EP0645946B1 - Brennerkopf für Plasmaspritzgeräte - Google Patents

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EP0645946B1
EP0645946B1 EP94810508A EP94810508A EP0645946B1 EP 0645946 B1 EP0645946 B1 EP 0645946B1 EP 94810508 A EP94810508 A EP 94810508A EP 94810508 A EP94810508 A EP 94810508A EP 0645946 B1 EP0645946 B1 EP 0645946B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
cathode
burner head
anode
arrangement
head according
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP94810508A
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English (en)
French (fr)
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EP0645946A1 (de
Inventor
Markus Müller
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Oerlikon Metco AG
Original Assignee
Sulzer Metco AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Sulzer Metco AG filed Critical Sulzer Metco AG
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Publication of EP0645946B1 publication Critical patent/EP0645946B1/de
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    • H05H1/24—Generating plasma
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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
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    • 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
    • B05B7/226—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 the material being originally a particulate material
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    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/42—Plasma torches using an arc with provisions for introducing materials into the plasma, e.g. powder or liquid

Definitions

  • the invention relates to a burner head for plasma sprayers according to the preamble of claim 1.
  • Plasma sprayers with a burner head designed according to the preamble of claim 1 are preferably used for coating cavity walls, such as those found in pipes, bores, channels and the like.
  • the electrode consisting of the anode nozzle and the cathode transversely to the longitudinal direction of the plasma spraying device, so that the longitudinal axis of the generated plasma jet runs transversely to the longitudinal axis of the plasma spraying device.
  • it In order to prevent the burner head from overheating during the coating process, it must have cooling, as a rule liquid cooling.
  • a plasma spray burner is known from EP-PS 0 171 793, which has the construction features described above.
  • This plasma spray gun has a cathode half-shell and an anode half-shell, which two shells are separated by an insulation plate.
  • a cathode arrangement called an electrode
  • a burner nozzle is used, both the cathode arrangement and the burner nozzle being easily exchangeably attached.
  • a cooling channel with an annular channel leading around the burner nozzle is provided. The ring channel is sealed off from the burner nozzle used by two O-rings. Additional cooling channels leading to the O-rings are provided for cooling these two O-rings.
  • a cooling channel is also provided, this being designed as an annular channel in the region of the cathode arrangement, which is not, however, led directly to the cathode arrangement.
  • the reason for this should be to be found in the fact that the O-rings lie at least on one side directly on the burner nozzle. Even if the cooling water flows around the O-rings on one side, there is still the risk that they will melt as a result of the action of heat on the side facing the burner nozzle, or change in such a way that sufficient sealing of the ring channel leading around the burner nozzle is no longer guaranteed . Even the slightest leakage of cooling water into the area of the electrode means that the burner is inevitably damaged or destroyed during operation.
  • Such a plasma spray gun is therefore only suitable for temporary use, particularly when coating cavity walls.
  • the spraying process In order to achieve a quality of the applied material layer that is as uniform as possible, it is also increasingly required that the spraying process not be interrupted for entire series of substrates to be coated. This can mean that a plasma spray gun is in continuous use for days. In order to survive such maximum loads, it is of course inevitable that the cooling is optimized or improved, since it is not possible with the existing plasma spray guns to carry out coatings and in particular internal coatings in pipes, ducts and the like over such a long period of time.
  • the burner head designed in this way makes it possible for the first time that in the region of the anode nozzle of the burner head there are no longer any seals for sealing the cooling duct leading around the anode nozzle.
  • the seals previously installed in this area which are particularly subject to extreme wear in the case of compact burner heads, high performance and long service life, or the seals required for sealing the cooling channel in an area within the burner head that is not subject to very high thermal loads be transferred.
  • a series connection of the cooling channels also enables larger cooling channels to be accommodated on the available cross-sectional area of the burner head, so that the cooling is thereby additionally improved.
  • the cathode arrangement is inserted from the inside of the cathode body into the cathode socket of the cathode body, and that the corresponding cooling channel section leads past the cathode arrangement on the rear. It is thus possible that the cooling duct section in the region of the cathode arrangement need not be designed as an annular duct. Thus, a cooling duct with a larger cross section, which also has a lower resistance to the medium flowing through it, so that the cooling capacity is increased again.
  • this design in the area of the cathode arrangement means that sealing elements, as are necessary in most plasma spray guns, can be dispensed with.
  • such a plasma spray torch has a much more efficient cooling than comparable other devices and is therefore also suitable for tough continuous use under unfavorable, thermal conditions.
  • a further, preferred embodiment of the plasma spraying device provides that the insulating body has a longitudinal bore along its two longitudinal sides, from which a plurality of transverse bores lead outwards. These bores are used to supply gaseous media, for example air, by means of which the heat sink itself is cooled and which can also be used to cool the applied layer or the substrate itself in the outflow area.
