DE102021113514A1

DE102021113514A1 - Device and method for producing a metal spray

Info

Publication number: DE102021113514A1
Application number: DE102021113514.1A
Authority: DE
Inventors: Christian Weinmann
Original assignee: Gebrueder Heller Maschinenfabrik GmbH
Current assignee: Gebrueder Heller Maschinenfabrik GmbH
Priority date: 2021-05-26
Filing date: 2021-05-26
Publication date: 2022-12-01

Abstract

Durch die erfindungsgemäße Gasführung mit einem ersten Gasstrom (29) koaxial zu der Kathode (25), dem Draht (17) und dem Lichtbogen (30) sowie einen zweiten Gasstrom (34) außerhalb des Lichtbogens quer zu dem Draht (17) und dabei vorzugsweise radial zu diesem, wird eine Zerstäubung des Drahts (17) mit hohem Wirkungsgrad, d.h. niedrigem Energieeinsatz, ruhig brennend im Lichtbogen (30) und äußerst geringem radialen Platzbedarf erzielt. Es lassen sich sehr schlanke Lichtbogenbrenner (14) erstellen, die aufgrund ihres hohen Wirkungsgrads auch einen verminderten Kühlbedarf haben.Through the gas routing according to the invention with a first gas flow (29) coaxial to the cathode (25), the wire (17) and the arc (30) and a second gas flow (34) outside the arc transverse to the wire (17) and preferably radially to this, an atomization of the wire (17) is achieved with a high level of efficiency, i.e. low energy consumption, quiet burning in the arc (30) and an extremely small radial space requirement. Very slim arc burners (14) can be created which also have a reduced cooling requirement due to their high degree of efficiency.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Erzeugen eines Metallsprays, beispielsweise zum Beschichten von Werkstücken aus Metall oder anderen Grundmaterialien.The invention relates to a device and a method for producing a metal spray, for example for coating workpieces made of metal or other base materials.

Beispielsweise zum Beschichten von Zylinderbohrungen eines Verbrennungsmotors schlägt die DE 10 2019 126 651 A1 einen Lichtbogenbrenner vor, der dazu eingerichtet ist, einen zentral gegen die Spitze einer kegelförmigen Kathode geführten Draht mittels eines zwischen der Kathode und dem Draht brennenden Lichtbogens kontinuierlich abzuschmelzen. Ein seitlich gegen den Lichtbogen gerichteter Gasstrahl trägt abschmelzende Metalltröpfchen als Spray zu einer Werkstückoberfläche. Ähnliche sogenannte Eindrahtbrenner sind aus der DE 10 2019 126 640 A1 und der DE 10 2019 126 115 A1 bekannt.For example, to coat the cylinder bores of an internal combustion engine DE 10 2019 126 651 A1 proposes an arc torch which is set up to continuously melt a wire guided centrally against the tip of a conical cathode by means of an arc burning between the cathode and the wire. A gas jet directed laterally against the arc carries melting metal droplets as a spray to a workpiece surface. Similar so-called single-wire burners are from the DE 10 2019 126 640 A1 and the DE 10 2019 126 115 A1 known.

Weiter ist aus der EP 2 941 493 B1 sowie aus der EP 2 941 320 B1 ein Plasmabrenner bekannt, bei dem ein Draht quer zu einem zwischen dem Ende des Drahts und einer Kathode brennenden Lichtbogen dem Lichtbogen zugeführt wird. Ein erster Gasstrahl umgibt die kegelförmige Kathode und verläuft parallel zu dem Lichtbogen in Richtung auf das Werkstück. Ein Bündel zweiter Gasstrahlen wird konvergierenden auf den ersten Gasstrom hin zugeführt und mischt sich mit dem Primärgasstrahl, so dass ein Metallspray von dem Drahtende seitlich abgeht.Next is from the EP 2 941 493 B1 as well as from the EP 2 941 320 B1 a plasma torch is known in which a wire is fed to the arc across an arc burning between the end of the wire and a cathode. A first jet of gas surrounds the conical cathode and runs parallel to the arc toward the workpiece. A bundle of second gas jets is supplied converging upon the first gas stream and mixes with the primary gas jet so that a spray of metal emanates laterally from the end of the wire.

Drahtbrenner der beschriebenen Art sehen sich verschiedenen Anforderungen gegenüber, die je nach Einsatzfall, variieren können. Jedenfalls aber wird angestrebt, einen möglichst großen Teil der eingesetzten Elektroenergie zum Schmelzen des Drahts zur Erzeugung des Metallsprays zu nutzen, sodass möglichst wenig Verlustwärme im Brenner verbleibt und abgeführt werden muss. Außerdem wird angestrebt, einen möglichst stabilen Zerstäubungsprozess zu erreichen. Schließlich wird oftmals, insbesondere zur Beschichtung enger Zylinderbohrungen, eine besonders schlanke Bauform des Brenners benötigt.Wire burners of the type described are faced with various requirements that can vary depending on the application. In any case, the aim is to use as much of the electrical energy used to melt the wire to produce the metal spray as possible, so that as little heat loss as possible remains in the torch and has to be dissipated. In addition, the aim is to achieve as stable an atomization process as possible. Finally, a particularly slim design of the burner is often required, especially for coating narrow cylinder bores.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Konzept für einen Lichtbogen-Drahtbrenner mit verbesserten Eigenschaften anzugeben.Proceeding from this, it is the object of the invention to specify a concept for an arc wire torch with improved properties.

