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Elektrisches Verfahren und Vorrichtung zum Metallspritzen.
Es sind Verfahren und Vorrichtungen zum Zerstäuben und Ausschleudern von geschmolzenen Metallen bekannt, bei welchen zur Bildung eines Lichtbogens eine oder mehrere Metallelektroden benutzt werden, und der Lichtbogen durch einen Gasstrom beeinflusst wird. Das vorliegende Verfahren zum elektrischen Metallspritzen ist eine Weiterbildung der oben genannten bekannten Verfahren zum Zerstäuben und Aufschleudern geschmolzener Metalle. Nach dem vorliegenden Verfahren werden z. B. zwei an eine Wechselstrom- oder Gleichstromleitung angeschlossene Drähte so geführt und in geeigneten Führungen gekrümmt, dass die Drahtenden zur Berührung untereinander kommen, wobei die Berührungstelle überlastet wird. Es entsteht dann Kurzschluss, die Drähte schmelzen ab, und das geschmolzene Metall wird sofort durch das Druckmittel abgerissen und weggeschleudert.
An der Unterbrechungstelle bildet sich ein kleiner Lichtbogen, welcher das weitere Abschmelzen der mechanisch nachgeschobenen Drähte besorgt. Das Zerstäuben und Aufschleudern des Metalles lässt sich entweder durch die Expansionsbzw. Explosionskräfte des Kurzschlusses bewirken oder mit Hilfe rotierender Schleudern, oder endlich mit Hilfe eines gasförmigen Zerstäubungs-und Transportmittels (Pressluft, überhitzter Wasserdampf, indifferente oder reduzierende Gase u. a.).
Versuche ergaben nun neuerdings, dass hiebei die Bedingungen des Zustandekommens eines Kurzschlusses des draht-oder röhrenförmigen zu schmelzenden Metalles nicht immer erfüllt zu sein brauchen, vielmehr hat sich gezeigt, dass z. B. bei entsprechender Vorschubgeschwindigkeit von Metalldrähten ein dauernder Lichtbogen zwischen den Drahtenden bestehen bleibt und das Abschmelzen der Drahtenden besorgt wird, so dass ein eigentlicher Kurzschluss nicht mehr stattfindet. Um dies zu erzielen, werden gemäss vorliegender Erfindung z.
B. zwei stromführende Drähte, Stäbe, Röhrchen od. dgl. in dem Mass vorwärts bewegt, als ein zwischen den Elektrodenenden erzeugter Lichtbogen das Metall gleichmässig und ruhig abschmilzt, wobei dann noch ein Strahl von Luft, Gas oder Dampf zweckmässig direkt auf den Lichtbogen, gerichtet wird, um das Zerstäuben und Aufspritzen des geschmolzenen Metalles zu besorgen. Dabei ist es im allgemeinen zweckmässig, den Vorschub der Elektroden und die elektrischen Verhältnisse so zu regulieren, dass der Lichtbogen nicht zu lang wird, d. h. der Abstand der beiden Elektroden voneinander soll ein gewisses Mass nicht überschreiten.
Bei einem kurzen Lichtbogen wird nämlich das Schmelzen auf einen kleinen Raum konzentriert, wodurch eine eventuell unerwünschte Metallverdampfung hintangehalten wird ; auch sind die Stabilitätsbedingungen eines solchen Lichtbogens zwischen fortwährend abschmelzenden und nachgeschobenen Drahtenden vorteilhafter ; der Lichtbogen brennt ruhig und ohne Störung'.
Der beim Zerstäuben der geschmolzenen Drahtenden sich bildende Lichtbogen wird durch das Pressgas in die Länge verzerrt ; mit einer Spannung von 20 bis 30 Volt kann bereits ein Lichtbogen von 15 bis 20 mm Länge entstehen. Infolge der ausserordentlich hohen Temperatur des Lichtbogens kann eine (meist partielle) Verdampfung des Metalles veranlasst werden. Bei Wechselstrom können im allgemeinen die elektrischen Bedingungen in näheren Zusammenhang als bei Gleichstrom mit den thermischen und mechanischen Vorgängen des Sehmelzens und Verspritzen gebracht werden, z.
