Verfahren und Vorrichtung zum Flammrichten metallischer Bauteile

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Flamm¬ richten metallischer Bauteile, insbesondere von Blechen, Profilen und/oder daraus hergestellten Konstruktionen.

Metallische Konstruktionen, insbesondere Stahlkonstruktionen, die durch Schweißen und/oder Umformen hergestellt wurden, weisen in der Regel Form- oder Maßabweichungen auf, die durch nachträgliches Richten ausgegli- chen werden müssen. Die häufigste Methode zum Ausrichten von metalli¬ schen Teilen ist das sogenannte Flammrichten. Flammrichten wird vielfach aus technologischer oder arbeitsschutztechnischen Gründen eingesetzt. Nach Bernhard, P., Schreiber, G.: Verfahren der Autogentechnik, Deutscher Verlag für Schweißtechnik GmbH, Düsseldorf, 1973, ist eine wesentliche Voraussetzung für erfolgreiches Flammrichten eine schnelle, begrenzte Wärmeeintragung durch besonders heiße intensive Flammen. Es empfiehlt sich daher, die Verwendung von Acetylen-Sauerstoff-Flammen mit 30% bis 40% Sauerstoffüberschuß.

Es ist zwar bekannt, daß eine thermische Behandlung nicht nur mittels einer Brenngas-Sauerstoff-Flamme, sondern grundsätzlich mit jeder technisch verfügbaren Wärmequelle, wie z. B. Lichtbogen, elektrischer Widerstands¬ oder Induktionswärme, Lichtwärme, Laser-, Ionen- oder Elektronenstrahlen, möglich ist. Auf dem Gebiet des Flammrichtens bzw. thermischen Richtens

hat sich jedoch das Flammrichten behauptet. Die Gründe liegen dafür einerseits darin, daß die Energiedichte bei der Anwendung von z. B. Laser¬ strahlen extrem hoch ist, so daß hierdurch ein Umschmelzen des Werkstoffes eintritt. Bei der Verwendung von Lichtbögen ruft der Lichtbogenansatzpunkt auf der Werkstückoberfläche örtlich begrenzte Anschmelzungen hervor, was insbesondere unter dem Aspekt der Festigkeit als nachteilig angesehen werden kann. Ein Richten von Werkstücken mittels Widerstands- oder Induktionserwärmung führt zu einer relativ großen Wärmeeinbringungszone. Der anlagentechnische Aufwand ist, insbesondere bei Elektronenstrahlen- und Laseranlagen hoch, so daß diese Anlagen unwirtschaftlich sind.

Der Einsatz bekannter Autogenbrenner und die Verwendung herkömmlicher Autogenverfahrenstechniken weisen einige Nachteile auf, die akzeptiert wurden. So konnte erst nach einem vollständigen Abkühlen des flammgerich- teten Bauteils überprüft werden, ob der gewünschte Richterfolg tatsächlich eingetreten ist. Die Abkühlphase ist relativ lang und kann bis zu 60 min betragen, bei dicken Blechen ist diese erheblich länger.

Das Flammrichten mittels Autogenbrenner kann bei Blechen, deren Dicke kleiner als 5 mm beträgt, nicht eingesetzt werden, da die intensive Acetylen- Sauerstoff-Flamme das dünne Blech sofort durchwärmen, insbesondere durchschmelzen, würde. Das Richten dünner Bleche erfolgt daher rein mechanisch.

An einer Wärmestraße, die beim Flammrichten entsteht, treten neben der erwünschten Quer- oder auch Winkelschrumpfung auch unerwünschte Längs¬ spannungen in erheblicher Größe auf, die zur Verkürzung, Verbiegung oder Torsion des Bauteils fuhren können.

Bei relativ dicken Bauteilen wie z. B. Blechen, die zwischen 4 mm und 8 mm dick sind, ist das Flammrichten schwierig, da die Gefahr besteht, das Wärmeangebot zu übersteigern.

Nach dem Flammrichten ist, bei einigen metallischen Werkstoffen, wie z. B. hochlegiertem Stahl, Aluminium, Kupfer, Titan und Manganstahl, eine schnelle Abkühlung der Wärmestelle notwendig. Die schnelle Abkühlung erfolgt meist mit Wasser.