Diese Aufgabe wird mit dem erfindungsgemäßen Drahtbrenner nach Anspruch 1 ebenso gelöst wie mit dem Verfahren nach Anspruch 9.This object is achieved with the wire burner according to claim 1 according to the invention as well as with the method according to claim 9.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist ein Drahtbrenner mit einer Drahtzuführungseinrichtung zur Bewegung eines am Ende abschmelzenden Drahts in Vorschubrichtung gegen eine Kathode, die dem Draht gegenüberliegend angeordnet ist. Die Kathode weist vorzugsweise eine bezüglich der Vorschubrichtung rotationssymmetrische Form aus. Bevorzugt wird eine Form genutzt, die auf den Lichtbogenfußpunkt eine stabilisierende Wirkung ausübt. Dazu kann die Kathode beispielsweise die Form einer Kegelspitze, einer gerundeten Kegelspitze, eines endseitig gerundeten Zylinders oder dergleichen aufweisen. Dies hat insbesondere dann Vorteile, wenn während des Betriebs der Vorrichtung die Kathode und der Draht relativ zueinander eine Drehung um die Vorschubrichtung ausführen. Es können jedoch auch asymmetrische Kathodenformen Anwendung finden, die insbesondere dann zweckmäßig sein können, wenn während des Betriebs der Vorrichtung keine Relativdrehung zwischen der Kathode und dem Draht stattfindet. Mögliche Formen sind Pyramidenspitze, Keilform, L-förmig abgewinkelte Form oder dergleichen.The device according to the invention is a wire burner with a wire feed device for moving a wire that melts at the end in the feed direction against a cathode that is arranged opposite the wire. The cathode preferably has a shape that is rotationally symmetrical with respect to the feed direction. A shape is preferably used that exerts a stabilizing effect on the base of the arc. For this purpose, the cathode can have, for example, the shape of a cone tip, a rounded cone tip, a cylinder rounded at the end, or the like. This is particularly advantageous when the cathode and the wire rotate relative to one another about the feed direction during operation of the device. However, asymmetrical cathode shapes can also be used, which can be expedient in particular when there is no relative rotation between the cathode and the wire during operation of the device. Possible shapes are a pyramid tip, a wedge shape, an L-shaped angled shape or the like.

Weiter umfasst die erfindungsgenmäße Vorrichtung Mittel zur Erzeugung eines ersten Gasstroms, der von der Kathode zu dem Draht und dabei der Vorschubrichtung des Drahts entgegengesetzt ist. Vorzugsweise hüllt dieser Gasstrom den Lichtbogen und auch das abschmelzende Ende des Drahts ein. Der erste Gasstrom bildet somit einen Mantel um den Lichtbogen, der insbesondere keine nennenswerten seitlichen Kräfte auf den Lichtbogen ausübt. Insbesondere wird der Lichtbogen durch den ersten Gasstrom nicht seitlich angeblasen und somit nicht in die Länge gezogen. Energieverluste, die sonst durch eine Verlängerung des Lichtbogens durch seitliches Anblasen auftreten könnten, werden so vermieden.Furthermore, the device according to the invention comprises means for generating a first gas flow, which is opposite from the cathode to the wire and the feed direction of the wire. This gas stream preferably envelops the arc and also the melting end of the wire. The first gas stream thus forms a jacket around the arc, which in particular does not exert any appreciable lateral forces on the arc. In particular, the arc is not blown on laterally by the first gas flow and is therefore not drawn out. This avoids energy losses that could otherwise occur as a result of the arc being lengthened by blowing from the side.

Zu der Erfindung gehören weiter Mittel zur Erzeugung eines zweiten Gasstroms in einer zweiten Strömungsrichtung quer zu der Vorschubrichtung des Drahts. Damit ist der zweite Gasstrom auch quer zu dem ersten Gasstrom gerichtet. Der erste Gasstrom und der zweite Gasstrom können dazu miteinander einen rechten Winkel einschließen. Der Winkel kann jedoch auch anderweitig, z.B. als spitzer Winkel oder als stumpfer Winkel festgelegt sein. Jedenfalls aber sind die Gasströme nicht parallel zueinander.The invention also includes means for generating a second gas flow in a second flow direction transverse to the feed direction of the wire. The second gas flow is thus also directed transversely to the first gas flow. The first gas flow and the second gas flow can form a right angle with one another. However, the angle can also be defined in other ways, for example as an acute angle or as an obtuse angle. In any case, the gas streams are not parallel to each other.

Der zweite Gasstrom dient dazu, die vom Lichtbogen erzeugten und vom Drahtende abschmelzenden Metalltröpfchen, die der erste Gasstrom von dem Drahtende entgegen der Vorschubrichtung desselben wegführt, zu übernehmen und zum Werkstück oder jedem anderen geeigneten Ablagerungsort zu tragen. Die Metalltröpfchen folgen dabei zunächst der Richtung des ersten Gasstroms und werden dann von dem zweiten Gasstrom übernommen und quer zu der ersten Richtung beschleunigt. Der erste Gasstrom kann sich mit dem zweiten Gasstrom zu einem Trägergasstrom vereinigen, der den erzeugten Metallspray als Sprühstahl quer zu dem Lichtbogen abführt. Die gedachte Mittelachse des Sprühstrahls schneidet jedoch nicht den Lichtbogen sondern den Draht. Dieses Konzept führt zu einem besonders ruhig brennenden kurzen Lichtbogen mit hohem Wärmeeintrag in das Drahtende und somit hoher Schmelzleistung. Der Lichtbogen wird nicht quer angeblasen. Es ergibt sich ein verbesserter Wirkungsgrad hinsichtlich der Umsetzung elektrischer Leistung in geschmolzenes Materialvolumen. Außerdem wird durch die beschriebene Gasführung eine verbesserte Kathodenlebensdauer erreicht. Die Kathode wird durch den ersten Gasstrom gekühlt und es werden Ablagerungen von geschmolzenen Metallpartikeln auf der Kathode vermieden. Der zeitliche Verlauf von Strom und Spannung ist im Vergleich zu Eindrahtbrennern mit Queranblasung des Lichtbogens ruhiger, sodass auch der Aufwand zur Strom- und/oder Spannungsregelung vermindert werden kann.The second gas stream serves to take over the metal droplets generated by the arc and melting from the wire end, which the first gas stream carries away from the wire end against the feed direction of the same, and to carry them to the workpiece or any other suitable deposit location. The metal droplets initially follow the direction of the first gas flow and are then taken over by the second gas flow and accelerated transversely to the first direction. The first gas stream can combine with the second gas stream to form a carrier gas stream, which discharges the metal spray that is produced as a spray beam across the arc. The imaginary central axis however, the spray jet does not cut the arc but the wire. This concept results in a particularly quiet, short arc with high heat input into the wire end and thus high melting capacity. The arc is not blown across. The result is improved efficiency with regard to the conversion of electrical power into molten material volume. In addition, an improved cathode service life is achieved through the described gas routing. The cathode is cooled by the first gas flow and deposits of molten metal particles on the cathode are avoided. The course of current and voltage over time is smoother in comparison to single-wire torches with transverse blowing of the arc, so that the effort involved in current and/or voltage regulation can also be reduced.

