Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum thermischen Spritzen von Auftragsschweißwerkstoffen, bestehend aus einer kühlbaren Strahlbündelungsdüse mit einem beschickungsseitig erweiterten Raum zur Aufnahme von Einrichtungen zur regelbaren Zuführung der Betriebskomponenten, nämlich Betriebsgasen und Auftragsschweißwerkstoff, vgl. DE-B-1 089614.
Vorrichtungen der genannten Art sind für das thermische Spritzen zum Auftragen von Pulvern nach der DE-B-1 089 614 bekannt. Der weitere Stand der Technik wird durch die EP-A-0 049 915 und durch die Zeitschrift « Metall Heft 3/83. Seite 238. Fig. 1 repräsentiert. Bei der letztgenannten Vorrichtung wird Stickstoff als Fördergas benutzt, wobei die Flamme (Brenngas ist Gemisch aus Methylacetylenpropadien und Sauerstoff) in der wassergekühlten Strahlbündelungsdüse gebildet wird. Das Verfahren nach der EP-A-0 049 915 setzt ein aufwendiges Dosiersystem mit elektronischer Steuerung und Regelung voraus, d. h. die zugehörige genannte Anlage ist sehr teuer und deren Anschaffung und Einsatz lohnt sich nur für bestimmte Einsatzfälle, obgleich mit einer solchen Anlage (die Betriebsmittelkomponenten werden nach dem Gleichdruckprinzip zusammengeführt) Spritzqualitäten erreichbar sind, die einen Vergleich mit dem beim Plasma- und Flammschockspritzen erreichbaren Spritzqualitäten ohne weiteres aushalten, d. h. sehr hochwertig sind. Da diese Anlagen nicht unter Verwendung reinen Acetylens betrieben werden können und, wie erwähnt, sehr teuer sind, verbietet sich deren Verwendung für gewissermaßen normale Spritzauftragsfälle, d. h. für solche Fälle konnte man mit einfacheren Mitteln, die mit einem solchen Verfahren und einer solchen Strahlbündelungsdüse (Pinchdüse) verbundenen Vorteile, nämlich Vermeidung bzw. Reduktion von Spritzverlusten, bessere Partikelaufschmelzung und höhere Partikelbeschleunigung, bisher nicht ausnutzen.
Bei der Vorrichtung nach der eingangs genannten DE-B-1 089 614 ist keine Brennkammer vorhanden. sondern die Mündung des Trägergas-Pulveraustrittskanals ist unmittelbar im Bereich der Einmündung in den Strahlbündelungskanal der Bündelungsdüse angeordnet, wobei der erweiterte Raum um die Düse lediglich der Sauerstoffzufuhr dient, der durch einen Ringspalt dem Trägergas-Pulverstrom zugemischt wird. Abgesehen von der Rückzündgefahr in dem Trägergas-Pulverzufuhrkanal ist die Düse nicht verstellbar ausgebildet, so daß hierbei keine Anpassungsmöglichkeiten an differente Pulver sich ergeben. Außerdem muß die ganze Vorrichtung von vorn her gezündet werden, was ebenfalls nicht ungefährlich ist.
Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde. eine mit vergleichbar geringen Spritzverlusten arbeitende Vorrichtung zu schaffen. die, nach dem sogenannten Differenzdruckprinzip arbeitend, einerseits hinsichtlich ihres apparativen Aufwandes nicht bzw. nicht wesentlich mehr verlangt als bisher für das Flammspritzen erforderlich, die andererseits bei angepaßter Veränderbarkeit der Brennkammer die Verwendung aller brennbaren Gase. insbesondere aber auch Acetylen und differenter Spritzpulver erlaubt und mit der insbesondere auch der Zünd- bzw. Anfahrvorgang sicher beherrschbar sein soll.
