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Die Erfindung betrifft einen Lichtbogendrahtbrenner zur Beschichtung von Zylinderlaufflächen von Verbrennungsmotoren mittels Lichtbogendrahtspritzen sowie ein Verfahren zum Beschichten von Zylinderlaufflächen von Verbrennungsmotoren mittels eines Lichtbogendrahtbrenners.
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Zum Aufbringen von dünnen Stahlschichten auf entsprechend durch Aufrauhung vorbereitete Zylinderbohrungen in einem Leichtmetallmotorblock hat sich das Lichtbogendrahtspritzen etabliert.
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Die
DE 10 2005 012 360 B4 zeigt dazu einen geeigneten Lichtbogendrahtbrenner, der einen Ausleger aufweist, der zwei sich parallel zueinander zu einem Brennerkopf erstreckende Versorgungsrohre aufweist. Durch diese wird dem Lichtbogen sowohl Draht als auch ein Trägergas zugeführt, das über eine entsprechende Düse einen Strahl bildet. Die beiden dem Lichtbogen zuzuführenden Drähte werden über eine Rollenführung um 90° von der Vertikalen in die Horizontale umgelenkt, um dem Lichtbogen in gleicher Richtung zugeführt zu werden wie das den Strahl erzeugende Trägergas.
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Einen ebensolchen Brenner zeigt die
EP 1 238 711 B1 , wobei der Lichtbogendrahtbrenner als Innenbrenner ausgebildet ist.
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Die
DE 10 2013 200 062 A1 beschreibt einen Brenner zum thermischen Beschichten, der mit nur einem einzigen zugeführten Draht auskommt, der dem Brenner auf der zentralen Drehachse zugeführt wird. Als Gegenelektrode dient eine massive Elektrode mit Kupfermantel und Wolframkern.
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Außerdem ist aus der
DE 10 2007 004 416 A1 eine Vorrichtung zum Lichtbogendrahtspritzen bekannt, bei der zwei am Lichtbogen abschmelzende Drahtelektroden in einer Ebene dem Lichtbogen so zugeführt werden, dass der Lichtbogen auf einer zentralen Mittelachse brennt, die auch mittig zu einer zu beschichtenden Zylinderbohrung ausgerichtet ist. Eine umlaufende Gasdüse bläst den sich bildenden Metallspray dann radial gegen die Zylinderlauffläche.
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Bei der Beschichtung von Zylinderbohrungen tritt eine Verschmutzung des Brenners durch Ablagerung von fehlgeleiteten Metalltröpfchen an der Brenneraustrittsdüse auf. Die Ablagerungen werden durch sogenannten „Overspray“ verursacht, der z.B. von der Lauffläche rückprallende Partikel enthält. Außerdem zeigt sich, dass das bei großen Zylinderbohrungen durchaus zuverlässig arbeitende Lichtbogendrahtspritzverfahren bei kleinen Zylinderbohrungen weniger gut arbeitet.
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Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Lichtbogendrahtbrenner sowie ein verbessertes Verfahren zum Lichtbogendrahtspritzen anzugeben.
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Diese Aufgabe wird mit dem Lichtbogendrahtbrenner nach Anspruch 1 und mit dem Verfahren zum Lichtbogendrahtspritzen nach Anspruch 11 gelöst:
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Der erfindungsgemäße Lichtbogendrahtbrenner weist einen Ausleger auf, in dem zwei Drahtzuführungskanäle angeordnet sind. Diese sind so ausgebildet, dass die in den Drahtzuführungskanälen laufenden Drähte beide in einer gemeinsamen Ebene bis zu ihrem jeweiligen freien Ende verlaufen, an denen der Lichtbogen brennt. Weiter sind ein oder mehrere Gasleitungskanäle vorgesehen, die mit einer Düse verbunden sind. Die Düse ist so gerichtet, dass ein aus der Düse austretender Strahl rechtwinklig zu der Ebene orientiert ist, in der die Drähte geführt sind. Der Ausleger ist mit einer Positioniereinrichtung verbunden, wobei die Drehachse der Positioniereinrichtung und somit sogleich die Drehachse des Auslegers „vor“ dem Lichtbogen liegt, so dass der Strahl die Drehachse und umgekehrt auch die Drehachse den Strahl durchquerend angeordnet ist.
