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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Versprühen von
Metall auf eine Auftragfläche durch
ein Abschmelzen eines Metalldrahtes in einem elektrischen Lichtbogen,
der aus einer mit dem Metalldraht elektrisch verbundenen Stromquelle
versorgt und in einem mit einem Schutzgas erhaltenen Plasma durchgeführt wird,
in welchem Tropfen des von dem Drahtende abgeschmolzenen Metalls
gegen die Auftragfläche
versprüht
werden.
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Für ein Verfahren
der vorgenannten Art, bei welchem allgemein der Metalldraht die
Anode und die Auftragfläche
die Kathode zur Beibehaltung eines elektrischen Lichtbogens bildet,
kann generell vorausgesetzt werden, daß die Größe und die Geschwindigkeit
der unter dem elektrischen Lichtbogen erzeugten Metalltropfen direkt
proportional sind zu der benutzten Stromstärke, sodass bei hohen Stromstärken kleine
Tropfen mit einer relativ hohen Geschwindigkeit erhalten werden
und umgekehrt niedrige Stromstärken
größere Metalltropfen
an dem abschmelzenden Draht erzeugen, die dann mit einer relativ
niedrigen Geschwindigkeit auf die Auftragfläche auftreffen.
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Die
Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften einer Metallablagerung
auf einer Auftragfläche
sind nun häufig
durch die Größe, die
Geschwindigkeit und die Temperatur der Metalltropfen bestimmt, welche
die Metallablagerung ausbilden. Es ergeben sich daher zahlreiche
Anwendungsfälle,
für welche
es erwünscht
ist, eine metallische Ablagerung auf einer Auftragfläche mit
kleinen Tropfen bei entsprechend großen Geschwindigkeiten durchzuführen, wobei
hierzu anzugeben ist, daß bei
dem herkömmlichen
Verfahren immer nur mit einer konstanten Stromversorgung gearbeitet
wird, um mit einer vorbestimmten Einstellung einer vorbestimmten Stromstärke eine
vorbestimmte Größe der von
dem Metalldraht abschmelzenden Tropfen miteiner ebenfalls vorbestimmten
Tropfgeschwindigkeit zu erhalten. Kleine Tropfen mit einer relativ
hohen Fallgeschwindigkeit werden so z. B. für das Auffüllen eines engen tiefen Schlitzes
in einem Formkörper
benutzt, wobei die kleine Tropfengröße dabei gleichzeitig unter
dem Gesichtspunkt bevorzugt wird, daß beim Auffüllen des Schlitzes keine übermäßige Porosität des Formkörpers und
auch keine Brückenbildung
erhalten wird, wie es sonst der Fall wäre, wenn mit einem Sprühstrahl
mit Tropfen verhältnismäßig großer Größe und einer
niedrigen Fallgeschwindigkeit gearbeitet wird. In anderen Anwendungsfällen kann
es wieder erwünscht
sein, daß ebenfalls
mit kleinen Tropfen gearbeitet wird, die aber niedrige Fallgeschwindigkeiten
haben sollten, um z. B. anfänglich
eine gute Bindewirkung der Metalltropfen mit der Auftragfläche zu erhalten,
wenn die Auftragfläche
nicht ebenfalls aus einem Metall besteht, sondern z. B. aus einem
keramischen Material. Weiterhin sind auch Anwendungsfälle bekannt,
für welche
ein Versprühen
von großen, Tropfen
bei hohen Geschwindigkeiten erwünscht wird,
so z. B. für
ein Auffüllen
von breiten Bereichen eines Formkörpers oder von Bereichen, bei
welchen auf eine Auftragfläche
bereits mehrere Schichten einer metallischen Ablagerung aufgetragen
worden sind.
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Die
US 4 970 091 beschreibt
ein Plasma-Lichtbogen-Spritzverfahren
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die
CH 578 622 und die
JP 070 90532 A beschreiben
thermische Plasma-Spritzvorrichtungen
mit pulsierendem Gasfluss durch die Austrittsdüse bzw. pulsierender Stromversorgung.
