DE3331216A1 - Vorrichtung zum thermischen spritzen von auftragsschweisswerkstoffen - Google Patents

Vorrichtung zum thermischen spritzen von auftragsschweisswerkstoffen

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DE3331216A1
DE3331216A1 DE19833331216 DE3331216A DE3331216A1 DE 3331216 A1 DE3331216 A1 DE 3331216A1 DE 19833331216 DE19833331216 DE 19833331216 DE 3331216 A DE3331216 A DE 3331216A DE 3331216 A1 DE3331216 A1 DE 3331216A1
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Karl-Peter Dipl.-Ing. 8752 Markt Mömbris Streb
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Description

(14 722)
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Vorrichtung zum thsrmischen Spritzen von Auftragsschweißwerkstoffen
Die Erfindung betrifft sine Vorrichtung zum thermischen Spritzen gemäß Oberbegriff des Hauptanspruches.
Vorrichtungen der genannten Art sind für das thermische Spritzen zum Auftragen von feinkörnigen Pulvern nach der Europa-Anmeldung 812 olo61.9 und auch nach Zeitschrift "Metall" Heft 3, 83, Seite Fig. 1 b bekannt, das mit Stickstoff als Fördergas gefördert und wobei die Flamme aus einem Gemisch aus MethylacBtylenpropadien und Sauerstoff in der wassergekühlten StrahibündelungsdüsB gebündelt wird. Das sogenannte CJet-Kote-Verfahren nach der Europa-Anmeldung setzt ein aufwendiges Dosiersystem mit elektronischer Steuerung und Regelung voraus d.h. die zugehörige genannte Anlage ist sehr teuer und deren Anschaffung und Einsatz lohnt sich nur für bestimmte Einsatzfälle, obgleich mit einer solchen Anlage (die Betriebsmittelkom-
ponsntsn warden nach dem Gleichdruckprinzip zusammengeführt) SpritzqualitMten erreichbar sind, die
einen Veroleich mit dem beim Plasma- und Flammschockspritzen erreichbaren Spritzqualitäten ohne weiteres aushalten, d.h., sehr hochwertig sind.
Da diese Anlagen nicht unter Verwendung reinen Acetylens betrieben werden können und, wie erwähnt, sehr teuer sind, verbietet sich deren Verwendung füt gewissermaßen normale Spritzauftragsfälle, d.h. für solche Fälle konnte man mit einfacheren Mitteln, die mit einem solchen Verfahren und einer solchen Strahlbündelungsdüse (Pinchdüse) verbundenen Vorteile, nämlich Vermeidung bzw. Reduktion von Spritzverlusten, bessere Partikelaufschmelzung und höhere Partikelbeschleunigung, bisher nicht ausnutzen.
Der Erfindung liegtidemgemäß die Aufgabe zugrunde, eine mit vergleichbar geringen Spritzverlusten arbei- · tende Vorrichtung zu schaffen,die, nach dem sogenannten Differenzdruckprinzip arbeitend, einerseits hinsichtlich ihres apparativen Aufwandes nicht bzw. nicht wesentlich mehr verlangt als bisher für das :· Flammspritzen erforderlich, die andererseits bei angepaßter Veränderlichkeit der Brennkammer die Verwendunq aller brennbaren Gase, insbesondere aber auch Acetylen erlaubt, mit der insbesondere der Zünd- bzw. Anfahrvorgang sicher beherrschbar ist und die insbesondere auch die Verarbeitung bzw. das kontinuierliche
Auftraqen von hochschmelzenden Legierungen zuläßt.
Diese .Aufqabe ist mit einer Vorrichtung der einqanqs genannten Art nach der Erfindung durch das im Kennzeichen des Hauptanspruches Erfaßte gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Lösung erqeben sich nach den Unteransprüchen 2 bis 11.
Die geqebene Lösung ist am einfachsten zu verwirklichen, indem man die Strahlbündelungsdüse mit einer Flammspritzpistole kombiniert, allerdings derart, daß die Veränderbarkeit des Brennkammervolumens erhalten bleibt. Dabei bleibt man aber von den Leistungsdaten der verwendeten Spritzpistole abhängig. liJill man dies nicht und außer Pulver auch Draht als Spritzzusatzujerks.toff verarbeiten können, so wird der Düsenhalter als entsprechend angepaßter Düsenstock
unter Beibehaltung des Grundprinzips ausgebildet.
