DE202008012418U1 - Vorrichtung zum Lichtbogendrahtspritzen - Google Patents

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    • B05B13/0636Arrangements of nozzles or spray heads specially adapted for treating the inside of hollow bodies by means of rotatable spray heads or nozzles

Abstract

Spritzvorrichtung (1) zum Lichtbogen-Drahtspritzen, umfassend Mittel zum Führen zweier Elektroden mit jeweiligen Enden, zwischen denen in einem Brennerkopf (5) ein Lichtbogen durch Anlegen einer Spannung erzeugbar ist, wobei zumindest eine der Elektroden im Bereich des Lichtbogens schmelzbar und zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens nachführbar ist, wobei geschmolzene Partikel in Richtung (R) einer zu beschichtenden Innenfläche eines Hohlkörpers transportierbar und auf der Innenfläche abscheidbar sind, wobei die Spritzvorrichtung (1) im Brennerkopf (5) eine Brennkammer (10) aufweist, der ein Brenngas zuführbar ist, das in der Brennkammer (10) verbrennbar ist, wobei durch eine durch die Verbrennung bedingte Expansion von Verbrennungsgasen die geschmolzenen Partikel in Richtung (R) der Innenfläche beschleunigbar sind, wobei zumindest ein den Brennerkopf (5) umfassender Teil der Spritzvorrichtung (1) zum Beschichten der Innenfläche rotierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Brennerkopf (5) eine Umlenkvorrichtung (12) zum Umlenken der Elektrode vor ihrem Ende um etwa 90° vorgesehen ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Lichtbogendrahtspritzen, wobei zwischen jeweiligen Enden zweier Elektroden ein Lichtbogen durch Anlegen einer Spannung erzeugt wird, wobei zumindest eine der Elektroden im Bereich des Lichtbogens geschmolzen und zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens nachgeführt wird, wobei geschmolzene Partikel in Richtung einer zu beschichtenden Innenfläche eines Hohlkörpers transportiert und auf der Innenfläche angelagert werden, wobei der Spritzvorrichtung zumindest ein Brenngas zugeführt wird, das in einer Brennkammer verbrannt wird und durch eine durch die Verbrennung bedingte Expansion von Verbrennungsgasen die geschmolzenen Partikel in Richtung der Innenfläche beschleunigt, wobei zumindest ein Teil der Spritzvorrichtung zum Beschichten der Innenfläche rotiert wird.
  • Bei der Herstellung von Verbrennungsmotoren wird aus Gründen der Energieeffizienz und der Emissionsreduzierung eine möglichst geringe Reibung und eine hohe Abrieb- und Verschleißfestigkeit angestrebt. Hierzu werden Motorbauteile, wie zum Beispiel Zylinderbohrungen, Ventilsitze und Lagersitze mit Schichten versehen, die mittels thermischen Spritzens, insbesondere Lichtbogendrahtspritzen aufgebracht werden. Üblicherweise wird beim Lichtbogendrahtspritzen zwischen zwei drahtförmigen Spritzwerkstoffen ein Lichtbogen durch Anlegen einer Spannung erzeugt. Dabei schmelzen die Drahtspitzen ab und werden beispielsweise mittels eines Zerstäubergases auf die zu beschichtende Oberfläche, beispielsweise die Zylinderwand, befördert, wo sie sich anlagern.
