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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Lichtbogenspritzen, bei dem mittels elektrischen Stroms wenigstens ein drahtförmiger Spritzzusatzwerkstoff in einem Lichtbogen aufgeschmolzen und mittels eines Zerstäubergasstroms zerstäubt und in Form eines Partikelstroms auf ein Werkstück aufgebracht wird, sowie eine entsprechende Vorrichtung.
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Stand der Technik
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Beim Lichtbogenspritzen handelt es sich um ein thermisches Spritzverfahren, bei dem mittels elektrischen Stroms, durch den ein Lichtbogen erzeugt wird, ein drahtförmiger Spritzzusatzwerkstoff aufgeschmolzen wird. Hierzu werden üblicherweise zwei elektrisch leitende, metallische Drähte verwendet, die als Elektroden kontinuierlich abgeschmolzen werden, sogenannte Eindrahtverfahren sind jedoch ebenfalls bekannt.
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An die Drähte, die mittels einer Vorschubeinrichtung in einem Winkel unter sich kontinuierlich verringerndem Abstand aufeinander zu geführt und mit einer Stromquelle leitend verbunden sind, wird eine Spannung von üblicherweise 15 bis 50 V angelegt. Bei hinreichend geringem Abstand der Drahtenden zueinander zündet ein Lichtbogen. Ein Zerstäubergasstrom löst die Schmelze von den Drahtenden ab und beschleunigt diese in Form eines Partikelstroms feinster Tröpfchen auf ein zu beschichtendes Werkstück. Größe und Form der Tröpfchen lassen sich durch die Wahl der jeweiligen Zerstäubungsbedingungen einstellen. Im Allgemeinen führen hohe Flussraten des verwendeten Zerstäubergases zu feinen Partikeln, die naturgemäß mit hoher Geschwindigkeit auf das Werkstück auftreffen.
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Die mit üblichen Anlagen erzielte Auftragsleistung beträgt etwa 8 bis 20 kg/h, die Partikelgeschwindigkeit etwa 150 m/s. Der Spritzzusatzwerkstoff wird mit einer thermischen Energie von etwa 4.000°C aufgeschmolzen. Üblicherweise erzeugte Schichten weisen eine Dicke von 0,2 bis 20 mm auf. Während in konventionellen Anlagen Drähte mit einem Durchmesser zwischen 1,6 und 3,2 mm zum Einsatz kommen, werden in Hochleistungsanlagen Drähte bis zu 4,8 mm Durchmesser verwendet.
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Die Temperatur des Lichtbogens übertrifft die Schmelztemperatur des Spritzzusatzwerkstoffs bei weitem. Die hierdurch überhitzten Tröpfchen können an der Auftreffstelle metallurgische Reaktionen mit der Werkstückoberfläche eingehen oder zur Ausbildung von Diffusionszonen führen. Hierdurch kann, insbesondere bei der Verwendung größerer Tröpfchen, eine besonders gute Haftung und Kohäsion der Schicht erzielt werden.
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Die unmittelbare Nutzung der elektrischen Energie bewirkt einen besonders guten Wirkungsgrad der Lichtbogenspritztechnik. Prozessbedingt ist die Auswahl des Spritzzusatzwerkstoffs auf elektrisch leitfähige, als Draht bereitstellbare Werkstoffe beschränkt. Diese Einschränkung kann jedoch teilweise durch die Verwendung von Fülldrähten (Röhrchendrähten) überwunden werden. Beispielsweise können hierdurch auch carbidische und/oder keramische Komponenten gespritzt werden, um Hartstoffschichten herzustellen. Lichtbogenspritzen ist insbesondere zur Beschichtung von großflächigen Teilen geeignet. Die Einsatzgebiete umfassen unter anderem den Korrosionsschutz, den Verschleißschutz, die Herstellung oder Beschichtung von Gleitlagern und die ”Rettung” fehlerhaft bearbeiteter Maschinenteile.
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Beim Lichtbogenspritzen treten Probleme dadurch auf, dass das Auf- und Abschmelzverhalten der beiden aufeinander zu geführten Drähte, die jeweils als Anode und Kathode beschaltet sind, unterschiedlich ist. Dies führt zu einer unterschiedlichen, schwer zu kontrollierenden Tröpfchenbildung und hierdurch zu einer Verringerung der Qualität einer entsprechenden Beschichtung.