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Durch diese Maßnahmen wird ein insgesamt flacher Ausleger gestaltet, bei dem der Weg der in dem Lichtbogen erzeugten Metalltröpfchen von dem Lichtbogen bis zum Auftreffen auf der zu beschichtenden Fläche größer ist, als der Radius der zu beschichtenden Zylinderbohrung. Vorzugsweise ist der von dem Metalltröpfchen zurückgelegte Weg, der auch als Strahllänge bezeichnet wird, außerdem größer als der Radius des Auslegers. Der Radius des Auslegers bestimmt sich aus dem Abstand der Drehachse von der strahlabgewandten Rückseite des Auslegers.
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Ein solcher Brenner hat gegenüber Brennern mit zentrischem Lichtbogen den Vorteil einer längeren Beschleunigungsstrecke der Metalltröpfchen, so dass diese mit höherer Geschwindigkeit auf der zu beschichtenden Zylinderbohrung auftreffen. Dies kann zu einer erhöhten Beschichtungsqualität führen. Außerdem lagert sich auf diese Weise weniger Overspray an dem Ausleger und seiner Düse ab. Es werden insgesamt weniger rückprallende Partikel erzeugt, die rückprallenden Partikel können weiter abgekühlt sein, so dass ihre Anhaftungsneigung reduziert ist, und sie können von einem Spülluftstrom abgeführt werden, bevor sie den Brenner treffen.
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Die oben angegebenen geometrischen Restriktionen ermöglichen auch eine Verbesserung der Absaugung durch die Zylinderbohrung nach oben und/oder unten, was insbesondere bei Bohrungen mit geringem Durchmesser zum Tragen kommt.
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Der vergrößerte Abstand zwischen Lichtbogen und zu beschichtender Oberfläche verringert den Wärmeeintrag in die zu beschichtende Oberfläche. Dies kann der Qualität der erzeugten Beschichtung zu Gute kommen. Insbesondere ermöglicht die neue Form des Lichtbogendrahtbrenners nun auch die Beschichtung von Zylinderbohrungen mit besonders geringem Durchmesser, was dem Trend zur Verkleinerung von Antriebsmotoren für Kraftfahrzeuge entgegenkommt. Weitere Maßnahmen, die zu den oben genannten Vorzügen führen, finden sich insbesondere in den Ansprüchen 2 bis 10.
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Die Führung der beiden Drähte in einer Ebene mit oder ohne Krümmung kommt einer flachen Bauform des Brenners entgegen. Außerdem treten dadurch im Vergleich zu Brennern mit 90°-Umlenkung der Drähte bei der Erfindung wesentlich geringere Störungen des Lichtbogens auf. Ohne wesentliche Umlenkung, insbesondere ohne 90°-Umlenkung, werden Stick-Slip-Effekte zwischen Draht und Drahtführung vermieden, die ansonsten zu einer ungleichmäßigen Drahtförderung und somit einer Fluktuation der Drahtfördergeschwindigkeit führen könnten. Neben der gleichmäßigeren Drahtzuführung wird außerdem als weiterer Vorteil eine geringere Vorschubkraft und somit eine kleinere Antriebsleistung benötigt. Auch entsteht weniger Drahtabrieb und ein geringerer Verschleiß an etwaigen Führungsteilen, wie insbesondere Keramikführungen oder dergleichen.