  • gaseous media for example air
  • the anode body also has a longitudinal bore along its two longitudinal sides, from which two longitudinal bores a plurality of transverse bores lead outwards, the longitudinal axes of which run radially with respect to the longitudinal axes of the longitudinal bores.
  • the cross section of the burner head is essentially trapezoidal. This design enables larger duct and line cross-sections than with a burner head with the same cross-sectional area and a round shape. In addition, this shape, again based on a round burner head with the same cross-sectional area, enables a larger spraying distance.
  • the burner head can be seen in a cross section and a longitudinal section. Since such burner heads in question are known from the basic structure, only to the essential components of the burner head shown here in connection with the invention. These components are a cathode body 1, an anode body 3 and an insulating body 2 as well as a cathode arrangement 4 and an anode nozzle 5.
  • the cathode body 1, the anode body 3 and the insulating body 2 are connected to one another along planes running parallel to the longitudinal axis 15 of the burner head, the insulating body 2 arranged between the cathode body 1 and the anode body 3, the two other bodies 1 and 3 are insulated from one another.
  • the insulating body 2 On the connection-side end face 16, the insulating body 2 has a flange 21 which covers the cathode body 1 and the anode body 3 on the end face.
  • the cathode body 1 has a cathode socket 11 accessible from the inside in the form of a screw socket, into which the cathode arrangement 4 consisting of a gas distribution ring 42 and the actual cathode 41 is screwed.
  • the anode nozzle 5 is firmly inserted into the anode body 3 without the use of sealing elements, and the attachment can be carried out by pressing in or preferably by brazing.
  • a cooling channel formed by a plurality of cooling channel sections 6 which opens into the insulating body 2 on the end face 16.
  • the cooling channel is deflected by 90 ° into the anode body 3, then leads past the anode nozzle 5, forming an annular channel 61, is then deflected again by 90 ° and opens into the cathode body via an opening 25 in the insulating body 2 1, in which it is in turn deflected by 90 °.
  • the cooling channel leads past the cathode arrangement 4 on the back and finally opens after a deflection by 90 ° into the insulating body 2, from which it is led out at the end.
  • Such a series connection of the cooling duct sections 6 mounted in the three bodies 1, 2, 3 enables the cooling duct cross section to be larger than is the case with conventional cooling ducts arranged in parallel.
  • the plasma gas necessary for the operation of the plasma torch is supplied via two gas channels 43 which open into the cathode body 1 at the end and lead laterally through the latter into the cathode socket 11. From the cathode socket 11, the plasma gas finally passes through bores 44 in the gas distribution ring 42 to the front of the cathode arrangement 4 and thus into the region of the arc to be generated.
  • the coating material is fed into the front of the anode body 3 embedded bore 31, which leads through the anode body 3 and opens essentially radially into the anode nozzle 5.
  • the cooling channel 6 leading in an annular channel 61 around the anode nozzle 5 need not be sealed off from the anode nozzle 5.
  • the seals which are usually arranged in the form of O-rings in this thermally highly stressed area can be dispensed with.
  • 3 O-rings 7 are provided in the transition area from the cathode body 1 to the insulating body 2 and from the insulating body 2 to the anode body 3, with recesses 71 in the corresponding bodies 1, 2 for receiving these O-rings are let in.
  • the insulating body 2 additionally has two longitudinal bores 22 which open at the end face into the insulating body 2 and lead through it along the two long sides to its end region.
  • a plurality of transverse bores 23 leading radially outward from the longitudinal bores 22 outward from the insulating body 2 are arranged along the length of these two longitudinal bores 22.
  • the anode body 3 also has two longitudinal bores 32 which open into the end face thereof and lead through it along the two longitudinal sides through to the end region.
  • a plurality of transverse bores 33 leading radially outward from the longitudinal bores 32 outward from the anode body 3 are in turn provided along these two longitudinal bores 32.
  • the transverse bores 33 provided in the anode body 3 and leading to the outside are arranged in three groups, each of these three groups leading out of the anode body 3 at a different angle, as seen in the longitudinal direction of the burner head.
  • these two bodies 2, 3 can be cooled on the one hand, on the other hand, it is also possible by means of these transverse bores 23, 33, the substrate parts surrounding the burner head during coating or to cool the applied coating. If coating is carried out in an inert gas atmosphere, argon, for example, can be used as the cooling gas, while during coating under normal atmospheric conditions, for. B. air can be used.
  • the burner head has a flattened shape on its top and bottom.
  • this shape enables cooling ducts with a larger cross-section to be realized than with a round head having the same overall cross-sectional area; on the other hand, this shape allows a maximum spraying distance to be achieved.
