DE10204252A1 - Verfahren und Spitzpistole zum Lichtbogenspritzen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Spritzpistole zum Lichtbogenspritzen. Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Spritzpistole für Lichtbogenspritzen zu entwickeln, die eine Verbesserung der Homogenität und der Schichthaftung ermöglichen. Die Erfindung besteht darin, dass bei einem Verfahren zum Lichtbogenspritzen, bei dem zwei Metall enthaltende Drähte (10, 11) in einem Lichtbogen (55) an deren Enden abgeschmolzen werden, bei dem weiterhin die Drähte (10, 11) von Drahtvorratsrollen (8, 9) in einem Abschmelzbereich gefördert werden, und bei dem mittels eines Düsensystems (17) durch Zuführen eines Zerstäubergases das geschmolzene Material auf eine Werkstückoberfläche geschleudert wird, mittels eines Brenners (18) synchron zum Materialauftrag mit dem Düsensystem (17) die Werkstückoberfläche (52) thermisch behandelt wird. Zur thermischen Behandlung der Werkstückoberfläche (52) ist mindestens ein Brenner (18) mit dem Düsensystem (17) baulich vereinigt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Spritzpistole zum Lichtbogenspritzen nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 2.
• Beim Beschichten von Werkstücken mit dem Lichtbogenspritzverfahren werden Draht- oder Fülldraht- Spritzzusätze in einem elektrischen Lichtbogen geschmolzen und durch ein Zerstäubergas auf die Oberfläche des Werkstückes geschleudert. Der Lichtbogen wird zwischen zwei Drahtenden erzeugt, indem die elektrisch leitenden Drähte mit einer Spannungsquelle verbunden werden und zum Zünden des Lichtbogens in Kontakt gebracht werden. Als Zerstäubergas kann Druckluft oder ein anderes Gas auf den Lichtbogen gerichtet werden, so dass sich ein Spritzstrahl ausbildet, der auf die Oberfläche des Werkstückes gerichtet ist. Eine Drahtvorschubeinrichtung sorgt für den Nachschub von abgeschmolzenen Drahtmaterial. Um die Eigenschaften, wie die Haft-Zugfestigkeit, die Härte oder die Oberflächenrauheit, thermisch gespritzter Schichten gezielt beeinflussen, werden die Werkstückoberflächen einschließlich der gespritzten Schichten wärmebehandelt. Z. B. können zum Erreichen homogener Schichten und einer Diffusionsbindung zwischen Spritzschicht und Werkstoff des Werkstückes die gespritzten Schichten auf Temperaturen im Schmelzbereich erwärmt werden. Bisher angewandte Verfahren zur thermischen Behandlung von Spritzschichten führen zu inhomogenen Schichten, insbesondere wenn die Schichten aus mehreren Komponenten bestehen. Die Schichthaftung beruht auf mechanischer Verklammerung, die keine besondere Haftzugfestigkeit aufweist. Bei Verwendung von Lasern zum thermischen Behandeln von Spritzschichten, wie z. B. beim Laserstrahlumschmelzen oder bei einem APS-Spritzprozeß mit Lasernachbehandlung, entstehen hohe Investitionskosten, wobei die Verarbeitungsgeschwindigkeiten gering sind.
• In US 5,954,112 ist ein Verfahren zum Fertigen von Werkstücken mit großem Durchmesser beschrieben, bei dem Oberflächen durch thermisches Spritzen beschichtet werden, wobei eine separate Hilfswärmequelle dazu dient, den Oberflächenbereich vor oder nach dem Spritzbereich einer Spritzpistole auf eine Temperatur nahe dem Schmelzpunkt zu bringen. Als zusätzliche Wärmequelle kann ein Laser, eine Flamme oder Induktionserwärmungseinrichtung zum Einsatz kommen. Die Bewegungen von Spritzpistole und zusätzlicher Wärmequelle lassen sich nur mit einem hohen Aufwand koordinieren.
• Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Spritzpistole für Lichtbogenspritzen zu entwickeln, die eine Verbesserung der Homogenität und der Schichthaftung ermöglichen.
• Die Aufgabe wird mit einem Verfahren und einer Spritzpistole gelöst, welche die Merkmale der Ansprüche 1 und 2 aufweisen.
