DE4409002A1 - Verfahren zum Auftragen pulver- u. drahtförmiger Werkstoffe mit nicht auf das Werkstück übertragenem Plasmalichtbogen - Google Patents

Verfahren zum Auftragen pulver- u. drahtförmiger Werkstoffe mit nicht auf das Werkstück übertragenem Plasmalichtbogen

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DE4409002A1
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B7/00—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas
    • B05B7/16—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas incorporating means for heating or cooling the material to be sprayed
    • B05B7/22—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas incorporating means for heating or cooling the material to be sprayed electrically, magnetically or electromagnetically, e.g. by arc
    • B05B7/222—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas incorporating means for heating or cooling the material to be sprayed electrically, magnetically or electromagnetically, e.g. by arc using an arc
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K10/00—Welding or cutting by means of a plasma
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    • B23K10/027—Welding for purposes other than joining, e.g. build-up welding
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/134—Plasma spraying
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
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    • H05H1/26—Plasma torches
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Description

A Stand der Technik
Beim Plasmaspritzen wird der pulverförmige Spritzzusatz in oder außerhalb der Spritz­ pistole durch einen Plasmastrahl geschmolzen und auf die Werkstückoberfläche ge­ schleudert. Das Plasma wird durch einen Lichtbogen erzeugt, der gebündelt in Argon Helium, Stickstoff, Wasserstoff oder in deren Gemischen brennt. Die Gase werden da­ bei dissoziiert und ionisiert, sie erreichen hohe Ausströmgeschwindigkeiten und geben bei der Rekombination ihre Wärmeenergie an die Spritzpartikel ab.
Der Lichtbogen ist nicht übertragend, d. h., er brennt innerhalb der Spritzpistole zwischen einer zentrisch angeordneten Elektrode (Kathode) und der die Anode bildenden wasser­ gekühlten Spritzdüse. Das Verfahren wird in normaler Atmosphäre (z. B. Argon), im Vakuum und unter Wasser angewendet. Durch einen speziell geformten Düsenaufsatz läßt sich auch ein Hochgeschwindigkeitsplasma erzeugen.
Dieses System arbeitet mit einer speziellen aufwendigen Spezialpistole und einer für die­ ses Verfahren hergestellten Plasmastromquelle mit einer entsprechenden Systemsteuerung.
Einen guten Überblick über den Stand der Technik geben die beiliegenden Hefte der Firma Linde "Thermisches Spritzen" 8010/1.03/92 und 8507/3.02/93.
B Aufgabe
Es stellte sich die Aufgabe, durch den weitgehenden Einsatz bekannter Bauelemente eine weitaus billigere und einfacheren Plasmaauftragsspritzanlage zu konzipieren, deren Lärm­ emission gegenüber den Anlagen nach dem Stand der Technik deutlich herabgesetzt ist.
C Lösung
Das neue Verfahren zum Beschichten nutzt einen technisch bekannten Plasmaschweiß­ brenner, bei dem mit einer ersten elektrischen Energie zwischen einer Brennerelektrode und einer Brennerdüse ein Pilotlichtbogen in einem Argongasmedium aufrechterhalten wird.
Ferner wird bei diesem Brenner durch das Anlegen einer zweiten elektrischen Energie zwischen Elektrode und Werkstück ein Plasmaarbeitslichtbogen durch den Pilotlichtbogen gezündet. Durch eine Manteldüse wird Argon bzw. Argon mit 2-8% H2 zum Schutz des Schweißbades über den Plasmastrahl geblasen.
Im Gegensatz zu dem oben beschriebenen Plasmaschweißbrennerprinzip ist das neue Verfahren im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß bei dem vorstehend beschriebenen Brenner das zweite Potential sich nicht auf dem Werkstück befindet. Es ist außerhalb des Brenners an einer Vorrichtung angeordnet, die an dem Brenner angeflanscht ist.
Beschreibung des Verfahrens
Wie aus Bild 1 und Bild 1a ersichtlich, wird an dem standardmäßigen Plasmaschweiß­ brenner die axial verstellbare wassergekühlte Wolframelektrode angeflanscht. Sinngemäß wird die gleiche Vorrichtung an dem ebenfalls technisch bekannten Plasma­ pulverschweißbrenner angebracht. Bild 2 und 2a.
Durch das Heranführen der außen liegenden Elektrode an die Brennerdüse wird ein Lichtbogen gezogen. Als Zündhilfe dient der Pilotlichtbogen der Plasmaschweißstrom­ quelle bzw. die HF (Hochfrequenz) der WIG (Wolfram-Inert-Gas)- Stromquelle. Der Arbeitslichtbogen brennt jetzt zwischen der Brennerdüse und der außen liegenden Elek­ trode. Er kann durch die axiale Verstellbarkeit der Elektrode optimiert werden.
