DE3902736A1 - Lichtbogenspritzanlage zum hochleistungsspritzen von massiv- und fuelldraehten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Lichtbogenspritzanla­ ge zum Hochleistungsspritzen von Massiv- und Füll­ drähten.

Es ist bekannt, daß unter Verwendung einer Licht­ bogenspritzanlage, welche im wesentlichen aus einer Spritzpistole, einer Drahtfördereinrichtung und einer Stromquelle besteht (Zeitschrift "DVS- Berichte", Jahrgang 1977, Heft 47, Seiten 25 bis 31), durch Lichtbogenspritzen verschleiß- und kor­ rosionsbeständige Schutzschichten erzeugt werden können. Hierbei werden in der Regel zwei Massiv­ oder Fülldrähte (Hohldrähte) in einem elektrischen Lichtbogen geschmolzen und die entstehende Metall­ oder Metall-Keramik-Schmelze durch ein Gas, wie etwa Druckluft zerstäubt und auf ein zu beschich­ tendes Werkstück geschleudert (deutsche Patent­ schriften Nr. 35 33 966.7 und Nr. 28 21 880, europä­ ische Patentschriften Nr. 00 51 869 und 01 18 307).

Zum Beschleunigen und Zerstäuben der Schmelze wird entweder eine zentrisch hinter den abschmelzenden Drahtelektroden angeordnete Zerstäuberdüse oder zusätzlich eine Düse verwendet, die einen in radialer Richtung auf den Spritzstrahl einwirken­ den Zerstäubergasstrom ergibt (deutsche Patent­ schriften Nr. 35 33 966.7 und Nr. 28 21 880, europä­ ische Patentschrift Nr. 00 51 869).

Da ausnahmslos Düsen verwendet werden, die eine Unterschallstömung ergeben, beträgt die erreich­ bare Geschwindigkeit des Zerstäubergases am Ab­ schmelzpunkt in Höhe der Drahtspitzen maximal rd. 300 m/s und die Spritzteilchengeschwindigkeit zwischen rd. 30-80 m/s (Tagungsband "2nd Int. Conf. on Surface Engineering", England, 1987, paper 39), obwohl zum Erzielen von gut haftenden, dichten und homogenen Schutzschichten eine höhere Gas- und Partikelgeschwindigkeit, wie bei anderen thermischen Spritzverfahren mit geringerer Auf­ tragsrate, z.B. dem Plasmaspritzen und Hochge­ schwindigkeits-Flammspritzen (Zeitschrift "Ober­ fläche und JOT", Jahrgang 1988, Heft 9, Seiten 30 bis 39), erforderlich ist. Hierdurch wird insbe­ sondere eine feinere Zerstäubung und eine höhere kinetische Energie der Spritzteilchen beim Auf­ prall auf dem zu beschichtenden Werkstück er­ reicht.

Da bei den gegenwärtig eingesetzten Düsensystemen keine kontrollierte Expansion des Zerstäubergases möglich ist, und daher bereits ein beträchtlicher Anteil der kinetischen Energie des Zerstäubergases durch den frühzeitigen Zerfall des Gasstrahls (Energiedissipation) vor dem Erreichen des Ab­ schmelzpunktes verloren geht, entstehen vor allem bei hoher elektrischer Leistungsaufnahme, auch bei hohen Zerstäubergasdrücken, grobe Partikel, die poröse, schlecht haftende Schichten ergeben.

Zudem führt eine hohe elektrische Leistungsaufnah­ me der Pistole zu einer beträchtlichen Erwärmung der zur Stromübertragung verwendeten Kontaktdüsen. Hierdurch bedingt nimmt der Verschleiß, dieser in der Regel aus Kupfer bestehenden Kontaktdüsen, infolge der inneren Reibung der Drähte überpropor­ tional zu.