Erfolgt das Flammrichten mittels eines Autogenbrenners, bei dem in der Flamme ein Sauerstoffüberschuß vorhanden ist, treten im Falle bereits geringer oberflächlicher Überhitzungen Verbrennungsstellen mit Gruben- und Zunderbildung auf.

Das Flammrichten erfordert eine hohe Qualifikation des Personals. Das Personal muß hierbei auch über einen großen Erfahrungsschatz verfugen um negativen Folgen eines Flammrichtens vorzubeugen.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, durch welches das Flammrichten metallischer Bauteile, insbesondere von Blechen, Profilen und/oder daraus hergestellten Konstruktionen, einfacher und effektiver durchzuführen ist. Ferner soll eine Vorrichtung zum Flammrichten abgegeben werden, die einfach zu handhaben ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Flammrichten metallischer Bauteile, insbesondere von Blechen, Profilen und/oder daraus hergestellten Konstruktio¬ nen, zeichnet sich dadurch aus, daß die Flammfackel eines indirekten Plasmalichtbogens eines Plasmatrons mit einer Bauteiloberfläche in Kontakt gebracht wird und mindestens in einem solchen Abstand über der Bauteilo-

berfläche gehalten wird, daß die Lichtbogensäule nicht in Kontakt mit der Bauteiloberfläche gelangt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ein mindestens doppelt so intensiver Wärmeeintrag auf eine geometrisch eindeutig definierten Wärmestraße bzw. Wärmefleck erreicht. Die geometrische Ein- deutigkeit der Wärmestraße bzw. des Wärmeflecks resultiert im Vergleich zu einer Acetylen-Sauerstoff-Flamme daraus, daß die Plasmafackel einerseits scharf abgegrenzt ist, was eventuell mit der Primärflamme des Acetylen- Sauerstoff-Brenners verglichen werden kann, wobei jedoch die bei der Acetylen-Sauerstoff-Flamme stets vorhandenen Sekundärflammanteile (bzw. Streuflammanteile) nicht auftreten. Der Temperaturgradient der Plasmafackel ist mindestens etwa doppelt so steil wie der der Primärflamme des Acetylen- Sauerstoff-Brenners. Die Randbereiche der erzeugten Wärmestraße bzw. Wärmeflecks bleiben kalt, was insgesamt den Richterfolg fördert. Dies folgt daraus, daß die Wärmeleitung innerhalb des Bauteils wesentlich kleiner ist als die Wärmeeinbringung in das Bauteil in der Wärmestraße bzw. am Wärmefleck. Hierdurch wird das Bauteil lediglich in der vorgegebenen Wärmestraße einem kurzzeitigen und definierten Wärmeeintrag ausgesetzt, so daß der Gesamtwärmeeintrag in das Bauteil minimiert wird, und damit unerwünschte Längsspannungen, die zur Verkürzung, Verbiegung oder Torsion des Bauteils führen können, wesentlich verringert sind.

Bedingt durch die scharf abgegrenzte Wärmestraße erfolgt die Abkühlung derselben in einer wesentlich kürzeren Zeitspanne, da der Werkstoff im Randbereich der Wärmezone nicht oder nur sehr gering aufgeheizt ist. Innerhalb des Bauteils ist ein relativ großer Temperaturgradient im Randbe¬ reich der Wärmestraße ausgebildet. Der Richteffekt ist bereits nach einer kurzen Zeitspanne, die einige Sekunden bzw. wenige Minuten lang sein kann, vollständig sichtbar. Ein zusätzliches Abkühlen der Wärmestraße bzw. des Wärmeflecks ist daher nicht mehr erforderlich.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren können nunmehr auch dünne Bleche flammgerichtet werden, da die Gefahr, das Wärmeangebot zu übersteigen oder Dünnbleche ungewollt durchzuwärmen, beseitigt ist. Das Flammrichten dünner Bleche kommt der Tendenz des modernen Metallbaus unter Anwen- düng hochfester Werkstoffe sehr entgegen.