• Dadurch, dass ein zusätzlicher Brenner, insbesondere ein Plasmabrenner, bewegungsmäßig direkt an einen Lichtbogendrahtbrenner gekoppelt wird, kann durch die Flamme des zusätzlichen Brenners eine Werkstückoberfläche großflächig vorerwärmt werden oder eine gespritzte Schicht kann durch Wärmezufuhr nachbehandelt werden. Beim Vorschalten der Flamme des Brenners wird das Material des Werkstückes aufgeheizt, so dass der Diffusionsprozeß zwischen Spritzschicht und Werkstückmaterial begünstigt wird. Mit der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Spritzschichten homogenisiert. Die Verbindung zwischen Werkstückmaterial und Spritzschicht beruht nach der Behandlung auf einer chemischen Bindung, die durch Diffusionsprozesse zwischen Spritzschicht und Werkstückmaterial initiiert wird. Damit verbessern sich die Hafteigenschaften. Im Vergleich zu den bekannten Verfahren sind die Aufwände für Material, Energie und Kosten gering. Die Produktivität einer Anlage, bei der ein Lichtbogendrahtbrenner und ein zusätzlicher Brenner gekoppelt sind, ist hoch im Vergleich zu separat ablaufenden thermischen Behandlungsprozessen.
• Die nach dem Verfahren hergestellten Spritzschichten besitzen eine geringe Porosität und ein homogenes Schichtgefüge. Es ist möglich, homogene Dispersionen von Legierungen herzustellen, wie sie insbesondere bei Lagerflächen gewünscht werden. Durch die thermische Behandlung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Oxidhäute zwischen den Spritzpartikeln aufgelöst, so dass die Dauerfestigkeit einer Spritzschicht verbessert wird. Weiterhin kann durch Steuern der thermischem Energie gezielt eine Phasenentmischung in den Spritzschichten herbeigeführt werden. Eine Vorbehandlung einer Werkstückoberfläche in Form von Aufrauhen, beispielsweise durch Korundstrahlen, ist nicht erforderlich, wodurch die Anzahl der Fertigungsschritte bei der Herstellung eines Bauteils verringert werden kann.
• Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles noch näher erläutert werden, es zeigen:
• Fig. 1 ein Schema einer Lichtbogendrahtspritzvorrichtung, und
• Fig. 2 und 3 Schemata zur Beschichtung und zur Nachbehandlung einer Werkstückoberfläche.
• Die in Fig. 1 gezeigte Lichtbogendrahtspritzvorrichtung besteht aus einer L-förmigen Halterung 1 zur Aufnahme einer Spritzpistole 2. Die Spritzpistole 2 ist um eine Achse 3 drehbar in Lagern 4, 5 aufgenommen, wobei die Lageraußenringe 6, 7 an der Halterung 1 befestigt sind. Die Spritzpistole 2 enthält zwei Vorratsrollen 8, 9 für Spritzdrähte 10, 11. Die Vorratsrollen 7, 8 sind gebremst um ihre Achsen 12, 13 drehbar in Richtung der Pfeile 14, 15 gelagert. Die Spritzdrähte 10, 11sind zu einem Düsenkopf 16 geführt, der am unteren Ende der Spritzpistole 2 befestigt ist. Im Düsenkopf 16 sind zwei Düsen 17, 18 vorhanden. In der Spritzdüse 17 enden die Kontaktrohre 19, 20 mit denen die Spritzdrähte 10, 11 unter einem Winkel so geführt werden, dass sie in einem Kontaktpunkt zusammentreffen. Die Zusatzdüse 18 besitzt eine Austrittsöffnung für eine Brenngas-Sauerstoffflamme. Die Austrittsöffnungen der Düsen 17, 18 weisen in die gleiche Richtung. Zum Vorschub der Spritzdrähte 10,11 durch die Kontaktrohre 19, 20 ist in der Spritzpistole 2 eine steuerbare Drahtvorschubeinrichtung 21 vorgesehen. Zum Vorschub dienen u. a. Förderrollen 22-25, welche die Spritzdrähte 10, 11 kontaktieren und in den angegebenen Pfeilrichtungen angetrieben werden. Zum Antrieb sind die Förderollen 22-25 mit nicht weiter dargestellten Motoren gekoppelt, die über Leitungen 26, 27 und Schleifkontakten 28-31 mit einer ortsfesten Steuerung in Verbindung stehen. Die Spritzdrähte 10, 11 sind über Schleifkontakte 32, 33, Schleifringe 34, 35 und weitere Schleifkontakte 36, 37 mit einer Spannungsquelle 38 verbunden. An der Halterung 1 befinden sich weiterhin Anschlussstutzen 39, 40 für ein Zerstäubergas, wie z. B. Druckluft, und ein Brenngas, wie z. B. Acetylen, Propan oder Wasserstoff. Die Anschlussstutzen 39, 40 stehen über Drehdurchführungen 41, 42 mit Kanälen 43, 44 in Verbindung, welche zu den Düsen 18, 19 führen. Zum Rotationsantrieb der Spritzpistole 2 um die Achse 3 ist ein Riementrieb, bestehend aus einer Riemenscheibe 45, welche an dem Mantel der Spritzpistole 2 befestigt ist, einer Riemenscheibe 46, die auf einer Motorwelle 47 sitzt und einem Rundriemen 48, vorgesehen. Der Motor 49 ist an der Halterung 1 befestigt, wobei seine Anschlüsse 50, 51 ebenfalls mit besagter Steuerung in Verbindung stehen. Um die gesamte Oberfläche einer Bohrung 52 eines Werkstückes 53 erfassen zu können, ist die Halterung mit der Spritzpistole 2 in vertikaler Richtung 54 mindestens über die Bohrungstiefe bzw. Werkstückdicke d positionierbar.