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Wenn ein oder beide Drahtzuführungskanäle den Draht so führen, dass er innerhalb der festgelegten Ebene eine gewisse Krümmung erfährt, ist diese vorzugsweise deutlich geringer als 90°. Besonders vorzugsweise ist die den Drähten mitgeteilte Verformung ausschließlich elastischer Natur, so dass die Drähte nach Durchlaufen ihrer Krümmung dem Lichtbogen wieder auf geradem Wege zugeführt werden. Wegen der fehlenden plastischen Verformung sind im Bereich der dem Lichtbogen nahen Erwärmungszone der Drähte auch keine Entspannungsvorgänge zu beobachten, die ansonsten zu einem Zittern oder auf andere Art unruhigem Lauf der Drahtenden führen würden. Die Vermeidung solcher Zitterbewegungen führt zur Vermeidung von ungleichmäßiger Tropfenbildung und somit zu einem verbesserten Beschichtungsbild.
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Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand von Ansprüchen, insbesondere Unteransprüchen, der Zeichnung sowie der zugehörigen Beschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
- 1 eine Beschichtungsanlage mit einem erfindungsgemäßen Lichtbogendrahtbrenner in schematisierter Seitenansicht,
- 2 den Lichtbogendrahtbrenner nach 1 in einer schematisierten, vertikal geschnittenen Darstellung,
- 3 den Lichtbogendrahtbrenner nach 1 und 2 in einer schematisierten Vorderansicht und
- 4 den Lichtbogendrahtbrenner nach 2 und 3 geschnitten entlang der Linie IV - IV in 3 in schematisierter Ansicht.
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In 1 ist eine Beschichtungseinrichtung 10 mit einem Lichtbogendrahtbrenner 11 veranschaulicht, der zur Beschichtung von Zylinderbohrungen 12, 13 eines Motorblocks 14 dient. Der Lichtbogendrahtbrenner 11 ist an einer Positioniereinrichtung 15 gehalten, die relativ zu dem Motorblock 14 so positioniert ist, dass eine Drehachse, um die der Lichtbogendrahtbrenner 14 dreht, konzentrisch zu der jeweiligen Mittelachse der Zylinderbohrung 12 oder 13 ausgerichtet ist.
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Die Positioniereinrichtung 15 trägt einen in 1 lediglich symbolisch veranschaulichten Rollenträger 17, der den zur Speisung des Lichtbogendrahtbrenners 11 erforderlichen Draht bereithält und zusammen mit dem Lichtbogendrahtbrenner 11 um die Drehachse 16 dreht.
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Der Lichtbogendrahtbrenner 11 erzeugt einen kegel- oder fächerförmigen Strahl 18 aus Trägergas und geschmolzenen Metalltröpfchen, die mit dem Strahl 18 auf die Lauffläche 19 auftreffen und sich dort als Schicht ablagern.
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Wie schon aus 1 ersichtlich, ist der Lichtbogendrahtbrenner 11 so flach, dass die Quelle des Strahls 18 aus Sicht der Strahlauftreffstelle der Lauffläche 19 „hinter“ der Drehachse 16 liegt, d.h. der Strahl 18 durchquert die Drehachse 16.
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Der in den 2 und 3 gesondert veranschaulichte Ausleger 11 weist wenigstens 2 Drahtzuführungskanäle 20, 21 auf, die in 3 schematisch angedeutet sind und über die einem Lichtbogen 22 über eine nicht weiter veranschaulichte Antriebseinrichtung an seinen Enden abschmelzender Draht 23, 24 zugeführt wird. Die Antriebseinrichtung kann jeweils eine oder mehrere Antriebsrollen umfassen, die mit dem jeweiligen Draht 23, 24 in Reibeingriff stehen und diesen kontrolliert fördern.
