[0001] Die Erfindung betrifft eine Lichtbogenspritzanlage zum Hochleistungsspritzen von
Massiv- und Fülldrähten.
[0002] Es ist bekannt, daß unter Verwendung einer Lichtbogenspritzanlage, welche im wesentlichen
aus einer Spritzpistole, einer Drahtfördereinrichtung und einer Stromquelle besteht
(Zeitschrift "DVS-Berichte", Jahrgang 1977, Heft 47, Seiten 25 bis 31), durch Lichtbogenspritzen
verschleiß- und korrosionsbeständige Schutzschichten erzeugt werden können. Hierbei
werden in der Regel zwei Massiv- oder Fülldrähte (Hohldrähte) in einem elektrischen
Lichtbogen geschmolzen, und die entstehende Metall- oder Metall-Keramik-Schmelze wird
durch ein Gas, z.B. Druckluft, zerstäubt und auf ein zu beschichtendes Werkstück geschleudert
(DE 3533966 und DE 2821880, EP 0051869 und EP 0118307).
[0003] Zum Beschleunigen und Zerstäuben der Schmelze wird entweder eine zentrisch hinter
den abschmelzenden Drahtelektroden angeordnete Zerstäuberdüse oder zusätzlich eine
Düse verwendet, die einen in radialer Richtung auf den Spritzstrahl einwirkenden Zerstäubergasstrom
ergibt (DE 3533966, DE 2821889 und EP 0051869).
[0004] Da ausnahmslos Düsen verwendet werden, die eine Unterschallströmung ergeben, beträgt
die erreichbare Geschwindigkeit des Zerstäubergases am Abschmelzpunkt in Höhe der
Drahtspitzen maximal rd. 300 m/s und die Spritzteilchengeschwindigkeit zwischen rd.
30 - 80 m/s (Tagungsband "2nd Int. Conf. on Surface Engineering", England, 1987, paper
39), obwohl zum Erzielen von gut haftenden, dichten und homogenen Schutzschichten
eine höhere Gas- und Partikelgeschwindigkeit, wie bei anderen thermischen Spritzverfahren
mit geringerer Auftragsrate, z.B. dem Plasmaspritzen und Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen
(Zeitschrift "Oberfläche und JOT", Jahrgang 1988, Heft 9, Seiten 30 bis 39), erforderlich
ist. Hierdurch wird insbesondere eine feinere Zerstäubung und eine höhere kinetische
Energie der Spritzteilchen beim Aufprall auf dem zu beschichtenden Werkstück erreicht.
[0005] Da bei den gegenwärtig eingesetzten Düsensystemen keine kontrollierte Expansion des
Zerstäubergases möglich ist und daher bereits ein beträchtlicher Anteil der kinetischen
Energie des Zerstäubergases durch den frühzeitigen Zerfall des Gasstrahls (Energiedissipation)
vor dem Erreichen des Abschmelzpunktes verloren geht, entstehen vor allem bei hoher
elektrischer Leistungsaufnahme, auch bei hohen Zerstäubergasdrücken, grobe Partikeln,
die poröse, schlecht haftende Schichten ergeben.
[0006] Zudem führt eine hohe elektrische Leistungsaufnahme der Pistole zu einer beträchtlichen
Erwärmung der zur Stromübertragung verwendeten Kontaktdüsen. Hierdurch bedingt nimmt
der Verschleiß dieser in der Regel aus Kupfer bestehenden Kontaktdüsen infolge der
inneren Reibung der Drähte überproportional zu.
[0007] Vor allem bei der Verwendung von Fülldrähten oder weichen Massivdrähten können sich
ferner bei hohen Abschmelzleistungen aufgrund deren geringer mechanischer Stabilität
erhebliche Förderprobleme ergeben, die einem längeren kontinuierlichen Auftragen dieser
Werkstoffe entgegenstehen. So können diese in den Drahtführungen zerdrückt werden
oder brechen. Zudem ist bei hohen Auftragsleistungen, d.h. schnellem Drahtvorschub,
mit einem an der Kathode und Anode unterschiedlichen Abschmelzverhalten der beiden
Drähte zu rechnen, welches zu einem Abreißen des Lichtbogens führen kann. Darüber
hinaus werden hierdurch der Wirkungsgrad der Lichtbogenanlage (Abschmelzleistung)
und die Zerstäubung der entstehenden Schmelze verringert.
