Steinbeis-Team entwickelt Orbital-Mikro-Plasma-Pulver-Schweißbrenner
Rohre, zylindrische Bauteile und Behälter aus Stahlwerkstoffen sind in zahlreichen Industriezweigen unverzichtbare Bestandteile der Betriebsanlagen, in denen abrasive und aggressive Medien transportiert, verarbeitet oder gelagert werden können. Diese Anlagen sind unterschiedlichsten Korrosions- und Verschleißbeanspruchungen unterworfen. Daher werden wirtschaftlich aufgetragene und verschleiß- wie korrosionsresistente Schichtsysteme auf den Außen- oder Innenwandungen der Rohre und zylindrischen Bauteilflächen benötigt. Gemeinsam mit der Loesch T-P-L mechatronic systems GmbH haben die Experten am Steinbeis-Innovationszentrum Intelligente Funktionswerkstoffe, Schweiß- und Fügeverfahren, Exploitation im Rahmen eines FuE-Projektes einen Orbital-Mikro-Plasma-Pulver-Schweißbrenner entwickelt, der mit einem kompakten Führungssystem zur Innen- und Außenbeschichtung von Metallrohren und rohrähnlichen Bauteilgeometrien in allen Schweißpositionen ausgestattet ist.
Das Beschichten von korrosions- und verschleißfesten Schichtwerkstoffen an Innen-/Außenrohrflächen für rotationssymmetrische Bauteilgeometrien trägt zum Schutz vor abrasiven und korrosiven Beanspruchungen bei. Der Einsatz des Orbital-Mikro-Plasma-Pulver- Schweißens zur Innenbeschichtung von Rohrbauteilen bei kleinen Durchmessern und insbesondere geringeren Wanddicken gewinnt mehr und mehr an Bedeutung, wenn es um das Aufbringen von hochwertigen verschleiß- und korrosionsfesten Schutzschichten in verschiedenen Ausführungsformen geht. Die spezifischen Vorteile dieser Verfahrenstechnik, wie die hohe Flexibilität hinsichtlich der Variation der Schweißzusätze und der Schichtdicke (0,5 – 5 mm), die gute Reproduzierbarkeit der Schichtqualität sowie der geringe und konzentrierte Energieeintrag mit geringster Auf-/Anschmelzung des Grundwerkstoffes sind Gründe, die das Verfahren für diesen Einsatz qualifizieren. Denn damit lassen sich endkonturnahe Schichtgeometrien mit vordefinierten Schichteigenschaften herstellen.
Das Projekt-Team hat für den im Projekt entwickelten Schweißbrenner ein neuartiges Brennerdesign angewendet, das über ein effizientes Kühlkreislaufsystem und ein funktionssicheres Prozessgas- und Pulverzuführungssystem im Plasmastrahl zur Erzeugung einer definierten reproduzierbaren Schichtqualität verfügt. Der erarbeitete werkstoff-konstruktive Lösungsansatz macht es möglich, die den Mikro-PlasmaSchweißprozess bestimmenden Einflussfaktoren wie Gasströmungsmechanik und thermo-physikalische Prozesseffekte in ihrer Komplexität zu untersuchen und quantifizierbar zu beschreiben und schließlich zu optimieren. Die Experten im Forschungsprojekt entwarfen prozesstechnisch die Brennerkopfgröße und dessen Führungssystem für die festgelegten Rohr-Innenrohrdurchmesser von mindestens 40 mm. Im Anschluss konnten die notwendigen Brennfunktionsbaugruppen technisch- konstruktiv entwickelt und aufgebaut werden. Bei der Entwicklung und dem Aufbau des Orbital-Mikro-Plasma-Pulver-Schweißbrenners spielten folgende technisch-wirtschaftliche Kriterien eine Rolle:
- Brennerkopfgröße von max. 25 x 25 mm für die Innenbeschichtung von Rohren oder ähnlichen Teilen (Innendurchmesser mindestens 40 mm),
- Realisierung von unterschiedlichen Schichtdicken ab 0,50 mm,
- gute Brennerhandhabung durch mechanisch gesteuerte Komponenten beziehungsweise Moduleinheiten für die Erzeugung qualitätsgerechter Auftragschichten,
- Entwurf und Aufbau eines speziellen technischen Plasma- und Schutzgasdüsen-Designs, mit dem die Brenner-Leistungsbandbreite von 100 – 200 A abgedeckt werden kann,
- brennerelektrische Leistung 200 A mit einem Elektrodendurchmesser von 3,20 mm.
Die Projektpartner konnten mit ihrer Entwicklung somit den Automatisierungsgrad der Plasma-Beschichtungstechnologie von Metallrohren und ähnlichen Bauteilflächengeometrien erhöhen und dadurch vordefinierte örtlich-partielle beanspruchungsgerechte Auftragschichten gegen Verschleiß- und Korrosionsbeanspruchungen an komplizierten Bauteilfunktionsflächen herstellen. Die nun benötigten Schweißzeiten können auf ein Minimum reduziert und die Produktivität gesteigert werden.
Auftragschichten an Metallrohroberflächen: Außenbeschichtung
Auftragschichten an Metallrohroberflächen: Innenbeschichtung
Die Experten am Steinbeis-Innovationszentrum in Dresden und der Loesch T-P-L mechatronic systems GmbH untersuchten den entwickelten Brennerprototyp in umfangreichen Evaluierungsarbeiten. Beschichtungen an Außen- und Innenflächen von zylindrischen Bauteilen wurden mit großer Brennerleistung und Schweißgeschwindigkeit auftraggeschweißt. Untersucht und bewertet wurde der Einfluss der Prozessparameter und Plasmadüseninnendurchmesser auf die Lichtbogenbildung und -intensität sowie auf die Schichtbildung und -eigenschaften. Als Schweißpulver kamen sowohl Hartlegierungen aus Kobaltbasisund Nickelbasis-Legierungen als auch Werkstoffhartlegierungen mit Hartstoffpartikeln (Wolframschmelzcarbid/WSC) zum Einsatz. Mit den variierten Prozessparametern Schweißstrom, -spannung und -geschwindigkeit und Prozessgasmenge (Plasma-/Schutzgas) sowie Pulverfördermenge stellte das Projektteam qualitätsgerechte Auftragschichten her. Die durchgeführten Schweißversuche zeigen einen stabilen Plasmaschweißprozess mit einer fehlerfreien Brennerzündung und -funktion sowie einer guten Pulververteilung und -dosierung unterhalb der Einschnürdüse in die Plasmasäule, wobei die Qualität der hergestellten Beschichtungen von den Prozessparametern abhängig ist. Mit Abschluss der Qualifizierungsarbeiten des entwickelten Brennerprotottyps und seines Führungssystems konnten qualitätsgerechte Beschichtungen an Metallrohraußen- und -innenflächen mit definierten Bauteileigenschaften hergestellt werden. Die untersuchten Schichteigenschaften zeigten reproduzierbare und qualitätsgerechte Oberflächenbeschichtungen – damit war der erfolgreiche Nachweis für einen funktionssicheren Prototyp des Orbital-Mikro-Plasma-Pulver-Schweißbrenners mit einem guten handhabungs- und automatisierbaren Führungssystem erbracht.
Kontakt
PD Dr.-Ing. habil. Khaled Alaluss, Oleg Nuss, Prof. Dr.-Ing. Gunnar Bürkner, Dr. Lars Kulke
Steinbeis-Innovationszentrum Intelligente Funktionswerkstoffe, Schweiß- und Fügeverfahren, Exploitation (Dresden)
Michael Loesch
Loesch T-P-L mechatronic systems GmbH (Darmstadt)