Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auftragsschweißen von pulverförmigem oder drahtförmigem Material auf ein Werkstück, welches bevorzugt ein ebenes Substrat ist, mittels einer Vorrichtung, die eine im Wesentlichen stabförmige Elektrode umfasst, wobei die Elektrode zumindest einen in ihrem Inneren verlaufenden Materialzuführungskanal zum Zuführen des pulverförmigen oder drahtförmigen Materials in den Lichtbogen aufweist.

Im Bereich des Auftragsschweißens ist das Verfahren des Lichtbogenschweißens zum Aufbringen von Material auf eine zu bearbeitende Oberfläche seit geraumer Zeit bekannt. Lichtbogenschweißen ist ein Verfahren, welches das örtlich begrenzte Verflüssigen von Metallen umfasst. Dabei wird ein Lichtbogen zwischen dem Werkstück und einer stromführenden Elektrode gezündet und durch den Strom, der durch Elektrode, Lichtbogen und Werkstück fließt, aufrecht erhalten. Da die Eigenschaften des Lichtbogens und der Metallschmelze abhängig von der Atmosphäre sind, werden zum Vermeiden von Oxidationen spezialisierte Gase, meistens Argon, aber auch beispielsweise CO ₂ zum kontrollierten Einbringen von Kohlenstoff um die Metallschmelze geblasen, sodass das Schweißen in kontrollierter Atmosphäre stattfinden kann.

Auftragsschweißen führt dem Lichtbogen frisches Material zu, welches verflüssigt und auf die zu schweißende Oberfläche aufgetragen wird. Dieses Material wird meist als Metalldraht oder Pulver seitlich in den Lichtbogen eingebracht. Eine spezielle Form des Auftragsschweißen ist das MIG/MAG- Verfahren, wobei Material als Draht-Elektrode zugeführt und im Lichtbogen geschmolzen und damit aufgetragen wird. Der stromführende Draht bildet in diesem Fall die Elektrode, sodass der Lichtbogen zwischen Draht und Werkstück ausgebildet ist.

Im Bereich des Präzisionsauftragschweißens ist das Cold Metal Transfer (CMT)- Verfahren von Fronius bekannt. Dabei handelt es sich um eine Abwandlung des MIG/MAG- Verfahrens, welches einen Schweißdraht als stromführende Elektrode der Schweißregion zuführt, wo er durch die Hitze eines Lichtbogens zwischen Schweißdraht und Schweißregion schmilzt. Im CMT Verfahren wird dieser Draht nicht konstant zugeführt, sondern abhängig von Stromfluss zugeführt und wieder zurückgezogen, wodurch Tropfen des verflüssigten Materials genau in der Schweißregion deponiert werden können.

Ferner ist Wolfram-Inert-Gas (WIG)-Schweißen bekannt, das ein häufig gewählter Prozess ist, bei dem eine stromführende Wolframel ektrode spitz angeschliffen ist und um die Elektrode kontinuierlich Argon gespült wird. Bei diesem Verfahren wird ein Draht seitlich in den Lichtbogen eingebracht.

Eine Abwandlung des Lichtbogenschweißens ist das Plasmaschweißen. Dabei wird der Lichtbogen durch eine Düse gezwungen, um seine geometrischen und thermischen Eigenschaften besser zu kontrollieren. Die Elektrode befindet sich axial zentriert hinter der Düse. Häufig ist die Düse, welche oft aus Kupfer gefertigt ist, selbst leitend, um einen Primär- Lichtbogen zwischen Elektrode und Düse zünden zu können. Hat der Primär-Lichtbogen das Werkstück erreicht, kann der Stromfluss zur Düse gekappt und stattdessen der Lichtbogen zwischen Elektrode und Werkstück betrieben werden.

Plasmaauftragsschweißen kann wie Lichtbogenauftragsschweißen durch seitliches Zuführen von Material erfolgen, da Plasmaauftragsschweißen aber viel höhere Temperaturen als Lichtbogenauftragsschweißen erlaubt, sind auch andere Materialverflüssigungsarten möglich.

Bei einer dieser Verflüssigungsarten, dem Plasmaspritzen, wird ein Primär-Lichtbogen zwischen Elektrode und Düse durch günstige Systemparameter möglichst ausgedehnt gehalten. Dies kann durch eine längere Düse sowie durch Arbeiten in Unterdruckkammern realisiert werden. In die lange Plasmaflamme wird Pulver eingebracht, welches mit dem heißen Gas transportiert und beschleunigt wird. Das Pulver tritt geschmolzen und mit hoher Geschwindigkeit aus der Plasmaflamme aus und trifft auf eine zu behandelnde Oberfläche auf. Dort erstarren die Flüssigkeitströpfchen schlagartig. Da die Tröpfchen zwar sehr heiß sind, selbst aber geringe Wärmekapazität aufweisen, ist die auf dem Werkstück deponierte thermische Leistung gering. Hierbei ist die Qualität der aufgespritzten Oberfläche maßgeblich durch die Zeit, die das Pulver in der Plasmaflamme verbringt, bestimmt. Daher ist die Länge der Plasmaflamme einer der zu maximierenden Parameter.

