DE102008004607A1

DE102008004607A1 - Lichtbogendrahtbrenner

Info

Publication number: DE102008004607A1
Application number: DE102008004607A
Authority: DE
Inventors: Patrick Dr.-Ing. Izquierdo; Eyuep Akin Dipl.-Ing. Özdeniz
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-01-16
Filing date: 2008-01-16
Publication date: 2009-05-28

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Lichtbogendrahtbrenner (1), insbesomdere Innenbrenner, zum Lichtbogendrahtspritzen von Werkstücken, insbesondere bei Hohlkörpern, mit einer Gaszuführung (7) zum Zuführen wenigstens eines Gasstroms (6) in Richtung zu einem Lichtbogen (5). Um die Qualität der erzielbaren Beschichtung zu verbessern, weist die Gaszuführung (7) eine Düsenanordnung (8) und einen zur Düsenanordnung (8) führenden Gaskanal (9), die Düsenanordnung (8) eine einen sich in der Strömungsrichtung von einem Eintrittsquerschnitt (11) zu einem Austrittsquerschnitt (12) aufweitenden Querschnittsverlauf aufweisende Strahldüse (10) und die Düsenanordnung (8) eine stromauf der Strahldüse (10) angeordnete, koaxial dazu ausgerichtete Vordüse (13) auf.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Lichtbogendrahtbrenner, insbesondere Innenbrenner, zum Lichtbogendrahtspritzen von Werkstücken, insbesondere bei Hohlkörpern, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Beim Lichtbogendrahtspritzen werden üblicherweise zwei Drähte aus metallischem Beschichtungswerkstoff mittels geregelter Drahtvorschubgeschwindigkeit über geeignete Schleifkontakte, durch die eine Übertragung von Strom auf die Drähte erfolgt, in einem Brenner, der auch als Spritzpistole bezeichnet werden kann, bewegt. Nach dem Einschalten des Drahtvorschubs laufen die beiden Spritzdrähte durch die Drahtführung aufeinander zu, bis es aufgrund der anliegenden Spannung zur Ausbildung eines Lichtbogens kommt. Im Lichtbogen findet eine intensive Erhitzung statt, wodurch der Beschichtungswerkstoff aufschmilzt. Ein aus einer Düse austretender Gasstrom, in der Regel ein Inertgas, wie zum Beispiel Stickstoff, zerstäubt das entstandene Schmelzgut, beschleunigt die Partikel und schleudert diese auf die zu beschichtende Oberfläche.
Das Lichtbogendrahtspritzen wird beispielsweise zum Beschichten von Zylinderlaufbahnen in Kolbenmotoren verwendet. Hierdurch kann die Reibung zwischen Kolben und Zylinder reduziert werden.
Aus der DE 10 2005 012 360 A1 ist ein Lichtbogendrahtbrenner bekannt, der eine Drahtzuführung zum Zuführen von zwei, jeweils als aufschmelzende Elektrode dienenden Drähten in Richtung zu einem Lichtbogen aufweist. Der Lichtbogen wird dabei an einem Brennerkopf generiert, in den auch eine Gaszuführung zum Zuführen wenigstens eines Gasstroms in Richtung zum Lichtbogen integriert ist.
Weitere Lichtbogendrahtbrenner sind beispielsweise aus der EP 1 238 711 A2 , aus der WO 03/066233 A1 und aus der WO 04/028702 A1 bekannt.
Aus der DE 103 40 606 B4 und aus der DE 199 61 202 C1 sind Pulverspritzeinrichtungen bekannt, die eine als Lavaldüse ausgestaltete Spritzdüse aufweisen.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Lichtbogendrahtbrenner eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine erhöhte Qualität der damit erzeugbaren Beschichtung auszeichnet. Des Weiteren ist auch eine Reduzierung der zum Erzeugen des Gasstroms erforderlichen Betriebsgasmenge erwünscht.