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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum thermischen Spritzen, insbesondere zum Lichtbogenspritzen mit Zusatzwerkstoff, wie es beispielsweise das Drahtlichtbogenspritzen ist, nach dem Oberbegriff des ersten Schutzanspruchs, wobei ein Zusatzwerkstoff, meist zwei elektrisch leitende Drähte, durch einen Lichtbogen aufgeschmolzen und mittels eines Druckgases (auch als Zerstäubergas bezeichnet) mit hohen Geschwindigkeiten im Bereich 1 Mach und größer auf eine vorbereitete Oberfläche gespritzt werden. Dazu wird ein Brenner mit einer entsprechenden Düse mit einer vorzugsweise zentrischen Strömungsöffnung für das Druckgas verwendet. Die Drähte werden durch stromführende Hülsen mit unterschiedlicher Polung zugeführt, wobei dafür eine Drahtvorschubeinrichtung Verwendung findet. Beispielsweise beim Drahtlichtbogenspritzen wird ein Kurzlichtbogen erzeugt, der infolge seiner hohen Temperatur (ca. 5000 K) den drahtförmigen Spritzzusatzwerkstoff partiell aufschmilzt. Eine oder mehrere Zerstäubergasdüsen (führen das Zerstäubergas gerichtet zu der aufgeschmolzenen Materialphase. Infolge des dynamischen Drucks der Zerstäubergasströmung wird die Materialphase zerstäubt und durch Impulsübertragung der Gasphase im resultierenden Freistrahl beschleunigt. Bei herkömmlichen Verfahren (Stand der Technik) wird die Zerstäubergasmenge kontinuierlich gefördert. Dies führt zu massiven Rezirkulationsgebieten hinter dem drahtförmigen Spritzzusatzwerkstoff, mit der Folge, dass aufgeschmolzenes Spritzgut im Bereich der Drahtenden auf den wirbelförmigen Trajektorien verweilt. In dieser Zeit wird der Werkstoff infolge des Luftsauerstoffs der Umgebungs- bzw. Druckluft oxidiert. Durch das kontinuierliche Abschmelzen des Drahtes vergrößert sich die rezirkulierende Menge der schmelzflüssigen Phase, mit dem Resultat einer inhomogen Zerstäubung kritisch angewachsenen Schmelztropfen. Der sich um die Drahtenden ausbreitende Freistrahl baut eine so genannte ”Karmansche Wirbelstraße” auf. Diese hat zur Folge, dass der partikelbeladene Freistrahl extrem aufweitet (divergiert). Durch die hohe Divergenz gelangt ein Teil der Partikelphase in langsame Außenbereiche der Zerstäubergasströmung und steht somit einer materialeffizienten Beschichtung (vor allem bei kleinen Bauteilen) entgegen.
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Aus der Druckschrift
EP 0 879 645 A2 ist zwar eine Lösung bekannt, durch welche die Standzeit der Vorrichtung verlängert werden soll. Dafür wird in die den Draht umgebende stromführende Hülse seitlich ein sogenanntes Spülgas eingebracht, welches die auf der Oberfläche des Drahtes befindlichen lockeren Verunreinigungen in der Gegenrichtung der Vorschubrichtung des Drahtes entfernt. Vorzugsweise wird dazu ein Teil des Spülgases des Zerstäubergasstromes abgezweigt. Dies beseitigt jedoch nicht die vorgenannten Nachteile des sich unerwünscht absetzenden aufgeschmolzenen Materials auf Bereichen der Düse oder des Drahtes.