Das durch die Plasmadüse gebündelte und durch den Lichtbogen dissoziierte und ionisierte Gas, welches zusätzlich nach dem Zündvorgang unter Argon in seiner Zusammensetzung durch Austausch oder Beimischung von Helium, Wasserstoff oder Stickstoff verändert werden kann, erreicht eine hohe kinetische Energie. Weit­ gehend zylinderförmig tritt der Plasmastrahl über die außen liegende Elektrode hinaus.
Zur Optimierung der zu erzeugenden Schicht sowie abhängig vom aufzutragenden Material kann die normalerweise zylindrische Düsenbohrung eine konische Form aufweisen.
Das aufzutragende Zusatzmaterial wird oberhalb der außenliegenden Elektrode in Pulver- oder Drahtform zugeführt. Bei der Verwendung eines Plasmapulverschweißbrenners wird es durch den Brenner in den Plasmastrahl eingebracht.
Das aufzutragende Material wird im Plasmastrahl an- bzw. geschmolzen und auf das davor befindliche Werkstück aufgeschleudert.
Das Auftragspulver wird durch einen handelsüblichen Pulverförderer bzw. durch Schwer­ kraft zum Plasmastrahl transportiert. Das drahtförmige Zusatzmaterial wird durch ein handelsübliches stufenlos einstellbares Drahtfördergerät in den Plasmastrahl eingebracht.
Das neue Verfahren kann mit zwei verschiedenen Stromquellen betrieben werden. Die handelsübliche Plasmastromquelle besitzt neben dem Aggregat für den Hauptlicht­ bogen ein zweites für den Pilotlichtbogen. Der durch HF gezündete Pilotlichtbogen brennt zwischen der Wolframelektrode und dem inneren Teil der Brennerdüse. Er brennt in einem Argonmedium und dient der Vorionisation der Zündstrecke für den Hauptlichtbogen.
Es ist auch der Einsatz einer geeigneten WIG-Gleichstromschweißstromquelle mit HF-Zündung möglich. Hier wird mittels der HF der Hauptlichtbogen direkt über die Brenner­ düse zur außen liegenden Elektrode gezündet.
Für beide Stromquellentypen liegen Prospekte bei.
Der beschriebene Plasmastrahl besitzt im Vergleich zu den Plasmaspritzanlagen nach dem Stand der Technik einen eher zylinderförmigen Strahl kleinen Durchmessers anstelle eines divergierenden Plasmastrahles. Das Verfahren ist daher neben den normalen Anwendungen besonders für das Präzisionsbeschichten kleiner Flächen geeignet.
Der hochenergetische und genau einstellbare nichtübertragende Lichtbogen kann außer zum Auftragen von Werkstoffen auch zum Löten, Erwärmen, Oberflächenschmelzen etc. eingesetzt werden.
D Figurenbeschreibung Bild 1
Die Düse (A) für die Materialzuführung ist oberhalb der Brennerachse angebracht. Sie ist längs der Brennerachse, im Anstellwinkel und in der Höhe von Hand oder automatisch stufen­ los verstellbar. Je nach Schmelzpunkt des Zusatzmaterials (Pulver oder Draht) bzw. Funktion der herzustellenden Spritzschicht, kann der Eintritt in den Plasmastrahl direkt bei der Brenner­ düse, aber auch jenseits der außenliegenden Elektrode bzw. zwischen diesen Punkten erfolgen.
Der Plasmabrenner (B) muß nicht näher beschrieben werden. Es können alle auf dem Markt befindlichen Typen Verwendung finden. Mittels einer Schelle ist lediglich an geeigneter Stelle die Halterung für die außen liegende Elektrode anzubringen.
Die außen liegende Elektrode (C) besteht im wesentlichen aus einem wassergekühlten Messingblock, auf den mit einer Überwurfmutter eine Elektrode aus Wolfram oder auch Kupfer aufgeschraubt ist (Verschleißteil). Der Körper der Vorrichtung ist an einer Verstell­ einrichtung, z. B. an einer Zahnstange befestigt. Diese befindet sich in einer Führung, die mittels einer Schelle oder auf eine andere Weise mit dem Plasmabrenner verbunden ist. Durch eine spezielle Vorrichtung kann die außen liegende Elektrode beginnend von der Brennerdüse axial in Richtung des Werkstücks zur Optimierung des Lichtbogens von Hand oder auto­ matisch verstellt werden. Die außen liegende Elektrode befindet sich ca. 3 mm unterhalb der Brennerachse.
Bild 2
Der Grundaufbau ist identisch mit Bild 1. Der prinzipielle Unterschied ist dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der externen Materialzuführung ein technisch bekannter Plasmapulverschweißbrenner verwendet wird.

Claims (6)

1. Verfahren zum Plasmaauftragen von pulver- und drahtförmigen Materialien mit nichtübertragendem Plasmalichtbogen unter Verwendung standardmäßiger Plasma­ schweiß- bzw. Plasmapulverauftragsschweißbrenner, wobei das zweite Potential nicht auf dem Werkstück und auch nicht im Brenner (Stand der Technik), sondern außerhalb des Brenners und mit diesem verbunden, angeordnet ist. Das Verfahren kann von Hand und im Automatikbetrieb eingesetzt werden.
2. Verfahren nach 1, jedoch ohne Materialzusatz zum Erwärmen.
3. Verfahren nach 1, jedoch ohne Materialzusatz zum Löten.
4. Die Vorrichtung zum Ergänzen der Plasmabrenner mit der außen liegenden Elektrode.
5. Verfahren nach 1, 2 und 3 in Verbindung mit einer Plasmaschweißstromquelle.
6. Verfahren nach 1, 2 und 3 in Verbindung mit einer WIG-Gleichstromquelle mit HF-Zündung.
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