schweißpistole oder der Komponenten des Partikelzufuhrsystems in der primären Schweißrichtung oder der Seitenrichtung langsamer als die der Werkstückhalterung oder des Werkstücks. In einer Ausführungsform bewegt sich die Spitze der Lichtbogenschweißpistole während eines gegebenen Schweißdurchgangs nicht in der primären Schweißrichtung. Die Fähigkeit, das Werkstück zu bewegen, kann es dem Anwender erlauben, den Abschnitt, an dem das Hartauftragsschweißen auszuführen ist, immer in einer ebenen/horizontalen Position bezüglich der Pistolen-/Partikelfallkombination zu haben und es folglich zu unterstützen, die Schweißqualität sicherzustellen. Das hauptsächliche Bewegen der Probe anstatt der Schweißpistole fördert den Prozess in mehreren Weisen, einschließlich des Bereitstellens erhöhter Bewegungsgeschwindigkeiten in der primären Schweißrichtung.
In einer Ausführungsform ist das Partikelzufuhrsystem konfiguriert, eine Partikelströmung zu dem Schmelzbad bereitzustellen. In einer Ausführungsform umfasst das Partikelzufuhrsystem ein Partikelfallrohr und eine Partikelspeisevorrichtung. In einigen Ausführungsformen ist das Partikelfallrohr an dem Lichtbogenschweißkopf befestigt oder unmittelbar an dem Lichtbogenschweißkopf befestigt. Das Partikelfallrohr kann eine obere Aufnahmeöffnung und eine untere Zufuhröffnung definieren. In einer Ausführungsform ist das Partikelfallrohr vertikal ausgerichtet.
In einer Ausführungsform ist die Partikelspeisevorrichtung konfiguriert, eine Partikelströmung zu dem Partikelfallrohr bereitzustellen. Die Partikelspeisevorrichtung kann konfiguriert sein, die Partikelmenge, die auf einem gegebenen Abschnitt des Werkstücks aufzutragen ist, selektiv zu steuern. In einer weiteren Ausführungsform ist die Partikelspeisevorrichtung konfiguriert, während eines gegebenen Lichtbogenschweißdurchgangs höchstens einen Freiheitsgrad (d. h., stationär oder eine einfache lineare Bewegung) wenigstens während eines gegebenen Lichtbogenschweißdurchgangs der Lichtbogenschweißoperation aufzuweisen. Im Ergebnis sind die Harmonischen/ist die Peitschenwirkung, die der Bewegung des Zufuhrrohrs mit dem Schweißkopf in dem in 1 veranschaulichten System zugeordnet sind/ist, verringert oder eliminiert. Diese Harmonischen/Peitschenwirkung kann/können eine Schwappwirkung in dem Zufuhrrohr des früheren Systems verursachen, von der bekannt ist, dass sie verursacht, dass das Fallrohr ziemlich schnell abgenutzt wird und es schwieriger macht, die Anordnung der Partikel in dem Schmelzbad zu steuern. Die Schwierigkeit beim Steuern der Anordnung der Partikelanordnung kann die Kontinuität/Homogenität des Hartauftragsschweißens verringern und/oder kann es verursachen, dass eine unerwünschte Menge der Partikel auf dem Boden endet und/oder anderweitig zu Abfall wird.
In einer Ausführungsform umfasst die Partikelspeisevorrichtung einen Partikelbehälter (oder einen Partikelbunker), einen Aufnahmetrog und einen Vibrationsmotor oder Vibrator. In einer Ausführungsform ist der Partikelbehälter konfiguriert, während des Betriebs des Lichtbogenschweißkopfs als eine Partikelquelle zu wirken. In einer Ausführungsform umfasst der Partikelbehälter ein offenes Oberteil und eine untere Behälterausspeisung. In einer zusätzlichen Ausführungsform weist der Partikelbehälter einen oberen Abschnitt auf, der ein offenes Ende definiert, das zu einem nach innen geneigten unteren Abschnitt führt und in einem Auslass endet. In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Partikelbehälter einen oberen zylinderförmigen Abschnitt, der das offene Oberteil definiert und der zu einem nach unten geneigten kegelförmigen Abschnitt führt und in der unteren Behälterausspeisung endet. In einer Ausführungsform ist das offene Oberteil konfiguriert, eine Zufuhr von Partikeln in den Partikelbehälter aufzunehmen, wobei die Behälterausspeisung zu dem Aufnahmetrog gerichtet ist.
In einer Ausführungsform umfasst der Aufnahmetrog ein erstes oder unmittelbares Ende und ein zweites oder distales Ende, wobei das zweite oder distale Ende ferner eine Öffnung definiert, durch die die Hartaufschweißpartikel fallen können. In einer Ausführungsform ist das erste oder unmittelbare geschlossen zu dem Ausfluss der Partikel. In einer Ausführungsform ist der Aufnahmetrog im Wesentlichen horizontal orientiert. In einer Ausführungsform ist der Trog von 0 bis 10 Grad von einer horizontalen Position orientiert. In einer Ausführungsform ist der Trog so orientiert, dass das distale Ende des Trogs bezüglich des unmittelbaren Endes erhöht ist. In den Ausführungsformen ist der Trog zwischen 1 und 10 Grad, vorzugsweise zwischen 1 und 8 Grad und bevorzugter zwischen 2 und 5 Grad vom unmittelbaren Ende zum distalen Ende bezüglich der horizontalen x-Achse nach oben abgewinkelt.
In einer Ausführungsform unterstützt der Vibrationsmotor oder Vibrator das selektive Steuern der aufzutragenden Partikelmenge. In einer Ausführungsform wird ein luftbasierter Vibrationsmotor oder Vibrator verwendet, um die Strömung der Schleifpartikel zu dosieren. In einer Ausführungsform umfasst der pneumatische Vibrator einen Lufteinlass, einen Luftauslass und ein dem Luftauslass zugeordnetes Auslassventil, wobei das Auslassventil konfiguriert ist, einen dem pneumatischen Vibrator zugeordneten Gegendruck zu steuern. In einer Ausführungsform verbessert der Gegendruck die Funktionalität der Schüttelvorrichtungsleistung. In einer Ausführungsform wird der Anfangsbereich des Luftströmungs-Startdrucks von 40–80 psi (Pfund pro Quadratzoll) und spezieller 55–65 psi durch eine Gegendruckeinstellung von 40–85 cfh (Kubikfuß pro Stunde) und spezieller 60–75 cfh der Umgebungsluft-Ausströmungsöffnung überwunden. Diese Gegendruckeinstellung wird dann verwendet, um die Leistung abzustimmen und den Startdruck zu überwinden, wobei aber trotzdem eine verringerte Vibration in der bestimmten Schüttelvorrichtungsleistung erlaubt ist. Diese spezielle Funktion ermöglicht eine geringe harmonische Vibration. In einer Ausführungsform ist der pneumatische Vibrator ein Luftkolbenvibrator. In einer Ausführungsform ist der Luftkolbenvibrator weniger als 2,5 Zoll lang.
Die Verwendung eines pneumatischen Motors anstatt eines elektrisch angetriebenen Vibrationsmotors stellt mehrere Vorteile bereit. Der Einsatz des luftangetriebenen Vibrationsmotors unterstützt die Verringerung des Gewichts der Speisevorrichtung von etwa 20 lb bis zu weniger als 8 lb und sogar weniger als 2 lb und ermöglicht, dass die Vorrichtung kleiner, leichter und kompakter ist. Eine derartige kleinere leichtere Partikelspeisevorrichtung kann in automatisierten, handgehaltenen, Werkzeugarm- und festen Anwendungen verwendet werden. Die leichteren Gewichte aufgrund der spezifischen Bauform ermöglichen die Anwendung bei der Automatisierung, indem sie Anwendungen in kleineren Systemen mit geringeren Armende-Werkzeugbestückungsfähigkeiten ermöglichen. Die Speisevorrichtung kann z. B. an einem Roboterarm angebracht sein. Eine derartige Anbringung an einem Roboterarm ermöglicht, dass die Speisevorrichtung automatisch zwischen einer Nachfüllposition, wo der erste Partikellagerbehälter mit Partikeln nachgefüllt werden kann, und einer Lichtbogenschweißposition, wo die Hartauftragsschweißoperation stattfinden kann, oder zwischen Roboterstationen verschoben/verlegt wird. Für feste Anwendungen ermöglicht ein kleines Gewicht der Schüttelvorrichtungsbauform die Leichtigkeit des Anbringens und eine größere Möglichkeit der Anbringungsorte aufgrund der verringerten Größe und des verringerten Gewichts. Zusätzlich können mit der Verringerung des Schüttelvorrichtungsgewichts mehr Carbidpartikel transportiert werden, wobei folglich die Nachfüllhäufigkeit verringert wird und die Betriebszeiten vergrößert werden. Es ist außerdem entdeckt worden, dass die Verwendung eines pneumatischen Motors anstatt eines Elektromotors eine geringere Variation der Partikelzufuhrrate bereitstellen kann und dadurch eine gleichmäßigere Verteilung des Carbids in der Schweiß/Hartauftragsschweißmatrix fördert.
In einer Ausführungsform umfasst die Partikelspeisevorrichtung einen Partikelbehälter, der einen oberen Abschnitt aufweist, der ein offenes Ende definiert, das zu einem nach unten geneigten unteren Abschnitt führt und in einem Auslass endet; einen Aufnahmetrog, der ein unmittelbares Ende und ein distales Ende aufweist, wobei der Trog im Wesentlichen horizontal unter dem Partikelbehälter positioniert ist, so dass sich das unmittelbare Ende unter dem Auslass befindet, wobei das distale Ende ferner eine Trogöffnung definiert; ein Ausspeisungsrohr, das unter und an dem Trog in Fluidverbindung mit der Trogöffnung befestigt ist; und einen pneumatischen Vibrator, der in einem Winkel zwischen 10 und 30 Grad betriebstechnisch an dem Aufnahmetrog befestigt ist. In den Ausführungsformen beträgt dieser Winkel 11–14 Grad oder 12–22 Grad bezüglich der Horizontalen; und eines Trägers, der an dem Partikelbehälter befestigt ist und konfiguriert ist, den Aufnahmetrog in einer Position unter dem Partikelbehälter aufrechtzuerhalten. In einer weiteren Ausführungsform werden die Partikel in den oberen zylinderförmigen Abschnitt des Partikelbehälters eingeführt, wobei der pneumatische Vibrator die Bewegung der Partikel von dem Partikelbehälter in den Trog, durch die Öffnung und in das Ausspeisungs-(Partikelfall-)Rohr fördert. In einer zusätzlichen Ausführungsform ist der Träger ferner an einer beweglichen Komponente zum automatischen Bewegen der Partikelspeisevorrichtung in wenigstens eine Position befestigt. In einer Ausführungsform ist die bewegliche Komponente ein Roboterarm. In einer weiteren Ausführungsform kann der Träger an einem festen Ort befestigt sein (z. B. wenn die Partikelspeisevorrichtung während eines gegebenen Schweißdurchgangs stationär bleibt).
In einer Ausführungsform ist die Partikelspeisevorrichtung konfiguriert, während des gegebenen Schweißdurchgangs einen im Wesentlichen vertikalen Strömungsweg mit dem Partikelfallrohr aufrechtzuerhalten. Es ist ein Vorteil des Verwendens der Partikelspeisevorrichtung, die wenigstens während eines gegebenen Schweißdurchgangs des Lichtbogenschweißschritts eine vertikale Ausrichtung auf das Carbidfallrohr aufrechterhält, dass die Länge des Speiserohrs und die entsprechende Höhe des Speisebehälters herunter bis zu einem Fuß oder weniger für die Partikelfalllänge verringert werden können. In dieser Weise wird die Wartung/der Betrieb des Speisebehälters vereinfacht und wird die Fallzeit (von der Behälterfreisetzung bis zum Kontakt auf dem Teil) im hohen Maße verkürzt und leichter zu steuern.
Ferner kann das Partikelzufuhrsystem eine im Wesentlichen starre Zufuhrleitung enthalten, die sich zwischen dem Speisesystem und dem Partikelfallrohr befindet, um diese beiden Abschnitte zu überbrücken, was die Gelegenheiten für Harmonische verringert. Wenn die Leitung aus einem im Wesentlichen starren Material hergestellt ist, sind die Chancen für das Verstopfen aufgrund der ungleichmäßigen Strömung hindurch und/oder aufgrund der darin ausgebildeten Biegungen im hohen Maße verringert. Die Chancen für das Verstopfen sind weiter verringert, wenn die Leitung kurz ist (z. B. ein Fuß oder weniger). In einer Ausführungsform ist die Länge der Zufuhrleitung größer als null und kleiner als oder gleich 10 Zoll. Es ist ein weiterer Vorteil einer kürzeren, starren Zufuhrleitung, dass, wenn ein Austausch erforderlich ist, die Abschnitte der Verrohrung viel kürzer und zugänglicher sind. Zusätzlich gibt es keine Notwendigkeit für spezielle Unterstützungssysteme wie jene, die benötigt werden, wenn längere Zufuhrleitungen verwendet werden. Außerdem wird angenommen, dass die kürzere Fallstrecke die Geschwindigkeit/den Impuls signifikant verringert, die/den die Partikel durch die Falllänge erreichen können (d. h., weniger Spritzen/Spritzer beim Aufprall auf dem Schmelzbad). In einer Ausführungsform trägt das Minimieren der Partikelgeschwindigkeit/des Partikelimpulses zu einer gleichmäßigeren Verteilung der Partikel/des Carbids innerhalb der Hartaufschweißung bei. Das Minimieren der Geschwindigkeit/des Impulses der Partikel kann außerdem die Menge des erzeugten Carbidstaubs im hohen Maße verringern, Staub, der andernfalls in die Dichtungen, die Roboterverbindungen usw. gelangen kann, was verursacht, dass andere Teile als das Zufuhrsystem schneller abgenutzt werden. Folglich kann dieses verbesserte Carbid-/Partikelzufuhrsystem dazu beitragen, dass die Lichtbogenschweißmaschine mehr Betriebszeit und weniger Wartungs- und Carbidkosten aufweist, wobei es gleichzeitig zu einer verbesserten Aufschweißmikrostruktur beitragen kann.
In einer Ausführungsform enthält das Partikelzufuhrsystem ferner Folgendes: ein Zufuhrelement, das vertikal unter dem offenen zweiten Ende des Aufnahmetrogs befestigt ist, wobei das Zufuhrelement ein oberes Ende und ein unteres Ausgangsende definiert, das obere Ende konfiguriert ist, die Partikelströmung von dem offenen zweiten Ende des Aufnahmetrogs aufzunehmen, wobei das untere Ausgangsende die Partikelströmung nach unten leitet; und eine im Wesentlichen starre Zufuhrleitung, die ein erstes Leitungsende und ein zweites Leitungsende definiert, wobei das erste Leitungsende fluidtechnisch mit dem unteren Ausgangsende des Zufuhrelements verbunden ist und das zweite Leitungsende konfiguriert ist, vertikal auf die obere Aufnahmeöffnung des Partikelfallrohrs ausgerichtet zu sein. In einer Ausführungsform ist das Zufuhrelement ein Zufuhrtrichterelement, das ein oberes sich trichterförmig erweiterndes Ende und ein unteres Ausgangsende definiert, wobei das obere sich trichterförmig erweiternde Ende konfiguriert ist, die Partikelströmung von dem offenen zweiten Ende des Aufnahmetrogs aufzunehmen. In einer weiteren Ausführungsform ist das Zufuhrelement ein an dem Aufnahmetrog befestigtes Ausspeisungsrohr.
