CN103379965A - 用于表面热涂覆的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于表面热涂覆的装置，该装置具有用于提供金属丝(5)的金属丝供应单元(4)、用于生成等离子气体流的等离子气体源、具有喷嘴开口(3)的喷嘴本体(2)、以及第二电极(7)，其中，金属丝(5)作为第一电极，等离子气体流通过喷嘴开口(3)引导为到金属丝端部(8)的等离子气体喷射流，第二电极(7)安置在进入喷嘴开口(3)之前的等离子气体流中。本发明的特征在于金属丝供应单元(4)是可调的，从而位于喷嘴开口(3)前面的金属丝端部(8)可以按一定的调节行程移动。这样，能够容易地补偿装置内的安装公差，并且获得品质高且均一的涂层。

Description

用于表面热涂覆的装置
本发明涉及用于表面热涂覆的装置、通过该装置施行的方法以及通过该方法生成的组件。
专利文件US6372298B1、US6706993B1以及WO2010/112567A1描述了根据本发明的用于表面热涂覆的装置。所有装置都具有：用于提供金属丝的金属丝供应单元，其中金属丝作为第一电极；用于产生等离子气体流的等离子气体源；具有喷嘴开口的喷嘴本体，等离子气体流通过该喷嘴开口引导为到金属丝端部的等离子气体喷射流；以及第二电极，其布置在在进入喷嘴开口之前的等离子气体流中。
在两个电极之间通过喷嘴开口形成电弧。所述电弧也形成穿过喷嘴开口的等离子气体的流动。来自于喷嘴开口的等离子气体喷射流撞击金属丝端部，并且在该处与电弧一起使金属丝熔化并引起熔融的金属丝材料朝要涂覆的表面的方向输送。环绕喷嘴开口安装有二次气体喷嘴，通过该二次气体喷嘴生成旋涡状二次气体喷射流，该二次气体喷射流撞击金属丝端部下游的从金属丝端部熔融出的材料，并且，该二次气体喷射流因此造成熔融金属丝材料向要涂覆的表面的方向输送的加速和二次雾化。
生成的涂层应该不具有未熔融或仅部分熔融的喷涂粒子的显著夹杂物。这种夹杂物或所谓的溅出物通常由不完全熔融的金属丝材料形成。已经发现，如果尽可能完全地和均匀地熔融金属丝，则金属丝相对喷嘴开口的精确定位是必需的。同样，在涂覆模式下即使很短的装置操作时间也需要金属丝位置的重新对齐。
因此本发明的一个目的是确定一种改进的装置，通过该装置可以以简单的方式产生可靠和优质的表面涂层，尤其是没有夹杂物和溅出物的涂层。
通过权利要求1的特征实现上述目的。
由于金属丝供应单元可调，从而位于喷嘴开口前面的金属丝端部可以按一定的调节行程移动，可以以简单的方式执行金属丝或金属丝端部相对喷嘴开口的对齐。金属丝的可调整性或调整应理解成意味着非常小的调节行程。
为了对齐，通常需要小于0.2毫米的调节行程以获得足够的精确定位。不大于0.08毫米的调节行程是有利的。这里，调节行程应理解成意味着在定位过程中金属丝端部从喷嘴开口前的基本位置向基本位置右侧和左侧的两个最大偏离行进的距离。由于结构类型，金属丝供应单元显然也可以以更大的调节行程移动金属丝端部。然而，这对金属丝端部的精确定位是没有必要的，但是如果必要的话可以提供，以便能够在对齐过程中凭借通过更大调节行程来确定最佳位置，然后反复地确定最佳的金属丝位置。
调节行程的调节方向优选地至少部分垂直于金属丝的纵轴和/或至少部分垂直于等离子气体喷射流。这里，可以配置金属丝供应方向，以便在任何所需的方向上发生调节移动。这里，调节移动的至少一个分量垂直于金属丝的纵轴。调节移动的另一个分量垂直于等离子气体喷射流。这样，对金属丝端部的调节在任何情况下会引起相对于等离子气体喷射流的横向位移。这里，喷嘴开口的喷嘴纵轴指向与等离子气体喷射流近似相同的方向。
可以有益地通过静态调节装置调节金属丝供应单元。这里，静态意味着设定在一个或多个涂覆过程中不变。总的来说，调节发生在装置停用的时候。通过这种调节装置，金属丝能够以简单的方式放置于喷嘴开口前面或等离子气体喷射流中。尤其适用的是调节螺丝，通过该调节螺丝可以以高度精确的方式设置金属丝的精确位置。
在另一个实施例中，可以通过动态调节装置调节金属丝供应单元。这也允许在装置操作期间调节，也就是说，也允许在涂覆过程中调节。这里，调节可以是准静态的，也就是说，为了使金属丝总是处于正确位置，可以进行连续但小的调节。