Die Schrift US 2012193329 Al offenbart ein Pulver-Mikrofunken-Abscheidungssystem, welches eine Elektrode und einen Pulverzuführungskanal, der innerhalb der Elektrode oder zumindest teilweise um diese herum konfiguriert ist, aufweist, um Pulver, das elektrisch leitendes Material umfasst, in einen Spalt zwischen der Elektrode und dem Substrat zu leiten.

Darüber hinaus offenbart die Schrift EP 264243 A2 ein Verfahren, welches das Pulver- Mikrofunken- System aus der US 2012193329 Al zum Reparieren eines metallischen Gegenstands verwendet.

Auch die Schrift US 2014008330 Al zeigt ein Verfahren zum Reparieren einer Komponente, bei dem eine Elektrode über einem Defekt oder einer Beschädigung positioniert wird. Ein erstes Metallpulver und ein zweites Metallpulver können hierbei in einen Entladungsspalt zwischen der Elektrode und der Komponente eingespeist werden, um eine Hybridmetallbeschichtung zu bilden.

Das Dokument DE 3110628 Al offenbart ein Verfahren zur Herstellung legierter Oberflächen auf Rohren, wobei Legierungsmaterial durch eine hohl ausgebildete Elektrode in einen Lichtbogen eingebracht wird.

Zwar ist bekannt, dass durch die axiale Pulverzufuhr die Oberflächenqualität prinzipiell steigt, jedoch weisen diese Verfahren in der Praxis Material anlagerungen an der die Elektrode umgebenden Düse auf, welche in Folge durch die Material anlagerungen zunehmend verstopft wird. Die Vorrichtung zum Auftragsschweißen kann dann einerseits, sofern ein Kontakt zwischen der Düse und der Elektrode durch angelagertes Material hergestellt ist, dauerhaft unbrauchbar werden und muss ausgetauscht werden, was hohe Kosten verursacht. Andererseits ist selbst bei einer Nichtkontaktierung der Elektrode und der Düse durch angelagertes Material über einen längeren Zeitraum nicht nur die Verbesserung der Oberflächenqualität durch die Verstopfung de facto verhindert, sondern es muss sogar noch zusätzlich die Vorrichtung zum Auftragsschweißen vom auf der Düse aufgetragenen Material befreit werden, was aufwändige sowie zeitintensive Wartungsarbeiten nach sich zieht. Des Weiteren fallen durch den Ausfall der Schweißvorrichtung in der Produktion große Kosten durch den Produktionsstillstand an. Des Weiteren weisen diese Verfahren durch die Verstopfung der Düse eine verringerte Präzision beim Aufbringen des Materials auf die zu bearbeitende Oberfläche auf, da das an der Düse angesammelte Material das Spülen eines Arbeitsgases um die Elektrode erschwert.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und durch gewonnene Präzision neue Fertigungsmethoden eröffnet. Diese Aufgabe wird durch Bereitstellen eines Verfahrens zum Auftragsschweißen von pulverförmigem oder drahtförmigem Material mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.

Bei dem erfmdungsgemäßen Verfahren umfasst die Vorrichtung eine die Elektrode umgebende Düse sowie einen Arbeitsgasbereich, welcher zwischen der Elektrode und der Düse ausgebildet ist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

Ausbilden des Lichtbogens als übertragener Lichtbogen zwischen der Elektrode und dem Werkstück oder als freistehender Lichtbogen zwischen der Elektrode und der Düse,

- Durchfluten des Arbeitsgasbereichs mit einem Arbeitsgas, um den Lichtbogen in Richtung des Werkstücks einzuschnüren, - Zuführen des pulverförmigen oder drahtförmigen Materials in den eingeschnürten Lichtbogen und

- Bewegen der Vorrichtung über das Werkstück, während das pulverförmige oder drahtförmige Material in den eingeschnürten Lichtbogen zugeführt wird.

Hierdurch wird erzielt, dass durch das Verhindern des Wanderns des Lichtbogens eine gerade Führung des Lichtbogens und in Folge das präzise Zuführen des Materials in seinem pulverförmigen oder drahtförmigen Zustand in den Lichtbogen, das Aufschmelzen des Materials im Lichtbogen sowie das präzise Zuführen des geschmolzenen Materials auf das Werkstück gewährleistet wird. Des Weiteren wird durch Verwenden einer kurzen Düse und präzise Kontrolle des Lichtbogens durch Einschnüren effektiv vermieden, dass sich Material in der Düse ansammelt, wodurch die Langlebigkeit der Vorrichtung gesteigert wird. Des Weiteren kann durch die Wahl der Fördermenge des Arbeitsgases die Form des Lichtbogens eingestellt werden. In Folge kann die Lichtbogenleistung und die Durchflussmenge des Gases dynamisch angepasst werden, um Präzision und Geschwindigkeit des Verfahrens zu optimieren.

