Beeinflussung der Hartstoffverteilung beimPlasma-Pulver-AuftragschweißenInfluencing the distribution of reinforcing particles in plasma transfer arc welding

L. Ebert, S. Thurner, S. Neyka

In diesem Artikel wird aufgezeigt, wie mit Hilfe der Modulationdes Plasmagasvolumenstroms die Verteilung von Hartstoffen in derSchmelze beim Plasma-Pulver-Auftragschweißen beeinflusst wer-den kann. Es wird erlautert, wie diese Modulation technisch reali-siert wird und welche Wirkung verschiedene Plasmagasvolumen-strome auf die Druckverteilung im Lichtbogen erzielen. Anhandvon Versuchen mit einer Kobalt-Basis Legierung wird im Plas-ma-Auftrag-Zweipulverprozess demonstriert, wie eine gepulstePlasmagaszufuhr die Verteilung von zusatzlich eingebrachtenWolframschmelzkarbiden beeinflusst. Die erreichte Partikelvertei-lung im Standardprozess und im Gaspulsprozess wird anhand me-tallographischer Schliffe gegenubergestellt. Weiterhin werden dieErzeugung und die Wirkung des zeitlich veranderlichen Plasmagas-volumenstroms analysiert.

Schlusselworte: Plasma, Plasma-Pulver-Auftragschweißen,Hartstoffe, Hartstoffverteilung, modulierte Gasstromung

A study was made to examine the possibilities of modificationthe distribution of reinforcing particles in plasma transfer arc weld-ing by using pulsed gas flows. It is shown, how modulated gas flowscan be created. The effects of different modulated plasma gas flowswere analysed by measuring the pressure distribution in the arc. Byusing a two powder feeding system, a cobalt based hardfacing alloywith different amounts of tungsten carbides was deposited on platesof carbon steel. It was investigated, how variable pulsed gas flowsaffect the distribution of the reinforcing carbides. The metallo-graphic analysis shows a uniform distribution of the tungsten car-bide in contrast with specimens, welded with constant plasma gasflow.

Key words: plasma, plasma transfer arc, reinforcing particles,distribution of carbides, modulated gas flows

1 Einleitung und Problemstellung

Immer dann, wenn im Verschleißschutzsektor extreme Ab-rasivbelastungen auftreten, bietet der Einsatz von Pseudole-gierungen eine wirksame Moglichkeit, den Materialabtrag si-gnifikant zu senken. In eine an sich verschleißmindernde Ma-trix werden noch zusatzliche Hartstoffe eingebracht. Im Plas-ma-Pulver-Auftragschweißprozess wird dazu am haufigstendas Wolframschmelzkarbid (WSC) verwendet. Aufgrundvon Dichteunterschieden kommt es jedoch, abhangig vonder Menge an zugesetzten Hartstoffen, zu Schwerkraftseige-rungen. Ein homogener Schichtaufbau mit einer gleichmaßi-gen Partikelverteilung ist nur schwer herstellbar. Das Wolf-ramkarbid sinkt infolge seiner hoheren Dichte im Plasma-Pul-ver-Schweißprozess auf den Grund des Schmelzbades ab. Umeine gleichmaßige Verteilung der Wolframschmelzkarid-Par-tikel in Eisen-, Kobalt- und Nickel-Matrizen zu erreichen,sind Gehalte von 40 – 60 Vol.% notwendig [1, 2]. Grund dafurist, dass sich die Hartstoffpartikel bei einem entsprechend ho-hen Anteil in der Schmelze selbst stutzen und damit ein Ab-sinken vermieden wird. Auch beim Plasma-Pulver-Auftrag-schweißen von Aluminium wird Wolframschmelzkarbidzum Verschleißschutz eingesetzt [3, 4]. Durch den noch gro-ßeren Dichteunterschied sinkt das Wolframkarbid in hoheremMaße ab. Das WSC kann jedoch mit Gehalten von bis zu 70Vol.% eingesetzt werden, so dass sich die Partikel selbst stut-zen und verhaltnismaßig gleichmaßig verteilt werden konnen[5]. Durch eine zusatzlich verringerte Energieeinbringungwird nicht nur das schwerkraftbedingte Absinken vermindertsondern auch die Auflosung der temperatursensiblen Hart-stoffpartikel [6]. Die vorliegenden Untersuchungen zeigenauf wie instationare Plasmagasstromungen genutzt werdenkonnen, um die Verteilung zusatzlich eingebrachter Hartstoffe

im Plasma-Pulver-Auftragschweißprozess unabhangig vonderen Gehalt positiv zu beeinflussen.

