DE10111565C5

DE10111565C5 - Innenbrenner

Info

Publication number: DE10111565C5
Application number: DE10111565A
Authority: DE
Inventors: Tilman Dr.Rer.Nat. Haug; Patrick Dr.-Ing. Izquierdo; Detlef Dipl.-Ing. Nowotni (Fh); Christian Dipl.-Ing. Wanke
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2001-03-10
Filing date: 2001-03-10
Publication date: 2005-07-21
Anticipated expiration: 2021-03-11
Also published as: US6667460B2; JP2002322552A; EP1238711A3; DE10111565A1; DE10111565C2; JP3496012B2; US20020130109A1; EP1238711B1; EP1238711A2; DE50212998D1

Abstract

Innenbrenner zum Lichtbogendrahtspritzen von Hohlräumen, insbesondere von Zylinderlaufflächen, mit mindestens zwei Brennerrohren zur Zuführung von Elektroden, welche Elektroden zur Aufschmelzung vorgesehen und als in einem Lichtbogen abbrennbare Drähte ausgebildet sind,
ferner mit einer Gaszuführung für ein Prozessgas, welches zum Transport und Zerstäuben des aufgeschmolzenen Drahtmaterials in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche des Hohlraumes vorgesehen ist,
wobei die Drähte durch die Brennerrohre austrittsseitig und im Bereich des Lichtbogens aufeinander zu geführt sind,
wobei der im Berührungsbereich der Drähte angeordnete Lichtbogen der Elektroden-Drähte im Bereich des Gasstromes des ausgetretenen Prozessgases angeordnet ist, und
wobei der Gasstrom des ausgetretenen Prozessgases, im folgenden vereinfachend Hauptgasrichtung genannt, quer zur Haupttransportrichtung der Drähte angeordnet ist,
wobei die Drähte außer aufeinander zu zusätzlich noch quer dazu gebogen sind,
wobei die Drähte lichtbogennah mit der Hauptgasrichtung einen spitzen Winkel einschließen,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Innenbrenner ein geschlossener Brenner ist,...