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Für eine Ergänzung der
vorstehenden Hinweise kann auch noch die Zweckvorstellung angegeben
werden, daß es
häufig
auch erwünscht
ist, relativ enge und gleichzeitig steuerbare Sprühstrahlen
mit einem Durchmesser von etwa 6 bis 9 mm zu erzeugen, um Ablagerungen
zu erhalten, die ein netzförmiges
oder nahezu netzförmiges
Aussehen haben. Ein Vorteil von solchen relativ engen Sprühstrahlen
kann darin erkannt werden, daß mit
solchen netzförmigen Metallablagerungen
das eingesetzte Metall wirtschaftlicher genutzt wird und mit einem
engen Sprühstrahl
auch weniger Metall zur Ablagerung außerhalb des Formkörpers respektive
eines engeren Bereichs einer Auftragfläche gelangt, welcher den Zielort
für die
versprühten
Metalltropfen bildet.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
genannten Art bereit zu stellen, mit dem es möglich ist, die Größe der von dem
Metalldraht abschmelzenden Tropfen unabhängig von der Fallgeschwindigkeit
der Tropfen zu steuern und zwar insbesondere für die Verhältnisse eines relativ engen
Sprühstrahls
der von dem Metalldraht abschmelzenden Tropfen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem
Verfahren der eingangs genannten Art, bei welchem in Übereinstimmung
mit einem Hauptmerkmal der Erfindung der elektrische Lichtbogen
zwischen dem Drahtende und einem aus einem hitzebeständigen,
elektrisch leitfähigen
Material bestehenden Substrat aufrechterhalten wird, welches als
Gegenelektrode zu dem Metalldraht mit der Stromquelle elektrisch
verbunden ist und ein mit dem Drahtende fluchtendes Fenster aufweist,
durch welches hindurch die von dem Drahtende abschmelzenden Metalltropfen
gegen die unterhalb des Substrats angeordnete Auftragfläche versprüht werden,
und bei welchem die Stromversorgung des Lichtbogens periodisch gepulst
wird zwischen einer ersten Stromstärke und einer zweiten Stromstärke.
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In
den einzelnen Patentansprüchen
sind vorteilhafte und zweckmäßige Ausbildungen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
angegeben.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert, die
eine schematische Darstellung der Vorrichtung zeigt.
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Die
in der Zeichnung schematisch dargestellte Vorrichtung zum Versprühen von
Metall auf eine Auftragfläche
durch ein Abschmelzen eines Metalldrahtes in einem elektrischen
Lichtbogen, deren Gesamtheit 10 nachfolgend als „Schweißvorrichtung" bezeichnet wird,
besteht aus einem im wesentlichen zylindrischen Gehäuse 12,
welches mit einer axial verlaufenden Innenfläche einen Gehäusedurchgang 16 bildet.
Die Innenfläche 14 des
Gehäuses 12 ist vorzugsweise
mit einer nicht leitfähigen
Auskleidung versehen, um die während
des Schweißens
erzeugte Hitze zu absorbieren.
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Der
Gehäusedurchgang 16 verläuft axial
und nimmt ein Rollenpaar 20 auf, welches einen Abbrand-Metalldraht 22 zu
einem Gehäuseauslaß 24 hin
führt.
Das Rollen paar 20 kann auch außerhalb des Gehäuses 12 angeordnet
sein, um diese Aufgabe einer kontinuierlichen Förderung des Metalldrahtes 22 durch
einen Abzug von einer Vorratsrolle zu erfüllen.
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Der
Metalldraht 22 hat vorzugsweise einen Durchmesser von etwa
0.6 mm bis etwa 2.55 mm. Es ist jedoch zu verstehen, daß auch ein
Durchmesser des Metalldrahtes außerhalb dieser Grenzwerte in Frage
kommen kann. Bei dieser Anordnung sollte die Fördergeschwindigkeit des Metalldrahtes 22 in
der Richtung A etwa 2.5 bis 225 m/min, vorzugsweise etwa 5.0 bis
12.25 m/min, betragen, wobei der Metalldraht entweder aus Aluminium
oder einer Aluminiumlegierung besteht, jedoch ebenso aus einem Kohlenstoffstahl
mit einem Kohlenstoffanteil von 0.01 bis 0.9 Gew.-% bestehen kann.
Anstelle eines Metalldrahtes 22 kann die Schweißvorrichtung 10 auch
mit einem eher als ein Stangenmaterial anzugebenden Material betrieben
werden, wobei dann die verschiedenen Betriebsparameter anzupassen
sind.