Somit kann vorteilhafterweise um die Elektrode der Arbeitsgasbereich ausgebildet sein, in welchem das Arbeitsgas die Elektrode und den Lichtbogen um spült, um die Gaszusammensetzung um den Arbeitsbereich, welche wiederum die Lichtbogenleistung beeinflusst, zu kontrollieren. Weiter können chemische Reaktionen zwischen der Atmosphäre und dem flüssigen Metall stattfinden. Dies kann durch Umspülen mit Arbeitsgasen wie Argon oder Helium unterbunden werden, oder durch geeignete Aktivgase wie zum Beispiel CO2 zur Materialoptimierung genutzt werden. Bei den Schritten des Ausbildens des Lichtbogens und des Durchflutens des Arbeitsgasbereichs ist es nicht relevant, welcher der beiden Schritte zuerst gestartet wird.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein radialer Abstand zwischen der Düse und der Elektrode nicht größer als 1 cm und/oder ein axialer Abstand zwischen dem dem Werkstück zugewandten Ende der Düse und dem dem Werkstück zugewandten Ende der Elektrode nicht größer als 1 cm, wobei das dem Werkstück zugewandte Ende der Düse bevorzugt einen geringeren Abstand zum Werkstück aufweist als das dem Werkstück zugewandte Ende der Elektrode. Somit kann vorteilhafterweise der Lichtbogen zwischen der Elektrode und der Düse, insbesondere durch die Auswahl eines bevorzugten Abstands zwischen Elektrode und Düse besonders einfach ausgebildet werden. Des Weiteren ermöglicht diese Ausführungsform der Düse das Zuführen von Arbeitsgas am Lichtbogen- Ansatz der Elektrode und bei geeigneter Fördermenge das Einschnüren des Lichtbogens in Richtung des Werkstücks. Der Bereich geeigneter Durchflussmenge hängt hierbei von der Geometrie der Düse, der Elektrode und des Werkstücks, sowie von der Lichtbogenleistung ab und kann somit zum Erreichen höchstmöglicher Präzision dynamisch angepasst werden. Die aus dem Stand der Technik für andere Schweißverfahren bekannten Düsen haben üblicherweise eine Länge, die länger ist als 10 cm, um einen besonders langen Lichtbogen auszubilden, was für das erfindungsgemäße Verfahren zum Auftragsschweißen jedoch nicht nötig ist.

Bevorzugt ist zwischen der Düse und einer die Düse umgebenden

Atmosphärenschutzummantelung ein weiterer Arbeitsgasbereich ausgebildet, welcher vor Beginn des Auftragsschweißens mit einem weiteren Arbeitsgas durchflutet wird, sodass eine kontrollierte Atmosphäre auf einer Auftragsstelle des Werkstücks erzeugt wird. Somit kann vorteilhafterweise die Atmosphäre am Auftragungspunkt des zu bearbeitenden Werkstücks optimal kontrolliert werden. Die Gaszusammensetzung beeinflusst die Lichtbogenleistung und muss daher kontrolliert werden. Weiter können chemische Reaktionen zwischen der Atmosphäre und dem flüssigen Metall stattfinden. Dies kann durch Umspülen mit Arbeitsgasen wie Argon oder Helium unterbunden werden, oder durch geeignete Aktivgase wie zum Beispiel C02 zur Materialoptimierung genutzt werden.

Alternativ wird die Vorrichtung in einer Kammer mit kontrollierter Atmosphäre verwendet. Dann muss kein Gas durch den ersten Gasstrom zugeführt werden. Eine Kammer kontrollierter Atmosphäre vermeidet Verwirbelungen, welche durch das Spülen von Gas um die Elektrode entstehen könnten, und erlaubt damit besonders präzises Arbeiten. Außerdem ermöglicht eine Kammer kontrollierter Atmosphäre einen größeren Abstand zwischen Elektrode und Werkstück ohne Präzisionsverluste durch Verwirbelungen, was längere Lichtbögen ermöglicht. Da längerer Abstand an sich aber die Präzision senkt, ist diese Ausführung besonders für das Oberflächenveredeln geeignet.

Bevorzugt wird das Verfahren zum Verbindungsschweißen eingesetzt wird, wobei dazu bevorzugt das pulverförmige oder drahtförmige Material ein Metall ist, oder das Verfahren wird zum Oberflächenveredeln eingesetzt, wobei dazu bevorzugt das pulverförmige oder drahtförmige Material ein Keramikpulver, ein Metall oder ein Karbidpulver ist. Besonders bevorzugt wird zum Oberflächenveredeln pulverförmiges Material eingesetzt. Das erfindungsgemäße Verfahren kann somit für zwei unterschiedliche Anwendungsgebiete eingesetzt werden, einerseits zum Verbindungsschweißen und andererseits zum Oberflächenveredeln. Für beide Anwendungszwecke kann dieselbe Vorrichtung verwendet werden, wobei jeweils ein unterschiedliches Material, Materialzuführrate und/oder Lichtbogenleistung ausgewählt werden kann.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das pulverförmige oder drahtförmige Material in einem zusätzlichen Arbeitsgas zugeführt, welches bevorzugt Argon, Helium, Kohlenstoffdioxid oder Stickstoff ist, wobei auch das Arbeitsgas und/oder das weitere Arbeitsgas bevorzugt Argon, Helium, Kohlenstoffdioxid oder Stickstoff ist/sind.

