EP1238711A2 - Innenbrenner - Google Patents

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EP1238711A2
EP1238711A2 EP02003519A EP02003519A EP1238711A2 EP 1238711 A2 EP1238711 A2 EP 1238711A2 EP 02003519 A EP02003519 A EP 02003519A EP 02003519 A EP02003519 A EP 02003519A EP 1238711 A2 EP1238711 A2 EP 1238711A2
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EP
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gas
wires
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arc
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EP1238711A3 (de
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Detlef Nowotni
Christian Wanke
Tilman Dr. Haug
Patrick Izquierdo
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Mercedes Benz Group AG
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DaimlerChrysler AG
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    • 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
    • B05B7/224—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 having originally the shape of a wire, rod or the like
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B05B13/00—Machines or plants for applying liquids or other fluent materials to surfaces of objects or other work by spraying, not covered by groups B05B1/00 - B05B11/00
    • B05B13/06—Machines or plants for applying liquids or other fluent materials to surfaces of objects or other work by spraying, not covered by groups B05B1/00 - B05B11/00 specially designed for treating the inside of hollow bodies
    • B05B13/0627—Arrangements of nozzles or spray heads specially adapted for treating the inside of hollow bodies
    • 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
    • C23C4/131—Wire arc spraying
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • 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
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H—ELECTRICITY
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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 an internal burner for arc wire spraying of cavities, in particular of cylinder running surfaces, as it is, for example, from the generic DE 198 41 617 A1 emerges as known.
  • the inner burner has two burner tubes, which are provided for feeding electrodes made of wire.
  • the Electrodes are melted in an arc.
  • the internal burner has a gas supply for a process gas, which is used to transport and atomize the melted Wire material in the direction of the surface to be coated Cavity is provided.
  • the (electrode) wires are through the burner tubes on the outlet side and in the area of the arc towards each other, the one in the contact area of the Wires arranged arcing of the electrode wires in the area the gas flow of the exiting process gas is arranged.
  • the gas flow of the leaked process gas simplify below
  • the main gas flow direction is transverse to the main transport direction of the wires set through the burner tubes is arranged.
  • the object of the invention is to provide the known internal burner continue to develop that sprayed layers with it are possible that have lower porosity and / or pores have a smaller average pore diameter.
  • the object is achieved with an internal burner with the characterizing features of claim 1 solved.
  • the invention has at least double bend of the wire the point of contact of the two wires and thus the arc A high level of local stability even with current and / or voltage fluctuations on. It’s probably due to this local stability, that with the internal burner according to the invention sprayed layers have negligible porosity. Furthermore, the average pore diameter is also in these layers less than in the prior art.
  • the internal burner has two burner tubes 3 for supplying electrodes on.
  • the burner tubes 3 are within supply tubes 1 arranged through which the main direction of transport wire-like electrodes is set.
  • the electrodes are wires that are used for melting are provided in an arc.
  • the out the droplets forming the molten wires are separated from one Process gas, the gas supply in particular in the supply pipes 1 is arranged in the direction of the to be coated Surface of the cavity transported and preferably also atomized.
  • the gas flow from the nozzle head 2 and the Simplify droplets transporting process gas in the following The main gas direction is transverse to the main transport direction of the wires arranged.
  • the two wires after the burner tubes 3 are on the outlet side towards each other.
  • the feeding is done by a bend the wires around a first, transverse to the main transport direction the axis of the wires.
  • the wires touch in the area of the gas flow of the process gas emerging from the nozzle head 2, whereby the arc of the electrode wires is also in this area.
  • the wires are in the area of the nozzle head 2 apart to additionally bent around a second axis, which both to the first axis as well as to the main transport direction of the Wires is arranged transversely. This measure is the arc largely stable to the internal burner, which is probably why the quality of the layer deposited on the substrate is very good.
  • the wires are additional to each other bent towards the main gas direction.
  • the top Angle between the main gas direction and the focal point The direction of wire transport is logically close to the arc between 0 ° to 30 °, preferably between 20 ° and 1 ° and particularly preferably between 10 ° and 1 °.
  • the internal burner is designed as a closed burner and has a nozzle 4.
  • the arc (focal point) is in the area the opening of the nozzle, preferably on the flow side the exit of the gas flow from the nozzle 4, arranged.
  • the droplet flow through the nozzle 4 in is favorably shaped so that the through the opening from the nozzle 4th escaping gas / material flow an expansion angle between 10 ° and 45 °, preferably between 15 ° and 30 °.