Die Schmelzschweißprozesse, die für die Verwendung in den Ausführungsformen der Erfindung geeignet sind, können das GMAW (das Metall-Schutzgasschweißen), das FCAW (das Metall-Lichtbogenschweißen mit Fülldrahtelektrode), das PAW (das Plasmaschweißen), das LW (das Laserschweißen), das GTAW (das Wolfram-Schutzgasschweißen) und das SAW (das Unterpulverschweißen) enthalten. In einem Aspekt der Erfindung werden die Hartauftragsmaterialien der Erfindung auf der Oberfläche eines Gegenstands unter Verwendung eines GMAW-Prozesses aufgetragen. Der Lichtbogenschweißbrenner ist konfiguriert, ein geschmolzenes Schmelzbad zu bilden. In einer Ausführungsform ist der Lichtbogenschweißbrenner in einem für die Lichtbogenschweißoperation förderlichen Winkel im Wesentlichen nach unten orientiert. In einer Ausführungsform reicht der Schweißpistolenwinkel bezüglich der Horizontalen von 50° bis 90°, 60° bis 85° oder 70° bis 85°. In einer Ausführungsform reicht die Höhe der Kontaktspitze der Schweißpistole bezüglich des Werkstücks von 0,5 Zoll bis 0,75 Zoll. In einer Ausführungsform ist der Lichtbogenschweißbrenner konfiguriert, während eines gegebenen Lichtbogenschweißdurchgangs stationär gehalten zu sein. In einer weiteren Ausführungsform ist der Lichtbogenschweißbrenner konfiguriert, während eines gegebenen Lichtbogenschweißdurchgangs bewegt zu werden (z. B. eine einfache Bewegung, wie sie z. B. für die Ecken/Ränder erforderlich ist, oder linear in der Schweißrichtung). In einer Ausführungsform verringert die Verwendung eines stationären Schweißbrenners den Betrag des Schüttelns, dem der Schweißbrenner während des Schweißprozesses unterworfen ist, wobei folglich die entsprechenden Ungenauigkeiten, die durch ein derartiges Schütteln eingeführt werden, wie z. B. eine Störung der Prozessvariable (z. B. des Pistolenwinkels und der Höhe des Schweißbrenners bezüglich des Teils) minimiert werden. In einer zusätzlichen Ausführungsform wird bzw. ist der Lichtbogenschweißbrenner durch einen Schweißkopfmanipulations-Roboterarm bewegt oder gelenkig angebracht. In einer Ausführungsform ist das Carbidfallrohr nicht zu der Schweißpistole parallel, sondern in einem Winkel bezüglich der Pistole positioniert. In einer Ausführungsform beträgt der Winkel des Carbidförderers bezüglich der Horizontalen (oder des Werkstücks) 70 bis 85 Grad, während der Winkel des Brenners bezüglich der Horizontalen (oder des Werkstücks) größer als der Winkel des Carbidförderers und kleiner als oder gleich 90 Grad ist. In einer Ausführungsform ist der Auslass des Carbidfallrohrs von der Spitze der Schweißpistole beabstandet; in einer Ausführungsform reicht der Zwischenraum von 0,125 Zoll bis 0,5 Zoll. Der Auslass des Carbidfallrohrs kann so angeordnet sein, dass sich die Spitze der Schweißpistole ”vor” dem Auslass des Carbidfallrohrs befindet.
Das Metall-Schutzgasschweißen (GMAW) ist ein Lichtbogenschweißprozess, der die Vereinigung von Metallen erzeugt, indem sie mit einem Lichtbogen zwischen einer kontinuierlichen (verbrauchbaren) Elektrode eines Schweißzusatzwerkstoffs und dem Werkstück erwärmt werden. Eine Abschirmung wird von einem extern zugeführten Gas oder Gasgemisch erhalten. Die Variationen des GMAW enthalten die Kurzschlussübertragung, die Kugelübertragung, die Sprühlichtbogenübertragung und die Impulslichtbogenübertragung in Abhängigkeit von den Schweißparametern und der Gerätevariation. Das GMAW kann ein externes Schutzgas verwenden, das größtenteils ein Inertgas, wie z. B. Argon, ein Gemisch aus Argon und anderen Gasen, oder ein reaktionsfähiges Gas, wie z. B. Kohlendioxid, sein kann. Das Schutzgas kann ein Inertgas, wie z. B. Argon, und bis zu 5% Sauerstoff, bis zu 25% Kohlendioxid oder bis zu 5% Sauerstoff und bis zu 25% Kohlendioxid umfassen. Für das GMAW-Schweißen wird typischerweise Gleichstrom verwendet; wobei die Elektrode entweder positiv oder negativ sein kann. Der Schweißprozess kann gleichstromelektrodenpositiv (DCEP) sein.
Die Drahtvorschubgeschwindigkeit, die Spannung und die Bewegungsgeschwindigkeit können sich in Abhängigkeit von der Größe und der Härte der gewünschten Hartaufschweißung ändern. Eine Zunahme der Drahtzufuhrgeschwindigkeit und/oder der Bewegungsgeschwindigkeit verringert das Carbid-zu-Drahtelektrode-Verhältnis und verringert im Allgemeinen die Härte der Schweißstelle. In einer Ausführungsform beträgt der Drahtdurchmesser 0,035 Zoll bis 0,052 Zoll. In den Ausführungsformen beträgt die Drahtzufuhrgeschwindigkeit 100 bis 500 Zoll pro Minute, 100–160 Zoll pro Minute, 180 bis 400 Zoll pro Minute, 300 bis 500 Zoll pro Minute oder 350 bis 400 Zoll pro Minute. In den Ausführungsformen beträgt die Spannung 12 bis 31 V, 12 bis 16 V, 24 bis 31 V oder 26 bis 30 V. Die Spannung kann für andere Größen der Schweißstellen erhöht oder verringert werden, um die Wärmeeingabe aufrechtzuerhalten. Die Spannung kann z. B. für kleinere Schweißquerschnitte verringert werden; wobei die Drahtvorschubgeschwindigkeit außerdem für kleinere Schweißquerschnitte verringert werden kann.
In einem Aspekt stellt diese Offenbarung Verfahren zum Herstellen von Aufschweißschichten auf der Metalloberfläche eines Teils oder eines Werkstücks bereit, bei denen während eines gegebenen Schweißdurchgangs das Werkstück bewegt wird, während der Lichtbogenschweißbrenner im Wesentlichen stationär ist. Der Lichtbogenschweißbrenner kann z. B. im Wesentlichen stationär sein, falls er nicht absichtlich während eines Schweißdurchgangs bewegt wird. In einem Aspekt der Erfindung ist der durch das Teil oder Werkstück verfolgte Pendelweg durch eine seitliche Bewegung in einer Richtung (z. B. entlang der Mittellinie des Weges) und eine gleichzeitige Schwingungsbewegung in einer anderen Richtung (z. B. quer zur Mittellinie des Weges) definiert. In einer Ausführungsform können die Pendelwege irgendein Schwingungsmuster oder eine Schwingungsform annehmen, das bzw. die z. B. eine gerade Hin- und Herbewegung oder eine Schleifenform enthalten kann. Das Muster könnte eine sinusförmige Signalform (2A), eine Dreieckssignalform, eine Rechtecksignalform (2B, 10b), eine Sägezahn-Signalform oder eine Schleifen/Kreisschwingung (3) enthalten, ist aber nicht darauf eingeschränkt, die in einigen Fällen eine Nachhaltezeit umfassen könnten. In bestimmten Ausführungsformen kann der durch das Teil verfolgte Pendelweg periodisch sein, d. h., er kann sich in einem gegebenen Zeitintervall T wiederholen (und folglich eine Frequenz aufweisen, die als f = 1/T definiert ist). Bezüglich der 2a–2b (Weg gegen Zeit) ist z. B. die Richtung der seitlichen Bewegung (d. h., der primären Schweißprozessrichtung) durch den Pfeil angegeben, der unter der Kurve mit ”Richtung der Bewegung” beschriftet ist, wobei der Pendelweg eine von der Mittellinie bis zur Spitze gemessene Amplitude A und eine Periode T aufweist. Die Gesamtbreite des Musters ist das Doppelte der Amplitude für diesen Typ des Musters. In 3 weist ein Schleifenmuster eine Breite (W) auf, die im Wesentlichen durch die Größe der Schleife bestimmt ist. In einer Ausführungsform kann der Weg ferner eine Nachhaltezeit umfassen. Die Nachhaltezeit kann als der Zeitraum definiert sein, den das Teil anhält und seinen Ort in wenigstens einer Richtung (z. B. einer Spitze, einem Tal und/oder der Mitte des Weges) aufrechterhält. 2b veranschaulicht z. B. eine Nachhaltezeit an zwei Spitzen des Weges. Es wird erkannt, dass das Muster/die Bewegung in der Weise Weg gegen Zeit (z. B. die 2a, 2b) oder in einer x-y-Bewegung ausgedrückt werden kann.
In einer Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Aufschweißschicht auf einer Metalloberfläche eines Teils bereit, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

a. Schweißen eines eisenbasierten Schweißzusatzwerkstoffs auf die Metalloberfläche des Teils durch Metall-Schutzgasschweißen, dadurch Erzeugen eines Schweißbades, wobei der Schweißzusatzwerkstoff als eine Elektrode in einer Schweißpistole verwendet wird;
b. Zuführen mehrerer Carbidpartikel mit einem Partikelzufuhrsystem zu dem Schweißbad;
c. Bewegen des Werkstücks bezüglich der Schweißpistole, wobei das Werkstück so bewegt wird, dass es einem Schwingungsweg folgt, der eine vorgegebene Frequenz und Amplitude der Schwingung aufweist.

In einer zusätzlichen Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Aufschweißschicht auf einer Metalloberfläche eines Teils bereit, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

a. Schweißen eines eisenbasierten Schweißzusatzwerkstoffs auf die Metalloberfläche des Teils durch Metall-Schutzgasschweißen, dadurch Erzeugen eines Schweißbades, wobei der Schweißzusatzwerkstoff als eine Elektrode in einer Schweißpistole verwendet wird;
b. Zuführen mehrerer Carbidpartikel mit einem Partikelzufuhrsystem zu dem Schweißbad;
c. Bewegen des Werkstücks bezüglich der Schweißpistole, wobei das Werkstück so bewegt wird, dass es einem Schwingungspendelweg folgt, der eine vorgegebene Frequenz und Amplitude der Schwingung aufweist,

In einer Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Aufschweißschicht auf einer Metalloberfläche eines Werkstücks bereit, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Schweißen eines eisenbasierten Schweißzusatzwerkstoffs auf die Metalloberfläche des Teils durch Metall-Schutzgasschweißen (das oft als GMAW abgekürzt wird), dadurch Erzeugen eines Schweißbades, wobei der Schweißzusatzwerkstoff als eine Elektrode in einer Schweißpistole verwendet wird; b) Zuführen mehrerer Carbidpartikel mit einem Partikelzufuhrsystem zu dem Schweißbad; und c) Bewegen des Werkstücks bezüglich der Schweißpistole, wobei das Werkstück so bewegt wird, dass es einem Schwingungsweg folgt, der eine primäre Schweißwegrichtung, eine Schwingungsfrequenz und eine Schwingungsamplitude aufweist, die z. B. senkrecht und/oder parallel zur primären Schweißwegrichtung gemessen werden, wobei das Werkstück im Allgemeinen mit einer seitlichen Bewegungsgeschwindigkeit bewegt wird, die entlang der primären Schweißwegrichtung definiert ist. In einer Ausführungsform werden die Schweißpistole und das Partikelzufuhrsystem in den Schritten a) und b) stationär aufrechterhalten, während des Werkstück bezüglich der Schweißpistole bewegt wird. In einer Ausführungsform sind die Schweißpistole und das Partikelzufuhrsystem in den Schritten a) und b) auf eine höchstens einfache, Nichtschwingungsbewegung eingeschränkt, während das Werkstück bezüglich der Schweißpistole bewegt wird. In einer Ausführungsform definiert der Schwingungsweg eine Wegmittellinie, wobei die Wegmittellinie parallel zur primären Wegrichtung verläuft und die Amplitude spezifisch von der Wegmittellinie bis zu einer Spitze des Weges gemessen wird.
In einer Ausführungsform reicht die seitliche Bewegungsgeschwindigkeit von 10 ipm (Zoll pro Minute) bis 40 ipm. In den Ausführungsformen reicht die Frequenz der Schwingung des Pendelwegs von 1 Hz bis 10 Hz. In den Ausführungsformen reicht die Amplitude des Pendelwegs von 1 mm bis 15 mm, 1 mm bis 10 mm, 1 mm bis 9 mm, 1 mm bis 8 mm oder von 0,25 mm bis 8 mm. In den Ausführungsformen reicht die Fallrate der Partikel von 0,5 bis 9 g/s und 2 bis 5 g/s.
In einer Ausführungsform ist der eisenbasierte Schweißzusatzwerkstoff ein kohlenstoffarmer Stahl, wie z. B. ER70S-6 (L59) oder ER90S-D2 (LA90). In einer Ausführungsform ist das Partikelmaterial ein verschleißfestes Material, wie z. B. ein Carbidmaterial. Die Carbidmaterialien enthalten Wolframcarbid, Siliciumcarbid, Borcarbid und Kombinationen daraus, sind aber nicht darauf eingeschränkt. In einer Ausführungsform reicht der Volumenprozentsatz der Wolframcarbidpartikel in der Speisung von 10% bis 50% wobei die Siliciumcarbid- und/oder Borcarbidpartikel das Gleichgewicht bilden. Falls Mischungen von Carbidmaterialien verwendet werden, kann für jeden Typ des Carbidmaterials ein separates Partikelspeisesystem verwendet werden. In einer weiteren Ausführungsform können die Partikel als ein Gemisch innerhalb eines einzigen Spenders bereitgestellt sein.
In einer Ausführungsform reicht der Volumenbruchteil, der durch die sich nicht auflösenden verschleißfesten Partikel (z. B. die höher schmelzenden Carbidpartikel, wie z. B. Wolframcarbid) in der Aufschweißschicht eingenommen wird, von 15% bis 50%, 30% bis 70% oder von 30 bis 50%. In einer Ausführungsform reicht der Flächenbruchteil, der durch die sich nicht auflösenden verschleißfesten Partikel in einem Querschnitt der Aufschweißschicht eingenommen wird, von 15%–50% und spezieller 35–45%. Es wird erkannt, dass, wenn niedriger schmelzende Carbide, wie z. B. SiC und B₄C verwendet werden, sich derartige Materialien in der Matrix auflösen, wobei sich einige Eisencarbide als Teil des Prozesses niederschlagen. Wenn derartige Materialien verwendet werden, können die erreichte Härte und das erreichte Gewicht ein besserer Parameter sein, durch den die Effektivität des Hartauftragsschweißens zu beurteilen ist.