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Es besteht daher der Bedarf nach Verbesserungen beim Lichtbogenspritzen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Lichtbogenspritzen, bei dem mittels elektrischen Stroms wenigstens ein drahtförmiger Spritzzusatzwerkstoff in einem Lichtbogen aufgeschmolzen und mittels eines Zerstäubergasstroms zerstäubt und in Form eines Partikelstroms auf ein Werkstück aufgebracht wird, sowie eine entsprechende Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Abschmelzverhalten eines oder mehrerer Spritzzusatzwerkstoffe beim Lichtbogenspritzen dadurch verbessert, dass wenigstens einer der drahtförmigen Spritzzusatzwerkstoffe vor dem Aufschmelzen in dem Lichtbogen vorgewärmt wird.
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Wie erfindungsgemäß herausgefunden werden konnte, wird durch dieses Vorwärmen des Zusatzwerkstoffs eine erhöhte Aufschmelzrate erzielt. Durch einen vorgewärmten Spritzzusatzwerkstoff lässt sich ein Abschmelzprozess stabilisieren, was reproduzierbarere Ergebnisse beim Lichtbogenspritzen zur Folge hat. Ein mittels eines Lichtbogens aufgeschmolzener Spritzzusatzwerkstoff lässt sich besser zerstäuben und es kann, beispielsweise aufgrund veränderter Viskositätseigenschaften, eine Erhöhung der Partikelgeschwindigkeit bewirkt werden.
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Die erfindungsgemäß erzielten Vorteile beinhalten darüber hinaus eine signifikante Einsparung von Energie, und es wird ein Verarbeiten von höher schmelzenden Materialien (Spritzzusatzwerkstoffen) ermöglicht, da durch die Vorwärmung eine größere Wärmemenge (nämlich die der Vorwärmung zusätzlich zu jener des Lichtbogens) eingebracht werden kann.
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Insbesondere lässt sich die Bildung von Spratzern reduzieren. Mit Spatzern sind hier größere Drahtablösungen gemeint, die durch Kurzschlüsse erzeugt werden und die dann unkontrolliert, also mit nicht einstellbarer Geschwindigkeit, Temperatur und Größe, mit verspritzt werden und dann Schichtdefekte verursachen. Desweiteren kann durch die Vorwärmung insgesamt der Abschmelzprozess stabilisiert werden.
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Mit besonderem Vorteil wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wenigstens ein drahtförmiger Spritzzusatzwerkstoff auf eine Temperatur vorgewärmt, die zwischen Raumtemperatur und einer Solidustemperatur des Spritzzusatzwerkstoffs liegt. Hierdurch lässt sich die maximale Wärme in einen entsprechenden Spritzzusatzwerkstoff einbringen und gleichzeitig eine Handhabbarkeit eines entsprechenden drahtförmigen Werkstoffs in einer Spritzvorrichtung (beispielsweise durch eine Vorschubeinrichtung) sicherstellen.
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Mit besonderem Vorteil wird wenigstens ein drahtförmiger Spritzzusatzwerkstoff auf eine Temperatur vorgewärmt, die in Abhängigkeit von einer Materialzusammensetzung, einer Materialmenge und/oder einer Vorschubgeschwindigkeit des Spritzzusatzwerkstoffs ausgewählt wird. Aufgrund eines derartigen Vorgehens können mit besonderem Vorteil beispielsweise sich verändernde Drahtdurchmesser oder Materialzusammensetzungen berücksichtigt werden.
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In entsprechender Weise lassen sich bedeutende Vorteile dadurch erzielen, dass wenigstens ein drahtförmiger Zusatzwerkstoff auf eine Temperatur vorgewärmt wird, die in Abhängigkeit von einer Zusammensetzung und/oder einem Volumenstrom des Zerstäubergasstroms ausgewählt wird. Wie erwähnt, wird durch eine Geschwindigkeit des Zerstäubergasstroms insbesondere die Größe der sich bildenden Tröpfchen beeinflusst. Wird nun eine Temperatur zusätzlich in Abhängigkeit von einem Zerstäubergasstrom eingestellt, kann hierdurch eine definierte Tröpfchengröße und/oder -geschwindigkeit erzielt werden.