Diese Aufgabe ist mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art nach der Erfindung dadurch gelöst, daß der erweiterte Raum als Brennkammer mit strömungsbeschleunigender Übergangskontur zur Einmündung der Bündelungsdüse ausgebildet und in der Brennkammer in bezug auf die Einmündung der Strahlbündelungsdüse eine axial verstellbare, differenzdruckbeschickte Brennerdüse bzw. ein Düsenhalter mit Düse angeordnet ist und daß ferner in der Wand der Brennkammer eine auf die Düse einstellbare Zündelektrode angeordnet und diese mit einem die Elektrode nach der Spülung der Bündelungsdüse und vor der Zufuhr des Brenngases einschaltendem Schaltelement versehen ist. Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Lösung ergeben sich nach den Unteransprüchen 2 bis 14.
Die gegebene Lösung ist am einfachsten zu verwirklichen, indem man die Strahlbündelungsdüse mit einer Flammspritzpistole kombiniert und zwar derart, daß die Veränderbarkeit des Brennkammervolumens erhalten bleibt. Dabei bleibt man allerdings von den Leistungsdaten der jeweils verwendeten Spritzpistole abhängig. Will man dies nicht und außer Pulver auch Draht als Spritzzusatzwerkstoff verarbeiten können, so wird der Düsenhalter als entsprechend angepaßter Düsenstock unter Beibehaltung des Grundprinzips ausgebildet.
Durch die erfindungsgemäße Lösung ergeben sich hinsichtlich der Auftragsschichten folgende Vorteile : Bei hochschmelzenden Werkstoffen (Oxide, Cermets, hochschmelzende Metalle usw.) kann, wie sich gezeigt hat, eine wesentlich bessere Schichtqualität erzielt werden. Die Dichtigkeit in der Auftragsschicht wird gegenüber herkömmlichen Flammspritzäufträgen wesentlich erhöht.
Die Haftfestigkeit ist aufgrund der höheren kinetischen Energie der Spritzpartikel ebenfalls wesentlich verbessert, und es treten auch keine Beeinträchtigungen der aufgespritzten Schicht durch im Strahlbündelungskanal angebackene und sich früher oder später wieder ablösende Pulverpartikel auf. Durch die Bündelung des Spritzstrahles sind die sonst unvermeidbaren Spritzverluste für gezielte Auftragungen wesentlich vermindert.
Es können bisher auch mit einer Flammspritzpistole allein nicht zu verspritzende Zusatzwerkstoffe eingesetzt werden. Ferner ist auch die Forderung nach der Verwendbarkeit aller in diesem Arbeitsbereich üblichen Brenngase insbesondere von Acetylen durch entsprechend optimal mögliche Einstellung des Brennkammervolumens erfüllt und schließlich verlangt der Betrieb einer solchen Vorrichtung keine aufwendige elektronische Steuerung, sondern nur eine einfache elektrische Schaltung und Regelung für die Gewährleistung der folgerichtigen 'Schritte zum Zünden. Für die betriebssichere Zündung bei Inbetriebnahme und somit für die Brauchbarkeit der Vorrichtung überhaupt ist es nämlich wesentlich, daß diese in folgenden Schritten vollzogen wird, um das brennbare Gas-Sauerstoff-Gemisch für die Anfahrphase auf ein Minimum zu reduzieren : Spülen mit reinem Sauerstoff. Wirksammachen der Zündeinrichtung und erst dann Zuführung des Brenngases. Würde diese Reihenfolge nicht eingehalten, so führt dies bei Zündung unmittelbar vor der Düse der Flammspritzpistole zu einer Explosion ggf. mit Auslöschen der Flamme oder bei Zündung an der Ausmündung der Strahlbündelungsdüse, wie das bei der Vorrichtung nach der DAS der Fall ist. zu einer Rückzündung in die Düse hinein und zu einem Verlöschen der Flamme. Diese für die Anfahrphase also wesentliche Reihenfolge ließe sich zwar an der Flammspritzpistole für die Gaszufuhr von Hand manipulieren, und zwar einschließlich der Einschaltung der Zündeinrichtung an der erfindungsgemäßen Vorrichtung, dies wäre aber zu umständlich und zu unsicher.