Die Vorteile und Merkmale, die die Erfindung charakterisieren, sind in Besonderheit in den Ansprüchen, die hier beigefügt sind und einen Teil hiervon bilden, dargelegt. Für ein besseres Verständnis der Erfindung sollte jedoch außerdem auf die Zeichnungen, die einen Teil davon bilden, und den beigefügten beschreibenden Stoff Bezug genommen werden, in denen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht und beschrieben sind. Ferner sind verschiedene zusätzliche Aspekte in der folgenden Beschreibung dargelegt. Diese Aspekte können sich auf einzelne Merkmale und auf Kombinationen von Merkmalen ziehen. Es ist selbstverständlich, dass sowohl die vorhergehende allgemeine Beschreibung als auch die folgende ausführliche Beschreibung lediglich beispielhaft und erklärend sind und die umfassenden Konzepte, auf denen die hier offenbarten Ausführungsformen basieren, nicht einschränken.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine teilweise weggeschnittene Seitenansicht eines Systems des Standes der Technik zum Zuführen von Partikeln zu einem Lichtbogenschweißbrenner.
2A und 2B veranschaulichen beispielhafte Schwingungs-Signalformen hinsichtlich des Weges gegen die Zeit. 2A veranschaulicht eine Signalform im Allgemeinen in der Form einer Sinuswelle, während 2B eine Signalform im Allgemeinen in der Form einer Rechteckwelle veranschaulicht.
3 veranschaulicht eine Schleifen-Schwingungssignalform hinsichtlich des Weges gegen die Zeit.
4 ist eine isometrische Vorderansicht einer Ausführungsform des vorliegenden Hartauftragsschweißsystems, das einen Mechanismus zum Zuführen von Partikeln (z. B. eines Carbids) und einen Lichtbogenschweißbrenner enthält (ohne dass die bewegliche Werkstückhalterung gezeigt ist).
5 ist eine isometrische Vorderseiten-Nahansicht des Lichtbogenschweißbrenners und des Partikelzufuhrsystems nach 4, wobei die meisten der Wände des Partikelzufuhrsystems nicht gezeigt sind, um das Betrachten seines Inneren zu fördern.
6 ist eine isometrische Vorderansicht des Partikelzufuhrsystems nach 5, wobei die meisten der Wände des Partikelzufuhrsystems nicht gezeigt sind, um das Betrachten seines Inneren zu fördern.
7A ist eine etwas abgewinkelte isometrische Vorderansicht des in 6 gezeigten Partikelzufuhrsystems.
7B ist eine Vorderansicht des in 6 gezeigten Partikelzufuhrsystems, wobei es ohne die pneumatische Öffnungsplatte gezeigt ist, um das Betrachten der internen Befestigungsstruktur zu fördern.
8A zeigt eine weitere Ausführungsform einer Partikelspeisevorrichtung, während 8B eine teilweise Querschnittsansicht der Vorrichtung nach 8A zeigt.
9A ist eine Draufsicht eines Roboters, der ein Werkstück gelenkig anbringt, der als ein Teil des vorliegenden Systems zum Zuführen von Partikeln verwendbar ist, das in den 4, 5, 8A und 8B gezeigt ist.
9B ist eine Seitenansicht des in 9a gezeigten Roboters, der ein Werkstück gelenkig anbringt.
10A und 10B zeigen Querschnitts-Mikroschliffbilder (20× Vergrößerung) einer Hartaufschweißung, die bei einer Bewegungsgeschwindigkeit von 12 Zoll pro Minute gebildet worden ist, wobei sie den durch die Partikel belegten Flächenprozentsatz veranschaulichen. 10a: stationäre Probe, beweglicher Lichtbogenschweißkopf. 10b: bewegliche Probe, stationärer Lichtbogenschweißkopf.
11A und 11B zeigen Querschnitts-Mikroschliffbilder (20× Vergrößerung) einer Hartaufschweißung, die bei einer Bewegungsgeschwindigkeit von 20 Zoll pro Minute gebildet worden ist, wobei sie den durch die Partikel belegten Flächenprozentsatz veranschaulichen. 11A: stationäre Probe, beweglicher Lichtbogenschweißkopf.
11B: bewegliche Probe, stationärer Lichtbogenschweißkopf.
12 zeigt ein Querschnitts-Mikroschliffbild (20× Vergrößerung) einer Hartaufschweißung, die bei einer Bewegungsgeschwindigkeit von 25 Zoll pro Minute mit einer sich bewegenden Probe und einem stationären Lichtbogenschweißkopf gebildet worden ist, wobei sie den durch die Partikel belegten Flächenprozentsatz veranschaulicht, wobei sich der Lichtbogenschweißkopf bewegt. 10b: bewegliche Probe, stationärer Lichtbogenschweißkopf.
13A zeigt ein Querschnitts-Mikroschliffbild (50× Vergrößerung) einer Hartaufschweißung, die mit Siliciumcarbidpartikeln, einem sich bewegenden Werkstück und einer stationären Schweißpistole hergestellt worden ist.
13B zeigt ein Querschnitts-Mikroschliffbild (50× Vergrößerung) einer Hartaufschweißung, die mit Siliciumcarbidpartikeln, einem stationären Werkstück und einer sich bewegenden Schweißpistole hergestellt worden ist. Der Prozentsatz der Aufschweißfläche mit einer Härte von 50 HRC und darunter beträgt 100%. Die numerischen Beschriftungen geben die Härtewerte (HRC) an.
14 zeigt ein weiteres Querschnitts-Mikroschliffbild (50× Vergrößerung) derselben Hartaufschweißung wie in 13A, die mit einem stationären Werkstück und einer sich bewegenden Schweißpistole hergestellt worden ist. Der Prozentsatz der Aufschweißfläche mit einer Härte von 50 HRC und darunter beträgt 100%. Die numerischen Beschriftungen geben die Härtewerte (HRC) an.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In einer Ausführungsform des vorliegenden Systems enthält ein Lichtbogenschweiß-Hartauftragsschweißsystem 10, wie es in den 4 und 5 veranschaulicht ist, einen Lichtbogenschweißbrenner/-kopf 12, ein Partikelfallrohr 14, eine Partikelspeisevorrichtung 16 und eine bewegliche Werkstückhalterung 18. Der Lichtbogenschweißbrenner 12 ist konfiguriert, ein (nicht gezeigtes) geschmolzenes Schmelzbad zu bilden, wobei er ferner konfiguriert ist, während eines (nicht gezeigten) gegebenen Lichtbogenschweißdurchgangs entweder gelenkig angebracht zu sein oder stationär gehalten zu werden. Falls er gelenkig angebracht ist, würde die Bewegung in einer Ausführungsform nichtschwingender Art sein, z. B. eine einfache Drehung, wie sie erforderlich ist, um um eine Ecke/einen Rand zu arbeiten, oder eine geradlinige Bewegung bereitstellen. Das Partikelfallrohr 14 ist gemäß der Ausführungsform nach den 4 und 5 unmittelbar an dem Lichtbogenschweißbrenner 12 befestigt. Die Partikelspeisevorrichtung 16 ist konfiguriert, eine (nicht gezeigte) Partikelströmung (wie sie z. B. erforderlich ist, um eine Hartaufschweißung auf einem (nicht gezeigten) gegebenen Werkstück zu erzeugen) über das Partikelfallrohr 14 für das Schmelzbad bereitzustellen. Ferner ist die Partikelspeisevorrichtung 16 konfiguriert, so dass sie höchstens einen Freiheitsgrad während eines gegebenen Lichtbogenschweißdurchgangs aufweist, wobei sie konfiguriert ist, während des gegebenen Schweißdurchgangs einen im Wesentlichen vertikalen Strömungsweg 20 mit dem Partikelfallrohr 14 aufrechtzuerhalten. Die bewegliche Werkstückhalterung 18 (die 9a, 9b) ist konfiguriert, während des Betriebs des Lichtbogenschweißbrenners 12 das (nicht gezeigte) Werkstück gelenkig anzubringen. In einer Ausführungsform umfassen die durch die Partikelspeisevorrichtung 16 und das Partikelfallrohr 14 zugeführten und kanalisierten Partikel ein Schleifmaterial und/oder ein Material mit großer Härte, wie z. B. Wolframcarbid, Siliciumcarbid, Borcarbid, ein anderes ähnliches Keramikmaterial oder irgendeine Kombination aus derartigen Materialien, die verwendet werden, um die Verschleißeigenschaften und/oder die abrasive Art des Abschnitts mit einer Hartaufschweißung des gegebenen Werkstücks zu verbessern. In weiteren Ausführungsformen könnten jedoch die Partikel aus irgendeinem anderen Materialtyp bestehen und/oder in der Schweißstelle für andere Zwecke (z. B. als ein Verstärkungsmittel) aufgetragen werden und sich immer noch innerhalb des Schutzumfangs des vorliegenden Systems befinden.
In einer Ausführungsform ist der Lichtbogenschweißkopf 12 (der außerdem als eine Schweißpistole oder ein Schweißbrenner bekannt ist) in einem Winkel, der für eine Lichtbogenschweißoperation förderlich ist, im Wesentlichen nach unten orientiert, wie in der Technik des Lichtbogenschweißens und/oder des Hartauftragsschweißens bekannt ist. In den Ausführungsformen ist der Lichtbogenschweißkopf 12 konfiguriert, wenigstens während eines gegebenen Lichtbogenschweißdurchgangs der Lichtbogenschweißoperation entweder stationär gehalten zu werden oder gelenkig angebracht sein zu dürfen. In einer ersten Ausführungsform wird der Lichtbogenschweißkopf 12 wenigstens während eines gegebenen Schweißdurchgangs stationär gehalten, wobei die gewünschte Bewegung völlig durch die bewegliche Werkstückhalterung 18 zugeführt wird.
In einer Variation ist der Lichtbogenschweißkopf 12 z. B. auf eine im Wesentlichen lineare Bewegung entlang der Richtung 22 des Schweißdurchgangs und/oder auf eine einfache Drehbewegung (wie sie z. B. erwünscht ist, um Ecken und/oder Ränder zu überwinden) eingeschränkt, wobei das Schwingungsmuster durch die Gelenkverbindung des Werkstücks durch die bewegliche Werkstückhalterung 18 erreicht wird. Das Einschränken der Komplexität/Schnelligkeit der Bewegung des Lichtbogenschweißkopfs 12 kann das Verringern der Gelegenheit für die Partikelverschiebung zu Bereichen außerhalb der Aufschweißraupe (z. B. aufgrund des Spritzens aus dem Bad und/oder des Fallimpulses, der die Partikel aus der Raupenzone befördert) und das Vergrößern der Genauigkeit und/oder Präzision des Auftragens der Partikel innerhalb einer gegebenen Aufschweißraupe unterstützen. In einer weiteren Variation bewegt sich der Lichtbogenschweißkopf 12 in diesem Fall hauptsächlich in der Richtung 22 des Schweißdurchgangs mit einer eingeschränkten Bewegung schräg dazu, um das Schwingungsmuster zu fördern. Der Lichtbogenschweißkopf 12 definiert während der Verwendung der Schweißpistole einen (nicht beschrifteten) Schweißpistolenwinkel und eine (nicht beschriftete) Schweißpistolenhöhe bezüglich der Horizontalen oder des Werkstücks. Die Schweißpistole/der Schweißkopf 12 ist für das Definieren eines festen Schweißpistolenwinkels und/oder einer festen Schweißpistolenhöhe während seinen/ihrer Verwendung und zum Einstellen des Schweißwinkels und/oder der Schweißpistolenhöhe konfiguriert, wie in der Technik des Roboter-Lichtbogenschweißens bekannt ist.
In einer (nicht veranschaulichten) noch weiteren Variation, wenn der Lichtbogenschweißkopf 12 robotertechnisch beweglich ist und das Partikelfallrohr 14 trägt, kann die Kombination aus dem Lichtbogenschweißkopf 12/dem Partikelfallrohr 14 an einer (nicht gezeigten) separaten Reinigungsstation gelenkig angebracht sein. An einer derartigen Reinigungsstation können von dem Lichtbogenschweißkopf 12 und/oder dem Partikelfallrohr 14 unerwünschte Metall-, Oxid- und/oder Flussmittel-Ablagerungen entfernt werden. Diese Reinigung könnte z. B. die Form eines abrasiven Reibens des Inneren und/oder des Äußeren des Lichtbogenschweißkopfs 12 und/oder des Partikelfallrohrs 14, des Einweichens in einem chemischen Bad usw. oder irgendeiner Kombination daraus annehmen. In einer Ausführungsform verringert die Automatisierung des Reinigungsschrittes die Standzeit und/oder fördert ein regelmäßigeres Reinigungsregime.
In einer Ausführungsform ist das Partikelfallrohr 14 fest an dem Lichtbogenschweißkopf 12 befestigt (wie in 4 gezeigt ist). In einer Ausführungsform ist das Fallrohr 14 ein Teil eines vertikalen Strömungsweges 20, wobei es konfiguriert und orientiert ist, die Partikelströmung, die von der Partikelspeisevorrichtung (16 oder 100) ausgeht, zu einem gegebenen Schmelzbad einer Aufschweißraupe zu führen. (Das vorliegende System wird hauptsächlich im Kontext des Bildens einer Aufschweißraupe erörtert, wobei aber das System außerdem potentiell verwendet werden könnte, um eine generischere von Partikeln durchdrungene Schweißraupe zu bilden, wobei es sich immer noch innerhalb des Schutzumfangs des vorliegenden Systems befindet.) In einer Ausführungsform enthält das Fallrohr 14 einen Fallrohrkanal 24 und einen Fallrohrtrichter 26. Der Fallrohrtrichter 26 ist an der Oberseite des Fallrohrkanals 24 (bezüglich des vertikalen Strömungswegs 20) orientiert. Der Fallrohrtrichter 26 ist konfiguriert, die Partikelströmung von der Partikelspeisevorrichtung 16 aufzunehmen.
Der Fallrohrtrichter 26 weist einen Trichtereingangsdurchmesser 28 auf, wobei dieser Trichtereingangsdurchmesser 28 den Abstand herstellt, den sich der Lichtbogenschweißkopf 12 und die Partikelspeisevorrichtung 16 potentiell aus der Synchronisation voneinander (z. B. seitlich weg voneinander) bewegen können. Das heißt, das Bewegen der Partikelfallleitung, die der Partikelspeisevorrichtung zugeordnet ist, über den Trichtereingangsdurchmesser 28 hinaus kann zum Verlust und/oder der Fehlleitung der Partikel führen. In einer Ausführungsform entspricht die Geschwindigkeit des Schweißkopfes 12 in der Richtung des Schweißdurchgangs im Wesentlichen der der Partikelspeisevorrichtung 16, um die gewünschte Partikelströmung durch den Fallrohrtunnel 26 aufrechtzuerhalten (falls z. B. die Partikelspeisevorrichtung 16 während des Schweißens fest ist, bewegt sich der Schweißkopf 12 nicht wesentlich in der Richtung des Schweißdurchgangs).
Die Partikelspeisevorrichtung 16 (von der eine Variante am besten in 5, 6 und den 7a und 7b zu sehen ist) kann außerdem als eine Partikel- oder Carbidschüttelvorrichtung bekannt sein. In einer Ausführungsform enthält die Partikelspeisevorrichtung 16 im Allgemeinen einen Aufnahmetrog 28, einen luftangetriebenen/pneumatischen Vibrator 30, einen ersten Partikelbehälter 32, einen Trogauslass 34, ein Speisevorrichtungsgehäuse 36, ein Trog- und Vibratorhalterungssystem 38 und ein Partikelspeiseausgangsrohr 40. In einer Ausführungsform, 1, enthält das Speisevorrichtungsgehäuse 36 eine untere Stützwand 42 und zwei vertikale Seitenwände 44 (4), wobei sie ferner zwei (nicht gezeigte) vertikale Stirnwände enthalten kann, die sich jeweils zwischen den vertikalen Seitenwänden 44 und aufwärts von der unteren Stützwand 42 erstrecken würden, die die Arbeitsabschnitte der Partikelspeisevorrichtung 16 effektiv umrahmen/einschließen.
