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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Lichtbogendrahtspritzen
nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner bezieht
sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Lichtbogendrahtspritzen
nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 9.
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Bei
der Herstellung von Verbrennungsmotoren wird aus Gründen
der Energieeffizienz und der Emissionsreduzierung eine möglichst
geringe Reibung und eine hohe Abrieb- und Verschleißfestigkeit angestrebt.
Hierzu werden Motorbauteile, wie zum Beispiel Zylinderbohrungen,
Ventilsitze und Lagersitze mit Schichten versehen, die mittels thermischen Spritzens,
insbesondere Lichtbogendrahtspritzen aufgebracht werden. Üblicherweise
wird beim Lichtbogendrahtspritzen zwischen zwei drahtförmigen Spritzwerkstoffen
ein Lichtbogen durch Anlegen einer Spannung erzeugt. Dabei schmelzen
die Drahtspitzen ab und werden beispielsweise mittels eines Zerstäubergases
auf die zu beschichtende Oberfläche, beispielsweise die
Zylinderwand befördert, wo sie sich anlagern. Ein Schutzgas,
das um den Zerstäubergasaustritt herum ausgeströmt
wird, schafft eine Schutzatmosphäre im Bereich der zu beschichtenden
Oberfläche und engt den Partikelstrahl ein, um ein Beschichten
außerhalb der zu beschichtenden Oberfläche liegender
Bereiche, so genanntes Overspray, zu vermeiden.
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Im
Stand der Technik ist ein so genanntes Eindrahtspritzen gebräuchlich.
Aus der
US 6,610,959 ist
ein Verfahren zur Erzeugung eines engen Strahls flüssiger
Tropfen zum thermischen Spritzen bekannt, bei dem eine Zerstäubergasdüse
vorgesehen ist, in der eine erste, sich verbrauchende Elektrode
positioniert wird. Eine zweite, sich nicht verbrauchende Elektrode
wird in der Nähe eines Gasaustritts der Zerstäuberdüse
positioniert und ein Lichtbogen zwischen Enden der Elektroden gezündet.
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In
der
DE 690 03 808
T2 werden ein Verfahren und ein Apparat zum Auftragen von
Metall auf eine interne zylindrische Oberfläche unter Verwendung
eines Metallspritzverfahrens mit einem Lichtbogen mit einer verbrauchbaren
Elektrode und einer nicht verbrauchbaren Elektrode beschrieben.
Die nicht verbrauchbare Elektrode dreht sich um eine erste Achse.
Die verbrauchbare Elektrode wird in einer Richtung im Allgemeinen
parallel zur ersten Achse zugeführt, dreht sich aber nicht
um die eigene Achse. Es wird ein Lichtbogen zwischen den Elektroden
gezündet und Zerstäubergas durch den Lichtbogen
in einem Winkel zur ersten Achse geleitet, damit schmelzflüssiges
Metall im Lichtbogen zerstäubt und vorwärts transportiert
werden kann und auf der Oberfläche aufgetragen werden kann.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung
sowie ein verbessertes Verfahren zum Lichtbogendrahtspritzen anzugeben.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung
zum Lichtbogendrahtspritzen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch
die im Anspruch 9 angegebenen Merkmale gelöst.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen angegeben.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Lichtbogendrahtspritzen,
umfassend eine drahtförmige verbrauchbare Anode, vier nicht
verbrauchbare Kathoden, eine Energiequelle zur Erzeugung und Aufrechterhaltung
jeweils eines Lichtbogens zwischen Anode und der jeweiligen Kathode
und eine Drahtvorschubeinrichtung zur Nachführung der Anode,
sind die vier Kathoden symmetrisch kreisförmig um die Anode
angeordnet und die Anode ist im Bereich des Lichtbogens schmelzbar
und zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens nachführbar.