  • the burner head is shown in a side view. From this, the cross bores 23, 33 leading to the outside can be seen both in the insulating body 2 and in the anode body 3. Various supply lines 10 are also shown. Depending on the task, it is entirely conceivable that the number of transverse bores 23, 33 and the exit angle from the respective body 2, 3 are adapted to the desired cooling capacity. The amount of gas or air flow per unit of time that is blown out via these transverse bores 23, 33 can also be varied within a certain range and thus the cooling capacity can be changed.
  • the plasma powder feed line 31 also need not be designed as a separately replaceable module. If necessary, the entire anode body 3 is simply replaced.
  • the anode nozzle 5 is preferably made of a copper alloy, and tungsten can also be used, while the cathode body 1 and the anode body 3 are preferably made of brass, since on the one hand brass has good conductivity of the electric current and on the other hand can be easily machined.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Brennerkopf für Plasmaspritzgeräte nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Plasmaspritzgeräte mit einem gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgebildeten Brennerkopf werden bevorzugt zum Beschichten von Hohlraumwandungen, wie sie in Rohren, Bohrungen, Kanälen und dergleichen vorkommen, eingesetzt.
  • Um auch Absätze und verwinkelte Stellen von solchen Hohlraumwandungen beschichten zu können und um eine gleichmässige, homogene Schichtdicke des aufgetragenen Materials zu erreichen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die aus der Anodendüse und der Kathode bestehende Elektrode quer zur Längsrichtung des Plasmaspritzgerätes anzuordnen, so dass die Längsachse des erzeugten Plasmastrahl quer zur Längsachse des Plasmaspritzgerätes verläuft. Um ein Überhitzen des Brennkopfes beim Beschichtungsvorgang zu verhindern, muss dieser eine Kühlung, in der Regel eine Flüssigkeitskühlung, aufweisen.
  • Aus der EP-PS 0 171 793 ist ein Plasmaspritzbrenner bekannt, welcher über die vorstehend geschilderten Konstruktionsmerkmale verfügt. Dieser Plasmaspritzbrenner weist eine Kathodenhalbschale und eine Anodenhalbschale auf, welche beiden Schalen durch eine Isolationsplatte getrennt sind. In die Kathodenhalbschale ist eine als Elektrode bezeichnete Kathodenanordnung und in die Anodenhalbschale eine Brennerdüse eingesetzt, wobei sowohl die Kathodenanordnung wie auch die Brennerdüse leicht auswechselbar befestigt sind. Um die Brennerdüse zu kühlen, ist ein Kühlkanal mit einem um die Brennerdüse herumführenden Ringkanal vorgesehen. Das Abdichten des Ringkanals gegenüber der eingesetzten Brennerdüse erfolgt durch zwei O-Ringe. Zur Kühlung dieser beiden O-Ringe sind zusätzliche, zu den O-Ringen führende Kühlkanäle vorgesehen. Um die Kathodenhalbschale mit der darin eingesetzten Kathodenanordnung zu kühlen, ist ebenfalls ein Kühlkanal vorgesehen, wobei dieser im Bereich der Kathodenanordnung als Ringkanal ausgebildet ist, welcher jedoch nicht unmittelbar an die Kathodenanordnung herangeführt ist.
  • Mit einem derart ausgebildeten Brennerkopf können Beschichtungsaufgaben ausgeführt werden, bei denen eine gute Wärmeabfuhr in Bezug auf die durch den Brenner erzeugte Wärme gewährleistet ist. Damit eine gute Wärmeabfuhr ermöglicht wird, ist es wichtig, dass die den Brennerkopf umgebende Luft zirkulieren kann. Wichtig ist ausserdem, dass auch das beschichtete Substrat die Wärme gut wegführen kann, so dass der Brennerkopf nicht von der vom Substrat abgestrahlten Wärme zusätzlich erhitzt wird.
  • Sollen jedoch beispielsweise Rohre oder Kanäle mit einem relativ geringen Innendurchmesser beschichtet werden, bei welchen die erzeugte Wärme zwangsläufig nur schlecht abgeleitet wird, kommt es zwangsläufig zu einer starken Erhitzung des Brennerkopfs. Diese Erhitzung kann so weit gehen, dass der Brennerkopf Schaden nimmt. Nicht selten endet ein solcher Schaden mit der Zerstörung des Brennerkopfs. Eingehende Analysen dazu haben gezeigt, dass die Ursache dafür meist in den O-Ringen zu suchen ist, da diese einer hohen Wärmebelastung über einen längeren Zeitraum nicht gewachsen sind.