Wenn gleiche Arbeitsgase verwendet werden, hat dies den Vorteil, dass auch die Atmosphäre am Werkstoff homogen bleibt. Unterschiedliche Gase eröffnen chemische Reaktionen, welche jedoch auch vorteilhaft für die Metallschmelze sein können. Das durch die Düse zugeführte Arbeitsgas kann somit ident mit dem der kontrollierten Atmosphäre um den Lichtbogen sein, oder aber sich davon unterscheiden, um gezielt chemische Reaktionen im Lichtbogen zu erzielen. Zum Beispiel kann H ₂ im Lichtbogen mit einer CCh-Atmosphäre reagieren, um dem flüssigen Metall Kohlenstoff zuzuführen.

Bevorzugt wird der Abstand zwischen Elektrode und Werkstück und/oder eine Position der Elektrode auf dem Werkstück durch eine mechanische Führung gesteuert. Einerseits können durch die Führung Strukturen auf dem Werkstück aufgebracht werden und andererseits kann der Abstand zum Werkstück jederzeit angepasst werden, um beispielsweise Unebenheiten des Werkstücks oder einer Neigung des Werkstücks Rechnung zu tragen, was durch eine manuelle Führung der Vorrichtung nicht möglich wäre. Des Weiteren können durch die Führung Oberflächen von Werkstücken funktional isiert werden, beispielsweise um abriebharte oder hochschmelzende Oberflächen von Materialien zu schaffen. Die Führung ermöglicht insbesondere, dass auch Werkstoffe mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitet werden können, die für das Schweißverfahren nicht selbst angetrieben werden.

Auch andere Werkstücke als z.B. Rohre auf einer Drehbank können daher durch das erfindungsgemäße Verfahren bearbeitet werden. Bevorzugt ist die Führung eine CNC- Führung oder ein Roboterarm.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das pulverförmige oder drahtförmige Material zum Bilden einander überlagernder Material schichten schichtweise auf das Werkstück aufgetragen. Beispielsweise kann das Verfahren daher den ersten Schritt des Auftragsschweißens auf einer ersten Stelle des Werkstücks und den zweiten Schritt des abermaligen Auftragsschweißens auf derselben Stelle des Werkstücks umfassen. Dies bewirkt, dass komplexe, mehrschichtige Strukturen und Formen auf das Werkstück aufgetragen werden können. Die Formgebung kann hierbei durch das wiederholte Abzeilen des Volumens und Hinzufügen von Material erfolgen, wobei es sich um ein additives Verfahren zur Herstellung eines Arbeitsstücks handelt. Insbesondere ist keine mechanische Formgebung nach dem Aufträgen notwendig, um eine gewünschte Form herzustellen.

Mit der vorgenannten Ausführungsform kann somit einerseits ein Arbeitsstück hergestellt werden, welches von dem Substrat lösbar und eigenständig verwendet werden kann, beispielsweise ein anschraubbares Gelenk. Anderseits kann das Arbeitsstück auf dem Werkstück verbleiben, um dort eine Funktion zu erfüllen, beispielsweise als Gelenkpfanne, welche auf einem Metallprofil aufgetragen ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Düse innere Kanäle zur Aufnahme von Kühlflüssigkeit und die Elektrode an ihrer Halterung Mittel zum Kühlen auf. Somit ist der Vorteil erhalten, dass durch die Kühlung der Vorrichtung einerseits die Lebensdauer der Vorrichtung erhöht wird und andererseits eine durch Überhitzung der Vorrichtung verursachte Beschädigung der Vorrichtung sowie eine daraus resultierende kostenintensive Unterbrechung des Arbeitsvorgangs vermieden wird.