B. kann die Anzahl der Kurzschlüsse und der Abreisslichtbogen gleich der Anzahl der Stromwechsel gewählt und die Apparatur so geregelt werden, dass das schnWzende Metall in der Nähe des Spannungsminimums
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benutzten Wechselstromes erniedrigt ; jedem Stromimpuls entspricht ein Kurzschluss, ein Unterbrechunglichtbogen und ein Schmelzvorgang. In dem zwischen zwei Stromstössen liegenden Zeitintervall werden in diesem Falle die Drahtenden abgekühlt.
Auch kann man in gewissen Fällen einen Wechselstrom von anderer Periodenzahl als die übliche wählen ; bei Wechselstrom mit niedrigerer Periodenzahl kann die Verteilung der Erscheinungen in einem Wechsel sich gleichmässiger gestalten ; bei Wechselstrom mit höherer Periodenzahl ist auch die Anzahl der Kurzschlüsse und Unterbrechungslichtbogen entsprechend höher, so dass die Schmelzbedingungen eine gewisse Ähnlichkeit mit denen bei Verwendung von Gleichstrom erlangen können.
Um eine Übereinstimmung des Zeitpunktes des Abreissens des geschmolzenen Metalles mit dem Spannungsminimum oder seiner Nähe zu erzielen, kann man praktisch verschiedene elektromagnetische und mechanische Vorrichtungen verwenden, z. B. eine synchronisch mit dem Wechselstrom schwingende Lamelle, welche mit Hilfe eines durch den Wechselstrom gespeisten Magneten betätigt wird, oder eine Vorrichtung nach Art eines elektromagnetischen Hammers, wobei ein mit Gleichstrom gespeister Elektro- magnet zwischen zwei von dem zu benutzenden Wechselstrom durchflossenen Spulen synchronisch mit dem Wechselstrom schwingt.
Solche Vorrichtungen können am Ende eines jeden Stromwechsels durch
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wirken lassen, so dass während der Dauer der Erwärmung und des Schmelzens an der Kurzpchlussstelle der Pressgasstrahl gedrosselt oder abgelenkt wird und kein unnötiges Abkühlen des Metalles erfolgen kann ; es kann dann eine Drosselungs- oder Ablenkungsvorrichtung am Ende eines jeden Wechsels bzw.
Impulses die Kurzschlussstelle der vollen Einwirkung des Pressgasstrahles freigeben.
Falls das Schmelzen des Metalles vermittels einer oder mehrer bewegten Elektroden vorgenommen wird, so kann der Vorschub der Elektroden zweckmässig durch sich drehende Mechanismen bewegt werden, die mindestens ein um eine Elektrode kreisendes Organ aufweisen, das am Verschieben in der Vorschubrichtung der Elektrode verhindert ist und eine zur Vorschubrichtung der Elektrode schräge Kante besitzt, derart, dass sie auf diese Elektrode einen ein Bewegen derselben in ihrer Vorschubrichtung bewirkenden Zug ausübt.
Auf den beiliegenden Zeichnungen sind Vorrichtungen zur Ausübung des Verfahrens in beispielsweisen Ausführungen gezeigt. Es ist
Fig. 1 eine schaubildliche Ansicht einer AusfÜhrungsform.