  • Der Grund dafür dürfte in der Tatsache zu suchen sein, dass die O-Ringe zumindest einseitig direkt an der Brennerdüse anliegen. Auch wenn die O-Ringe einseitig vom Kühlwasser umflossen werden, besteht trotzdem die Gefahr, dass sie infolge Wärmeeinwirkung auf der der Brennerdüse zugewandten Seite zu schmelzen beginnen, bzw. sich derart verändern, dass keine genügende Abdichtung des um die Brennerdüse führenden Ringkanals mehr gewährleistet ist. Schon das geringste Austreten von Kühlwasser in den Bereich der Elektrode bedeutet jedoch, dass der Brenner im Betrieb unweigerlich Schaden nimmt bzw. zerstört wird.
  • Die Gefahr einer Beschädigung der O-Ringe und damit des Brennerkopfs steigt natürlich mit der Einsatzdauer des Plasmaspritzgerätes an, insbesondere auch dann, wenn Rohre, Kanäle und dergleichen, welche eine schlechte Abfuhr der erzeugten Wärme ermöglichen, beschichtet werden müssen.
  • Somit eignet sich ein solcher Plasmaspritzbrenner, insbesondere beim Beschichten von Hohlraumwandungen, nur für zeitlich begrenzte Einsätze.
  • Ein weiterer Nachteil ist, dass mit einem derart ausgebildeten Plasmaspritzbrenner nur relativ geringe Beschichtungsleistungen erbracht werden können, da bei einer Erhöhung der Spritzleistung (Materialauftrag/Zeit), sich der Brennerkopf schneller erwärmt und die O-Ringe dadurch schneller Schaden nehmen. Um jedoch in Zukunft noch rationeller und kostengünstiger beschichten zu können, ist gefordert, dass einerseits die Einsatzdauer des Plasmaspritzbrenners verlängert und andererseits die Spritzleistung erhöht werden kann.
  • Um eine möglichst gleichmässige Qualität der aufgetragenen Materialschicht zu erreichen, wird zudem vermehrt gefordert, dass der Spritzvorgang für ganze Serien von zu beschichtenden Substraten nicht unterbrochen wird. Dadurch kann es vorkommen, dass ein Plasmaspritzbrenner während Tagen im Dauereinsatz steht. Um solche Höchstbelastungen zu überstehen, ist es natürlich unumgänglich, dass die Kühlung optimiert bzw. verbessert wird, da es mit den bestehenden Plasmaspritzbrennern nicht möglich ist, Beschichtungen und insbesondere Innenbeschichtungen in Rohren, Kanälen und dergleichen, über einen solch langen Zeitraum durchzuführen.
  • Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Brennerkopf für Plasmaspritzgeräte zur Innenbeschichtung von Hohlräumen so weiter zu entwickeln, dass dieser bei kompakten Abmessungen höhere Spritzleistungen über einen längeren Zeitraum als bisher ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
  • Der solchermassen ausgebildete Brennerkopf ermöglicht erstmals, dass im Bereich der Anodendüse des Brennerkopfs keine Dichtungen zum Abdichten des um die Anodendüse führenden Kühlkanals mehr vorhanden sein müssen. Dadurch können die bisher in diesem Bereich angebrachten Dichtungen, welche insbesondere bei kompakten Brennerköpfen, bei hoher Leistung und bei langer Einsatzdauer einem extremen Verschleiss ausgesetzt sind, weggelassen bzw. die zum Abdichten des Kühlkanals notwendigen Dichtungen in einen thermisch nicht sehr hoch belasteten Bereich innerhalb des Brennerkopfs versetzt werden. Durch eine Reihenschaltung der Kühlkanäle wird zudem ermöglicht, dass auf der zur Verfügung stehenden Querschnittsfläche des Brennerkopfs grössere Kühlkanäle untergebracht werden können, so dass die Kühlung dadurch zusätzlich verbessert wird.
  • Weitere bevorzugte Ausführungsformen des Brennerkopfs sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 14 umschrieben.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Kathodenanordnung von der Innenseite des Kathodenkörpers in die Kathodenfassung des Kathodenkörpers eingesetzt ist, und dass der entsprechende Kühlkanalabschnitt rückseitig an der Kathodenanordnung vorbeiführt. Damit ist es möglich, dass der Kühlkanalabschnitt im Bereich der Kathodenanordnung nicht als Ringkanal ausgebildet sein muss. Somit kann ein Kühlkanal mit grösserem Querschnitt, welcher zudem einen geringeren Widerstand für das ihn durchströmende Medium aufweist, ausgebildet werden, so dass dadurch die Kühlleistung nochmals gesteigert wird. Andererseits kann durch diese Ausbildung im Bereich der Kathodenanordnung auf Dichtelemente, wie sie bei den meisten Plasmaspritzbrennern notwendig sind, verzichtet werden.