然而，也可以凭借以特定频率进行的调节来进行动态调节。如果装置是可旋转装置，例如内孔的涂覆所使用的，为了补偿相对装置旋转的金属丝的轻微弯曲，频率可以与装置的转动速度相一致。然而，频率也可以高于转动速度。
可选地，频率是这样的：产生在高频范围内-例如在1kHz和10kHz之间-的金属丝端部的轻微振动，以便借助金属丝端部在一定的定位界限内均匀偏离实现金属丝端部的可靠熔化。这样，确保金属丝端部的所有区域相对于等离子气体喷射流至少暂时地位于最佳位置。由于高频振动，金属丝端部的单个区域仅非常短暂地离开所述最佳位置，以致没有有害的溅出物或夹杂物可以在熔化过程中形成。在这些形成之前，金属丝端部已摆动回原来的位置，先前位于外面的区域再次位于最佳位置。这显著地改善了金属丝端部的熔融性能。
特别适合用作动态调节装置的是压电晶体，压电晶体可以可靠且快速-也就是说在高频率、小功率下-地转换。为了实现所需的调节行程，如果合适的话，应该使用所谓的压电叠层(piezo stacks)，也就是所说的多重堆叠的压电晶体。
金属丝供应单元有利地具有调节导向件，调节装置作用于该调节导向件。导向件的调节允许金属丝的精确对齐。所述导向件有利地布置在金属丝从金属丝供应单元出现的点的前面很短的距离。
金属丝供应单元优选地具有可调的导管和固定的紧固件，其中导管连接紧固件和导向件。金属丝供应单元可以通过紧固件固定到装置，并且金属丝通过导管引导至导向件。这确保了在所述金属丝从导向件出现之前的相对较长的金属丝导向(guidance)。导管、紧固件和导向件优选地具有连续孔，通过该连续孔引导金属丝。然而，金属丝供应单元中的金属丝导向也可以通过其他适当装置实现。
在另一个实施例中，紧固件和导管形成为一体，并且导管在调节时弹性变形。由于小的调节行程，导管的弹性变形对于定位金属丝可以是足够的。这里，导向件可以固定地连接至导管。可选地，导向件是独立部件，那么导管仅执行对导向件提供金属丝。独立的导管和导向件可以通过金属丝本身相对彼此定中心。
在有利的情况下，紧固件和导管形成为两个部件，并且弹性元件-尤其是O型环-布置在紧固件和导管之间。鉴于紧固件固定地锚固在装置上，可以通过弹性元件支承导管。同时，弹性支承允许导管的轻微偏离，以实现金属丝端部的调节行程。导向件可以固定地连接至导管或形成为一个独立部件。这里，金属丝也执行独立部件相对彼此定中心，至少紧固件和导管之间定中心，以及如果导向件也是独立的，执行导向件和导管之间定中心。
导向件有利地具有用于在装置中相对于调节方向横向导向的横向导向面。因为调节方向实质上垂直于等离子气体喷射流，通过导向面在等离子气体喷射流的方向中的定位是足够的。
如果装置用于执行涂覆方法，方法的启动过程期间的动态和/或静态调节可能不同于涂覆过程本身期间的动态和/或静态调节。尤其，通过动态调节，能够以有效的方式调整金属丝位置或动态调节移动以满足金属丝最佳熔化的需求。这包括例如在方法开始的金属丝位置不同于涂覆期间的金属丝位置，以及在方法开始的动态调节移动不同于涂覆期间的动态调节移动，具体地都涉及到调节行程并且也涉及到调节移动的频率。
该装置尤其适用于为内燃机汽缸筒施加涂层。小型可调的金属丝供应单元可以容易地容纳于尺寸受限的装置中。这种限制可能适用，因为插入气缸孔的装置仅能具有特定的尺寸，通常为不超过4到5厘米的直径。
本发明的更多细节将从附图和相关描述中得出，在其中：
图1显示了沿着金属丝并垂直于喷嘴开口穿过根据本发明的装置的纵剖面；
图2显示了沿着金属丝并沿着喷嘴开口穿过根据图1所示本发明的装置的纵剖面；
图3仅显示了图1所示的金属丝供应单元；以及
图4仅显示了图2所示的金属丝供应单元。
图1和图2显示了穿过根据本发明的装置1的剖面。装置1具有带有喷嘴开口3的喷嘴本体2并具有用于提供金属丝5的金属丝供应单元4。这里，图1显示了沿着金属丝5并垂直于喷嘴开口3的纵剖面，并且图2显示沿着金属丝5并沿着喷嘴开口3的纵剖面。金属丝5通过布置在金属丝供应单元4上方的电接触(未示出)连接至电源，因此作为第一电极。