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Außerdem sind jedem Draht 23, 24 ein oder mehrere Stromzuführungen mit Kontakten 25, 26 z.B. in Gestalt von Schleifern, Rollen, Kontaktschuhen oder dergleichen zugeordnet. Die Stromzuführungskontakte 25, 26 sind vorzugsweise, jedoch nicht zwingend, in der Nähe oder an Stellen des jeweiligen Drahts 23, 24 angeordnet, an denen dieser eine geringe Krümmung durchläuft. Vorzugsweise ist der jeweilige Draht 23, 24 zu beiden Seiten jeder Krümmung gerade, wobei die Krümmung vorzugsweise so schwach ist, dass die Verformung des Drahts 23, 24 im elastischen Bereich bleibt. Unabhängig davon werden beide Drähte 23, 24 dem Lichtbogen 22 in einer Ebene zugeführt, die, wie 2 zeigt, vorzugsweise in einem konstanten Abstand A zu der Drehachse 16 angeordnet ist. Es ist jedoch auch möglich, die von den beiden Drähten 23, 24 beschriebene Ebene in einem spitzen Winkel gegen die Drehachse 16 zu neigen.
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Die Drähte 23, 24 enden an dem Lichtbogen 22, der vorzugsweise mittig in oder vor einer Düse 27 angeordnet ist. Die Düse 27 legt eine Austrittsrichtung 28 fest, die in 2 durch eine strichpunktierte Linie angedeutet ist und die zugleich die Mittelachse des z.B. kegelförmigen Strahls 18 (1) ist. Die Austrittsrichtung 28 liegt vorzugsweise rechtwinklig zu der Drehachse 16.
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Die Düse 27 ist an mindestens einen Gasleitungskanal 29 angeschlossen, der sich längs durch den Ausleger 11 erstreckt und der Düse 27 Prozessgas, bspw. Stickstoff oder ein anderes Gas zuführt. Insbesondere kann die Düse 27 so ausgebildet sein, dass sie einen Kernstrahl und einen einhüllenden Strahl erzeugt, um einen heißen Metalltröpfchen tragenden inneren Strahl und einen einhüllenden Strahl zur Abschirmung gegen die Atmosphäre zu bilden.
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Wie insbesondere auch aus 4 ersichtlich, weist der Ausleger 11 ein Gehäuse auf, dessen Radius RBr als Abstand einer rückwärtigen, dem austretenden Strahl 18 abgewandten Stelle 30 von der Drehachse 16 festgelegt ist. Der Abstand A des Lichtbogens 22 von der Drehachse 16 ist vorzugsweise wenigstens ein Drittel, weiter vorzugsweise wenigstens halb so groß wie der Radius RBr . Außerdem bleibt die aus 4 ersichtliche Außenkontur des Horizontalschnitts des Auslegers 11 innerhalb eines Halbkreises mit dem Radius RBr . Damit ist bei der Beschichtung einer Zylinderbohrung 19 vor dem Ausleger 11 geräumig Platz für Absaugströme zur Absaugung von Overspray oder sonstigen störenden Partikeln.
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Wie 2 erkennen lässt, ist der Bohrungsradius RBo der Zylinderbohrung 12 wenigstens so groß wie der Gehäuseradius RBr .
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Durch die Anordnung der beiden Drähte 23, 24 in einer Ebene, bezogen auf die Austrittsrichtung des Strahls 18, vor der Drehachse 16 (d.h. die Drähte 23, 24 liegen bezüglich der Drehachse 16 stromaufwärts) ergibt sich ein maximaler Abstand AB von der Lauffläche 19, der deutlich größer ist als der Bohrungsradius RBo .