  • Aus der DE 10 2004 040 460 A1 ist ein Verfahren zum Lichtbogendrahtspritzen zur Abscheidung von Werkstoffschichten, insbesondere Gleitschichten, bekannt, wobei der Spritzvorrichtung mindestens ein sauerstoffhaltiges Zerstäubergas und ein Brenngas zugeführt werden, wobei das Brenngas in einer Brennkammer in unmittelbarer Nähe oder hinter dem Lichtbogen unter Einwirkung eines Teils des sauerstoffhaltigen Zerstäubergases verbrennt und nach dem Austritt aus der Düse einen Flammstrahl erzeugt, wobei durch Oxidation der metallischen Komponenten des Spritzstrahls zumindest auf der Oberfläche der Spritztropfen eine Metalloxidschicht gebildet wird.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zum Lichtbogendrahtspritzen, insbesondere zum Beschichten einer Innenfläche eines Hohlkörpers, anzugeben.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Bei einem Verfahren zum Lichtbogen-Drahtspritzen mittels einer erfindungsgemäßen Spritzvorrichtung wird zwischen jeweiligen Enden zweier Elektroden ein Lichtbogen durch Anlegen einer Spannung erzeugt. Zumindest eine der Elektroden wird im Bereich des Lichtbogens geschmolzen und zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens nachgeführt. Insbesondere werden beide Elektroden geschmolzen und nachgeführt. Geschmolzene Partikel werden in Richtung einer zu beschichtenden Innenfläche eines Hohlkörpers transportiert und auf der Innenfläche angelagert. Der Spritzvorrichtung wird dabei zumindest ein Brenngas zugeführt, das in einer Brennkammer verbrannt wird und durch eine durch die Verbrennung bedingte Expansion von Verbrennungsgasen die geschmolzenen Partikel in Richtung der innenfläche beschleunigt. Zumindest ein Teil der Spritzvorrichtung wird zum Beschichten der Innenfläche rotiert. Die Elektrode bzw. die Elektroden wird/werden in einem im rotierbaren Teil angeordneten Brennerkopf vor ihrem Ende um etwa 90° umgelenkt. Die Brennkammer ist ebenfalls im rotierbaren Teil angeordnet. Die Verbrennung des Brenngases in der integrierten Brennkammer erzeugt eine Expansion der entstehenden Verbrennungsgase, die die geschmolzenen Partikel erheblich mehr beschleunigen als das üblicherweise beim Lichtbogendrahtspritzen verwendete Zerstäubergas. Somit ist eine bessere Fokussierung der Partikel (kleinerer Partikelstrahlwinkel) einhergehend mit einer besseren Schichtqualität sowie dichteren Schichten (geringere Porosität) aufgrund der höheren Partikelgeschwindigkeit und geringerem Overspray sichergestellt. Mit Overspray ist das unerwünschte Anlagern von Partikeln außerhalb eines zum Beschichten vorgesehenen Bereiches gemeint. Durch den höheren Druck der Verbrennungsgase mit entsprechend höherer kinetischer Energie ergibt sich eine geringe Partikelgröße und eine entsprechend homogene Schicht.
  • Nachdem die Elektroden im Wesentlichen parallel zu einer Rotationsachse der Spritzvorrichtung dem Brennerkopf zugeführt worden sind, werden sie im Brennerkopf um etwa 90° seitwärts umgelenkt, bevor an ihren Enden der Lichtbogen gezündet wird. Hierdurch lässt sich der Brennerkopf bei Einhaltung eines nahezu optimalen Spritzwinkels besonders kompakt so gestalten, dass Hohlkörper mit besonders kleinem Innendurchmesser beschichtbar sind. Erst die 90°-Umlenkung ermöglicht einen Spritzwinkel von etwa 90° zur Rotationsachse.
  • Die erfindungsgemäße Spritzvorrichtung umfasst Mittel zum Führen der zwei Elektroden. Im Brennerkopf ist eine Umlenkvorrichtung zum Umlenken der Elektrode vor ihrem Ende um etwa 90° vorgesehen. Ohne die 90°-Umlenkung wäre die Spritzvorrichtung praktisch nur zur Außenbeschichtung und nicht zur Innenbeschichtung von Hohlräumen verwendbar.
