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Die Erfindung betrifft einen Lichtbogendrahtbrenner nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Ferner betrifft die Erfindung eine Anlage zum Lichtbogendrahtspritzen mit einem derartigen Lichtbogendrahtbrenner und nach der im Oberbegriff von Anspruch 7 näher definierten Art.
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Lichtbogendrahtbrenner sind prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt. Dabei gibt es verschiedene Bauformen, welche beispielsweise mit einem oder zwei zugeführten Drähten als Elektroden arbeiten. In diesem Zusammenhang kann beispielsweise auf die
DE 10 2009 004 581 A1 hinsichtlich der Ausgestaltung mit einem Draht oder auf die
DE 10 2005 012 360 A1 hinsichtlich der Ausgestaltung mit zwei Drähten hingewiesen werden. Ein vergleichbarer Aufbau ist auch grundlegend aus der
DE 102 43 739 B3 bekannt. Eine Drahtfördereinrichtung für einen derartigen Aufbau ist beispielsweise in der
DE 10 2009 031 360 A1 beschrieben. Ein Kurbelgehäuse und ein Verfahren zum thermischen Beschichten der Zylinderlaufflächen mit einem Lichtbogendrahtbrenner beschreibt die
DE 10 2012 021 859 A1 .
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Insbesondere beim Lichtbogendrahtspritzen mit zwei Drähten als Elektroden kommt es gemäß der Beschreibungseinleitung der
DE 10 2009 031 360 A1 häufig zu einem diskontinuierlichen Abschmelzen des Drahtes bzw. der Drähte, was sich letztlich in einer inhomogenen Spritzschicht niederschlägt. Zur Lösung schlägt die
DE 10 2009 031 360 A1 eine mechanische Schwingungsanregung für den Draht vor, welche jedoch in der Praxis außerordentlich aufwändig zu realisieren ist, da eine Anpassung an die geometrischen Gegebenheiten, den Volumenstrom des Transportgases, die Vorschubgeschwindigkeit etc. erfolgen muss.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, einen Lichtbogendrahtbrenner und eine Anlage zum Lichtbogendrahtspritzen mit einem derartigen Brenner gegenüber dem Stand der Technik weiter zu verbessern, die Zuführbarkeit des Drahts zu erleichtern bzw. ein homogeneres Spritzbild zu ermöglichen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Lichtbogendrahtbrenner mit den Merkmalen im Anspruch 1 sowie durch eine Anlage mit den Merkmalen im Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon jeweils abhängigen Unteransprüchen.
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Die Ausgestaltung eines Lichtbogendrahtbrenners mit mindestens einer Elektrode aus nachführbarem Draht, in der Art, dass der Draht zumindest im Bereich zwischen dem Bereich seines Austritts aus wenigstens einem Drahtführungselement und dem Lichtbogen eine von der zylindrischen Form abweichende Kontur aufweist, ermöglicht einen sehr effizienten Lichtbogendrahtbrenner, welcher bei geeigneter Ausgestaltung der Kontur des Drahts ein homogeneres Spritzbild als bisherige Brenner ermöglicht. Prinzipiell gibt es dabei verschiedene Möglichkeiten, die Kontur des Drahts zu beeinflussen. Der Draht kann dabei prinzipiell mit dieser Kontur bereits in einer Vorratseinrichtung für den Draht vorgehalten werden, oder er kann durch eine entsprechende Umformeinrichtung, wie es später noch ausgeführt werden wird, im Bereich der Anlage zum Lichtbogendrahtspritzen in die gewünschte Kontur umgeformt werden.