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An
dem Gehäuse 12 ist
mit einer koaxialen Anordnung zu dem Gehäusedurchgang 16 und
der axialen Laufrichtung des Metalldrahtes 22 eine Kontaktspitze 30 befestigt,
die bevorzugt aus Kupfer besteht. Die Kontaktspitze 30 endet
in einem Auslaß 32 und
ist von einer Austrittsdüse 34 umgeben,
die an dem Gehäuseende
befestigt und an einem sich konisch verjüngenden Ende mit einem Düsenauslaß 36 versehen
ist, über
welchen der Metalldraht 22 mit einem vorstehenden Ende 35 austritt.
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Unterhalb
des Gehäuses 12 der
Schweißvorrichtung 10 ist
eine Werkstück-Aufnahme angeordnet,
die mit einer Grundplatte 31 ausgebildet ist. Auf der Grundplatte 31 kann
ein zur Anordnung eines Werkstückes
vorgesehener Schlitten 37 verfahren werden, um eine obere
Auftragfläche 38 des
Werkstückes
relativ zu der Austrittsdüse 34 für den Metalldraht 22 respektive
relativ zu dem Drahtende 35 bewegen zu können und
damit auch relativ zu einem mit dem Drahtende 35 fluchtenden
Durchtrittsfenster 48, welches in einem durch Säulen 50 gehaltenen
Substrat 44 ausgebildet ist. Für das auf dem Schlitten 37 angeordnete
Werkstück
soll hier noch angemerkt sein, daß es sich dabei bevorzugt um
einen Keramikkörper
handeln soll, dessen Auftragfläche 38 mit
einer relativ engen und tiefen Aushöhlung 40 mit einer Breite
von etwa 5 bis 10 mm und einer Tiefe von etwa 30 bis 50 mm versehen
ist. Ein solcher Keramikkörper
kann z. B. als eine Gießform
zur Herstellung eines Prototyps einer Werkzeugbestückung vorgesehen
sein.
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Das
mit dem Durchtrittsfenster 48 versehene Substrat 44 der
Schweißvorrichtung 10 ist
bevorzugt in einem Abstand von etwa 1.5 cm unterhalb des Düsenaustritts 36 angeordnet
und weiterhin in einem Abstand von etwa 10 bis 20 cm von der Auftragfläche 38 des
auf dem Schlitten 37 angeordneten Werkstückes. Der
Zwischenraum zwischen dem Drahtende 35 und dem Substrat 44 wird
zur Ausbildung eines elektrischen Lichtbogens 66 genutzt,
wozu eine Spaltgröße von etwa
5 bis 8 mm vorgegeben wird, die aber auch verändert werden kann. Das Substrat 44 besteht
zu diesem Zweck vorzugsweise aus Kupfer oder Molybdän und sollte
wassergekühlt
sein, und weiterhin sollte das Durchtrittsfenster 48 einen Durchmesser
von vorzugsweise etwa 8 bis 10 mm aufweisen. Eine Veränderung
der Spaltgröße in Bezug
auf das Drahtende 35 sollte bevorzugt über eine Verstellung des Substrats 44 längs der
Säulen 50 vorgenommen
werden, wobei als eine Alternative für diese Verstellung auch an
eine Anordnung des Substrats 44 an dem Gehäuse 12 der
Schweißvorrichtung 10 gedacht
werden kann, sollte eher eine Feineinstellung in Bezug auf die Austrittsdüse 34 als
eine solche in Bezug auf das Durchtrittsfenster 48 bevorzugt
werden.
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Die
Schweißvorrichtung 10 wird
mit einer Stromquelle 60 vervollständigt, die mit einer ersten Elektrode 62 über die
Kontaktspitze 30 mit dem Drahtende 35 elektrisch
verbunden ist und an einer zweiten Elektrode 64 eine elektrische
Verbindung mit dem Substrat 44 aufweist. Durch die Stromquelle 60 wird daher
mit diesem Anschluß über die
beiden Elektroden 62 und 64 ein elektrischer Lichtbogen 66 zwischen
dem Drahtende 35 des kontinuierlich zugeführten Metalldrahtes 22 und
dem Substrat 44 erhalten. Der Lichtbogen 66 wird
in einem mit einem Schutzgas erhaltenen Plasma 72 durchgeführt, wobei
das Schutzgas in Richtung des Pfeiles B durch das Gehäuse 12 der
Schweißvorrichtung
hindurchgeleitet wird. Das Schutz gas ist bevorzugt ein Inertgas,
wie z. B. Argon oder Helium, und es kann auch eine kleine Menge
Sauerstoff (etwa 2 %) oder Kohlendioxyd enthalten, um ein Plasma
mit einer hohen Leitfähigkeit
zur Verfügung
zu stellen.