[0008] Bedingt durch Strahlung und Konvektion kühlen die Spritzteilchen auf ihrem Flugweg
sehr schnell ab (Tagungsband "2nd Int. Conf. on Surface Engineering", England, 1987,
paper 39), so daß die Spritzteilchen beim Auftreffen auf dem Substrat nur ein geringes
Spreitungsverhalten aufweisen; insbesondere bei größeren Spritzabständen ist daher
mit porösen Schichten geringer Kohäsion zu rechnen.
[0009] Die vorliegende Erfindung bezweckt, die genannten Nachteile zu beseitigen.
[0010] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lichtbogenspritzanlage zum Hochleistungsspritzen
von Massiv- und Fülldrähten zu entwickeln, welche insbesondere in kostengünstiger
Weise, d.h. mit hohen Auftragsraten, die Bewehrung von großen Bauteilen, wie Walzen,
Wellen, Behältern, mit hochqualitativen verschleiß- und korrosionsbeständigen Schutzschichten
ermöglicht.
[0011] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zum Hochleistungsspritzen
eine Lichtbogenspritzanlage eingesetzt wird, die zum Beschleunigen und Zerstäuben
der Spritzteilchen (Schmelze) mit zwei getrennt regelbaren Düsen ausgestattet ist,
die zwei voneinander unabhängige Überschallströmungen erzeugen. Durch die Verwendung
von zwei unabhängig regelbaren Düsen in der Form von sogenannten Laval-Düsen wird
eine kontrollierte Expansion des Zerstäubergases erreicht. Hierdurch ist es möglich,
die Energiedissipation klein zu halten und Überschallgeschwindigkeit des Zerstäubergases
zu erreichen, d.h. der Impulsübertrag des Zerstäubergases auf die Spritzpartikeln
wesentlich gesteigert.
[0012] Es ergibt sich somit einerseits eine feinere Zerstäubung und andererseits eine höhere
kinetische Energie der Spritzteilchen. Zum Zerstäuben und Beschleunigen der Spritzteilchen
können hochkomprimierte Luft und/oder andere inerte und aktive Gase sowie hieraus
zusammengesetzte Gasmischungen verwendet werden. So wird durch die Verwendung von
Druckluft und/oder anderen Gasen und Gasmischungen bis etwa 2 MPa Vordruck eine Gasgeschwindigkeit
bis etwa 500 m/s erreicht und gleichzeitig durch den Einsatz von inerten und aktiven
Gasen oder deren Gasmischungen als Hüllgas der Abbrand von Legierungselementen infolge
der hierdurch bedingten Verringerung der Oxidation durch die umgebende Atmosphäre
erheblich reduziert.
[0013] Um eine weitere beträchtliche Geschwindigkeitssteigerung des Zerstäubergases zu erreichen,
wird das verwendete Zerstäubergas vor Eintritt in die Düsen innerhalb und/oder außerhalb
der zur Lichtbogenanlage gehörenden Spritzpistole vorzugsweise durch elektrisch beheizte
Wärmetauscher vorgewärmt. Hierdurch werden die Expansionsfähigkeit und damit die Austrittsgeschwindigkeit
des Zerstäubergases infolge der mit dieser Vorwärmung verbundenen Volumenzunahme des
Zerstäubergases drastich erhöht und eine feinere Zerstäubung sowie eine beträchtliche
Steigerung der Geschwindigkeit der Spritzteilchen auch bei sehr hoher elektrischer
Leistungsaufnahme der Spritzpistole erreicht.