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Eine besonders geeignete Kontur sieht es gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee dabei vor, dass der Draht in seiner axialen Vorschubrichtung eine Abfolge von bezüglich des Querschnitts eingeschnürten und nicht-eingeschnürten Abschnitten aufweist. Eine solche Abfolge von eingeschnürten und nicht-eingeschnürten Abschnitten in dem als Elektrode genutzten wenigstens einen Draht ermöglicht eine höhere Stromdichte in dem Draht in den eingeschnürten Bereichen. Durch die höhere Stromdichte in den eingeschnürten Bereichen kommt es einerseits zu einem höheren magnetischen Feld und damit letztlich zu höheren Kräften, welche das Ablösen der Tröpfchen verbessern, und andererseits zu einer höheren Temperatur, die das Aufschmelzen der entsprechenden Abschnitte verbessert. Damit lässt sich durch die Ausgestaltung des Drahtes, insbesondere wenn gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee die nicht-eingeschnürten Abschnitte in Axialrichtung jeweils länger als die eingeschnürten Abschnitte sind, also die Ablösung der Tröpfchen verbessern und somit auch homogener gestalten. Letzen Endes werden so die nicht-eingeschnürten Bereiche als Tröpfchen aufgeschmolzen und entsprechend abgeschieden. Diese verbesserte Tröpfchenablösung geht auf den soganannten Pincheffekt bzw. die ihm zugrunde liegende Lorenzkraft zurück. Der Draht als Elektrode ist von einem Magnetfeld umgeben, wenn Strom druch ihn fließt. Die dabei radiale zum Draht wirkende Lorenzkraft nimmt mit dem Quadrat der Stromdichte zunimmt. Am Ende des Drahtes wird er sofort dort eingeschnürt, wo sich ein kleinerer Querschnitt und damit eine höhere Stromdichte einstellt. Das führt zum verbesserten Ablösen des flüssigen Materials.
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Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften alternativen oder ergänzenden Ausgestaltung der Idee kann es ferner vorgesehen sein, dass der Draht einen von der Kreisform abweichenden Querschnitt aufweist. Die von der zylindrischen Form abweichende Kontur kann also nicht nur durch eingeschnürte und nicht-eingeschnürte Abschnitte ausgebildet werden, sondern auch durch einen von der Kreisform, welche bei Drähten normalerweise üblich ist, abweichenden Querschnitt. Ein solcher von der Kreisform abweichender Querschnitt kann beispielsweise rechteckig, oval oder in Form einer liegenden Acht ausgebildet sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee kann dabei der Querschnitt in eine quer zur axialen Vorschubrichtung liegende Richtung ein deutlich kleineres Biegemoment als in die andere quer zur axialen Vorschubrichtung liegende darauf senkrechte Richtung aufweisen. Eine solche Ausgestaltung des Querschnitts des Drahtes, welcher weiterhin eingeschnürte und nicht-eingeschnürte Abschnitte in seiner axialen Vorschubrichtung aufweisen kann, aber nicht muss, erlaubt eine Reduktion des Biegemoments in eine der Richtungen. Hierdurch ist es möglich, bei identischem Biegeradius den Draht mit sehr viel weniger Kraftaufwand zu biegen, um so eine besonders effiziente Drahtzufuhr zu gewährleisten, welche hierdurch auch einen homogeneren Transport ermöglicht, was ebenfalls zu einer Verbesserung des Spritzbildes beiträgt. Dies gilt insbesondere in Kombination mit der Ausgestaltung des Drahts in seiner axialen Vorschubrichtung mit eingeschnürten und nicht-eingeschnürten Querschnitten.
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Wobei auch eine Kontur des Drahtes, bei welcher sich in axialer Vorschubrichtung eingeschnürte und nicht-eingeschnürte Abschnitte abwechseln, eine Verringerung des Biegemoments ermöglicht, sodass die entsprechenden Vorteile auch unabhängig von einem Abweichen des Querschnitts von der Kreisform bei diesem Aufbau entsprechend erzielt werden können. Besonders ideal ist hier jedoch eine Kombination der beiden Varianten, wobei es auch denkbar ist, dass beispielsweise im Bereich der nicht-eingeschnürten Querschnitte ein von der Kreisform abweichender Querschnitt vorliegt und im Bereich der eingeschnürten Querschnitte dieser weiterhin kreisförmig ist. Grundlegend ist der Aufbau auch andersherum denkbar, wobei eine höhere Reduktion der Biegemomente in dem zuerst genannten Fall zu erzielen ist.
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Die Verringerung des Kraftaufwands bei der Drahtzufuhr bei identischem Biegeradius führt weiterhin zu weniger Abrieb und weniger Verschleiß im Bereich des Lichtbogendrahtbrenners bzw. der in ihm angeordneten Drahtführungselemente, was ein weiterer Vorteil ist.
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Alternativ dazu kann auch bei gleichem Kraftaufwand wie bisher ein kleinerer Biegeradius erzielt werden. Hierdurch kann der Lichtbogendrahtbrenner in sich sehr viel kleiner ausgebildet werden, beispielsweise mit einem kleineren Durchmesser, was die Beschichtung von Innenflächen von Zylinderbohrungen erleichtert und auch die Beschichtung von entsprechend kleinen Bohrungsdurchmessern, beispielsweise in Pleuelaugen oder dergleichen, sehr einfach möglich macht.
