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"System zur Auflage von schweißschichten auf Metalloberflächen"
Es
ist allgemein üblich, Auflageschichten in verschiedenartigen Schweißprozessen auf
Werkstücke aufzubringen, um eine abgenutzte Oberflächenschicht wieder nachzubilden
oder einen Fertigungsabsohnitt des Werkstücks in dieser Weise durchzuführen. Verschiedene
Schweißprozesse und -techniken sind mit Erfolg zur kontinuierlichen Aufbringung
von Metallschichten eingesetzt worden. Beispielsweise sind auf großen Teilen, wie
Zylinderwalzen, Auflagen in der Form von auf dem Umfang aufgetragenen, übereinander
geschichteten Schweißwülsten angebracht worden.
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Das dabei auftretende Rotieren des Schweißmaterials ergibt unerwünschte
Eigenschaften der Auflageschicht, wie weiter unten im einzelnen erläutert.
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Zu den wichtigsten Eigenschaften eines Auflageprozesses gehören Gleichmäßigkeit
der aufgetragenen Schicht, Zusammenhang der Auflage und rasche Aufbringung. Gleichmäßigkeit
bedeutet hierbei ebene Oberflächen, gleiche Schichtdicken und gleichartige metallurgische
Eigenschaften. Zusammenhang der Auflage bedeutet Abwesenheit von Fehlern in der
Schicht, insbesondere das Fehlen von Rissen, porösen Stellen und im Schweißmaterial
eingeschlossener Schlacke.
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Um Metall mit hoher Geschwindigkeit aufzutragen, sind Systeme vorgeschlagen
worden, in denen eine Vielzahl von drahtförmigen Elektroden einer Schweißstelle
gleichmäßig oder periodisch zugeführt wird. Obwohl solche Systeme mit gewissem Erfolg
eingesetzt wurden, ergeben sich beim Aufbringen gewisser Legierungen Schwierigkeiten.
Die infolge der Zuführung mehrerer Schweißdrähte notwendigerweise sehr ausgedehnte
Schweißstelle erhöht manchmal die unerwffnschten, achwerkraftbedingten Effekte in
der Ausbildung einer Schweißstelle.
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Dle vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System zur Anbringung
von Metallüberzügen in einem Schweißverfahren, das hohe Anflagegesohwindigkeiten
ohne nachteilige Schwerkraftwirkungen
eriöglicbt, da das abgelagerte
Metall in der Mittelstellung des Werkstücks bleibt (wo es nicht von der Schwer kraft
in seiner lage verändert werden kann), bis das Material sich verfestigt. Die ait
dem erfindungsgemäßen System aufgebrachten Anflageschichten haben die erwünschte
hohe Gleichiäßig keit und sind völlig zusammenhängend.
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Wenn das System zum Anbringen einer Auflageschicht auf ein zylindrisches
Werkstück verwendet wird,- werden mehrere Drahtelektroden getrennten Schweißstellen
zugeführt, die in einer Linie an der Oberseite des Werkstücks angeordnet sind bzw.
am Boden desselben, wenn es sich um eine innenseitige Auflageschicht handelt. Anschließend
wird eine Relativbewegung zwischen dem Berkstück und den Drähten erzeugt, sodaß
die von jedem Schweißdraht erzeugte Schicht insgesamt einen Satz von Streifen ergibt,
die parallel zueinander und zur Achse des zylindrischen Werkstücks sind. Die Vorschubgeschwindigkeit,
der Schweißstrom, die Länge des achsialen Streifens, die Größe des Abstands zwischen
den achsialen Streifen und die Bogenspannung hängen in gewisser Weise miteinander
zusammen und werden entsprechend gewählt, um den zur Erzeugung der erwünschten Auflageschicht
notwendigen Temperaturgradienten zu erzeugen.
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Die Zeichnungen zeigen eine beispielhafte Ausführbgsforn der vorliegenden
Erfindung und dienen zur Erläuterung der Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung.
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Figur 1 ist eine perspektivische Absicht eines Werkstäcks und zeigt
die Anordnung der Schweißlagen.
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Figur 2 ist ein Zustandsdiagramm zur Erläuterung der Temperaturverhältnisse
im erfindungsgemäßen Verfahren.