Bezüglich der mit einer Elektrode ausgestatteten Zündeinrichtung hat sich auch für eine dauernde Betriebsfähigkeit der Vorrichtung als wesentlich erwiesen, die Elektrode nach erfolgter Zündung aus der Brennkammer zurückziehen zu können, dies auch, um einerseits die Strömung in der Brennkammer nicht zu stören und zum anderen, um die Anpassung des BrennKammervolumens an die jeweiligen Gegebenheiten nicht zu behindern. In der Praxis bedeutet dies, daß die Düse und die Elektrode auf Zündstellung zusammengefahren werden und daß danach, je nach den Erfordernissen, das optimale Brennkammervolumen unbehindert von der Elektrode eingestellt werden kann.
In der Brennraumkammer, die bezüglich ihrer Größe auch bei der Flammspritzpistolen/Strahlbündelungsdüsen-Kombination variierbar sein muß, findet eine weitgehend kontrollierte Verbrennung der gemischten Gase statt, die ggf. zu Temperaturen führen kann, bei denen sogar Metallverdampfungen auftreten. Aus diesem Grunde ist auch die Brennkammerwand kühlbar ausgebildet.
Da bei der erfindungsgemäße Vorrichtung das Brennkammervolumen durch die Einstellbarkeit der Düse bzw. des Düsenstockes variabel ist, kann dadurch auf die Verweilzeit der Pulverpartikel in der Brennkammer Einfluß genommen werden, d. h., das Pulver wird angepaßt vorgewärmt bzw. gezielt auf gewünschte Temperatur gebracht und zwar noch ehe es hochbeschleunigt in die Strahlbündelungsdüse gelangt. In diesem Zusammenhang ist es wesentlich, daß zwischen Brennkammer und Einmündung in den Strahlbündelungskanal eine strömungsbeschleunigende Übergangskontur vorhanden ist, und zwar vorteilhaft in bezug auf die Vorrichtungsachse mit konvexer Formgebung, was im vorliegenden Fall insofern von besonderer Bedeutung ist, als sich sonst, da die Pulverpartikel schon mindestens angeschmolzen aus der Brennkammer austreten, die Pulverpartikel schon im Einmündungsbereich des Strahlbündelungskanales ansetzen können. Falls dieser Bereich bei strömungsungünstiger Ausbildung nicht ganz zuwächst, führen solche Ansätze zur Gefahr des Abreißens und wenn solche Abrißpartikel in die Auftragsschicht gelangen, führt dies nicht zu optimalen Beschichtungsergebnissen.
Durch Veränderung der Brennkammergröße, ggf. aber auch Veränderung der Länge der Strahlbündelungsdüse, können sowohl hochschmelzende als auch niedrigschmelzende Spritzzusatzwerkstoffe verspritzt werden, und schließlich ist die Möglichkeit der Zuführung von Zerstäuber- bzw. Zusatzgasen gegeben, die die Wirkungsweise der Vorrichtung gezielt beeinflußbar machen.
Bezüglich der Längenanpassung zum zu verarbeitenden Spritzwerkstoff ist deshalb die Strahlbündelungsdüse vorteilhaft mehrteilig ausgebildet, was noch näher erläutert wird.
Bei der Ausbildung der Vorrichtung mit einem Düsenstock wird beim Pulverspritzen die Pulverförderung von einem externen Pulverfördersystem übernommen, so daß eine gleichmäßige Pulverförderung ermöglicht wird. Im Falle der Verarbeitung von Draht als Spritzzusatzwerkstoff erfolgt die Drahtzuführung ebenfalls über ein externes Vorschubgerät bekannter Art für den Draht.
Insbesondere für eine längere Benutzungsdauer der Vorrichtung, auch dies gilt für beide Varianten, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, im Innenkanal der Strahlbündelungsdüse für die Ausbildung einer Mantelströmung zu sorgen, was apparativ einfach zu verwirklichen ist. Durch eine solche Mantelströmung kann nämlich ein Anbacken der aufgeschmolzenen Partikel an den Wänden des Innenkanales verhindert werden, was für eine längere Betriebsdauer wesentlich ist.