  • Der rotierbare Teil wird auch als Brennerlanze bezeichnet und ist beliebig am feststehenden Teil austauschbar.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Brenngas mittels einer im rotierenden Teil vorgesehenen Hochspannungszündvorrichtung gezündet, die eine Zündspule umfasst, der eine Niederspannung über ein Schleifringpaket zwischen dem rotierenden Teil und einem feststehenden Teil der Spritzvorrichtung zugeführt wird. Vorzugsweise ist in der Brennkammer hierzu eine Zündkerze vorgesehen. Eine Fremdzündung des Brenngases in der Brennkammer hat, verglichen mit im Lichtbogen oder durch die heißen Partikel selbstgezündeten Brenngas, den Vorteil, dass die geschmolzenen Partikel bereits in einen gerichteten Strom der Verbrennungsgase hinein geleitet werden, womit eine bessere Fokussierung möglich ist. Verglichen mit einer Anordnung der Zündspule außerhalb des rotierenden Teils und der Zuleitung einer zum Zünden erforderlichen Hochspannung über Schleifringpakete ergibt sich durch die Anordnung der Zündspule im rotierbaren Teil und der Zuleitung einer Niederspannung zur Zündspule ein geringerer Isolationsaufwand der Schleifringe, da keine Probleme mit Durchschlagfestigkeit auftreten. Die Schleifringe können zueinander einen geringeren Abstand aufweisen, so dass ein Außendurchmesser der Spritzvorrichtung verringert werden kann, um Hohlkörper mit besonders kleinen Innendurchmessern zu beschichten. Durch die Anordnung der Zündspule im rotierbaren Teil wird gleichzeitig ein externer Platzbedarf verringert.
  • Das rotierende Teil kann so eingestellt werden, dass sich der Lichtbogen außerhalb einer Rotationsachse des rotierenden Teils befindet. Hierzu kann beispielsweise eine verstellbare Platte mit Langlöchern vorgesehen sein, so dass die Platte in verschiedenen Positionen mit Schrauben befestigt werden kann. Auf diese Weise kann ein Beschichtungsabstand vom Lichtbogen bis zur zu beschichtenden Innenfläche vergrößert werden, wobei eine dem aus dem Brennerkopf austretenden Partikelstrahl gegenüberliegende Rückwand des Brennerkopfes mit minimalem Abstand zur Innenfläche rotiert.
  • Der Spritzvorrichtung wird zusätzlich zum Brenngas ein Zerstäubergas zum Transport der Partikel in Richtung der Innenfläche oder in Richtung der auf die Innenfläche gerichteten Verbrennungsgase zugeführt, damit ein Flammrückschlag bzw. eine Flammbildung nur in Spritzrichtung erfolgt.
  • Vorzugsweise wird der Brennkammer zusätzlich zum Brenngas ein sauerstoffhaltiges Gas zur Verbrennung des Brenngases zugeführt. Ebenso kann ein sauerstoffhaltiges Zerstäubergas verwendet werden, wobei ein Teil des Zerstäubergases der Brennkammer zur Verbrennung des Brenngases zugeführt wird. Der Sauerstoff zur Verbrennung des Brenngases kann alternativ auch der den Brennerkopf umgebenden Luft entnommen werden.
  • Als Brenngas wird vorzugsweise Methan verwendet. Methan ist der Hauptbestandteil von Erdgas und Biogasen und somit kostengünstig verfügbar. Andere Kohlenwasserstoffe können ebenfalls als Brenngas verwendet werden.
  • Das Verfahren wird insbesondere angewandt, um als Innenfläche eine Zylinderwand eines Verbrennungsmotors oder ein Pleuelauge zu beschichten.
  • Die Elektrode ist vorzugsweise in die Brennerkammer zuführbar und der Lichtbogen dort zündbar.