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Mit einem in der Druckschrift
DE 433 46 10 A1 beschriebenen Verfahren zum thermischen Spritzen sollen relativ raue Verschleißschichten erzeugt werden, indem die auf die Oberfläche auftreffenden Partikel größer als 0,2 mm sind. und durch die Wirkung der Schwerkraft auf die Oberfläche gelangen. Dabei ist es möglich, die Partikel durch Impulse, insbesondere durch Druckgasimpulse, aus dem geschmolzenen Zusatzwerkstoff auszulösen. Die durch das Druckgas erzeugten Geschwindigkeiten sind somit nur sehr gering. Dieses Verfahren ist für die Erzeugung dünner gleichmäßiger und fest haftender Schichten nicht geeignet. Weiterhin wird durch diese Lösung nicht das Absetzen aufgeschmolzener Partikel auf der Düse oder am Draht verhindert. Systembedingt ist es mit diesem Verfahren nur möglich, mit einem nach unten weisenden Brenner zu arbeiten, wodurch in andere Raumrichtungen keine Beschichtungen möglich sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum thermischen Hochgeschwindigkeits-Spritzen mit Zusatzwerkstoff zu entwickeln, die ein unerwünschtes Absetzen des aufgeschmolzenen Materials an der Düse oder am Zusatzmaterial vermeidet und bei hohen Partikelgeschwindigkeiten eine Schicht hoher Qualität bei einem homogenen Schichtaufbau gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des ersten Schutzanspruchs gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Bei dem thermischen Hochgeschwindigkeits-Spritzen, insbesondere zum Lichtbogenspritzen mit Zusatzwerkstoff, der durch einen mittels Elektroden erzeugten Lichtbogen aufgeschmolzen wird, strömt ein Druckgases mit hoher Geschwindigkeit durch eine Düse aus und spritzt das aufgeschmolzene Material des Zusatzwerkstoffes auf eine vorbereitete Oberfläche, wobei das Druckgas erfindungsgemäß mit einer modulierten/pulsierenden Gasströmung hoher Geschwindigkeit erzeugt und dadurch dadurch die Ausbildung eines quasistationären Wirbelfeldes des aufgeschmolzenen Materials im Bereich der Enden des Zusatzwerkstoffes eingeschränkt oder verhindert wird.
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Durch die Reduzierung oder Vermeidung des sich aufbauenden Wirbelgebietes aufgeschmolzener Partikel des Zusatzwerkstoffes, welches im Bereich hinter den Enden des Zusatzwerkstoffes (in Strömungsrichtung gesehen) hervorgerufen wird, kann ein Absetzen von Partikeln/Tropfen des aufgeschmolzenen Materials auf dem Brenner bzw. Bauteilen des Brenners der Düse und/oder am Zusatzwerkstoff vermieden werden bzw. werden daran abgesetzte Partikel/Tropfen gelöst. Dadurch wird ein unerwünschtes Absetzen von Partikeln/Tropfen des aufgeschmolzenen Zusatzwerkstoffes an dem Brenner/der Düse und/oder am Zusatzwerkstuff selbst vermieden, wodurch ein gleichmäßigeres Auftragen des Zusatzwerkstoffes auf dem Grundwerkstoff gegeben ist.
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Bevorzugt wird eine modulierte/pulsierende Gasströmung bei einer zeitlichen Veränderung des Gasvolumenstroms des Druckgases unter Verwendung einer Zerstäubergasdüse erzeugt.
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Die unter hohem Druck stehende Gasströmung expandiert dabei bevorzugt auf Geschwindigkeiten großer Mach 1. Diese hohe Geschwindigkeit gewährleistet eine fest haftende Beschichtung auf dem Grundwerkstoff.
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Vorteilhafter Weise erfolgt die Modulation der Gasströmung des Druckgases in Abhängigkeit von der Frequenz der Strom-Spannungsquelle der Elektroden. Es ist jedoch auch möglich die Frequenz/Modulation des Druckgases unabhängig von der Frequenz der Strom-Spannungsquelle der Elektroden zu steuern bzw. zu regeln.
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Die gepulste Gasströmung, welche zur Vermeidung des Absetzten und/oder zur Ablösung von Tropfen aus dem Nebel des aufgeschmolzenen Zusatzwerkstoffes führt, wird dabei bevorzugt in Abhängigkeit von den elektrischen Parametern (Strom, Spannung und Strom-Spannungs-Kennlinie) der Elektroden und/oder in Abhängigkeit von den strömungsmechanischen Bedingungen an die jeweilige Beschichtungsaufgabe angepasst.
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Die Vorrichtung weist eine Einrichtung zur Erzeugung eines Druckgases aufweist, welches mit hoher Geschwindigkeit durch eine Düse ausströmt und das aufgeschmolze Material des Zusatzwerkstoffes auf eine Oberfläche spritzt, wobei erfindungsgemäß Mittel vorgesehen sind, durch welche eine modulierte/pulsierende Gasströmung hoher Geschwindigkeit erzeugbar ist.
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Durch diese Mittel ist insbesondere eine modulierte/pulsierende Gasströmung bei einer zeitlichen Veränderung des Zerstäubergasvolumenstroms erzeugbar.