  • Insgesamt gesehen weist ein solchermassen ausgebildeter Plasmaspritzbrenner eine wesentlich effizientere Kühlung als vergleichbare andere Geräte auf und ist somit auch für harten Dauereinsatz unter ungünstigen, thermischen Bedingungen geeignet.
  • Eine weitere, bevorzugte Ausführungsform des Plasmaspritzgerätes sieht vor, dass der Isolierkörper entlang seinen beiden Längsseiten je eine Längsbohrung aufweist, von welchen eine Mehrzahl von Querbohrungen nach aussen führen. Diese Bohrungen dienen der Zufuhr von gasförmigen Medien, beispielsweise Luft, mittels welcher einerseits der Kühlkörper selber gekühlt wird und welche ausserdem auch dazu genutzt werden können, die im Ausströmbereich liegende, aufgetragene Schicht bzw. das Substrat selbst zu kühlen.
  • Bei einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform des Brennerkopfs ist zudem vorgesehen, dass auch der Anodenkörper entlang seiner beiden Längsseiten je eine Längsbohrung aufweist, von welchen beiden Längsbohrungen eine Mehrzahl von Querbohrungen nach aussen führen, deren Längsachsen bezüglich der Längsachsen der Längsbohrungen radial verlaufen. Dadurch kann, wie im vorstehenden Ausführungsbeispiel erläutert, sowohl der Anodenkörper wie auch die im Ausströmbereich liegende, aufgetragene Schicht bzw. das Substrat gekühlt werden.
  • Schliesslich ist bei einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, den Querschnitt des Brennerkopfs im wesentlichen trapezförmig zu gestalten. Diese Formgebung ermöglicht grössere Kanal- und Leitungsquerschnitte als bei einem mit gleicher Querschnittsfläche versehenen, eine runde Form aufweisenden, Brennerkopf. Zudem wird mit dieser Formgebung, wiederum bezogen auf einen runden, mit gleicher Querschnittsfläche versehenen Brennerkopf, ein grösserer Spritzabstand ermöglicht.
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Brennerkopfs anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • In den Zeichnungen zeigen:
    • Fig.1
    einen Querschnitt durch den Brennerkopf;
    Fig.2
    einen Längsschnitt durch den Brennerkopf, und
    Fig.3
    eine Aussenansicht des Brennerkopfs.
  • Aus den Fig. 1 und 2 ist der Brennerkopf in einem Querschnitt und einem Längsschnitt ersichtlich. Da solche, hier zur Rede stehende Brennerköpfe vom grundsätzlichen Aufbau her bekannt sind, wird nur auf die im Zusammenhang mit der Erfindung wesentlichen Bestandteile des hier dargestellten Brennerkopfs eingegangen. Diese Bestandteile sind ein Kathodenkörper 1, ein Anodenkörper 3 und ein Isolierkörper 2 sowie eine Kathodenanordnung 4 und eine Anodendüse 5. Der Kathodenkörper 1, der Anodenkörper 3 und der Isolierkörper 2 sind entlang von parallel zur Längsachse 15 des Brennerkopfs verlaufenden Ebenen miteinander verbunden, wobei der zwischen dem Kathodenkörper 1 und dem Anodenkörper 3 angeordnete Isolierkörper 2 die beiden anderen Körper 1 und 3 gegeneinander isoliert.
  • Auf der anschlusseitigen Stirnseite 16 weist der Isolierkörper 2 einen Flansch 21 auf, welcher den Kathodenkörper 1 und den Anodenkörper 3 stirnseitig abdecken. Eine elektrische Anschlussleitung 13, welche die Stromzufuhr zum Kathodenkörper 1 sicherstellt, ist zudem schematisch eingezeichnet. Sämtliche für den Betrieb des Brennerkopfs notwendigen Zufuhrleitungen, Kanäle und elektrischen Anschlussleitungen werden durch Durchlässe im Flansch des Isolierkörpers geführt, wobei die Durchlässe zugunsten einer guten Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind.
  • Der Kathodenkörper 1 weist eine von der Innenseite her zugängliche Kathodenfassung 11 in Form einer Schraubfassung auf, in welche die aus einem Gasverteilring 42 und der eigentlichen Kathode 41 bestehende Kathodenanordnung 4 eingeschraubt ist. Die Anodendüse 5 ist ohne Verwendung von Dichtungselementen fest in den Anodenkörper 3 eingesetzt, wobei die Befestigung durch Einpressen oder vorzugsweise durch Hartlöten erfolgen kann. Schliesslich ist noch ein vorzugsweise aus Keramik bestehender Isolierring 8 vorgesehen, welcher die Kathodenanordnung 4 umfasst und diese sowohl elektrisch wie auch thermisch isoliert.