Zu der erfindungsgemäßen Vorrichtung gehören außerdem Mittel zur Verbindung der Kathode und des Drahts mit einer elektrischen Quelle, die zur Speisung des zwischen dem Draht und der Elektrode brennenden Lichtbogens dient. Solche Mittel können beispielsweise ein fester elektrischer Anschluss an der Kathode oder an einem Kathodenhalter sowie Schleifkontakte, Rollkontakte oder dergleichen an der Drahtzuführungseinrichtung sein.The device according to the invention also includes means for connecting the cathode and the wire to an electrical source which serves to feed the arc burning between the wire and the electrode. Such means can be, for example, a fixed electrical connection on the cathode or on a cathode holder, as well as sliding contacts, rolling contacts or the like on the wire feed device.

Während der erste Gasstrom dem abschmelzenden Drahtende entgegen gerichtet ist, ist der zweite Gasstrom quer dazu vorzugsweise auf einen dem Lichtbogen zulaufenden Abschnitts des Drahts gerichtet. Damit trifft der zweite Gasstrom jedenfalls nicht den Lichtbogen. Der zweite Gasstrom kann kühlend auf den dem Lichtbogen zulaufenden Draht einwirken und sich dabei gleichzeitig erwärmen.While the first gas stream is directed in the opposite direction to the melting end of the wire, the second gas stream is directed transversely thereto, preferably towards a section of the wire running towards the arc. In any case, the second gas flow does not hit the arc. The second gas stream can have a cooling effect on the wire approaching the arc and heat up at the same time.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind der Draht und die Kathode zueinander koaxial angeordnet. Dies gilt insbesondere, wenn der Draht und die Kathode um eine gemeinsame Achse drehend angeordnet sind, wobei der Draht und/oder die Kathode dreht. Vorzugsweise sind der Draht, die Kathode und die Düse, in der die Kathode angeordnet ist, vollkommen rotationssymmetrisch ausgebildet und angeordnet. Es ist weiter zweckmäßig, wenn die Vorschubrichtung des Drahts und die Richtung des zweiten Gasstroms rechtwinklig zueinander orientiert sind.In a preferred embodiment, the wire and cathode are coaxial with one another. This is particularly true when the wire and cathode are arranged to rotate about a common axis, with the wire and/or cathode rotating. The wire, the cathode and the nozzle in which the cathode is arranged are preferably designed and arranged in a completely rotationally symmetrical manner. It is also expedient if the feed direction of the wire and the direction of the second gas stream are oriented at right angles to one another.

Es ist möglich, einen oder mehrere zusätzliche Gasströme vorzusehen, beispielsweise einen dritten Gasstrom, der sich wie ein Mantel um den zweiten Gasstrom legen kann, um diesen gegen die Umgebung abzuschirmen und auch um den Strahl aus Metallspray zusammen zu halten oder zu fokussieren.It is possible to provide one or more additional gas streams, for example a third gas stream which can wrap around the second gas stream like a jacket to shield it from the environment and also to contain or focus the jet of metal spray.

Der erste und der zweite Gasstrom können aus unterschiedlichen Gasen oder aus gleichem Gas bestehen. Insbesondere kommen reaktionsträge Gase, zum Beispiel Stickstoff in Frage. Es können auch Aktivgase, zum Beispiel CO₂ oder ähnliches oder Edelgas, wie zum Beispiel Argon zur Anwendung kommen. Vorzugsweise werden die Gasströme erzeugt, indem das jeweilige Gas einer entsprechenden Düse unter Druck zugeführt wird. Dabei werden die Gase den beiden Düsen vorzugsweise mit gleichen oder unterschiedlichen Drücken zugeführt. Vorzugsweise wird der Düse des ersten Gasstroms das Gas mit dem gleichen oder höherem Druck zugeführt als der Düse des zweiten Gasstroms. Unabhängig davon ist der Volumenstrom des zweiten Gasstroms vorzugsweise größer als der Volumenstrom des ersten Gasstroms.The first and the second gas flow can consist of different gases or of the same gas. Inert gases, for example nitrogen, are particularly suitable. Active gases, for example CO ₂ or the like, or inert gases, such as argon, can also be used. The gas streams are preferably generated by feeding the respective gas under pressure to a corresponding nozzle. The gases are preferably fed to the two nozzles at the same or different pressures. The gas is preferably fed to the nozzle of the first gas flow at the same or higher pressure than to the nozzle of the second gas flow. Irrespective of this, the volume flow of the second gas flow is preferably greater than the volume flow of the first gas flow.

