[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Plasmaspritzgerät mit indirektem Plasmatron
zum Versprühen von pulverförmigem Material, insbesondere zum Beschichten von Werkstückoberflächen.
[0002] Zum Versprühen von pulverförmigem Material in schmelzflüssigem Zustand sind Plasmasspritzgeräte
im Gebrauch, welche mit einem indirekten Plasmatron arbeiten, d.h. einem Plasmaerzeuger
mit einem aus einer Düse ausströmenden, elektrisch nicht stromführenden Plasmastrahl.
In der Regel wird das Plasma durch einen Lichtbogen erzeugt und durch einen Plasmakanal
zu einer Ausströmdüse geleitet, wobei man unterscheidet zwischen Geräten mit Kurzlichtbogen
und solchen mit Langlichtbogen.
[0003] Herkömmliche Plasmaspritzgeräte mit indirektem Plasmatron haben vielfach den Nachteil,
dass der freie Plasmastrahl hinsichtlich seiner Wärmeintensität und der Lage seines
radialen Temperaturprofils nicht genügend stabil ist, so dass das dem Plasmastrahl
zugeführte Spritzmaterial thermisch ungleichmässig behandelt wird und infolgedessen
die mit dem versprühten Material erzeugten Schichten nicht die erwünschte Regelmässigkeit
aufweisen.
[0004] Der Grund für diese Unregelmässigkeit des Plasmastrahls liegt bei diesen Geräten
einerseits in der Instabilität des Lichtbogens, welche verschiedene Ursachen haben
kann. Eine wesentliche Rolle spielt dabei der Umstand, dass der Fusspunkt des an den
Elektroden ansetzenden Lichtbogens unter gewissen Voraussetzungen eine Wanderbewegung
ausführt. Andererseits kann in Verbindung mit einer Fusspunktwanderung auch der im
allgemeinen asymmetrische Verlauf des Lichtbogens bezüglich der Längsachse des Plasmatrons
eine Ungleichmässigkeit der thermischen Behandlung des Spritzmaterials bewirken.
[0005] Besonders ausgeprägt können Fusspunktwanderungen bei Plasmatrons sein, welche mit
einem Kurzlichtbogen arbeiten, wobei eine stiftförmige Kathode in eine einteilige,
düsenförmige Anode eintaucht (z.B. gemäss DE-GM 1 932 150), da an Anodendüsen mit
achsialer Ausdehnung bei dieser Elektrodenanordnung sowohl achsiale als auch periphere
Wanderungen des Lichtbogenfusspunktes auftreten können. Zumindest achsiale Fusspunktwanderungen
sind auch bei einem ähnlichen Plasmaspritzgerät nach der DE 33 12 232 zu erwarten,
welches statt einer mehrere Kathoden aufweist.
[0006] Eine achsiale Fusspunktwanderung entsteht prinzipiell dadurch, dass ein zwischen
einer Kathode und einer düsenförmigen Anode brennender Lichtbogen unter dem Einfluss
der Plasmaströmung bis an eine von der Kathode am weitesten entfernte Stelle der Anode
in die Länge gezogen wird, dann an dieser Stelle abreisst und an einer der Kathode
am nächsten liegenden Stelle der Anode wieder ansetzt. Erfahrungsgemäss wiederholt
sich dieser Vorgang mehr oder weniger periodisch mit einer Wiederholungsfrequenz in
der Grössenordnung von mehreren Kilohertz. Die mit den Längenänderungen des Lichtbogens
einhergehenden Spannungsänderungen können zu starken Leistungsschwankungen (bis etwa
± 30%) und entsprechenden Intensitätsschwankungen im freien Plasmastrahl führen. Dadurch
wird das dem Plasmastrahl zugeführte Spritzmaterial sehr ungleichmässig behandelt.