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Figur 3 ist eine vergrößerte Teilansicht des in Figur 1 gezeigten
Werkstücks und erläutert die Temperaturverhältnisse des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Figur 4 ist eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung
zur
Aufbringung einer Auflage schicht auf einem Zylinder.
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Da die Figuren nur zur Erläuterung der folgenden Beschreibung dienen,
sind die Systemteile nicht maßstabsgereeht gezeichnet; auch sind nicht alle 3efestigungs-
und Ralterungsteile in ihren Einzelheiten dargestellt, doch sind die Einzelheiten
dem Fachmann sofort verständlich.
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Figur 1 zeigt ein zylindrisches Werkstück 10 mit einem Satz gemäß
der Erfindung aufgebrachter Schichten. Das Werkstück 10 kann verschiedenartige Formen
haben, so z.3. die Form zylindrischer Walzen, wie sie bei der Eisenverarbeitung
verwendet werden. Auch können Auflagen an Innenflächen angebracht werden, so z.3.
an der Innenseite von Metallbehältern oder anderen flachen Oberflächen.
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Die gestrichelten Linien in Figur 1 geben die Stellungen miteinander
verbundener Schweißlagen 12, 13, 14 an, deren Lage durch die Relativbewegung zwischen
dem Werkstück und (im gezeigten 3eispiel) drei Einheiten zur Schweißdrahtbewegung
bestimmt ist. Die Schweißlagen bestehen aus in Achsrichtung verlaufenden Abschnitten
12a, 13a, 14a, die abwechselnd an ihren Enden in kurzen, in Umfangsrichtung verlaufenden
Abschnitten 12b, 13b, 14b weitergeführt sind. Die in Achsrichtung verlaufenden Abschnitte
sind parallel zueinander in gleichen Abständen voneinander angebracht.
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Wenn eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück und den Einheiten
zur Schweißdrahtbewegung eingeführt wird, derart, daß sich die in Figur 1 darestellte
Verteilung der Schweißlagen ergibt, und wenn die Vorschubgeschwindigkeit in Achsrichtung,
die Stärke des Schweißstroms, die Länge der Schweißlage in Achsrichtung, die Bogenspannung
und die Länge der Schweißlage in Umfangerichtung richtig eingeregelt sind, so ebt
sich eine bedeutende Verbesserung der Schweißauflage gegenüber bekannten Systemen
Die Zahl der Einheiten zur Schweißdrahtbewegung ist ~uhr durch praktische tberlegungen
beschränkt.
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Ehe die bei der Aufbringung einer Auflage auftretenden Temperaturgradienten
betrachtet werden, sind einige einleitende Betrachtungen unter Bezugnahme auf Figur
2 zweckmäßig, die ein Zustandsdiagramm für kohlenstoffhaltigen Stahl zeigt mit der
Temperatur als Ordinate und dem Kohlenstoffgehalt als Abszisse.
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Zustandsdiagramme sind an sich bekannt und das in Figur 2 gezeigte
Zustandsdiagramm ist in dieser Form für Eisenlegierungen oder andere Legierungen
in Gebrauch.
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In dem in Figur 2 dargestellten Zustandsdiagramm gibt die zwischen
den Punkten 20, 22 verlaufende, gekrümmte Linie 18 die obere kritische Grenze an.
Im allgemeinen hängen die Eigenschaften eines Stahls von den Temperaturen ab, denen
der Stahl ausgesetzt war. Wenn bei Temperaturänderungen wiederholt die obere kritische
Grenze Aberachritten wird, ergeben sich Inhomogenitäten im Stahl, die sich besonders
bei bisher bekannten Systemen zur Aufbringung von Schweißschichten störend bemerkbar
gemacht haben. Wenn z.3. eine Auflageschicht in Form eines Schraubengewindes auf
die Außenfläche eines Zylinders aufgebracht wird, sind die Zeitabschnitte, die vergehen,
bis der Schweißbogen benachbarte Stellen wieder erreicht, beträchtlich und es ergeben
sich damit an weder Stelle starke Temperaturschwankungen im Zylinder während der
Aufbringung der Schichten. Ein Abschnitt einer Auflageschicht in der Form eines
Schraubengewind* kann beispielsweise bei 15000 C aufgebracht werden, auf etwa 500
- 3500 C abekUhlt werden, und dann wieder auf 15000 C aufgeheizt werden, wenn der
benachbarte Gangabsohnitt aufgebracht wird. Derartig starke Temperaturschwankungen
beeinträchtigen die metallurgischen Blgenechaften des aufgebrachten Materials in
hohes Maß.
