EP4082670B1 - Vorrichtung zum thermischen beschichten mittels drahtlichtbogenspritzen - Google Patents

Vorrichtung zum thermischen beschichten mittels drahtlichtbogenspritzen

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EP4082670B1
EP4082670B1 EP21170580.1A EP21170580A EP4082670B1 EP 4082670 B1 EP4082670 B1 EP 4082670B1 EP 21170580 A EP21170580 A EP 21170580A EP 4082670 B1 EP4082670 B1 EP 4082670B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
contact tube
metal wire
wire
atomizing gas
section
Prior art date
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Active
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EP21170580.1A
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English (en)
French (fr)
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EP4082670A1 (de
EP4082670C0 (de
Inventor
Frank Prenger
Stefan Hof
Raphael Jantze
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Grillo Werke AG
Original Assignee
Grillo Werke AG
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Publication date
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Priority to PCT/EP2022/061029 priority patent/WO2022229170A1/de
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Application granted granted Critical
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Publication of EP4082670C0 publication Critical patent/EP4082670C0/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • 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
    • 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

Definitions

  • an electrically conductive, wire-shaped spray additive is converted from a solid to a liquid state using an electrical discharge process and then applied to a substrate surface.
  • the wire arc spraying process is based on the principle that two circular, electrically conductive spray materials, typically in the form of metal wires, are fed towards each other at a constant feed rate by a feeder.
  • Wire arc processes using only one wire are also known.
  • the wires are conductively connected to a power source, which typically carries a voltage of 12 to 50 V.
  • a power source typically carries a voltage of 12 to 50 V.
  • an arc is ignited, which serves as the energy source for melting the wire filler material.
  • a gas stream detaches the molten material from the wire ends and accelerates it as a particle stream onto the component to be coated.
  • Wire arc spraying is used, among other things, for corrosion protection of steel structures and aluminium tubes for heat exchangers, for wear protection and repair of components, and for the production of solderable layers on capacitors.
  • a major problem in wire arc spraying is vortex shedding of the atomizing gas flow at or behind the wire cross-sections. These vortex regions circulate continuously in the so-called dead zones of the wires and significantly influence the melting behavior (droplet size) and the arc column (plasma-gas interaction), resulting in molten spray particles remaining on the vortex paths near the wire ends. During this time, the material is oxidized by atmospheric oxygen from the ambient or compressed air. The continuous melting of the wire increases the amount of recirculating molten particles, resulting in uneven atomization. The spray jet spreading around the wire ends creates a so-called "Karman vortex street.” This causes the particle-laden spray jet to diverge dramatically.
  • the deposition efficiency can be reduced by approximately 50% to 60%, meaning that 50% to 60% of the molten wire material does not adhere to the component being coated and is released into the environment as dust.
  • the economic viability of the process also needs improvement.
  • the object of the present invention is to provide an improved device and an improved method for coating workpieces by means of wire arc spraying, in which the aforementioned disadvantages of the prior art can be reduced.
  • the present invention relates to a device for thermal coating using a wire arc.
  • the device comprises at least one first contact tube, at least one counter electrode with an electrode tip, and an atomizing gas nozzle.
  • the at least one first contact tube has an inner channel for feeding a first streamlined metal wire, preferably according to the second aspect of the present invention, and a contact tube tip with an outlet opening for the first metal wire.
  • a voltage can be applied to the at least one first metal wire fed via the first contact tube and to the at least one counter electrode to form an electric arc for melting the at least one metal wire, wherein an atomizing gas can be expelled from the atomizing gas nozzle to carry molten metal droplets along a flow axis.
  • the at least one first contact tube and the at least one counter electrode are arranged with their tips converging in the direction of the atomizing gas discharge.
  • the outer surface of the at least one first contact tube has a streamlined cross-section and/or the cross-sectional areas of the inner channel of the at least one first contact tube are at least partially adapted to the streamlined cross-section of the supplied first metal wire.
  • the cross-sectional areas of the inner channel of the at least one first contact tube are adapted, at least partially, to the streamlined cross-section of the supplied first metal wire, it is possible, in particular, to align the angular position of the cross-sectional area of the first metal wire in the circumferential direction of the wire's longitudinal axis with respect to a flow axis of the atomizing gas flow.
  • the outer surface of the at least one first contact tube can have a streamlined cross-sectional area, at least partially.
  • the streamlined cross-sections of the outer surface of the at least one first contact tube, as well as the streamlined cross-section of the at least one first supplied metal wire, can be positioned in the flow of the atomizing gas such that they exhibit the lowest possible flow resistance with respect to the emitted atomizing gas, thus offering the supplied atomizing gas significantly less flow resistance than is known for round cross-sectional areas of metal wires and outer surfaces of contact tubes known from the prior art. Due to the flow-optimized cross-section, the fluid flow of the atomizing gas is influenced as little as possible, so that, for example, vortex streets can be avoided, resulting in an improved discharge pattern of the molten metal droplets along the flow axis.
  • the at least one first contact tube and the at least one counter electrode are arranged in a mirror-symmetrical manner with respect to a plane through a flow medium axis of the atomizing gas flow.
  • the at least one counter electrode is designed in the form of a second contact tube, wherein the at least one second contact tube has an inner channel for supplying a second metal wire with a streamlined cross-section, preferably according to the second aspect of the present invention, and a contact tube tip with an outlet opening for the second metal wire.
  • the at least one first and second contact tubes are arranged with tips converging towards each other in the direction of expulsion of the atomizing gas.
  • the outer surface of the at least one second contact tube has a streamlined cross-section at least partially, and/or the cross-sectional area of the inner channel of the at least one first contact tube is adapted at least partially to the streamlined cross-section of the supplied second metal wire.
  • the at least one first and/or the at least one second metal wire is/are continuously fed via a respective contact tube to the area of the contact tube tip.
  • feed devices can be provided according to the invention, which convey the at least one first and/or second metal wire by means of drive elements.
  • the metal wires are usually in the form of endless wires, which are provided in particular on spools or as ring lay-up in drums. According to the invention, for example, feed rates in the range of 0.5 to 30 meters/minute can be selected, depending on the type of material and wire diameter of the metal wire.
  • the electric arc formed between the at least one first contact tube and the at least one counter electrode or the at least one second contact tube conducts the
  • the electric arc serves as the energy source for melting the supplied first and/or second metal wire.
  • the metal wires are made of the material to be used for coating.
  • the arc melts the wire only in the area of the contact tube.
  • the molten wire is then separated into liquid droplets by an atomizing gas stream and accelerated towards the surface to be coated. Upon impact, the droplets instantly lose their kinetic energy and release their heat energy, depositing a layer of the material from the first and/or second metal wire onto the surface.
  • the at least one first and second contact tube are arranged symmetrically to a plane through a flow axis of the atomizing gas stream.
  • the cross-sectional areas of the inner channel of the at least one second contact tube and/or the outer surface of the at least one second contact tube have a streamlined cross-section, it is made possible, in particular, to align the angular position of the cross-sectional area of the second metal wire in the circumferential direction of the wire longitudinal axis with respect to the flow medium axis.
  • the contact tube tip can preferably be designed as a body with a flow-optimized or streamlined outer shape.
  • the contact tube tip has a longitudinal axis and an internal channel running along the longitudinal axis for guiding and aligning the supplied metal wire.
  • the supplied metal wire can be fed from the contact tube tip through the contact tube opening into the atomizer gas stream in a defined spatial orientation and, in particular, with a defined orientation in the circumferential direction of the wire's longitudinal axis.
  • the wire's longitudinal axis is positioned at a defined angle relative to the flow axis of the atomizer shaft by means of the contact tube tip.
  • the at least one first and/or second contact tube is formed in at least two parts, consisting of the contact tube tip and a subsequent contact tube channel, wherein the contact tube tip is designed to be replaceable.