Bevorzugt beträgt der Öffnungsdurchmesser der Elektrode maximal 1 cm, besonders bevorzugt im Wesentlichen maximal 300 pm. Weiters bevorzugt kann die Elektrode an ihrem dem Werkstück zugewandten Ende bevorzugt verjüngt sein. Dadurch kann ein Lichtbogen leichter gezündet werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die Lichtbogenleistung sowie die Mischverhältnisse und/oder die Strömungsgeschwindigkeiten der genannten Gase angepasst, um die Präzision sowie die Geschwindigkeit des Auftragens des pulverförmigen oder drahtförmigen Materials auf das Werkstück anzupassen.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird das pulverförmige oder drahtförmige Material im genannten Lichtbogen abgeschmolzen. Bevorzugt erstreckt sich der Lichtbogen unmittelbar zwischen der Elektrode und dem Werkstück ohne Überschlag in das pulverförmige oder drahtförmige Material, was durch das Einstellen einer geeigneten Lichtbogenleistung und eines geeigneten Vorschubs des pulverförmigen oder drahtförmigen Materials erzielt werden kann. Die Wahl dieser Parameter kann durch den Fachmann vorgenommen werden, wobei üblicherweise die Lichtbogenleistung hoch und der Vorschub gering gewählt wird. Alternativ kann der Lichtbogen kurzzeitig in das Material überschlagen, d.h. es ergibt sich ein erster Überschlag zwischen Elektrode und Material und ein zweiter Überschlag zwischen Material und Werkstück, wobei das Schmelzen des Materials üblicherweise im zweiten Überschlag erfolgt. Um diese Variante zu erzielen, kann der Fachmann abermals Lichtbogenleistung und Vorschub wählen, wobei die Lichtbogenleistung gegenüber der vorstehenden Variante gering und der Vorschub hoch gewählt wird. Es sei jedoch daraufhingewiesen, dass die letztgenannte Variante nicht mit dem MIG-Schweißen zu verwechseln ist, bei welcher ein Stromfluss durch eine Elektrode ohne Lichtbogen in den Draht vorliegt und der Lichtbogen nur zwischen Draht und Werkstück verläuft.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform endet die Elektrode in Zuführrichtung des pulverförmigen oder drahtförmigen Materials vor dem Materialzuführungskanal oder an derselben Stelle wie der Materialzuführungskanal. Die erstgenannte Alternative wird beispielsweise durch eine Elektrode erzielt, die eine Bohrung mit Innenbeschichtung aufweist und an ihrem Ende verjüngt ist. Dadurch verlängert sich der Materialzuführungskanal gegenüber der Elektrode in Richtung der Zuführrichtung des Materials, was den Überschlag des Lichtbogens von der Elektrode unmittelbar auf das Werkstück bzw. die Düse begünstigt. Die zweitgenannte Alternative kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass die Elektrode eine Bohrung ohne Innenbeschichtung aufweist. Unabhängig davon, ob die Kathode an ihrem Ende verjüngt ist oder nicht, wird die Elektrode in Zuführrichtung des Materials an derselben Stelle wie der Materialzuführungskanal enden.

Eine besonders vorteilhafte Anwendung des genannten Verfahrens zum Auftragsschweißen ergibt sich, wenn das Werkstück beim Auftragsschweißen über der Vorrichtung angeordnet ist. Bei dieser Verwendung kann das geschmolzene Material durch den eingeschnürten Lichtbogen entgegen der Schwerkraft zum Werkstück verbracht werden, ohne dass das geschmolzene Material nach unten tropft.

Vorteilhafte und nicht einschränkende Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Figur 1 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer schematischen Querschnittsansicht.

Figur 2 zeigt schematisch eine Vergrößerung der in Figur 1 dargestellten Elektrode in einer Querschnittsansicht.

Figur 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum Auftragsschweißen von pulverförmigem oder drahtförmigem Material 11 auf ein Werkstück 10. Die Vorrichtung 1 umfasst eine im Wesentlichen stabförmige, beispielsweise in einer Halterung aufgenommene Elektrode 6, wobei die Elektrode 6 zumindest einen in ihrem Inneren verlaufenden Materialzuführungskanal 9 zum Zuführen des pulverförmigen oder drahtförmigen Materials 11 in einen Lichtbogen 8 aufweist. Bevorzugt ist das Werkstück 10 ein ebenes Substrat und insbesondere kein Rohr, da dessen Krümmung die Präzision des Verfahrens beeinträchtigt.

Im Folgenden wird das Verfahren zum Auftragsschweißen näher erläutert. Bei dem Verfahren können bis zu drei unterschiedliche Arbeitsgase 3, 5, 7 bzw. entsprechende Arbeitsgasströme eingesetzt werden, wobei ein erstes Arbeitsgas als „Arbeitsgas 3“, ein zweites Arbeitsgas als „weiteres Arbeitsgas 5“ und ein drittes Arbeitsgas als „zusätzliches Arbeitsgas 7“ bezeichnet wird. Die Arbeitsgase 3, 5, 7 können eine unterschiedliche oder gleiche Zusammensetzung aufweisen, wie unten näher erläutert. Insbesondere können alle Arbeitsgase 3, 5, 7 Schutzgase oder Aktivgase sein. Zur Durchführung des Verfahrens wird, wie in Figur 1 dargestellt, eine Elektrode 6 aus hochtemperaturbeständigem Material, beispielsweise aus Wolfram, bevorzugt zur Verwendung von Inertgas oder beispielsweise aus Hafnium bevorzugt zur Verwendung von Aktivgas eingesetzt. Diese Elektrode 6 weist dort, wo der Lichtbogen 10 ansetzt, den Ausgang eines Kanals 9 auf, wobei der Kanal 9 an seinem dem Werkstück 10 abgewandten Ende mit einem Strom eines zusätzlichen Arbeitsgases 7, welches mit einem pulverförmigen oder drahtförmigen Material 11 versetzt ist, versorgt werden kann.

Dieser Kanal 9 kann zum Beispiel bei einer Hafnium-Elektrode, welche als Scheibe in ein Weichmetall eingepresst vorliegt, als zentrale Bohrung durch den Hafnium-Einsatz vorliegen. Bei einer Wolframelektrode hingegen wird üblicherweise ein Anspitzen der Elektrode 6 durchgeführt. Um eine zylindrische Elektrode axial anzuspitzen, kann die Elektrode 6 in eine Drehbank eingespannt werden und mit einer eingespannten Schleifmaschine auf den gewünschten Spitzwinkel angeschliffen werden. Mit Wolframelektroden hat sich ein Anspitzwinkel von 10° als ausreichend spitz erwiesen, wie auch Figur 2 entnommen werden kann. Beim Anspitzen kann ein Rand zwischen Kanal und Außendurchmesser von ca. 10 pm verbleiben, um Toleranzen beim Einspannen zuzulassen.