Das erfindungsgemäße Verfahren führt dazu, dass der erste Gasstrom von dem Ende des Drahts abgeschmolzenes Material in Richtung von der Kathode weg im Wesentlichen parallel zu dem Draht, jedoch entgegen der Vorschubrichtung des Drahts, von dem Lichtbogen weg führt. Sobald diese Metalltröpfchen in den Bereich des zweiten Gasstrahls gelangen, werden sie von diesem quer zu dem Draht mitgenommen und von diesem weg in Richtung auf das Werkstück beschleunigt. Die geschmolzenen Metalltropfen bewegen sich somit auf einer bogenförmigen Bahn zunächst entgegen der Vorschubrichtung des Drahts und biegen dann quer zu dieser ab.The method according to the invention results in the first gas stream guiding material melted off the end of the wire in a direction away from the cathode essentially parallel to the wire, but counter to the feed direction of the wire, away from the arc. As soon as these metal droplets reach the area of the second gas jet, they are carried along by it transversely to the wire and accelerated away from it in the direction of the workpiece. The molten metal droplets thus initially move on an arcuate path in the opposite direction to the feed direction of the wire and then bend transversely to it.

Die Beschleunigung der Metalltropfen in Richtung auf das Werkstück wird somit in eine Zone verlagert, die von dem Lichtbogen distanziert ist, sodass der Lichtbogen durch den zur Erzeugung des Metallsprays dienenden zweiten Gasstrom nicht beeinträchtigt oder beeinflusst wird,The acceleration of the metal drops in the direction of the workpiece is thus shifted to a zone that is distanced from the arc, so that the arc is not affected or influenced by the second gas flow used to generate the metal spray,

Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Figuren, der beigefügten Zeichnung sowie der zugehörigen Beschreibung und aus Unteransprüchen. In der Zeichnung zeigen:

1 einen erfindungsgemäßen Eindrahtbrenner in schematisierter Seitenabsicht,
2 den Eindrahtbrenner nach 1 im grundsätzlichen Aufbau,
3 eine schematische Darstellung der Gasführung bei dem Eindrahtbrenner nach 1 und 2 und
4 eine Draufsicht auf die Kathode des Eindrahtbrenners nach 1 bis 3.

Further details of advantageous embodiments of the invention result from the figures, the attached drawing and the associated description and from the dependent claims. Show in the drawing:

1 a single-wire burner according to the invention in a schematic side view,
2 the single-wire torch 1 in the basic structure,
3 a schematic representation of the gas flow in the single-wire burner 1 and 2 and
4 a top view of the cathode of the single-wire burner 1 until 3 .

In 1 ist eine Vorrichtung 10 zur Erzeugung eines Metallsprays 11 veranschaulicht, die beispielsweise dazu benutzt werden kann, auf einem Werkstück 12 eine Beschichtung 13 aus Metall zu erzeugen. Das Werkstück 12 kann ein aus Metall bestehendes Werkstück, beispielsweise ein Zylinderblock eines Verbrennungsmotors, sein, dessen Zylinderlauffläche mit der Beschichtung 13 zu versehen ist. In diesem Fall kann das Werkstück 12 aus einer Aluminiumlegierung bestehen, während die Beschichtung 13 vorzugsweise aus Stahl besteht. Eine Beschichtung 13 kann jedoch auch an anderen Werkstücken aus Metall oder auch einem Nichtmetall, zum Beispiel Keramik, angebracht werden. Die Beschichtung 13 kann wie erwähnt aus Stahl oder aus einem anderen Metall bestehen.In 1 a device 10 for generating a metal spray 11 is illustrated, which can be used, for example, on a Workpiece 12 to produce a coating 13 of metal. The workpiece 12 can be a metal workpiece, for example a cylinder block of an internal combustion engine, the cylinder running surface of which is to be provided with the coating 13 . In this case, the workpiece 12 can be made of an aluminum alloy, while the coating 13 is preferably made of steel. However, a coating 13 can also be applied to other workpieces made of metal or a non-metal, for example ceramics. As mentioned, the coating 13 can consist of steel or another metal.

Der Metallspray 11 bildet einen Strahl mit einem auf das Werkstück 12 gerichteten Impuls. Dieser Strahl geht von einem Lichtbogenbrenner 14 aus, der bezüglich des Werkstücks 12 über nicht weiter veranschaulichte Mittel auf einer gewünschten Bahn geführt wird. Weist das Werkstück 12 eine zu beschichtende Bohrung auf, ist der Lichtbogenbrenner 14 typischerweise an einer Führungseinrichtung befestigt, die den Lichtbogenbrenner 14 sowohl um eine Achse 15 drehen sowie auch entlang derselben bewegen kann.The metal spray 11 forms a jet with an impulse directed towards the workpiece 12 . This beam emanates from an arc torch 14 which is guided in a desired path with respect to the workpiece 12 by means not further illustrated. If the workpiece 12 has a bore to be coated, the arc torch 14 is typically attached to a guide device which can both rotate the arc torch 14 about an axis 15 and also move it along the same.

Dem Lichtbogenbrenner 14 werden mindestens ein von einer Gasquelle 16 hergeleitetes Gas, beispielsweise Stickstoff, ein Draht 17 und elektrischer Strom von einer zugehörigen geeigneten Quelle 18, beispielsweise einem Schweißstromgenerator, zugeleitet.The arc-torch 14 is supplied with at least one gas, such as nitrogen, derived from a gas source 16, a wire 17, and electrical current from an associated suitable source 18, such as a welding power generator.