Gemäß weiteren vorteilhaften Entwicklungen des Verfahrens wird vorgeschla¬ gen, die Energiedichte in der die Lichtbogensäule aufnehmenden Düse im Bereich von 0,3 bis 1,5 kW/mm ² einzustellen. Ferner wird vorgeschlagen die Streckengesamtenergie bezogen auf die erzeugte Wärmezone im Bereich von 0,3 bis 2 MJ/m und eine Plasmagasströmung mit einer Strömungs¬ geschwindigkeit von 50 bis 150 ml sek bezogen auf den kalten Zustand in der Düse vorab einzustellen.

Als Plasmagas wird erfindungsgemäß Luft oder ein Gasgemisch enthaltend Luft und weitere Gaskomponenten verwendet. Bei den weiteren Bestandteilen des Plasmagases kann es sich vorteilhafter Weise um Helium und/oder Wasserstoff handeln.

Die Verwendung eines Plasmagases enthaltend ein Gasgemisch aus Wasser¬ stoff und einem Inertgas ist ebenso vorteilhaft. Bei dem Inertgas kann es sich um Argon oder Helium handeln. Beide Edelgase können auch zusam¬ men mit dem Wasserstoff das Gasgemisch des Plasmagases bilden. Als Plasmagas wird auch ein Gasgemisch umfassend Stickstoff, Sauerstoff, Helium und Wasserstoff vorgeschlagen.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren können nunmehr örtliche Überhitzun¬ gen reproduzierbar vermieden werden. Verbrennungsstellen mit Gruben- und Zunderbildung bleiben ausgeschlossen, da ein verbrennungstechnisch wirksa- mes Sauerstoffangebot in der Plasmafackel nicht besteht.

Überraschenderweise hat sich herausgestellt, daß der Gesamtenergieaufwand zur Erzeugung eines vorgegebenen Richteffektes durch die erfindungsgemäße Lösung gegenüber einer Acetylen-Sauerstoff-Flamme im Mittel halbiert wird. Die beim Flammrichten entstehende Hitzebelastung des Personals durch Abwärme der Plasmafackel wird gegenüber der Acetylen-Sauerstoff-Flamme um etwa 80% vermindert. Dies ist insbesondere beim Richten von innen in Hohlprofil und Behältern von großer Bedeutung. Auch die Lärmemission des Flammrichtens wird durch erfindungsgemäße Lösung verringert.

Durch die einfache und sichere reproduzierbare Einstellbarkeit der erfin¬ dungsgemäßen Verfahrensparameter verringert sich der Qualifikationsaufwand für das Richtpersonal, weil z. B. die besondere Einstellung einer Sauerstoff¬ überschußflamme wie dies bei Autogenbrennern der Fall ist, entfällt. Das Flammrichten kann nun mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auf einfache Weise auch mechanisiert oder automatisiert werden. Durch das erfindungs¬ gemäße Verfahren ist es nunmehr möglich, die Wärmezuführung in der Wärmestraße durch Bewegung der Flammfackel quer zur vorgesehenen Längsrichtung und/oder durch eine Auslenkung der Flammfackelachse aus einer senkrechten Ebene zum Bauteil zu verändern.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Flammrichten von metallischen Bauteilen, insbesondere von Blechen, Profilen und/oder daraus hergestellten Konstruktionen, umfaßt ein indirekt gepoltes Plasmatron. Bevorzugt wird eine Ausbildung des Plasmatrons, bei dem die Elektrodenspitze zentrisch innerhalb einer Düse und nicht wesentlich tiefer als 0,01 m, von der Mündung der Düse entfernt angeordnet ist. Die Düse weist vorzugsweise einen zylindri¬ schen Abschnitt auf, der eine Erstreckung von höchstens 0,01 m hat. Der zylindrische Abschnitt weist vorzugsweise einen Durchmesser von mindestens 0,00 m auf.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung wird vorgeschlagen, wenigstens einen Teilstrom des Plasmagases tangential in die Düse einzulei¬ ten. Durch die tangentiale Einleitung des Plasmagases in die Düse wird eine Rotationsbewegung der Lichtbogensäule erzeugt, wodurch eine lange Lebens- dauer der Plasmadüse gesichert wird, da die Werkstofferrosion am Anoden¬ fleck minimiert wird. Eine Rotationsbewegung der Lichtbogensäule kann auch dadurch erzeugt werden, daß im Bereich der Düse eine Einrichtung, vor¬ zugsweise eine Spule, zur Erzeugung eines quer zur Lichtbogensäule ausge¬ richteten Magnetfeldes vorgesehen ist.