Vor allem bei der Verwendung von Fülldrähten oder weichen Massivdrähten können sich ferner bei hohen Abschmelzleistungen aufgrund deren geringer mecha­ nischer Stabilität erhebliche Förderprobleme erge­ ben, die einem längeren kontinuierlichen Auftragen dieser Werkstoffe entgegenstehen. So können diese in den Drahtführungen zerdrückt werden oder bre­ chen. Zudem ist bei hohen Auftragsleistungen, d.h. schnellem Drahtvorschub, mit einem an der Kathode und Anode unterschiedlichen Abschmelzverhalten der beiden Drähte zu rechnen, welches zu einem Ab­ reißen des Lichtbogens führen kann. Darüber hinaus wird hierdurch der Wirkungsgrad der Lichtbogenan­ lage (Abschmelzleistung) und die Zerstäubung der entstehenden Schmelze verringert.

Bedingt durch Strahlung und Konvektion kühlen die Spritzteilchen auf ihrem Flugweg sehr schnell ab (Tagungsband "2nd Int. Conf. on Surface Engineering", England, 1987, paper 39), so daß die Spritzteilchen beim Auftreffen auf dem Substrat nur ein geringes Spreitungsverhalten aufweisen; insbesondere bei größeren Spritzabständen ist daher mit porösen Schichten geringer Kohäsion zu rechnen.

Die vorliegende Erfindung bezweckt, die genannten Nachteile zu beseitigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Lichtbogenspritzanlage zum Hochleistungsspritzen von Massiv- und Fülldrähten zu entwickeln, welche insbesondere in kostengünstiger Weise, d.h. mit hohen Auftragsraten, die Bewehrung von großen Bauteilen, wie Walzen, Wellen, Behältern mit hoch­ qualitativen verschleiß- und korrosionsbeständigen Schutzschichten ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch ge­ löst, daß zum Hochleistungsspritzen eine Lichtbo­ genspritzanlage eingesetzt wird, die zum Be­ schleunigen und Zerstäuben der Spritzteilchen (Schmelze) mit zwei getrennt regelbaren Düsen ausgestattet ist, die zwei voneinander unabhängige Überschallströmungen erzeugen. Durch die Verwen­ dung von zwei unabhängig regelbaren Düsen in der Form von sogenannten Laval-Düsen wird eine kon­ trollierte Expansion des Zerstäubergases erreicht. Hierdurch ist es möglich die Energiedissipation klein zu halten und Überschallgeschwindigkeit des Zerstäubergases zu erreichen, d.h. der Impulsüber­ trag des Zerstäubergases auf die Spritzpartikel wird signifikant gesteigert.

Es ergibt sich somit einerseits eine feinere Zer­ stäubung und andererseits eine höhere kinetische Energie der Spritzteilchen. Zum Zerstäuben und Be­ schleunigen der Spritzteilchen können hochkompri­ mierte Luft und/oder andere inerte und aktive Gase sowie hieraus zusammengesetzte Gasmischungen ver­ wendet werden. So wird durch die Verwendung von Druckluft und/oder anderen Gasen und Gasmischungen bis etwa 2 MPa Vordruck eine Gasgeschwindigkeit bis etwa 500 m/s erreicht und gleichzeitig durch den Einsatz von inerten und aktiven Gasen oder deren Gasmischungen als Hüllgas der Abbrand von Legierungselementen, infolge der hierdurch beding­ ten Verringerung der Oxidation durch die umgebende Atmosphäre, erheblich reduziert.

Um eine weitere beträchtliche Geschwindigkeits­ steigerung des Zerstäubergases zu erreichen, wird das verwendete Zerstäubergas vor Eintritt in die Düsen innerhalb und/oder außerhalb der zur Licht­ bogenanlage gehörenden Spritzpistole, vorzugsweise durch elektrisch beheizte Wärmetauscher, vorge­ wärmt. Hierdurch wird die Expansionsfähigkeit und damit die Austrittsgeschwindigkeit des Zerstäuber­ gases infolge der mit dieser Vorwärmung verbunde­ nen Volumenzunahme des Zerstäubergases drastisch erhöht und eine feinere Zerstäubung sowie eine beträchtliche Steigerung der Geschwindigkeit der Spritzteilchen auch bei sehr hoher elektrischer Leistungsaufnahme der Spritzpistole erreicht.