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Wie bereits erwähnt, kann der Draht in der gewünschten von der zylindrischen Form abweichenden Kontur dem Lichtbogendrahtbrenner bereits zugeführt werden. Eine vorteilhafte Anlage zum Lichtbogendrahtspritzen mit einem derartigen Lichtbogendrahtbrenner, wie er oben beschrieben worden ist, sieht es jedoch vor, dass die Anlage selbst eine Umformeinrichtung für den Draht aufweist, welche zwischen einer Vorratseinrichtung für den Draht und dem Austritt des Drahts aus den Drahtführungselementen des Lichtbogendrahtbrenners vorgesehen ist. Innerhalb der Anlage oder auch innerhalb des Lichtbogendrahtbrenners wird die Kontur des Drahtes also in der gewünschten Art und Weise in einer oder auch mehreren Umformstationen beeinflusst.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Anlage kann es dabei vorgesehen sein, dass die Umformeinrichtung wenigstens ein Rollenpaar mit einer zumindest teilweisen negativen Form der gewünschten von der zylindrischen Form abweichenden Kontur aufweist. Über das wenigstens eine Rollenpaar, welches gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung gleichzeitig Teil der Drahtvorschubeinrichtung sein kann, wird also der Draht in der Art eines Walzens umgeformt und bekommt die entsprechende Kontur. Insbesondere bei einer Kontur, welche in Vorschubrichtung des Drahtes wechselnde eingeschnürte und nicht-eingeschnürte Querschnitte aufweist, bietet die Verwendung des Rollenpaars als Teil der Drahtvorschubeinrichtung den weiteren Vorteil, dass hier der Vorschub nicht nur über einen Reibschluss sondern über einen zumindest teilweise vorhandenen Formschluss erfolgen kann, sodass die Kraftübertragung sehr viel effizienter realisiert werden kann.
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Alternativ oder ergänzend hierzu kann es in der Anlage gemäß der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die Umformeinrichtung wenigstens eine Matrize zum Durchziehen oder Durchpressen des Drahts aufweist. Der Draht kann also in der Art eines Strangpressprofils durch eine Matrize gezogen oder gepresst bzw. geschoben werden. Eine solche Matrize kann dabei aus dem zylindrischen Draht einen von der Kreisform abweichenden Querschnitt, beispielsweise einen abgeflachten Querschnitt mit geringem Biegemoment in die eine Richtung, erzeugen. Alternativ oder ergänzend kann vor oder vorzugsweise nach der Matrize dabei auch das Rollenpaar mit der zumindest teilweisen negativen Form der gewünschten Kontur vorgesehen sein, um so eine Kombination der Konturen untereinander zu ermöglichen, ohne alles über das wenigstens eine Rollenpaar realisieren zu müssen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Lichtbogendrahtbrenners sowie der Anlage zum Lichtbogendrahtspritzen ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.
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Dabei zeigen:
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1 eine prinzipmäßig angedeutete Anlage zum Lichtbogendrahtspritzen mit einem Lichtbogendrahtbrenner;
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2 drei beispielhafte Varianten zur Ausgestaltung des Querschnitts des als Elektrode zugeführten Drahts; und
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3 eine Möglichkeit der Ausgestaltung des Drahts in seiner axialen Vorschubrichtung.
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In der Darstellung der 1 ist eine prinzipiell mit 1 bezeichnete Anlage zum Lichtbogendrahtspritzen gezeigt. Diese umfasst einen Lichtbogendrahtbrenner 2, wie er prinzipiell aus dem eingangs genannten Stand der Technik bekannt ist. Diesem Lichtbogendrahtbrenner kann beispielsweise ein Draht 3 als Elektrode zugeführt werden, wie es hier beispielhaft angedeutet ist, oder es können vorzugsweise auch zwei derartige Drähte 3 analog zueinander zugeführt werden. Der hier beispielhaft dargestellte eine Draht 3 stammt von einer Drahtrolle 4 in einer Vorratseinrichtung 5 für den Draht. Er wird über eine Drahtvorschubeinrichtung 6 zu dem Lichtbogendrahtbrenner 2 geführt. Im Lichtbogendrahtbrenner 2 wird der Draht durch einen Lichtbogen zwischen dem Draht 3 und einer feststehenden Elektrode oder einen Lichtbogen zwischen dem Draht 3 und einem weiteren hier nicht dargestellten Draht aufgeschmolzen. Die aufgeschmolzenen Tröpfchen werden dann über ein Transportgas auf eine zu beschichtende Oberfläche zu bewegt, wie es durch die beiden Pfeile im Bereich des Lichtbogendrahtbrenners 2 entsprechend angedeutet ist. All dies ist soweit aus dem eingangs genannten Stand der Technik bekannt.