Weitere Merkmale und Vorteile des Verfahrens und der Vorrichtung werden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt ein indirekt gepoltes Plasmatron 1. Das Plasmatron 1 weist eine zentral angeordnete Elektrode 2 und eine wassergekühlte Düse 3 auf. Die zentrale Elektrode 2 ist über eine elek¬ trische Leitung 7 mit einer Stromquelle 9 verbunden. Die Stromquelle 9 ist über eine Leitung 8 mit dem Plasmatron 1 verbunden. Ein Plasmagas wird über eine Plasmagaszuführung 4 in die wassergekühlte Düse 3 eingeleitet. Im Bereich der Plasmagaszuführung 4 sowie von Elektrode 2 und Düse 3 ist ein Wirbeleinsatz 10 für eine tangentiale Plasmagaseinleitung in die Düsen 3 vorgesehen. Die Düse 3 weist einen zylindrischen Abschnitt 12 auf, dessen innere kleinste Durchmesser mit 3,5 mm ausgelegt ist. Die Elektrodenspitze 17 der Elektrode 2 ist innerhalb der Düse 3 in einem Abstand von 7 mm von der Düsenmündung angeordnet.

Um den Bereich der Düse 3 ist eine Spule 11 mit nicht dargestellter Stromzuführung angeordnet. Die Spule 11 dient zur Sicherung einer Rota¬ tionsbewegung der Lichtbogensäule 15, insbesondere des Anodenflecks 18, in der Düse 3.

Der Abstand zwischen der Mündung der Düse 3 und der Bauteiloberfläche 13 beläuft sich auf 16 mm. Die Plasmafackel 19 erzeugt in dem Bauteil eine Wärmezone 14, die eine Breite von etwa 10 mm erreicht.

Nicht dargestellt ist eine Hochfrequenzzündeinrichtung zum Zünden der Flammfackel im Plasmatron.

Der Ablauf des die Wärmezone 14 erzeugenden Flammrichtverfahrens ist so ausgestaltet, daß unter Voreinstellung einer Plasmagasströmung von 2,5 m ³ pro Stunde aus 84 Vol.% Argon und 16 Vol. % Wasserstoff, im zylindri¬ schen Abschnitt 12 der Düse 3, also dem kalten Zustand im Lichtbogenka¬ nal, einer voreingestellten Strömungsgeschwindigkeit von 72 m/sek. ent¬ spricht, sowie einer Plasmabogenleistung von 6,6 kW infolge 60 A Bogen¬ strom und 110 V Bogenspannung, was einer voreingestellten Energiedichte von 0,6 KW/mm ² in der die Lichtbogensäule 15 aufnehmenden Düse 3 entspricht, sowie einer Relativgeschwindigkeit von 0,7 m/min., dargestellt durch den Pfeil 16. Dies entspricht einer Streckengesamtenergie von 0,56 MJ/m bezogen auf die erzeugte Wärmezone 14. Die Flammfackel 19 ragt bei freiem Brennen, d.h. ohne Annäherung an die Bauteiloberfläche 13 etwa 25 mm aus der Düse 3 heraus.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Plasmatron

2 Elektrode 3 Düse

4 Plasmagaszuführung

5 Kühlwasserzuführung

6 Kühlwasserabführung

7 Leitung 8 Leitung

9 Stromquelle

10 Wirbeleinsatz

11 Spule

12 zylindrischer Abschnitt 13 Bauteiloberfläche

14 Wärmezone

15 Lichtbogensäule

16 Pfeil (für Relativgeschwindigkeit)

17 Elektrodenspitze 18 Anodenfleck

19 Flammfackel