[0014] Um den Verschleiß der für die Stromübertragung eingesetzten, aus Kupfer bestehenden
Kontaktdüsen wegen der hohen elektrischen Leistungsaufnahme der Spritzpistole und
der inneren Reibung der Drähte zu vermindern, sind innen die Kontaktdüsen mit Federn,
z.B. aus Stahl oder Bronze, versehen.
[0015] Zusätzlich werden, um eine hohe Leistungsaufnahme und gleichzeitig eine geringe Baugröße
der Spritzpistole zu ermöglichen, die Kontaktdüsen innen durch einen vom Zerstäubergas
unabhängigen Gasstrom, wie z.B. Luft, Argon, Stickstoff oder andere Fluide, wie Wasser,
gekühlt.
[0016] Zudem ist die Spritzpistole mit einer Drahtfördereinrichtung ausgestattet, bei welcher
der Anpreßdruck der Vorschubrollen stufenlos eingestellt werden kann, oder es wird
eine Drahtfördereinrichtung verwendet, die außerhalb der Pistole den Draht in gleicher
Weise fördert.
[0017] Hierdurch können Massiv- und Fülldrähte unterschiedlicher Duktilität sowie geringer
mechanischer Stabilität auch bei schnellem Drahtvorschub und verschiedenen Durchmessern
problemlos gefördert werden.
[0018] Damit insbesondere beim Verspritzen von Fülldrähten bei schnellem Drahtvorschub ein
Abreißen des Lichtbogens infolge der starken Anströmung der Drahtspitzen durch das
Zerstäubergas verhindert werden kann, werden der pneumatisch oder elektrisch betriebene
Drahtvorschub stufenlos über Servomotoren unabhängig für beide Drähte und die Lage
der Kontaktdüsen separat für jede Kontaktdüse geregelt. Darüber hinaus wird, um beide
Drähte bis nahe an den Abschmelzpunkt zu führen, eine hochschmelzende, vorzugsweise
aus Aluminiumoxid bestehende Keramikkappe verwendet. Ferner ist eine Zentrierung der
Drahtspitzen mit Hilfe auf die Kontaktdüsen einwirkender manuell oder elektromotorisch
betätigter Anstellschrauben möglich.
[0019] Zur automatischen Regelung des Drahtvorschubs und/oder der Lage der Kontaktdüsen
wird als Maß die Länge und/oder die geometrische Form des Lichtbogens, ausgedrückt
durch die hierdurch beeinflußte Spannung und/oder den Strom,verwendet. Zu dieser Regelung
können auch Werte aus Rechenoperationen mit einer oder beiden dieser Größen herangezogen
werden.
[0020] Damit kurze Regelzeiten zu erreichen sind, wird vorzugsweise elektronisch die jeweilige
Lichtbogenspannung und/oder der -strom mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen.
Um diesen Sollwert einzuhalten, wird die Vorschubgeschwindigkeit eines Spritzdrahtes
oder beider Spritzdrähte variiert.
[0021] Um der Abkühlung der Spritzteilchen auch bei größeren Spritzabständen während des
Aufpralls auf dem Werkstück entgegenzuwirken, kann zum Vorwärmen des zu beschichtenden
Werkstücks und zum Lichtbogenspritzen ein übertragener Lichtbogen verwendet werden.
[0022] Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß mit der
beschriebenen Lichtbogenspritzanlage bei hohen Auftragsleistungen durch das Verspritzen
von Massiv- und Fülldrähten qualitativ hochwertige verschleiß- und korrosionsbeständige
Schutzschichten erzeugt werden können. So können durch die Verwendung dieser Lichtbogenspritzanlage
zum Hochleistungsspritzen gegenüber anderen herkömmlichen Verfahren des thermischen
Spritzens, mit denen vergleichbar hochwertige Schichten erzeugt werden, wie etwa das
Plasmaspritzen oder das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, bis zu 10fach höhere
Auftragsraten, d.h. bis zu rd. 30 kg/h, bei gleichzeitig um den Faktor 3-6 reduzierten
Anlagenkosten erreicht werden.