Durch die erfindungsgemäße Lösung ergeben sich hinsichtlich der Auftragsschichten folgende Vorteile: Βρϊ hochschmelzenden Werkstoffen (Oxide, Cermet } hochschmelzende Metalle usu.) kann, Die sich gezeigt hat, eine wesentlich bessere Schichtqualität erzielt werden. Die Dichtigkeit in der Auftragsschicht wird qeqenüber herkömmlichen Flammspritzaufträqen wesentlich erhöht. Die Haftfestigkeit ist aufgrund der
höheren kinetischen Energie der Spritzpartikel ebenfalls wesentlich verbessert. Durch die Bünrieluna des Spritzstrahles sind die sonst unvermeidbaren Spri.tzverluste für gezielte Auftragungen wesentlich vermindert.
Es können bisher auch mit einer Flammspritzpistole allein nicht zu verspritzende Zusatzuierkstoffe eingesetzt uierden. Ferner ist auch die Forderung nach · der Verwendbarkeit aller in diesem Arbeitsbereich üb- . ■ liehen Brenngase insbesondere von Acetylen durch entsprechend optimal mögliche Einstellung des Brennkammervolumens erfüllt und schließlich verlangt der Betrieb einer solchen Vorrichtung keine aufwendige elektronische Steuerung, sondern nur eine einfache elektrische Schaltung und Regelung für die Gewähr.leistung der Schritte zum Zünden.
Für die betriebssichere Zündung bei Inbetriebnahme und somit der Brauchbarkeit der Vorrichtung überhaupt ist wesentlich, daß diese in folgenden Schritten vollzogen wird, um das brennbare Gas-Sauerstoff-Gemisch für diese Anfahrphase auf ein Minimum zu reduzieren:
Spülen mit reinem Sauerstoff, Uirksammachen der Zündeinrichtung und erst dann Zuführung des Brenngases. Würde diese Reihenfolge nicht eingehalten, so führt dies bei Zündung unmittelbar vor der Düse der Flammspritzpistole zu einer Explosion ggf. mit Auslöschen
der Flamme oder bei Zündung an der Ausmündung der Strahlbündelungsdüse zu einer Rückzündung in die Düse? hinein und zu einem Verlöschen der Flamme. Diese für die Anfahrphase also wesentliche Reihenfolge ließe sich zwar an der Flammspritzpistole für die Gaszufuhr von Hand manipulieren, einschließlich der Einschaltung der Zündeinrichtung an der erfindungsgemäßen Vorrichtung, dies wäre aber zu umständlich und zu unsicher.
Bezüglich der mit einer Elektrode ausgestatteteten Zündeinrichtung hat sich auch für eine dauernde Betriebsfähigkeit der Vorrichtung als wesentlich erwiesen, die Elektrode nach erfolgter Zündung aus der Brennkammer zurückziehen zu können, dies auch, um einerseits die Strömung in der Brennkammer nicht zu stören un.d zum anderen, um die Anpassung des Brennkammervolumens an die jeweiligen Begebenheiten nicht zu behindern.
In der Praxis bedeutet dies, daß die Düse und die Elektrode auf Zündstellung zusammengefahren werden und daß danach, wenn erforderlich,das optimale Bre.nnkammervolumen unbehindert von der Elektrode eingestellt werden kann.
Im.Brennraum, der bezüglich seiner Größe auch bei der Flammspritzpistolen/Strahlbündelungsdüsen-Hombination
variierbar sein muß, findet eine weitgehend kontrollierte Verbrennung statt, die ggf. zu Temperaturen führen kann, bei denen sogar Metallverdampfungen ■ auftreten. Aus diesem Grunde uird auch der Adapter gekühlt.
Durch Veränderung der Länge der Strahlbündelungsdüse und/oder durch Variation des Brennraumes,· können sotüohl hochschmelzende als auch niedrigschmelzende Spritzzusatzbjerkstoffe verspritzt werden, und schließlich ist die Möglichkeit der Zuführunq von Zerstäu- . · ber- bzu). Zusatzgasen gegeben, die die Wirkungsweise der Vorrichtung gezielt beeinflußbar machen.
Bezüglich der Längenanpasaung zum zu verarbeitenden Spritzwerkstoff ist deshalb die Strahlbündelunqsdüse vorteilhaft mehrteilig ausgebildet, was noch näher erläutert uiird.
Bei der Ausbildung der Vorrichtung mit einem Düsenstock wird beim Pulverspritzen die Pulverfö.rderung von einem externen Pulverfördersys.tem übernommen, so daß eine gleichmäßige Pulverförderung ermöglicht wird. Im Falle der Verarbeitung von Draht als Spri t?-zusatzu)erkstoff erfolgt die Drahtzuführung ebenfalls über ein externes Vorschubgerät bekannter Art für den Draht.