  • the non-inventive one-piece embodiment of the contact tube tip and the contact tube channel can be designed such that, to simplify the manufacture of the contact tube along the longitudinal axis, it is formed in multiple parts, for example from a lower and an upper shell, wherein the inner channel for feeding the metal wire is formed proportionally from the upper and lower shell of the contact tube.
  • the contact tube tip is rotatable relative to the contact tube channel in the circumferential direction of the wire's longitudinal axis, and the angular position of the contact tube tip relative to the contact tube channel is definable.
  • the definable angular position of the contact tube tip allows for fine adjustment of the The angular position in the circumferential direction of the supplied metal wire is to be adjusted in order to allow the flow of the atomizing gas around the metal wire and the contact tube tip.
  • the inner channel is adapted to the streamlined profile of the supplied metal wire, at least in the region of the contact tube tip.
  • the device further comprises at least one feed device for the at least one first and/or second metal wire, wherein the at least one feed device is adapted to the outer cross-section and the outer shape of the supplied metal wire and in particular has streamlined drive elements.
  • the at least one contact tube is formed at least partially from an electrically conductive material and that the inner tube rests at least section by section on the supplied first or second metal wire to form an electrically conductive connection.
  • At least one first and/or second contact tube is made at least partially from an electrically non-conductive material; in particular, the contact tube tips may be made from a heat-resistant ceramic material.
  • current transmission elements such as current guide rails
  • the current transmission elements can be arranged to be resilient relative to the inner channel of the first and/or second contact tube, for example, to ensure that the current guide elements are in contact with the supplied metal wire.
  • a wire guiding device in particular in the form of a wire guiding tube, wherein the wire guiding device has at least one wire guiding element which includes a guide channel adapted to the outer contour of the supplied metal wire for guiding and aligning the first and/or second metal wire to be supplied.
  • the counter electrode can be designed as a stationary electrode, which is particularly preferably designed as a tungsten needle.
  • a metal wire for thermal coating comprises a longitudinal axis and a cross-sectional area perpendicular to the longitudinal axis, the cross-sectional area being formed by a streamlined shape.
  • a streamlined shape is defined as one that exhibits low flow resistance.
  • the basic shape of the cross-sectional area can be formed by the set of ovals excluding the full circle, whereby the edge of the cross-sectional area can have concave indentations at least section by section.
  • the cross-sectional area can preferably include a first axis of symmetry, wherein the dimension of the cross-sectional area along the first axis of symmetry is referred to as length a, and wherein the cross-sectional area preferably includes a second axis of symmetry which is orthogonal to the first axis of symmetry, and wherein the dimension of the cross-sectional area along the second axis of symmetry is referred to as length b.
  • the length a can be in the range between 1.0 mm and 8.0 mm, preferably in the range of 2.4 mm to 8.0 mm.
  • the length ratio a/b can be in the range of 0.3 to 0.95, preferably in the range of 0.5 to 0.9.
  • the metal wire therefore comprises zinc and its alloys as a substantial proportion.
  • the metal wire according to the invention consists of zinc and/or its alloys.
  • a preferred zinc alloy comprises aluminum, copper, magnesium, and/or titanium, balanced with zinc to 100 wt.%.
  • the alloy may optionally contain impurities in a proportion of 0.1 wt.%, preferably 0.07 wt.%, or less. These impurities are typical impurities originating from the metals used in the alloy.
  • the zinc wire consists of a zinc alloy having an aluminum content of 0.01 to 35 wt.% and/or a copper content of 0.01 to 15 wt.% and/or a magnesium content of 0.01 to 10 wt.% and/or a titanium content of 0.01 to 5 wt.% and balanced with zinc to 100 wt.%, wherein the alloy optionally contains impurities in a proportion of 0.1 wt.% or less.
  • the metal wire can thus consist of an alloy containing only aluminum and zinc, or only copper and zinc, or only magnesium and zinc, or only titanium and zinc.
  • the alloy it is also possible for the alloy to contain, in addition to zinc, two, three, or all four selected from the group consisting of aluminum, copper, magnesium, and titanium.
  • a zinc alloy has an aluminium content of 0.01 to 35 wt.%, a copper content of 0.01 to 15 wt.%, a magnesium content of 0.01 to 10 wt.%, and a titanium content of 0.01 to 5 wt.%, balanced with zinc to 100 wt.%, the alloy optionally containing impurities in a proportion of 0.1 wt.% or less.
  • composition of the alloy as a whole corresponds to 100 wt.%. This applies to the alloys described above as well as those described below.
  • the copper content is from 0.01 to 5 wt.%.
  • the magnesium content of an alloy according to the invention is preferably from 0.01 to 10 wt.%, in particular from 0.01 to 5 wt.%.
  • the titanium content is preferably in the range of 0.01 to 2.5 wt.%, particularly in the range of 0.01 to 1 wt.%.
  • a metal wire made of zinc or its alloys a metal wire made of aluminum or its alloys can also preferably be used according to the invention.
  • the metal wire consists in particular of aluminum or an aluminum alloy.
  • Preferred aluminum alloys contain, in addition to aluminum, at least one, two, or more other metals selected from the group consisting of zinc, magnesium, silicon, titanium, and indium.
  • the proportion of aluminum is at least 50 wt.% based on the total weight of the alloy, which is 100 wt.%.
  • a preferred aluminium alloy contains zinc in a proportion of 0.01 to 50 wt.%, supplemented with aluminium to 100 wt.%.
  • Another preferred aluminium alloy contains magnesium in a proportion of 0 to 20 wt.%, supplemented with aluminium to 100 wt.%.
  • Another preferred aluminum alloy contains silicon in a proportion of 0 to 20 wt.%, supplemented with aluminum to 100 wt.%.
  • Another preferred aluminium alloy contains titanium in a proportion of 0 to 5 wt.%, supplemented with aluminium to 100 wt.%.
  • Another preferred aluminium alloy contains indium in a proportion of 0 to 5 wt.%, supplemented with aluminium to 100 wt.%.
  • the aluminum alloy can also contain two or more metals in the aforementioned areas. Even in this case, the proportion of aluminum is at least 50% by weight of the total weight of the alloy.
  • the metal wire consists of a metal itself, preferably zinc or aluminum
  • the purity of the metal is preferably 99.9%, in particular 99.94%, more preferably 99.95%, and more preferably 99.99%.
  • the at least one contact tube and the wire tips, or only the wire tips, are surrounded concentrically by the atomizing gas.
  • the contact tube tips can be arranged at an angle to the flow medium axis.
  • the angle between the contact tube tip and the fluid axis is in the range of 5 to 90°.
  • FIG. 1 shows a schematic overall view of a first exemplary embodiment of a device according to the invention for thermal coating using a wire arc.
  • the tool device according to the invention comprises a first contact tube 21, a counter electrode 20 with an electrode tip 201, and an atomizing gas nozzle 25.
  • the first contact tube 21 has an inner channel 200 for feeding a first metal wire 41 with a streamlined cross-section 44 and a contact tube tip 210 with an outlet opening 220 for the first metal wire 41.
  • An electrical voltage is applied to the first metal wire 41, which is fed via the first contact tube 21, and to the counter electrode 20 to form an electric arc.
  • the counter electrode 20 is exemplary designed as a one-piece tungsten needle.
  • the first metal wire 41 is continuously fed via the first contact tube 21.
  • the electric arc between the tip of the first metal wire 41 and the counter electrode 21 is continuously maintained during the coating process.
  • At least one feed device can be provided for feeding the first metal wire 41. which in turn includes drive elements for conveying the first metal wire 41.
  • the conveying speed of the first metal wire 41 can be varied and, in particular, adapted to the selected wire diameter or the size of the cross-sectional area of the first metal wire 41.
  • further first and/or at least one second metal wire are also continuously fed.
  • voltages in the range of 15 to 21 volts can be used for metal wires made of Zn, and voltages of 18 to 19 volts for metal wires made of ZnAl, with the current being selected in the range of 80 A to 1500 A depending on the feed rate and/or the wire cross-section.