Um den Verschleiß der für die Stromübertragung eingesetzten, aus Kupfer bestehenden Kontaktdüsen wegen der hohen elektrischen Leistungsaufnahme der Spritzpistole und der inneren Reibung der Drähte zu vermindern, sind innen die Kontaktdüsen mit Fe­ dern, z.B. aus Stahl oder Bronze, versehen.

Zusätzlich werden, um eine hohe Leistungsaufnahme und gleichzeitig eine geringe Baugröße der Spritz­ pistole zu ermöglichen, die Kontaktdüsen innen durch einen vom Zerstäubergas unabhängigen Gas­ strom, wie z.B. Luft, Argon, Stickstoff oder an­ dere Fluide, wie Wasser, gekühlt.

Zudem ist die Spritzpistole mit einer Drahtförder­ einrichtung ausgestattet, bei welcher der Anpreß­ druck der Vorschubrollen stufenlos eingestellt werden kann oder es wird eine Drahtfördereinrich­ tung verwendet, die außerhalb der Pistole den Draht in gleicher Weise fördert.

Hierdurch können Massiv- und Fülldrähte unter­ schiedlicher Duktilität sowie geringer mecha­ nischer Stabilität auch bei schnellem Drahtvor­ schub und verschiedenen Durchmessern problemlos gefördert werden.

Damit insbesondere beim Verspritzen von Fülldräh­ ten bei schnellem Drahtvorschub ein Abreißen des Lichtbogens, infolge der starken Anströmung der Drahtspitzen durch das Zerstäubergas, verhindert werden kann, wird der pneumatisch oder elektrisch betriebene Drahtvorschub stufenlos über Servomoto­ ren unabhängig für beide Drähte und die Lage der Kontaktdüsen separat für jede Kontaktdüse gere­ gelt. Darüber hinaus wird um beide Drähte bis nahe dem Abschmelzpunkt zu führen eine hochschmelzende, vorzugsweise aus Aluminiumoxid, bestehende Kera­ mikkappe verwendet. Ferner ist eine Zentrierung der Drahtspitzen mit Hilfe auf die Kontaktdüsen einwirkenden manuell oder elektromotorisch betä­ tigten Anstellschrauben möglich.

Zur automatischen Regelung des Drahtvorschubs und/oder der Lage der Kontaktdüsen wird als Maß die Länge und/oder die geometrische Form des Lichtbogens, ausgedrückt durch die hierdurch be­ einflußte Spannung und/oder den Strom, verwendet. Zu dieser Regelung können auch Werte aus Rechen­ operationen mit einer oder beiden dieser Größen herangezogen werden.

Damit kurze Regelzeiten zu erreichen sind, wird vorzugsweise elektronisch die jeweilige Lichtbo­ genspannung und/oder der -strom mit einem vorgege­ benen Sollwert verglichen. Um diesen Sollwert einzuhalten wird die Vorschubgeschwindigkeit einer oder beider Spritzdrähte variiert.

Um der Abkühlung der Spritzteilchen auch bei größeren Spritzabständen während des Aufpralls auf dem Werkstück entgegenzuwirken, kann zum Vorwärmen des zu beschichtenden Werkstücks und zum Lichtbo­ genspritzen ein übertragener Lichtbogen verwendet werden.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß mit der beschriebenen Lichtbogenspritzanlage bei hohen Auftragsleistun­ gen durch das Verspritzen von Massiv- und Füll­ drähten qualitativ hochwertige verschleiß- und korrosionsbeständige Schutzschichten erzeugt wer­ den können. So können durch die Verwendung dieser Lichtbogenspritzanlage zum Hochleistungsspritzen gegenüber anderen herkömmlichen Verfahren des thermischen Spritzens, mit denen vergleichbar hochwertige Schichten erzeugt werden, wie etwa das Plasmaspritzen oder das Hochgeschwindigkeits- Flammspritzen, bis zu 10fach höhere Auftragsraten, d.h. bis zu rd. 30 kg/h, bei gleichzeitig um den Faktor 3-6 reduzierten Anlagenkosten erreicht werden.