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Mittels
der erfindungsgemäßen Lösung ist ein
Abstand der Anode und der Kathoden und dadurch eine Länge
des Lichtbogens und insbesondere eine Position des Lichtbogens in
Bezug zu einer Zerstäuber- und Inertgaszuführung
zum Lichtbogen und in Bezug zu einer Spritzdüse variabel
einstellbar, insbesondere durch Nachführen der Anode ist
ein Abstand zwischen Anode und Kathode konstant haltbar, wodurch
ein eng begrenzter, exakt ausgerichteter und durch ein optimales
Abschmelzen der verbrauchbaren Anode besonders homogener Partikelstrahl
der Vorrichtung erzielbar ist. Daraus resultiert eine optimale Beschichtung,
d. h. ein optimal dicker und optimal verteilter Materialauftrag
auf einer zu beschichtenden Fläche und ein minimaler so
genannter Overspray, wodurch auch eine Reduzierung eines Materialeinsatzes
erzielbar ist. Als Overspray werden Spritzpartikel bezeichnet, welche
außerhalb eines zu beschichtenden Bereiches auftreffen,
woraus aufwändige, zeit- und kostenintensive Nacharbeiten
eines derart beschichteten Werkstücks und ein erhöhter
Materialeinsatz resultieren. Des Weiteren ist durch die erfindungsgemäße
Lösung ein Erlöschen des Lichtbogens und ein aufwändiges
erneutes Zünden mit daraus resultierenden Unterbrechungen
eines Beschichtungsablaufs und damit verbundene Gefahren für
eine Beschichtungsqualität vermeidbar.
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Die
Spritzvorrichtung ist vorzugsweise modular aufgebaut, um die Wartung
und die separate Austauschbarkeit von Komponenten zu erleichtern und
so eine Eignung für die Serienproduktion zu erreichen.
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Im
Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand
von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Anoden- und Kathodenanordnung in
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
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2 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung.
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Einander
entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung der Anoden- und Kathodenanordnung
in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Anordnung
umfasst beispielsweise vier Kathoden 2, die symmetrisch kreisförmig
um die Anode 1 angeordnet sind. Die Kathode 2 ist
vorzugsweise ein handelsübliches Normteil und beispielsweise
aus Wolfram hergestellt.
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Ein
Anstellwinkel α zwischen der Kathode 2 und der
Anode 1 kann, wie gezeigt, in einem Bereich zwischen 45° und
90° variieren und einstellbar sein.
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Eine
Anode 1 ist axial auf die vier nicht verbrauchbaren Kathoden 2 mittels
einer Drahtvorschubeinrichtung 4 zuführbar. Zwischen
der Drahtvorschubeinrichtung 4 und der Spritzdüse 7 ist
ein Drahtrichter 9 angeordnet, um die drahtförmige
verbrauchbare Anode 1, welche beispielsweise von einer
nicht näher dargestellten Spule abspulbar ist, gerade gerichtet
in die Spritzdüse 7 einzuführen, um eine
axiale Ausrichtung und eine exakte Zuführung der Anode 1 zu
den Kathoden 2 sicherzustellen. Durch diese axiale Ausrichtung
der Anode 1 und der Kathoden 2 zueinander ist
eine Umlenkung der Anode 1 in der Vorrichtung nicht erforderlich,
wodurch eine sehr kompakte Bauform der Spritzdüse 7 und eine
Verwendung einer Vielzahl handelsüblicher drahtförmiger
verbrauchbarer Anoden 1 unterschiedlichster Durchmesser
ermöglicht ist.
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Die
Anode 1 kann kontinuierlich so nachgeführt werden,
dass ein Abstand A zwischen der Anode 1 und der Kathode 2 konstant
bleibt.