  • voltages in the range of approximately 18 to 40 V can be used according to the invention for forming the arc with metal wires.
  • An atomizing gas 30 is emitted from the atomizing gas nozzle 25 to carry molten metal droplets of the first metal wire 41 along the atomizing gas flow 310.
  • the first contact tube 21 and the counter electrode 20 are arranged with tips 201, 210 converging in the direction 310 of the atomizing gas 30.
  • the outer surface 230 of the first contact tube 21 has a streamlined cross-section
  • the cross-sectional area 203 of the inner channel 200 of the first contact tube 21 has a first metal wire 41 sectionally fed to the streamlined cross-section.
  • the liquid metal droplets of the molten first metal wire 41, ejected by means of the atomizing gas flow 310 of the atomizing gas 30, are propelled by the atomizing gas flow 310 against a surface 100 of a material 10 to be coated.
  • the Fig. 2 Figure 1 shows a second exemplary embodiment of a device according to the invention for thermal coating using a wire arc.
  • the counter electrode 20 was replaced by a second contact tube 22, the second contact tube 22 comprising an inner channel 200 for supplying a second metal wire 42 with a streamlined cross-section and again a contact tube tip 210 with an outlet opening 220 for the second metal wire 42.
  • the first and second contact tubes 21 are arranged with tips 210 converging towards each other in the discharge direction 310 of the atomizing gas 30.
  • the molten metal droplets of the first and second metal wire 41 and 42 are ejected by expelling an atomizing gas 30 via the atomizing gas nozzle 25 and the resulting atomizing gas stream 310 against a surface 100 of a material 10 to be coated.
  • the Fig. 3A Figure 1 shows a schematic view of a section of a metal wire 40 with a streamlined cross-section 44, wherein the metal wire 40 runs along a longitudinal wire axis 45.
  • the metal wire can have 40 turns and bends along the wire's longitudinal axis 45.
  • the circumferential direction 47 of the wire's longitudinal axis 45 is also shown.
  • the metal wire 40 has a streamlined cross-section 44. Depending on the application, it can form the first metal wire 41 or the second metal wire 42.
  • Fig. 3B Figure 1 shows an enlarged detail view of the streamlined cross-sectional area 44 of the metal wire 40 according to the invention, as well as the course of the wire longitudinal axis 45.
  • FIGS. 4A to 4C further exemplary embodiments of a streamlined cross-section 44 of metal wires 40 according to the invention are shown.

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Description

  • Beim Drahtlichtbogenspritzen wird ein elektrisch leitender drahtförmiger Spritzzusatzwerkstoff mit Hilfe eines elektrischen Entladungsprozesses vom festen in den flüssigen Zustand überführt und anschließend auf eine Substratoberfläche aufgetragen.
  • Das Verfahren des Drahtlichtbogenspritzens beruht darauf, dass üblicherweise zwei kreisrunde drahtförmige elektrisch leitende Spritzwerkstoffe in Form eines Metalldrahtes mittels einer Vorschubeinrichtung mit einem konstanten Vorschub aufeinander zugeführt werden. Drahtlichtbogenverfahren, bei denen nur ein Draht verwendet wird, sind ebenfalls bekannt. Die Drähte sind mit einer Stromquelle leitend verbunden, an der eine Spannung von üblicherweise 12 bis 50 V anliegt. Bei hinreichend geringem Abstand der beiden Drahtenden wird ein Lichtbogen gezündet, der als Energiequelle zum Aufschmelzen des Drahtzusatzwerkstoffes dient. Mit Hilfe eines Gasstromes (Druckluft oder ein technisches Gas) wird die Schmelze von den Drahtenden gelöst und beschleunigt diese in Form eines Partikelstroms auf ein zu beschichtendes Bauteil.
  • Konventionelle Drahtlichtbogenspritzanlagen erzielen Abschmelzleistungen von ca. 5 - 200 kg/h bei Partikelgeschwindigkeiten von ca. 150 m/s. Im Lichtbogen werden dabei Temperaturen von über 5000K erreicht. Die Schichtdicken, die mit diesem Verfahren erzeugt werden können, liegen zwischen 50 pm und 20 mm.
  • Das Drahtlichtbogenspritzen wird, unter anderem, zum Korrosionsschutz von Stahlstrukturen und Aluminiumrohren für Wärmetauscher, zum Verschleißschutz und zur Reparatur von Bauteilen und zur Herstellung lötfähiger Schichten auf Kondensatoren verwendet.
  • Aus der DE 10 2017 007398 A1 ist bereits ein Lichtbogendrahtbrenner, mit mindestens einer Elektrode aus einem nachführbaren Draht bekannt geworden, wobei der Draht zumindest zwischen dem Bereich seines Austritts aus wenigstens einem Drahtführungselement und dem Lichtbogen eine von der zylindrischen Form abweichende Kontur aufweist.
  • Ein Hauptproblem beim Drahtlichtbogenspritzen sind Wirbelablösungen der Zerstäubergasströmung am bzw. hinter den Drahtquerschnitten. Diese Wirbelgebiete zirkulieren kontinuierlich in den sogenannten Totgebieten der Drähte und beeinflussen maßgeblich das Abschmelzverhalten (Tropfengröße) und die Lichtbogensäule (Interaktion Plasma-Gas), mit der Folge, dass aufgeschmolzene Spritzpartikel im Bereich der Drahtenden auf den wirbelförmigen Bahnen verweilen. In dieser Zeit wird der Werkstoff infolge des Luftsauerstoffs der Umgebungs- bzw. Druckluft oxidiert. Durch das kontinuierliche Abschmelzen des Drahtes vergrößert sich die rezirkulierende Menge der schmelzflüssigen Partikel, mit dem Resultat einer ungleichmäßigen Zerstäubung. Der sich um die Drahtenden ausbreitende Spritzstrahl baut eine sogenannte "Karmansche Wirbelstraße" auf. Diese hat zur Folge, dass sich der partikelbeladene Spritzstrahl extrem aufweitet (divergiert). Durch die hohe Divergenz gelangt ein Teil der Partikel in langsame Außenbereiche der Zerstäubergasströmung. Die erhöhte Oxidation, die ungleichmäßigen Wärmeinhalte und Geschwindigkeiten der Partikel im Spritzstrahl führen zu einer verminderten Haftung der Partikel auf dem zu beschichtendem Bauteil. Der sogenannte Auftragswirkungsgrad kann, je nach Drahtzusatzwerkstoff, ca. 50% bis 60% vermindert sein, d.h. 50 bis 60% des abgeschmolzenen Drahtwerkstoffes bleibt nicht auf dem zu beschichtetem Bauteil haften und wird in Form von Stäuben der Umgebung zugeführt. Neben den umwelt- und arbeitssicherheitstechnischen Aspekten ist auch die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens verbesserungswürdig.
  • Hinsichtlich der Spritzschicht führen diese Effekte auch zu einer verminderten Qualität. Dies äußert sich in Form von verminderter Haftung der Spritzschicht zum Substrat, hohe Porosität, hoher Oxidanteil und viele nur teilweise aufgeschmolzene Partikel in der Spritzschicht.
  • Ausgehend von dem vorbezeichnetem Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Beschichten von Werkstücken mittels Drahtlichtbogenspritzen bereit zu stellen, bei welchen die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik reduziert werden können.
  • Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum thermischen Beschichten mittels Drahtlichtbogen. Die Vorrichtung umfasst mindestens ein erstes Kontaktrohr, mindestens eine Gegenelektrode mit einer Elektrodenspitze und eine Zerstäubergasdüse. Das mindestens eine erste Kontaktrohr weist einen Innenkanal für die Zuführung eines ersten stromlinienförmigen Metalldrahtes bevorzugt gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung und eine Kontaktrohrspitze mit Austrittsöffnung für den ersten Metalldraht auf. An den mindestens einen über das erste Kontaktrohr zugeführten ersten Metalldraht und die mindestens eine Gegenelektrode ist eine Spannung zur Ausbildung eines elektrischen Lichtbogens zum Aufschmelzen des mindestens einen Metalldrahts anlegbar, wobei aus der Zerstäubergasdüse ein Zerstäubergas zum Austragen aufgeschmolzener Metalltropfen entlang einer Strömungsachse ausstoßbar ist. Das mindestens eine erste Kontaktrohr und die mindestens eine Gegenelektrode sind mit in Ausstoßrichtung des Zerstäubergases aufeinander zulaufenden Spitzen angeordnet. Die Außenfläche des mindestens einen ersten Kontaktrohrs weist einen stromlinienförmigen Querschnitt auf und/oder die Querschnittsflächen des Innenkanals des mindestens einen ersten Kontaktrohrs sind zumindest abschnittsweise an den stromlinienförmigen Querschnitt des zugeführten ersten Metalldrahts angepasst.
  • Durch die Vorsehung der Merkmale, wonach es vorgesehen ist, dass die Querschnittsflächen des Innenkanals des mindestens einen ersten Kontaktrohrs zumindest abschnittsweise an den stromlinienförmigen Querschnitt des zugeführten ersten Metalldrahts angepasst sind, wird es ermöglicht, insbesondere die Winkellage der Querschnittsfläche des ersten Metalldrahts in Umfangsrichtung der Drahtlängsachse gegenüber einer Strömungsmittelachse der Zerstäubergasströmung auszurichten. Die Außenfläche des mindestens einen ersten Kontaktrohrs kann zumindest abschnittsweise eine stromlinienförmige Querschnittsfläche aufweisen. Die stromlinienförmigen Querschnitte der Außenfläche des mindestens einen ersten Kontaktrohrs sowie der stromlinienförmige Querschnitt des mindestens einen ersten zugeführten Metalldrahts können dabei derart in dem Strom des Zerstäubergases positioniert werden, dass diese einen möglichst geringen Strömungswiderstand im Hinblick auf das ausgestoßene Zerstäubergas aufweisen und damit dem zugeführten Zerstäubergas einen deutlich geringeren Strömungswiderstand bieten als dies bei runden Querschnittsflächen von aus dem Stand der Technik bekannten Metalldrähten und Außenflächen der Kontaktrohre bekannt ist. Aufgrund des strömungsoptimierten Querschnittes wird der Fluidstrom des Zerstäubergases möglichst gering beeinflusst, derart, dass beispielsweise entstehende Wirbelstraßen vermieden werden können, wodurch die ausgetragenen aufgeschmolzenen Metalltropfen ein verbessertes Austragungsbild entlang der Strömungsachse aufweisen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform kann es vorgesehen werden, dass das mindestens eine erste Kontaktrohr und die mindestens eine Gegenelektrode spiegelsymmetrisch zu einer Ebene durch eine Strömungsmittelachse der Zerstäubergasströmung angeordnet werden.
  • Weiterhin kann es vorgesehen werden, dass die mindestens eine Gegenelektrode in Form eines zweiten Kontaktrohres ausgeführt ist, wobei das mindestens eine zweite Kontaktrohr jeweils einen Innenkanal zur Zuführung eines zweiten Metalldrahts mit einem stromlinienförmigen Querschnitt bevorzugt gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung und eine Kontaktrohrspitze mit Austrittsöffnung für den zweiten Metalldraht aufweist. Das mindestens eine erste und zweite Kontaktrohr sind mit in Ausstoßrichtung des Zerstäubergases aufeinander zulaufenden Spitzen angeordnet. Die Außenfläche des mindestens einen zweiten Kontaktrohrs weist zumindest abschnittsweise einen stromlinienförmigen Querschnitt auf und/oder die Querschnittsfläche des Innenkanals des mindestens einen ersten Kontaktrohrs sind zumindest abschnittsweise an den stromlinienförmigen Querschnitt des zugeführten zweiten Metalldrahts angepasst.
  • Erfindungsgemäß wird/werden der mindestens eine erste und/oder der mindestens eine zweite Metalldraht kontinuierlich über ein jeweiliges Kontaktrohr in den Bereich der Kontaktrohrspitze zugeführt. Für die kontinuierliche Zufuhr können erfindungsgemäß Vorschubeinrichtungen vorgesehen werden, welche mittels Antriebselementen den mindestens einen ersten und/oder zweiten Metalldraht fördern. Die Metalldrähte liegen dabei üblicherweise als Endlosdrähte vor, welche insbesondere auf Spulen oder auch als Ringgelege in Fässern bereitgestellt werden. Erfindungsgemäß können beispielsweise Vortriebs- bzw. Fördergeschwindigkeiten im Bereich von 0,5 bis 30 Meter/Minute je nach Materialart und Drahtstärke des Metalldrahtes gewählt werden. Der zwischen dem mindestens einem ersten Kontaktrohr und der mindestens einen Gegenelektrode oder dem mindestens einem zweiten Kontaktrohr ausgebildete elektrische Lichtbogen führt die zum Aufschmelzen des zugeführten mindestens einen ersten und/oder zweiten Metalldrahtes Energie zu. Die Metalldrähte sind dabei aus dem Material gebildet, welches zur Beschichtung genutzt werden soll. Der Lichtbogen dient als Energiequelle für das Aufschmelzen des mindestens einen ersten und/oder zweiten Metalldrahtes. Der mindestens eine Metalldraht wird dabei lediglich im Bereich des aus dem mindestens einen ersten und/oder zweiten Kontaktrohres aufgeschmolzen. Der aufgeschmolzene mindestens eine erste und/oder zweite Metalldraht wird mittels eines Zerstäubergasstromes in Form von flüssigen Metalltropfen vereinzelt und gegen die zu beschichtende Oberfläche beschleunigt. Bei dem Auftreten des Metalltropfens auf die zu beschichtende Oberfläche verlieren die Metalltropfen schlagartig ihre Bewegungsenergie und geben ihre Wärmeenergie ab, und zwar derart, dass die Metalltropfen auf der Oberfläche abgeschieden werden und eine Schicht auf der Oberfläche des zu beschichtenden Werkstücks aus dem Material des mindestes einen ersten und/oder zweiten Metalldrahtes bilden.
  • Es kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine erste und zweite Kontaktrohr spiegelsymmetrisch zu einer Ebene durch eine Strömungsmittelachse des Zerstäubergasstroms angeordnet sind.
  • Durch die Vorsehung der Merkmale, wonach es vorgesehen ist, dass die Querschnittsflächen des Innenkanals des mindestens einen zweiten Kontaktrohres und/oder die Außenfläche des mindestens einen zweiten Kontaktrohrs einen stromlinienförmigen Querschnitt aufweist, wird es ermöglicht, insbesondere die Winkellage der Querschnittsfläche des zweiten Metalldrahts in Umfangsrichtung der Drahtlängsachse gegenüber der Strömungsmittelachse auszurichten.
  • Die Kontaktrohrspitze kann bevorzugt als Körper mit einer strömungsoptimierten bzw. stromlinienförmigen Außenform ausgebildet werden. Die Kontaktrohrspitze weist eine Längsachse sowie einen entlang der Längsachse verlaufenden Innenkanal zur Führung und für die Ausrichtung des zugeführten Metalldrahts auf. Der zugeführte Metalldraht kann in einer definierten Raumlage und insbesondere mit einer definierten Ausrichtung in Umfangsrichtung der Drahtlängsachse aus der Kontaktrohrspitze über die Kontaktrohröffnung in den Zerstäubergasstrom zugeführt werden. Die Drahtlängsachse wird dabei in einen definierten Winkel relativ zu der Strömungsmittelachse der Zerstäuberachse mittels der Kontaktrohrspitze positioniert.
  • Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das mindestens eine erste und/oder zweite Kontaktrohr zumindest zweiteilig aus der Kontaktrohrspitze und einem anschließenden Kontaktrohrkanal ausgebildet ist, wobei die Kontaktrohrspitze austauschbar ausgeführt ist.