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In der Darstellung der 1 ist außerdem eine Umformeinrichtung 9 für den Draht 3 angedeutet. Diese soll zwischen der Vorratseinrichtung 5 für den Draht und dem Austritt des Drahts aus dem Lichtbogendrahtbrenner 2 angeordnet sein. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Umformeinrichtung 9 beispielsweise unmittelbar vor der Drahtvorschubeinrichtung 6 angedeutet. Sie umfasst in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel eine mit 11 bezeichnete Matrize, durch welche der Draht 3 durch die Drahtvorschubeinrichtung 6 hindurchgezogen wird. Durch die Matrize 11 wird eine veränderte Form des Drahts 3 bewirkt, beispielsweise wird ein runder Ausgangsquerschnitt in einen Querschnitt, wie er in den Darstellungen der 2 gezeigt ist, umgeformt. Alternativ oder ergänzend hierzu können, vorzugsweise im Bereich der Drahtvorschubeinrichtung 6, Rollen 10 in Form wenigstens eines Rollenpaars vorhanden sein. Diese Rollen 10 sind meist ohnehin vorhanden und fördern den Draht 3 durch Reibschluss. Diese Rollen 10 können nun alternativ oder ergänzend zu der Matrize 11 Teil der Umformeinrichtung 9 sein. So kann in der Oberfläche der Rollen 10 beispielsweise eine negative Form der gewünschten Kontur des Drahtes 3 vorgesehen sein, beispielsweise die in 3 dargestellte Form. Die Form aus aufeinanderfolgenden eingeschnürten und nicht-eingeschnürten Abschnitten 7, 8 kann also durch entsprechende Negativformen in dem Rollenpaar 10 erzeugt werden, welches den Draht vorteilhafterweise gleichzeitig in Richtung des Lichtbogendrahtbrenners 2 fördert. Prinzipiell wär dabei jedoch auch eine Ausgestaltung unabhängig von der Drahtvorschubeinrichtung 6, beispielsweise vor oder nach dieser oder auch in den Lichtbogendrahtbrenner 2 integriert, denkbar. Dabei kann sowohl das Rollenpaar 10 als auch die Matrize 11 entsprechend vorhanden sein. Alternativ dazu kann jedoch auch eines der beiden Mittel in der Umformeinrichtung 9 ausreihend sein.
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Als weitere Alternative ist es selbstverständlich auch denkbar, den Draht 3 bereits auf der Drahtrolle 4 entsprechend geformt vorzuhalten, sodass die Umformung gar nicht innerhalb der Anlage 1 erfolgen muss.
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Je nach Bauform des Lichtbogendrahtbrenners
2 ist es nun notwendig, den Draht
3 beispielsweise im Inneren des Lichtbogendrahtbrenners
2 über eine Umlenkung und/oder wenigstens ein Drahtführungselement umzubiegen, um ihn beispielsweise aus der senkrechten Zufuhr von oben, wie es in der Darstellung der
1 zu erkennen ist, zu einer Elektrode oder einem anderen Draht hinzuführen. Als exemplarische Beispiele für eine solche Umlenkung bzw. das Umbiegen des Drahts
3 kann auf die eingangs bereits genannten Schriften
DE 10 2005 012 360 A1 bzw.
DE 102 43 739 B3 hingewiesen werden.