  • Um den Brennerkopf zu kühlen, ist ein durch mehrere Kühlkanalabschnitte 6 gebildeter Kühlkanal vorgesehen, welcher an der Stirnseite 16 in den Isolierkörper 2 mündet. Im Isolierkörper 2 wird der Kühlkanal um 90° in den Anodenkörper 3 umgelenkt, führt danach, einen Ringkanal 61 bildend, an der Anodendüse 5 vorbei, wird danach wieder um 90° umgelenkt und mündet, über einen Durchbruch 25 im Isolierkörper 2, in den Kathodenkörper 1, in welchem er wiederum um 90° umgelenkt wird. Im Kathodenkörper 1 führt der Kühlkanal rückseitig an der Kathodenanordnung 4 vorbei und mündet schliesslich nach einer Umlenkung um 90° in den Isolierkörper 2, aus welchem er stirnseitig herausgeführt ist. Eine solche Reihenschaltung der in den drei Körpern 1, 2, 3 angebrachten Kühlkanalabschnitten 6 ermöglicht, dass der Kühlkanalquerschnitt grösser ist als dies bei herkömmlichen, parallel angeordneten Kühlkanälen der Fall ist.
  • Das für den Betrieb des Plasmabrenners notwendige Plasmagas wird über zwei stirnseitig in den Kathodenkörper 1 mündende und seitlich durch letzteren in die Kathodenfassung 11 führende Gaskanäle 43 zugeführt. Von der Kathodenfassung 11 gelangt das Plasmagas schliesslich durch im Gasverteilring 42 angebrachte Bohrungen 44 auf die Vorderseite der Kathodenanordnung 4 und damit in den Bereich des zu erzeugenden Lichtbogens. Die Zufuhr des Beschichtungsmaterials erfolgt durch eine stirnseitig in den Anodenkörper 3 eingelassene Bohrung 31, welche durch den Anodenkörper 3 führt und im wesentlichen radial in die Anodendüse 5 mündet.
  • Da die Anodendüse 5 in den Anodenkörper 3 eingepresst oder eingelötet ist, braucht der in einem Ringkanal 61 um die Anodendüse 5 führende Kühlkanal 6 gegenüber der Anodendüse 5 nicht abgedichtet zu werden. Dadurch können die in diesem thermisch hochbelasteten Bereich üblicherweise in Form von O-Ringen angeordneten Dichtungen entfallen. Um die einzelnen in Reihe geschalteten Kühlkanäle 6 abzudichten, sind jeweils im Übergangsbereich vom Kathodenkörper 1 zum Isolierkörper 2 und vom Isolierkörper 2 zum Anodenkörper 3 O-Ringe 7 vorgesehen, wobei zur Aufnahme dieser O-Ringe 7 Vertiefungen 71 in die entsprechenden Körper 1, 2 eingelassen sind.
  • Der Isolierkörper 2 weist zusätzlich zwei Längsbohrungen 22 auf, welche stirnseitig in den Isolierkörper 2 münden und entlang der beiden Längsseiten durch ihn hindurch bis in seinen Endbereich führen. Entlang der Länge dieser beiden Längsbohrungen 22 verteilt ist eine Mehrzahl von radial aus den Längsbohrungen 22 nach aussen aus dem Isolierkörper 2 führenden Querbohrungen 23 angeordnet.
  • Der Anodenkörper 3 weist ebenfalls zwei Längsbohrungen 32 auf, welche stirnseitig in diesen münden und entlang der beiden Längsseiten durch ihn hindurch bis in den Endbereich führen. Entlang dieser beiden Längsbohrungen 32 ist wiederum eine Mehrzahl von radial aus den Längsbohrungen 32 nach aussen aus dem Anodenkörper 3 führenden Querbohrungen 33 angebracht.
  • Die im Anodenkörper 3 vorgesehenen, nach aussen führenden Querbohrungen 33 sind in drei Gruppen angeordnet, wobei jede dieser drei Gruppen, in Längsrichtung des Brennerkopfs gesehen, unter einem anderen Winkel aus dem Anodenkörper 3 führt. Dasselbe trifft auf den Isolierkörper 2 zu, wobei hier die Querbohrungen 23 in zwei Gruppen angeordnet sind.
  • Durch diese im Anodenkörper 3 und im Isolierkörper 2 angebrachten, nach aussen führenden Querbohrungen 23, 33, können diese beiden Körper 2, 3 einerseits zusätzlich gekühlt werden, andererseits ist es auch möglich, mittels dieser Querbohrungen 23, 33 die den Brennerkopf beim Beschichten umgebenden Substratteile bzw. die aufgebrachte Beschichtung zu kühlen. Wird in einer Inertgas-Atmosphäre beschichtet, so kann als Kühlgas beispielsweise Argon verwendet werden, währenddem beim Beschichtung unter normalen atmosphärischen Bedingungen z. B. Luft verwendet werden kann.