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Die
stiftförmigen Kathoden 2 sind mit einem spitzen
Ende außerhalb der Spritzdüse 7 im Bereich des
aus der Spritzdüse 7 austretenden Zerstäuber- und/oder
Inertgases G angeordnet. Zwischen dem spitzen Ende einer jeden Kathode 2 und
dem Ende der Anode 1 kann ein Lichtbogen 6 durch
Anlegen einer Spannung erzeugt werden. Die Anode 1 wird durch
den Lichtbogen 6 im Bereich ihres Endes geschmolzen. Der
Spritzdüse 7 ist das Zerstäuber- und/oder
Inertgases G ständig so zuführbar, dass beim Schmelzen
der Anode 1 entstehende geschmolzene Partikel P durch das
aus der Spritzdüse 7 austretende Zerstäuber-
und/oder Inertgases G in Richtung einer nicht näher dargestellten
Oberfläche eines zu beschichtenden Körpers transportiert
und auf der Oberfläche abgeschieden werden. Die Anode 1 wird
zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens und zur kontinuierlichen Zufuhr
von Beschichtungsmaterial mittels der Drahtvorschubeinrichtung 4 nachgeführt.
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Durch
die vier gleichmäßig symmetrisch über
einen Kreisumfang verteilten Lichtbögen 6 schmilzt
die Anode 1 sehr gleichmäßig ab und durch ein
optimales Abschmelzen der Anode 1 entsteht ein besonders
homogener Partikelstrahl 11.
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Als
Zerstäuber- und/oder Inertgas G können beispielsweise
Stickstoff oder Druckluft oder Kohlendioxid oder Argon oder ein
Gemisch aus mindestens zweien der vorgenannten Gase verwendet werden.
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Die
Anode 1 und die Kathoden 2 sind zu einer Energiezufuhr über
elektrische Leitungen 10 mit einer Energiequelle 3 verbunden.
Die Energiequelle 11 ist beispielsweise als Konstantstromquelle
oder als Konstantspannungsquelle ausgebildet.
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An
dieser Energiequelle 3 ist zur Überwachung einer
Spannung und/oder einer Stromstärke eine Steuereinheit 5 angeordnet,
welche mit der Drahtvorschubeinrichtung 4 zu einer Regelung
einer Drahtvorschubgeschwindigkeit der Drahtvorschubeinrichtung 4 verbunden
ist.
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Die
Lichtbögen 6 zwischen Anode 1 und den Kathoden 2 werden
mittels eines Hochfrequenzimpulses unter Zuführung eines
reinen Inertgases, beispielsweise Argon, gezündet. Nach
der Zündung des Lichtbogens 6 werden die Spannung
und/oder die Stromstärke der Energiequelle 3 von
der Steuereinheit 5 überwacht. Ebenfalls nach
der Zündung wird die Gaszufuhr auf das Zerstäuber-
und/oder Inertgas G umgestellt. Steigt eine Länge des Lichtbogens 6 an,
d. h. ein Abstand zwischen Anode 1 und den Kathoden 2 wird
größer, so ist eine erhöhte Energiezufuhr
erforderlich, um den Lichtbogen 6 aufrechtzuerhalten. Daraus
resultiert eine erhöhte Leistungsaufnahme an der Energiequelle 3,
wodurch die Spannung und/oder die Stromstärke der Energiequelle 3 ansteigen.
Steigen die Spannung und/oder die Stromstärke der Energiequelle 3 über
einen vorgegebenen Grenzwert an, wird von der Steuereinheit 3 automatisch
die Drahtvorschubgeschwindigkeit der Drahtvorschubeinrichtung 4 gesteigert.
Der Abstand zwischen Anode 1 und den Kathoden 2 wird
geringer und eine optimale Länge des Lichtbogens 6 stellt
sich wieder ein. Analog dazu ist ein zu kleiner Abstand zwischen
Anode 1 und den Kathoden 2, d. h. eine zu geringe
Länge des Lichtbogens 6, mit einer geringeren
Leistungsaufnahme an der Energiequelle 3 verbunden, d.
h. die Spannung und/oder die Stromstärke der Energiequelle 3 sinken.
In diesem Fall wird von der Steuereinheit 5 automatisch
die Drahtvorschubgeschwindigkeit der Drahtvorschubeinrichtung 4 reduziert,
wodurch sich wieder eine optimale Länge des Lichtbogens 6 einstellt.