In einer Ausführungsform definiert das Speisevorrichtungsgehäuse 36 ferner einen offenen oberen Abschnitt 48, wobei der offene obere Abschnitt 48 das Füllen/Nachfüllen des ersten Partikelbehälters 32 mit einem gewünschten Partikelmaterial fördert. In einer Ausführungsform ist der Aufnahmetrog 28 über das Trog- und Vibratorhalterungssystem 38 angebracht (wie gemäß dem x-y-z-Achsensystem in 6 zu sehen ist), so dass er bezüglich der unteren Stützwand 42 des Speisevorrichtungsgehäuses 36 im Allgemeinen horizontal ist und unter dem ersten Partikelbehälter 32 positioniert ist. Indem er im Allgemeinen horizontal zu der unteren Stützwand 42 gehalten wird und potentiell in einem geringen Aufwärtswinkel (z. B. 1–10 Grad) zu dem Trogauslass 34 gehalten wird (wie vorher erörtert worden ist), besteht im Allgemeinen die Tendenz, dass irgendwelche innerhalb des Aufnahmetrogs 28 gehaltenen Partikel darin bleiben, wenn nicht der Aufnahmetrog 28 bewegt wird (z. B. geschüttelt wird, wie durch den luftangetriebenen Vibrator 30) oder überfüllt ist (was z. B. das vorzeitige Entweichen durch den Trogauslass 34 oder über die (nicht beschrifteten) Seiten des Aufnahmetrogs 28 verursacht).
Das horizontale Anbringen des Aufnahmetrogs 28 und die Verwendung des luftangetriebenen Vibrators 30 fördern zusammen die Erzeugung einer dosierten Strömung der Partikel durch den Trogauslass 34 hinaus. Der luftangetriebene Vibrator 30, der durch eine (nicht gezeigte) Luft-/pneumatische Einspeisung (z. B. in der Form eines pneumatischen/Luftschlauchs) angetrieben ist, kann für diese Variante in einem Trog-Vibrator-Winkel A von 10–25 Grad bezüglich des Aufnahmetrogs 28 und spezifischer in einem Trog-Vibrator-Winkel A für diese Variante von etwa 11–14 Grad angebracht sein. Der Trog-Vibrator-Winkel A und die Verwendung des luftangetriebenen Vibrators 30 tendieren dazu, eine gleichmäßige und steuerbare Strömung des Partikelmaterials zu dem und aus dem Trogauslass 34 zu fördern.
Der luftangetriebene Vibrator 30 bietet zusätzlich dazu, dass er im hohen Grade steuerbar ist, den Vorteil, dass er an Gewicht viel leichter als ein elektrischer Vibrator (wie z. B. der, der in der Bauform des Standes der Technik nach 1 verwendet wird) ist, was das Verringern des Gewichts des Gesamtsystems von etwa 20 lb bis etwa 7 lb für die in den 5–7 veranschaulichte Ausführungsform unterstützt. Das verringerte Gewicht des Systems fördert sein Anbringen an einem Roboterarm (d. h., ein Gewicht von 20 lb ist für das Tragen durch die gegenwärtig verfügbaren Roboterarme nicht förderlich, insbesondere sobald das Gewicht des Carbids einbezogen wird) und verringert die der Partikelspeisevorrichtung 16 zugeordnete Trägheit. Die Abnahme der Trägheit macht es leichter, die Partikelspeisevorrichtung 16 (z. B. bezüglich des Lichtbogenschweißbrenners 12 oder einer (nicht gezeigten) Füllstation) zu stoppen/zu starten und anderweitig genau zu positionieren, sollte das Partikelspeisesystem 16 so entworfen sein, um bewegt zu werden. Zum einen erlaubt schließlich die Fähigkeit, eine gesteuerte und dosierte Partikelströmung durch den Trogauslass 34 hinaus zu erzeugen, das auf verschiedene Flächen eines gegebenen Teils oder möglicherweise sogar verschiedene Abschnitte einer gegebenen Fläche von ihm eine unterschiedliche Menge von Partikeln/Carbid aufgetragen wird. Es wird erkannt, dass irgendein Vibrationssystem, das den Gewichtsanforderungen und/oder den Strömungssteuerungsaspekten, die oben dargelegt worden sind, entsprechen könnte, sich innerhalb des Schutzumfangs des Partikelspeisesystems für das vorliegende System befinden kann.
Wie anderswo vorher erörtert worden ist, ist in einigen Ausführungsformen das Partikelspeisesystem 16 konfiguriert, permanent stationär zu bleiben oder während des Betriebs des Lichtbogenschweißbrenners 12 stationär zu sein (d. h., imstande zu sein, sich zu einer (nicht gezeigten) Nachfüllstation zu bewegen, während kein Hartauftragsschweißen/Schweißen stattfindet); oder imstande zu sein, in einer einfachen, nichtschwingenden Weise bewegt zu werden (z. B. gedreht zu werden, wie z. B. um das Hartauftragsschweißen einer Ecke oder eines Randes zu unterstützen, und/oder in einer Richtung eines Schweißdurchgangs befördert zu werden). Eine stationäre Position für das Partikelspeisesystem ist z. B. möglich, falls die Bewegung in der Richtung des Schweißdurchgangs völlig durch die sich bewegende Werkstückhalterung 18 geliefert wird, wie es in einer Ausführungsform des vorliegenden Systems betrachtet wird. Wenn die Verbindung zwischen dem Partikelspeisesystem und dem Fallrohr starr statt flexibel ist, würde erwartet werden, dass das Partikelspeisesystem 16 bis zu dem gleichen Grad wie der Lichtbogenschweißbrenner 12 beweglich ist. In einer Ausführungsform ist das Partikelspeisesystem 16 wenigstens während eines gegebenen Lichtbogenschweißdurchgangs der Lichtbogenschweißoperation höchstens auf ein einfache Nicht-Schwingungsbewegung (eine einfache Dreh- und/oder lineare Bewegung) eingeschränkt. Im Ergebnis sind die Harmonischen/ist die Peitschenwirkung, die dem Zufuhrrohr des vorher verwendeten Systems zugeordnet sind/ist, im hohen Maße verringert oder eliminiert. Die vereinfachte Partikelfalldynamik, die dem vorliegenden Partikelspeisesystem 16 zugeordnet ist, kann außerdem den Verschleiß verringern, der einer Anzahl von Teilen des Lichtbogenschweiß-Hartauftragsschweißsystems 10 zugeordnet ist, und/oder kann die Genauigkeit und die Präzision der Partikelzufuhr in ein gegebenes Schmelzbad unterstützen.
Wie in 5, 6 und den 7a und 7b am besten veranschaulicht ist, enthält das Trog- und Vibratorhalterungssystem 38 in der veranschaulichten Ausführungsform ein Paar von abgewinkelten Halterungsplatten 50, eine horizontale Basisplatte 52 und mehrere Dämpfungsbefestigungen 54. Die abgewinkelten Halterungsplatten 50 sind im Wesentlichen parallel zueinander, befinden sich aber in einem Winkel sowohl zu dem Aufnahmetrog 28 als auch zu der horizontalen Basisplatte 52, wobei sie vorzugsweise aus einem ausreichend flexiblen Material ausgebildet sind, um das Schütteln des Aufnahmetrogs 28 zu fördern, und dennoch starr genug sind, um denselben zu stützen. Folglich könnten die abgewinkelten Halterungsplatten 50 außerdem als Biegungsplatten betrachtet werden. Es ist zu betrachten, dass jede der abgewinkelten Halterungsplatten 50 aus einem oder mehreren Elementen (in der veranschaulichten Ausführungsform z. B. drei Abschnitten (die nicht einzeln beschriftet sind)) hergestellt sein könnte, wie es erforderlich ist, um die Befestigung und/oder das Biegen zu fördern.
In der veranschaulichten Ausführungsform beträgt der (nicht beschriftete) Platte-zu-Trog-Winkel der abgewinkelten Halterungsplatten 50 bezüglich des Aufnahmetrogs 28 und der Öffnung zum Trogauslass 34 etwa 40–55 Grad, während sich der (nicht beschriftete) Platte-zu-Vibrator-Winkel im Bereich von etwa 110–130 (spezieller etwa 120 Grad) befindet. Eine derartige Winkelanordnung (z. B. einer oder beide Winkel) kann verwendet werden, um das Schütteln der Partikel zum Trogauslass 34 während des Betriebs des luftangetriebenen Vibrators 30 zu unterstützen. Der Platte-zu-Trog-Winkel und/oder der Platte-zu-Vibrator-Winkel können ferner gewählt sein, um eine leichte und beinahe sofortige Partikelströmung aus dem Trogauslass 34 beim Start des luftangetriebenen Vibrators zu fördern (z. B. eine minimale Trägheit, die dem Starten/Stoppen der Partikelströmung bei der vorliegenden Konfiguration zugeordnet ist).
In der veranschaulichten Ausführungsform unterstützen es die Dämpfungsbefestigungen 54 und die horizontale Basisplatte 52, den Aufnahmetrog 28 im Wesentlichen eben zu der unteren Stützwand 42 des Speisevorrichtungsgehäuses 36 aufrechtzuerhalten und folglich die Partikelströmung zu dem Trogauslass 34 nicht zu fördern, wenn der luftangetriebene Vibrator 30 ausgeschaltet ist. Die Dämpfungsbefestigungen 54 absorbieren außerdem eine Vibration, wobei sie es dadurch unterstützen, die Menge der Vibrationsenergie, die zu dem Speisevorrichtungsgehäuse 36 und folglich durch eine Erweiterung zu dem die Speisevorrichtung tragenden Roboterarm 56, der an dem Speisevorrichtungsgehäuse 36 befestigt ist, übertragen wird, zu minimieren. Während ein repräsentatives Trog- und Vibratorhalterungssystem 38 veranschaulicht und beschrieben worden ist, wird erkannt, dass irgendein Halterungssystem, das es unterstützt, die gewünschte Partikelströmung innerhalb des Aufnahmetrogs 28 zu fördern, und das die Übertragung von Vibrationsenergie zu dem Speisevorrichtungsgehäuse 36 und dem die Speisevorrichtung tragenden Roboterarm 56 im Allgemeinen begrenzt, wahrscheinlich ausreichend sein würde und folglich innerhalb des vorliegenden Schutzumfangs betrachtet werden würde.
In der veranschaulichten Ausführungsform enthält der erste Partikelbehälter 32 teilweise zwei entgegengesetzt geneigte Behälterwände 58a, b und eine Behälterausspeisung 60. Der erste Partikelbehälter 32 ist ferner teilweise durch einen jeweiligen Abschnitt der vertikalen Seitenwände 44 des Speisevorrichtungsgehäuses 36 definiert. Die entgegengesetzt geneigten Behälterwände 58a, b sind an dem offenen oberen Abschnitt 48 des Speisevorrichtungsgehäuses 36 weiter voneinander entfernt und bei der Annäherung an die Behälterausspeisung 60 näher aneinander. Der erste Partikelbehälter 32 als solcher fördert dessen leichtes Füllen und unterstützt es außerdem, die Strömung der Partikel darin zu der Behälterausspeisung 60 zu kanalisieren. Die Behälterausspeisung 60 ist direkt über dem Aufnahmetrog 28 positioniert, um die effiziente Übertragung des Partikelmaterials zu ihm zu fördern. Es ist veranschaulicht, dass die Behälterausspeisung 60 sich im Allgemeinen zentral bezüglich der Länge des Aufnahmetrogs 28 befindet, was die gleichmäßige Verteilung der Partikel innerhalb des Aufnahmetrogs 28 fördert, während zunächst die Partikel nicht zu nah an der Behälterausspeisung 60 angeordnet werden. Es ist vorteilhaft, die Partikel nicht zu nah an der Behälterausspeisung 60 anzuordnen, um zu starten, da eine derartige Anordnung die dosierte Ausströmung der Partikel über die Partikelspeisevorrichtung 16 ungünstig beeinflussen könnte, falls sie stattfinden würde.
In einer Ausführungsform ist das Partikelspeiseausgangsrohr 40 im Allgemeinen innerhalb des vertikalen Strömungswegs 20 für die Partikel vertikal ausgerichtet und unter dem Trogauslass 34 positioniert, wo der vertikale Strömungsweg 20 tatsächlich beginnt. Das Partikelspeiseausgangsrohr 40 erstreckt sich durch die untere Stützwand 42 und ist fest daran angebracht, wie veranschaulicht ist. Es wird jedoch erkannt, dass sich irgendeine Befestigungsanordnung, die es erlauben würde, dass das Partikelspeiseausgangsrohr 40 im Allgemeinen vertikal bezüglich des Speisevorrichtungsgehäuses 36 angebracht ist, um die Partikelströmung von den Trogauslass 34 aufzunehmen und diese Strömung über die Grenzen des Speisevorrichtungsgehäuses 36 hinaus zuzuführen, innerhalb des Schutzumfangs des vorliegenden Systems befinden würde. In einer Ausführungsform enthält das Partikelspeiseausgangsrohr 40 einen Ausgangsrohrkanal 62 und einen Ausgangsrohrtrichter 64, wobei der Ausgangsrohrtrichter 64 positioniert ist, um die ankommenden Partikel von dem Trogauslass 34 aufzunehmen. Die Bereitstellung des Ausgangsrohrtrichters 64 unterstützt es, die Partikelverluste bei der Übertragung zwischen dem Trogauslass 34 und dem Partikelspeiseausgangsrohr 40 zu minimieren, und nimmt den Bereich der Schüttelverschiebung für das Herunterfallen der Partikel auf, wenn es durch die durch den Luftvibrator verursachte Bewegung in dem Aufnahmetrog 28 begonnen wird.
In einer Ausführungsform ist eine Zwischenzufuhrleitung 66 bereitgestellt, die sich im Allgemeinen (separat oder integral) vertikal von dem Ausgangsrohrkanal 62 dem Ausgangsrohrtrichter 64 entgegengesetzt erstreckt und zum Fallrohrtrichter 26 des Partikelfallrohrs 14 gerichtet ist. Die Zufuhrleitung 66 unterstützt es, die Strömung der Partikel durch ihren vertikalen Strömungsweg 20 einzuschließen und dadurch die Chancen für einen Verlust der Partikel während der Partikelbewegung zwischen dem Ausgangsrohrkanal 62 und dem Fallrohrtrichter 26 zu minimieren. Alternativ kann der Ausgangsrohrkanal 62 länger gemacht werden, was die Notwendigkeit für die Zwischenzufuhrleitung 66 beseitigt. Gleichermaßen können der Trogauslass 34 und der Ausgangsrohrkanal 62 in einem einzelnen Teil vereinigt sein.
Die Zufuhrleitung 66 und der Ausgangsrohrkanal 62 sind wenigstens vorzugsweise aus einem steifen, verschleißfesten Material, wie z. B. einem Kunststoff, einer verschleißfesten Legierung oder einem verschleißfesten Metall oder einer Keramik hergestellt. Die Steifigkeit verringert die Gelegenheiten, das Harmonische/Schwappen erzeugt werden/wird, wenn irgendwelche Partikel hindurchströmen, wobei folglich eine effiziente und steuerbare Materialströmung darin gefördert wird. Die Verschleißfestigkeit fördert eine längere Lebensdauer der Teile und spart sowohl Zeit als auch Wartungskosten ein.