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Gaszuführung mit einer Düsenanordnung und einem zur Düsenanordnung führenden Gaskanal auszustatten, wobei die Düsenanordnung eine Strahldüse aufweist, die einen sich in der Strömungsrichtung von einem Eintrittsquerschnitt zu einem Austrittsquerschnitt aufweitenden Querschnittsverlauf aufweist. Erfindungsgemäß umfasst die Düsenanordnung außerdem eine stromauf der Strahldüse angeordnete, koaxial dazu ausgerichtete Vordüse. Mit Hilfe dieser Vordüse kann eine Ausrichtung des Gasstroms auf die Strahldüse erzielt werden, wodurch sich eine Bündelung oder Konzentration des Spritzstrahls und somit eine Erhöhung der Strahlgeschwindigkeit erzielen lässt. Es hat sich gezeigt, dass durch die erhöhte Strahlgeschwindigkeit die Qualität der erzielbaren Beschichtung deutlich erhöht werden kann. Beispielsweise sinkt die Porosität der lichtbogendrahtgespritzten Beschichtung mit zunehmender Strahlgeschwindigkeit. Mit Hilfe der Vordüse lassen sich insbesondere Turbulenzen am Eingang der Strahldüse reduzieren, was die Strömung stabilisiert und die erwünschte Strahlkonzentration und Strahlbeschleunigung unterstützt. Durch die Fokussierung des Spritzstrahls kann insbesondere eine zusätzliche Gasströmung zum Schutz der Strahldüse hinsichtlich ihrer Gasmenge reduziert werden, was die Menge an benötigtem Betriebsgas verringert und die Herstellkosten senkt.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei welcher die Vordüse einen Austrittsquerschnitt aufweist, der kleiner ist als der Eintrittsquerschnitt der Strahldüse. Hierdurch kann die Strahlkonzentration besonders effektiv ausgeführt werden.
Die Vordüse kann einen in der Strömungsrichtung konstanten Querschnitt aufweisen, was die Strahlkonzentration verbessert.
Alternativ kann die Vordüse einen sich in der Strömungsrichtung von einem Eintrittsquerschnitt zu einem Austrittsquerschnitt aufweitenden Querschnittsverlauf aufweisen. Bei einem derartigen Querschnittsverlauf kommt es bereits in der Vordüse zu einer Beschleunigung des Gasstrahls, was insgesamt die erzielbare Strahlgeschwindigkeit der Strahldüse erhöht.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei welcher die Vordüse als Lavaldüse ausgestaltet ist. Ebenso kann auch die Strahldüse als Lavaldüse ausgestaltet sein.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch
1 eine perspektivische Ansicht eines Lichtbogendrahtbrenners im Bereich eines Brennerkopfs,
2 einen Längsschnitt durch den Brennerkopf entsprechend Schnittlinien II in 1,
3 eine Ansicht wie in 2, jedoch bei einer anderen Ausführungsform.
Entsprechend 1 umfasst ein Lichtbogendrahtbrenner 1, bei dem es sich bevorzugt um einen Innenbrenner handelt, einen Brennerkopf 2. Ferner umfasst der Lichtbogendrahtbrenner 1 eine Drahtzuführung 3, mit deren Hilfe zumindest ein Draht 4 in Richtung zu einem Lichtbogen 5 zugeführt werden kann. Der Lichtbogen 5 ist hier durch ein Blitzsymbol symbolisiert. Im Beispiel dient die Drahtzuführung 3 zur Führung von zwei Drähten 4a und 4b. Die beiden Drähte 4a, 4b dienen als aufschmelzende Elektroden zur Ausbildung des Lichtbogens 5. Hierzu werden die Drähte 4a, 4b, die aus Metall bestehen, an einer geeigneten Stelle auf geeignete Weise elektrisch kontaktiert. An ihren freien Enden kann sich dann aufgrund der anliegenden Spannung der Lichtbogen 5 ausbilden. Durch die im Lichtbogen 5 freigesetzte Wärme schmelzen die Drähte 4a, 4b an ihren Enden auf. Die dabei entstehende Schmelze kann nun mit Hilfe eines Gasstroms zerstäubt und gegen die zu beschichtende Werkstückoberfläche geschleudert werden. Zur Erzeugung dieses in den 2 und 3 mit 6 bezeichneten Gasstroms umfasst der Lichtbogendrahtbrenner 1 eine Gaszuführung 7. Sowohl die Gaszuführung 7 als auch die Drahtzuführung 3 sind bevorzugt in den Brennerkopf 2 integriert.
Entsprechend den 2 und 3 umfasst die Gaszuführung 7 eine Düsenanordnung 8 sowie einen zur Düsenanordnung 8 führenden Gaskanal 9. Sowohl die Düsenanordnung 8 als auch der Gaskanal 9 sind hier in den Brennerkopf 2 integriert. Die Düsenanordnung 8 weist eine Strahldüse 10 auf. Diese besitzt einen Eintrittsquerschnitt 11 und einen Austrittsquerschnitt 12. Die Strahldüse 10 ist so ausgestaltet, dass sie einen in der Strömungsrichtung des Gasstroms 6 vom Eintrittsquerschnitt 11 zum Austrittsquerschnitt 12 zunehmenden Querschnitt besitzt. Die Strahldüse 10 weist somit einen sich vom Eintrittsquerschnitt 11 zum Austrittsquerschnitt 12 aufweitenden Querschnittsverlauf auf.