[0007] Die Asymmetrie des Lichtbogens hat zur Folge, dass auch das radiale Temperaturprofil
des freien Plasmastrahls asymmetrisch verläuft, d.h. dass der heisse Kern des Plasmastrahls
eine gewisse Auslenkung aus der Längsachse des Plasmatrons erfährt. Diese Wirkung
wird noch unterstützt durch den Umstand, dass das aus der Anodendüse abströmende Plasma
am Fusspunkt des Lichtbogens, d.h. an einer exzentrischen Stelle der Anordnung, zusätzlich
aufgeheizt wird. Besonders gravierend ist eine derartige Auslenkung des Plasmakerns
in Verbindung mit einer peripheren Fusspunktwanderung des Lichtbogens. Dadurch entsteht
eine Art Präzessionsbewegung des Plasmastrahls, welche meist unregelmässig verläuft
und bei externer Zufuhr des Spritzmaterials aus einer ortsfesten Zufuhreinrichtung
ebenfalls eine ungleichmässige thermische Behandlung des Spritzmaterials zur Folge
hat.
[0008] Bessere Verhältnisse erzielt man in dieser Beziehung mit einem Plasmaspritzgerät,
dessen Plasmatron mit Langlichtbogen arbeitet und, z.B. gemäss der EP 0 249 238 A2,
einen durch einen Anodenring und eine Anzahl ringförmiger, voneinander elektrisch
isolierter Neutroden gebildeten Plasmakanal aufweist. Durch die Kaskadierung des Plasmakanals,
d.h. durch die der Anode vorgesetzten Neutroden, wird eine achsiale Wanderung des
anodischen Lichtbogenfusspunktes vermieden. Hingegen zeigt sich bei einem derartigen
Plasmatron immer noch eine ausgeprägte periphere Wanderung des Lichtbogenfusspunktes
an der ringförmigen Anode, sofern der Lichtbogen von einer einzigen Kathode ausgeht,
wie das z.B. bei dem Plasmaspritzgerät nach der EP 0 249 238 A2 der Fall ist. In dieser
Hinsicht liegen daher ähnliche Verhältnisse vor wie bei dem zuvor beschriebenen Beispiel
eines Kurzlichtbogen-Plasmatrons. Auch in diesem Fall ist also eine ungleichmässige
Behandlung des seitlich zugeführten Spritzmaterials die Folge.
[0009] Es ist demnach die Aufgabe der Erfindung, ein Plasmaspritzgerät zu schaffen, das
unter Vermeidung der genannten Nachteile einen stabilen freien Plasmastrahl erzeugt
und damit sicherstellt, dass das diesem von aussen zugeführte Spritzmaterial gleichmässig
aufbereitet wird.
[0010] Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung durch die Kombination der Merkmale a) bis
d) im Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.
[0011] Besondere Ausführungsformen und vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes
sind in den abhängigen Ansprüchen 2-9 definiert.
[0012] Beobachtungen über den Lichtbogenverlauf in einem derartigen Plasmatron liessen erkennen,
dass bei einer Kathodenanordnung mit mehreren Kathoden die von den einzelnen Kathoden
ausgehenden Lichtbögen sich nicht etwa zu einem einzigen Lichtbogen vereinigen und
in einem gemeinsamen, zu peripheren Wanderungen neigendem Fusspunkt am Anodenring
enden, sondern dass sich von allen Kathoden her diskrete Lichtbögen ausbilden, welche
am Anodenring diskrete Fusspunkte haben. Diese Anodenfusspunkte wandern nicht peripher
dem Anodenring entlang, sondern liegen örtlich fest; sie können allenfalls, z.B. bei
wirbelförmiger Strömung des Plasmagases, gegenüber den betreffenden Kathodenfusspunkten
etwas versetzt sein. Von besonderer Bedeutung ist dabei die weitere Feststellung,
dass sich der beobachtete Lichtbogenverlauf auch dann nicht ändert, wenn das Plasmatron
einen engen oder stellenweise verengten Plasmakanal aufweist.
[0013] Auf diese Weise werden also auf der ganzen Lichbogenstrecke stabile Verhältnisse
erzielt, was zu einem räumlich und zeitlich stabilen freien Plasmastrahl und dementsprechend
zu einem gleichförmigen Energieaustausch mit dem seitlich in den Plasmastrahl eingeführten
Spritzmaterial führt.
[0014] In der beigefügten Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines gemäss der Erfindung
aufgebauten Plasmaspritzgerätes dargestellt.