[0023] Hierdurch wird daher erstmals die Möglichkeit geschaffen, in kostengünstiger Weise
durch thermisches Spritzen auch große Bauteile, wie z.B. Walzen, Wellen, Behälter
mit hochqualitativen Schichten zu versehen.
[0024] Die Ausgestaltung und Wirkungsweise der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher beschrieben.
[0025] Es zeigen Fig. 1 und 2 schaubildliche Darstellungen einer zur Lichtbogenspritzanlage
gehörenden Spritzpistole im Schnitt.
[0026] Die allgemein mit 1 bezeichnete Spritzpistole weist sowohl eine zentrische als auch
eine ringförmige um einen aus Spritzteilchen 2 bestehenden Spritzstrahl 3 angeordnete
Hochgeschwindigkeitsdüse 4,5 mit sogenannter Laval-Geometrie 6 auf, um eine kontrollierte
Expansion der Zerstäubergase zu gewährleisten. Diese Düsen werden unabhängig voneinander
durch zwei separat mit Hilfe von Nadel-, Kugel- oder Magnetventilen (in der Zeichnung
nicht dargestellt) stufenlos regelbaren Zuleitungen 7,8 mit dem Zerstäubergas versorgt.
Durch die Verwendung von Druckluft und/oder anderen Gasen und Gasmischungen bis etwa
2 MPa Vordruck wird eine Gasgeschwindigkeit bis etwa 500 m/s erreicht und gleichzeitig
durch den Einsatz von inerten und aktiven Gasen, wie Argon, Stickstoff, Methan, Erdgas
oder deren Gasmischungen,als Hüllgas der Abbrand von Legierungselementen infolge der
hierdurch bedingten Verringerung der Oxidation durch die umgebende Atmosphäre beträchtlich
reduziert. Um die Führung der beiden Spritzdrähte 9, 10 bis nahe dem Abschmelzpunkt
11, wo der Lichtbogen 12 entsteht, zu gewährleisten, wird vorzugsweise eine hochschmelzende
Keramikkappe 13 verwendet. Ferner ist eine Zentrierung der Spritzdrähte 9, 10 mit
Hilfe von auf Kontaktdüsen 14 einwirkenden Anstellschrauben 15 möglich.
[0027] Die zur Stromübertragung auf die Spritzdrähte 9, 10 benutzten, vorzugsweise aus Kupfer
gefertigten Kontaktdüsen 14 weisen innen zur verlust- und verschleißarmen Übertragung
des elektrischen Stroms Stahl- oder Bronzefedern 16 auf. Zudem werden diese zum Erhöhen
der elektrischen Leistungsaufnahme und zum Erzielen einer geringen Baugröße der Spritzpistole
1 durch einen weiteren vom Zerstäubungsgas unabhängigen Gasstrom 17, z.B. bestehend
aus Luft, Argon, Stickstoff, innen gekühlt. Zur Steigerung der Gas- und Spritzteilchengeschwindigkeit
ist die Lichtbogenspritzpistole zur Vorwärmung des Zerstäubergases vorzugsweise mit
zwei separat regelbaren elektrischen Wärmetauschern 18 ausgerüstet.
[0028] Durch diese Vorwärmung bis rd. 750°C lassen sich Geschwindigkeitssteigerungen des
Zerstäubergases von mehr als 100 % gegenüber herkömmlichen Spritzpistolen, d.h. bis
rd. 800 m/s erzielen. Die beiden Spritzdrähte 9, 10 werden während des Spritzvorgangs
mit einer vorzugsweise aus vier angetriebenen Vorschubrollen 19 und vier Leerlaufrollen
20 bestehenden Drahtfördereinrichtung transportiert.
[0029] Über eine Federanstellung 21 der Leerlaufrollen 20 kann der Anpreßdruck der pneumatisch
oder elektrisch angetriebenen Vorschubrollen 19 stufenlose in Abhängigkeit von der
jeweiligen Duktilität, der mechanischen Stabilität und dem Durchmesser der verwendeten
Drähte eingestellt werden.