• Anhand der Fig. 2 und 3 soll die Durchführung des Verfahrens beschrieben werden. Durch den Vorschub der Spritzdrähte 10, 11mittels der Drahtvorschubeinrichtung 21 kommen die Drahtenden im Bereich der Spritzdüse 17 in Kontakt, wobei ein Lichtbogen 55 entsteht, der dauerhaft brennt. Gleichzeitig wird das Brennergas an der Zusatzdüse 18 entzündet, so dass eine Plasma- Flamme 56 entsteht, die senkrecht zur Achse 3 aus der Düse 18 austritt. Mittels des Motors 49 wird die Spritzpistole 2 dauernd um ihre Achse 3 gedreht. Beim Absenken der Spritzpistole 2 in die Bohrung 52 des Werkstückes 53 in vertikaler Richtung 54 geht die Plasma-Flamme 56 dem Spritzstrahl 57 voraus. Die Plasma-Flamme 56 erwärmt schraubenförmig die Oberfläche der Bohrung 52 während unmittelbar nach dem Erwärmen die im Lichtbogen 55 erschmolzenen Spritzteilchen auf die Oberfläche geschleudert werden. Mit dem Absenken der Spritzpistole bildet sich auf der Oberfläche eine Spritzschicht 58 aus. In Fig. 2 ist die Situation in einem Vorlaufmodus gezeigt, bei der die Spritzpistole 2 durch die Bohrung 52 hindurchtritt. Wenn die Plasma-Flamme 56 die Bohrung 52 verlässt, kann diese gezielt abgeschalten werden, indem die Zufuhr von Brennergas unterbrochen wird.
• In Fig. 3 ist eine Variante mit einem Nachlaufmodus gezeigt. Mit der Plasma-Flamme 56 wird eine Nachbehandlung einer zuvor aufgespritzten Spritzschicht 58 vorgenommen. Bei dieser Variante wird die Spritzpistole 2 so weit durch die Bohrung 52 gefahren, daß beide Düsen 17, 18 außerhalb der Bohrung 52 liegen. Anschließend werden der Lichtbogen 55 und die Plasma- Flamme 56 gezündet und die Spritzpistole 2, während diese rotiert, kontinuierlich nach oben gefahren. Durch den vorausgehenden Spritzstrahl 57 wird die Spritzschicht 58 schraubenförmig in einer gewünschten Dicke erzeugt. Die Verfahrgeschwindigkeit in vertikaler Richtung 54 kann so gering gewählt werden, dass die Spritzschicht 58 in nur einem Durchgang aufgebracht werden kann. Bei einem Spritzabstand von 40 mm und mit einer 10 kW-Plasma-Flamme 56 reicht ein Vorschub von nur 50 mm^-1. Die hohen Eigenspannungen, die sich in der Spritzschicht 58 ergeben, und diese im Normalfall unbrauchbar machen würden, werden durch den unmittelbar nachlaufenden Plasma-Erwärmungsprozeß mit der Plasma-Flamme 56 weitestgehend eliminiert. Dadurch, daß die Plasma-Flamme 56 dem Spritzstrahl 57 unmittelbar folgt, kann die Nachheizenergie, z. B. mit wenigen Kilowatt, relativ gering gehalten werden, so dass die Spritzpistole 2 effizient arbeitet. Analog dem Vorlaufmodus kann der Lichtbogen 55 und/oder die Zufuhr von Zerstäubergas durch die Düse 17 abgestellt werden, sobald der Spritzstrahl 57 die Bohrung 52 verlässt. Bei der thermischen Nachbehandlung der Spritzschicht 58 laufen intermetallische Diffusionsvorgänge zwischen der Spritzschicht 58 und der Oberfläche der Bohrung 52 ab, so dass eine homogene, gut haftende Spritzschicht 58 mit zu vernachlässigenden strukturellen Defekten, wie Poren oder Risse, entsteht.
• Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel begrenzt. Ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, kann die Kopplung zwischen dem Lichtbogendrahtbrenner und dem Plasmabrenner in abgewandelter Form vorgesehen werden. Z. B, können Lichtbogendrahtbrenner und/oder Plasmabrenner mehrfach oder mit verschiedenen Wirkungsrichtungen vorgesehen sein. Die Düsen 17, 18 können speziell dazu ausgebildet sein, die Form und Richtung des Spritzstrahles 57 und der Plasma-Flamme 56 gezielt zu beinflussen. Die Durchführung des Verfahrens kann mit Hilfe einer rechnerunterstützten Steuerung vorgenommen werden. Liste der verwendeten Bezugszeichen 1 Halterung
  2 Spritzpistole
  3 Achse
  4, 5 Lager
  6, 7 Lageraußenring
  8, 9 Vorratsrolle
  10, 11 Spritzdraht
  12, 13 Achse
  14, 15 Pfeil
  16 Düsenkopf
  17, 18 Düse
  19, 20 Kontaktrohr
  21 Drahtvorschubeinrichtung
  22-25 Förderrolle
  26, 27 Leitung
  28-33 Schleifkontakt
  34, 35 Schleifring
  36, 37 Schleifkontakt
  38 Spannungsquelle
  39, 40 Anschlußstutzen
  41, 42 Drehdurchführung
  43, 44 Kanal
  45, 46 Riemenscheibe
  47 Motorwelle
  48 Rundriemen
  49 Motor
  50, 51 Anschluß
  52 Bohrung
  53 Werkstück
  54 Richtung
  d Werkstückdicke
  55 Lichtbogen
  56 Plasma-Flamme
  57 Spritzstrahl
  58 Spritzschicht
  