  • In einer alternativen, nicht erfindungsgemäßen, Ausführungsform kann es ebenfalls vorgesehen werden, das gesamte Kontaktrohr und damit den Bereich der Kontaktrohrspitze und den anschließenden Kontaktrohrkanal einteilig zu fertigen. Insbesondere können additive Fertigungsmethoden zur Ausbildung des einteiligen Kontaktrohres genutzt werden.
  • Weiterhin kann die nicht erfindungsgemäße einteilige Ausführungsform der Kontaktrohrspitze und des Kontaktrohrkanals derart ausgeführt werden, dass zur Vereinfachung der Fertigung des Kontaktrohres entlang der Längsachse dieses mehrteilig beispielsweise aus einer Unter- und einer Oberschale ausgebildet wird, wobei der Innenkanal zur Zuführung des Metalldrahtes anteilig aus der Ober- und Unterschale des Kontaktrohres gebildet wird.
  • Erfindungsgemäß ist es weiterhin vorgesehen, dass die Kontaktrohrspitze gegenüber dem Kontaktrohrkanal in Umfangsrichtung der Drahtlängsachse drehbar ausgestaltet ist, wobei die Winkellage der Kontaktrohrspitze gegenüber dem Kontaktrohrkanal festlegbar ist. Durch die beschriebene Festlegbarkeit der Winkellage der Kontaktrohrspitze wird es ermöglicht, eine Feinjustierung der Winkellage in Drahtumfangsrichtung des zugeführten Metalldrahtes vorzunehmen, um somit die Umströmung des Metalldrahtes und der Kontaktrohrspitze gegenüber dem Zerstäubergas vornehmen zu können. In der vorbezeichneten Ausführungsform wird der Innenkanal zumindest im Bereich der Kontaktrohrspitze an das stromlinienförmige Profil des zugeführten Metalldrahtes angepasst.
  • Weiterhin kann es vorgesehen werden, dass die Vorrichtung weiterhin mindestens eine Vorschubeinrichtung für den mindestens einen ersten und/oder zweiten Metalldraht umfasst, wobei die mindestens eine Vorschubeinrichtung an den Aussenquerschnitt und die Außenform des zugeführten Metalldrahts angepasst insbesondere stromlinienförmige Antriebselemente aufweist.
  • Zusätzlich kann es vorgesehen werden, dass das mindestens eine Kontaktrohr zumindest anteilig aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet ist und das Innenrohr zumindest abschnittsweise an dem zugeführten ersten oder zweiten Metalldraht zur Ausbildung einer elektrisch leitfähigen Verbindung anliegt.
  • Es kann weiterhin vorgesehen werden, das mindestens eine erste und/oder zweite Kontaktrohr zumindest anteilig aus einem elektrisch nicht-leitfähigen Material auszubilden, insbesondere können dabei die Kontaktrohrspitzen aus einem wärmebeständigen Keramikmaterial ausgeführt werden.
  • Zur Sicherstellung einer ausreichenden Stromzuleitung bzw. Stromabgabe an den zugeführten Metalldraht können bevorzugt Stromübertragungselemente, wie insbesondere Stromführungsschienen, im Bereich des Innenkanals des ersten und/oder zweiten Kontaktrohrs vorgesehen werden. Die Stromübertragungselemente können dabei gegenüber dem Innenkanal des ersten und/oder zweiten Kontaktrohrs federnd angeordnet werden, um beispielsweise ein Anliegen der Stromführungselemente an den zugeführten Metalldraht zu gewährleisten.
  • Es kann weiterhin vorgesehen werden, eine Drahtführungseinrichtung, insbesondere in Form eines Drahtführungsschlauches, vorzusehen, wobei die Drahtführungseinrichtung mindestens ein Drahtleitelement aufweist, welches einen an die Außenkontur des zugeführten Metalldrahts angepassten Führungskanal zur Durchleitung und Ausrichtung des zuzuführenden ersten und/oder zweiten Metalldrahts umfasst.
  • Die Gegenelektrode kann als feststehende Elektrode ausgeführt werden, welche besonders bevorzugt als Wolframnadel ausgebildet ist.
  • Ein Metalldraht zum thermischen Beschichten, umfasst eine Drahtlängsachse und eine zu der Drahtlängsachse orthogonal verlaufende Querschnittsfläche, wobei die Querschnittsfläche durch eine Stromlinienform gebildet ist. Als Stromlinienform wird eine Form verstanden, welche einen geringen Strömungswiderstand aufweist.
  • Die Grundform der Querschnittsfläche kann durch die Menge der Ovale ausgenommen dem Vollkreis gebildet werden, wobei der Rand der Querschnittsfläche zumindest abschnittsweise konkave Einbuchtungen aufweisen kann.
  • Die Querschnittsfläche kann bevorzugt eine erste Symmetrieachse umfassen, wobei die Abmessung der Querschnittsfläche entlang der ersten Symmetrieachse als Länge a bezeichnet wird und wobei die Querschnittsfläche bevorzugt eine zweite Symmetrieachse umfasst, welche zu der ersten Symmetrieachse orthogonal verläuft und die Abmessung der Querschnittsfläche entlang der zweiten Symmetrieachse als Länge b bezeichnet wird.
  • Die Länge a kann im Bereich zwischen 1,0 mm und 8,0 mm, bevorzugt im Bereich von 2,4 mm bis 8,0 mm, liegen.
  • Das Längenverhältnis a/b kann im Bereich von 0,3 bis 0,95, bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 0,9, liegen.
  • Das thermische Beschichten mittels Drahtbogenspritzen ist besonders geeignet zur Herstellung von Zink-Beschichtungen auf Oberflächen. Zink kann besonders gut mittels Drahtbogenspritzen verarbeitet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Metalldraht daher als wesentlichen Anteil Zink sowie dessen Legierungen. Bevorzugt besteht der erfindungsgemäße Metalldraht aus Zink und/oder dessen Legierungen.
  • Eine bevorzugte Zinklegierung umfasst Aluminium, Kupfer, Magnesium und/oder Titan, wobei mit Zink auf 100 Gew.-% ausgeglichen wird. Weiterhin kann die Legierung gegebenenfalls Verunreinigungen in einem Anteil von 0,1 Gew.-%, vorzugsweise 0,07 Gew.-%, oder weniger aufweisen. Verunreinigungen sind dabei typische Verunreinigungen, die von den für die Legierung verwendeten Metallen stammen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Zinkdraht aus einer Zinklegierung, welche einen Aluminiumgehalt von 0,01 bis 35 Gew.-% und/oder einen Kupfergehalt von 0,01 bis 15 Gew.-% und/oder einen Magnesiumgehalt von 0,01 bis 10 Gew.-% und/oder einen Titangehalt von 0,01 bis 5 Gew.-% und mit Zink auf 100 Gew.-% ausgeglichen aufweist, wobei die Legierung gegebenenfalls Verunreinigungen in einem Anteil von 0,1 Gew.-% oder weniger aufweist.
  • Der Metalldraht kann somit aus einer Legierung bestehen, welche nur Aluminium und Zink oder nur Kupfer und Zink oder nur Magnesium und Zink oder nur Titan und Zink enthält. Es ist jedoch erfindungsgemäß auch möglich, dass die Legierung neben Zink zwei, drei oder alle vier ausgewählt aus der Gruppe aus Aluminium, Kupfer, Magnesium und Titan enthält.
  • Eine Zinklegierung weist einen Aluminiumgehalt von 0,01 bis 35 Gew.-% und einen Kupfergehalt von 0,01 bis 15 Gew.-% und einen Magnesiumgehalt von 0,01 bis 10 Gew.-% und einen Titangehalt von 0,01 bis 5 Gew.-% und mit Zink auf 100 Gew.-% ausgeglichen auf, wobei die Legierung gegebenenfalls Verunreinigungen in einem Anteil von 0,1 Gew.-% oder weniger aufweist.