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Die insoweit beschriebene Beschichtungsanlage 10 arbeitet wie folgt:
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Zur Beschichtung der Lauffläche 19 der Zylinderbohrung 12 wird der Ausleger 11 wie in 1 dargestellt axial in die Zylinderbohrung 12 eingefahren. Vorzugsweise erstreckt sich der Ausleger dabei parallel zu der Drehachse 16, die zugleich die Mittelachse der Zylinderbohrung 12 ist. Mittels der Positioniereinrichtung 15 wird eine Relativdrehung zwischen Zylinderblock 14 und Lichtbogendrahtbrenner 11 bewirkt, im Rahmen derer der Zylinderblock 14 oder der Lichtbogendrahtbrenner 11 um die Drehachse 16 rotieren. Zugleich werden die beiden Drähte 23, 24 mit einem entsprechenden Generator mit elektrischer Leistung versorgt, so dass zwischen den Enden der beiden Drähte 23, 24 der Lichtbogen 22 zündet und brennt. Der Gasleitungskanal 29 und ggfs. weitere nicht dargestellte Gasleitungskanäle werden mit geeignetem Trägergas, bspw. Stickstoff oder einem anderen Gas oder Gasgemisch, beaufschlagt, so dass durch den Lichtbogen 22 von den Drähten abgeschmolzene Metalltröpfchen von dem Gasstrahl in dem Strahl 18 als Spray auf die Lauffläche 19 getragen werden. Regeleinrichtungen regulieren dabei den Drahtvorschub, den den Drähten 23, 24 zugeführten Strom und/oder den über den Gasleitungskanal 29 zugeführten Gasstrom.
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Durch die Relativbewegung in Umfangsrichtung und zusätzlich in Axialrichtung wird die Lauffläche 19 der Zylinderbohrung 12 ringsum und über die gesamte axiale Erstreckung mit einem Belag aus erstarrten Metalltröpfchen versehen.
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Die Metalltröpfchen haben an dem Lichtbogen zunächst keine nennenswerte Anfangsgeschwindigkeit. Sie werden von dem durch die Düse 27 erzeugten Gasstrahl von den Drahtenden abgenommen und in Richtung auf die Lauffläche 19 beschleunigt. Durch den Abstand A zwischen dem Lichtbogen 22 und der Drehachse 16 haben die Metalltröpfchen beim Passieren der Drehachse 16 schon eine erhebliche Geschwindigkeit und werden auf dem Rest des Weges weiter beschleunigt. Sie treffen deswegen mit hoher Geschwindigkeit auf die Lauffläche 19 auf, was den Schichtaufbau begünstigt und den Prozentsatz nicht haftender Metallpartikel, die sich anderweitig ablagern können, vermindert.
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Der erfindungsgemäße Lichtbogendrahtbrenner weist zwei in einer gemeinsamen Ebene angeordnete Drahtzuführungskanäle 20, 21 auf, die Drähte 23, 24 zu einem Lichtbogen 22 führen. Eine bezüglich des Lichtbogens 22 sowie bezüglich des Auslegers 11 ortsfeste Düse 27 erzeugt einen Strahl, der abschmelzende Metalltröpfchen mitnimmt und die Drehachse 16 des Lichtbogendrahtbrenners schneidet. Der Abstand A zwischen dem Lichtbogen 22 und der Drehachse 16 ist dabei vorzugsweise wenigstens ein Drittel, weiter vorzugsweise wenigstens halb so groß wie der Radius RBr des Brenners und/oder der Radius RBo der zu beschichtenden Bohrung.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Beschichtungsanlage
- 11
- Lichtbogendrahtbrenner
- 12, 13
- Zylinderbohrungen
- 14
- Motorblock
- 15
- Positioniereinrichtung
- 16
- Drehachse
- 17
- Rollenhalter
- 18
- Strahl
- 19
- Lauffläche
- 20, 21
- Drahtzuführungskanäle
- 22
- Lichtbogen
- 23, 24
- Draht
- 25, 26
- Stromzuführungskontakte
- A
- Abstand zwischen der Ebene der Drähte 23, 24 und der Drehachse 16
- 27
- Düse
- 28
- Austrittsrichtung der Düse 27
- 29
- Gasleitungskanal
- 30
- Stelle an der Rückseite des Auslegers 11
- RBr
- Gehäuseradius
- RBo
- Radius der Zylinderbohrung 12
- AB
- Abstand des Lichtbogens 22 von der Lauffläche 19
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005012360 B4 [0003]
- EP 1238711 B1 [0004]
- DE 102013200062 A1 [0005]
- DE 102007004416 A1 [0006]