等离子气体供应6位于喷嘴本体2后方，该等离子气体供应6是空腔的形式并连接至等离子气体源(未示出)。在等离子气体供应6中布置有同样连接至电源的第二电极7。当装置运行时，气体通过喷嘴开口3从等离子气体供应6流动至金属丝5的金属丝端部8。如果电源提供相应的电压和电流，电弧穿过喷嘴开口5在金属丝端部8和第二电极7之间形成，借以将流经喷嘴开口5的气体电离并因此变成等离子气体。
来自喷嘴开口3的等离子气体喷射流撞击金属丝端部8，并在这里与电弧一起引起金属丝5熔融并引起熔融的金属丝材料朝要涂覆的表面的方向输送。因此在操作时，为了补偿金属丝端部8的熔化，金属丝5必须向进给方向V连续输送。
环绕喷嘴开口3处安装有二次气体喷嘴9，通过该二次气体喷嘴生成旋涡状二次气体喷射流，该二次气体喷射流使金属丝端部8下游熔融区域的熔融材料雾化并因此造成熔融金属丝材料向要涂覆的表面的方向输送的加速和更精细的分布。
令人意外地发现，即使垂直于喷嘴开口的金属丝端部的轻微对齐误差-由两个调节方向F的方向箭头表明-也会引起增加的缺陷发生率，尤其是涂层微观结构中的未熔融或仅部分熔融喷涂粒子的夹杂物和空腔。因此，金属丝5的对齐实质上垂直于来自喷嘴开口3的等离子气体喷射流地发生，其中等离子气体喷射流主要与喷嘴开口3的喷嘴纵轴10在同一方向。这里，金属丝5可以相对调节方向F移动至相对于喷嘴纵轴10和金属丝纵轴的左侧或右侧。
图3和4仅图示了金属丝供应单元4。所述金属丝供应单元由可调导向件11、可调导管12和固定在装置1上的紧固件13组成，其中导管12连接紧固件13和导向件11。通过金属丝本身(未示出)，凭借孔11a、12a和13a来实现三个部件相对于彼此定中心，金属丝穿过孔11a、12a和13a在不超出一定的公差的导向件11、导管12和紧固件13中被导向，并因此执行金属丝5的导向。所述金属丝5的导向反过来定三个部件相对彼此的中心。
导向件11具有用于在装置1中垂直于调节方向F的导向的横向导向面14。在底部，导向件11具有在金属丝纵轴方向的实现导向件11的导向的下支承面15。这样，导向件可以在装置1中以仅能在调节方向F上移位这样的方式导向。向左侧和向右侧的导向部件1虚线图示显示调节行程S。至少在其下端，导管12相应地协同移动，而所述导管在向紧固件13的过渡处的上部区域是不可移位的。
在紧固件13和导管12之间布置有O型环16。通过外螺纹将紧固件13固定地拧紧至装置1中并将O型环16压靠到导管12，导管12转而通过支承面15将导向部件11压靠到装置1。这样，导向件11、导管12和紧固件13互相紧靠支撑并在装置中确切定位-除了调节方向F上的自由度以外-其中支撑取决于O型环16的变形程度。除了给予预负荷外，O型环16还具有任务，即在导向件11对齐期间通过O型环16的弹性变形允许导管12相对紧固件13旋转。
如图1所示，为了能够对齐导向部件11以及金属丝5，两个平头螺丝17安装到装置1的外壳18上导向件11的左侧和右侧。通过两个绝缘件19，平头螺丝17向导向件11传递对齐运动，从而也保持导向部件11处于正确位置。调节行程S通常不大于0.2毫米，通常甚至小于0.08毫米。因此，使用有细牙螺纹-也就是说小螺距-的相对较小的平头螺丝17。优选地使用具有0.5毫米螺距的M3型号的平头螺丝。
金属丝供应单元4电连接至作为第一电极的金属丝5。装置1的外壳18电连接至第二电极7。凭借将金属丝供应单元4固定到绝缘块20来实现金属丝供应单元4相对于外壳18的绝缘，其中绝缘块20是由不导电塑料制成。为了确保外壳18和金属丝供应单元4之间不通过平头螺丝17产生电接触，需要绝缘件19。
绝缘件19也可以是压电致动器的形式。因此，一方面有可能给予静电压以及静态调节以实现小程度的间隙补偿。另一方面，可以施加产生金属丝5位置的动态调节的交流电压。动态调节优选地在不低于50Hz的频率下发生。1kHz或更高的调节频率尤其有利。所述频率在任何情况下都大大高于装置1围绕固定的金属丝5旋转以生成孔内的涂层时的转动速度。根据将要涂覆的孔径，装置1的转动速度通常在100-700rpm范围之内，也就是说大约在1-12Hz的频率。因此调节频率相当高，并且装置1围绕其旋转的固定金属丝5随着必要的调节行程被等离子气体喷射流从四面撞击。