2 Experimentelle Randbedingungen

2.1 Erzeugung modulierter Gasstrome

Die Modulation von Strom und Spannung in Lichtbogen-prozessen ist seit langem Stand der Technik. Ein Systemzur zeitlichen Veranderung der Prozessgasvolumenstromein Lichtbogenprozessen wurde am IFS Chemnitz entwickeltund untersucht [7, 8]. Dabei konnten insbesondere im Plasma-und WIG-Prozess entscheidende positive Prozessbeeinflus-sungen erreicht werden. Fur das Ziel den Gasstrom zu modu-lieren, ist es notwendig, eine Stelleinheit in die Gasstrecke zuintegrieren. Um einen breiten Einstellbereich zu schaffen, istes zweckmaßig, Ventile zu verwenden, die einen stufenlosenUbergang zwischen verschiedenen diskreten Zustanden an-nehmen und beibehalten konnen. Aus diesem Grund wurdendrosselnde Wegemagnetventile genutzt. Zur exakten, stufen-losen Regelung des Durchflusses im jeweiligen Zustand(Grundphase, Pulsphase) war es notwendig, den Istvolumen-strom durch eine indirekte Differenzdruckmessung zu erfas-sen. Um den Regelungsaufwand zur Erzeugung von Rechtek-kimpulsen zu minimieren, wurde eine kombinierte Regelungentwickelt, die eine automatisch berechnete Rechteckspan-nung vorgibt. Im Bild 1 ist dargestellt, wie mit Hilfe desvorgegebenen Sollwertes b) ein exakter Gaspuls a) erzeugtwerden konnte. Die Steuerspannung, um die Magnetventileanzusprechen, wurde so angepasst, dass der vorgegebene

DOI: 10.1002/mawe.200800515 Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 2009, 40, No. 12

878 F 2009 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

Volumenstromwert moglichst schnell erreicht wird, Bild 2.Das entwickelte System kann leicht in die Gasstrecke zumBrenner implementiert werden und wurde so im vorliegendenFall im Zweipulver-Plasma-Schweißprozess zur Anwendunggebracht. Die Wirkung der Gaspulse wurde durch Straudruck-messungen quantifiziert. Der realisierte Messaufbau dazu ba-siert auf der Anwendung eines Pitot-Rohres. Der Grundkorperder Messvorrichtung besteht aus einer massiven Kupferplatte,die mit mehreren Bohrungen zur Kuhlwasserdurchleitung ver-sehen ist, Bild 3. Die Kuhlung ist so dimensioniert, dass einAnschmelzen der Oberflache vermieden wird. Senkrecht zurOberflache ist die Kupferplatte mit einer Messbohrung verse-hen. Seitlich ist ein Drucksensor angeschlossen, der somitnicht der direkten Wirkung des Lichtbogens ausgesetzt

wird. Je nach Genauigkeit und Messbereich kann der Druck-sensor flexibel ausgetauscht werden. Fur die Messung wirdder Lichtbogen uber die Bohrung gefuhrt. Das Messsignalwird verstarkt und aufgezeichnet. Die relativ kleine Messoff-nung verhindert ein Springen des Lichtbogens und ermoglichteine gute ortliche Auflosung des erfassten Staudrucks.

2.2 Versuchsanlage und Randbedingungen

Als Versuchsanlage kam eine Plasma-Pulver-Portal-schweißanlage von Hettiger mit dem zugehorigen BrennerHPM 302 zum Einsatz. In einen Kobalt-Basis Matrixwerk-stoff wurden unterschiedliche Gehalte an Wolframschmelz-karbid (20 Gew.% und 40 Gew.%) uber eine Zweipulverzu-fuhrung eingebracht. Die Zusammensetzung des Matrixwerk-stoffes, der in der Kornung -180 und +63 lm eingesetzt wur-de, ist in der Tabelle 1 dargestellt. Der Korngroßenbereich derverwendeten Karbide lag zwischen -150 und +63 lm. AlsSubstratwerkstoff wurden Proben aus S235JR in einer Blech-dicke von t = 10 mm verwendet. Die Zusatzwerkstoffe wurdendem Brenner uber getrennte Pulverforderer zugefuhrt. AlsPlasmagas und auch als Fordergas wurde Argon 4.6 genutzt,als Schutzgas wurde ein ArH2-Gemisch mit 5 % Wasserstoffeingesetzt.