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Um nun dieses Umlenken des Drahtes
3 um einen vorgegebenen Biegeradius zu erleichtern, also weniger Kraft für das Umbiegen des Drahtes zu benötigen oder bei gleichem Kraftaufwand einen kleineren Biegeradius realisieren zu können kann der Draht
3 einen „biegefreundlichen” Querschnitt aufweisen. In der Darstellung der
2a), b) und c) sind drei mögliche Ausführungsformen von Querschnitten des Drahtes
3 dargestellt. Senkrecht zur axialen Vorschubrichtung z, welche in der Darstellung der
1 und
3 prinzipmäßig angedeutet ist, sind die Querschnitte dabei so ausgebildet, dass in den beiden senkrecht aufeinander stehenden Richtungen x und y unterschiedliche Biegemomente des Drahtes
3 auftreten. Die drei hier gewählten Ausführungsbeispiele weisen jeweils in der Richtung y ein geringeres Biegemoment auf, als es in der Richtung x vorliegt, und als es ein Draht mit kreisrundem Querschnitt in der Richtung y hätte. Die von der Kreisform abweichenden Querschnitte der
2, wobei dies nur drei exemplarische Beispiele sind, und auch andere Querschnitte ebenso denkbar wären, ermöglichen so also einen geringeren Kraftaufwand bei identischem Biegeradius bzw. einen kleineren Biegeradius bei gleichem Kraftaufwand. Insbesondere bei Drahtführungselementen wie beispielsweise den keramischen Elementen in der
DE 10 2005 012 360 A1 wird dann typischerweise auch weniger Abrieb auftreten, was zu einer verbesserten Lebensdauer des Aufbaus beiträgt. Durch den geringeren Kraftaufwand bei gleichem Biegeradius und den verringerten Abrieb bzw. die verringerte Reibung kommt es außerdem zu einer verbesserten Kontinuität der Drahtzuführung durch die Drahtvorschubeinrichtung
6, sodass bereits dies zu einem homogeneren Spritzbild des Lichtbogendrahtbrenners
2 beiträgt.
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In der Darstellung der 3 ist eine alternativ oder insbesondere ergänzende Formgebung für den Draht 3 in seiner axialen Vorschubrichtung z dargestellt. Im Idealfall wechseln sich in dieser axialen Vorschubrichtung z bezüglich des Querschnitts eingeschnürte Abschnitte 7 mit nicht-eingeschnürten Abschnitten 8 ab. Die jeweiligen Querschnitte der Bereiche gemäß der 3a) sind in der 3b) für den nicht-eingeschnürten Abschnitt 8 und in der 3c) beispielhaft für den eingeschnürten Abschnitt 7 dargestellt. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind diese Querschnitte dabei kreisförmig ausgebildet. Dies muss jedoch nicht zwingend so sein. Die Querschnitte gemäß 2 können auch bei einer Ausgestaltung des Drahts in axialer Vorschubrichtung z gemäß der Ausgestaltung nach 3a) mit eingesetzt werden.
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Die eingeschnürten Abschnitte 7 des Drahts 3 in der Ausgestaltung gemäß 3 oder in einer Kombination der Ausgestaltung gemäß den 2 und 3 erlaubt dabei eine höhere Stromdichte aufgrund des alternierenden Drahtquerschnitts in der Längsrichtung z im Bereich der eingeschnürten Abschnitte 7. In der Folge kommt es daher zu einer höheren Temperatur in diesem Abschmelzbereich und zu einem größeren Magnetfeld in diesem Bereich. Dies zusammen führt zu einer verbesserten Tröpfchenablösung, wobei eine Ausgestaltung des Drahtes 3 denkbar ist, bei dem jeder der nicht-eingeschnürten Abschnitte 8 ein eigenes Tröpfchen ausbildet, erlaubt ein sehr viel homogeneres Spritzbild beim Lichtbogendrahtspritzen, als es herkömmliche Drähte tun.
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Anders als bei der Vorgehensweise gemäß dem Stand der Technik mit einem Aufschwingen des Drahtes kann der Abstand zwischen den Elektroden hier zuverlässig geregelt und gesteuert werden. Durch die verbesserte Tröpfchenablösung und die entsprechende Ausgestaltung des Drahtes 3 kann dabei nicht nur ein homogeneres Spritzbild erzielt werden, sondern letztlich kann bei gleicher oder besserer Qualität der gespritzten Schicht auch die Geschwindigkeit des Spritzprozesses entsprechend erhöht werden. Dies führt zu einer sehr effizienten Beschichtung von Oberflächen mit dem Lichtbogendrahtbrenner 2, sodass der Lichtbogendrahtbrenner 2 mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Drahtes 3 bei hoher Effizienz und Arbeitsgeschwindigkeit ein sehr homogenes Spritzbild liefert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009004581 A1 [0002]
- DE 102005012360 A1 [0002, 0024, 0025]
- DE 10243739 B3 [0002, 0024]
- DE 102009031360 A1 [0002, 0003, 0003]
- DE 102012021859 A1 [0002]