  • Die Zusammensetzung der Legierung als Ganzes entspricht 100 Gew.-%. Dies gilt für die zuvor sowie für die nachfolgend beschriebenen Legierungen.
  • Bevorzugt beträgt der Kupfergehalt von 0,01 bis 5 Gew.-%.
  • Der Magnesiumgehalt einer erfindungsgemäßen Legierung beträgt bevorzugt von 0,01 bis 10 Gew.-%, insbesondere von 0,01 bis 5 Gew.-%.
  • Der Titangehalt liegt vorzugsweise im Bereich von 0,01 bis 2,5 Gew.-%, insbesondere im Bereich vin 0,01 bis 1 Gew.-%.
  • Anstelle eines Metalldrahtes aus Zink oder dessen Legierungen kann erfindungsgemäß ebenso bevorzugt ein Metalldraht aus Aluminium oder dessen Legierungen eingesetzt werden. Der Metalldraht besteht insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung.
  • Bevorzugte Aluminium-Legierungen weisen neben Aluminium zumindest ein, zwei oder mehrere weitere Metalle ausgewählt aus der Gruppe, die aus Zink, Magnesium, Silizium, Titan und Indium besteht, auf. Der Anteil an Aluminium beträgt zumindest 50 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Legierung, welches 100 Gew.-% beträgt.
  • Eine bevorzugte Aluminium-Legierung weist Zink in einem Anteil von 0,01 bis 50 Gew.-% auf, mit Aluminium auf 100 Gew.-% ergänzt.
  • Eine weiter bevorzugte Aluminium-Legierung weist Magnesium in einem Anteil von 0 bis 20 Gew.-% auf, mit Aluminium auf 100 Gew.-% ergänzt.
  • Eine weiter bevorzugte Aluminium-Legierung weist Silizium in einem Anteil von 0 bis 20 Gew.-% auf, mit Aluminium auf 100 Gew.-% ergänzt.
  • Eine weiter bevorzugte Aluminium-Legierung weist Titan in einem Anteil von 0 bis 5 Gew.-% auf, mit Aluminium auf 100 Gew.-% ergänzt.
  • Eine weiter bevorzugte Aluminium-Legierung weist Indium in einem Anteil von 0 bis 5 Gew.-% auf, mit Aluminium auf 100 Gew.-% ergänzt.
  • Die Aluminium-Legierung kann auch zwei oder mehr Metalle in den genannten Bereichen enthalten. Auch in diesem Fall beträgt der Anteil an Aluminium zumindest 50 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Legierung.
  • Besteht der Metalldraht aus einem Metall an sich, vorzugsweise aus Zink oder Aluminium, so beträgt die Reinheit des Metalls vorzugsweise 99,9%, insbesondere 99,94%, bevorzugt 99,95%, insbesondere bevorzugt 99,99%.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum thermischen Beschichten von Oberflächen mittels Drahtlichtbogen, umfassend die Schritte:
    • Zuführung mindestens eines ersten Metalldrahtes mit einem stromlinienförmigen Querschnitt, bevorzugt gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung und gebildet aus dem Beschichtungsmaterial über mindestens ein erstes Kontaktrohr, bevorzugt mit den Merkmalen gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung,
    • Erzeugen eines Lichtbogens zwischen dem mindestens einen ersten Metalldraht und mindestens einer Gegenelektrode durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen dem mindestens einen ersten Kontaktrohr und der mindestens einen Gegenelektrode,
    • Ausstoßen eines Zerstäubergases zum Austragen von Metalltropfen des aufgeschmolzenen mindestens einen ersten Metalldrahtes entlang einer Strömungsmittelachse auf eine zu beschichtende Oberfläche eines Werkstücks, und
    • Ausrichten der Winkellage der Querschnittsfläche des mindestens einen ersten und/oder zweiten Metalldrahtes in Umfangsrichtung der Drahtlängsachse gegenüber der Zerstäubergasströmung.
  • Bevorzugt wird die mindestens eine Gegenelektrode durch ein zweites Kontaktrohr gebildet, wobei das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt die weiteren folgenden Schritte umfasst:
    • Zuführen mindestens eines zweiten Metalldrahts mit einem stromlinienförmigen Querschnitt, bevorzugt mit den Merkmalen gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung,
    • gebildet aus dem Beschichtungsmaterial mindestens ein zweites Kontaktrohr, bevorzugt mit den Merkmalen gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, und
    • Erzeugen eines Lichtbogens zwischen dem mindestens einen ersten und zweiten Metalldraht durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen dem mindestens einen ersten Kontaktrohr und dem mindestens einen zweiten Kontaktrohr.
  • Bevorzugt kann es vorgesehen werden, dass das mindestens eine Kontaktrohr und die Drahtspitzen oder nur die Drahtspitzen konzentrisch von dem Zerstäubergas umströmt werden.
  • Weiterhin können die Kontaktrohrspitzen in einem Winkel zur Strömungsmittelachse angeordnet werden.
  • Es kann vorgesehen werden, dass der Winkel zwischen der Kontaktrohrspitze und der Strömungsmittelachse einen Winkel im Bereich von 5 bis 90° beträgt.
  • Im Nachfolgenden werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren vorteilhafte beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt.
  • Es zeigen:
    • .Fig. 1
    die schematische Ansicht einer ersten beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum thermischen Beschichten mittels Drahtlichtbogen;
    Fig. 2
    eine schematische Ansicht einer zweiten beispielhaften Ausführungsform einer Vorrichtung zum thermischen Beschichten mittels Drahtlichtbogen;
    Fig. 3A
    eine schematische Darstellung einer ersten beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Metalldrahtes mit einem stromlinienförmigen Querschnitt;
    Fig. 3B
    eine Detailansicht des Querschnittes des erfindungsgemäßen Metalldrahtes gemäß Figur 3A;
    Fign. 4A - 4B
    Detailanschichten verschiedener beispielhafter Querschnitte eines erfindungsgemäßen Metalldrahtes.
  • In der Fig. 1 ist die schematische Gesamtansicht einer ersten beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum thermischen Beschichten mittels Drahtlichtbogen dargestellt. Die erfindungsgemäße Werkzeugvorrichtung umfasst ein erstes Kontaktrohr 21, eine Gegenelektrode 20 mit einer Elektrodenspitze 201 sowie eine Zerstäubergasdüse 25. Das erste Kontaktrohr 21 weist einen Innenkanal 200 zur Zuführung eines ersten Metalldrahtes 41 mit einem stromlinienförmigen Querschnitt 44 und eine Kontaktrohrspitze 210 mit einer Austrittsöffnung 220 für den ersten Metalldraht 41 auf. An den über das eine erste Kontaktrohr 21 zugeführten ersten Metalldraht 41 und die Gegenelektrode 20 wird eine elektrische Spannung zur Ausbildung eines elektrischen Lichtbogens angelegt. Der elektrische Lichtbogen bewirkt das Aufschmelzen des zugeführten ersten Metalldrahtes 41 im Bereich der Metalldrahtspitze 43, welche aus der Austrittsöffnung 220 des ersten Kontaktrohrs 21 austritt. Die Gegenelektrode 20 ist in der dargestellten Ausführungsform beispielhaft als einteilige Wolframnadel ausgeführt. Während der Nutzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird kontinuierlich über das erste Kontaktrohr 21 der erste Metalldraht 41 zugeführt. Der elektrische Lichtbogen zwischen der Spitze des ersten Metalldrahtes 41 und der Gegenelektrode 21 wird während der Durchführung des Beschichtungsverfahren kontinuierlich aufrechterhalten. Zur Kompensation des aufgeschmolzenen und über das Zerstäubergas ausgetragenen Materials des ersten Metalldrahtes 41 wird dieser kontinuierlich über das erste Kontaktrohr 21 zugeführt. Für die Zuführung des ersten Metalldrahtes 21 kann mindestens eine Vorschubeinrichtung vorgesehen werden, welche wiederum Antriebselemente zur Förderung des ersten Metalldrahtes 41 umfasst. Die Fördergeschwindigkeit des ersten Metalldrahtes 41 kann variiert und insbesondere an die ausgewählte Drahtstärke bzw. die Größe der Querschnittsfläche des ersten Metalldrahtes 41 angepasst werden. In analoger Weise werden auch weitere erste und/oder mindestens ein zweiter Metalldraht kontinuierlich zugeführt. Erfindungsgemäß können für Metalldrähte aus Zn Spannungen im Bereich von 15 bis 21 Volt, für Metalldrähte gebildet aus ZnAl Spannungen von 18 bis 19 Volt genutzt werden, wobei die Stromst im Bereich von 80A bis 1500 A in Abhängigkeit der Vorschubgeschwindigkeit und/oder des Drahtquerschnitts gewählt werden. Allgemein können für Metalldrähte zur Ausbildung des Lichtbogens Spannungen im Bereich von etwa 18 bis 40V erfindungsgemäß Verwendung finden.