Elektroden 6 können auch bereits mit dem Kanal 9 gefertigt werden, beispielsweise beim Sintern mit einem axialen Hindernis in der Kavität. Bereits gefertigte Wolframelektroden können auch mithilfe des Elektrodenerosionsverfahrens bearbeitet werden, um den axialen Kanal 9 axial durch die Elektrode 6 zu fertigen. Beim Elektrodenerodieren lässt sich ein Drift des Senkerosionsdrahtes nicht vermeiden, was zu einem gebogenen Kanal 9 führt. In der Praxis hat sich diese Biegung bei Elektroden kürzer als 6 cm allerdings nicht als hinderlich erwiesen.

Der Kanal 9 wird, wie weiter oben bereits erwähnt, an seinem der zu bearbeitenden Oberfläche abgewandten Ende mit pulverförmigem oder drahtförmigem Material 11 versorgt. Beispielsweise kann zum Zuführen des Materials 11 das zusätzliche Arbeitsgas 7, welches in einer Flussrichtung F ₃ des zusätzlichen Arbeitsgases 7 fließt, eingeblasen werden, welches mit aufzutragendem pulverförmigen Material 11 versetzt wurde.

Da die Elektrode 6 auch von außen mit einem Arbeitsgas 3 gespült werden kann, welches in einer Flussrichtung F ₂ des Arbeitsgases 3 fließt, beispielsweise mit Argon, kann es für einige Anwendungen vorteilhaft sein, dasselbe Gas zu verwenden, um eine homogene Gasmischung um die Elektrode 6 aufrecht zu erhalten, sodass auch ein homogenes Plasma im Lichtbogen 8 bestehen bleibt. Spezialanwendungen können allerdings von getrennten Gasflüssen profitieren, zum Beispiel um aus CO2 und H2 freien Kohlenstoff zu formen, welcher in flüssiges Metall zum Härten eingebracht werden könnte.

Eine andere Möglichkeit, Material einzubringen besteht darin, pulverförmiges Material 11 durch den Kanal 9 rieseln zu lassen, wobei diese Art der Einbringung als gravitative Förderung bezeichnet wird. Die Pulverförderung erfolgt dafür bevorzugt unter kontrollierter Atmosphäre, um Zufuhr von Verunreinigungen oder Luft zum Lichtbogen zu Vermeiden.

Eine weitere Möglichkeit, Material 11 einzubringen besteht darin, Material in Draht- oder Stab-Form durch den Kanal 9 zu schieben. Kommt leitender Draht zum Einsatz, wird der Kanal 9 vorzugsweise gegen den Draht isoliert, um Stromfluss durch den Draht zu vermeiden. Dazu kann der Kanal 9 innen mit Keramiken bedampft werden oder ein dünnes Keramik- Röhrchen in den Kanal 9 eingesetzt werden. Zu beachten ist, dass die Elektrode 6 Wärme leitet und der Keramik-Einsatz daher vergleichbar hitzebeständig wie die Elektrode 6 sein muss. Die Lichtbogenleistung wird üblicherweise derart eingestellt, dass der Draht bereits auf Höhe der Elektrodenöffnung, bevorzugt spätestens aber zwischen Elektrode und Düse, schmilzt.

Die Breite der aufgetragenen Schweißspur ist abhängig von der Breite des Kanals 9 in der Elektrode 6. Je schmaler der Kanal 9 beim Ansatz des Lichtbogens ist, umso schmaler kann pulverförmiges oder drahtförmiges Material 11 aufgetragen werden. Die Pulverkörnung kann derart gewählt werden, dass der Durchmesser der Pulverkörner den halben Durchmesser des Kanals 9 in der Elektrode 6 nicht überschreitet.

Elm die Position des Lichtbogens 8 zu kontrollieren und dessen Wandern zu verhindern, umfasst die Vorrichtung eine die Elektrode 6 umgebende Düse 2 sowie einen Arbeitsgasbereich, welcher zwischen der Elektrode 6 und der Düse 2 ausgebildet ist. Durch die Düse 2 bzw. den Arbeitsgasbereich kann ein Arbeitsgas 3 mit hohem Gasfluss am Ende der Elektrode 6 durch den Ansatz des Lichtbogens 8 gedrückt werden, um den Lichtbogen 8 zu formen. Hierbei spricht man von einem eingeschnürten Lichtbogen, das dazugehörige Verfahren wird als Plasmaschweißen bezeichnet. Die Elektrode 6 kann axial hinter der Öffnung einer Düse 2, d.h. auf der dem Werkstück abgewandten Seite der Düse, platziert werden.