Insbesondere für eine längere Benutzungsdauer der Vorrichtung, auch dies gilt für beide Varianten, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, im Innenkanal, der Strahlbündelungsdüse für die Ausbildung einer Mantelströmung zu sorgen, was apparativ einfach zu verwirklichen ist. Durch eine solche Mantelströmung kann nämlich ein Anbacken der aufgeschmolzenen Partikel an den Wänden des Innenkanales verhindert werden, was für eine längere Betriebsdauer nicht unwesentlich ist.
Je nach Länge der Strahlbündelungsdüse können dann auch in der einmündungsseitigen Hälfte, vorzugsweise im Bereich vor der Einmündung, zusätzliche Einrichtungen zur Ausbildung einer solchen Mantelströmung getroffen werden die bspw. auch durch Zufuhr von Inertgas erzeugt werden kann.
Im übrigen muß einerseits der Innenkanal der Strahlbündelungsdüse nicht zylindrisch, sondern kann auch sich nur schwach zur Düsenmündung hin konisch erweiternd ausgebildet sein, wobei jedoch einerseits eine so starke Erweiterung, wie sie bspw. bei sogenannten Lavaldüsen üblich ist, nicht in Frage kommt. Für eine solche Erweiterung kommt bspw. nur ein Steigungsverhältnis von etwa l,5/2oo mm in Frage.
Abgesehen von den praktischen Ausführungsfarmen, die im einzelnen noch erläutert werden, und den vorteilhaften Ueiterbildungen, ist mit der erfindungsgemäßen Lösung eine in ihrer Konstruktion denkbar einfache Vorrichtung geschaffen,deren einer Teil sogar eine herkömmliche Flammspritzpistole sein kann, die durch einfache Anpaßbarkeit des Brennkammervolumens allen auf diesem Gebiet üblichen Brenngasen bzui. Brenngasgemischen zugänglich ist und die einen sicheren Zündvorgang gewährleistet.
Die erfindungsgemäße Uorrichtung uiird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigt schematisch
Fig. 1 im Schnitt die Vorrichtung einer Flammsprit zpistolen/StrahlbUndelungsdüsen-Kombination; .
Fig. 2 im Schnitt die Vorrichtung in Form einer Düsenstock/Strahlbündelungsdüsen-Kombination;
Fig. 3 eine besondere Ausführungsform der Strahlbündelungsdüse;
Fig. k eine weitere besondere Ausführungsform der Strahlbündelungsdüse zur Ausbildung einer. Mantelströmung·
Fig. 5 eine bevorzugte Ausführungsform der Elektrodenausbildung.
Fin. fi pin Schaltschema für die Vorrichtung und F^n. 7 pin Funktionsdiagramm.
GsmäB Fig. 1 Bind die wesentlichen Teile der Vorrichtung die nur gestrichelt angedeutete Flamrnspritzpistale S1, der Adapter 3, die Strahlbündelungsdüse 1 und die Zündeinrichtung mit Elektrode 7.
Die FlammspritzpistolB 6" bedarf, da an sich bekannt, keiner näheren Erläuterung.
Der Adapter 3 muß natürlich bezüglich seiner Aufnahme, so bemessen sein, daß der Kopf der Flammspritzpistole 6', in dem auch die Brennerdüse 5 sitzt, in den Adapter 3 eingesetzt werden kann und zwar fixierbar in unterschiedlichen Stellungen, um die Brennkammer 2 an die jeweiligen Gegebenheiten anpassen zu können. Die Zündeinrichtung mit Zündelektrode 7 ist dabei in Bezug auf ihre Längsachse ebenfalls verstellbar angeordnet, so daß die geeignete Zünddistanz zum Kopf bzu. zur Düse 5 einstellbar ist.
Im vorliegenden Zusammenhang ist dabei die Zündeinrichtung gemäß Fig. 5 wie folgt ausgebildet. Die Elektrode 7 bildet den Anker einer Magnetspule 11, die bei Erre-gung die Elektrode 7 gegen die Wirkung einer Rückstellfeder 12 in Zündstellung (gestrichelt)
zur Düse 5 bringt. In dieser Stellung wird von einem Endschalter 13 der Zündstrom bewirkt.
. Nach erfolgter Zündung, gekoppelt mit Stromabschaltung der Spule 11 üjird die Elektrode 7 aus der Brennkammer durch die Feder 12 zurückgezogen. Für den Zündvorgang ist wesentlich, daß die Zündung nicht etwa erst dann einsetzt, wenn die Brennkammer 2 gefüllt ist, sondern sofort zu Beginn des Ausströmens eines zündfähigen Gasgemisches.