Hierdurch wird daher erstmals die Möglichkeit geschaffen in kostengünstiger Weise durch thermi­ sches Spritzen auch große Bauteile, wie z.B. Wal­ zen, Wellen, Behälter, mit hochqualitativen Schichten zu versehen.

Die Ausgestaltung und Wirkungsweise der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeich­ nung näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 und Fig. 2 schaubildliche Dar­ stellungen der zur Lichtbogenspritzanlage gehö­ renden Spritzpistole im Schnitt gemäß der Erfin­ dung.

Die allgemein mit 1 bezeichnete Spritzpistole weist sowohl eine zentrische und eine ringförmig um den aus Spritzteilchen 2 bestehenden Spritz­ strahl 3 angeordnete Hochgeschwindigkeitsdüse 4, 5 mit sogenannter Laval-Geometrie 6 auf, um eine kontrollierte Expansion der Zerstäubergase zu gewährleisten. Diese Düsen werden unabhängig von­ einander durch zwei separat mit Hilfe von Nadel-, Kugel- oder Magnetventilen (in der Zeichnung nicht dargestellt) stufenlos regelbaren Zuleitungen 7, 8 mit dem Zerstäubergas versorgt. Durch die Ver­ wendung von Druckluft und/oder anderen Gasen und Gasmischungen bis etwa 2 MPa Vordruck wird eine Gasgeschwindigkeit bis etwa 500 m/s erreicht und gleichzeitig durch den Einsatz von inerten und aktiven Gasen, wie Argon, Stickstoff, Methan, Erd­ gas oder deren Gasmischungen als Hüllgas der Ab­ brand von Legierungselementen, infolge der hier­ durch bedingten Verringerung der Oxidation durch die umgebende Atmosphäre, beträchtlich reduziert. Um die Führung der beiden Spritzdrähte 9, 10 bis nahe dem Abschmelzpunkt 11, wo der Lichtbogen 12 entsteht, zu gewährleisten, wird vorzugsweise eine hochschmelzende Keramikkappe 13 verwendet. Ferner ist eine Zentrierung der Spritzdrähte 9, 10 mit Hilfe von auf die Kontaktdüsen 14 einwirkenden Anstellschrauben 15 möglich.

Die zur Stromübertragung auf die Spritzdrähte 9, 10 benutzten, vorzugsweise aus Kupfer gefertigten, Kontaktdüsen 14, weisen innen zur verlust- und verschleißarmen Übertragung des elektrischen Stroms Stahl- oder Bronzefedern 16 auf. Zudem sind diese zum Erhöhen der elektrischen Leistungsauf­ nahme und zum Erzielen einer geringen Baugröße der Spritzpistole 1 durch einen weiteren vom Zerstäu­ bergas unabhängigen Gasstrom 17, z.B. bestehend aus Luft, Argon, Stickstoff, innengekühlt. Zur Steigerung der Gas- und Spritzteilchengeschwindig­ keit ist die Lichtbogenspritzpistole zur Vor­ wärmung des Zerstäubergases vorzugsweise mit zwei separat regelbaren elektrischen Wärmetauschern 18 ausgerüstet.

Durch diese Vorwärmung bis rd. 750°C lassen sich Geschwindigkeitssteigerungen des Zerstäubergases von mehr als 100% gegenüber herkömmlichen Spritz­ pistolen, d.h. bis rd. 800 m/s erzielen. Die bei­ den Spritzdrähte 9, 10 werden während des Spritz­ vorgangs mit einer vorzugsweise aus vier angetrie­ benen Vorschubrollen 19 und vier Leerlaufrollen 20 bestehenden Drahtfördereinrichtung transportiert.