Description

Die Erfindung betrifft einen Innenbrenner zum Lichtbogendrahtspritzen von Hohlräumen insbesondere von Zylinderlaufflächen, wie er bspw. als Winkeldüsenverlängerung für die Lichtbogen-Metallspritzanlage G20 der Firma OSU Maschinenbau GmbH, Weseler Straße in 47169 Duisburg gehandelt und aus dem Firmenprospekt „Lichtbogen-Metallspritzanlage G20, Zubehör" als bekannt hervorgeht.
Aus dem gattungsbildend zugrundegelegten Firmenprospekt „Lichtbogen-Metallspritzanlage G20, Zubehör" der Firma OSU Maschinenbau GmbH, Weseler Straße in 47169 Duisburg ist eine Winkeldüsenverlängerung bekannt, die als Innenbrenner zum Lichtbogendrahtspritzen von Hohlräumen, insbesondere von Zylinderlaufflächen, verwendet werden kann. Die Winkeldüsenverlängerung wesit zwei Brennerrohren zur Zuführung von Elektroden auf, welche Elektroden zur Aufschmelzung vorgesehen und als in einem Lichtbogen abbrennbare Drähte ausgebildet sind. Parallel zu den Brennerrohren, die die Haupttransportrichtung für die Drähte vorgeben ist ein Rohr als Gaszuführung für ein Prozessgas angeordnet. Das Prozessgas wird quer zur Haupttransportrichtung der Drähte aus einer Düse ausgeströmt und dient zum Transport und Zerstäuben des aufgeschmolzenen Drahtmaterials in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche des Hohlraumes. Die Drähte werden durch die Brennerrohre austrittsseitig und im Bereich des Lichtbogens aufeinander zu geführt. Ferner werden die Drähte vor dem Lichtbogen (Brennpunkt) außer aufeinander zu, noch zusätzlich quer dazu gebogen. Der im Berührungsbereich der Drähte angeordnete Lichtbogen der Elektroden-Drähte ist im Bereich des Gasstromes des ausgetretenen Prozessgases angeordnet, wobei sich die Düse gasaustrittsseitig vor dem Brennpunkt angeordnet ist. Da der Gasstrom des ausgetretenen Prozessgases, im folgenden vereinfachend Hauptgasrichtung genannt, quer zur Haupttransportrichtung der Drähte angeordnet ist, schließen die Drähte lichtbogennah mit der Hauptgasrichtung einen spitzen Winkel ein.
Aus der DE 198 41 617 A1 ist ein Innenbrenner zum Lichtbogendrahtspritzen von Hohlräumen insbesondere von Zylinderlaufflächen, bekannt. Der Innenbrenner weist zwei Brennerrohre auf, die zur Zuführung von Elektroden aus Draht vorgesehen sind. Die Elektroden werden in einem Lichtbogen aufgeschmolzen. Ferner weist der Innenbrenner eine Gaszuführung für ein Prozeßgas auf, welches zum Transport und Zerstäuben des aufgeschmolzenen Drahtmaterials in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche des Hohlraumes vorgesehen ist. Die (Elektroden-) Drähte sind durch die Brennerrohre austrittsseitig und im Bereich des Lichtbogens aufeinander zu geführt, wobei der im Berührungsbereich der Drähte angeordnete Lichtbogen der Elektroden-Drähte im Bereich des Gasstromes des ausgetretenen Prozessgases angeordnet ist. Der Gasstrom des ausgetretenen Prozeßgases, im folgenden vereinfachen Hauptgasstromrichtung genannt, ist quer zur Haupttransportrichtung der Drähte, die durch die Brennerrohre festgelegt ist, angeordnet. Schichten, die mit einem derartigen Innenbrenner auf ein insbesondere metallisches Substrat, vorzugsweise eine Zylinderlauffläche, aufgespritzt sind, weisen i.a. eine hohe Porosität und/oder Poren mit einem nicht akzeptablen großen mittleren Porendurchmesser auf.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Innenbrenner dahingehend zu entwickeln, mit dem gespritzte Schichten möglich sind, die eine geringere Porosität und/oder Poren mit einem kleineren mittleren Porendurchmesser aufweisen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Innenbrenner mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch die erfindungsgemäße wenigstens zweifache Biegung des Drahtes, die Unterbringung des Brennpunktes innerhalb eines geschlossenen Raumes, dem spitzen Winkel zwischen Hauptgasrichtung und lichtbogennaher Transportrichtung der Drähte innerhalb des beanspruchten Intervalls sowie den Austritt des Gas/Metalltröpfchen-Gemisches aus einer gemeinsamen Düse weisen mit dem erfindungsgemäßen Innenbrenner gespritzten Schichten eine vernachlässigbare Porosität auf. Insbesondere scheint die starke zweite Krümmung von mindestens 70° zur Hauptransportrichtung dazu zu führen, dass der Berührungspunkt der beiden Drähte und damit der Lichtbogen selbst bei Strom- und/oder Spannungsschwankungen eine hohe Ortstabilität aufweist.
Sinnvolle Ausgestaltungen der Erfindung sind den weiteren Ansprüchen entnehmbar. Im übrigen wird die Erfindung anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt
1: eine perspektivische Aufsicht auf eine Innenbrenner mit entfernter Düse und
2: den Brenner nach 1 mit geschlossener Düse.