  • Aus der Zerstäubergasdüse 25 wird ein Zerstäubergas 30 zum Austragen geschmolzener Metalltropfen des ersten Metalldrahtes 41 entlang der Zerstäubergasströmung 310 ausgestoßen.
  • Das erste Kontaktrohr 21 und die eine Gegenelektrode 20 sind mit in Ausstoßrichtung 310 des Zerstäubergases 30 aufeinander zulaufenden Spitzen 201, 210 angeordnet. Die Außenfläche 230 des ersten Kontaktrohres 21 weist in der dargestellten Ausführungsform einen stromlinienförmigen Querschnitt auf und die Querschnittsfläche 203 des Innenkanals 200 des ersten Kontaktrohres 21 weist abschnittsweise einen an den stromlinienförmigen Querschnitt zugeführten ersten Metalldraht 41 auf. Die mittels der Zerstäubergasströmung 310 des Zerstäubergases 30 ausgestoßenen flüssigen Metalltropfen des aufgeschmolzenen ersten Metalldrahts 41 werden mit dem Zerstäubergasstrom 310 gegen eine zu beschichtende Oberfläche 100 eines zu beschichtenden Werkstoffes 10 ausgestossen.
  • Die Fig. 2 zeigt eine zweite beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum thermischen Beschichten mittels Drahtlichtbogen. In der dargestellten beispielhaften Ausführungsform der Fig. 2 wurde die Gegenelektrode 20 durch ein zweites Kontaktrohr 22 ersetzt, wobei das zweite Kontaktrohr 22 einen Innenkanal 200 zur Zuführung eines zweiten Metalldrahtes 42 mit einem stromlinienförmigen Querschnitt sowie wiederum eine Kontaktrohrspitze 210 mit Austrittsöffnung 220 für den zweiten Metalldraht 42 umfasst. Das erste und zweite Kontaktrohr 21 sind mit in Ausstoßrichtung 310 des Zerstäubergases 30 aufeinander zulaufenden Spitzen 210 angeordnet.
  • In der gezeigten Ausführungsform gemäß Fig. 2 wird die elektrische Spannung an das erste Kontaktrohr 21 sowie das zweite Kontaktrohr 22 angelegt, derart, dass der elektrische Strom auf den zugeführten ersten Metalldraht 41 und den zweiten Metalldraht 42 übertragen wird, so dass sich in der Folge zwischen den beiden Drahtspitzen 43 des ersten und zweiten Metalldrahtes 41, 42 der elektrische Lichtbogen ausbildet und im Bereich der beiden Drahtspitzen 43 der erste und zweite Metalldraht 41, 42 lokal aufgeschmolzen wird.
  • Die aufgeschmolzenen Metalltropfen des ersten und zweiten Metalldrahtes 41 und 42 werden durch das Ausstoßen eines Zerstäubergases 30 über die Zerstäubergasdüse 25 über den resultierenden Zerstäubergasstrom 310 gegen eine zu beschichtende Oberfläche 100 eines zu beschichtenden Werkstoffs 10 ausgestossen.
  • Die Fig. 3A zeigt eine schematische Ansicht eines Abschnittes eines Metalldrahts 40 mit einem stromlinienförmigen Querschnitt 44, wobei der Metalldraht 40 entlang einer Drahtlängsachse 45 verläuft. Wie dies in Fig. 3A dargestellt ist, kann der Metalldraht 40 Windungen und Biegungen entlang der Drahtlängsachse 45 aufweisen. In der Fig. 3a ist ebenfalls die Umfangsrichtung 47 der Drahtlängsachse 45 dargestellt. Der Metalldraht 40 mit stromlinienförmigem Querschnitt 44 kann je nach Verwendung den ersten Metalldraht 41 oder zweiten Metalldraht 42 bilden. Die Fig. 3B zeigt die vergrößerte Detailansicht der erfindungsgemäßen stromlinienförmigen Querschnittsfläche 44 des Metalldrahts 40 sowie den Verlauf der Drahtlängsachse 45.
  • Die Figuren 4A bis 4C zeigen weitere beispielhafte Ausführungsformen eines stromlinienförmigen Querschnittes 44 erfindungsgemäßer Metalldrähte 40.

Claims (13)

  1. Vorrichtung zum thermischen Beschichten mittels Drahtlichtbogen, umfassend:
    - mindestens ein erstes Kontaktrohr (21),
    - mindestens eine Gegenelektrode (20) mit einer Elektrodenspitze (201) und
    - eine Zerstäubergasdüse (25),
    wobei das mindestens eine erste Kontaktrohr (21) jeweils einen Innenkanal (200) zur Zuführung eines ersten Metalldrahtes (41) mit einem stromlinienförmigen Querschnitt (44) und eine Kontaktrohrspitze (210) mit Austrittsöffnung (220) für den ersten Metalldraht (41) aufweist,
    wobei an den mindestens einen, über das mindestens eine erste Kontaktrohr (21) zugeführten, ersten Metalldraht (41) und die mindestens eine Gegenelektrode (20) eine Spannung zur Ausbildung eines elektrischen Lichtbogens zum Aufschmelzen des mindestens einen ersten Metalldrahtes (41) anlegbar ist,
    wobei aus der Zerstäuberdüse (25) ein Zerstäubergas (30) zum Austragen aufgeschmolzener Metalltropfen entlang der Zerstäubergasströmung (310) ausstoßbar ist,
    wobei das mindestens eine erste Kontaktrohr (21) und die mindestens eine Gegenelektrode (20) mit in Ausstoßrichtung (310) des Zerstäubergases (30) aufeinander zulaufenden Spitzen (201, 210) angeordnet sind, und
    wobei die Außenfläche (230) des mindestens einen ersten Kontaktrohres (21) einen stromlinienförmigen Querschnitt aufweist und/oder die Querschnittsfläche (203) des Innenkanals (200) des mindestens einen ersten Kontaktrohres (21) zumindest abschnittsweise an den stromlinienförmigen Querschnitt (44) des zugeführten ersten Metalldrahtes (41) angepasst sind,
    wobei das mindestens eine erste und/oder zweite Kontaktrohr (21, 22) zumindest zweiteilig aus der Kontaktrohrspitze (210) und einem anschließenden Kontaktrohrkanal ausgebildet ist, wobei die Kontaktrohrspitze (210) austauschbar ausgeführt ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Kontaktrohrspitze (210) eine Längsachse sowie einen entlang der Längsachse verlaufenden Innenkanal zur Führung und für die Ausrichtung des zugeführten Metalldrahts (41) aufweist und gegenüber dem Kontaktrohrkanal (240) in Umfangsrichtung (47) der Drahtlängsachse (45) drehbar ausgestaltet ist, wobei die Winkellage festlegbar ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei mindestens eine Gegenelektrode (20) in Form eines zweiten Kontaktrohres (22) ausgeführt ist, wobei das mindestens eine zweite Kontaktrohr (22) jeweils einen Innenkanal (200) zur Zuführung eines zweiten Metalldrahtes (42) mit einem stromlinienförmigen Querschnitt (44), und eine Kontaktrohrspitze (210) mit Austrittsöffnung (220) für den zweiten Metalldraht (42) aufweist, wobei das mindestens eine erste und zweite Kontaktrohr (21, 22) mit in Ausstoßrichtung (310) des Zerstäubergases (30) aufeinander zulaufenden Spitzen (201, 210) angeordnet sind, und wobei die Außenfläche (230) des mindestens einen zweiten Kontaktrohres (22) zumindest abschnittsweise einen stromlinienförmigen Querschnitt und/oder die Querschnittsfläche (203) des Innenkanals (200) des mindestens einen zweiten Kontaktrohres (22) zumindest abschnittsweise an den stromlinienförmigen Querschnitt (44) des zugeführten zweiten Metalldrahtes (42) angepasst sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine erste Kontaktrohr (21) und die mindestens eine Gegenelektrode (20) spiegelsymmetrisch zu einer Ebene durch eine Strömungsmittelachse der Zerstäubergasströmung (310) angeordnet werden.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das mindestens eine erste und zweite Kontaktrohr (21, 22) spiegelsymmetrisch zu einer Ebene durch eine Strömungsmittelachse des Zerstäubergasstroms (310) angeordnet sind.