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Mit besonderem Vorteil wird wenigstens ein drahtförmiger Spritzzusatzwerkstoff mittels Induktion, mittels eines Plasmas und/oder mittels einer Flamme, insbesondere mittels einer Brenngas-Sauerstoff-Flamme, vorgewärmt. Auch eine Heizeinrichtung, die einen elektrischen Heizer enthält, durch die der drahtförmige Werkstoff geführt wird, ist zum Vorwärmen vorteilhaft. Auch die Vorwärmung über den Zerstäubergasstrom, der seinerseits auf geeignete Temperaturen erwärmt sein kann, ist denkbar. Drahtförmiger Spritzzusatzwerkstoff und Zerstäubergas können auch unabhängig voneinander und/oder über eine gemeinsame Vorwärmeinrichtung vorgewärmt werden. Dem Fachmann sind aus dem Stand der Technik entsprechende Verfahren bekannt, die insgesamt eine besonders effiziente und definierte Einbringung von Wärme in Materialien gewährleisten.
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Mit besonderem Vorteil kann das erfindungsgemäße Verfahren dann zum Einsatz kommen, wenn beim Lichtbogenspritzen zwei drahtförmige Spritzzusatzstoffe verwendet werden. Diese zwei drahtförmigen Spritzzusatzwerkstoffe können vor dem Aufschmelzen in dem Lichtbogen auf gleiche oder unterschiedliche Temperaturen vorgewärmt werden, so dass beispielsweise eine identische Abschmelzrate zweier unterschiedlicher Drahtmaterialien erzielt wird. Wie erwähnt, kann das erfindungsgemäße Verfahren jedoch auch bei anderen Lichtbogenspritztechniken zum Einsatz kommen, beispielsweise dem Eindraht-, dem Vakuum- oder dem Vakuum-Eindraht-Lichtbogenspritzen.
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Bezüglich der erfindungsgemäß vorgesehenen Vorrichtung zum Lichtbogenspritzen sei auf die verfahrensseitig erläuterten Merkmale und Vorteile ausdrücklich verwiesen. Insbesondere weist eine derartige Vorrichtung wenigstens eine Vorwärmeinrichtung auf, die zum Vorwärmen wenigstens eines drahtförmigen Spritzzusatzwerkstoffes vor dem Aufschmelzen in dem Lichtbogen bereitgestellt ist.
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Diese kann vorteilhafterweise als Brenner zur Erzeugung einer Brennerflamme ausgebildet sein. Insbesondere kann hierbei ein Brenngas-Sauerstoff-Brenner, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist, zum Einsatz kommen.
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Mit besonderem Vorteil kann eine Vorwärmeinrichtung auch als Induktionsheizung mit einem Induktor mit Induktionsschleife oder -spule ausgebildet sein.
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Eine Hochfrequenz-(HF-)Induktionsheizung bekannter Art kann beispielsweise zur Erwärmung eines oder beider Drähte, alleine oder zusätzlich zu einer Flammerwärmung, verwendet werden. In derartigen HF-Induktionsheizungen wird eine ein- oder mehrwindige Arbeitsspule (Induktor) bereitgestellt, die von einem Wechselstrom hoher Frequenz durchflossen wird. In der Umgebung der Spule wird dadurch ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt. Wird in dieses elektromagnetische Wechselfeld ein Leiter eingebracht, wird in diesem eine Spannung induziert, welche einen Wechselstrom erzeugt. Nach dem Jouleschen Gesetz wird gemäß Q = I2 × R × t (I: Stromstärke, R: Widerstand, t: Zeitdauer) im Ergebnis in den stromdurchflossenen Oberflächenbereichen des Leiters Wärme erzeugt. Zur Kühlung der Spule ist vorteilhafterweise eine Kühleinrichtung, beispielsweise eine Wasserkühlung, vorgesehen. Die HF-Induktionsheizung ist vorteilhafterweise von den übrigen Bedienkomponenten galvanisch getrennt, um eine größtmögliche Sicherheit zu gewährleisten.
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Es kann vorgesehen sein, austauschbare Induktorelemente, beispielsweise mit unterschiedlichen Innendurchmessern, vorzusehen, um eine Anpassbarkeit an unterschiedliche Drahtmaterialien zu gewährleisten. Je nach einzubringender Wärmeleistung und entsprechend den Raumerfordernissen kann eine einfache Induktionsschleife oder ein mehrwindiger Induktor vorgesehen sein.