3 Ergebnisse und Diskussion

3.1 Wirkung instationarer Gasstrome imPlasma-Prozess

Durch die zeitliche Veranderung des Plasmagasvolumen-stroms bzw. der Modulation wird der Staudruck des Plasma-lichtbogens stark beeinflusst. Es wird deutlich, wie sich mitsteigendem Volumenstrom der Lichtbogendruck erhoht,Bild 4. Die Ausbildung des Druckprofils ist neben dem Plas-magasvolumenstrom zusatzlich von der Geometrie der Gas-duse, der Stromstarke und dem Brennerabstand abhangig.Mit steigendem Gasdusendurchmesser sinkt der maximaleStaudruck bei gleichem Plasmagasvolumenstrom. Eine hohe-re Stromstarke im Plasmaprozess und eine Verringerung desBrennerabstandes, gehen mit einer Vergroßerung des Lichtbo-gendrucks einher. Neben dem Plasmagasvolumenstrom hatdabei die Stromstarke den entscheidensten Einfluss auf denStaudruck im Plasmaprozess. Allgemein gilt, dass der Stau-

Bild 1. Form eines Pulses des Plasmagasvolumenstroms mit f=1 Hz zwischen _VVmin = 1 l/min und _VVmax = 3 l/min, a) Istwert,b) Sollwert

Figure 1. Form of a modulated plasma gas flow with a with a fre-quency of f = 1 Hz between _VVmin = 1 l/min und _VVmax = 3l/min

Bild 2. Ventilsteuerspannung zur Erzeugung eines Pulses mit f =1 Hz zwischen _VVmin = 1 l/min und _VVmax = 3l/min

Figure 2. Control voltage of valve to create a pulsed gas flow ratewith a frequency of f = 1 Hz between _VVmin = 1 l/min und _VVmax = 3l/min

Bild 3. Wassergekuhlte Kupferplatte zur Staudruckmessung

Figure 3. Water-cooled copper plate to measure the pressure of thearc

Tabelle 1. Zusammensetzung des Kobalt-Basis Matrixpulvers

Table 1. Chemical composition of the cobalt-based powder alloy

Cr C Fe W Si Ni Co

28 1,2 <3 4,5 1,1 <3 Rest

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druck in der Mitte des Plasmalichtbogens am hochsten ist. Mitwachsendem radialen Abstand zur Achse nimmt der Stau-druck zunachst stark ab und nahert sich schließlich asympto-tisch einem Wert von null an. Dieser Verlauf entspricht qua-litativ dem Geschwindigkeitsprofil des Prozessgasstrahls. Imgasgepulsten Prozess folgt der Lichtbogenstaudruck sehrdeutlich und ohne messbares Zeitverhalten den erzeugtenGasimpulsen. Infolge der Variation des Lichtbogenstaudruckswird im Plasmaprozess eine deutliche Verschiebung derSchmelzbadoberflache verursacht. Je nach Pulsfrequenzund der dynamischen Beanspruchung der Schmelze konnendie Stromungen im Schmelzbad und das Erstarrungsverhaltenbeeinflusst werden. Die erreichbaren Staudruckanderungenunterliegen jedoch einer Frequenzabhangigkeit. Das heißtmit zunehmender Frequenz wird die Anderung zwischen mi-nimalem und maximalem Staudruck immer kleiner. Der ab-nehmende Unterschied zwischen dem Grund- und dem Puls-niveau des Staudrucks reduziert die dynamische Beanspru-chung des Schmelzbades und damit die Effekte. Die vonden Gaspulsen erzeugte Bewegung des Schmelzbades wirddeutlich vermindert.