Beim Plasmaschweißen werden höhere Lichtbogen-Temperaturen möglich, indem die Wärmeleistung an der Elektrode 6 minimiert und stattdessen im Verlauf des Lichtbogens 8 freigesetzt wird. Das Einschnüren des Lichtbogens 8 erlaubt außerdem, den Verlauf des Lichtbogens 8 zu stabilisieren. Während ein freier Lichtbogen immer eine gewisse zufällige Bewegung über das Werkstück 10 aufweist, kann der stehende Lichtbogen durch die Gasströmung fixiert werden, was höhere Präzision erlaubt. Die Düse 2 weist hierbei einen größeren Durchmesser als die Elektrode 6 auf. Um den Pulverstrom zentriert zu halten, kann der Gasdruck der Strömung durch die Elektrode 6 dem Gasdruck der lichtbogenformenden Gasströmung angepasst werden.

Das Verfahren kann in einer mit einem weiteren Arbeitsgas 5 gefüllten Kammer durchgeführt werden, oder die Vorrichtung 1 kann einen weiteren Arbeitsgasbereich aufweisen, wobei das weitere Arbeitsgas 5 in einer Flussrichtung Fi des weiteren Arbeitsgases 5 fließt, sodass in beiden Fällen eine kontrollierte Atmosphäre auf einer Auftragsstelle 12 des Werkstücks 10 erzeugt wird. Der weitere Arbeitsgasbereich kann zwischen der Düse 2 und einer die Düse 2 umgebenden Atmosphärenschutzummantelung 4 ausgebildet sein.

Aufzutragendes Material wird durch den Kanal 9 durch die Elektrode 6 dem Lichtbogen 8 in Pulverform oder als Draht zugeführt. Jedes Material, das bei den Temperaturen im Lichtbogen 8 nicht denaturiert, kann prinzipiell verarbeitet werden. Bei Materialien, die bei den Temperaturen im Lichtbogen 8 verdampfen, kann aber der plötzliche Anstieg des Volumens beim Verdampfen des pulverförmigen oder drahtförmigen Materials 11 zu Turbulenzen führen und der Gasstrom umgelenkt werden, was zum Anwachsen von Pulverrückständen an der Elektrode 6 oder an der Düse 2 beiträgt. Das Verfahren ist daher geeignet für Materialien, die im Plasma zwar schmelzen, nicht aber verdampfen. Beispielsweise ist Stahlpulver zum Verbindungsschweißen geeignet, aber auch die Verarbeitung von Keramiken und Karbiden in Pulverform zum Oberflächenveredeln ist möglich.

Die Temperatur des Lichtbogens 8 kann durch die Lichtbogenleistung kontrolliert werden. Weiters kann bei kontrollierter Atmosphäre die Gaszusammensetzung so gewählt werden, dass der Spannungsabfall im Lichtbogen 8 den gewünschten Leistungen besser entspricht. Dieser Spannungsabfall kann dem Minimum des Paschen-Gesetz entnommen werden.

Höhere Leistungen ermöglichen einen höheren Materialfluss, wobei höhere elektrische Ströme den Lichtbogen 8 ausweiten, da die Stromdichte im Plasma konstant bleibt. Um die Präzision bei höheren Leistungen aufrecht zu erhalten ist die Auswahl eines geeigneten Gases erforderlich, welches einen höheren Spannungsabfall aufweist, zum Beispiel Stickstoff oder Wasserstoff statt Argon.

Das Verfahren wird angewendet, indem die aktive Elektrode 6 mit eingeschnürtem Lichtbogen 8 über das Werkstück 10 bewegt wird, während pulverförmiges oder drahtförmiges Material 11 axial zugeführt wird. Hierbei ist insbesondere die Bewegungsgeschwindigkeit der Elektrode 6 über das Werkstück 10 zu berücksichtigen, um einen optimalen Auftragung von Material zu gewährleisten.

Wird die Bewegungsgeschwindigkeit zu gering gewählt, kann auf dem Werkstück 10 Material aufgeschichtet werden, bis es die Elektrode 6 erreicht und zu einem Fehler, bei leitendem Material beispielsweise zu einem Kurzschluss, führt. Wird die Bewegungsgeschwindigkeit dagegen zu hoch gewählt, kann kaum noch pulverförmiges oder drahtförmiges Material 11 deponiert werden und die Dicke einer Schicht 13 einer über das Werkstück 10 aufgetragenen Schicht 13 eines pulverförmig oder drahtförmig zugeführten Materials 11 wird inhomogen. Die optimale Bewegungsgeschwindigkeit hängt hierbei des Weiteren von der Fördermenge des pulverförmigen oder drahtförmigen Materials 11 ab.

Soll isolierendes Material aufgetragen werden, kann, insofern die Schicht 13 homogen ist und die Kapazität dieser Schicht 13 bekannt ist, der Lichtbogen 8 durch eine auf die Kapazität abgestimmte Wechselstromquelle aufrecht erhalten werden, um mehrere Schichten 13 übereinander aufzubringen. Je mehr Schichten 13 übereinander aufgebracht werden, umso kleiner wird also die Kapazität, weshalb umso höhere Frequenzen der Wechselstromquelle notwendig sind.