Je nach der Länge der Strahlbündelungsdüse können dann auch in der einmündungsseitigen Hälfte, vorzugsweise im Bereich vor der Einmündung, zusätzliche Einrichtungen zur Ausbildung einer solchen Mantelströmung getroffen werden, die bspw. auch durch Zufuhr von Inertgas erzeugt werden kann. Außerdem ist es aber auch möglich, mindestens einen Teil der Wand des Strahlbündelungskanals aus porösem Material zu bilden (bspw. Keramik) und diesen Formkörper mit einem mit Druckgas beschickbaren Hohlraum zu umgeben. Das eingepreßte Gas, das ggf. auch ein Brenngas sei kann, bildet dann eine Mantelschicht im Kanal, und ein Anbacken geschmolzener Partikel ist praktisch nicht mehr möglich.
Im übrigen muß einerseits der Innenkanal der Strahlbündelungsdüse nicht zylindrisch, sondern kann auch sich zur Düsenmündung hin konisch erweiternd ausgebildet sein.
Abgesehen von den praktischen Ausführungsformen, die im einzelnen noch erläutert werden, und den vorteilhaften Weiterbildungen, ist mit der erfindungsgemäßen Lösung eine in ihrer Konstruktion denkbar einfache Vorrichtung geschaffen, deren einer Teil sogar eine herkömmliche Flammspritzpistole sein kann, die durch einfache Anpaßbarkeit des Brennkammervolumens allen auf diesem Gebiet üblichen Brenngasen bzw. Brenngasgemischen zugänglich ist und die einen sicheren Zündvorgang gewährleistet.
Wesentlich für die erfindungsgemäße Vorrichtung ist also die Ausbildung einer Brennkammer, in der in Längsrichtung verstellbar die Austrittsdüse für die Brenngase und den Trägergasstrom angeordnet ist. Die Größe der Brennkammer ist also variabel und erst die in der Brennkammer ausgebrannten Gase gelangen unter Beschleunigung in den Strahlbündelungskanal. Da die Pulverpartikel somit ebenfalls erst in die Brennkammer gelangen, werden diese dort angepaßt an- bzw. aufgeschmolzen und gelangen in diesem Zustand in den Bündelungskanal. Ferner ist wesentlich die Anordnung einer zurückziehbaren Zündelektrode in der Brennkammer, um die Zündung nur eines relativ kleinen Brenngasgemisches in der Brennkammer bei Inbetriebnahme der Vorrichtung zu gewährleisten.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigt schematisch
Gemäß Fig. 1 sind die wesentlichen Teile der Vorrichtung die nur gestrichelt angedeutete Flammspritzpistole 6", ein die Brennkammer 2 enthaltender Adapter 3, die Strahlbündelungsdüse 1 und die Zündeinrichtung mit Elektrode 7. Die Flammspritzpistole 6" bedarf, da an sich bekannt, keiner näheren Erläuterung. Der Adapter 3 muß natürlich bezüglich seiner Aufnahmebohrung so bemessen sein, daß der Kopf 6' der Flammspritzpistole 6", in dem auch die Brennerdüse 5 sitzt, in den Adapter 3 eingesetzt werden kann, und zwar mit geeigneten Elementen in unterschiedlichen Stellungen fixierbar, um die Brennkammer 2 an die jeweiligen ― Erfordernisse anpassen zu können. Die Zündeinrichtung mit der Zündelektrode 7 ist dabei in bezug auf ihre Längsachse ebenfalls verstellbar angeordnet, so daß die geeignete Zünddistanz zur Düse 5 einstellbar ist und kurzzeitig für das Zünden ein Zündlichtbogen bzw. Zündfunke entstehen kann.
Im vorliegenden Zusammenhang ist dabei die Zündeinrichtung gemäß Fig. 5 wie folgt ausgebildet : Die Elektrode 7 bildet den Anker einer Magnetspule 11, die bei Erregung die Elektrode 7 gegen die Wirkung einer Rückstellfeder 12 in Zündstellung (gestrichelt) zur Düse 5 bringt..In dieser Stellung ist von einem Endschalter 13 (Fig. 6) der Zündstrom eingeschaltet. Nach erfolgter Zündung, gekoppelt mit Stromabschaltung der Spule 11, wird die Elektrode 7 aus der Brennkammer 2 durch die Feder 12 zurückgestellt. Für den Zündvorgang ist wesentlich, daß die Zündung nicht etwa erst dann erfolgt, wenn die Brennkammer 2 gefüllt ist, sondern sofort zu Beginn des Einströmens eines zündfähigen Gasgemisches in die Brennkammer.