Die Grenzwerte für die Spannung und/oder die Stromstärke
werden zweckmäßigerweise vor Beginn der Beschichtung
in Abhängigkeit vom jeweils eingesetzten Material der Anode 1 vorgegeben.
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Eine
dauerhaft optimale Länge des Lichtbogens 6 der
Vorrichtung weist eine Reihe von Vorteilen auf. So ist durch die
konstant optimale Länge des Lichtbogens 6 auch
eine Position des Lichtbogens 6 in Bezug zur Spritzdüse 7 und
damit auch in Bezug auf die Zuführung des Zerstäuber-
und/oder Inertgases G konstant haltbar, wodurch ein eng begrenzter, exakt
ausgerichteter und durch ein optimales Abschmelzen der Anode 1 besonders
homogener Partikelstrahl 11 erzielbar ist. Daraus resultiert
eine optimale Beschichtung, d. h. ein optimal dicker und optimal
verteilter Materialauftrag auf einer zu beschichtenden Fläche
und eine Reduzierung des Overspray, wodurch eine Reduzierung eines
Materialeinsatzes sowie eine Reduzierung aufwändiger, zeit-
und kostenintensiver Nacharbeiten an einem derart beschichteten
Werkstück zur Entfernung des Overspray erzielbar sind.
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Des
Weiteren ist durch eine optimale Länge des Lichtbogens 6 ein
Erlöschen des Lichtbogens 6 und ein aufwändiges
erneutes Zünden mit daraus resultierenden Unterbrechungen
eines Beschichtungsablaufs und damit verbundene Gefahren für
eine Beschichtungsqualität vermeidbar. Insbesondere bei drahtförmigen
Anoden 1, deren Material viele verschiedene Legierungsbestandteile
aufweist und welche beispielsweise als Fülldrähte
ausgeführt sind, ist häufig ein unregelmäßiges
Abschmelzen zu beobachten. In der Vorrichtung können auch
derartige Anoden 1 problemlos und mit einer optimalen Länge des
Lichtbogens 6 eingesetzt werden.
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Die
gesamte Vorrichtung ist modular aufgebaut, um die Wartung und die
separate Austauschbarkeit von Komponenten zu erleichtern und so
eine Eignung für die Serienproduktion zu erreichen.
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Des
Weiteren ist diese Vorrichtung aufgrund ihrer kompakten Bauweise
Platz sparend einsetzbar und durch den sehr gut ausgerichteten und
eng begrenzten Partikelstrahl 11 wird ein Overspray deutlich reduziert.
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In
einem Verfahren zum Lichtbogendrahtspritzen wird mittels der vier
Lichtbögen 6 die Anode 1 abgeschmolzen
und die abgeschmolzenen Partikel 8 werden mittels des aus
der Spritzdüse 7 austretenden Zerstäuber-
und/oder Inertgases G in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche
transportiert.
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Das
Verfahren ermöglicht einen sehr engen Partikelstrahlwinkel β mit
beispielsweise weniger als 5° verglichen mit Zweidrahtspritzen,
bei dem ein Partikelstrahlwinkel γ von etwa 30° erreicht
wird. Die Partikel können so besonders definiert und sparsam
auf die zu beschichtende Oberfläche aufgebracht werden.
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- 1
- Anode
- 2
- Kathode
- 3
- Energiequelle
- 4
- Drahtvorschubeinrichtung
- 5
- Steuereinheit
- 6
- Lichtbogen
- 7
- Spritzdüse
- 8
- geschmolzene
Partikel
- 9
- Drahtrichter
- 10
- elektrische
Leitungen
- 11
- Partikelstrahl
- α
- Anstellwinkel
- β
- Partikelstrahlwinkel
- A
- Abstand
- G
- Zerstäuber-
und/oder Inertgas
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6610959 [0003]
- - DE 69003808 T2 [0004]