Mit zunehmender Stromstärke nehmen Tiefe und Breite der Mantelschicht zu, während die Schichthöhe abnimmt. Dies liegt daran, dass die mit zunehmender Stromstärke erzeugte Wärme nicht nur das Mantelmetall, sondern auch einen Teil des Substrats zum Schmelzen bringt. Dadurch kommt es zu einer Vermischung von Mantel und Substrat, wodurch die Mantelschicht insgesamt absinkt, die Schmelztiefe zunimmt und die Schichthöhe abnimmt. Mit zunehmender Stromstärke wird der Plasmabogen gröber, der Temperaturbereich der Wärmequelle vergrößert sich, das Schmelzbad im Substrat breitet sich stärker aus und vergrößert sich somit auch dessen Breite.
1.2 Die Wirkung vonSchweißenGeschwindigkeit beim Formen der geschmolzenen Mantelschicht

Tabelle 3.2 Querschnittsgeometrie geschmolzener Plattierungsschichten bei unterschiedlichen Schweißgeschwindigkeiten

Mit zunehmender Schweißgeschwindigkeit verringert sich die Schmelztiefe der Plattierungsschicht. Die Schichthöhe nimmt zunächst stark ab und wird dann langsam kleiner, während die Breite abnimmt. Bei einer Schweißgeschwindigkeit von 4 mm/s und einer gewissen Zunahme des Plattierungsmetalls beträgt die Schmelztiefe 1,17 mm. Zu diesem Zeitpunkt kann die Wärmezufuhr pro Längeneinheit das Grundmaterial nicht weiter zum Schmelzen bringen und die Schmelzplattierungsschicht wächst weiter auf eine Schichthöhe von 4,34 mm an. Bei einer Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit auf 5 mm/s verringern sich die Wärmezufuhr pro Längeneinheit und die Drahtzufuhr, sodass Schmelztiefe, Schichthöhe und Breite abnehmen. Bei weiter steigender Schweißgeschwindigkeit reicht die Wärmezufuhr, wie oben erwähnt, zu diesem Zeitpunkt nicht mehr aus und nur ein kleiner Teil des Grundmaterials kann schmelzen. Die Höhe der Schmelzplattierungsschicht nimmt zunächst stark ab und wird dann langsam kleiner, während die Breite abnimmt. Bei einer weiteren Steigerung der Schweißgeschwindigkeit reicht, wie bereits erwähnt, die Wärmezufuhr zu diesem Zeitpunkt nicht mehr aus, es kann nur ein kleiner Teil des Grundwerkstoffs aufgeschmolzen werden, die Schmelzplattierungsschicht scheint nicht durchzuhängen, so dass die Schmelztiefe stärker abnimmt, die Schichthöhe jedoch weniger stark abnimmt.

1.3 Einfluss der Drahtvorschubgeschwindigkeit auf die Formgebung der Mantelschicht

Tabelle 3.3 Geometrische Abmessungen des Querschnitts der Mantelschicht bei unterschiedlichen Drahtvorschubgeschwindigkeiten.

Mit zunehmender Drahtvorschubgeschwindigkeit verringern sich Tiefe und Breite der Plattierungsschicht, während die Schichthöhe zunimmt. Dies liegt daran, dass bei bestimmten Stromstärken und Schweißgeschwindigkeiten auch die Wärmezufuhr pro Längeneinheit festgelegt ist. Mit zunehmender Drahtvorschubgeschwindigkeit steigt die Menge des Fülldrahts pro Längeneinheit, und das Plattierungsmetall muss mehr Wärme aufnehmen. Wenn die Wärmezufuhr nicht ausreicht, um die gesamte Plattierungsschicht vollständig zu schmelzen, schmilzt der Teil des Grundmaterials weniger stark, sodass die Schmelztiefe abnimmt und die Schichthöhe zunimmt. Die Ausbreitungsfähigkeit des Plattierungsmetalls in der Nähe des Teils des Grundmaterials verschlechtert sich, sodass die Breite schnell abnimmt. Die Breite nimmt schnell ab.

Zusammenfassend liegen die effektiven Prozessparameter für das Plasma-Lichtbogen-Plattieren einer Schicht aus Duplex-Edelstahl 2205 im Bereich von: Stromstärke 90 A – 110 A, Schweißgeschwindigkeit 4 mm/s – 6 mm/s, Drahtvorschubgeschwindigkeit 50 mm/s – 70 mm/s, Ionengasdurchflussrate 1,5 l/min.
2 Basierend auf der Response-Surface-Methode zur Optimierung der Prozessparameter für die Bildung der Schmelzummantelungsschicht
Die Antwortoberflächenmethode (Response Surface Method, RSM) ist eine Kombination aus experimentellem Design und statistischen Optimierungstechniken. Durch Analyse der Testdaten können Einflussfaktoren und Antwortwerte aus der Anpassungsfunktion und der dreidimensionalen Oberflächenkarte abgeleitet werden, wodurch die Beziehung zwischen Einflussfaktoren und Antwortwerten im tatsächlichen Test intuitiv wiedergegeben werden kann und eine prädiktive und optimierende Funktion hat. Aus den oben genannten Gründen wird RSM im Central Composite Design (CCD) ausgewählt, um ein Prozessoptimierungsprogramm zu entwickeln, das die Beziehung zwischen Stromstärke, Schweißgeschwindigkeit, Drahtzufuhrgeschwindigkeit, Verdünnungsrate und Seitenverhältnis der Schmelzplattierungsschicht untersucht und durch mathematische Modellierung die Beziehung zwischen Stromstärke, Schweißgeschwindigkeit, Drahtzufuhrgeschwindigkeit und Verdünnungsrate der Schmelzplattierungsschicht sowie die Beziehung zwischen Verdünnungsrate und Seitenverhältnis der Prozessparameter und der Funktion abgeleitet werden kann, um die Qualität der Schmelzplattierungsschicht vorherzusagen.

2.1 Der Einfluss von Prozessparametern auf die Verdünnungsrate der Mantelschicht.

Tabelle 3.8 Ergebnisse der Prozessoptimierung und Verifizierung