  • Aus der Fig. 2 ist zudem ersichtlich, dass der Brennerkopf auf seiner Ober- und Unterseite eine abgeflachte Form aufweist. Durch diese Formgebung wird einerseits ermöglicht, dass Kühlkanäle mit grösserem Querschnitt als bei einem mit gleicher Gesamt-Querschnittsfläche versehenen, runde Form aufweisenden Brennerkopf realisiert werden können; andererseits kann durch diese Formgebung ein maximaler Spritzabstand erreicht werden.
  • In der Fig. 3 ist der Brennerkopf in einer Seitenansicht dargestellt. Daraus sind die nach aussen führenden Querbohrungen 23, 33 sowohl im Isolierkörper 2 wie auch im Anodenkörper 3 ersichtlich. Zudem sind verschiedene Zufuhrleitungen 10 eingezeichnet. Je nach Aufgabenstellung ist es durchaus denkbar, dass die Anzahl der Querbohrungen 23, 33 und der Austrittswinkel aus dem jeweiligen Körper 2, 3 der gewünschten Kühlleistung angepasst wird. Auch die Menge des Gas- bzw. Luftstromes pro Zeiteinheit, die über diese Querbohrungen 23, 33 ausgeblasen wird, kann in einem gewissen Rahmen variiert und damit die Kühlleistung verändert werden.
  • Zusammenfassend kann gesagt werden, dass mit einem solchermassen ausgebildeten Brennerkopf höhere Beschichtungsleistungen über einen längeren Zeitraum als bisher erbracht werden können, da die Dichtungen bzw. O-Ringe 7 ausserhalb der thermisch am höchsten belasteten Bereiche innerhalb des Brennerkopfs angeordnet sind und da die Kühlung des Brennerkopfs zudem verbessert bzw. optimiert wurde. Somit können mit einem solchen Brennerkopf selbst Hohlraumwandungen in Bohrungen, Kanälen und dergleichen beschichtet werden, welche einen vergleichsweise geringen Durchmesser aufweisen. Dies war bisher nicht möglich, da bei der Beschichtung von engen Bohrungen und Kanälen die erzeugte Wärme nur sehr schlecht abgeleitet wird und sich deshalb die bekannten Brennerköpfe soweit erwärmt haben, dass die O-Ringe nicht mehr einwandfrei gedichtet haben, wodurch am Brennerkopf relativ schnell ein Defekt aufgetreten bzw. dieser komplett zerstört worden ist.
  • Da der gesamte Anodenkörper 3 mit der integrierten Anodendüse 5 als Verschleissteil ausgebildet sein kann, braucht auch die Plasmapulverleitung 31 nicht als separat austauschbares Modul ausgebildet zu sein. Im Bedarfsfall wird einfach der gesamte Anodenkörper 3 ausgetauscht.
  • Die Anodendüse 5 besteht bevorzugt aus einer Kupferlegierung, wobei auch ein Wolframeinsatz möglich ist, währenddem der Kathodenkörper 1 und der Anodenkörper 3 vorzugsweise aus Messing gefertigt sind, da Messing einerseits eine gute Leitfähigkeit des elektrischen Stroms aufweist und andererseits leicht bearbeitet werden kann.

Claims (14)

  1. Brennerkopf für Plasmaspritzgeräte, welcher einen Kathodenkörper (1), einen Anodenkörper (3) sowie einen dazwischengefügten, die beiden Körper (1, 3) elektrisch voneinander isolierenden Isolierkörper (2) aufweist, wobei in den Kathodenkörper (1) eine Kathodenanordnung (4) und in den Anodenkörper (3) eine Anodendüse (5), jeweils quer zur Längsachse (15) des Brennerkopfs, eingesetzt ist, wobei der Kathodenkörper (1) und der Anodenkörper (3) von mit einem flüssigen Kühlmedium beaufschlagten Kühlkanalabschnitten (6) durchsetzt sind, welche im Bereich der Anodendüse (5) einen Ringkanal (61) bilden, so dass die Anodendüse (5) vom Kühlmedium umströmt wird, und wobei zur Abdichtung der Kühlkanalabschnitte (6) Dichtelemente (7) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanalabschnitte (6) im Anodenkörper (3) und im Kathodenkörper (1) bezüglich der Strömung des Kühlmediums in Reihe geschaltet sind, dass die Anodendüse (5) ohne Verwendung von Dichtelementen fest in den-Anodenkörper (3) eingesetzt ist und dass die Dichtelemente (7) im Übergangsbereich der Kühlkanalabschnitte (6) vom einen zum anderen Körper (1, 2; 2, 3) im Abstand zur Kathodenanordnung (4) bzw. zur Anodendüse (5) angeordnet sind.