Die Strahlbündelungsdüse 1 einschließlich des
Adapters 3 sind, üiie aus Fig. 1 erkennbar, wassergekühlt ausgebildet, wobei die KühlkanMle IU1 15 mit einer Verbindungsleitung 16 verbunden sind.
l
j
Der Kühlmittelzuströmanschluß 17 für beide Kühlkanäle 14,15 ist im Ansatzbereich der Strahlbündelungsdüse 1Θ zum PJdapter 3 angeordnet, und für beide Kanäle 14,1E> ist ein gemeinsamer Kühlmittelabströmanschluß 19 vorgesehen.
Zwecks Längenanpaßbarkeit kann gemäß Fig. 3 (dies gilt sowohl für die Ausführungsform nach .Fig. 1 als auch für die gemäß Fig. 2) die Strahlbündelungsdüse 1 aus aneinander anschließbaren Einzelteilen gebildet sein, die hinsichtlich der Kühlmitteldurchleitunq durch Überbrückungsleitungen 23 miteinander
verbunden sind, sofern nicht jedes Einzelteil 22 mit separaten Zu- und Abströmanschlüssen versehen ist.
Zur Ausbildung der vorerwähnten Mantelströmunci innerhalb der Strahlbündelungsdüse 1 sind am adapterseitiqen Ende eine oder mehrere Gaszufuhröffnunoen 21, wie in Fig. U schematisch dargestellt, vorgesehen. Ferner können solche Öffnungen ?1' zusätzlich im Bereich der mündungsseitigen Hälfte der Strahlbündelungsdüse 1, bspiu. im Strömungsschatten einer Abstufung Zh (rechts in Fig. h") vorgesehen werden.
Auch dies gilt für die Ausführungsform nach Fig. 2.
Für die einwandfreie betriebssichere Inbetriebnahme und damit die Funktionsfähigkeit des ganzen Gerätes überhaupt, ebenfalls für beide Ausführunnsbeispiele gültig, ist es wesentlich, daß der Brenngaszufuhrregeler θ und der Sauerstoff- bziu. Preßluftzufuhrregeler 9 der Flammspritzpistole 61 einerseits und das Einschaltelement für die Zündeinrichtung derart ausgebildet miteinander gekoppelt und angeordnet sind, daß Spülung der Strahlbündelungsdüse, Einschaltung der- Zündeinrichtung und Einströmen des Brenngases zwangsläufig nacheinander bewirkbar sind.
Dafür sind entsprechende Regel- und Steuerelemente ohne weiteres verfügbar.
Das zum Adapter 3 bewegliche bzui. einstellbare Teil (Flammspritzpistole bzu). Düsenstock) ist vorteilhaft mit einer Markierung oder einstellbarem Anschlag versehen, die bzw. der gewährleistet, daß für den Zündvorgang das betreffende Teil mit seiner Düse 5 in die richtige Stellung zur .Elektrode 7 gebracht liiird.
Die Zündeinrichtung bzu. die Elektrode 7 wird zweckmäßig im aufsteckseitigen Bereich 3' des Adapters 3 angeordnet, so daß auch bei größt eingestellter Brennkammer 2 die Durchgriffsöffnung in der Adapterujand für die Elektrode 7 abgedeckt wird, uias in Rücksicht auf die hohen Temperaturen in der Brennkammer vorteilhaft ist.
Die Ausführungsform nach Fig. 2 unterscheidet sich praktisch von der nach Fig. 1 beschriebenen nur dadurch, daß hierbei anstelle' der Spritzpistole ein entsprechend angepaßter Düsenstock vorqesehpn und man damit nicht mehr an die Leistungsdaten der Flammspritzpistole gebunden ist.Außerdem kann hiermit sowohl pulverförmig oder drahtförmig zugeführter Snritzhierkstaff verarbeitet werden.
Entsprechende Teile dieser Ausführunqsform sind deshalb mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet, die mit Strichindex versehen sind.
Im Schautsnhema gemäß Fig. 6 haben nur die großen Bezupszeinhen 5,7,8,9,10,11,13 und X,Y direkten Bezug auf entsprechende in den Fig. 1-5.
An dip Vorrichtung selbst gehören von dipper Srhaltiinn nur die Elemente 5,7,8,9,11, d.h., die, dip sich unter der strichpunktierten Linie hpfinripn.