[0015] Das im Längsschnitt gezeigte Plasmaspritzgerät besitzt drei stabförmige Kathoden
1, welche parallel zueinander verlaufen und im Kreis um die zentrale Längsachse 2
des Gerätes gleichmässig verteilt angeordnet sind, ferner eine von den Kathoden 1
distanzierte ringförmige Anode 3 und einen von den Kathoden 1 zur Anode 3 sich erstreckenden
Plasmaführungskanal 4. Der Plasmaführungskanal 4 ist durch eine Anzahl ringförmiger,
voneinander elektrisch isolierter Neutroden 6 bis 12 und die ringförmige Anode 3 gebildet.
[0016] Die Kathodenstäbe 1 sind in einem Kathodenträger 13 aus Isoliermaterial verankert.
An diesen schliesst sich ein hülsenförmiger Anodenträger 14 aus Isoliermaterial an,
der die Neutroden 6 bis 12 und die Anode 3 umgibt. Das Ganze wird zusammengehalten
durch drei Metallhülsen 15, 16 und 17, wobei die erste Hülse 15 mit dem Kathodenträger
13 stirnseitig und die zweite Hülse 16 mit der ersten umfänglich verschraubt ist,
während die dritte Hülse 17 einerseits an der zweiten Hülse 16 lose verankert und
andererseits mit dem Anodenträger 14 umfänglich verschraubt ist. Die dritte Hülse
17 drückt ausserdem mit einem nach innen gerichteten Flanschrand 18 gegen den Anodenring
3 und hält damit die den Plasmaführungskanal 4 bildenden Elemente zusammen, wobei
sich die den Kathoden am nächsten liegende Neutrode 6 an einem Innenbund 19 des Anodenträgers
4 abstützt.
[0017] Die Kathodenstäbe 1 tragen an ihren freien Enden Kathodenstifte 20, welche aus einem
elektrisch und thermisch besonders gut leitenden und zudem hochschmelzenden Material,
z.B. Wolfram, bestehen. Dabei sind die Kathodenstifte 20 derart exzentrisch zur jeweiligen
Achse der Kathodenstäbe 1 angeordnet, dass deren Längsachsen der zentralen Längsachse
2 näher liegen als diejenigen der Kathodenstäbe 1. An den Kathodenträger 13 ist auf
der dem Plasmaführungskanal 4 zugewandten Seite ein zentraler Isolierkörper 21 aus
hochschmelzendem, insbesondere glaskeramischem Material angesetzt, aus dem die Kathodenstifte
20 heraus in den Hohlraum 22 der durch die erste Neutrode 6 gebildeten Einlaufdüse
ragen. Der freiliegende Teil der äusseren Mantelfläche des Isolierkörpers 21 liegt
einem Teil der Düsenwandung radial gegenüber und bildet mit diesem Wandungsteil einen
Ringkanal 23 für den Einlass des Plasmagases in den Düsenhohlraum 22.
[0018] Das Plasmagas PG wird durch einen im Kathodenträger 13 vorgesehenen Querkanal 26
zugeführt, welcher in einen Längskanal 27 übergeht, aus dem das Plasmagas in einen
Ringraum 28 und von da in den Ringkanal 23 gelangt. Zur Erzielung einer möglichst
laminaren Einströmung des Plasmagases in den Düsenhohlraum 22 ist ein auf dem Isolierkörper
20 sitzender Verteilerring 29 mit einer Mehrzahl von Durchgangsbohrungen 30 vorgesehen,
welche den Ringraum 28 mit dem Ringkanal 23 verbinden.