Ferner beträgt die kombinierte Länge der Zufuhrleitung 66 und des Ausgangsrohrkanals 62, der sich unter dem Speisevorrichtungsgehäuse 36 erstreckt, vorzugsweise etwa 12 Zoll oder weniger, wobei die Zufuhrleitung 66 eine Länge von etwa 10 Zoll oder weniger aufweist. Bevorzugter ist diese kombinierte Länge kleiner als etwa 7 Zoll. Wie durch 5 suggeriert werden kann, kann es möglich sein, das Partikelfallrohr 14 zu eliminieren und die Zufuhrleitung 66 zu verwenden, um die Partikel in die Schweißzone zu leiten. Eine derartige Modifikation wird als innerhalb des Schutzumfangs des vorliegenden Systems betrachtet (d. h., das Partikelfallrohr 14 und/oder die Zufuhrleitung 66 können verwendet werden, um die Partikel über das Partikelspeisesystem 16 hinaus und in die Schweißzone/das Schmelzbad zu leiten). In einer Ausführungsform ist ein Partikelfallrohr 14 separat und getrennt von dem Rest der Partikelfallleitung (welche Form und Anzahl von Teilen sie auch immer enthält), die von dem Trog 28 führt, bereitgestellt, vorausgesetzt, dass das Partikelfallrohr 14 wahrscheinlich der Verstopfung, der Erosion, dem Verschleiß, der Oxidation usw. aufgrund ihrer Nähe zu dem Schweißbereich unterworfen sein kann und folglich ein Abschnitt ist, der wahrscheinlich einen periodischen Austausch benötigt. Als solcher könnte ein kleinerer Abschnitt bei Bedarf ersetzt/repariert werden.
In einer Ausführungsform kann eine Roboterbewegungssteuerung verwendet werden, um irgendeines oder alles von dem Werkstück, dem Lichtbogenschweißkopf 12 und dem Partikelspeisesystem 16 zu positionieren. Wie vorher angegeben worden ist, kann das Werkstück durch die bewegliche Werkstückhalterung 18 (z. B. einen Handhabungsroboter der HS-G3-Serie von Panasonic Robotics) manipuliert werden. Die bewegliche Werkstückhalterung 18 ist vorzugsweise imstande, einen vollen Bewegungsbereich (z. B. XYZ; Nicken/Gieren/Rollen) bereitzustellen und es dadurch möglicherweise zu erlauben, dass der Lichtbogenschweißkopf 12 und das Partikelspeisesystem 16 wenigstens während des Betriebs des Lichtbogenschweißkopfs 12 stationär bleiben.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Lichtbogenschweißkopf 12 durch einen Schweißkopfmanipulations-Roboterarm 68 gelenkig angebracht, während das Partikelspeisesystem 16 durch einen Speisesystemmanipulations-Roboterarm 70 gelenkig angebracht ist. In einer noch weiteren (nicht veranschaulichten) Variation, wenn der Lichtbogenschweißkopf 12 robotertechnisch beweglich ist und das Partikelfallrohr 14 trägt, kann es möglich sein, dass die Kombination aus dem Lichtbogenschweißkopf 12/dem Partikelfallrohr 14 an einer (nicht gezeigten) separaten Reinigungsstation gelenkig angebracht sein könnte. An einer derartigen Reinigungsstation könnten von dem Lichtbogenschweißkopf 12 und/oder dem Partikelfallrohr 14 unerwünschte Metall-, Oxid- und/oder Flussmittelablagerungen entfernt werden. Dieses Reinigen könnte z. B. die Form eines abrasiven Reibens des Inneren und/oder des Äußeren des Lichtbogenschweißkopfs 12 und/oder des Partikelfallrohr 14, des Einweichens in einem chemischen Bad usw. oder irgendeiner Kombination daraus annehmen. Die Automatisierung des Reinigungsschrittes könnte es unterstützen, die Standzeit zu verringern und/oder ein regelmäßigeres Reinigungsregime zu fördern.
In einer Ausführungsform kann eine Bewegungsgeschwindigkeit in der Richtung des Schweißdurchgangs von etwa 18–30 in/min erreicht werden (wenigstens 2× schneller als in einigen gegenwärtig verfügbaren Systemen), indem das Werkstück über die bewegliche Werkstückhalterung 18 bewegt wird und eine Bewegung im Nähmaschinenstil (d. h., Pendeln/Schwingen, jedoch mit einer endgültigen Vorwärtsbewegung) verwendet wird, um dies auszuführen. Die Bewegung der beweglichen Werkstückhalterung 18 ist leicht steuerbar, wobei die Ineffizienzen, die der Schwappbewegung des Zufuhrrohrs zugeordnet sind, die anderweitig dem in 1 gezeigten Gegenstücksystem zugeordnet sind, eliminiert oder wenigstens im hohen Maße eingeschränkt sind. Selbst wenn der Schweißkopfmanipulations-Roboterarm 68 verwendet wird, um etwas oder alles der Bewegung im Nähmaschinenstil in dem Lichtbogenschweißkopf 12 zu erzeugen (im Gegensatz zum Erzeugen von allem von ihr mit der beweglichen Werkstückhalterung 18), stellt die physikalische Trennung zwischen den Teilen des Partikelzufuhrsystems, z. B. zwischen dem Partikelfallrohr 14 und der Zufuhrleitung 66, sicher, dass die raue Bewegung des Lichtbogenschweißkopfs 12 nicht zu der Partikelspeisevorrichtung 16 und/oder der Zufuhrleitung 66 übertragen wird. Ein durch das Bewegen des Werkstücks über die bewegliche Werkstückhalterung 18 erlangter Vorteil ist, dass es leichter werden kann, den kurzen Zeitrahmen verwenden, in dem das Schmelzbad geschmolzen ist. In einer Ausführungsform werden die Partikel näher an dem soeben durch den Lichtbogenschweißkopf 12 erwärmten Bereich fallengelassen (insbesondere wenn der Schweißkopf 12 stationär ist oder sich nur in der Richtung des Schweißweges bewegt), anstatt dass sie aufgrund des Systemimpulses möglicherweise weiter stromabwärts davon aufgetragen werden.
Falls die bewegliche Werkstückhalterung 18 zu einem vollen Bewegungsbereich imstande ist, können in der Tat sowohl der Lichtbogenschweißkopf 12 als auch das Partikelspeisesystem 16 während des Schweißens und permanent stationär gemacht werden, falls dies so gewünscht ist. Falls in einer weiteren Ausführungsform die bewegliche Werkstückhalterung 18 alles der notwendigen Positionierung für den Hartauftragsschweißprozess liefert, sind der Lichtbogenschweißkopf 12 und das Partikelspeisesystem 16 mit einem (nicht gezeigten) einzigen Arm getragen. Dieser (nicht gezeigte) einzige Arm kann permanent fest sein, falls diese beiden Elemente stationär bleiben würden, oder robotertechnisch angebracht sein, falls die Positionierung für die Nichtschweißprozeduren (z. B. die Partikelnachfüllung) gewünscht ist.
Wenn das Partikelspeisesystem 16 permanent stationär gemacht ist, dann können Anordnungen hergestellt werden, um die Partikelnachfüllung zu ihm zu bringen (z. B. manuell, robotertechnisch, eine Speiseleitung usw.), anstatt es zu einer (nicht gezeigten) Nachfüllstation zu führen. Der Schweißkopfmanipulations-Roboterarm 68 und der Speisevorrichtungstrag-/-manipulations-Roboterarm 56 können, falls sie verwendet werden, den Bewegungsanforderungen für den Lichtbogenschweißkopf 12 bzw. das Partikelspeisesystem 16 entsprechen, wie es anderswo dargelegt ist. Der Speisesystemmanipulations-Roboterarm 56 kann z. B. konfiguriert sein, um das Partikelzufuhrsystem wenigstens zwischen einer ersten Sequentialisierungsposition (die im Allgemeinen in den 4 und 5 veranschaulicht, aber nicht nummeriert ist) und einer (nicht veranschaulichten) zweiten Sequentialisierungsposition zu sequentialisieren. In einer Ausführungsform befindet sich die erste Sequentialisierungsposition an einem Ort, wo der Trogauslass 34 des Aufnahmetrogs 28 vertikal über der oberen Aufnahmeöffnung (z. B. dem Fallrohrtrichter 26) des Partikelfallrohrs 14 positioniert ist, während die zweite Sequentialisierungsposition eine Position ist, wo der Trogauslass 34 des Aufnahmetrogs 28 nicht länger vertikal über der oberen Aufnahmeöffnung des Partikelfallrohrs 14 positioniert ist und wobei sich ferner der erste Partikelbehälter 32 in einem Betriebsbereich der (nicht gezeigten) Hauptpartikelquelle/Nachfüllstation (z. B. einem Partikelbunker oder einem Füllschlauch) befindet. An einer derartigen zweiten Sequentialisierungsposition würde der erste Partikelbehälter 32 dadurch imstande sein, eine Partikelmenge von der Hauptpartikelquelle aufzunehmen.
8a und 8b veranschaulichen eine weitere Ausführungsform einer Partikelspeisevorrichtung oder eines Vibrations-Carbidhartauftragsschweißsystems 100. Die Partikelspeisevorrichtung 100 kann zu den hier bezüglich den 4 bis 7b beschriebenen Ausführungsformen ähnlich sein, mit Ausnahme, wie es offensichtlich sein kann oder wie es im Folgenden dargelegt wird. In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung 100 im Allgemeinen einen Partikelbehälter (oder -bunker) 132, einen Aufnahmetrog 128 und ein Ausgangsrohr 140. Diese Version der Partikelspeisevorrichtung ist noch kompakter und leichter (z. B. etwa 2–3 lb), was ihre Verwendung mit Robotertechnik, aber möglicherweise sogar mit der manuellen Hartauftragsschweißarbeit fördert. Zusätzlich wird geschätzt, dass eine derartige Partikelspeisevorrichtung für weniger als $250 hergestellt werden könnte, wenn die andere luftangetriebene Variante etwa $2000 oder mehr kosten könnte.
In einer Ausführungsform ist der Bunker 132 konfiguriert, die Partikel, die in einem Schmelzbad aufzutragen sind, wie oben beschrieben worden ist, aufzunehmen. In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Bunker 132 einen oberen zylinderförmigen Abschnitt 132a, der sich abwärts in einen kegelförmigen Abschnitt 132b erstreckt und an einem unteren zylinderförmigen Behälterauslass 132c endet. Der Auslass 132c fördert die Partikelströmung von dem Bunker 132 zu dem Aufnahmetrog 128. Der zylinderförmige Querschnitt des Bunkers 132 kann eine gleichmäßigere Strömung der Partikel von dem Bunker 132 zu dem Aufnahmetrog 128 und dem Ausgangsrohr 140 fördern.
In einer Ausführungsform ist ein Träger 190 an dem Bunker 132, z. B. über eine Schweißnaht oder ein anderes mechanisches Befestigungsmittel (z. B. Mutter/Schraube), befestigt. In einer Ausführungsform erlaubt der Träger 190, dass die Vorrichtung 100 an einem Roboterarm oder an einer stationären Stelle befestigt ist. Wie im Folgenden beschrieben wird, fördert in einer weiteren Ausführungsform der Träger 190 die Verbindung des Trogs 128 und eines pneumatischen Vibrators 130 mit der Vorrichtung 100.
In einer Ausführungsform ist der Aufnahmetrog 128 an dem Träger 190 befestigt, so dass ein unmittelbares Ende 128a des Trogs 128 unter dem Bunkerauslass 132c positioniert ist, um die Partikel von dem Bunker 132 aufzunehmen, während ein distales Ende 128b einen Partikelauslass umfasst. In einer weiteren Ausführungsform ist der Aufnahmetrog 128 so positioniert, dass sich der Trog 128 im Wesentlichen senkrecht zu dem Bunker 132 befindet, wobei sich das unmittelbare Ende 128a unter dem Auslass 132c befindet und sich das distale Ende 128b davon erstreckt. In einer zusätzlichen Ausführungsform ist der Trog 132 bezüglich der x-Achse von dem unmittelbaren Ende 128a des Trogs etwas nach oben abgewinkelt. Mit anderen Worten, das distale Ende 128b ist etwas über das unmittelbare Ende 128a erhöht, was dazu tendieren kann, die Partikel von dem vorzeitigen Verlassen des Trogs 128 abzuhalten. In den Ausführungsformen ist der Trog 128 zwischen 1 und 10 Grad, vorzugsweise zwischen 1 und 8 Grad und bevorzugter zwischen 2 und 5 Grad, vom unmittelbaren Ende 128a bezüglich der horizontalen x-Achse, abgewinkelt.
In einer Ausführungsform ist das Ausgangsrohr 140 an dem distalen Ende 128b des Trogs 128 befestigt und erstreckt sich in einer im Allgemeinen vertikalen Richtung nach unten, um die Partikel in das Schmelzbad zuzuführen, wie im Folgenden ausführlicher beschrieben wird. In einer Ausführungsform kann das Ausgangsrohr 140 mit dem Fallrohr 14 in Verbindung stehen, wie oben beschrieben worden ist.
In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung 100 ferner einen pneumatischen Antrieb oder einen luftangetriebenen Vibrator 130, der an dem Träger 190 angebracht ist und der die Bewegung der Partikel durch die Vorrichtung 100 fördern kann. Der Vibrator 130 kann eine Eingangsleitung 131 und eine Gegendruck/Auslassleitung 133 aufweisen. Der Betrieb des Vibrators 130 kann folglich unter Verwendung der Eingangsleitung 131 oder der Auslassleitung 133 gesteuert sein. Es ist gezeigt, dass ein Ventil 137 mit der Auslassleitung verbunden ist; dieses Ventil kann für die Gegendruckregelung verwendet werden. In den Ausführungsformen kann es vorteilhaft sein, dass der pneumatische Vibrator 130 über die Auslassleitung 133 betrieben wird, was einen konsistenteren Betrieb der Vorrichtung 100 bereitstellen kann. In einer Ausführungsform ist der Vibrator 130 an dem Träger 190 angebracht, so dass sich der Vibrator 130 in einem Winkel AA von etwa 10 bis 20 Grad bezüglich des Trogs 128 befindet. In zusätzlichen Ausführungsformen beträgt der Winkel AA 15–20 oder etwa 18 Grad bezüglich des Trogs 128. Die Verwendung des Vibrators 130, der in dem Winkel AA bezüglich des Trogs angebracht ist, kann dazu tendieren, eine gleichmäßige und steuerbare Strömung der Partikel durch die Vorrichtung 100 zu fördern.
Die Durchflussmenge der Partikel durch die Vorrichtung 100 kann überwiegend durch den Vibrator 130 angetrieben sein. Durch das Ändern des Betrags des Luftdrucks für den Vibrator 130 können die Vibrationen manipuliert werden, um die die Vorrichtung 100 verlassenden Partikel zu steuern. Durch das Erhöhen des Drucks für den Vibrator 130 kann die durch die Vorrichtung 100 zugeführte Partikelmenge erhöht werden und umgekehrt. Entsprechend kann die Vorrichtung 100 ein stärker gesteuertes Auftragen der Partikel basierend auf der gewünschten Dichte der Partikel für spezielle Anwendungen (z. B. um Bereiche mit hohem Verschleiß) ermöglichen. Es kann folglich möglich sein, das Auftragen der Hartaufschweißung in einer einzigen Durchgangsoperation anstatt in mehreren Durchgängen abzuschließen.