Über Federanstellung 21 der Leerlaufrollen 20 kann der Anpreßdruck der pneumatisch oder elektrisch angetriebenen Vorschubrollen 19 stufenlos in Ab­ hängigkeit der jeweiligen Duktilität, mechanischen Stabilität und dem Durchmesser der verwendeten Drähte eingestellt werden.

Fig. 3 zeigt beispielhaft in schematischer Dar­ stellung, wie die elektronische Regelung des Drahtvorschubs unabhängig für beide Spritzdrähte 9, 10 stufenlos über Servomotoren 22, 23 erfolgt. In diesem Fall werden als Maß für die Vorschubre­ gelung 24 prozeßabhängige Parameter, vorzugsweise die Lichtbogenspannung, welche ein Maß für die Länge und/oder geometrische Form des durch das Zerstäubergas angeblasenen Lichtbogens 12 dar­ stellt, über Meßwandler 25 und Analog-Digital- Umsetzer 26 einem Mikrocomputer mit Speicher 27 zugeführt. Hier werden die Eingangsdaten mit den durch die Operatoreinheit 28 vorgegebenen Sollwer­ ten verglichen. Die sich ergebenden Differenzen zwischen Soll- und Ist-Werten werden numerisch be­ rechnet und zur Korrektur des Drahtvorschubs über einen Digital-Analog-Umsetzer 29 der Vorschubrege­ lung 24 zugeführt.

Hierbei wird z.B. bei positiver Abweichung der Spannung von dem vorgegebenen Sollwert, d.h. Zu­ nahme der Lichtbogenlänge und der Spannung, der Spritzdraht 9 über die Vorschubregelung 24 mit Hilfe des Servomotores 22 schneller vorgeschoben, um den Sollwert der Spannung zu erreichen. Bei negativer Abweichung der Spannung von dem Sollwert wird dagegen der Vorschub des Spritzdrahtes 9 verlangsamt bis der Sollwert eingestellt ist. Demgegenüber bleibt in diesem Beispiel während des Regelungsvorgangs die Vorschubgeschwindigkeit des Vorschubmotors 23 für den Spritzdraht 10 konstant. In gleicher Weise kann die Lage der Kontaktdüsen 14 geregelt werden.

Hierdurch ist es insbesondere möglich, ein Ab­ reißen des Lichtbogens 12 von den Spritzdrähten 9, 10 in Höhe des Abschmelzpunktes 11, bei schnel­ lem Drahtvorschub zu verhindern und hohe Ab­ schmelzleistungen zu erreichen.

Zur weiteren Erläuterung sind Fig. 3 die Regel­ kreise 30, 31, 32 zu entnehmen. Diese können, wie im folgenden dargestellt während der Vornahme der Beschichtung über die Parametererfassung und die Prozeßführung in den Arbeitsablauf eingreifen. So ermöglicht der Regelkreis 30 die Positionierung der beiden Kontaktdüsen 14 über eine elektromecha­ nische Anstellung (in der Zeichnung nicht darge­ stellt) in x-y-z-Richtung unabhängig voneinander. Hierdurch ist es in Ergänzung der Vorschubregelung 24 der Spritzdrähte 9, 10 möglich, die Drahtspit­ zen in Höhe des Abschmelzpunktes 11 in einfacher Weise zu zentrieren und schnell einen stabilen Lichtbogen 12 zu erreichen. Zudem werden durch diesen Regelkreis 30 die Temperatur und Druck des Zerstäubergases unabhängig für beide Hochgeschwin­ digkeitsdüsen 4, 5 sowie die Temperatur der innen­ gekühlten Kontaktdüsen 14 erfaßt.

Durch den Regelkreis 31 werden neben der Vorschub­ geschwindigkeit unabhängig für beide Spritzdrähte 9, 10, der Anpreßdruck der Vorschubrollen 19 sowie der Schlupf zwischen der Vorschubgeschwin­ digkeit der Spritzdrähte 9, 10 und der Drehzahl der Vorschubrollen 19 kontrolliert.