动态调节也可以与静态调节结合。此外，在方法的启动过程期间的动态和/或静态调节可能不同于涂覆过程期间的动态和/或静态调节。因此，能够补偿在涂覆开始和/或涂覆期间的多重公差。
附图标记
1    装置
2    喷嘴本体
3    喷嘴开口
4    金属丝供应单元
5    金属丝
6    等离子气体供应
7    第二电极
8    金属丝端部
9    二次气体喷嘴
10   喷嘴纵轴
11   导向件
11a  孔
12   导管
12a  孔
13   紧固件
13a  孔
14   导向面
15   支承面
16   O型环
17   平头螺丝
18   外壳
19   绝缘件
20   绝缘块
F    调节方向
S    调节行程
V    金属丝进给

Claims (15)

1.一种用于表面热涂覆的装置，其特征在于，具有：
用于提供金属丝(5)的金属丝供应单元(4)，其中金属丝(5)作为第一电极，
用于生成等离子气体流的等离子气体源，
具有喷嘴开口(3)的喷嘴本体(2)，将等离子气体流通过该喷嘴开口(3)引导为到一金属丝端部(8)的等离子气体喷射流，以及
第二电极(7)，其安置在进入喷嘴开口(3)之前的等离子气体流中，
其中
金属丝供应单元(4)是可调的，从而位于喷嘴开口(3)前面的金属丝端部(8)可以按一定的调节行程移动。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，调节行程的调节方向(F)至少部分垂直于金属丝纵轴和/或至少部分垂直于等离子气体喷射流。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，金属丝供应单元(4)可以通过静态调节装置尤其通过调节螺丝(7)进行调节。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，金属丝供应单元可以通过动态调节装置尤其通过如压电致动器这样的致动器进行调节。
5.根据权利要求3或4所述的装置，其特征在于，金属丝供应单元(4)具有可调导向件(11)，调节装置作用于该可调导向件。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，金属丝供应单元(4)具有可调导管(12)和固定的紧固件(13)，其中导管(12)连接紧固件(13)和导向件(11)。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，紧固件和导管形成为一体，并且导管在调节期间弹性变形。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，紧固件(13)和导管(12)形成为两个部件，并且弹性元件(16)，尤其是O型环，被布置在紧固件(13)和导管(12)之间。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的装置，其特征在于，导向件(11)具有用于在装置(1)中相对于调节方向(F)横向导向的横向导向面(14)。
10.一种通过前述权利要求中任一项所述的装置(1)进行表面热涂覆的方法。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，金属丝供应单元(4)的调节行程(S)不大于0.2毫米，尤其不大于0.08毫米。
12.根据权利要求10或者11所述的方法，其特征在于，用不低于50Hz的频率，尤其不低于1kHz的频率，来执行动态调节。
13.根据权利要求10至12中其中一项所述的方法，其特征在于，方法的启动过程期间的动态和/或静态调节不同于涂覆过程期间的动态和/或静态调节。
14.一种通过权利要求10至13中其中一项所述的方法产生的涂层。
15.根据权利要求14所述的涂层，其特征在于，涂层是内燃机的汽缸筒涂层。
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