In den Ausführungsformen kann der Vibrator 130 mit elektronischen Komponenten ausgerüstet sein, die für das Betreiben der Vorrichtung 100 über eine Programmierung erforderlich sind. Die Programmierung kann sowohl die Verwendung des Roboterarms, falls gewünscht, als auch die Luftmenge zu dem Vibrator 130 steuern und folglich die Schwingungen und die resultierende Menge der Partikelströmung steuern.
In Gebrauch sind die Partikel in dem Bunker 132 angeordnet. Die Anordnung des Trogs 128 am Auslass des Bunkers 132c und der geringe Winkel des Trogs 128, wie oben beschrieben worden ist, verhindern die Strömung der Partikel aus dem Bunker 132. Dem Vibrator 130 wird über die Eingangsleitung 131 oder die Gegendruck/Auslassleitung 133 Luft bereitgestellt. Wenn der Vibrator 130 den Trog 128 schüttelt, werden die Partikel zu dem distalen Ende 128b des Trogs bewegt, wo sie die Vorrichtung 100 über das Ausgangsrohr 140 verlassen. Wenn sich die Partikel von dem unmittelbaren Ende 128a des Trogs zum distalen Ende 128b bewegen, Verlassen zusätzliche Partikel den Trogauslass 132c. Die Vibrationen können vergrößert oder verringert werden, wie oben angegeben worden ist, um die durch die Vorrichtung zugeführte Partikelmenge an die Kundenwünsche anzupassen.
Obwohl es nicht erforderlich ist, kann es für die verschiedenen Komponenten der Vorrichtung 100 (z. B. den Bunker 132, den Aufnahmetrog 128, den Träger 190 usw.) vorteilhaft sein, aus leichten Materialien, wie z. B. Aluminium, hergestellt zu sein. Dies kann es ermöglichen, dass die Vorrichtung 100 für die Leichtigkeit beim Bewegen der Partikelspeisevorrichtung 100 bei Bedarf auf einen Roboterarm aufgenommen wird. In einigen Ausführungsformen wiegt die gesamte Vorrichtung weniger als fünf Pfund und bevorzugter weniger als zwei Pfund.
In einer noch weiteren Variation ist der luftangetriebene Vibrator der Partikelspeisevorrichtung durch eine (nicht gezeigte) drehbare Förderschnecke als der Antriebsmechanismus zum Bewegen der Partikel entlang dem Aufnahmetrog zu dem Trogauslass ersetzt. Die drehbare Fördererschnecke kann in dem Aufnahmetrog aufgenommen sein und kann ferner z. B. durch einen Motor mit variabler Drehzahl oder mehreren Drehzahlen angetrieben sein und folglich die Fähigkeit fördern, die Rate, mit der die Partikel (z. B. das Carbid) dem Trogauslass 34 und schließlich dem Schweißbereich zugeführt werden, zu steuern. Die Förderschnecke kann z. B. eine spiralförmige Bürste (z. B. mit Kunststoff- oder Hartmetallborsten), eine Kunststoffspirale oder eine andere annehmbare Form sein. Die Konfiguration der Förderschnecke kann auf der Grundlage z. B. der Kosten, der Verschleißfestigkeit/Haltbarkeit, der Effektivität beim Bewegen der Partikel usw. gewählt werden. Wie der luftangetriebene Vibrator 30 sind die auf einer Förderschnecke basierenden Zufuhrmittel leicht (möglicherweise 1–2 Pfund oder weniger für die Förderschnecken-/Motorkombination), wobei sie das Einführen großer Systemvibrationen, die zu einer ineffizienten Partikelzufuhr beitragen können, nicht umfassen und die Gelegenheit bieten, dass gesteuerte Partikelmengen einem gegebenen Schweißbereich zugeführt werden.
Das Partikelzufuhrsystem führt die Partikel mit einer dosierten Rate zu dem Werkstück zu, die als eine Fallrate bezeichnet werden kann. Der Wirkungsgrad des Einfangens der Partikel in dem Schweißbad ist im Allgemeinen kleiner als die Fallrate.
Der Volumenbruchteil der verschleißfesten Partikel in der Hartaufschweißung kann von 30% bis 60%, 30–55%, 30–50%, 40 bis 60% oder 30 bis 50% reichen. Für eine spezielle Zone oder einen speziellen Bereich innerhalb der Hartaufschweißung kann ein durchschnittlicher Volumenbruchteil durch die Mittelung mehrerer Messwerte bestimmt werden. In einer Ausführungsform sind die verschleißfesten Partikel im Wesentlichen gleichmäßig verteilt, wenn der durchschnittliche Volumenbruchteil der Partikel, die Wolframcarbid umfassen, in jeder der inneren, mittleren und äußeren Zone (z. B. Drittel) der Hartaufschweißung von 30 bis 60% oder 30 bis 50% reicht. In einer Ausführungsform kann der Volumenbruchteil der Wolframcarbid umfassenden Partikel in der Hartaufschweißung aus dem Flächenbruchteil der Wolframcarbid umfassenden Partikel, der aus einem Querschnitt der Hartaufschweißung erhalten wird, gemessen werden.
Ein Gewichtsbruchteil der verschleißfesten Partikel kann außerdem berechnet werden. Das Gewicht der Hartaufschweißung kann durch das Messen des Gewichts des Stücks, auf das die Hartaufschweißung aufgetragen werden soll, sowohl vor als auch nach dem Auftragen der Hartaufschweißung gemessen werden. Das Gewicht des dem Hartauftragsschweißprozess zugeführten Schweißzusatzwerkstoffs kann außerdem berechnet werden. Der Unterschied zwischen dem Gewicht der Hartaufschweißung und dem Gewicht des dem Hartauftragsschweißprozess zugeführten Metalls ergibt ein Maß des Gewichtsbeitrags der verschleißfesten Partikel. Der Gewichtsbruchteil der verschleißfesten Partikel kann dann als das Verhältnis des Gewichts der verschleißfesten Partikel zu dem Gewicht der Hartaufschweißung als Ganzes genommen werden. Der Gewichtsbruchteil der verschleißfesten Partikel kann von 10–55%, 10–20%, 20–30%, 30–55%, 30–50%, 40–55% oder 40–50% reichen.
Die Anzahl der innerhalb eines gegebenen Messbereichs enthaltenen Partikel ist ein weiterer Parameter, der verwendet werden kann, um die Hartaufschweißung zu charakterisieren. In einer Ausführungsform reicht die Anzahl der Partikel pro Quadratzentimeter von 90 bis 150 (etwa 580 Partikel pro Quadratzoll bis etwa 970 Partikel pro Quadratzoll); diese Anzahl der Partikel pro Einheitsfläche kann in Kombination mit einem Volumenbruchteil der Partikel von 30 bis 60%; oder 40 bis 60% vorhanden sein.
Die Wolframcarbidpartikel, wie sie hier verwendet werden, können WC, W₂C oder andere Phasen des Wolframcarbids und deren Mischungen enthalten. Die Wolframcarbidpartikel umfassenden Partikel, die aus der Wiederverwertung eines zementierten Wolframcarbidmaterials erhalten werden, können außerdem relativ kleine Mengen anderer Materialien, wie z. B. eines Bindemittelmaterials und/oder eines Überzugmaterials, enthalten. Die Wolframcarbid umfassenden Partikel können außerdem z. B. sowohl Kobalt als auch kleinere Mengen von Eisen, Titan und Phosphor zusammen mit anderen möglichen Elementen enthalten. Der Volumenbruchteil der Wolframcarbid umfassenden Partikel in der Hartaufschweißung kann von 30% bis 60%, 30–55%, 30–50%, 40 bis 60% oder 30 bis 50% reichen. In einer Ausführungsform kann der Volumenbruchteil der Wolframcarbid umfassenden Partikel in der Hartaufschweißung aus dem Flächenbruchteil der Wolframcarbid umfassenden Partikel gemessen werden, der aus einem Querschnitt der Hartaufschweißung erhalten wird. Deshalb kann ein Flächenbruchteil der Partikel, der aus einem Querschnitt der Hartaufschweißung erhalten wird, außerdem von 30% bis 60%, 30–55%, 30–50%, 40 bis 60% oder 30 bis 50% reichen.
In anderen Ausführungsformen werden Siliciumcarbid (SiC) und/oder Borcarbid dem Schweißbad zugeführt. Das SiC weist eine hohe Härte, einen guten Wärmeschock, eine niedrige Dichte, eine Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen und relativ niedrige Kosten auf. Das Borcarbid ist das vierthärteste Material nach Diamant, CBN und einigen Typen des SiC (Field, 1992) und weist eine relativ niedrige Dichte und relativ niedrige Kosten auf. Der Kohlenstoffgehalt im Borcarbid erzeugt einen signifikanten Einfluss auf seine mechanischen Eigenschaften, Härte und Bruchzähigkeit. Bei 8,8 bis 20 Atom-% C ist das Borcarbid in einer rhomboedrischen Form vorhanden und wird normalerweise als B13C2 oder B4C bezeichnet, was den höchsten Härtewert im Vergleich zu einer anderen Zusammensetzung des Borcarbids zeigte, die aufgezeichnet worden ist (Loubet u. a., 1989). In den Ausführungsformen ist die Gesamtmenge des Siliciumcarbids und/oder des Borcarbids, die dem Schweißbad zugeführt wird, kleiner als 15 Gew.-% oder kleiner als 12 Gew.-%. In einer Ausführungsform beträgt die Fallrate der Carbidpartikel zu dem Schweißband 0,5 bis 5 g/s. In einer Ausführungsform, in der 10 bis 35% Wolframcarbidpartikel hinzugefügt werden, reicht die Fallrate von 2 bis 5 g/s.
In einer Ausführungsform kann die Größe der dem Hartauftragsschweißprozess zugeführten Partikel durch einen Maschengrößenbereich charakterisiert werden. Wie in der Technik bekannt ist, bezieht sich die Maschengröße auf die Größe des Drahtgeflechts, das verwendet wird, um die Partikel zu sieben. In einer Ausführungsform sind die hier verwendeten Maschengrößen gemäß dem ASTM-Standard E-11, wobei sie US-Standard-Siebzahlen sein können. Wenn die Partikelgröße als 12–25 Mesh klassifiziert ist, wie sie hier verwendet wird, befindet sich die Mehrzahl der Partikel innerhalb des Bereichs von 12–25 Mesh, wobei eine Minderzahl (z. B. 5–10%) entweder größer als 12 Mesh oder kleiner als 25 Mesh ist. Zur Bezugnahme beträgt die Nenn-Sieböffnung für ein Sieb Nr. 12 etwa 1,70 mm, beträgt die Nenn-Sieböffnung für ein Sieb Nr. 25 etwa 0,710 mm, beträgt die Nenn-Sieböffnung für ein Sieb Nr. 30 etwa 0,6 mm und beträgt die Nenn-Sieböffnung für ein Sieb Nr. 40 etwa 0,425 mm (US-Standard-Siebklassierung). Falls irgendeine Auflösung der Wolframcarbid umfassenden Partikel während des Hartauftragsschweißprozesses auftritt, kann die Größe der Partikel von diesen Anfangswerten abnehmen. Zusätzlich können sich einige der kleineren Partikel (z. B. jene, die durch ein Sieb Nr. 30 passen) vollständig auflösen. Die Größe der verschleißfesten Partikel, die zu dem Schweißbad hinzugefügt werden, kann 10 bis 25 Mesh; 12–24 Mesh; 12 bis 25 Mesh; 12 bis 30 Mesh; 12 bis 40 Mesh; 12 bis 18 Mesh; oder 18 bis 25 Mesh betragen.
Wie die eisenbasierte Legierung oder das eisenbasierte Metallmaterial hier verwendet werden, ist es eine Legierung oder ein Metall, in der Eisen das Element ist, das in der höchsten Konzentration vorhanden ist. In einer Ausführungsform ist die verbrauchbare Drahtelektrode aus einem weichen unlegierten oder kohlenstoffarmen Stahl, der weniger als 0,3 Gew.-% Kohlenstoff enthält, hergestellt. In den Ausführungsformen kann das Drahtmetall ein Kohlenstoffstahl oder ein schwach legierter Stahl sein. Auf die verbrauchbare Elektrode kann durch ihre AWS-Klassifikation (Klassifikation der amerikanischen Schweißgesellschaft) Bezug genommen werden. Geeignete Schweißdrähte enthalten den ER70S-Typ (L59) oder den ER90S-Typ (den LA90-Typ), sind aber nicht darauf eingeschränkt. Die spezifizierte Zusammensetzung des ER70S-6 ist 0,06–0,12% C, 1,40–1,85% Mn, 0,8–1,15% Si, 0,035–% max. S, 0,025% P, 0,5% max. C, 0,15% max. Ni, 0,15% max. Cr, 0,15% max. Mo und 0,03% max. V. Die spezifizierte Zusammensetzung des ER90X-D2 ist 0,07–0,12% C, 1,60–2,10% Mn, 0,5–0,8% Si, 0,15% max. % Ni, 0,40–0,60% Mo, 0,025% max. S, 0,025% max. P und 0,5% max. Cu. Geeignete Kohlenstoffstähle enthalten die Stähle, die durch die AISI/SAE-Bezeichnung 10xx, 15xx, 13xx, 11xx und 12xx dargestellt sind, wobei die letzten beiden Ziffern der Bezeichnung den Kohlenstoffgehalt repräsentieren, die Stähle, die durch die ASTM-Bezeichnungen A572 (alle Qualitäten) und ASTM A514 (alle Qualitäten) dargestellt sind, und proprietäre Stähle, wie z. B. Hardox und Wearform, sind aber nicht darauf eingeschränkt. In einer Ausführungsform weisen die schwach legierten Stähle einen Gesamtlegierungsgehalt von weniger als 8 Gew.-% auf. Geeignete schwach legierte Stähle enthalten die Stähle, die durch AISI/SAE 40xx, 41xx, 43xx, 44xx, 46xx, 47xx, 48xx, 50xx, 51xx, 50xxx, 51xx, 61xx, 81xx, 86xx, 87xx, 88x, 92xx, 93xx oder 94xx dargestellt sind, wobei die letzten zwei oder drei Ziffern der Bezeichnung den Kohlenstoffgehalt repräsentieren.
Das Basismaterial kann eisenhaltig sein. In einer Ausführungsform kann das Basismetall ein Stahl sein. Wie Stahl hier verwendet wird, ist er eine Legierung des Eisens, die weniger als 2 Gew.-% Kohlenstoff enthält. In den Ausführungsformen kann das Basismetall ein Kohlenstoffstahl oder ein schwach legierter Stahl sein. Geeignete Kohlenstoffstähle enthalten die Stähle, die durch die AISI/SAE-Bezeichnung 10xx, 15xx, 13xx, 11xx und 12xx dargestellt sind, wobei die letzten beiden Ziffern der Darstellung den Kohlenstoffgehalt repräsentieren, die Stähle, die durch die ASTM-Bezeichnungen A572 (alle Qualitäten) und ASTM A514 (alle Qualitäten) dargestellt sind, und proprietäre Stähle, wie z. B. Hardox und Wearform, sind aber nicht darauf eingeschränkt. In einer Ausführungsform weisen die schwach legierten Stähle einen Gesamtlegierungsgehalt von weniger als 8 Gew.-% auf. Geeignete schwach legierte Stähle enthalten die Stähle, die durch AISI/SAE 40xx, 41xx, 43xx, 44xx, 46xx, 47xx, 48xx, 50xx, 51xx, 50xxx, 51xx, 61xx, 81xx, 86xx, 87xx, 88x, 92xx, 93xx oder 94xx dargestellt sind, wobei die letzten zwei oder drei Ziffern der Bezeichnung den Kohlenstoffgehalt repräsentieren.