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Bei der eerfindungsgemäßen Aufbringung einer Metallschicht wird die
Hauptmasse des aufgebrachten Materials
während einer einzigen Überschreitung
der durch Linie 18 in Figur 2 bezeichneten oberen kritischen Grenze aufgeschmolzen.
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Damit ergibt sich eine beträchtliche Verbesserung der Gleichmäßigkeit
und des Zusammenhangs der Auflage.
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Der Betrieb des erfindungsgemäßen Systems zur Erzielung der gewünschten
Temperaturverhältnisse ist aus Figur 3 zu ersehen. Eine Reihe von nach rechts verlaufenden,
achsialen Beschichtungsabschnitten 24, 26, 28 ist durch gekrümmte Umfangsabschnitte
mit entsprechenden nach links verlaufenden, achsialen Abschnitten 50, 32 verbunden.
Es ergibt sich damit auf dem Werkstück das in Figur 1 dargestellte Beschichtungsmuster.
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In einem Punkt 34 des achsialen Abschnitts 24 wird das Metall beim
Durchgang des Schweißbogens bei einer femperatur von etwa 15000 o geschmolzen. In
Figur 3 sind die Temperaturen, die der Punkt 34 bei später folgenden Durch gängen
des Schweißbogens annimmt, jeweils bei den dabei aufgebrachten Abschnitten angegeben.
Während der Aufbringung des achsialen Abschnitts 52 erreicht der Punkt 34 eine Temperatur
von fast 15000 0. Während der Aufbringung des nächten Abschnitts 26 erreicht die
Temperatur jedoch nur 1450°C, bei der Aufbringung des nächsten Abschnitts nur 1350°C,
usw. Bei weiterer Entfernung er aufgebrachten Abschnitte vom Punkt 34 sinkt die
Temperatur dieses Punktes dann weiter ab und hält sich beispielswweise bei etwa
300°C.
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Aus Figur 3 ist ersichtlich, daß die Temperatur des Punktes 34 allmählich
von der Schmelztemperatur des Xetalls auf einen niedrigeren Wert absinkt. Außerdem
wird aber der Punkt 34 vor dem Aufbringen des Metalls durch den sich nähernden schweißbogen
aufgeheizt. Erfinduingsgemäß wird damit das Werkstück vor dem eigentlichen Aufbringen
der Metallschicht an einer Stelle auf eine Temperatur nahe der Schmelztemperatur
des
Metalls aufgeheizt und anschließend an derselben Stelle gleichmäßig unter den kritischen
Temperaturwert abgekühlt.
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Die im obigen Beispiel genannten Temperaturwerte sind nur als Beispiele
zu verstehen, doch sind in jedem Fall mit dem erfindungsgemäßen System verbesserte
Metallechichten durch geeignete Einstellung der Betriebsbedingungen zu erzielen,
derart, daß die Temperaturen an einer Auflagestelle nur einet in den Bereich kritischer
Temperaturwerte ansteigen.
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Ein verbesserter Zusammenhang der aufgebrachten letallschichten wird
erfindungsgemäß dadurch erzielt, daß die Temperatur der Auflageschicht während längerer
Zeit auf einem hohen, doch Unkritischen Wert gehalten wird, was eine Verminderung
von Fehlstellen, wie Rissen, porösen Stellen, eingebetteten Schlacken usw. zur Folge
hat.
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Ein anderes vorteilhaftes Merkmal der vorliegenden Erfindung ergibt
sich im Zusammenhang mit den Flußverhältnissen und Flußmitteln. Wie aus Figur 3
ersichtlich, können die Betriebsbedingungen so gewählt werden, daß die Schlacke
während der gesamten zur Aufbringung einer achsialen Schicht (von links nach rechts
und von rechts nach links) flüssig bleibt, d.h., die Schlacke wird flüssig gehalten,
bis der Bogen die nächste Schicht aufgetragen hat, sodaß keine verfestigte Schlacke
aufgeschmolzen werden muß. Diese Betrieb weise verbessert außerdem das Aussehen
der Oberflächenschicht.