Die Düsenanordnung 8 umfasst außerdem eine Vordüse 13, die stromauf der Strahldüse 10 angeordnet ist und die zur Strahldüse 10 koaxial ausgerichtet ist. Die Vordüse 13 besitzt ebenfalls einen Eintrittsquerschnitt 14 und einen Austrittsquerschnitt 15. Bei den gezeigten Ausführungsformen ist der Austrittsquerschnitt 15 der Vordüse 13 kleiner als der Eintrittsquerschnitt 11 der Strahldüse 10. Hierdurch kann eine gewisse Strahlkonzentration bereits stromauf der Strahldüse 10 realisiert werden. Insbesondere ist dabei der Austrittsquerschnitt 15 der Vordüse 13 maximal halb so groß wie der Eintrittsquerschnitt 11 der Strahldüse 10.
Besagter Austrittsquerschnitt 15 der Vordüse 13 besitzt gegenüber dem Eintrittsquerschnitt 11 der Strahldüse 10 einen Abstand 16. Dieser Abstand 16 kann im Wesentlichen einem Durchmesser 17 des bevorzugt kreisförmigen Eintrittsquerschnitts 11 der Strahldüse 10 entsprechen. Insbesondere kann besagter Abstand 16 etwa 20 bis 25% vom genannten Durchmesser abweichen.
Bei den gezeigten Beispielen kann der Abstand 16 außerdem so gewählt sein, dass er etwa einer in der Strömungsrichtung des Gasstroms 6 gemessenen Länge 18 der Vordüse 13 entspricht. Der Abstand 16 kann dabei etwa 20 bis 25% von der Länge 18 der Vordüse 13 abweichen.
Bei den hier gezeigten Ausführungsformen ist die Strahldüse 10 als Lavaldüse ausgestaltet, wodurch sich eine gezielte Beschleunigung des Spritzstrahls erzielen lässt.
Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform weist die Vordüse 13 einen in der Strömungsrichtung der Gasströmung 6 konstanten Querschnitt auf. Hierdurch kann ein besonders konzentrierter Gasstrom bereits stromauf der Strahldüse 10 generiert werden.
Im Unterschied dazu zeigt 3 eine Ausführungsform, bei welcher die Vordüse 13 einen sich in der Strömungsrichtung vom Eintrittsquerschnitt 14 zum Austrittsquerschnitt 15 aufweitenden Querschnittsverlauf aufweist. Insbesondere kann die Vordüse 13 dabei als Lavaldüse ausgestaltet sein. Hierdurch kann bereits innerhalb der Vordüse 13 eine Beschleunigung der Gasströmung 6 realisiert werden.
Um die jeweilige Vordüse 13 stromauf der Strahldüse 10 realisieren zu können, kann in den Brennerkopf 2 beispielsweise wenigstens ein Einsatzkörper 19 eingesetzt werden. Der wenigstens eine Einsatzkörper 19 kann dabei aus einem Kunststoff bestehen, insbesondere aus einem Polyetheretherketon (PEEK).
Der Gaskanal 9 erstreckt sich hier quer zur Strömungsrichtung des Gasstroms 6. Insbesondere erstreckt sich der Gaskanal 9 parallel zu einer Rotationsachse des Brennerkopfs 2, sofern dieser als drehbarer Innenbrenner ausgestaltet ist. Um die Gasströmung vom Gaskanal 9 zur Vordüse 13 in die Strömungsrichtung der Gasströmung 6 umlenken zu können, endet der Gaskanal 9 an einer Umlenkkontur 20, die hier insbesondere kreisbogenförmig ausgestaltet ist. Diese Umlenkkontur 20 kann zweckmäßig in den jeweiligen Einsatzkörper 19 integriert sein.
Besonders vorteilhaft ist nun eine Ausführungsform, bei welcher der Brenner 1 beziehungsweise der Brennerkopf 2 nur mit einem einzigen Gasstrom 6 arbeitet, der ausschließlich durch die Vordüse 13 und die Strahldüse 10 zum Lichtbogen 5 geführt wird. Bei einer derartigen Ausführungsform wird insbesondere auf einen zusätzlichen Sekundärgasstrom verzichtet, der beispielsweise seitlich des Primärgasstroms über eine ringförmige Zusatzdüse 21 zugeführt werden könnte. Ein derartiger Sekundärgasstrom kann bei einer konventionellen Bauweise dazu benutzt werden, die Strahldüse 10 vor einer übermäßigen Erhitzung durch die vom Lichtbogen 5 abgestrahlte Wärme zu schützen. Aufgrund der mit Hilfe der Vordüse 13 erhöhten Strahlgeschwindigkeit kann jedoch – je nach Ausführungsform – auf einen derartigen Sekundärgasstrom ganz oder teilweise verzichtet werden, da die erhöhte Strahlgeschwindigkeit bereits eine hinreichende Kühlung der Strahldüse 10 bewirkt.