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Durch
den elektrischen Lichtbogen 66, der durch die elektrisch
und thermisch erregten Atome des Schutzgases und daneben durch ionisierte
Metalldämpfe
des unter dem elektrischen Lichtbogen abschmelzenden Metalldrahtes 22 aufrechterhalten wird,
wird ein Sprühstrahl
von abgeschmolzenen Metalltropfen 70 erzeugt, der an dem
Durchtrittsfenster 48 des Substrats 44 auf einen
Durchmesser von bevorzugt etwa 6 bis 8 mm eingestellt ist. Das Schutzgas
und die Metalltropfen 70, die gemeinsam das Plasma 72 ausbilden,
werden durch das Durchtrittsfenster 48 des Substrats 44 hindurch
zu der Auftragfläche 38 geleitet.
Das Durchtrittsfenster 48 ist daher gegenüber diesem
Durchmesser des Sprühstrahls etwas
größer auszubilden,
es ist jedoch vorzugsweise in der gleichen Größenordnung von etwa 6 bis 8 mm
zu bemessen.
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Die
Stromquelle 60 ist nun weiter mit einem Pulsiergerät 78 ausgestattet,
um damit eine pulsierte Stromabgabe zu ermöglichen, die periodisch zwischen
einer ersten Stromstärke
und einer zweiten Stromstärke
verändert
wird. Als Stromquelle wird eine für Schweißvorrichtungen bevorzugte Miller Maxtron 450 Stromversorgung
verwendet, die bevorzugt mit einem Pulsiergerät der AMET INC. ausgerüstet wird.
Mit diesem Pulsiergerät
wird eine Stromversorgung für
den elektrischen Lichtbogen eingerichtet, die zwischen einer ersten
Stromstärke
von etwa 250 bis 1.000 A, vorzugsweise von etwa 250 bis 400 A, und
einer zweiten Stromstärke
von bevorzugt etwa 50 bis 200 A wechselt. Diese niedrigere zweite Stromstärke muss
natürlich
auf einen Minimalwert bemessen sein, bei welchem der elektrische
Lichtbogen noch mit genügender
Sicherheit aufrechterhalten wird. Das Pulsiergerät 78 sollte weiterhin
die mit diesen beiden Stromstärken
gepulste Stromversorgung des Lichtbogens mit einer Pulsfrequenz
von etwa 50 bis 1.000 Hz, insbesondere von etwa 200 bis 600 Hz sowie
bevorzugt von etwa 225 bis 400 Hz, durchführen. Für diese Pulsfrequenz kann daneben
noch als Arbeitszyklus angegeben werden, dass die Zeitdauer der
ersten Stromstärke
mit etwa 10 bis 70 %, insbesondere mit etwa 10 bis 40 %, der Zeitdauer
der zweiten Stromstärke
bemessen werden sollte.
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Wenn
die vorstehenden Betriebsparameter für die Schweißvorrichtung 10 eingehalten
werden, dann werden beim Abschmelzen des Metalldrahtes 22 Tropfen
einer durchschnittlichen Größe von etwa 0.25
bis 8 mm im Durchmesser erhalten, wobei gleichzeitig ein Durchmesser
von bevorzugt etwa 0.25 bis 5 mm vorgegeben werden sollte. Diese
Vorgabe der Tropfengröße und daneben
auch der Fallgeschwindigkeit wird mit der Pulsfrequenz des Stromes
und den dafür
eingehaltenen unterschiedlich großen Stromstärken gesteuert, wobei noch
ein wesentliches Merkmal des Verfahrens darin besteht, daß die Verteilung
der Tropfengröße sehr
eng sein sollte und vorzugsweise in der Größenordnung von etwa ± 10 %,
insbesondere von etwa ± 2
%, liegt. Mit der Schweißvorrichtung 10 können daher
Metalltropfen zum Auftreffen auf die Auftragfläche 38 gebracht werden,
die generell eine Teilchengröße von etwa 0.25
bis 5 mm und eine Fallgeschwindigkeit von etwa 40 bis 600 cm/s haben,
womit ausgesagt ist, daß bei diesen
Grenzwerten Metalltropfen mit einer Teilchengröße von 0.25 mm und einer Fallgeschwindigkeit von
40 cm/s ebenso erhalten werden können
wie Metalltropfen mit einer Teilchengröße von 5 mm und einer Fallgeschwindigkeit
von 600 cm/s.