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Falls eine Schicht mit einer sehr glatten Oberfläche aufgebracht
werden soll, ist es zweckmäßig die in Umfangsrichtung verlaufenden Abschnitte nicht
länger als etwa 5 im zu machen, da andernfalls Grate und Oberflächenunregelmäßigkeiten
zurückbleiben (was in manchen Fällen erwünscht sein kann).
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In dem in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Systems ist ein Werkstück in der Form
einer Walze 40 drehbar zwischen
einem Mutter und einem Reitstock gelagert, die ihrerseits auf gegSnberliegenden
Wellen 42, 44 angebracht sind. Welle 42 ist in ein Lager 46 eingesetzt, während
Welle 44 ähnlich- gelagert ist, zusätzlich aber noch durch eine Kupplung 48 an einen
Motor 50. ankuppelbar ist. Im Betrieb des Systems kann der Motor 50 ständig laufen,
während die Kupplung periodisch betätigt wird um das Werkstück 40 um einen bestimmten
Winkel weiterzudrehen.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems
wird Schweißmetall gleichzeitig an drei Stellen auf das Werkstück 40 aufgebracht,
wozu drei Antriebseinheiten 52, 54, 56 für den Schweißdraht an arten 58, 60, 62
in der Nähe des Werkstücks montiert sind. Antriebseinheiten für Schweißdraht sind
an sich bekannt und können in verschiedener Weise den als Schweißelektrode wirkenden
Draht der Schweißstelle zuführen. So können zum Beispiel unabhängig voneinander
wirkende Zuführungsvorrichtungen mit entsprechenden Zuleitungen für den Schweißstrom
vorgesehen werden. Schweißdraht 64, 66, 68 kann von Irantsulen 70, 72 74 den Kontaktanordnungen
76, 78, 80 zugefilhrt werden. Die Schweißkontakte können (nicht dargestellte) Backenvorrichtungen
umfassen, die eine elektrische Verbindung zwischen dem Schweißdraht und der Stromquelle
herstellen.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Schweißstrom von einem
über Kabel 84 an jeder der Antriebeeinlieiten 52, 54, 56 angeschlossenen Generator
82 geliefert. Die Stromrückleitung geschieht über Walze 40 durch Kabel 86 zum Generator
82. Wie vorher erwähnt, sind die Art der Stromquelle und die Zuführung der einzelnen
Schweißdrähte von untergeordneter bedeutung und können in sehr verschiedenartiger
Weise ausgeführt werden.
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Die haltearme 58, 60, 62 für die Antriebseinheiten 52, 54, 56 sind
an ihren oberen Enden an Blöcken 88, 90, 92 ange
bracht, die Teile
eines beweglichen Schlittens darstellen und in Abständen an der Stange 94 gleitend
montiert sind.
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Die Blöcke können an der Stange 94 in verschiedene Stellungen gebracht
werden und mit Stellschrauben 96 festgestellt werden.
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Die Blöcke 88, 90, 92 werden so eingestellt, daß die einzelnen Bögen
sich in Abständen befinden, die etwa der Länge einer in achsialer Richtung aufgebrachten
Schicht entsprechen.
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Die Länge der achsialen Auflagestreifen kann durch Veränderung der
Stellung eines Paars von Anschlägen, die beispielsweise als Magnete 98, 100 ausgebildet
sein können, eingeret werden. Die Magnete 98, 100 können auf der Stange 94 verschoben
werden, werden aber beim Loslassen durch magnetische Kräfte in ihrer Stellung auf
der Stange festgehalten.
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An den Magneten 98, 100 angebrachte Verlängerungen 102, 104 betätigen
die Begrenzungsechalter 106, 108, die am teilweise dargestellten Rahmen 110 zur
Halterung der Stange 94 montiert sind. Ein Gleitlager 112 am Rahmen 110 haltert
das linke Ende der Stange 94, deren rechtes Ende in einem entaprecienden Gleitlager
114 gelagert ist und in einer Zahnstange 116 endet, die ihrerseits in das Antriebiritzel
t18 zur Hin-und Herbewegung der Stange 94 eingreift.
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Ritzel 118 ist Uber einen Geschwindigkeitsregler 120 an einen Motor
124 angekuppelt, dessen Drehsinn umkehrbar ist.