  • the main opening To form the gas / material flow 4 are in the nozzle the main opening, several secondary openings are arranged in particular in the form of preferably conical bores and / or are formed as annular gaps.
  • the secondary openings are in particular arranged concentrically around the main opening, whereby and that the clear width of the secondary openings less than which is the main opening.
  • the (form) gas supply to the secondary openings can take place by that a partial gas flow from the gas flow of the main opening is branched off. This allows greater variability be that the secondary openings with a pressure gas other than the main opening.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Innenbrenner zum Lichtbogendrahtspritzen von Hohlräumen, insbesondere von Zylinderlaufflächen. Der Innenbrenner weist mindestens zwei Brennerrohre (3) zur Zuführung von Elektroden auf. Die Elektroden sind zur Aufschmelzung vorgesehen und als in einem Lichtbogen abbrennbare Drähte ausgebildet. Der Innenbrenner weist ferner eine Gaszuführung (1) für ein Prozessgas auf, welches zum Transport und Zerstäuben des aufgeschmolzenen Drahtmaterials in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche des Hohlraumes vorgesehen ist. Die Drähte sind durch die Brennerrohre austrittsseitig und im Bereich des Lichtbogens aufeinander zu geführt, wobei der im Berührungsbereich der Drähte angeordnete Lichtbogen der Elektroden-Drähte im Bereich des Gasstromes des ausgetretenen Prozessgases angeordnet ist, und wobei der Gasstrom des ausgetretenen Prozessgases, im folgenden vereinfachen Hauptgasrichtung genannt, quer zur Haupttransportrichtung der Drähte angeordnet ist. Des weiteren sind die Drähte außer aufeinander zu noch zusätzlich quer dazu gebogen. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Innenbrenner zum Lichtbogendrahtspritzen von Hohlräumen insbesondere von Zylinderlaufflächen, wie er bspw. aus der gattungsbildend zugrundegelegten DE 198 41 617 A1 als bekannt hervorgeht.
Aus der DE 198 41 617 A1 ist ein Innenbrenner zum Lichtbogendrahtspritzen von Hohlräumen insbesondere von Zylinderlaufflächen, bekannt. Der Innenbrenner weist zwei Brennerrohre auf, die zur Zuführung von Elektroden aus Draht vorgesehen sind. Die Elektroden werden in einem Lichtbogen aufgeschmolzen. Ferner weist der Innenbrenner eine Gaszuführung für ein Prozeßgas auf, welches zum Transport und Zerstäuben des aufgeschmolzenen Drahtmaterials in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche des Hohlraumes vorgesehen ist. Die (Elektroden-) Drähte sind durch die Brennerrohre austrittsseitig und im Bereich des Lichtbogens aufeinander zu geführt, wobei der im Berührungsbereich der Drähte angeordnete Lichtbogen der Elektroden-Drähte im Bereich des Gasstromes des ausgetretenen Prozessgases angeordnet ist. Der Gasstrom des ausgetretenen Prozeßgases, im folgenden vereinfachen Hauptgasstromrichtung genannt, ist quer zur Haupttransportrichtung der Drähte, die durch die Brennerrohre festgelegt ist, angeordnet. Schichten, die mit einem derartigen Innenbrenner auf ein insbesondere metallisches Substrat, vorzugsweise eine Zylinderlauffläche, aufgespritzt sind, weisen i.a. eine hohe Porosität und/oder Poren mit einem nicht akzeptablen großen mittleren Porendurchmesser auf.
Aufgabe der Erfindung ist es, den vorbekannten Innenbrenner dahingehend weiter zu entwickeln, daß mit ihm gespritzte Schichten möglich sind, die eine geringere Porosität und/oder Poren mit einem kleineren mittleren Porendurchmesser aufweisen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Innenbrenner mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch die erfindungsgemäße wenigstens zweifache Biegung des Drahtes weist der Berührungspunkt der beiden Drähte und damit der Lichtbogen selbst bei Strom- und/oder Spannungsschwankungen eine hohe Ortstabilität auf. Vermutlich ist es auf diese Ortsstabilität zurückzuführen, daß die mit dem erfindungsgemäßen Innenbrennner gespritzten Schichten eine vernachlässigbare Porosität haben . Ferner ist bei diesen Schichten auch der mittlere Porendurchmesser geringer als beim Stand der Technik.