[0019] Die den Plasmaführungskanal 4 bildenden Elemente, nämlich die Anode 3 und die Neutroden
6 bis 12, sind durch Ringscheiben 31 aus Isoliermaterial, z.B. Bornitrid, gegeneinander
elektrisch isoliert und durch Dichtungsringe 32 gasdicht miteinander verbunden. Der
Plasmaführungskanal 4 weist im kathodennahen Bereich eine Einschnürungszone 33 auf
und erweitert sich im Anschluss an diese Einschnürungszone 33 zur Anode 3 hin auf
einen Durchmesser, welcher mindestens 1,5-mal so gross ist wie der Kanaldurchmesser
an der engsten Stelle der Einschnürungszone 33. Nach dieser Erweiterung verläuft der
Plasmaführungskanal 4 zylindrisch bis an sein anodenseitiges-Ende. Während die Neutroden
6 bis 12 z.B. aus Kupfer bestehen, ist die Anode 3 aus einem Aussenring 34, z.B. aus
Kupfer, und einem Innenring 35 aus einem elektrisch und thermisch besonders gut leitenden
und zudem hochschmelzenden Material, z.B. Wolfram, aufgebaut.
[0020] Um die Plasmaströmung, insbesondere im Düsenbereich, nicht durch Spalte in der Wandung
des Plasmaführungskanals 4 zu behindern, erstreckt sich die den Kathodenstäben 1 am
nächsten liegende Neutrode 6 über die ganze Einschnürungszone 33, damit die Kanalwandung
52 bis über die engste Stelle der Einschnürungszone hinaus einen stetigen Verlauf
aufweist.
[0021] Die der Lichtbogen- und Plasmawärme unmittelbar ausgesetzten Teile sind weitgehend
wassergekühlt. Zu diesem Zweck sind im Kathodenhalter 13, in den Kathodenstäben 1
und im Anodenhalter 14 verschiedene Hohlräume für die Zirkulation des Kühlwassers
KW vorgesehen. Der Kathodenhalter 13 weist drei Ringräume 36, 37 und 38 auf, die mit
Anschlussleitungen 39, 40 bzw. 41 verbunden sind, und der Anodenhalter 14 weist im
Bereich der Anode 3 einen Ringraum 42 und im Bereich der Neutroden 6 bis 12 einen
alle Neutroden umgebenden Hohlraum 43 auf. Kühlwasser KW wird über die Anschlussleitungen
39 und 41 zugeführt. Das Kühlwasser der Anschlussleitung 39 gelangt durch einen Längskanal
44 zunächst zu dem die thermisch am stärksten belastete Anode 3 umgebenden Ringraum
42. Von da strömt das Kühlwasser durch den Hohlraum 43 der Mantelfläche der Neutroden
6 bis 12 entlang zurück durch einen Längskanal 45 in den Ringraum 37. Das Kühlwasser
der Anschlussleitung 41 fliesst in einen Ringraum 38 und aus diesem in je einen Hohlraum
46 der Kathodenstäbe 1, welcher durch eine zylindrische Trennwand 47 unterteilt ist.
Aus den Kathodenstäben 1 gelangt das Kühlwasser schliesslich ebenfalls in den Ringraum
37, aus dem es über die Anschlussleitung 40 abfliesst.
[0022] In die Figur ist auch der ungefähre Verlauf der einzelnen Lichtbögen 50 (zwei sichtbar)
schematisch angedeutet. Deren anodenseitige Fusspunkte verteilen sich gleichmässig
über den inneren Umfang des Anodenrings 3. Ferner ist mit gestrichelten Linien der
Anfangsabschnitt des aus dem Plasmakanal 4 achsialsymmetrisch austretenden freien
Plasmastrahls PS angedeutet.
[0023] Die Zufuhr des Spritzmaterials, z.B. Metallpulver, in den freien Plasmastrahl PS
erfolgt mit Hilfe einer auf die anodenseitige Metallhülse 17 aufgesetzten Ringanordnung
51 aus temperaturbeständigem Material, welche mit Kanälen 52 in Form von Radialbohrungen
versehen ist, denen das Spritzmaterial SM mit einem Trägergas über Anschlussleitungen
53 zugeführt wird. Im vorliegenden Beispiel liegen zwei Radialbohrungen einander diametral
gegenüber. Es kann jedoch auch eine Ringanordnung mit nur einem Kanal 52 oder eine
solche mit mehr als zwei, z.B. drei Kanälen vorhanden sein, wobei im letzteren Fall
die Kanäle vorzugsweise gleichmässig über den Umfang der Ringanordnung 51 verteilt
angeordnet sind. Ferner besteht die Möglichkeit, die Kanäle jeweils in einer Achsialebene
der Ringanordnung 51 schräg anzuordnen, und zwar können diese in bezug auf die Richtung
des Plasmastrahls PS sowohl nach vorne als nach hinten gerichtet sein.