  • Durch die genannten Merkmale kann die Spritzvorrichtung so kompakt gestaltet werden, dass der Brennerkopf einen Durchmesser von circa 50 mm aufweist. Es ergibt sich eine Spritzvorrichtung mit einer relativ großen Länge im Verhältnis zum Durchmesser. Auf diese Weise können Hohlkörper mit besonders kleinen Innendurchmessern beschichtet werden, die nur geringfügig oberhalb von 50 mm liegen, da der Aufschmelzpunkt der Partikeln innerhalb des Durchmessers des Brennerkopfes liegt. Beispielsweise lassen sich so Zylinderbohrungen und Pleuelaugen oder Pleuelpakete von Verbrennungsmotoren mit geringen Hubräumen, beispielsweise für Kleinwagen oder Motorräder, beschichten.
  • Die Spritzvorrichtung ist vorzugsweise modular aufgebaut, um die Wartung und die separate Austauschbarkeit von Komponenten zu erleichtern und so eine Eignung für die Serienproduktion zu erreichen.
  • Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
  • 1 eine modular aufgebaute Spritzvorrichtung,
  • 2 die Spritzvorrichtung aus 1 mit Modulen in einer Explosionsdarstellung
  • 3 ein Modul Medienversorgung in Explosionsdarstellung,
  • 4 ein Modul Schaft in Explosionsdarstellung,
  • 5 ein Modul Medienübergabe in Explosionsdarstellung, und
  • 6 ein Modul Brennerkopf in Explosionsdarstellung.
  • In 1 ist eine modular aufgebaute Spritzvorrichtung 1 zum Lichtbogen-Drahtspritzen gezeigt. Die Spritzvorrichtung 1 umfasst ein Modul Medienversorgung 2, ein Modul Schaft 3, ein Modul Medienübergabe 4 und ein Modul Brennerkopf 5. Alle Module 2 bis 5 gehören zu einem rotierbaren Teil der Spritzvorrichtung 1, der an einem feststehenden Teil (nicht gezeigt) ansetzt.
  • 2 zeigt die Spritzvorrichtung 1 aus 1 in einer Explosionsdarstellung.
  • In 3 ist das Modul Medienversorgung 2 in einer Explosionsdarstellung gezeigt. Das Modul Medienversorgung 2 dient der Zuführung verschiedener für das Verfahren zum Lichtbogendrahtspritzen erforderlicher Medien, wie Gase, elektrische Energie und drahtförmige Elektroden. Es ist eine verstellbare Platte 6 mit Langlöchern 7 vorgesehen, die sich in verschiedenen Positionen mittels Schrauben 8 so befestigen lässt, dass die nachfolgenden Module Schaft 3, Medienübergabe 4 und Brennerkopf 5 eine Mittelachse außerhalb einer Rotationsachse des Moduls Medienversorgung 2 erhalten. Auf diese Weise ist ein Spritzabstand des Brennerkopfes 5 zu einer Innenfläche eines zu beschichtenden Hohlkörpers (nicht gezeigt) flexibel variierbar.
  • In 4 ist das Modul Schaft 3 in einer Explosionsdarstellung gezeigt. Das Modul Schaft 3 ist eine Erweiterungs- und Hilfsbaugruppe für das Modul Medienversorgung 2, welche dafür sorgt, dass erforderliche Anschlüsse ausreichend Platz erhalten. Der Schaft 3 ist an der verstellbaren Platte 6 der Medienversorgung 2 angeschraubt. Die Medien (Gase, elektrische Energie, drahtförmige Elektroden) werden im Schaft 3 auf einen kleineren Durchmesser fokussiert, um einen kompakten Außendurchmesser der Spritzvorrichtung 1 und insbesondere des Brennerkopfes 5 zu erreichen. Im Schaft 3 ist eine Zündspule 9 vorgesehen, der eine Niederspannung über ein Schleifringpaket (nicht gezeigt) zwischen dem rotierenden Teil und einem feststehenden Teil der Spritzvorrichtung 1 zugeführt wird. Die Zündspule 9 erzeugt eine Hochspannung, die im Brennerkopf 5 benötigt wird.