Sinnvolle Ausgestaltungen der Erfindung sind den weiteren Ansprüchen entnehmbar. Im übrigen wird die Erfindung anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1:
eine perspektivische Aufsicht auf eine Innenbrenner mit entfernter Düse und
Fig. 2:
den Brenner nach Figur 1 mit geschlossener Düse.
In Figur 1 ist der vordere Bereich eines Innenbrenners dargestellt, wie er insbesondere zum Lichtbogendrahtspritzen von Hohlräumen, wie vorzugsweise Zylinderlaufflächen von gegossenen Motorblöcken von Brennkraftmaschinen, eingesetzt wird. Der Innenbrenner weist zwei Brennerrohre 3 zur Zuführung von Elektroden auf. Die Brennerrohre 3 sind innerhalb von Versorgungsrohren 1 angeordnet, durch welche die Haupttransportrichtung der drahtartigen Elektroden festgelegt ist.
Bei den Elektroden handelt es sich um Drähte, die zur Aufschmelzung in einem Lichtbogen vorgesehen sind. Die sich aus den geschmolzenen Drähten bildenden Tröpfchen werden von einem Prozessgas, dessen Gaszuführung insbesondere auch in den Versorgungsrohren 1 angeordnet ist, in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche des Hohlraumes transportiert und vorzugsweise auch zerstäubt.
Der Gasstrom des aus dem Düsenkopf 2 austretenden und die Tröpfchen transportierenden Prozessgases, im folgenden vereinfachen Hauptgasrichtung genannt, ist quer zur Haupttransportrichtung der Drähte angeordnet.
Damit sich der Lichtbogen zwischen den Enden der Drähte bildet, sind die beiden Drähte nach den Brennerrohren 3 austrittsseitig aufeinander zu geführt. Die Zuführung erfolgt durch eine Biegung der Drähte um eine erste, quer zur Haupttransportrichtung der Drähte stehende Achse.
Des weiteren berühren sich die Drähte im Bereich des Gasstromes des aus dem Düsenkopf 2 austretenden Prozeßgases, wodurch sich auch der Lichtbogen der Elektroden-Drähte in diesem Bereich befindet.
Die Drähte sind im Bereich der Düsenkopfes 2 außer aufeinander zu noch zusätzlich um eine zweite Achse gebogen, die sowohl zu der ersten Achse als auch zu der Haupttransportrichtung der Drähte quer angeordnet ist. Durch diese Maßnahme ist der Lichtbogen weitgehend ortsstabil zum Innenbrenner, weshalb vermutlich die Qualität der auf dem Substrat abgeschiedenen Schicht sehr gut ist.
Insgesamt sind die Drähte also außer aufeinander zu noch zusätzlich in Richtung der Hauptgasrichtung gebogen. Der spitze Winkel zwischen der Hauptgasrichtung und der brennpunktnahen Drahttransportrichtung beträgt lichtbogennah sinnvollerweise zwischen 0° bis 30°, vorzugsweise zwischen 20° und 1° und besonders bevorzugt zwischen 10° und 1 °.
Damit der im Einsatz notwendige ständige Transport der Drähte mit möglichst geringer Kraft vorgenommen werden kann, erfolgt zumindest die zusätzliche Biegung der Drähte mit einer weichen Krümmung in Richtung der Hauptgasrichtung des ausgetretenen Prozeßgases.
Der Innenbrenner ist als geschlossener Brenner ausgebildet und weist eine Düse 4 auf. Der Lichtbogen (Brennpunkt) ist im Bereich der Öffnung der Düse, vorzugsweise strömungsseitig vor dem Austritt des Gasstroms aus der Düse 4, angeordnet.
In günstiger Weise wird der Tröpfchenstrom durch die Düse 4 in der Weise geformt, daß der durch die Öffnung aus der Düse 4 austretende Gas-/Materialstrom einen Aufweitwinkel zwischen 10° und 45°, vorzugsweise zwischen 15° und 30° aufweist.
Zur Formung des Gas-/Materialstromes sind in der Düse 4 neben der Hauptöffnung noch mehrere Nebenöffnungen angeordnet, die insbesondere in Form von vorzugsweise konischen Bohrungen und/oder als Ringspalte ausgebildet sind.. Die Nebenöffnungen sind insbesondere konzentrisch um die Hauptöffnung angeordnet, wobei und daß die lichte Weite der Nebenöffnungen geringer als die der Hauptöffnung ist.