Die Strahlbündelungsdüse 1 einschließlich des Adapters 3 ist, wie aus Fig. 1 erkennbar, wassergekühlt ausgebildet, wobei die Kühlkanäle 14, 15 mit einer Verbindungsleitung 16 verbunden sind. Der Kühlmittelzuströmanschluß 17 für beide Kühlkanäle 14, 15 ist im Ansatzbereich der Strahlbündelungsdüse 18 zum Adapter 3 angeordnet, und für beide Kanäle 14, 15 ist ein gemeinsamer Kühlmittelabströmanschluß 19 vorgesehen.
Zwecks Längenanpaßbarkeit kann gemäß Fig. 3 (dies gilt sowohl für die Ausführungsform nach Fig. 1 als auch für die gemäß Fig. 2) die Strahlbündelungsdüse 1 aus aneinander anschließbaren Einzelteilen 22 gebildet sein, die hinsichtlich der Kühlmitteldurchleitung durch Überbrükkungsleitungen 23 miteinander verbunden sind, sofern nicht jedes Einzelteil 22 mit separaten Zu- und Abströmansch.lüssen versehen ist.
Zur Ausbildung der vorerwähnten Mantelströmüng innerhalb der Strahlbündelungsdüse 1 sind am adapterseitigen Ende eine oder mehrere Gaszufuhröffnungen 21, wie in Fig. 4 schematisch dargestellt, vorgesehen. Ferner können solche Öffnungen 21' zusätzlich im Bereich der mündungsseitigen Hälfte der Strahlbündelungsdüse 1, bspw. im Strömungsschatten einer Abstufung 24 (rechts in Fig. 4) vorgesehen werden. Diese Ausführungsformen können auch bei der Vorrichtung nach Fig. 2 zur Anwendung kommen.
Für die einwandfreie betriebssichere Inbetriebnahme und damit für die Funktionsfähigkeit des ganzen Gerätes überhaupt. ebenfalls für beide Ausführungsbeispiele (Fig. 1, 2) gültig, ist es wesentlich, daß der Brenngaszufuhrregler 8 und der Sauerstoff- bzw. Preßluftzufuhrregler 9 der Flammspritzpistole 5" einerseits und das Einschaltelement 10 für die Zündeinrichtung derart ausgebildet miteinander gekoppelt und angeordnet sind, daß Spülung der Strahlbündelungsdüse mit Sauerstoff oder Preßluft. Einschaltung der Zündeinrichtung und Einströmen des Brenngases zwangsläufig nacheinander bewirkbar sind. Dafür sind geeignete Regel- und Steuerelemente ohne weiteres verfügbar.
Das in bezug auf die Brennkammer 2 bewegliche bzw. einstellbare Teil (Flammspritzpistole 6" bzw. Düsenhalter 6 gemäß Fig. 2) ist vorteilhaft mit einer Markierung oder mit einem einstellbaren Anschlag versehen, um zu gewährleisten, daß für den Zündvorgang das betreffende Teil mit seiner Düse 5 in die richtige Zünddistanz zur Elektrode 7 gebracht wird.
Die Zündeinrichtung bzw. die Elektrode 7 wird zweckmäßig im aufsteckseitigen Bereich 3' des die Brennkammer 2 enthaltenden Adapters 3 angeordnet, so daß auch bei größt eingestelltem Volumen der Brennkammer 2 die Durchgriffsöffnung in der Adapterwand für die Elektrode 7 abgedeckt wird, was in Rücksicht auf die hohen Temperaturen in der Brennkammer 2 vorteilhaft ist.