Mit Hilfe des Regelkreises 32 kann die Positio­ nierung des zu beschichtenden Werkstücks 33 in x-y-z-Richtung über Servoantriebe (nicht in der Zeichnung dargestellt) erfolgen sowie die Tempera­ tur des Werkstücks erfaßt werden. Durch negative oder positive elektrische Polung des Werkstücks 33 gegenüber den Spritzdrähten 9, 10 ist auch, bei­ spielsweise durch Kontakt- oder Hochfrequenzzün­ dung und Verwendung einer elektronisch regelbaren Stromquelle 34, die Vorwärmung des Werkstücks 33 oder das Lichtbogenspritzen mittels übertragenen Lichtbogen 35 möglich.

Fig. 4 zeigt zur weiteren Erläuterung ein Beispiel der Ausgestaltung einer Hochgeschwindigkeits-Ring­ düse 36 mit Blendkappe 37. Hierbei befindet sich im Gegensatz zu der in Fig. 1 und 2 dargestellten Hochgeschwindigkeitsdüse 5 der Ringspalt 38 zum Austreten des Zerstäubergases aus der Hochge­ schwindigkeits-Ringdüse 36 in unmittelbarer Nähe des Abschmelzpunktes 11, um eine höhere Be­ schleunigung und Geschwindigkeit der Spritz­ teilchen 2 und eine Einschnürung des Spritz­ strahles 3 zu erreichen. Der Ausströmwinkel 39 der Hochgeschwindigkeits-Ringdüse 36 kann ferner, um stärkere Scherkräfte auf die Spritzteilchen 2 ausüben zu können und hierdurch eine feinere Zer­ stäubung zu erreichen, zwischen 3-38° betragen.

Claims (9)

1. Lichtbogenspritzanlage zum Hochleistungsspritzen von Massiv- und Fülldrähten, dadurch gekennzeichnet, daß zum Beschleunigen und Zerstäuben der Spritzteilchen zwei getrennt regel­ bare Düsen verwendet werden, die zwei voneinander unabhängige Überschallströmungen erzeugen.

2. Lichtbogenspritzanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zerstäuben und Be­ schleunigen der Spritzteilchen hochkomprimierte Luft und/oder andere inerte und aktive Gase sowie hieraus zusammengesetzte Gasmischungen verwendet werden.

3. Lichtbogenspritzanlage nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß das verwendete Zer­ stäubergas vor Eintritt in die Düsen innerhalb und/oder außerhalb der Spritzpistole, vorzugsweise durch elektrisch beheizte Wärmetauscher, vorge­ wärmt wird.

4. Lichtbogenspritzanlage nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Stromübertra­ gung eingesetzten Kontaktdüsen innen mit Federn, z.B. aus Stahl oder Bronze, versehen sind.

5. Lichtbogenspritzanlage nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktdüsen innen durch einen vom Zerstäubergas unabhängigen Gas­ strom, z.B. Luft, Argon, Stickstoff oder einem anderem Fluid, wie Wasser, gekühlt sind.

6. Lichtbogenspritzanlage nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spritzpistole mit einer Drahtfördereinrichtung ausgestattet ist, bei welcher der Anpreßdruck der Vorschubrollen stu­ fenlos eingestellt werden kann oder eine Drahtför­ dereinrichtung verwendet wird, die außerhalb der Pistole den Draht in gleicher Weise fördert.

7. Lichtbogenspritzanlage nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der pneumatisch oder elektrisch betriebene Drahtvorschub stufenlos über Servomotoren unabhängig für beide Drähte und die Lage der Kontaktdüsen separat für jede Kontaktdüse geregelt wird.

8. Lichtbogenspritzanlage nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß als Maß für die Draht­ regelung die Länge und/oder die geometrische Form des Lichtbogens, ausgedrückt durch die hierdurch beeinflußte Spannung und/oder den Strom, verwendet wird.

9. Lichtbogenspritzanlage nach Anspruch 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß zum Vorwärmen des zu beschichtenden Werkstücks und zum Lichtbogen­ spritzen ein übertragener Lichtbogen verwendet wird.