Durch entsprechende anzug- bzu. ahfallverzönerte Rplais K^, KK,, K, und zugehörige Schaltungselemente i.iircj an der Vorrichtung der notuienriine Funkti onqablauf gemäß Fig. 7 gewährleistet, ujabei t_die eigentliche Betriebsphase darstellt.
Die riarnestellten Kurven haben selbstverständlich nur qualitative Bedeutung. Bspui. verdeutlicht die Zündkurve, daß Zündstrom nur im Zeitintervall t.„ fließt, in dem erst das Brenngas zuzuströmen heninnt. Die Elektrodenkurve verdeutlicht, daß unmittelbar nach dem Intervall t„ die Elektrode zurückgezogen uiird.
In Intervall t,, d.h. nach Abschaltunn bei S^ der Steuerung fällt die Brenngaszufuhr sofort ab,
i /ipdonh zwecks Spülung die Sauerstoffzufuhr
noch ein meniq weiterlaufen kann.

Claims (1)

  1. -JC-
    Q121Γ
    Patentansprüche:
    ί IJ Λ/oTTi nht.iinq zum thermischen Spritzen von Auftrans-RchtiiPiBiiierkstoffen, bestehend aus Einrichttmnen zur Zuführung der Betriebsmittelkamponenten, nämlich Retrüehsqasen und Auftraqsschueißuerkstoff zu einer nekühlten Strahlbündelungsdüse mit vorneschalteter Brennkammer, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlbündelunqsdüse (1) zuströmseitig mit einem die Brpnnkammer (2) umschließenden Adapter (3) versehen und die Brennkammer (2) gegenüber der Einmündung (*O in die Strahlbündelungsdüse (1) mit einer zum Adapter (3) axial verstellbaren,differenzdruckbeschicKten Brennerdüse (5), bzu. Düsenhalter (6) mit Düse verschlossen und daß in der Wand des Adapters (3) eine cjuer zur Strömungsrichtung bzuj. quer zur Adapterlängsachse verstellbare Zündelektrode (7) angeordnet ist, uobei Brennqaszufuhr (8)- und Sauerstoff- bzu. Preßluftzufuhrreqeler (9) einerseits und das Einschaltelement (lo) für die Zündeinrichtunq der Elektrode (7) derart miteinander qekoppelt und angeordnet sind, daß Snüluna der Strahlunqsbündelungsdüse (1), Einschaltnnq des Zünrist.romes und Einströmen des Brenngases nacheinander betüirkbar sind.
    ■ " " . 33^.121"
    ?. Vcirri chtimn nach Anspruch 1, dadurch nekennzeichne.t, daß ripr Düspnhaitpr (fi) in Form einer an sich bpkannten Flammspritzpistole (6") ausgebildet ist.
    3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder ?, · dadurch gek en nzeichnet, daß die verstellbare Zündelektrode (7) als Anker einer Magnetspule (11) ausgebildet, mit piner Rückstellfeder (12) und mit Zündstrom-
    schaltkontakt (13) versehen ist.
    i V
    h. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündelektrode (7) im aufsteckseitioen Bereich (31) des Adapters (3) angeordnet ist.
    5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis U1 dadurch gekennzeichnet, daß auch der Adapter (3) mit einem Kühlkanal versehen ist. .
    6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kühlkanal (14) des Adapters (3) und dem Kühlkanal (15) der Strahbündelungsdüse (1) eine Vprbindunnsleitung (16) angeordnet ist.
    7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelzuströmanschluß (17) für beide Kühlkanäle (IU, 15) im Ansatzbereich (18) der Strahlbündelunas-' düse (1.) zum Adapter (3). angeordnet und für beide Kanäle (14,15) ein gemeinsamer Kühlmittelabströmanschluß (19) vorgesehen ist.
    8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der '.Strahlbündelungsdüse (1), sich über deren gesamte Innenlänge erstreckend, ein DUsenrohr (2o) auswechselbar angeordnet ist.
    9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    • dadurch gekennzeichnet, daß am adapterseitigen Ende der Strahlbündelunosdüse (1) eine oder mehrere Gaazufuhröffnunqen (21) zur Ausbildung einer Mantelströmung längs der Innenwand der Düse (1) angeordnet sind.
    lo. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der münd.ungsseitigen Hälfte der Strahlbündelungsdüse (1) eine oder mehrere Gaszufuhröffnunoen (21/) zur Ausbildung einer Mantelströmung lMngs der Innenwand der Düse (1) angeordnet sind.
    11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis la, dadurch gekennzeichnet daß die Strahlbündelungsdüse (1) aus mehreren untereinander verbindbaren Einzelteilen (22) gebildet ist.
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