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Insbesondere kann auch eine Vorwärmeinrichtung vorgesehen sein, die als Plasmaquelle eingerichtet ist. Plasmaquellen, beispielsweise Plasmabrenner, sind aus dem Stand der Technik bekannt und gewährleisten eine besonders effiziente Einbringung einer großen Energiemenge.
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In einer einfachen vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Vorwärmeinrichtung einen elektrischen Heizer und ist derart ausgebildet, das der drahtförmige Zusatzwerkstoff zur Vorwärmung durch Sie hindurch geführt werden kann. Für den Fall, dass zusätzlich das Zerstäubergas vorgewärmt wird, ist es sinnvoll, ein und dieselbe Vorwärmeinrichtung (beispielsweise mit elektrischem Heizer) zu verwenden, durch die der Draht und das Gas geführt werden.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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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.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt in schematischer Darstellung eine Vorrichtung zum Lichtbogenspritzen gemäß dem Stand der Technik.
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2 zeigt in schematischer Darstellung eine Vorrichtung zum Lichtbogenspritzen gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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3 zeigt in Teilschnittdarstellung eine Vorrichtung zum Lichtbogenspritzen gemäß dem Stand der Technik.
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4 zeigt in Teilschnittdarstellung eine Vorrichtung zum Lichtbogenspritzen gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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5 zeigt in Teilschnittdarstellung eine Vorrichtung zum Lichtbogenspritzen gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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In den Figuren sind gleiche oder vergleichbare Elemente mit identischen Bezugszeichen angegeben und werden der Übersichtlichkeit halber nicht wiederholt erläutert.
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In 1 ist eine Vorrichtung 100 zum Lichtbogenspritzen gemäß dem Stand der Technik schematisch dargestellt.
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In der Vorrichtung 100 werden ein erster 1 und ein zweiter 2 drahtförmiger Spritzzusatzwerkstoff durch jeweils eine Drahtführung 11, 21 aufeinander zu geführt. Zum Vorschub der drahtförmigen Spritzzusatzwerkstoffe 1, 2 aufeinander zu sind Vorschubeinrichtungen 12, 22 in Form von sich in Pfeilrichtung drehenden Walzen bzw. Rollen vorgesehen.
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Ferner ist eine Stromquelle 3 vorgesehen, welche zur Beaufschlagung der drahtförmigen Spritzzusatzwerkstoffe 1, 2 über elektrische Verbindungen 31, 32 mit den Drahtführungen 11, 21 verbunden ist. In einem Bereich, in welchem die drahtförmigen Spritzzusatzwerkstoffe einen ausreichend geringen Abstand aufweisen, bildet sich ein Lichtbogen 30 aus, durch welchen das Material der drahtförmigen Spritzzusatzwerkstoffe 1, 2 aufgeschmolzen wird. Eine Zerstäubergasdüse 4 ist vorgesehen, mittels welcher ein Zerstäubergasstrom 41 bereitgestellt und geführt wird. Der Zerstäubergasstrom 41 bewirkt eine Zerstäubung der in dem Lichtbogen 30 aufgeschmolzenen Drahtzusatzwerkstoffe 1, 2 und eine Ausbildung eines Partikelstroms 5, welcher auf ein Werkstück 6 gerichtet werden kann.
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2 zeigt eine Vorrichtung 200 zum Lichtbogenspritzen gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung. Die Vorrichtung 200 weist die wesentlichen Elemente der Vorrichtung 100 aus 1 auf. Zusätzlich sind jedoch Vorwärmeinrichtungen 10, 20 für die drahtförmigen Spritzzusatzwerkstoffe 1, 2 vorgesehen, welche vorzugsweise die drahtförmigen Spritzzusatzwerkstoffe, beispielsweise in Form einer Drahtführung distal der Drahtführungen 11, 21 umgeben. Wie erwähnt, können die Vorwärmeinrichtungen 10, 20 als elektrischer Heizer, Brenner, Induktoren und/oder Plasmaquellen eingerichtet sein. Die Vorwärmeinrichtungen 10, 20 können gleich oder unterschiedlich ausgestaltet sein und/oder auf gleichen oder unterschiedlichen Vorwärmprinzipien beruhen. Durch die Vorwärmeinrichtungen 10, 20 wird der drahtförmige Spritzzusatzwerkstoff 1, 2 bereits vor dem Erreichen des Lichtbogens 30 vorgewärmt. Es kann auch vorgesehen sein, die Vorwärmeinrichtungen an anderer Position vorzusehen, die eine effektive, vorteilhafterweise nicht mit der Strombeaufschlagung über Stromquelle 3 in Konflikt stehende Vorwärmung ermöglicht. Insbesondere können die Vorwärmeinrichtungen 10, 20 vorschubeinrichtungsseitig der Drahtführungen 11, 21 vorgesehen sein.