3.2 Wirkung modulierter Gasstrome auf diePartikelverteilung

In mehreren Versuchreihen wurde die Wirkung modulierterPlasmagasvolumenstrome auf die Partikelverteilung im Plas-

ma-Pulver-Auftragschweißprozess untersucht. Die Modula-tion mit unterschiedlichen Frequenzen erfolgte zwischen_VVmin = 1 l/min in der Grundphase und _VVmax = 3 l/min inder Pulsphase. Als Referenz wurden Proben mit einem statio-naren Volumenstrom von _VV = 2 l/min angefertigt. Unabhangigvon der Modulation kamen in allen Prozessen die aufgefuhr-ten Schweißparameter zur Anwendung, Tabelle 2. Am deut-lichsten wurden die Effekte des instationaren Plasmagasvolu-menstroms bei einem Zusatz von 40 Gew.% WSC. Im Bild 5ist zu erkennen, wie im Standard-Plasma-Pulver-Prozess mitkonstantem Plasmagasvolumenstrom von _VV = 2 l/min das zu-satzlich eingebrachte Wolframschmelzkarbid bei einem An-teil von 40 Gew.% im Schmelzbad der Kobalt-Basis Matrixstark absinkt. Im Gaspulsprozess werden die WSC Partikelabhangig von der Frequenz gut verteilt. Insbesondere bei Puls-frequenzen von f = 1 Hz und f = 5 Hz sind die Hartstoffe na-hezu homogen eingelagert, Bilder 6(a) und 6(b). Es lasst sichim Prozess beobachten, wie durch den wechselnden Plasma-gasvolumenstrom die Schmelze in der Pulsphase nach oben andie bereits erstarrten Bereiche gedruckt wird und ebenfalls er-kaltet. Die eingebrachten Hartstoffe werden dabei mitbefor-

Bild 4. Druckverteilung im Plasmalichtbogen abhangig vom Plas-magasvolumenstrom (Argon) bei a) _VV = 1 l/min, b) _VV =2 l/min, c) _VV= 3 l/min, d) _VV = 4 l/min

Figure 4. Distribution of the arc pressure depending on variablegas flows of Argon, a) _VV = 1 l/min, b) _VV =2 l/min, c) _VV = 3 l/min, d) _VV = 4 l/min

Tabelle 2. Angewandte Parameter zum Plasma-Pulver-Auftrag-schweißen

Table 2. Process parameters for plasma transfer arc welding

Iin A

vS

in cm/min

_VVFG

in l/min

_VVSG

in l/min

95 10 2 10

Bild 5. Verteilung der Hartstoffe im Plasma-Pulver-Schweißpro-zess (Kobalt-Basis Matrix+40 Gew.% WSC) mit konstantem Plas-magas _VV = 2 l/min

Figure 5. Distribution of tungsten carbide (40 wt.%) in a cobalt-based matrix alloy on a carbon steel coated by plasma transfer arcwelding and constant plasma gas flow of _VV = 2 l/min

Bild 6. Verteilung der Hartstoffe im Plasma-Pulver-Schweißpro-zess (Kobalt-Matrix+40 Gew.% WSC) mit modulierten Plasma-gasstromen zwischen _VVmin = 1 l/min und _VVmax = 3 l/min miteiner Pulsfrequenz von (a) f = 1 Hz, (b) f = 5 Hz und (c) f = 10 Hz

Figure 6. Distribution of tungsten carbide (40 wt.%) in a cobalt-based matrix alloy on a carbon steel coated by plasma transfer arcwelding with modulated plasma gas flows and a frequency of (a) f =1 Hz, (b) f = 5 Hz und (c) f = 10 Hz

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dert und umverteilt. Im Bild 7 ist die geschilderte dynamischeBewegung im Prinzipbild dargestellt. Die Bewegung desSchmelzbades lasst sich im Versuch visuell beobachten undselbst im Schliffbild, deutlich vor allem bei f = 1 Hz, optischnachvollziehen. Die Oberflache der Proben ist dabei je nachFrequenz unterschiedlich stark geschuppt. Das Bild 8 zeigt dieWirkung der Plasmagasmodulation auf das Schmelzbad undden Lichtbogen. In der Pulsphase ist eine deutliche Lichtbo-genaufweitung zu erkennen. Die Aufmischung wird durch diemodulierte Plasmagasstromung kaum beeinflusst, siehe Bild9. Dies ist darauf zuruckzufuhren, dass der Volumenstromun-terschied zwischen Grund- und Pulsphase verhaltnismaßig ge-ring war. Wie im Abschnitt 3.1 beschrieben wurde, verringertsich mit steigender Frequenz die Wirkung auf das Schmelz-bad. Dies wird auch in der Partikelverteilung sichtbar, Bild6(c). Bei einer Pulsfrequenz von f = 10 Hz ist der Einflussder Plasmagasmodulation geringer. Dennoch erfolgt eineDurchmischung von Matrix und Hartstoffen. Bei der Einbrin-gung geringerer Hartstoffanteile in eine Kobalt-Basis Matrix(20 Gew.% WSC) konnten die selben Effekte beobachtet wer-den. Auch hier haben sich Pulsfrequenzen von f = 1 Hz und f =5 Hz als besonders geeignet erwiesen.