1: Lichtbogendrahtbrenner
2: Brennerkopf
3: Drahtzuführung
4: Draht
4a: erster Draht
4b: zweiter Draht
5: Lichtbogen
6: Gasstrom
7: Gaszuführung
8: Düsenanordnung
9: Gaskanal
10: Strahldüse
11: Eintrittsquerschnitt von 10
12: Austrittsquerschnitt von 10
13: Vordüse
14: Eintrittsquerschnitt von 13
15: Austrittsquerschnitt von 13
16: Abstand
17: Durchmesser
18: Länge
19: Einsatzkörper
20: Umlenkkontur
21: Ringdüse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005012360 A1 [0004]
- EP 1238711 A2 [0005]
- WO 03/066233 A1 [0005]
- WO 04/028702 A1 [0005]
- DE 10340606 B4 [0006]
- DE 19961202 C1 [0006]

Claims

Lichtbogendrahtbrenner, insbesondere Innenbrenner, zum Lichtbogendrahtspritzen von Werkstücken, insbesondere bei Hohlkörpern, mit einer Gaszuführung (7) zum Zuführen wenigstens eines Gasstroms (6) in Richtung zu einem Lichtbogen (5), dadurch gekennzeichnet, – dass die Gaszuführung (7) eine Düsenanordnung (8) und einen zur Düsenanordnung (8) führenden Gaskanal (9) aufweist, – dass die Düsenanordnung (8) eine Strahldüse (10) aufweist, die einen sich in der Strömungsrichtung von einem Eintrittsquerschnitt (11) zu einem Austrittsquerschnitt (12) aufweitenden Querschnittsverlauf aufweist, – dass die Düsenanordnung (8) eine stromauf der Strahldüse (10) angeordnete, koaxial dazu ausgerichtete Vordüse (13) aufweist.
Lichtbogendrahtbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vordüse (13) einen Austrittsquerschnitt (15) aufweist, der kleiner ist als der Eintrittsquerschnitt (11) der Strahldüse (10).
Lichtbogendrahtbrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittsquerschnitt (15) der Vordüse (13) maximal halb so groß ist wie der Eintrittsquerschnitt (11) der Strahldüse (10).
Lichtbogendrahtbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Austrittsquerschnitt (15) der Vordüse (13) vom Eintrittsquerschnitt (11) der Strahldüse (10) einen Abstand (16) aufweist, der etwa einem Durchmesser (17) des Eintrittsquerschnitts (11) der Strahldüse (10) ±25% entspricht.
Lichtbogendrahtbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Austrittsquerschnitt (15) der Vordüse (13) vom Eintrittsquerschnitt (11) der Strahldüse (10) einen Abstand (16) aufweist, der etwa einer in der Strömungsrichtung gemessenen Länge (18) der Vordüse (13) ±25% entspricht.
Lichtbogendrahtbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vordüse (13) in der Strömungsrichtung einen konstanten Querschnitt aufweist.
Lichtbogendrahtbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vordüse (13) einen sich in der Strömungsrichtung aufweitenden Querschnittsverlauf aufweist.
Lichtbogendrahtbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vordüse (13) als Lavaldüse ausgestaltet ist.
Lichtbogendrahtbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahldüse (10) als Lavaldüse ausgebildet ist.
Lichtbogendrahtbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (1) nur mit einem einzigen Gasstrom (6) arbeitet, der ausschließlich durch die Vordüse (13) und die Strahldüse (10) zum Lichtbogen (5) geführt ist.