[0024] Unter Umständen kann es zweckmässig sein, ausser der anodenseitigen Zufuhr des Spritzmaterials
SM in den freien Plasmastrahl PS auch eine Zufuhr von Spritzmaterial am kathodenseitigen
Ende des Plasmatrons vorzusehen. Zu diesem Zweck kann ein achsiales Führungsrohr vorgesehen
sein, welches den Kathodenhalter 13 und den Isolierkörper 21 zentral durchsetzt. Bei
der kathodenseitigen Zufuhr lässt sich in bekannter Weise die gesamte Lichtbogenenergie,
also nicht nur der aus dem Lichtbogen in den freien Plasmastrahl übergehende Energieanteil,
zum Aufschmelzen des Spritzmaterials ausnützen. Im Hinblick auf die genannten Energieverhältnisse
und die hohe Energiedichte im Kathodenraum erscheint es zweckmässig, hochschmelzendes
Spritzmaterial kathodenseitig und leichtschmelzendes Spritzmaterial anodenseitig zuzuführen.
Unter diesen Umständen könnte das Plasmatron gleichzeitig oder wechselweise mit anodenseitiger
und kathodenseitiger Zufuhr von Spritzmaterial betrieben werden.
1. Plasmaspritzgerät mit indirektem Plasmatron zum Versprühen von pulverförmigem Material,
insbesondere zum Beschichten von Werkstückoberflächen, gekennzeichnet durch die Kombination
folgender Merkmale:
a) Das Plasmatron weist eine Kathodenanordnung, eine von der Kathodenanordnung (1)
distanzierte, ringförmige Anode (3) und einen von der Kathodenanordnung zur Anode
sich erstreckenden Plasmakanal (4) auf;
b) die Kathodenanordnung weist mehrere, im Kreis um die Längsachse (2) des Plasmakanals
(4) verteilt angeordnete Kathoden (1, 20) auf;
c) der Plasmakanal (4) ist durch den Anodenring (3) und eine Anzahl ringförmiger,
voneinander elektrisch isolierter Neutroden (6 bis 12) gebildet; und
d) am anodenseitigen Ende des Plasmatrons sind Mittel (51) für die seitliche Zufuhr
des Spritzmaterials (SM) in den freien Plasmastrahl (PS) vorgesehen.
2. Plasmaspritzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel für die
Zufuhr des Spritzmaterials (SM) aus einer auf das anodenseitige Ende (17) des Plasmatrons
aufgesetzten Ringanordnung (51) bestehen, welche wenigstens einen von aussen nach
innen führenden Kanal (52) aufweist, zu dessen äusserem Ende eine Anschlussleitung
(53) führt.
3. Plasmaspritzgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (52) radial
verläuft.
4. Plasmaspritzgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal in einer
Achsialebene der Ringanordnung schräg verläuft und in Bezug auf die Richtung des freien
Plasmastrahls (PS) nach vorne oder nach hinten gerichtet ist.
5. Plasmaspritzgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Kanäle (52) vorgesehen
sind, welche einander diametral gegenüberstehen.
6. Plasmaspritzgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kanäle vorhanden
sind, welche gleichmässig über den Umfang der Ringanordnung (51) verteilt angeordnet
sind.
7. Plasmaspritzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Mittel
für die achsiale Zufuhr von Spritzmaterial am kathodenseitigen Ende des Plasmatrons
vorgesehen sind.
8. Plasmaspritzgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als zusätzliches Mittel
ein zentrales Rohr vorgesehen ist, das auf den Plasmakanal (4) achsial ausgerichtet
ist und in den Hohlraum (22) der den Kathoden (1, 20) am nächsten liegenden Neutrode
(6) ragt.
9. Plasmatron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmakanal (4) im kathodennahen
Bereich der Lichtbogenstrecke eine Einschnürungszone (33) aufweist und sich von dieser
Einschnürungszone zur Anode (3) hin erweitert.