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Motor 124 und Kupplung 128 erhalten die gleichen Steuersignale über
Leitung 130 zugeführt, die mit den Begrenzungsschaltern 106, 108 in Verbindung steht.
Wenn eine der Verlängerungen 1022 104 den Begrenzungischalter 106 bzw. 108 betätigt,
wird ein eletriso-her Impuls in Leitung 130 erzeugt, der Motor 124 und Kupplung
128 Steuert, wobei Motor 124 kurz stehenbleibt und dann in ungekehrter Richtung
weiterläuft. Im Unterbrechungiintervall kuppelt Kupplung 48 Welle 44 an einen Motor
50 an, wobei der in Umlauferichtung verlaufende Sschweißstreifen
erzeugt
wird.
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Zum Betrieb des in Figur 4 dargestellten Systems wird das Werkstück
40 zwischen den Wellen 42, 44 gelagert. Je nach Bedarf kann das Werkstück zur Erzielung
bestimmter metallurgischer Eigenschaften vor dem Aufbringen der Schweißauflage behandelt
werden.
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Die Antriebseinheiten 52, 54, 56 werden dann so eingestellt, daß
zwischen ihnen gleichlange Abschnitte des Werkstücks liegen. Die Stellschrauben
96 werden dazu gelockert und die Blbeke-88, 90, 92 verschoben, um die gewünschten
Abstände zwischen den Antriebseinheiten 52, 54, 56 einzustellen. Wenn der einer
Schichtlänge in Achsrichtung entsprechende Abstand eingestellt ist, werden die Stellschrauben
96 angezogen und damit die Blöcke 88, 90, 92 in Bezug auf die Schlittenstange 94
festgestellt.
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Die Schichtlänge wird dann durch entsprechende Plasierung der Magnete
98, 100 auf der Schlittenstange 94 eingestellt.
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Die Gesamtlänge des Abstands zwischen Verlängerung 104 und dem Begrenzungsschalter
106 und des Abstands zwischen Verlängerung 104 und Begrenzungsschalter 108 legt
die Schichtlänge in achsialer Richtung fest.
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Spulen 70, 72, 74 mit Schweißdraht werden dann auf die ortsfeste
Stange 134 aufgesetzt. Die Schweißdrähte 64, 66, 69 weerden in die Antriebseinheiten
52, 54, 56 eingeführt, sodaß nach Herstellung einer Verbindung zum Generator 82
Schweißbögen zwischen den Kontakten 76, 78, 80 und dem Werkstück zu brennen beginnen.
Falls ein Unterpulverschweißverfahren verwendet wirkt wird ein körniges Flußmittel
138 in Rinne 136 eingefullt, die am Rahmen 110 befestigt ist und längs der Kontakte
76, 78, 80 verläuft. Der Boden der Rinne 136 ist offen, sodaß Flußmittel jedem Schweißbogen
zufliegt.
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Nach entsprechender Einstellung des Systems werden
Schichten
in der in Figur 1 dargestellten Anordnung aufgebracht. Ii Betrieb des Systems iuß
die bei einer Schweißstelle abgeschiedene Schicht zumindest während der zur Aufbringung
zweiter achsialer Schichten benötigten Zeit oberhalb der tritischen Temperatur gehalten
werden, ul, wie vorher beschrieben, günstige Eigenschaften der Auflage zu erzielen.
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In einen Beispiel wurden die folgenden Betriebsbedlngungen eingehalten:
Drei in Abständen von etwa 7,5 cm angebrachte Schweißdrähte wurden mit einer Vorschubgeschwindigkeit
von 115 ci pro Minute bewegt. Die Schichtlänge in ichsrichtung betrug 12,5 ca, in
Umfangsrichtung 3 J. Der Schweißstrom betrug 400 Ampere bei einer Bogenspannung
von 24 Volt.
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Die Auflageschicht hatte eine Dicke von 3 fl bei guter Gleichmäßigkeit
und ausgezeichneten Schichtzusammenhang. Bei dem verwendeten Schweißdraht handelte
es sich um Stoody 102t, bei dem Flußmittel um "Linde 50".
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Das obige Beispiel dient nur zur Erläuterung des Betriebe des erfindungsgemäßen
Systems, während der Umfang der Erfindung ausschließlich durch die folgenden Patentansprüche
gegeben ist.