[0030] Fig. 3 zeigt als Ausführungsbeispiel in schematischer Darstellung, wie die elektronische
Regelung des Drahtvorschubs unabhängig für beide Spritzdrähte 9, 10 stufenlos über
Servomotoren 22, 23 erfolgt. In diesem Fall werden als Maß für die Vorschubregelung
24 prozeßabhängige Parameter, vorzugsweise die Lichtbogenspannung, welche ein Maß
für die Länge und/oder geometrische Form des durch das Zerstäubergas angeblasenen
Lichtbogens 12 darstellt, über Meßwandler 25 und Analog-Digital-Umsetzer 26 einem
Mikrocomputer mit Speicher 27 zugeführt. Hier werden die Eingangsdaten mit den durch
eine Operatoreinheit 28 vorgegebenen Sollwerten verglichen. Die sich ergebenden Differenzen
zwischen Soll- und Ist-Werten werden numerisch berechnet und zur Korrektur des Drahtvorschubs
über einen Digital-Analog-Umsetzer 29 der Vorschubregelung 24 zugeführt.
[0031] Hierbei wird z.B. bei positiver Abweichung der Spannung von dem vorgegebenen Sollwert,
d.h. Zunahme der Lichtbogenlänge und der Spannung, der Spritzdraht 9 über die Vorschubregelung
24 mit Hilfe des Servomotors 22 schneller vorgeschoben, um den Sollwert der Spannung
zu erreichen. Bei negativer Abweichung der Spannung von dem Sollwert wird dagegen
der Vorschub des Spritzdrahtes 9 verlangsamt, bis der Sollwert eingestellt ist. Demgegenüber
bleibt in diesem Beispiel während des Regelungsvorgangs die Vorschubgeschwindigkeit
des Vorschubmotors 23 für den Spritzdraht 10 konstant. In gleicher Weise kann die
Lage der Kontaktdüsen 14 geregelt werden.
[0032] Hierdurch ist es insbesondere möglich, ein Abreißen des Lichtbogens 12 von den Spritzdrähten
9, 10 in Höhe des Abschmelzpunktes 11 bei schnellem Drahtvorschub zu verhindern und
hohe Abschmelzleistungen zu erreichen.
[0033] Zur weiteren Erläuterung sind Fig. 3 Regelkreise 30, 31, 32 zu entnehmen. Diese können,
wie im folgenden dargestellt, während der Vornahme der Beschichtung über die Parametererfassung
und die Prozeßführung in den Arbeitsablauf eingreifen. So ermöglicht der Regelkreis
30 die Positionierung der beiden Kontaktdüsen 14 über eine elektromechanische Anstellung
(in der Zeichnung nicht dargestellt) in x-y-z-Richtung unabhängig voneinander. Hierdurch
ist es in Ergänzung der Vorschubregelung 24 der Spritzdrähte 9, 10 möglich, die Drahtspitzen
in Höhe des Abschmelzpunktes 11 in einfacher Weise zu zentrieren und schnell einen
stabilen Lichtbogen 12 zu erreichen. Zudem werden durch diesen Regelkreis 30 Temperatur
und Druck des Zerstäubergases unabhängig für beide Hochgeschwindigkeitsdüsen 4,5 sowie
die Temperatur der innengekühlten Kontaktdüsen 14 erfaßt.
[0034] Durch den Regelkreis 31 werden neben der Vorschubgeschwindigkeit unabhängig für beide
Spritzdrähte 9, 10 der Anpreßdruck der Vorschubrollen 19 sowie der Schlupf zwischen
der Vorschubgeschwindigkeit der Spritzdrähte 9, 10 und der Drehzahl der Vorschubrollen
19 kontrolliert.