Der prinzipielle Aufbau des Lichtbogenbrenners 14 ist in 2 veranschaulicht. Zu dem Lichtbogenbrenner 14 gehört eine Drahtführungseinrichtung 20, die den Draht 17, unabhängig davon, ob der Lichtbogenbrenner 14 um die Achse 15 dreht oder nicht, vorzugsweise koaxial zu der Achse 15 führt. Die Längsrichtung des Drahts 17 stimmt dabei mit der Achse 15 überein. Als Bestandteil des Lichtbogenbrenners 14 oder eines ihm zugeordneten Aggregats kann eine Fördereinrichtung 21 vorgesehen sein, um den Draht 17 aus einem Vorrat 19 in Vorschubrichtung 22 entlang der Achse 15 zu bewegen. Die Fördereinrichtung 21 kann zum Beispiel ein, zwei oder mehrere mit dem Draht 18 in Reibeingriff stehende Antriebsräder 23, 24 aufweisen, zwischen denen der Draht 17 läuft und von denen wenigstens eines angetrieben ist, um den Draht 17 in Vorschubrichtung 22 zu bewegen.The basic structure of the arc torch 14 is shown in 2 illustrated. The arc torch 14 includes a wire guide device 20 which guides the wire 17, preferably coaxially with the axis 15, regardless of whether the arc torch 14 rotates about the axis 15 or not. The longitudinal direction of the wire 17 coincides with the axis 15 . A conveyor device 21 can be provided as part of the arc torch 14 or a unit assigned to it, in order to move the wire 17 from a supply 19 in the feed direction 22 along the axis 15 . The conveyor device 21 can have, for example, one, two or more drive wheels 23, 24 which are in frictional engagement with the wire 18 and between which the wire 17 runs and at least one of which is driven in order to move the wire 17 in the feed direction 22.

Dem freien Ende 17a des Drahts in einem Abstand gegenüberliegend ist eine Kathode 25 angeordnet, die vorzugsweise aus einem hitzebeständigen Metall, wie insbesondere Wolfram oder einer Wolframlegierung, besteht. Die Kathode 25 kann an ihrem dem Draht 17 zugewandten Ende kegelförmig ausgebildet sein, wobei sie vorzugsweise konzentrisch zu der Achse 15 angeordnet ist. Es wird aber darauf hingewiesen, dass die Kathode 25 auch abweichende Formen aufweisen kann. Sie kann eine gerundete Spitze aufweisen. Bei Anwendungen, bei denen der Lichtbogenbrenner 14 nicht um die Achse 15 gedreht wird, kann sie auch eine nicht rotationssymmetrische asymmetrische Form aufweisen.Spaced opposite the free end 17a of the wire is a cathode 25, preferably made of a refractory metal such as tungsten or a tungsten alloy. The cathode 25 can be conical at its end facing the wire 17 , it being preferably arranged concentrically to the axis 15 . However, it is pointed out that the cathode 25 can also have different shapes. It can have a rounded tip. In applications where the arc-torch 14 is not rotated about the axis 15, it can also have a non-rotationally symmetrical, asymmetrical shape.

Die elektrische Quelle 18 ist mit einem Pol mit einer Stromzuführungseinrichtung 26 verbunden, die mit dem Draht 17 in elektrischen Kontakt steht. Die Stromzuführungseinrichtung kann durch einen oder mehrere Schleifkontakte oder, wie in 2 angedeutet, durch die Drahtführungseinrichtung 20 gebildet sein. Der andere Pol der elektrischen Quelle 18 ist mit der Kathode 25 verbunden.The electrical source 18 has one pole connected to a power supply device 26 which is in electrical contact with the wire 17 . The power supply device can be replaced by one or more sliding contacts or, as in 2 indicated, be formed by the wire guide device 20. The other pole of the electrical source 18 is connected to the cathode 25 .

Die Kathode 25 ist in einem nicht weiter veranschaulichten Sockel gehalten, der vorzugsweise gekühlt ist. The cathode 25 is held in a base which is not illustrated in any more detail and which is preferably cooled.

Zur Kühlung kann der Sockel mit wasserführenden Kanälen durchsetzt oder thermisch verbunden sein. Alternativ oder ergänzend können Gasführungskanäle zur Kühlung vorgesehen werden.For cooling, the base can be interspersed with water-carrying channels or thermally connected. Alternatively or additionally, gas ducts can be provided for cooling.

Die Kathode 25 ist vorzugsweise von einer ersten Düse 27 umgeben, die mit der aus 1 ersichtlichen Gasquelle 16 oder auch einer anderweitigen Gasquelle in Verbindung stehen kann. Etwaige Mittel zum Freigeben und Sperren des Gasstroms sowie zur Druckregulierung sind nicht weiter veranschaulicht und können als Bestandteil der Gasquelle 16 verstanden werden.The cathode 25 is preferably surrounded by a first nozzle 27, which is connected to the 1 visible gas source 16 or another gas source can be connected. Any means for releasing and blocking the gas flow and for regulating the pressure are not illustrated in any more detail and can be understood as part of the gas source 16 .

Die Düse 27 umgibt die Kathode 25 vorzugsweise konzentrisch und weist somit, wie 4 andeutet, eine etwa ringförmige Gasaustrittsöffnung 28 auf. Die Gasaustrittsöffnung 28 kann alternativ auch in einen Kranz von Einzelöffnungen aufgeteilt sein. Die Düse 27 kann die Kathode 25 überragen, so dass die Kathode 25 in der Düse 27 versenkt ist. In diesem Fall ist die Düse vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Material aufgebaut. Ist sie elektrisch leitend, ist sie von der Kathode 25 vorzugsweise elektrisch isoliert. Die Kathode 25 kann auch aus der Düse 27 heraus ragend angeordnet sein. Die Düse 27 kann wiederum aus elektrisch leitendem oder elektrisch isolierendem Material, insbesondere Metall ausgebildet sein.The nozzle 27 surrounds the cathode 25 preferably concentrically and thus has how 4 indicates an approximately annular gas outlet opening 28 . Alternatively, the gas outlet opening 28 can also be divided into a ring of individual openings. The nozzle 27 can protrude beyond the cathode 25 so that the cathode 25 is sunk into the nozzle 27 . In this case, the nozzle is preferably constructed from an electrically insulating material. If it is electrically conductive, it is preferably electrically isolated from the cathode 25 . The cathode 25 can also be arranged protruding from the nozzle 27 . The nozzle 27 can in turn be made of electrically conductive or electrically insulating material, in particular metal.