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3 zeigt eine Vorrichtung 100 zum Lichtbogenspritzen gemäß dem Stand der Technik in Teilschnittdarstellung. Die Vorrichtung 100 weist ein Gehäuse 90 auf, das in einem vorderen Bereich 91 teilweise eröffnet dargestellt ist. Drahtförmige Spritzzusatzwerkstoffe 1, 2 werden durch jeweils eine Drahtführung 11, 21 geführt. Eine Drahtvorschubeinrichtung (wie die Drahtvorschubeinrichtungen 12, 22) ist hier nicht dargestellt. Zur Regelung der Vorschubgeschwindigkeit dienen Einstellmittel 13, die beispielsweise auf dem Gehäuse 90 oder an anderer Position angeordnet sein können. Eine Zerstäubergasdüse 4 ist vorgesehen, welche über einen Zerstäubergasanschluss 42 gespeist wird und zur Ausbildung eines Zerstäubergasstroms 41 und eines Partikelstroms 5 (beide hier nicht dargestellt) eingerichtet ist. Zwischen den drahtförmigen Spritzzusatzwerkstoffen 1, 2 bildet sich ein Lichtbogen 30 aus.
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In 4 ist eine Vorrichtung gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Teilschnittansicht dargestellt. Die Vorrichtung 300 weist die wesentlichen Elemente der Vorrichtung 100 aus 3 auf. Zusätzlich ist bei Vorrichtung 300 eine Vorwärmeinrichtung für jeden Drahtzusatzwerkstoff 1, 2 in Form jeweils eines Induktors 70 mit einer Induktionsschleife bzw. -spule 71 vorgesehen. Die Induktoren 70 sind zur Beaufschlagung der Induktionsschleifen bzw. -spulen 71 mit Hochfrequenzenergie, wie zuvor erläutert, eingerichtet. Über eine entsprechende thermische Beaufschlagung der Drahtzusatzwerkstoffe 1, 2 werden diese vor dem Erreichen des Lichtbogens 30 vorgewärmt. Die Erwärmung kann über Regeleinrichtungen 72, die auf dem Gehäuse 90 vorgesehen sein können, geregelt werden. Zusätzlich ist eine Leitung 73 zur Beaufschlagung der je weiligen Induktoren 70 vorgesehen.
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In 5 ist eine Vorrichtung 400 zum Lichtbogenspritzen gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Teilschnittdarstellung dargestellt. Wie die Vorrichtung 300 weist Vorrichtung 400 die wesentlichen Merkmale der Vorrichtung 100 aus 3 auf. Bei Vorrichtung 400 sind Vorwärmeinrichtungen vorgesehen, die jeweils als Brenner 80 zur Erzeugung einer Brennerflamme 81 ausgebildet sind. Wie zuvor kann ein Vorwärmumfang durch die Brenner 80 mittels einer Regeleinrichtung 82 eingestellt werden. Zur Speisung der Brenner 80 sind Zuleitungen für beispielweise Brenngas und/oder Sauerstoff vorgesehen.
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Wenngleich in den vorstehenden Figuren für beide Drahtzusatzwerkstoffe 1, 2 identische Vorwärmeinrichtungen jeweils in Alleinstellung dargestellt wurden, sei zu verstehen gegeben, dass insbesondere auch vorgesehen sein kann, unterschiedliche Drahtzusatzwerkstoffe 1, 2 mit unterschiedlichen und/oder mehreren und/oder gemeinsamen Vorwärmeinrichtungen 10, 20 zu beaufschlagen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, in einem ersten Schritt eine Vorwärmung mittels eines Brenners 80 und in einem zweiten Schritt eine Vorwärmung mittels eines Induktors 70 vorzusehen.