In einer Ausführungsform kann die Dicke der Hartaufschweißung, wie sie hergestellt ist, von 1 mm (etwa 0,039'') bis 25 mm (etwa 1''), von 2 mm (etwa 0,08'') bis 25 mm oder 5 mm (etwa 0,2'') des 25 mm reichen. In einer Ausführungsform reicht eine derartige Dicke von 2,5 mm bis 5,0 mm. Die Dicke der Hartaufschweißung kann entlang dem Gegenstand, auf dem sie aufgetragen ist, etwas variieren. In einer weiteren Ausführungsform beträgt die Variation der Dicke der Hartaufschweißung 0–25%, 0–30% oder 0–50%. Es wird erkannt, dass die Menge der auf einen gegebenen Bereich eines Teils aufgetragenen Hartaufschweißung durch die Bedienungsperson und/oder den Programmierer gewählt werden kann. Das heißt, verschiedene Abschnitte/Flächen eines gegebenen Teils können z. B. basierend auf dem erwarteten Verschleiß an einem gegebenen Ort, Kostenüberlegungen usw. unterschiedliche darauf aufgetragene Mengen des Aufschweißmaterials aufweisen. Im Ergebnis könnte ein Teil eine kleine Menge der Hartaufschweißung auf einem Satz von Flächen und eine beträchtliche Menge auf einem weiteren Satz von Flächen aufweisen.
In einer Ausführungsform kann die Verschleißfestigkeit der Hartaufschweißung durch in der Technik bekannte Verfahren bewertet werden. In einer Ausführungsform kann die abrasive Verschleißfestigkeit der Hartaufschweißung unter Verwendung des ASTM-Standards B611 bewertet werden, der für zementierte Carbide entwickelt wurde. In einer Ausführungsform wird die Verschleißfestigkeit durch eine Verschleißzahl angegeben. In den Ausführungsformen reicht die Verschleißzahl von 3,0 bis 6,0, von 5,5–11; 6,0 bis 11; 6,5 bis 11; oder 7 bis 11.
Die Physik der Ausführungsformen der vorliegenden Vorrichtungen und Verfahren, in denen die Schwingungsbewegung des Schweißbades verursacht wird, kann derartige Faktoren, wie z. B. die Mischung/Verteilung des Carbid-/Partikelmaterials innerhalb des Schweißbades und eine verringerte Gelegenheit zur Kernbildung der Materialien der sekundären Phase unmittelbar an dem hinzugefügten Aufschweißmaterial verbessern, was überraschend vorteilhafte Ergebnisse innerhalb der resultierenden Aufschweißmikrostruktur sind. Derartige Ergebnisse können mit verschiedenen Positionierungen/Bewegungen des Partikelzufuhrsystems und/oder der Schweißpistole erzeugt werden, die hier beschrieben sind. Unterdessen kann das Nichtschwingen der Schweißpistole und des Partikelzufuhrsystems während der Bildung der Hartaufschweißung die Verschleißlebensdauer dieser Komponenten vergrößern und/oder es möglich machen, die Zufuhrrate der Aufschweißpartikel genauer zu steuern.
Typischerweise kann die Mitte des Schweißbades eine sehr hohe Temperatur von 3630 bis 4530°F erreichen, während an den Seiten des Schweißbades (rechts und links) die Temperatur typischerweise 1800°F kleiner als die Temperatur in der Mitte des Schweißbades ist. In einer Ausführungsform kann die Schwingungsbewegung eines Teils oder eines Werkstücks während des Hartauftragsschweißens außerdem die Bildung der sekundären Phase verringern und die Verdünnung um das Wolframcarbid verringern. Wenn die Wolframcarbidpartikel in das Schweißbad hinzugefügt werden, können die Wolframcarbidpartikel die geschmolzene Eisenschweißmatrix verdünnen und mit ihr reagieren und die sekundäre Phase bilden. Je länger der Zeitraum ist, den die Wolframcarbidpartikel in dem geschmolzenen Stahl (ohne eine Bewegung der Schweißmatrix) bleiben, desto höher ist der Verdünnungsbereich, wobei er eine höhere Bildung der sekundären Phasen (z. B. W-C-Fe) erlaubt. Ohne zu wünschen, an irgendeine spezielle Überzeugung gebunden zu sein, erlaubt die Bewegung der Schweißmatrix bei einer Schwingung der Probe, dass sich die Wärme gleichmäßiger überall in der Schweißmatrix verteilt. Zusätzlich können größere Anzahlen von Wolframpartikeln während der Schwingung der Probe eingefangen werden; wenn die Anzahl der Wolframcarbidpartikel zunimmt, kann die Wärmemenge, die zwischen den WC-Partikeln innerhalb des Schweißbades verteilt wurde, verringert werden, wenn die Anzahl der WC-Partikel zunimmt.
Einige der hier zugewiesenen Einheiten können keine metrischen Einheiten sein. Die Umrechnungen für irgendwelche nichtmetrischen Einheiten sind in der Technik wohlbekannt, wobei vorgesehen ist, dass irgendwelche Äquivalente metrischer Einheiten für die hier zugewiesenen nichtmetrischen Einheiten hier in der Offenbarung eingeschlossen sind (ein Zoll ist z. B. zu etwa 2,54 cm äquivalent).
Alle Quellenangaben überall in dieser Anmeldung, z. B. Patentdokumente einschließlich ausgegebener oder erteilter Patente oder Äquivalente; Patentanmeldungsveröffentlichungen; und Dokumente der Nicht-Patentliteratur und anderes Quellenmaterial; sind hierdurch in ihren Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen, als ob sie einzeln durch Bezugnahme aufgenommen sind, soweit jede Quellenangabe wenigstens teilweise nicht mit der Offenbarung dieser Anmeldung inkonsistent ist (eine Quellenangabe, die teilweise inkonsistent ist, ist z. B. mit Ausnahme des teilweise inkonsistenten Abschnitts der Quellenangabe durch Bezugnahme aufgenommen).
Alle in der Beschreibung erwähnten Patente und Veröffentlichungen sind für die Qualifikationsniveaus der Fachleute auf dem Gebiet, das die Erfindung betrifft, angezeigt. Die hier zitierten Quellenangaben sind in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme hier aufgenommen, um den Stand der Technik anzugeben, in einigen Fällen ab ihrem Einreichungsdatum, wobei vorgesehen ist, dass diese Informationen hier verwendet werden können, um erforderlichenfalls spezifische Ausführungsformen, die sich im Stand der Technik befinden, auszuschließen (z. B. abzulehnen). Wenn z. B. eine Verbindung beansprucht wird, sollte es selbstverständlich sein, dass nicht vorgesehen ist, dass die Verbindungen, die im Stand der Technik bekannt sind, einschließlich bestimmter Verbindungen, die in den hier offenbarten Quellenangaben (insbesondere in den Patentdokumenten, auf die verwiesen wird) offenbart sind, in den Anspruch einbezogen sind.
Die allgemeinen Begriffe und Redewendungen, die hier verwendet werden, weisen ihre in der Technik anerkannte Bedeutung auf, die unter Bezugnahme auf Standardtexte, Zeitschriften-Quellenangaben und Kontexte, die den Fachleuten auf dem Gebiet bekannt sind, gefunden werden kann. Die vorangehenden Definitionen sind bereitgestellt, um ihre spezifische Verwendung im Kontext der Ausführungsformen der Erfindung zu erläutern.
Wenn eine Verbindung beansprucht wird, sollte es selbstverständlich sein, dass nicht vorgesehen ist, dass die Verbindungen, die in der Technik bekannt sind, einschließlich der Verbindungen, die in den hier offenbarten Quellenangaben offenbart sind, nicht einbezogen sind. Wenn hier eine Markush-Gruppe oder eine andere Gruppierung verwendet wird, ist vorgesehen, dass alle einzelnen Mitglieder der Gruppe und alle möglichen Kombinationen und Unterkombinationen der Gruppe einzeln in die Offenbarung einbezogen sind.
Jeder Formulierung oder Kombination von Komponenten, die beschrieben oder veranschaulicht ist, kann verwendet werden, um die Erfindung zu praktizieren, wenn es nicht anderweitig dargelegt ist. Es ist vorgesehen, dass spezifische Namen von Verbindungen beispielhaft sind, da bekannt ist, dass ein Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet dieselben Verbindungen anders benennen kann. Ein Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet erkennt, dass die Verfahren, Vorrichtungselemente, Startmaterialien und synthetischen Verfahren mit Ausnahme jener, die spezifisch veranschaulicht sind, in der Praxis der Erfindung verwendet werden können, ohne auf ein übermäßiges Experimentieren zurückzugreifen. Es ist vorgesehen, dass alle in der Technik bekannten funktionalen Äquivalente irgendwelcher derartiger Verfahren, Vorrichtungselemente, Startmaterialien und synthetischer Verfahren in diese Erfindung einbezogen sind. Es ist vorgesehen, dass wann immer in der Beschreibung ein Bereich, z. B. ein Temperaturbereich, ein Zeitbereich oder ein Zusammensetzungsbereich, angegeben ist, sowohl alle Zwischenbereiche und Unterbereiche als auch alle einzelnen Werte, die in den angegebenen Bereichen enthalten sind, in diese Offenbarung aufgenommen sind.
”Umfassend” ist, wie es hier verwendet wird, mit ”enthaltend”, ”beinhaltend” oder ”gekennzeichnet durch” synonym, wobei es inklusiv oder erweiterbar ist und zusätzliche, nicht dargestellte Elemente oder Verfahrensschritte nicht ausschließt. ”Bestehend aus”, wie es hier verwendet wird, schließt jedes Element, jeden Schritt oder jeden Bestandteil, das bzw. der in dem Anspruchselement nicht spezifiziert ist, aus. ”Im Wesentlichen bestehend aus”, wie es hier verwendet wird, schließt die Materialien oder Schritte, die die grundlegenden und neuartigen Charakteristika des Anspruchs nicht wesentlich beeinflussen, nicht aus. Jeder Darstellung des Begriffs ”umfassend”, insbesondere in einer Beschreibung der Komponenten einer Zusammensetzung oder in einer Beschreibung der Elemente einer Vorrichtung, ist hier so zu verstehen, dass sie diese Zusammensetzungen und Verfahren umschließt, die im Wesentlichen aus den dargestellten Komponenten oder Elementen bestehen und die aus den dargestellten Komponenten oder Elementen bestehen. Die hier geeignet veranschaulichend beschriebene Erfindung kann beim Fehlen irgendeines Elements oder irgendwelcher Elemente, irgendeiner Einschränkung oder irgendwelcher Einschränkungen, was hier nicht spezifisch offenbart ist, praktiziert werden.
Die Begriffe und Ausdrücke, die verwendet worden sind, werden als Begriffe der Beschreibung und nicht der Einschränkung verwendet, wobei es bei der Verwendung derartiger Begriffe und Ausdrücke keine Absicht des Ausschließens irgendwelcher Äquivalente der gezeigten und beschriebenen Merkmale oder deren Abschnitte gibt, sondern erkannt wird, dass verschiedene Modifikationen innerhalb des Schutzumfangs der beanspruchten Erfindung möglich sind. Folglich sollte es selbstverständlich sein, dass, obwohl die vorliegende Erfindung durch verschiedene Ausführungsformen und optionale Merkmale spezifisch offenbart worden ist, durch die Fachleute auf dem Gebiet von einer Modifikation und Variation der hier offenbarten Konzepte Gebrauch gemacht werden kann, wobei derartige Modifikationen und Variationen als sich innerhalb des Schutzumfangs dieser Erfindung, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, befindlich betrachtet werden.
Obwohl die Beschreibung hier viele Spezifitäten enthält, sollten diese nicht als den Schutzumfang der Erfindung einschränkend ausgelegt werden, sondern lediglich als Veranschaulichungen einiger der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung bereitstellend ausgelegt werden. Folglich sollte der Schutzumfang der Erfindung z. B. durch die beigefügten Ansprüche und ihre Äquivalente anstatt durch die angegebenen Beispiele bestimmt werden.
Die Erfindung kann durch die folgenden nicht einschränkenden Beispiele weiter verstanden werden.
Beispiel 1: Der Vergleich von Aufschweißproben mit Wolframcarbidpartikeln bei stationärer Probe und sich bewegender Probe
Die 10A und 10B vergleichen Aufschweißproben, die mit einer seitlichen Bewegungsgeschwindigkeit von 12 Zoll pro Minute und einem Pendelmuster hergestellt worden sind. Der Speisedraht war weicher unlegierter Stahl, während die Carbidpartikel Wolframcarbidpartikel (mit einer Anfangsgröße von 12–24 Mesh) waren. Die Drahtvorschubgeschwindigkeit und die Spannung waren für beide Proben etwa die gleichen (350–375 Zoll/Minute und 26 V). Die Carbidfallrate war für beide Proben 5 g/s. 10A veranschaulicht ein auf eine stationäre Probe mit einem beweglichen Lichtbogenschweißkopf bei einer Schwingungsfrequenz von 4 Hz und einer Amplitude von 1 mm aufgebrachte Hartaufschweißung. Der gemessene Flächenbruchteil der Carbidpartikel betrug 16%, der mit 2 beschriftete obere Höhenmesswert betrug 0,1364 Zoll, der mit 3 beschriftete untere Höhenmesswert betrug 0,0944 Zoll und der Breitenmesswert betrug 0,5748 Zoll. 10B veranschaulicht eine auf eine bewegliche Probe mit einem stationären Lichtbogenschweißkopf bei einer Schwingungsfrequenz von 4 Hz und einer Amplitude von 2,4 mm aufgebrachte Hartaufschweißung. An beiden Rändern des Musters wurde eine Nachhaltezeit von 0,1 s verwendet. Der gemessene Flächenbruchteil der Carbidpartikel betrug 44,4%, der mit 2 beschriftete obere Höhenmesswert betrug 0,1754 Zoll, der mit 3 beschriftete untere Höhenmesswert betrug 0,0667 Zoll und der Breitenmesswert betrug 0,5633 Zoll.
Die 11A und 11B vergleichen Aufschweißproben, die mit einer seitlichen Bewegungsgeschwindigkeit von 20 Zoll pro Minute und einem Pendelmuster hergestellt worden sind. Der Speisedraht war weicher unlegierter Stahl, während die Carbidpartikel Wolframcarbidpartikel (mit einer Anfangsgröße von 12–24 Mesh) waren. Die Drahtvorschubgeschwindigkeit und die Spannung waren für beide Proben etwa die gleichen und etwa die gleichen wie in 10A und 10B. Die Carbidfallrate war 13,9 g/s für die stationäre Probe und 5 g/s für die sich bewegende Probe. 11A veranschaulicht eine auf eine stationäre Probe mit einem beweglichen Lichtbogenschweißkopf bei einer Schwingungsfrequenz von 4 Hz und einer Amplitude von 1 mm aufgebrachte Hartaufschweißung. Der gemessene Flächenbruchteil der Carbidpartikel betrug 25,6%, der mit 2 beschriftete obere Höhenmesswert betrug 0,1313 Zoll, der mit 3 beschriftete untere Höhenmesswert betrug 0,0403 Zoll und der Breitenmesswert betrug 0,5008 Zoll. 11B veranschaulicht eine auf eine sich bewegende Probe mit einem stationären Lichtbogenschweißkopf bei einer Schwingungsfrequenz von 4 Hz und einer Amplitude von 2,5 mm aufgebrachte Hartaufschweißung. Der gemessene Flächenbruchteil der Carbidpartikel betrug 40,6%, der mit 2 beschriftete obere Höhenmesswert betrug 0,2257 Zoll, der mit 3 beschriftete untere Höhenmesswert betrug 0,0537 Zoll und der Breitenmesswert betrug 0,6702 Zoll.