In 1 ist der vordere Bereich eines Innenbrenners dargestellt, wie er insbesondere zum Lichtbogendrahtspritzen von Hohlräumen, wie vorzugsweise Zylinderlaufflächen von gegossenen Motorblöcken von Brennkraftmaschinen, eingesetzt wird. Der Innenbrenner weist zwei Brennerrohre 3 zur Zuführung von Elektroden auf. Die Brennerrohre 3 sind innerhalb von Versorgungsrohren 1 angeordnet, durch welche die Haupttransportrichtung der drahtartigen Elektroden festgelegt ist.
Bei den Elektroden handelt es sich um Drähte, die zur Aufschmelzung in einem Lichtbogen vorgesehen sind. Die sich aus den geschmolzenen Drähten bildenden Tröpfchen werden von einem Prozessgas, dessen Gaszuführung insbesondere auch in den Ver sorgungsrohren 1 angeordnet ist, in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche des Hohlraumes transportiert und vorzugsweise auch zerstäubt.
Der Gasstrom des aus dem Düsenkopf 2 austretenden und die Tröpfchen transportierenden Prozessgases, im folgenden vereinfachen Hauptgasrichtung genannt, ist quer zur Haupttransportrichtung der Drähte angeordnet.
Damit sich der Lichtbogen zwischen den Enden der Drähte bildet, sind die beiden Drähte nach den Brennerrohren 3 austrittsseitig aufeinander zu geführt. Die Zuführung erfolgt durch eine Biegung der Drähte um eine erste, quer zur Haupttransportrichtung der Drähte stehende Achse.
Des weiteren berühren sich die Drähte im Bereich des Gasstromes des aus dem Düsenkopf 2 austretenden Prozeßgases, wodurch sich auch der Lichtbogen der Elektroden-Drähte in diesem Bereich befindet.
Die Drähte sind im Bereich der Düsenkopfes 2 außer aufeinander zu noch zusätzlich um eine zweite Achse gebogen, die sowohl zu der ersten Achse als auch zu der Haupttransportrichtung der Drähte quer angeordnet ist. Durch diese Maßnahme ist der Lichtbogen weitgehend ortsstabil zum Innenbrenner, weshalb vermutlich die Qualität der auf dem Substrat abgeschiedenen Schicht sehr gut ist.
Insgesamt sind die Drähte also außer aufeinander zu noch zusätzlich in Richtung der Hauptgasrichtung gebogen. Der spitze Winkel zwischen der Hauptgasrichtung und der brennpunktnahen Drahttransportrichtung beträgt lichtbogennah sinnvollerweise zwischen 0° bis 30°, vorzugsweise zwischen 20° und 1° und besonders bevorzugt zwischen 10° und 1 °.
Damit der im Einsatz notwendige ständige Transport der Drähte mit möglichst geringer Kraft vorgenommen werden kann, erfolgt zumindest die zusätzliche Biegung der Drähte mit einer weichen Krümmung in Richtung der Hauptgasrichtung des ausgetretenen Prozeßgases.
Der Innenbrenner ist als geschlossener Brenner ausgebildet und weist eine Düse 4 auf. Der Lichtbogen (Brennpunkt) ist im Bereich der Öffnung der Düse, vorzugsweise strömungsseitig vor dem Austritt des Gasstroms aus der Düse 4, angeordnet.
In günstiger Weise wird der Tröpfchenstrom durch die Düse 4 in der Weise geformt, daß der durch die Öffnung aus der Düse 4 austretende Gas-/Materialstrom einen Aufweitwinkel zwischen 10° und 45°, vorzugsweise zwischen 15° und 30° aufweist.
Zur Formung des Gas-/Materialstromes sind in der Düse 4 neben der Hauptöffnung noch mehrere Nebenöffnungen angeordnet, die insbesondere in Form von vorzugsweise konischen Bohrungen und/oder als Ringspalte ausgebildet sind.. Die Nebenöffnungen sind insbesondere konzentrisch um die Hauptöffnung angeordnet, wobei und daß die lichte Weite der Nebenöffnungen geringer als die der Hauptöffnung ist.
Die (Form-) Gasversorgung der Nebenöffnungen kann dadurch erfolgen, daß aus dem Gasstrom der Hauptöffnung ein Teilgasstrom abgezweigt wird. Ein größere Variabilität kann dadurch erreicht werden, daß die Nebenöffnungen mit einem anderen Druck Gas als die Hauptöffnung versorgt werden.
Dies kann außer einer Drucksteuerung des abgezweigten Teilgasstromes noch dadurch erreicht werden, daß die Gasversorgung der Nebenöffnungen getrennt von der Gasversorgung der Hauptöffnung vorgenommen wird.
Zu den oben genannten Maßnahmen kann es ferner von Vorteil sein, wenn noch ein Brenn- und/oder Inertgas in Richtung des Brennpunktes eingeblasen wird, womit bspw. eine Erhöhung der Temperatur des Plasmas und/oder eine Abschirmung der aufge schmolzenen Materialien verbunden wäre. Sinnvollerweise werden diese Gase strömungsähnlich oder strömungsgleich zur Hauptstromrichtung eingeblasen.
Des weiteren können auch noch weitere Materialien wie Trockenschmiermittel, Hartstoffe usw., vorzugsweise in Pulverform, in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche eingebracht werden. Hierbei ist es zumeist sinnvoll, diese Materialien ebenfalls durch den Brennpunkt zu leiten.. Die Zuführung erfolgt in diesem Fall vorteilhafter Weise durch einen Transportkanal, dessen Öffnung brennpunktnah im Bereich der Hauptdüsenöffnung angeordnet ist.