Fig. 2 teilweise ein Schnitt und teilweise eine Draufsicht einer Vorrichtung, bei der zwei stromführende und einen Lichtbogen bildende Metalldrähte durch Rollen vorgeschoben werden-und
Fig. 3 teilweise ein Schnitt und teilweise eine Draufsicht einer Vorrichtung, bei welcher der Vorschub von zwei stromführenden und einen Lichtbogen bildenden Metalldrähten nach dem Schrauben- linienplinzip erfolgt.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung ist a eine Pressluftturbine zum Bewegen der Drähte ; b sind die zu schmelzenden, als Stromleitung dienenden Drähte, c ist die Zerstäuberdüse (in der Zeichnung nur strichpunktiert angedeutet) mit Pressluftzuleitung, d sind die Transporträder für die Drähte b, und e sind gebogene Führungsröhrehen, welche die Drähte zur Schmelzstelle führen. Die Drähte werden in den Führungen so geführt und gekrümmt, dass die Drahtenden einige Millimeter weit von den Führungsmündungen im kleinsten Querschnitt der Düse oder ein bis mehrere Millimeter ausserhalb zur Berührung untereinander kommen. Der Kurzschluss und der Lichtbogen bzw. das durch diese Erscheinungen bedingte
Schmelzen soll aber an der Stelle oder in der Nähe der maximalen Geschwindigkeit des expandierenden
Pressgases stattfinden.
Um dieses zu regeln, kann die Düsenmündung relativ zu der Berührungsstelle der Drähte verschiebbar angeordnet sein, wodurch die Regelung mit grosser Genauigkeit erfolgen kann.
Durch Verlegen der Drahtführungen ins Innere der Pressgasdüse werden diese und die unter Strom stehenden Drahtteile durch das sie umspülende Pressgas ausgiebig gekühlt. Die Drähte können ohne
Beeinträchtigung der Feinheit der Zerstäubung etwas aus der Düsenmündung herausragen, so dass Ver- stopfungen der Düse vermieden werden. Die übrigen angedeuteten Schalt-und Regelungsorgane sind hier der Einfachheit halber nicht dargestellt.
Bei der in Fig. 2- gezeigten Vorrichtung bilden zwei stromführende Metalldrähte a und al bei b einen Lichtbogen. c und cl sind zwei auf beliebige Weise angetriebene Transportrollen, durch die der
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Vorschub der Metalldrähte bewerkstelligt wird. Durch entsprechende Krümmung der Drahtführungen werden die Drähte, um den Vorgang einzuleiten, zum Kurzschluss gebracht. Die Stromzuführung geschieht bei e und el, während bei f die Gaszuführung erfolgt. Um eine ausgiebige Kühlung des Schmelzortes zu erhalten, wird zweckmässig ein dünner Strahl von Luft, Stickstoff, Kohlensäure usw. durch die Zuleitung g direkt in den Lichtbogen hineingeführt.
Den beiden bewegten Drahtelektroden wird diejenige Geschwindigkeit erteilt, welche bei einer bestimmten Spannung einen entsprechenden Lichtbogen bildet, und es macht keine Schwierigkeiten, besonders bei Gleichstrom, Vorschub und angelegte Spannung so abzustimmen, dass ein konstanter ruhiger Schmelzlichtbogen entsteht. Man hat Interesse daran, die Verhältnisse so zu gestalten, dass die Verdampfung auf ein Mindestmass beschränkt bleibt, oder aber die sublimierten Metalldämpfe im Metallisierungsstrahl zu verwerten.
Wie naheliegend, kann das in dieser Fig. 2 zur Darstellung gelangte Prinzip der Lichtbogenschmelzung bzw. Metallisierung auf sehr verschiedene konstruktive Arten verwendet werden, z. B. kann man den Lichtbogen zwischen zwei Kohlenstiften bzw. Röhren überspringen lassen, wobei dann das zu behandelnde Material, u. zw. in Form von Stab oder Pulver in denselben hineingeleitet und vermittels eines Gasstrahles zerstäubt und aufgespritzt wird.
Eine Vorrichtung zum Verschieben der das Schmelzgut liefernden und als Drähte ausgebildeten Elektroden, mit welcher sehr zufriedenstellende Ergebnisse erzielt wurden, ist in Fig. 3 dargestellt.