Wird hingegen leitendes Material, also Metall oder leitende Keramiken, aufgetragen, so können mehrere Schichten 13 übereinander gelagert werden, ohne eine auf die Kapazität abgestimmte Wechselstromquelle zu verwenden. Da das Verfahren eine vergleichsweise hohe Präzision erlaubt, können so Strukturen additiv gefertigt werden. In diesem additiven Fertigungsverfahren wird Material schrittweise an ausgewählten Stellen hinzugefügt, um eine dreidimensionale Struktur zu bilden.

Werden mehrere Schichten 13 übereinander gelegt, so wird der Strom des Lichtbogens 8 durch alle Schichten 13 geleitet. Diese Hitze-Last ist beim Design einer zu fertigenden Struktur zu beachten. Außerdem ist die Breite des Lichtbogens 8 durch den Strom gegeben und muss für höhere Präzision ebenfalls minimiert werden. Höhere Wärmeleistungen bei niedrigerem Strom sind wieder durch die geeignete Wahl des Plasmagases zu realisieren, zum Beispiel erlaubt Stickstoff einen Spannungsabfall von ca. 100 V im Gegensatz zu Argon, welches ca. 10 V Spannungsabfall am Lichtbogen 8 verursacht. Da der Zusammenhang zwischen einer Leistung P, einer Spannung U sowie eines Stromflusses I durch P=U*I gegeben ist, kann mit höherem Abfall der Spannung U dieselbe Leistung P bei niedrigerem Stromfluss I erreicht werden.

Zur Oberflächenveredelung können höhere Leistungen und größere Ströme eingesetzt werden. Auch können Elektroden 6 mit breiterem Durchmesser verwendet werden, um mehr Materialtransport zu erlauben. Um Materialien mit hohem Schmelzpunkt aufzutragen, wie etwa Refraktärmetalle, kann die Verweilzeit im Lichtbogen 8 erhöht werden, was durch Vergrößern des Abstandes zwischen Elektrode 6 und Werkstück 10 und damit Verlängern des Lichtbogens 8 erreicht werden kann.

Damit die Vorrichtung 1 zum Schweißen den Verlustleistungen des Lichtbogens 8 noch besser widerstehen kann, ist darüber hinaus aktive Kühlung einsetzbar. Da die Düse 2 im Allgemeinen geringere Temperaturen aushalten kann als die Elektrode 6, kann die Düse 2 mit inneren Kanälen für Kühlflüssigkeit versehen werden. Das Kühlen der Elektrode 6 kann über eine Kontaktkühlung der Elektrodenhalterung erfolgen. Diese besteht bevorzugt aus leitfähigem Metall, was sich auch gut für Wärmetransport eignet.

Zur Oberflächenveredelung ist des Weiteren die Geschwindigkeit der resultierenden Flüssigkeitströpfchen relevant. Die Geschwindigkeit der Tröpfchen kann durch die Strömungsgeschwindigkeit der Arbeitsgase 3, 7 geregelt werden. Dabei ist zu beachten, dass das Gas durch das rasche Erhitzen im Lichtbogen 8 seine Geschwindigkeit erhöht und zusätzliche Beschleunigung bietet.

Wird das aufzutragende Material in Stab- oder Drahtform zugeführt oder aber als Pulver gravitativ gefördert, muss das zusätzliche Arbeitsgas 7 nur minimal gefördert werden, um das Material beim Zuführen in den Lichtbogen vor Verunreinigungen und Luft zu schützen. Es kann aber auch ein Gasstrom mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit genutzt werden, um Pulver mit dem zusätzlichen Arbeitsgas 7 zu transportieren, was die Auftreff-Geschwindigkeit der Tröpfchen erhöht.

Sollte das Gas mit Schallgeschwindigkeit oder Überschallgeschwindigkeit aus der Elektrode 6 austreten, so ist zu beachten, dass es zu Expansionsschockwellen an der Kante der Elektrode 6 kommen kann, welche pulverförmiges oder drahtförmiges Material 11 mitreißen und damit einerseits weiter verteilen, andererseits aber aus dem Lichtbogen 8 hinaus reißen können. Dieses Verhalten ist zu vermeiden, wenn hohe Präzision erwünscht ist. Zur Vermeidung von Expansionsschockwellen können Umgebungsdruck und Strömungsgeschwindigkeit des umgebenden Arbeitsgases oder in einer Kammer kontrollierter Atmosphäre der Kammerdruck angepasst werden, sodass ein Prandtl-Meyer Winkel für die Strömungsbedingungen 0 lautet. Das kann durch eine geeignete Form der Elektrode 6, zum Beispiel einer Spitze in Form einer Aero- Spike-Düse, direkt beim Lichtbogen 8 erreicht werden.

In der Praxis konnte ein besonders präzises Auftragsschweißen erzielt werden, indem der Abstand der Elektrode 6 zum Werkstück 10 maximal 1,5mm betrug. Als bevorzugter Förderfluss des pulvertransportierenden zusätzlichen Arbeitsgases 7 hat sich ein Förderfluss von maximal 1000 SCCM erwiesen. Auch ergab sich, dass die Begrenzung des Lichtbogenstroms auf maximal 20 A ein besonders präzises Schweißverfahren ermöglichte.