4 Zusammenfassung

Schwerkraftbedingte inhomogene Verteilungen von Hart-stoffen in Pseudolegierungen sind abhangig vom Beanspru-chungsfall meist unerwunscht. Mit den vorliegenden Untersu-chungen konnte nachgewiesen werden, dass es moglich ist,mit Hilfe modulierter Plasmagasvolumenstrome, die Vertei-lung der zugesetzten Hartstoffe wesentlich zu beeinflussen.Haupteinflussparameter sind dabei die Frequenz f und dieVolumenstrome _VVmin und _VVmax der Gaspulse. Mit steigenderFrequenz sinkt systembedingt der Einfluss der Gasmengen-variation auf das Schmelzbad. Wahrend im Standardprozessmit _VV = 2 l/min die in eine Kobalt-Basis Matrix eingebrachtenWolframschmelzkarbide auf den Schmelzgrund absinken,konnten die Hartstoffe durch die Modulation des Plasmagaseszwischen _VVmin = 1 l/min und _VVmax = 3 l/min frequenzabhangiggleichmaßig verteilt werden.

Das InnoProfile-Forschungsprojekt Auftragschichten (For-derkennzeichen:03IP503) wird aus Haushaltsmitteln des Bun-desministeriums fur Bildung und Forschung (BMBF) gefor-dert. Wir danken fur diese Forderung.

http://www.auftragschichten.de

5 Literaturverzeichnis

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ger, Der Praktiker 2000, 4, 142.5. S. Kondapalli, B. Balashow, C. Geffers, F. Riedel, Materialwis-

senschaft und Werkstofftechnik 2007, 38, 552.6. L. Kabatnik, Ph.D. Thesis, RWTH Aachen, Germany, 2002.7. M. Kusch, DVS-Berichte 2006, 240, 110.8. S. Thurner, Ph.D. Thesis, TU Chemnitz, Germany, 2008.

Korrespondenzautor: Lars Ebert, Institut fur Fertigungstechnik/Schweißtechnik, Technische Universitat Chemnitz, ReichenhainerStraße 70, 09126, Chemnitz, E-Mail: lars.ebert@mb.tu-chemnitz.-de

Eingegangen in endgultiger Form: 27. November 2008T 515

Bild 7. Prinzipbild der Wirkung der Plasmagasmodulation auf dieHartstoffverteilung im Plasma-Pulver-Auftragschweißprozess

Figure 7. Effect of pulsed plasma gas flows on the distribution ofreinforcing particles

Bild 8. High-Speed-Aufnahme des Plasma-Pulver-Schweißpro-zesses mit Plasmagasmodulation, (a) in der Grundphase mit _VVmin

= 1 l/min und (b) in der Pulsphase mit _VVmax = 3 l/min

Figure 8. Pictures taken from a high speed video of the plasmatransfer arc process with modulated gas flows between, (a) a basegas flow of _VVmin = 1 l/min and (b) a maximum gas flow of _VVmax = 3 l/min

Bild 9. Aufmischung A bei konstantem Volumenstrom von a) _VV = 2l/min und bei Modulation zwischen _VVmin = 1 l/min und _VVmax = 3 l/min bei b) f = 1 Hz, c) f = 5 Hz und d) f = 10 Hz

Figure 9. Dilution A with constant plasma gas flow of a) _VV = 2 l/min and modulated plasma gas flow between _VVmin = 1 l/min and_VVmax = 3 l/min with a frequency of b) f = 1 Hz, c) f = 5 Hz andd) f = 10 Hz

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