In dieser Fig. 3 sind a Pressluftturbinen, denen auf nicht gezeigte Weise das Druckmittel zugeführt wird. Die Turbinen sind je auf einer, auf Kugeln b gelagerten hohlen Achse c fest angeordnet, durch die das zu fördernde, Elektroden bildende Material d, z. B. Metalldraht, geführt wird. In jeder Achse c sind zwei radiale Backen e angeordnet, deren gegeneinander gerichtete Stirnflächen t mit Schrauben- gewinde versehen sind. Diese Backen e sind in Büchsen g gelagert, welch letztere in die Achse c eingewindet sind. Die Schraubenfedern h haben das Bestreben, die Backen gegen die Elektroden d zu drücken, die sie mit ihrem Gewindeteil angreifen. Schraubenmuttern i dienen zur Regulierung der Spannung der Federn h.
Die Gewindebacken sind auswechselbar angeordnet, so dass man durch Anbringen von Backen mit anderer Gewindesteigung die Vorschubgeschwindigkeit der Elektroden d beliebig verändern kann. Beim Rotieren der Achsen c, die durch die Turbinen a angetrieben werden, machen die Backen e die Drehbewegung mit und ziehen zufolge ihres Eingriffes in den Metalldraht diesen nach vorwärts.
Die Gewindebacken e können auch in den Turbinen a selbst eingebaut sein, wodurch eine Vereinfachung und Verbilligung der Vorrichtung erzielt wird.
Es ist festgestellt worden, dass bereits ein richtiger Vorschub der als Draht ausgebildeten Elektroden erzielt wird, wenn in Verbindung mit jeder derselben an Stelle von zwei Klemmbacken nur eine vorgesehen und die zweite Klemmbacke durch einen Teil ersetzt wird, der der Elektrode lediglich als Stütze dient.
Dabei ist es zuweilen schon genügend, wenn die Klemmbacke mit einem einzigen, eine einen Teil einer Schraubenlinie bildende Kante aufweisenden Zahn versehen wird.
Es hat sich ferner herausgestellt, dass auch ein Vorschub der als Draht, Röhren od. dgl. ausgebildeten Elektrode in der erforderlichen Weise erzielt wird, wenn anstelle der einen Klemmbacke eine gegen den Umfang der Elektrode gepresste Rolle vorgesehen wird, die sich um eine Achse drehen kann, die passend schräg zur Richtung gelegen ist, in welcher die Elektrode zu verschieben ist, und die zweite Klemmbacke nur als eine Stütze für den Draht ausgebildet wird.
Anstatt bei der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung, jede Achse c durch eine besondere Turbine anzutreiben, könnten die beiden Achsen c auch durch eine einzige Turbine angetrieben werden, indem z. B. auf einer senkrechten Welle, die zwischen den Achsen c gelegen ist, eine Turbine vorgesehen wird, und die Drehbewegung dieser Welle, z. B. durch ein Schneckengetriebe auf die beiden Achsen e übertragen wird.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Elektrisches Verfahren zum Metallspritzen unter Benutzung der Kurzschluss-bzw. Licht- bogenschmelzung mit Hilfe von durch das Metall fliessendem elektrischen Strom und eines Druckmittels, dadurch gekennzeichnet, dass unter Verwendung von Wechselstrom oder pulsierendem Gleichstrom die Strombedingungen, der Drahtvorschub, die Drahtdicke und das Abreissen eines in Drahtform zu schmelzenden Metalles miteinander derart in Einklang gebracht werden, dass die Zahl der Kurzschlüsse und Abreisslichtbogen der Zahl der Stromwechsel bzw. Stromimpulse möglichst gleich ist und das Metall in der Nähe des Spannungsminimums durch das Druckmittel abgerissen und aufgeschleudert wird, wodurch die bei jedem Wechsel bzw. Stromimpuls entstehende thermische Energie praktisch vollständig ausgenutzt wird.