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Die Mittel sind insbesondere in Form von Ventilen ausgebildet, welche die Gasströmung verändern (z. B. Hochleistungsventilen, die eine schnelle Schaltfrequenz gewährleisten).
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Um ein Expandieren/Beschleunigen des Gasstroms zu gewährleisten, ist die Düse in der Art einer Zerstäubergasdüse, insbesondere einer Laval-Düse ausgebildet, die sich in Strömungsrichtung des Gases zuerst verjüngt und anschließend wieder erweitert, wodurch der Gasstrom zuerst gebremst wird und anschließend expandiert, wodurch dessen Geschwindigkeit wieder zunimmt. Dabei ist der Zusatzwerkstoff in Bezug auf die Längsachse der Düse in einem flachen Anstellwinkel geneigt, der maximal 25°, vorzugsweise ca. 10° ± 5° beträgt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung besteht darin, dass die Drahtvorschubeinrichtung, mit welcher der Zusatzwerkstoff nachgeführt wird, nicht wie bisher üblich ein kontinuierliches Nachführen des Drahtes realisiert, sondern den Drahtvorschub diskontinuierlich, bzw. schrittweise regelt, derart, dass das Nachführen des Drahtes insbesondere in Abhängigkeit/Korrelation mit den Impulsen der pulsierenden Gasströmung des Druckgases erfolgt.
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Der gedankliche Ansatz der Erfindung beruht auf einer gezielten, dem Prozess angepassten ”modulierten” Gasströmung hoher Geschwindigkeit (bzw. einer zeitlichen Veränderung des Zerstäubergasvolumenstroms) zur Verhinderung des Absetzen der Schmelzphase/der Partikeltröpfchen an Brennerkomponenten. Diese ”Pulsung” wird bevorzugt durch Hochleistungsmagnetventile realisiert, die ihr Regelsignal in Abhängigkeit vom Zeitintervall des Ab- bzw. Aufschmelzens einer entsprechenden Materialfraktion des drahtförmigen Spritzzusatzwerkstoffes beziehen. Die unter hohem Druck stehende Gasströmung wird durch geeignete Zerstäubergasdüsen (Laval ähnlich) gerichtet auf Geschwindigkeiten größer Mach 1 expandiert. Das Impulsartige Auftreffen der Gasphase führt zu einer feinen und homogenen Zerstäubung der Materialphasen. Das sich aufbauende quasistationäre Wirbelfeld (hinter den Drahtenden) wird infolge des gepulsten Gasstroms stark reduziert und bewirkt eine Minimierung der Strahldivergenz. Die Rezirkulationsgebiete im Bereich der Drahtenden werden ebenfalls stark verkleinert, so dass der Schmelzfilm bzw. Tropfen nicht oder nur teilweise in diesen Wirbelgebieten rezirkulieren und oxidieren. Das Regelsignal der Magnetventile wird zur besseren Prozesssteuerung mit dem Regelkreis der Strom-Spannungsquelle synchronisiert. Die Zerstäubergasdüsen werden für diesen Prozess massestromspezifisch ausgelegt. Erreichbare Ergebnisse:
- 1. homogen zerstäubte Materialphase (homogener Schichtaufbau)
- 2. verringerte Oxidation des Spritzzusatzwerkstoffes
- 3. Schichten hoher Güte
- 4. Partikelgeschwindigkeiten größer 300 m/s
- 5. Materialeffiziente Beschichtung (Erhöhung des Auftragwirkungsgrades)
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Um die Qualität lichtbogengespritzter Beschichtungen zu verbessern, ist eine konsequente Anpassung der Prozessführung unter strömungsdynamisch optimierten Bedingungen zwingend erforderlich. Es ist davon auszugehen, dass bereits geringfügige Veränderungen an marktgängiger Brennertechnik ausreichen, um deutliche Verbesserungen zu erzielen. Da der Bereich des Hochgeschwindigkeitsspritzens mit Lichtbogensystemen bisher nur ungenügend erschlossen wurde, soll durch die gezielte Auslegung der zur Erzeugung Oberschallschneller Gasströmungen notwendigen Expansionsdüsen der partikelbeladene Freistrahl so beeinflusst werden, dass sich höhere Partikelgeschwindigkeiten und geringere Spritzstrahldivergenzen einstellen. Grundlage für die Erfindungsmeldung ist die Ausnutzung einer gepulsten Hochgeschwindigkeitsgasströmung.