Die (Form-) Gasversorgung der Nebenöffnungen kann dadurch erfolgen, daß aus dem Gasstrom der Hauptöffnung ein Teilgasstrom abgezweigt wird. Ein größere Variabilität kann dadurch erreicht werden, daß die Nebenöffnungen mit einem anderen Druck Gas als die Hauptöffnung versorgt werden.
Dies kann außer einer Drucksteuerung des abgezweigten Teilgasstromes noch dadurch erreicht werden, daß die Gasversorgung der Nebenöffnungen getrennt von der Gasversorgung der Hauptöffnung vorgenommen wird.
Zu den oben genannten Maßnahmen kann es ferner von Vorteil sein, wenn noch ein Brenn- und/oder Inertgas in Richtung des Brennpunktes eingeblasen wird, womit bspw. eine Erhöhung der Temperatur des Plasmas und/oder eine Abschirmung der aufgeschmolzenen Materialien verbunden wäre. Sinnvollerweise werden diese Gase strömungsähnlich oder strömungsgleich zur Hauptstromrichtung eingeblasen.
Des weiteren können auch noch weitere Materialien wie Trockenschmiermittel, Hartstoffe usw., vorzugsweise in Pulverform, in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche eingebracht werden. Hierbei ist es zumeist sinnvoll, diese Materialien ebenfalls durch den Brennpunkt zu leiten.. Die Zuführung erfolgt in diesem Fall vorteilhafter Weise durch einen Transportkanal, dessen Öffnung brennpunktnah im Bereich der Hauptdüsenöffnung angeordnet ist.

Claims (10)

  1. Innenbrenner zum Lichtbogendrahtspritzen von Hohlräumen, insbesondere von Zylinderlaufflächen, mit mindestens zwei Brennerrohren zur Zuführung von Elektroden, welche Elektroden zur Aufschmelzung vorgesehen und als in einem Lichtbogen abbrennbare Drähte ausgebildet sind,
    ferner mit einer Gaszuführung für ein Prozessgas, welches zum Transport und Zerstäuben des aufgeschmolzenen Drahtmaterials in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche des Hohlraumes vorgesehen ist,
    wobei die Drähte durch die Brennerrohre austrittsseitig und im Bereich des Lichtbogens aufeinander zu geführt sind,
    wobei der im Berührungsbereich der Drähte angeordnete Lichtbogen der Elektroden-Drähte im Bereich des Gasstromes des ausgetretenen Prozessgases angeordnet ist, und
    wobei der Gasstrom des ausgetretenen Prozessgases, im folgenden vereinfachen Hauptgasrichtung genannt, quer zur Haupttransportrichtung der Drähte angeordnet ist,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte außer aufeinander zu zusätzlich noch quer dazu gebogen sind.
  2. Innenbrenner nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte lichtbogennah mit der Hauptgasrichtung einen spitzen Winkel einschließen.
  3. Innenbrenner nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Biegung eine weicher Krümmung in Richtung der Hauptgasrichtung des ausgetretenen Prozessgases aufweist.
  4. Innenbrenner nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß der spitze Winkel zwischen der Hauptgasstromrichtung und brennpunktnaher Drahttransportrichtung zwischen 0° bis 30°, vorzugsweise zwischen 20° und 1° und besonders bevorzugt zwischen 10° und 1 ° beträgt.
  5. Innenbrenner nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Innenbrenner ein geschlossener Brenner ist, daß der Innenbrenner eine Düse (4) aufweist und daß der Lichtbogen (Brennpunkt) im Bereich der Öffnung der Düse (4), vorzugsweise strömungsseitig vor dem Austritt des Gasstroms aus der Düse (4), angeordnet ist.
  6. Innenbrenner nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Öffnung aus der Düse (4) austretende Gas/Materialstrom einen Aufweitwinkel zwischen 10° und 45°, vorzugsweise zwischen 15° und 30° aufweist.
  7. Innenbrenner nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (4) eine Hauptöffnung und mehrere, insbesondere konzentrisch um die Hauptöffnung angeordnete Nebenöffnungen aufweist und daß die lichte Weite der Nebenöffnungen geringer als die der Hauptöffnung ist.
  8. Innenbrenner nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrom der Nebenöffnungen aus dem Gasstrom der Hauptöffnung abgezweigt ist.
  9. Innenbrenner nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Gasversorgung der Nebenöffnungen getrennt von der Gasversorgung der Hauptöffnung ist.
  10. Innenbrenner nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Nebenöffnungen mit einem anderen Druck und/oder anderem Gas als die Hauptöffnung versorgt sind.
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