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Für eine praktische
Anwendung der Schweißvorrichtung 10 wurde
ein aus einer Aluminiumlegierung (4047 Legierung von Alcotec in
Michigan) bestehender Metalldraht mit einem Durchmesser von 1.2
mm in einem elektrischen Lichtbogen abgeschmolzen, der mit einer
Schweißpistole ähnlich der
vorbeschriebenen Schweißvorrichtung
und hergestellt von Tweco of Wichita, Kansas aufrechterhalten wurde.
Der Draht wurde der Schweißpistole
mit einer Geschwindigkeit von 10.56 m/min zugeleitet. Gearbeitet
wurde mit einer ersten Stromstärke
von 400 A, einer zweiten Stromstärke
von 150 A, einer Pulsfrequenz von 400 Hz und einem Arbeitszyklus von
40 %. Es wurde damit eine Tropfengröße von 1 mm bei einer Tropfenbeschleunigung
von 770 m/s2 und einer Fallgeschwindigkeit
der Tropfen von 520 cm/s erhalten. Bei einem Wechsel der Parameter
auf eine Zuführgeschwindigkeit
von 4.8 m/min des Metalldrahtes, eine erste Stromstärke von
400 A, eine zweite Stromstärke
von 100 A, eine Pulsfrequenz von 400 Hz und einen Arbeitszyklus
von 10 % wurde eine Tropfengröße von 1.1
mm bei einer Tropfenbeschleunigung von 120 m/s2 und
einer Fallgeschwindigkeit der Tropfen von 100 m/s erhalten. Bei
einem nochmaligen Wechsel der Parameter auf eine Fallgeschwindigkeit
von 7.7 m/min des Metalldrahtes, eine erste Stromstärke von
300 A, eine zweite Stromstärke
von 150 A, einer Pulsfrequenz von 225 Hz und einen Arbeitszyklus
von 25 % wurde schließlich
eine Tropfengröße von 1.2
mm bei einer Tropfenbeschleunigung von 385 m/s2 und
einer Fallgeschwindigkeit der Tropfen von 225 cm/s erhalten.
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Die
Tropfengröße, die
Tropfenbeschleunigung und die Fallgeschwindigkeit der Tropfen wurden
für die
Gewinnung der vorstehenden Daten mit einem Redlake HYCAM 400 ft
Modell, – Zeitdehner – Filmkamera
erhalten, welche 2000 Einzelbilder in der Sekunde aufnimmt. Während des
Sprühverfahrens wurde
der Verfahrensablauf mit der Filmkamera aufgenommen. Um die Tropfengröße zu messen,
wurde der Film digitalisiert, und zwar für jedes Einzelbild, und es
wurde für
die Messung eine Software (Sigmaplot) verwendet, wobei der Durchmesser
des zugeführten
Metalldrahtes als ein Referenzpunkt berücksichtigt wurde, um die Tropfengröße festzustellen.
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Die
Fallgeschwindigkeit der Tropfen und die Tropfenbeschleunigung wurden
andererseits festgestellt mit einem Rücklauf der Einzelbilder und
einer Messung der Entfernung, über
welche ein bestimmter Tropfen relativ zu einem Fixpunkt bewegt wird.
Es wurde dann ein Kurve der Entfernung über der Zeit aufgestellt und
eine quadratische Gleichung an die Versuchsdaten angepaßt, dabei
wieder unter Verwendung einer darstellenden Software ähnlich Sigmaplot.
Es wurde so eine Beziehung zwischen der Entfernung und der Zeit
hergestellt, wodurch es möglich
war, durch eine doppelte Differenzierung der Gleichung für die Entfernung
in Bezug auf die Zeit die Tropfenbeschleunigung zu erhalten. Die
Geschwindigkeit ändert
sich fortlaufend und wird zu einem bestimmten Zeitpunkt gemessen
durch eine Teilung der Entfernung durch die Zeit bei aufeinanderfolgenden Einzelbildern.
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Für einen
Vergleich wurde dann noch derselbe Metalldraht mit derselben Schweißpistole
und einer Fördergeschwindigkeit
von 5.97 m/min unter einem elektrischen Lichtbogen abgeschmolzen,
der mit einem Konstantstrom von etwa 160 A aufrechterhalten wurde.
Bei dieser Stromstärke
hatten die Tropfen eine Größe von etwa
1.1 mm im Durchmesser, eine Fallgeschwindigkeit von etwa 230 cm/s
und eine Tropfenbeschleunigung von etwa 130 m/s2.