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Die durch Ventile gepulste Gasströmung wird in Abhängigkeit von den elektrischen Parameter (Strom, Spannung und Strom-Spannungs-Kennlinie) und in Abhängigkeit von den strömungsmechanischen Bedingungen, die zur Tropfenablösung führen, an die jeweilige Beschichtungsaufgabe angepasst. Durch den Einsatz einer gepulsten Zerstäubergasströmung wird eine homogenere und feinere Partikelphase erwartet. Die Ausprägung starker Turbulenzballen im Bereich der Drahtspitzen, welche für die massive Aufweitung des partikelbeladenen Freistrahls verantwortlich ist, soll reduziert werden. Im Zusammenhang einer gezielt expandierenden (vorgespannten) Gasströmung sollen Partikelgeschwindigkeiten von über 300 m/s erreicht werden.
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Es kommen als Druckgas homogen strömende, zum Teil expandierende, heiße bzw. kalte, vorgespannte Prozessgase (verschiedener Art- bspw. Brenn-, Inertgase, Verbrennungsprodukte usw.) zur Anwendung.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert.
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In der Zeichnung ist eine Einrichtung zur Beschichtung der Oberfläche 1a eines Grundwerkstoffs 1 dargestellt, wodurch mittels Drahtlichtbogenspritzen eine Spritzschicht 2 erzeugt wurde.
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Dazu wird ein Zusatzwerkstoff 3, hier zwei Drähte, in Kontaktrohren 4 geführt. Beide Kontaktrohre 4 sind an eine Spannungsquelle 5 angeschlossen, so dass diese unterschiedlich gepolt sind. Der Zusatzwerkstoff 3 ist durch jeweils eine Drahtvorschubeinrichtung 6 nachführbar. Dessen Schmelzen erfolgt über die Spannungsquelle 5, durch deren Anlegen zwischen den aufeinander zuweisenden Enden des Zusatzwerkstoffes ein Lichtbogen gebildet wird, wodurch die Enden des Zusatzwerkstoffes 3 aufschmelzen. Durch eine zentrisch zwischen den Kontaktrohren 5 angeordnete Düse 7, die eine Längsachse A aufweist, strömt ein Druckgas 8 (dargestellt durch einen Pfeil) gepulst und mit hoher Geschwindigkeit in Richtung zum Grundwerkstoff 1, wodurch das aufgeschmolzene Material des Zusatzwerkstoffes 3 auf die Oberfläche 1a spritzt und die Spritzschicht 2 erzeugt. Dabei bildet sich ein Nebel 3a aus dem abgeschmolzenen Zusatzwerkstoff aus, dessen Tropfen durch das gepulste Druckgas sich nicht an der Düse 7 bzw. den Kontaktrohren 4 oder dem Zusatzwerkstoff 3 absetzen können. Sollten sich Schmelztropfen dennoch absetzen, so werden diese durch den pulsierenden Gasstrom wieder gelöst und in Richtung zur Oberfläche 1a des Grundwerkstoffs transportiert. Durch die Spannungsquelle 5 wird bevorzugt ein Wechselstrom oder ein gepulster Gleichstrom erzeugt, wobei das Druckgas 8 durch eine entsprechende Einrichtung 9, die ein nicht bezeichnetes Hochleistungsventil aufweist, insbesondere in Abhängigkeit der Frequenz der Spannungsquelle (insbesondere synchron dazu) gepulst wird. Wird durch die Spannungsquelle Gleichstrom zur Verfügung gestellt, pulsiert lediglich das Druckgas. Die erforderliche Frequenz des Pulsierens des Druckgases, die für das Verhindern des Absetzens von Tropfen an der Anlage oder deren Entfernen erforderlich ist, kann durch wenige Versuche ermittelt werden.
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Der Drahtanstellwinkel α des Zusatzwerkstoffes 3 ist sehr flach und liegt bevorzugt im Bereich von ca. 10° bezogen auf die Längsachse A der Düse 7. Der Durchströmquerschnitt der Düse 7 verringert sich in Strömungsrichtung in der Art eines Diffusors und erweitert sich dann wieder in der Art eines Konfusors, wodurch das Druckgas 8 beschleunigt wird. Dessen Geschwindigkeit beträgt nach der Düse 1 Mach und mehr, wodurch eine hervorragende Homogenität der Spritzschicht 2 und eine gute Haftung auf dem Grundwerkstoff 1 gewährleistet wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0879645 A2 [0002]
- DE 4334610 A1 [0003]