Claims

Innenbrenner zum Lichtbogendrahtspritzen von Hohlräumen, insbesondere von Zylinderlaufflächen, mit mindestens zwei Brennerrohren zur Zuführung von Elektroden, welche Elektroden zur Aufschmelzung vorgesehen und als in einem Lichtbogen abbrennbare Drähte ausgebildet sind, ferner mit einer Gaszuführung für ein Prozessgas, welches zum Transport und Zerstäuben des aufgeschmolzenen Drahtmaterials in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche des Hohlraumes vorgesehen ist, wobei die Drähte durch die Brennerrohre austrittsseitig und im Bereich des Lichtbogens aufeinander zu geführt sind, wobei der im Berührungsbereich der Drähte angeordnete Lichtbogen der Elektroden-Drähte im Bereich des Gasstromes des ausgetretenen Prozessgases angeordnet ist, und wobei der Gasstrom des ausgetretenen Prozessgases, im folgenden vereinfachend Hauptgasrichtung genannt, quer zur Haupttransportrichtung der Drähte angeordnet ist, wobei die Drähte außer aufeinander zu zusätzlich noch quer dazu gebogen sind, wobei die Drähte lichtbogennah mit der Hauptgasrichtung einen spitzen Winkel einschließen, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenbrenner ein geschlossener Brenner ist, daß der Innenbrenner eine Düse (4) für den austretenden Gas/Materialstrom aufweist, daß der Lichtbogen (Brennpunkt) im Bereich der Öffnung der Düse (4), vorzugsweise strömungsseitig vor dem Austritt des Gasstroms aus der Düse (4), angeordnet ist, daß die Hauptgasrichtung etwa senkrecht zur Haupttransportrichtung der Drähte ausgerichtet ist und daß der spitze Winkel zwischen der Hauptgasstromrichtung und brennpunktnaher Drahttransportrichtung zwischen 20° und 1° und bevorzugt zwischen 10° und 1° beträgt.
Innenbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Biegung eine weiche Krümmung in Richtung der Hauptgasrichtung des ausgetretenen Prozessgases aufweist.
Innenbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Öffnung aus der Düse (4) austretende Gas/Materialstrom einen Aufweitwinkel zwischen 10° und 45°, vorzugsweise zwischen 15° und 30° aufweist.
Innenbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (4) eine Hauptöffnung und mehrere, insbesondere konzentrisch um die Hauptöffnung angeordnete Nebenöffnungen aufweist und daß die lichte Weite der Nebenöffnungen geringer als die der Hauptöffnung ist.
Innenbrenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrom der Nebenöffnungen aus dem Gasstrom der Hauptöffnung abgezweigt ist.
Innenbrenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasversorgung der Nebenöffnungen getrennt von der Gasversorgung der Hauptöffnung ist.
Innenbrenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nebenöffnungen mit einem anderen Druck und/oder anderem Gas als die Hauptöffnung versorgt sind.