[0035] Mit Hilfe des Regelkreises 32 kann die Positionierung des zu beschichtenden Werkstücks
33 in x-y-z-Richtung über Servoantriebe (nicht in der Zeichnung dargestellt) erfolgen
sowie die Temperatur eines Werkstücks 33 erfaßt werden. Durch negative oder positive
elektrische Polung des Werkstücks 33 gegenüber den Spritzdrähten 9, 10 ist auch beispielsweise
durch Kontakt- oder Hochfrequenzzündung und Verwendung einer elektronisch regelbaren
Stromquelle 34 die Vorwärmung des Werkstücks 33 oder das Lichtbogenspritzen mittels
übertragenen Lichtbogens 35 möglich.
[0036] Fig. 4 zeigt zur weiteren Erläuterung ein Beispiel der Ausgestaltung einer Hochgeschwindigkeits-Ringdüse
36 mit Blendkappe 37. Hierbei befindet sich im Gegensatz zu der in Fig. 1 und 2 dargestellten
Hochgeschwindigkeitsdüse 5 ein Ringspalt 38 zum Austreten des Zerstäubergases aus
der Hochgeschwindigkeits-Ringdüse 36 in unmittelbarer Nähe des Abschmelzpunktes 11,
um eine höhere Beschleunigung und Geschwindigkeit der Spritzteilchen 2 und eine Einschnürung
des Spritzstrahles 3 zu erreichen. Der Ausströmwinkel 39 der Hochgeschwindigkeits-Ringdüse
35 kann ferner, um stärkere Scherkräfte auf die Spritzteilchen 2 ausüben zu können
und hierdurch eine feinere Zerstäubung zu erreichen, 3-38° betragen.
1. Lichtbogenspritzanlage zum Hochleistungsspritzen von Massiv- und Fülldrähten, dadurch
gekennzeichnet, daß zum Beschleunigen und Zerstäuben der Spritzteilchen (2) zwei getrennt
regelbare Düsen (4, 5) verwendet werden, die zwei voneinander unabhängige Überschallströmungen
erzeugen.
2. Lichtbogenspritzanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zerstäuben
und Beschleunigen der Spritzteilchen (2) hochkomprimierte Luft und/oder andere inerte
und aktive Gase sowie hieraus zusammengesetzte Gasmischungen verwendet werden.
3. Lichtbogenspritzanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das
verwendete Zerstäubergas vor Eintritt in die Düsen (4, 5) innerhalb und/oder außerhalb
der Spritzpistole (1) vorzugsweise durch elektrisch beheizte Wärmetauscher (18) vorgewärmt
wird.
4. Lichtbogenspritzanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die zur Stromübertragung eingesetzten Kontaktdüsen (4, 5) innen mit Federn (16),
z.B. aus Stahl oder Bronze, versehen sind.
5. Lichtbogenspritzanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kontaktdüsen innen durch einen vom Zerstäubergas unabhängigen Gasstrom (17),
z.B. Luft, Argon, Stickstoff oder ein anderes Fluid, wie Wasser, gekühlt sind.
6. Lichtbogenspritzanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Spritzpistole (1) mit einer Drahtfördereinrichtung (19, 20) ausgestattet ist,
bei welcher der Anpressdruck der Vorschubrollen (19) stufenlos einstellbar ist, oder
eine Drahtfördereinrichtung verwendet wird, die außerhalb der Spritzpistole (1) den
Draht in gleicher Weise fördert.
7. Lichtbogenspritzanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß der pneumatisch oder elektrisch betriebene Drahtvorschub stufenlos über Servomotoren
unabhängig für beide Drähte (9, 10) und die Lage der Kontaktdüsen (4, 5) separat für
jede Kontaktdüse regelbar ist.
8. Lichtbogenspritzanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß als Maß für die Drahtregelung die Länge und/oder die geometrische Form des Lichtbogens,
ausgedrückt durch die hierdurch beeinflußte Spannung und/oder den Strom, verwendet
wird.
9. Lichtbogenspritzanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß zum Vorwärmen des zu beschichtenden Werkstücks (33) und zum Lichtbogenspritzen
ein übertragener Lichtbogen verwendet wird.