  • In 5 ist das Modul Medienübergabe 4 gezeigt. Die Aufgabe der Medienübergabe 4 besteht darin, die Medien Gas, elektrische Energie und drahtförmige Elektroden zum Brennerkopf 5 zu transportieren, voneinander zu isolieren und den Elektroden die zum Zünden eines Lichtbogens im Brennerkopf 5 erforderliche elektrische Energie zuzuführen.
  • In 6 ist der Brennerkopf 5 in einer Explosionsdarstellung gezeigt. Der Brennerkopf 5 ist die wichtigste Komponente der Spritzvorrichtung 1. Der Brennerkopf 5 hat einen Außendurchmesser von circa 50 mm. Im Brennerkopf 5 ist eine Brennkammer 10 vorgesehen, dem ein Brenngas zugeführt wird. Die von der Zündspule 9 im Schaft 3 erzeugte Hochspannung wird mittels einer Zündkerze 11 zum Zünden des Brenngases in der Brennkammer 10 genutzt. Das Brenngas ist beispielsweise Methan. Ein zündfähiges Gemisch ergibt sich beispielsweise unter Hinzugabe von Luft. In der Brennkammer 10 oder benachbart zur Brennkammer 10 werden die drahtförmigen Elektroden mittels einer Umlenkvorrichtung 12 um etwa 90° zur Rotationsachse umgelenkt, bevor die Enden der Elektroden zum Zünden des Lichtbogens zusammengeführt werden. Zumindest eine der Elektroden, vorzugsweise beide wird/werden im Bereich des Lichtbogens geschmolzen und zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens nachgeführt. Geschmolzene Partikel werden durch die Expansion von bei der Verbrennung des Brenngases entstehenden Verbrennungsgasen in Richtung R der zu beschichtenden Innenfläche des Hohlkörpers transportiert und auf der Innenfläche angelagert. Der rotierbare Teil der Spritzvorrichtung 1 wird dabei rotiert.
  • In der Brennkammer 10 sind Keramikdüsen 13a vorgesehen, mit denen die Verbrennungsgase ausgerichtet werden sowie eine Keramikdüse 13b, welche einen Flammrückschlag verhindert.
  • Es kann alternativ nur eine drahtförmige Elektrode zugeführt werden, während die zweite Elektrode feststehend ist und sich nicht verbraucht oder nicht zur Partikelbildung beiträgt.
  • Das Brenngas kann alternativ durch den Lichtbogen oder durch die geschmolzenen Partikel selbstgezündet werden.
  • Die verstellbare Platte 6 ist alternativ auch so einstellbar, dass die Mittelachse der Module 3, 4 und 5 oder der Lichtbogen mit der Rotationsachse fluchtet.
  • Der Spritzvorrichtung 1, insbesondere dem Lichtbogen, wird zusätzlich zum Brenngas ein Zerstäubergas zum Transport der Partikel in Richtung R der Innenfläche oder in Richtung der auf die Innenfläche gerichteten Verbrennungsgase zugeführt.
  • Der Brennkammer 10 kann zusätzlich zum Brenngas ein sauerstoffhaltiges Gas zur Verbrennung des Brenngases zugeführt werden. Ebenso kann ein sauerstoffhaltiges Zerstäubergas verwendet werden, wobei ein Teil des Zerstäubergases der Brennkammer 10 zur Verbrennung des Brenngases zugeführt wird. Der Sauerstoff zur Verbrennung des Brenngases kann alternativ auch der den Brennerkopf 5 umgebenden Luft entnommen werden.
  • Als Brenngas wird vorzugsweise Methan oder Propan verwendet. Andere Kohlenwasserstoffe können ebenfalls als Brenngas verwendet werden.