12 zeigt ein Querschnitts-Mikroschliffbild (20× Vergrößerung) einer Hartaufschweißung, die bei einer Bewegungsgeschwindigkeit von 25 Zoll pro Minute mit einer sich bewegenden Probe und einem stationären Lichtbogenschweißkopf gebildet worden ist. Der Speisedraht war weicher unlegierter Stahl, während die Carbidpartikel Wolframcarbidpartikel (mit einer Anfangsgröße von 12–24 Mesh) waren. Die Carbidfallrate betrug 5 g/s. Die Drahtvorschubgeschwindigkeit und die Spannung waren etwa die gleichen wie in 10B und 11B. Die Schwingungsfrequenz war 4 Hz und eine Amplitude war 2,5 mm. Der gemessene Flächenbruchteil der Carbidpartikel betrug 35%, der mit 2 beschriftete obere Höhenmesswert betrug 0,1973 Zoll, der mit 3 beschriftete untere Höhenmesswert betrug 0,0550 Zoll und der Breitenmesswert betrug 0,5919 Zoll.
Beispiel 2: Der Vergleich von Aufschweißproben mit Siliciumcarbidpartikeln bei stationärer Probe und sich bewegender Probe
13A zeigt ein Querschnitts-Mikroschliffbild (50× Vergrößerung) einer Hartaufschweißung, die mit Siliciumcarbidpartikeln, einem sich bewegenden Werkstück und einer stationären Schweißpistole hergestellt worden ist. Der Prozentsatz der Aufschweißfläche mit einer Härte von 60 HRC und darüber beträgt 100%.
13B zeigt ein Querschnitts-Mikroschliffbild (50× Vergrößerung) einer Hartaufschweißung, die mit Siliciumcarbidpartikeln, einem stationären Werkstück und einer sich bewegenden Schweißpistole hergestellt worden ist. Der Prozentsatz der Aufschweißfläche mit einer Härte von 50 HRC und darunter beträgt 100%. Die numerischen Beschriftungen geben die Härtewerte (HRC) an.
14 zeigt ein weiteres Querschnitts-Mikroschliffbild (50× Vergrößerung) derselben Hartaufschweißung wie in 13A, die mit einem stationären Werkstück und einer sich bewegenden Schweißpistole hergestellt worden ist. Der Prozentsatz des Aufschweißfläche mit einer Härte von 50 HRC und darunter beträgt 100%. Die numerischen Beschriftungen geben die Härtewerte (HRC) an.

Claims

Schweißsystem zum Bilden einer Aufschweißschicht auf einem Werkstück, wobei das Schweißsystem Folgendes umfasst: a. einen Lichtbogenschweißkopf, der in einem für eine Lichtbogenschweißoperation förderlichen Winkel im Wesentlichen abwärts orientiert ist, wobei der Lichtbogenschweißkopf konfiguriert ist, während eines gegebenen Lichtbogenschweißdurchgangs der Lichtbogenschweißoperation stationär und/oder auf eine Nicht-Schwingungsbewegung eingeschränkt zu sein; b. ein Partikelzufuhrsystem, das ein Partikelfallrohr und eine Partikelspeisevorrichtung umfasst, wobei die Partikelspeisevorrichtung unmittelbar an dem Partikelfallrohr positionierbar ist, um während des Betriebs des Lichtbogenschweißkopfs einen im Wesentlichen vertikalen Fluidströmungsweg dazwischen aufrechtzuerhalten, das Partikelzufuhrsystem konfiguriert ist, während des gegebenen Lichtbogenschweißdurchgangs eine Partikelströmung über das Partikelfallrohr zu einer Oberfläche eines Werkstücks bereitzustellen, und das Partikelfallrohr eine obere Aufnahmeöffnung und eine untere Zufuhröffnung definiert und unmittelbar an dem Lichtbogenschweißkopf befestigt ist; und c. eine bewegliche Werkstückhalterung, die konfiguriert ist, das Werkstück während des Betriebs des Lichtbogenschweißkopfes automatisch zu bewegen, wobei die Bewegung des Werkstücks dessen Schwingung mit einer Frequenz von 1 Hz bis 10 Hz umfasst.
Schweißsystem nach Anspruch 1, wobei sowohl der Lichtbogenschweißkopf, das Partikelfallrohr als auch die Partikelspeisevorrichtung konfiguriert sind, während eines gegebenen Lichtbogenschweißdurchgangs stationär und/oder auf eine Nicht-Schwingungsbewegung eingeschränkt zu sein.
Schweißsystem nach Anspruch 1, wobei sowohl der Lichtbogenschweißkopf, das Partikelfallrohr als auch die Partikelspeisevorrichtung konfiguriert sind, während eines gegebenen Lichtbogenschweißdurchgangs des Lichtbogenschweißsystems stationär gehalten zu sein.
Schweißsystem nach einem der Ansprüche 1–3, wobei die Partikelspeisevorrichtung ferner einen Aufnahmetrog, der im Wesentlichen horizontal orientiert ist, wobei der Aufnahmetrog ein offenes Oberteil, ein erstes geschlossenes Ende, ein zweites offenes Ende und eine Troglänge definiert, wobei das zweite offene Ende dem Zufuhrkanal benachbart positioniert ist; und eine luftangetriebene Vibrationseinheit, die betriebstechnisch an dem Aufnahmetrog an einer ersten Halterung im Bereich von 10–25 Grad relativ hierzu befestigt ist, umfasst.
Schweißsystem nach Anspruch 4, wobei der Abstand zwischen dem zweiten offenen Ende des Aufnahmetrogs und der oberen Aufnahmeöffnung des Partikelfallrohrs während des Betriebs des Lichtbogenschweißkopfs größer als null und kleiner als oder gleich 12 Zoll ist.
Schweißsystem nach einem der Ansprüche 4–5, wobei die Partikelspeisevorrichtung ferner einen Partikelbehälter umfasst, der über und unmittelbar an dem ersten geschlossenen Ende des Aufnahmetrogs befestigt ist, wobei der Partikelbehälter ein offenes Oberteil und eine untere Behälterausspeisung aufweist, wobei das offene Oberteil konfiguriert ist, eine Zufuhr von Partikeln in den ersten Partikelbehälter aufzunehmen, wobei die Behälterausspeisung zu dem Aufnahmetrog gerichtet ist, wobei der Partikelbehälter konfiguriert ist, während des Betriebs des Lichtbogenschweißkopfs als eine Partikelquelle zu wirken.
Schweißsystem nach Anspruch 6, wobei der Partikelbehälter einen oberen zylinderförmigen Abschnitt umfasst, der das offene Oberteil definiert und zu einem abwärts geneigten kegelförmigen Abschnitt führt und in der unteren Behälterausspeisung endet.
Schweißsystem nach einem der Ansprüche 2–7, wobei das Partikelzufuhrsystem ferner Folgendes enthält a. ein Zufuhrelement, das vertikal unter dem offenen zweiten Ende des Aufnahmetrogs befestigt ist, wobei das Zufuhrelement ein oberes Ende und ein unteres Ausgangsende definiert, wobei das obere Ende konfiguriert ist, die Partikelströmung von dem offenen zweiten Ende des Aufnahmetrogs aufzunehmen, wobei das untere Ausgangsende die Partikelströmung nach unten leitet; b. eine im Wesentlichen starre Zufuhrleitung, die ein erstes Leitungsende und ein zweites Leitungsende definiert, wobei das erste Leitungsende fluidtechnisch mit dem unteren Ausgangsende des Zufuhrelements verbunden ist und das zweite Leitungsende konfiguriert ist, vertikal auf die obere Aufnahmeöffnung des Partikelfallrohrs ausgerichtet zu sein.
Schweißsystem nach Anspruch 8, wobei die Länge der Zufuhrleitung größer als null und kleiner als oder gleich 10 Zoll ist.
Schweißsystem nach einem der Ansprüche 4–9, wobei das Schweißsystem ferner eine gelenkig anbringende Halterung umfasst, die konfiguriert ist, das Partikelzufuhrsystem zu tragen und konfiguriert ist, das Partikelzufuhrsystem wenigstens zwischen Folgendem zu sequentialisieren: einer ersten Sequentialisierungsposition, wobei das zweite offene Ende des Aufnahmetrogs vertikal über der oberen Aufnahmeöffnung des Partikelfallrohrs positioniert ist; und einer zweiten Sequentialisierungsposition, wobei das zweite offene Ende des Aufnahmetrogs nicht länger vertikal über der oberen Aufnahmeöffnung des Partikelfallrohrs positioniert ist und wobei sich ferner der Partikelbehälter in einem Betriebsbereich eines Haupt-Partikelbunkers befindet, wobei der Partikelbehälter dadurch imstande ist, eine Partikelmenge von dem Haupt-Partikelbunker aufzunehmen.
Partikelspeisevorrichtung, die Folgendes umfasst: a. einen Partikelbehälter, der einen oberen Abschnitt aufweist, der ein offenes Ende definiert, das zu einem nach innen geneigten unteren Abschnitt führt und in einem Auslass endet; b. einen Aufnahmetrog, der ein unmittelbares Ende und ein distales Ende aufweist, wobei der Trog im Wesentlichen horizontal unter dem Partikelbehälter positioniert ist, so dass sich das unmittelbare Ende unter dem Auslass befindet, wobei das distale Ende ferner eine Öffnung definiert; und c. einen pneumatischen Vibrator, der in einem Winkel zwischen 10 und 25 Grad bezüglich des Aufnahmetrogs betriebstechnisch an dem Aufnahmetrog befestigt ist, und d. einen Träger, der an dem Partikelbehälter befestigt ist und konfiguriert ist, den Aufnahmetrog in der Position unter dem Partikelbehälter aufrechtzuerhalten, wobei die Partikelspeisevorrichtung weniger als acht Pfund wiegt.
Partikelspeisevorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Träger ferner an einer beweglichen Komponente zum automatischen Bewegen des Partikelzufuhrsystems in wenigstens eine Position befestigt ist.
Partikelspeisevorrichtung nach einem der Ansprüche 11–12, wobei der Trog so orientiert ist, dass das distale Ende des Trogs bezüglich des unmittelbaren Endes erhöht ist und der Trog zwischen 1 und 10 Grad bezüglich der horizontalen x-Achse abgewinkelt ist.
Partikelspeisevorrichtung nach einem der Ansprüche 11–13, wobei die Partikelspeisevorrichtung weniger als zwei Pfund wiegt.
Partikelspeisevorrichtung nach einem der Ansprüche 11–14, wobei der pneumatische Vibrator ein Luftkolbenvibrator ist.
Partikelspeisevorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Luftkolbenvibrator einen Lufteinlass und einen Luftauslass, die ihm zugeordnet sind, und ein Auslassventil, das dem Luftauslass zugeordnet ist, aufweist, wobei das Auslassventil konfiguriert ist, den Gegendruck, der dem Luftkolbenvibrator zugeordnet ist, zu steuern.
Verfahren zum Herstellen einer Aufschweißschicht auf einer Metalloberfläche eines Teils, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a. Schweißen eines eisenbasierten Schweißzusatzwerkstoffs auf die Metalloberfläche des Teils durch Metall-Schutzgasschweißen, dadurch Erzeugen eines Schweißbades, wobei der Schweißzusatzwerkstoff als eine Elektrode in einer Schweißpistole verwendet wird; b. Zuführen mehrerer Carbidpartikel mit einem Partikelzufuhrsystem zu dem Schweißbad; c. Bewegen des Werkstücks bezüglich der Schweißpistole, wobei das Werkstück so bewegt wird, dass es einem Schwingungsweg folgt, der eine vorgegebene Frequenz und Amplitude der Schwingung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Schwingungsfrequenz 1 Hz bis 10 Hz beträgt.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schwingungsweg ein Pendelweg ist, der eine primäre Schweißrichtung aufweist, wobei das Werkstück und/oder die Schweißpistole mit einer seitlichen Bewegungsgeschwindigkeit, die entlang der primären Schweißrichtung definiert ist, bewegt werden.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Werkstück mit einer seitlichen Bewegungsgeschwindigkeit, die entlang der primären Schweißrichtung definiert ist, bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei während eines gegebenen Schweißdurchgangs die Schweißpistole stationär ist, so bewegt wird, dass die Spitze der Schweißpistole einem Nicht-Schwingungsweg folgt, oder eine Kombination daraus ist und wobei das Partike1zufuhrsystem stationär gehalten wird, wenn die Schweißpistole stationär ist, und das Partikelzufuhrsystem mit der Schweißpistole bewegt wird, wenn die Schweißpistole bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Schweißpistole während wenigstens eines Abschnitts eines gegebenen Schweißdurchgangs stationär ist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Volumenbruchteil der Carbidpartikel in der Aufschweißschicht von 15% bis 50% reicht.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei der Volumenbruchteil der Carbidpartikel in der Aufschweißschicht von 30% bis 50% reicht.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der eisenbasierte Schweißzusatzwerkstoff ein kohlenstoffarmer Stahl ist.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei der Stahl ER70S-6 (L59) oder ER90S-D2 (LA90) ist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Schweißspannung 24 V bis 31 V beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17–27, wobei die Carbidpartikel Wolframcarbid umfassen und eine Größe von 10 bis 25 Mesh aufweisen, die Frequenz des Schwingungsweges von 2 Hz bis 10 Hz reicht, die Amplitude des Schwingungsweges von 1 mm bis 9 mm reicht und das Werkstück und/oder die Schweißpistole mit einer seitlichen Bewegungsgeschwindigkeit von 10 ipm bis 30 ipm bewegt werden.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei die Zuführungsrate der Carbidpartikel von 2 bis 5 Gramm/Sekunde reicht.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei der Pendelweg ferner eine Nachhaltezeit von 0,1 s bis 0,2 s an jeder Spitze des Weges enthält.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei die Carbidpartikel ferner Siliciumcarbidpartikel und/oder Borcarbidpartikel umfassen, wobei die Siliciumcarbidpartikel oder die Borcarbidpartikel eine Größe von 10 bis 25 Mesh aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17–27, wobei die Carbidpartikel Siliciumcarbidpartikel, Borcarbidpartikel oder eine Kombination daraus umfassen, die eine Größe von 10 bis 25 Mesh aufweisen, wobei die Frequenz des Weges von 2 Hz bis 8 Hz reicht, die Amplitude des Weges von 0,25 mm bis 8 mm reicht und das Werkstück und/oder die Schweißpistole mit einer seitlichen Bewegungsgeschwindigkeit von 10 ipm bis 30 ipm bewegt werden.
Verfahren nach Anspruch 32, wobei die Zuführungsrate der Carbidpartikel von 0,5 bis 5 g/Sekunde reicht.
Verfahren nach Anspruch 32, wobei der Pendelweg ferner eine Nachhaltezeit, die größer als null bis 0,2 s ist, an jeder Spitze des Weges enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17–34, das ferner den Schritt des Erstarrens des Schweißbades nach dem Schritt b umfasst.