  2. Brennerkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenanordnung (4) von der Innenseite des Kathodenkörpers (1) her lösbar in eine Kathodenfassung (11) des Kathodenkörpers (1) eingesetzt ist, wobei der den Kathodenkörper (1) durchsetzende Kühlkanalabschnitt (6) rückseitig an der Kathodenanordnung (4) vorbeiführt, so dass die Kathodenanordnung (4) vom Kühlmedium rückseitig umströmt wird, ohne dass das Kühlmedium in direktem Kontakt mit der Kathodenanordnung (4) steht.
  3. Brennerkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolierkörper (2) entlang seiner beiden Längsseiten je eine Längsbohrung (22) aufweist, von welchen eine Mehrzahl von Querbohrungen (23) nach aussen führen, deren Längsachsen bezüglich der Längsachsen der Längsbohrungen (22) radial verlaufen.
  4. Brennerkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenkörper (3) entlang seiner beiden Längsseiten je eine Längsbohrung (32) aufweist, von welchen eine Mehrzahl von Querbohrungen (33) nach aussen führen, deren Längsachsen bezüglich der Längsachsen der Längsbohrungen (32) radial verlaufen.
  5. Brennerkopf nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der nach aussen führenden Querbohrungen (23, 33), in Längsrichtung des Brennerkopfs gesehen, unter einem unterschiedlichem Winkel aus dem Isolierkörper (2) bzw. Anodenkörper (3) führen.
  6. Brennerkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kathodenkörper (1) zusätzlich zumindest ein Gaskanal (43) eingelassen ist, welcher stirnseitig in den Kathodenkörper (1) mündet, seitlich durch letzteren bis in den Bereich der Kathodenfassung (4) führt und rückseitig in die Kathodenfassung (4) mündet.
  7. Brennerkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenanordnung (4) eine Fassung (42) und einen darin eingesetzten Kathodenstift (41) aufweist, wobei die Fassung (42) als Gasverteilring mit einer Mehrzahl von Bohrungen (44) ausgebildet ist, welche im wesentlichen parallel zur Längsachse des Kathodenstifts (41) verlaufen, so dass ein gasförmiges Medium, bei in den Kathodenkörper (1) eingesetzter Kathodenanordnung (4), durch den Gaskanal (43) und die Bohrungen (44) auf die Vorderseite der Kathodenanordnung (4) gelangen kann.
  8. Brennerkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Zufuhr des Beschichtungsmaterials erforderliche Plasmapulverleitung als Bohrung (31) ausgebildet ist, welche innerhalb des Anodenkörpers (3) verläuft und im wesentlichen radial in die Anodendüse (5) mündet.
  9. Brennerkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kathodenkörper (1), der Anodenkörper (3) und der Isolierkörper (2) entlang von parallel zur Längsachse (15) des Brennerkopfs verlaufenden Befestigungsebenen miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die im Kathodenkörper (1) und im Anodenkörper (3) vorgesehenen Kühlkanalabschnitte (6) im Bereich ihrer Ein- und Auslässe senkrecht zu der Befestigungsebene bzw. den Befestigungsebenen verlaufen.
  10. Brennerkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolierkörper (2) auf einer Stirnseite (16) einen im wesentlichen senkrecht zur Befestigungsebene angeordneten, einstückig ausgebildeten Flansch (21) aufweist, welcher den Kathodenkörper (1) und den Anodenkörper (3) an deren Stirnseiten abdecken.
  11. Brennerkopf nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Einlass wie auch der Auslass des durch die Kühlkanalabschnitte (6) gebildeten Kühlkanals jeweils über zumindest eine stirnseitige Bohrung im Flansch (21) des Isolierkörpers (2) in den Isolierkörper (2) geführt und im Isolierkörper (2) um 90 umgelenkt sind, so dass sie nach der Umlenkung mit den im Anodenkörper (3) bzw. Kathodenkörper (1) vorhandenen Kühlkanalabschnitt-Ein- bzw. Auslässen korrespondieren.
  12. Brennerkopf nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche für den Betrieb des Brennerkopfs notwendigen Zufuhrleitungen, Kanäle und elektrischen Anschlüsse durch den Flansch (21) geführt sind.
  13. Brennerkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennerkopf, im Querschnitt gesehen, auf zwei Seiten abgeflacht ist.
  14. Brennerkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennerkopf, im Querschnitt gesehen, eine im wesentlichen trapezförmige Form aufweist.
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