  • Außerdem kann ein Shroudgas zugeführt werden, mit dem das Material, welches die Brennkammer umfasst, gekühlt wird. In diesem Fall umfließt das Shroudgas die Brennkammer und tritt nach der Keramikdüse 13b in den „Hauptgasfluss" ein und dient dann als Mantel, der den Spritzstrahl einengt und die äußere Düse 99 vor zu starker Verschmutzung (Anlagerung von Spritzpartikeln) schützt. Des Weiteren kann das Shroudgas durch Verwendung eines Inertgases den Spritzstrahl vor der Atmosphäre (z. B. vor Oxidation) schützen.
  • Das Verfahren wird insbesondere angewandt, um als Innenfläche eine Zylinderwand eines Verbrennungsmotors oder ein Pleuelauge oder ein Pleuelpaket zu beschichten.
  • Die Elektrode ist vorzugsweise in die Brennkammer 10 zuführbar und der Lichtbogen dort zündbar.
  • Die Spritzvorrichtung 1 ist vorzugsweise modular aufgebaut, kann jedoch auch nur einen einstöckigen rotierbaren Teil oder einen rotierbaren Teil mit einer abweichenden Anzahl Module umfassen.
  • 1
    Spritzvorrichtung
    2
    Medienversorgung
    3
    Schaft
    4
    Medienübergabe
    5
    Brennerkopf
    6
    verstellbare Platte
    7
    Langloch
    8
    Schraube
    9
    Zündspule
    10
    Brennkammer
    11
    Zündkerze
    12
    Drahtumlenkung
    13a, b
    Keramikdüse
    99
    äußere Düse
    R
    Richtung der zu beschichtenden Innenfläche
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 102004040460 A1 [0003]

Claims (5)

  1. Spritzvorrichtung (1) zum Lichtbogen-Drahtspritzen, umfassend Mittel zum Führen zweier Elektroden mit jeweiligen Enden, zwischen denen in einem Brennerkopf (5) ein Lichtbogen durch Anlegen einer Spannung erzeugbar ist, wobei zumindest eine der Elektroden im Bereich des Lichtbogens schmelzbar und zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens nachführbar ist, wobei geschmolzene Partikel in Richtung (R) einer zu beschichtenden Innenfläche eines Hohlkörpers transportierbar und auf der Innenfläche abscheidbar sind, wobei die Spritzvorrichtung (1) im Brennerkopf (5) eine Brennkammer (10) aufweist, der ein Brenngas zuführbar ist, das in der Brennkammer (10) verbrennbar ist, wobei durch eine durch die Verbrennung bedingte Expansion von Verbrennungsgasen die geschmolzenen Partikel in Richtung (R) der Innenfläche beschleunigbar sind, wobei zumindest ein den Brennerkopf (5) umfassender Teil der Spritzvorrichtung (1) zum Beschichten der Innenfläche rotierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Brennerkopf (5) eine Umlenkvorrichtung (12) zum Umlenken der Elektrode vor ihrem Ende um etwa 90° vorgesehen ist.
  2. Spritzvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im rotierbaren Teil eine Hochspannungszündvorrichtung zum Zünden des Brenngases vorgesehen ist, die eine Zündspule (9) umfasst, der eine Niederspannung über ein Schleifringpaket zwischen dem rotierbaren Teil und einem feststehenden Teil der Spritzvorrichtung (1) zuführbar ist.
  3. Spritzvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das rotierbare Teil so einstellbar ist, dass sich der Lichtbogen außerhalb einer Rotationsachse des rotierbaren Teils befindet.
  4. Spritzvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode in die Brennkammer (10) zuführbar und der Lichtbogen dort zündbar ist.
  5. Spritzvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennerkopf (5) einen Durchmesser von 51 mm aufweist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102019126643A1 (de) * 2019-10-02 2021-04-08 Gebr. Heller Maschinenfabrik Gmbh Lichtbogenbrenner und Lichtbogen-Drahtspritzeinrichtung

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102004040460A1 (de) 2004-07-16 2006-02-09 Daimlerchrysler Ag Thermisches Spritzverfahren und thermisch gespritzte Werkstoffe

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