Die Ausführungsform nach Fig. 2 unterscheidet sich von der nach Fig. 1 beschriebenen praktisch nur dadurch, daß hierbei anstelle der Spritzpistole ein entsprechend angepaßter Düsenstock bzw. Düsenhalter 6 vorgesehen und man damit nicht mehr an die Leistungsdaten der Flammspritzpistole 6" gebunden ist. Außerdem kann hiermit sowohl pulverförmig oder drahtförmig zugeführter Spritzwerkstoff verarbeitet werden. Nicht dargestellt sind bei der Flammspritzpistole der Pulvervorratsbehälter und beim Düsenhalter gemäß Fig. 2 die Förderelemente für den drahtförmigen Spritzwerkstoff, da solche Elemente allgemein bekannt sind. Der Düsenhalter 6 gemäß Fig. 2 kann selbstverständlich auch mit einem Anschluß für einen Pulvervorratsbehälter oder für eine Pulverzufuhrleitung ausgestattet sein. Entsprechende Teile dieser Ausführungsform nach Fig. 2 sind deshalb mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet, die mit Strichindex versehen sind.
In Fig. 8 sind die Flammspritzpistole bzw. der Düsenstock, die Elektrode und entsprechende Anschlußleitungen nicht dargestellt. Besonders deutlich hierbei ist die konvexe Gestaltung der Übergangskontur 4' von der Brennkammer 2 in den Strahlbündelungskanal 25 erkennbar, der sich konisch zur Ausmündung 26 hin etwas erweitert. Eine solche Erweiterung kann auch bei den Ausführungsformen nach Fig. 1, 2 vorgesehen werden. Außerdem ist bei der Ausführungsform nach Fig. 8 die Wand des Strahlbündelungskanales 25 als Formkörper 27 aus porösem, gasdurchlässigen Material ausgebildet. Der poröse Formkörper 27 ist dabei mit einem mit Druckgas beschickbaren Hohlraum 28 umgeben, dem das Druckgas durch einen Druckgasbeschickungsanschluß 29 zugeführt wird. Vorteilhaft ist dabei, wie dargestellt, der Hohlraum 28 vom Beschickungsanschluß 29 aus mit einem kleinerwerdenden Hohlraumvolumen versehen, um eine möglichst gleichmäßige Druckgasaustrittsverteilung durch das poröse Material des Formkörpers 27 hindurch über dessen ganze Länge zu gewährleisten. Der Formkörper 27 ist bspw. aus gesintertem AI203 oder Zr03 bzw. Mischformen davon gebildet. Da der Formkörper 27 auf seiner gesamten Fläche gasdurchlässig ist, bildet sich gewissermaßen ein sich ständig erneuerndes Gaspolster im Sinne der vorerwähnten Mantelströmung, wobei es durchaus möglich ist, im unmittelbaren Anschluß an die Überströmkontur 4' zusätzlich Öffnungen 21 anzuordnen. Beim durch den Anschluß 29 zugeführten Druckgas kann es sich durchaus auch um ein Brenngas handeln, das für eine zusätzliche Beschleunigung der gesamten Strömung im Strahlbündelungskanal 25 sorgt.
Im Schaltschema gemäß Fig. 6 haben nur die großen Bezugszeichen 5, 7, 8. 9. 10, 11, 13 und X. Y direkten Bezug auf entsprechende Bezugszeichen in den Fig. 1-5. An die Vorrichtung selbst gehören von dieser Schaltung nur die Elemente 5, 7, 8, 9, 11, d. h. die, die sich unter der Strichpunktierten Linie im rechten Teil des Schaltbildes befinden.
Durch entsprechende anzug- bzw. abfallverzögerte Relais Ks, K2, K3, K4 und zugehörige Schaltungselemente wird an der Vorrichtung der notwendige Funktionsablauf gemäß Fig. 7 gewährleistet, wobei t3 die eigentliche Betriebsphase darstellt. Die dargestellten Kurven haben selbstverständlich nur qualitative Bedeutung. Bspw. verdeutlicht die Zündkurve, daß der Zündstrom nur im Zeitintervall t2 fließt, in dem erst das Brenngas zuzuströmen beginnt. Die Elektrodenkurve verdeutlicht, daß unmittelbar nach dem Intervall t2 die Elektrode zurückgezogen wird. Im Intervall t4, d. h. nach Abschaltung bei S3 der Steuerung fällt die Brenngaszufuhr sofort ab, wobei jedoch zwecks Spülung die Sauerstoffzufuhr noch ein wenig weiterlaufen kann.