Claims (8)

1. Verfahren zum Lichtbogenspritzen,
bei dem zwei Metall enthaltende Drähte in einem Lichtbogen an deren Enden abgeschmolzen werden,
bei dem weiterhin die Drähte von Drahtvorratsrollen in einen Abschmelzbereich gefördert werden,
und bei dem mittels eines Düsensystems durch Zuführen eines Zerstäubergases das geschmolzene Metall auf eine Werkstückoberfläche geschleudert wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass mittels eines Brenners (18) synchron zum Materialauftrag mit dem Düsensystem (17) die Werkstückoberfläche (52) thermisch behandelt wird.

2. Spritzpistole für Lichtbogenspritzen,
bestehend aus einer Einrichtung zum Abschmelzen zweier Drähte in einem Lichtbogen an deren Enden,
bestehend weiterhin aus einer Drahtvorschubeinrichtung zum Fördern der Drähte von Drahtvorratsrollen in den Abschmelzbereich der Einrichtung zum Abschmelzen,
bestehend weiterhin aus einem Düsensystem, welches mit einem Zerstäubergassystem verbunden ist, und dessen Auslassöffnung auf den Abschmelzbereich und eine Oberfläche eines Werkstückes gerichtet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur thermischen Behandlung der Werkstückoberfläche (52) mindestens ein Brenner (18) mit dem Düsensystem (17) baulich vereinigt ist.

3. Spritzpistole nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das zur thermischen Behandlung ein Plasmabrenner (18) vorgesehen ist.

4. Spritzpistole nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (18) in Vorschubrichtung (54) dem Düsensystem (17) vorgeordnet ist.

5. Spritzpistole nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (18) in Vorschubrichtung (54) dem Düsensystem (17) nachgeordnet ist.

6. Spritzpistole nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das der Brenner (18) direkt an das Düsensystem (17) gekoppelt ist.

7. Spritzpistole nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (18) und das Düsensystem (17) mit demselben Antrieb (49) gekoppelt sind.

8. Spritzpistole nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (18) zusammen mit dem Düsensystem (17) rotierbar angeordnet ist.