Aus der Gasaustrittsöffnung 28 tritt ein erster Gasstrom 29 heraus, der in 2 und 3 durch entsprechende Pfeile angedeutet ist. Der erste Gasstrom 29 ist der Vorschubrichtung 22 des Drahts 17 entgegengerichtet und somit im Wesentlichen parallel zu der Achse 15. Der Gasstrom 29 wird mit einem aus der Quelle 16 zugeführten Gas erzeugt, das vor Austritt aus der Gasaustrittsöffnung 28 einen Druck p₁ ausweist.A first gas flow 29 emerges from the gas outlet opening 28 and 2 and 3 is indicated by corresponding arrows. The first gas flow 29 is directed in the opposite direction to the feed direction 22 of the wire 17 and is thus essentially parallel to the axis 15. The gas flow 29 is generated with a gas supplied from the source 16, which has a pressure p ₁ before exiting the gas outlet opening 28.

Zwischen dem Ende 17a des Drahts 17 und der auf der Achse 15 liegenden Spitze der Kathode 25 besteht ein Abstand L (siehe 3), der in Betrieb durch einen Lichtbogen 30 überbrückt wird. In dem Lichtbogen fließt zwischen dem Draht 17 und der Kathode 25 ein Strom, der zum laufenden Abschmelzen des Endes 17a des stets nachgeführten Drahts 17 führt.There is a distance L between the end 17a of the wire 17 and the tip of the cathode 25 lying on the axis 15 (see Fig 3 ), which is bridged by an arc 30 during operation. In the arc, a current flows between the wire 17 and the cathode 25, which leads to the continuous melting of the end 17a of the wire 17 that is constantly being fed.

Zu dem Lichtbogenbrenner 14 gehört außerdem eine zweite Düse 31, die eine Gasaustrittsrichtung quer zu dem Draht 17 und somit quer zu der Achse 15 festlegt. Die Austrittsrichtung der Düse 31 ist in 2 durch eine strichpunktierte Linie 32 symbolisiert, die zugleich die Achse bzw. das Zentrum eines aus dem Lichtbogenbrenner 14 austretenden Sprühstrahls 33 markiert. Der Winkel zwischen der Austrittsrichtung 32 und der Achse 15 ist bevorzugt ein rechter Winkel oder ein im Wesentlichen rechter Winkel. Der Winkel kann aber auch ein spitzer oder ein stumpfer Winkel sein.The arc torch 14 also includes a second nozzle 31 which defines a gas exit direction transverse to the wire 17 and thus transverse to the axis 15 . The outlet direction of the nozzle 31 is in 2 symbolized by a dash-dotted line 32 which also marks the axis or the center of a spray jet 33 emerging from the arc torch 14 . The angle between the exit direction 32 and the axis 15 is preferably a right angle or a substantially right angle. However, the angle can also be an acute or an obtuse angle.

Die Düse 31 ist an die Gasquelle 16 oder eine anderweitige Gasquelle angeschlossen. Etwaige Elemente zur Sperrung und Freigabe des Gasstroms und zur Druckregulierung sind als Bestandteil der Gasquelle 16 oder einer anderen Gasquelle zu verstehen. Vorzugsweise ist die Gasquelle 16 dabei so beschaffen, dass das der Düse 31 zugeführte Gas einen Druck p₂ aufweist. Vorzugsweise ist der Druck p₂ geringer oder höchstens genauso groß wie der Druck p₁ des ersten Gasstroms 29.The nozzle 31 is connected to the gas source 16 or another gas source. Any elements for blocking and releasing the gas flow and for regulating the pressure are to be understood as part of the gas source 16 or another gas source. The gas source 16 is preferably designed in such a way that the gas supplied to the nozzle 31 has a pressure p ₂ . The pressure p ₂ is preferably lower than or at most the same as the pressure p ₁ of the first gas stream 29.

Aus der Düse 31 tritt ein zweiter Gasstrom 34 aus, der mit seiner Austrittsrichtung 32 den Draht 17 oberhalb seines Endes 17a und somit oberhalb des Lichtbogens 30 trifft. Der zweite Gasstrom 34 verläuft somit quer zu der Achse 15, quer zu dem Draht 17 und quer zu dem ersten Gasstrom 29. Der Abstand A der Achse 32 des zweiten Gasstroms 34 von dem Ende 17a des Drahts 17 ist dabei vorzugsweise mindestens ebenso groß und vorzugsweise größer als die Länge des Lichtbogens L.A second gas stream 34 emerges from the nozzle 31 and, with its exit direction 32 , hits the wire 17 above its end 17a and thus above the arc 30 . The second gas flow 34 thus runs transversely to the axis 15, transversely to the wire 17 and transversely to the first gas flow 29. The distance A of the axis 32 of the second gas flow 34 from the end 17a of the wire 17 is preferably at least as large and preferably greater than the length of the arc L.

Aus Sicht der Düse 31 hinter dem Draht 17, d.h. stromabwärts zu diesem liegend, kann eine weitere Düse 35 vorgesehen sein, die den austretenden Sprühstrahl 33 formt und/oder begrenzt.A further nozzle 35 may be provided behind the wire 17 as seen from the nozzle 31, i.e. lying downstream of it, which nozzle shapes and/or limits the spray jet 33 which emerges.

Der insoweit beschriebene Lichtbogenbrenner 14 arbeitet wie folgt:The arc torch 14 described so far works as follows:

Im Betrieb wird dem Lichtbogenbrenner 14 aus dem Vorrat 19 fortwährend der Draht 17 zugeführt. Die Quelle 16 versorgt sowohl die erste Düse 27 als auch die zweite Düse 31 mit jeweils unter den Drücken p₁ und p₂ stehendem Gas, sodass sich der erste Gasstrom 29 parallel zu der Drehachse 15 und der zweite Gasstrom 34 quer zu der Drehachse 15 aufbaut. Durch Aktivierung der elektrischen Quelle 18 zündet zwischen dem Ende 17a des Drahts 17 und der Kathode 25 der Lichtbogen 30, der somit konzentrisch auf der Achse 15 gehalten ist. Der Lichtbogen 30, der typischerweise eine Länge zwischen 1 mm und 5 mm in den meisten Fällen zwischen 2 mm und 3 mm hat, bewirkt in erster Line eine Aufheizung und Aufschmelzung des Endes 17a des Drahtes 17.During operation, the wire 17 is continuously fed to the arc torch 14 from the supply 19 . The source 16 supplies both the first nozzle 27 and the second nozzle 31 with gas at pressures p ₁ and p ₂ , so that the first gas stream 29 builds up parallel to the axis of rotation 15 and the second gas stream 34 builds up transversely to the axis of rotation 15 . Activation of the electrical source 18 ignites the arc 30 between the end 17a of the wire 17 and the cathode 25, which arc is thus held concentrically on the axis 15. The arc 30, which typically has a length between 1 mm and 5 mm, in most cases between 2 mm and 3 mm, primarily causes the end 17a of the wire 17 to be heated and melted.