  5. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung weiterhin mindestens eine Vorschubeinrichtung für den mindestens einen ersten und/oder zweiten Metalldraht (41, 42) umfasst, wobei die mindestens eine Vorschubeinrichtung an den Querschnitt (44) des zugeführten Metalldrahts (40) angepasste, insbesondere stromlinienförmige, Antriebselemente aufweist.
  6. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, weiterhin umfassend mindestens eine Drahtführungseinrichtung, insbesondere in Form eines Drahtführungsschlauches, wobei die Drahtführungseinrichtung mindestens ein Drahtleitelement aufweist, welches einen an den Querschnitt (44) des zugeführten Metalldrahtes (41, 42) angepassten Führungskanal zur Durchleitung und Ausrichtung des zuzuführenden Metalldrahtes (41, 42) umfasst.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das mindestens eine Kontaktrohr (21, 22) zumindest anteilig aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet ist und der Innenkanal (200) zumindest abschnittsweise an dem zugeführten ersten oder zweiten Metalldraht zur Ausbildung einer elektrisch leitfähigen Verbindung anliegt.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das mindestens eine erste und/oder zweite Kontaktrohr (21, 22) zumindest anteilig aus einem elektrisch nicht-leitfähigen Material ausgebildet ist, wobei bevorzugt die Kontaktrohrspitzen (210) aus einem wärmebeständigen Keramikmaterial ausgeführt werden.
  9. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei Stromübertragungselemente im Bereich des Innenkanals (200) des ersten und/oder zweiten Kontaktrohrs (21, 22) vorgesehen werden.
  10. Verfahren zum thermischen Beschichten von Oberflächen mittels Drahtlichtbogen, umfassend die Schritte:
    - Zuführen mindestens eines ersten Metalldrahts (41) mit einem stromlinienförmigen Querschnitt (44), gebildet aus dem Beschichtungsmaterial über mindestens ein erstes Kontaktrohr (21), mit den Merkmalen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9;- Erzeugen eines Lichtbogens zwischen dem mindestens einen ersten Metalldraht (41) und mindestens einer Gegenelektrode (20) durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen dem mindestens einen ersten Kontaktrohr (21) und der mindestens einen Gegenelektrode (20),
    - Ausstoßen eines Zerstäubergases (30) zum Austragen von Metalltropfen des aufgeschmolzenen mindestens einen Metalldrahtes (41) entlang der Ausstoßrichtung des Zerstäubergases (310) auf eine zu beschichtende Oberfläche eines Werkstücks (10), und
    - Ausrichten der Winkellage der Querschnittsfläche des mindestens einen ersten und/oder zweiten Metalldrahtes in Umfangsrichtung der Drahtlängsachse gegenüber einer Strömungsmittelachse der Zerstäubergasströmung.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei mindestens eine Gegenelektrode (20) durch ein zweites Kontaktrohr (22) gebildet wird und das Verfahren weiterhin die folgenden Schritte umfasst:
    - Zuführen mindestens eines zweiten Metalldrahts (42) mit einem stromlinienförmigen Querschnitt (44) gebildet aus dem Beschichtungsmaterial über mindestens ein zweites Kontaktrohr (22), mit den Merkmalen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, und
    - Erzeugen eines Lichtbogens zwischen dem mindestens einen ersten und zweiten Metalldraht (41, 42) durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen dem mindestens einen ersten Kontaktrohr (21) und dem mindestens einem zweiten Kontaktrohr (22).
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei das mindestens eine Kontaktrohr (21, 22) und die Drahtspitzen (43) oder nur die Drahtspitzen (43) konzentrisch von Zerstäubergas (30) umströmt werden.
  13. Verwendung einer Vorrichtung zum thermischen Beschichten mittels Drahtlichtbogen, die Vorrichtung umfassend:
    - mindestens ein erstes Kontaktrohr (21),
    - mindestens eine Gegenelektrode (20) mit einer Elektrodenspitze (201) und
    - eine Zerstäubergasdüse (25),
    wobei das mindestens eine erste Kontaktrohr (21) jeweils einen Innenkanal (200) zur Zuführung eines ersten Metalldrahtes (41) mit einem stromlinienförmigen Querschnitt (44) und eine Kontaktrohrspitze (210) mit Austrittsöffnung (220) für den ersten Metalldraht (41) aufweist,
    wobei an den mindestens einen, über das mindestens eine erste Kontaktrohr (21) zugeführten, ersten Metalldraht (41) und die mindestens eine Gegenelektrode (20) eine Spannung zur Ausbildung eines elektrischen Lichtbogens zum Aufschmelzen des mindestens einen ersten Metalldrahtes (41) anlegbar ist,
    wobei aus der Zerstäuberdüse (25) ein Zerstäubergas (30) zum Austragen aufgeschmolzener Metalltropfen entlang der Zerstäubergasströmung (310) ausstoßbar ist,
    wobei das mindestens eine erste Kontaktrohr (21) und die mindestens eine Gegenelektrode (20) mit in Ausstoßrichtung (310) des Zerstäubergases (30) aufeinander zulaufenden Spitzen (201, 210) angeordnet sind,
    wobei die Außenfläche (230) des mindestens einen ersten Kontaktrohres (21) einen stromlinienförmigen Querschnitt aufweist und/oder die Querschnittsfläche (203) des Innenkanals (200) des mindestens einen ersten Kontaktrohres (21) zumindest abschnittsweise an den stromlinienförmigen Querschnitt (44) des zugeführten ersten Metalldrahtes (41) angepasst sind,
    wobei das mindestens eine erste und/oder zweite Kontaktrohr (21, 22) zumindest zweiteilig aus der Kontaktrohrspitze (210) und einem anschließenden Kontaktrohrkanal ausgebildet ist, wobei die Kontaktrohrspitze (210) austauschbar ausgeführt ist und
    wobei die Kontaktrohrspitze (210) eine Längsachse sowie einen entlang der Längsachse verlaufenden Innenkanal zur Führung und für die Ausrichtung des zugeführten Metalldrahts (41) aufweist und gegenüber dem Kontaktrohrkanal (240) in Umfangsrichtung (47) der Drahtlängsachse (45) drehbar ausgestaltet ist, wobei die Winkellage festlegbar ist zur Durchführung eines Verfahrens zum thermischen Beschichten von Oberflächen.
EP21170580.1A 2021-04-27 2021-04-27 Vorrichtung zum thermischen beschichten mittels drahtlichtbogenspritzen Active EP4082670B1 (de)

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