Der erste Gasstrom 29 hüllt den Lichtbogen 30 ein und trägt von dem Ende 17a abschmelzende Metalltropfen entgegen der Vorschubrichtung 22 des Drahts 17 in den quer verlaufenden zweiten Gasstrom 34 ein. Dieser beschleunigt nun die mit dem ersten Gasstrom 29 ankommenden Metalltropfen in Querrichtung entlang der zweiten Achse 32, d.h. radial der (Dreh-)Achse 15.The first gas flow 29 envelops the arc 30 and, from the end 17a, carries melting metal droplets into the second gas flow 34 running transversely, counter to the feed direction 22 of the wire 17 . This now accelerates the metal droplets arriving with the first gas flow 29 in the transverse direction along the second axis 32, i.e. radially of the (rotational) axis 15.

Bei der Vereinigung der beiden Gasströme 29, 34 zu einem aus der Austrittsdüse 35 austretenden Sprühstrahl werden die Metalltröpfchen als Metallspray 11 mitgerissen und in Richtung zu dem Werkstück 12 beschleunigt. Durch die von dem zweiten Gasstrom 34 erzwungene Richtungsänderung des ersten Gasstroms 29 aus der Axialrichtung in die Radialrichtung können auf die Metalltröpfchen einwirkende Scherkräfte erzeugt werden, die eine Zerstäubung fördern, was zu einer Vergleichmäßigung des Metallsprays 11 beitragen kann. Der Lichtbogen 30 brennt dabei in einer ruhigen Zone, die von der Querströmung des zweiten Gasstroms 34 distanziert und somit getrennt ist.When the two gas streams 29, 34 combine to form a spray jet emerging from the outlet nozzle 35, the metal droplets are entrained as metal spray 11 and accelerated in the direction of the workpiece 12. The change in direction of the first gas flow 29 forced by the second gas flow 34 from the axial direction to the radial direction can generate shearing forces acting on the metal droplets, which promote atomization, which can contribute to making the metal spray 11 more uniform. The arc 30 burns in a quiet zone that is distanced from the transverse flow of the second gas flow 34 and is therefore separated.

Der erfindungsgemäße Lichtbogenbrenner 14 weist eine Kathode 25 und einen in Vorschubrichtung 22 geführten Draht 17 auf, der koaxial zu einer Drehachse 15 geführt sind. Während die Kathode 25 mit dem Lichtbogenbrenner 14 drehend geführt werden kann, kann der Draht 17 ohne Drehung axial auf der Drehachse 15 geführt werden. Bei anderen Anwendungen kann eine gewünschte drehende oder drehpendelnde Relativbewegung zwischen dem Draht 17 und dem Lichtbogenbrenner 14 auch durch entsprechende (Dreh-)Bewegung des Drahts 17 oder eine kombinierte Bewegung des Lichtbogenbrenners 14 und des Drahts 17 erreicht werden. So kann bei nicht drehendem Lichtbogenbrenner 14 dennoch ein gleichmäßiger Drahtabbrand erreicht werden.The arc torch 14 according to the invention has a cathode 25 and a wire 17 which is guided in the feed direction 22 and is guided coaxially to an axis of rotation 15 . While the cathode 25 can be guided in rotation with the arc torch 14, the wire 17 can be guided axially on the axis of rotation 15 without rotation. In other applications, a desired rotational or rotationally oscillating relative movement between the wire 17 and the arc torch 14 can also be achieved by a corresponding (rotary) movement of the wire 17 or a combined movement of the arc torch 14 and the wire 17 . Thus, with the arc torch 14 not rotating, a uniform wire burn-off can nevertheless be achieved.

Zwischen dem Ende 17a des Drahts 17 und der Kathode 25 brennt ein Lichtbogen 30, der von einem ersten axialen, in Richtung der Drehachse 15 fließenden Gasstrom 29 eingehüllt wird. Der Gasstrom 29 umgibt den Lichtbogen 29 vorzugsweise koaxial und schafft somit eine ruhige Brennzone für den Lichtbogen 30. Der erste Gasstrom 29 nimmt von dem Ende 17a des Drahts 17 abschmelzende Metalltröpfchen axial mit und führt diese in einen radialen zweiten Gasstrom 34 ein, der den Draht 17 oberhalb des Lichtbogens 30 quert. Der zweite Gasstrom 34 trifft den Draht 17 in einem Abstand zu dem Ende 17a des Drahts 17 und übernimmt dort die abgeschmolzenen von dem ersten Gasstrom 29 herangeführten Metalltröpfchen zur Ausbildung eines Sprühstrahls 33. Der zweite Gasstrom 34 beschleunigt die Metalltröpfchen in Richtung auf das Werkstück 12, um die Metalltröpfchen auf diesem abzulagern und so eine Beschichtung 13 zu erzeugen.Between the end 17a of the wire 17 and the cathode 25, an arc 30 burns, which is enveloped by a first axial gas stream 29 flowing in the direction of the axis of rotation 15. The gas flow 29 surrounds the arc 29 preferably coaxially and thus creates a quiet burning zone for the arc 30. The first gas flow 29 axially entrains metal droplets melting from the end 17a of the wire 17 and introduces them into a radial second gas flow 34 which feeds the wire 17 above the arc 30 traverses. The second gas flow 34 hits the wire 17 at a distance from the end 17a of the wire 17 and takes over the melted metal droplets brought by the first gas flow 29 to form a spray jet 33. The second gas flow 34 accelerates the metal droplets in the direction of the workpiece 12, to deposit the metal droplets thereon and thus produce a coating 13.

Durch die erfindungsgemäße Gasführung mit einem ersten Gasstrom 29 koaxial zu der Kathode 25, dem Draht 17 und dem Lichtbogen 30 sowie mit einem zweiten Gasstrom 34 außerhalb des Lichtbogens quer zu dem Draht 17 und dabei vorzugsweise radial zu diesem, wird eine Zerstäubung des Drahts 17 mit hohem Wirkungsgrad, d.h. niedrigem Energieeinsatz, ruhig brennendem Lichtbogen 30 und äußerst geringem radialen Platzbedarf erzielt. Es lassen sich sehr schlanke Lichtbogenbrenner 14 erstellen, die aufgrund ihres hohen Wirkungsgrads auch einen verminderten Kühlbedarf und eine hohe Kathodenstandzeit haben. Infolge der erfindungsgemäßen Gasführung, insbesondere indem der zweite Gasstrom 34 den Lichtbogen 30 nicht berührt oder wenigstens nicht durchquert, wird ein Spraystrahl mit relativ niedriger Tröpfchentemperatur erreicht, wodurch der Wärmeeintrag in das zu beschichtende Werkstück gemindert werden kann.The gas routing according to the invention with a first gas flow 29 coaxial to the cathode 25, the wire 17 and the arc 30 and with a second gas flow 34 outside the arc transverse to the wire 17 and preferably radially to it, atomization of the wire 17 with high efficiency, i.e. low energy consumption, a quietly burning arc 30 and an extremely small radial space requirement. Very slim arc burners 14 can be created which, because of their high efficiency, also have a reduced cooling requirement and a long cathode service life. As a result of the gas routing according to the invention, in particular because the second gas stream 34 does not touch or at least does not cross the arc 30, a spray jet with a relatively low droplet temperature is achieved, which means that the heat input into the workpiece to be coated can be reduced.

BezugszeichenlisteReference List

1010: Vorrichtung zur Erzeugung eines Metallsprays 11Device for generating a metal spray 11
1111: Metallspraymetal spray
1212: Werkstückworkpiece
1313: Beschichtungcoating
1414: Lichtbogenbrenner / BrennerkopfArc Torch / Torch Head
1515: Achseaxis
1616: Gasquellegas source
1717: Drahtwire
17a17a: Ende des Drahts 17End of wire 17
1818: elektrische Quelleelectrical source
1919: Drahtvorratwire stock
2020: Drahtführungseinrichtungwire guide device
2121: Fördereinrichtungconveyor
2222: Vorschubrichtungfeed direction
23, 2423, 24: Antriebsräderdrive wheels
2525: Kathodecathode
2626: Stromzuführungseinrichtungpower supply device
2727: erste Düsefirst nozzle
2828: Gasaustrittsöffnunggas outlet opening
2929: erster Gasstromfirst gas stream
29a29a: erste Strömungsrichtungfirst direction of flow
p1p1: Druck des ersten Gasstroms vor AustrittPressure of the first gas stream before exit
3030: LichtbogenElectric arc
3131: zweite Düsesecond nozzle
3232: Achse/ZentrumAxis/Center
3333: Sprühstrahlspray jet
3434: zweiter Gasstromsecond gas stream
p2p2: Druck des zweiten Gasstroms vor AustrittPressure of the second gas stream before exit
3535: Austrittsdüseoutlet nozzle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

DE 102019126651 A1 [0002]
DE 102019126640 A1 [0002]
DE 102019126115 A1 [0002]
EP 2941493 B1 [0003]
EP 2941320 B1 [0003]

Claims

Device (10) for generating a metal spray (11), with a wire (17) guided by a wire guide device (20) and movably guided in a feed direction (22), with a cathode (25) which is arranged opposite the wire (17) so that the feed direction (22) points towards the cathode (25), with means for generating a first gas flow (29) from the cathode (25) to the wire (17) in a first flow direction (29a) opposite to the feed direction (22) and with means for generating a second gas flow (34) in a second flow direction (32) transverse to the feed direction (22).

device after claim 1 characterized in that the cathode (25) and wire (17) are electrically connected to an electrical source (18) for initiating and maintaining an arc (30) between the wire (17) and the cathode (25). .

device after claim 2 , characterized in that the arc (30) is directed parallel to the first flow direction (29a).

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the second gas flow (34) is directed onto a section of the wire (17) running towards the arc (30).

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the first gas stream (29) is set up to transfer material melting off the wire (17) into the second gas stream (34) counter to the feed direction (22) of the wire (17).

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the wire (17) and the cathode (25) are arranged coaxially to one another.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the wire (17) and the cathode (25) are arranged to rotate in relation to one another about a common axis (15).

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the cathode (25) is designed as a cone, between the tip of which and a melting end (17a) of the wire (17) the arc (30) is held.

A method of producing a metal spray (11) comprising: a wire (17) is guided in a feed direction (22) towards a cathode (25) by means of a wire guide device (20), between the end (17a) of the wire (17) pointing towards the cathode (25) and the cathode (25) an arc (30) is maintained to continuously melt the wire (17), by means of a first gas stream (29) melting material from the wire (17) is guided away from the cathode (25) against the feed direction (22) of the wire (17) away from the arc (30) and transferred into a second gas stream (34). is, which touches the wire (17) transversely to the feed direction (22).

procedure after claim 9 , characterized in that melting material is conveyed to a workpiece (12) by means of the second gas flow (34).