SE525927C2 - Anordning för termisk sprutning - Google Patents

Description

20 25 30 |--_» ß- fi... _; k. ..-W f...- rande medel och en eller flera pulverinsprutningsportar via vilka ett pulver sprutas in till plasmastrålen.

En konventionell sådan plasmastràlepistol, t ex den van- ligen använda F4 Sulzer Metco gun, innefattar ett änd- stycke igenom vilket plasmastrålen riktas ut ur pistolen och mot det substrat som skall beläggas. En skuldra eller ett utsprång som är försett med ett munstycke för in- sprutning av pulver mot och in i plasmastrålen är fästad mot ändstycket.

Under drift, när pulvret sprutas in i plasmastrålen, smälts och deponeras på ett substrat, skapas karakteris- tiska flödesmönster när pulvret når strålen. Under nor- mala driftsförhàllanden kan ett backflöde av pulver åter- vända till munstycket, vilket resulterar i att det senare täpps till. Större partiklar av aggregerat pulver som fastnar i munstycket eller ändstycket kommer förr eller senare att lossna och kastas ut i strålen, och därvid or- saka störningar hos sprutprocessen, generering av blåsor och knölar i beläggningen.

SYFTET MED UPPFINNINGEN Det är ett syfte med den föreliggande uppfinningen att" presentera en anordning för termisk sprutning som har ett förbättrat energiutbyte, dvs en förbättrad effektivitet, vid jämförelse med jämförbara anordningar enligt tidigare teknik. Med andra ord ska anordningen enligt uppfinningen 'garantera ett lika gott eller bättre resultat än tidigare tekniks anordningar med mindre_energikonsumtion. 10 15 20 25 30 Det är också ett syfte med uppfinningen att presentera en anordning för termisk sprutning vars tendens till oför-V delaktiga backflöden av pulver som resulterar i igensätt- ning av munstycken är reducerad eller till och med elimi- nerad.

Ett ytterligare syfte med uppfinningen är att uppnå ett förbättrat sprutförhållande, dvs en reducerad spruttid för en given mängd av använt pulver, med en bibehållen tillfredsställande kvalitet hos den applicerade belägg- ningen.

KORT BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Syftet med uppfinningen uppnås med hjälp av en inled- ningsvis definierade anordningen för termisk sprutning, vilken är kännetecknad av att pulverinsprutningsmedlet innefattar ett ramelement som skjuter ut i flamejekte- ringsriktningen från ändstycket, och att ramelementet åtminstone delvis omger en flamzon som sträcker sig från ändstycket. Åtminstone %, dvs 90°, av omkretsen runt flamzonen omges av rampartiet.

Tack vare ramelementets omgivande, åtminstone delvis an- nulära form, erhålls ett förbättrat flödesmönster, vilket resulterar i en avsevärt reducerad backflödestendens.

Normalt motsvarar formen och/ eller måtten pà innerperi- ferin hos den del av ramelementet som skjuter ut i flam- riktningen formen och måtten hos det flamgenererande med- lets ändstycke. Munstycket eller munstyckena, eller pul- verporten/portarna är lokaliserade i den utskjutandel delen av ramelementet, för att därigenom rikta pulver- 10 15 20 25 30 strålarna från ramelementets innerperiferi i en radiell riktning mot den centrala flamman, vinkelrätt mot flam- mans längdriktning eller snett, delvis i flammans längd- riktning.

Enligt ett föredraget utföringsexempel täcker ramelemen- tet åtminstone l80°, företrädesvis åtminstone 270°, eller allra helst 360° av omkretsen runt en flamzon som sträcker sig från ändstycket.

Företrädesvis definierar ramelementet ett ringformat ele- ment och är det utformat som en kontinuerlig ring med en kontinuerlig innerperiferi som sträcker sig över och täcker 360°.

Det bör emellertid inses att, som ett alter- nativ, nämnda element kan vara sammansatt av tvâ eller flera diskreta ringdelar, som var och en definierar en sektor hos ramelementet. De diskreta ringdelarna behöver inte bilda ett ramelement som har en kontinuerlig inner- periferi, utan kan lika väl definiera en diskontinuerlig, bruten ring, som därvid sträcker sig över och täcker åt- minstone l80°, företrädesvis åtminstone 270° i sin peri- feririktning. Ett eller flera munstycken eller en eller flera pulverportar kan vara anordnade mellan individuella sådana ringdelar eller ringsegment.

Företrädesvis har ramelementet en innerperiferi vars tvärsnitt motsvarar geometrin hos ändstyckets innerperi- feritvärsnitt. Tvärsnittet bör uppvisa rotationssymmetri.

Enligt ett föredraget utföringsexempel på uppfinningen innefattar åtminstone en del av ramelementet som skjuter ut förbi ändstycket i flamejekteringsriktningen åtmin- 10 15 20 25 30 stone ett radiellt, öppet genomgående hål. Sådana hål ger luftkylning av flamman för en stabilisering av flödet i pulverinsprutningsområdet. Frånsett de öppningar som de- finieras av hålen på ramelementets innerperiferi och eventuella pulverinsprutningsmunstycken är innerperiferi- ytan hos ramelementets utskjutande del väsentligen plan och uppvisar inte utsprång eller liknande som negativt skulle kunna störa flödesmönstret hos flamman och det in- sprutade pulvret.

Företrädesvis innefattar ramelementet ett flertal radi- ella, öppna genomgående hål, normalt åtminstone 6 stycken, företrädesvis fler än 10 stycken radiella, öppna genomgående hål. Hålen bör vara jämnt fördelade kring ramelementets periferi. Därvid kan enhetliga flödesför- hållanden uppnås runt hela den centrala flamman eller stràlen.

Enligt ett utföringsexempel har ändstycket en innervidd eller en innerdiameter d och skjuter ramelementet ut en sträcka p. Förhållandet mellan d och p är: 0,5d < p < 2d.

Detta har visat sig vara ett föredraget förhållande, åt- minstone för ändstycken med en innerdiameter på 6 eller 8 mm, och det föredras sannolikt även för de flesta andra diametrar som används i praktiken.

När ändstycket har en innervidd eller en innerdiameter d och ramelementets utskjutande del har en motsvarande in- nervidd eller diameter D, är D lika med eller större än d, och är företrädesvis D < l,2d. Detta förhållande har visat sig vara lämpligt för åtminstone ändstycket som har en innerdiameter d på 6 eller 8 mm. 10 15 20 25 30 Enligt ett ytterligare föredraget utföringsexempel på uppfinningen är två eller flera pulverinsprutningsportar för insprutning av ett pulver mot flamman fördelade runt ramelementets innerperiferi. Därigenom uppnås en förbätt- rad och ännu jämnare pulverfördelning i plasmastrålen.

Eftersom det insprutade pulvret fördelas via ett flertal munstycken, kan en större mängd pulver per tidsenhet sprutas in i plasmat utan samma problem med instabilitet som skulle uppträda om enbart ett munstycke eller en port användes.

Företrädesvis är pulverinsprutningsportarna jämnt förde- lade kring ramelementets periferi. Därigenom gynnas en jämn fördelning av pulvret i plasmat. Företrädesvis inne- fattar anordningen eller är anordningen ansluten till nå- got medel för fördelning av pulvret jämnt bland pulver- injektorerna.

Enligt ett utföringsexempel innefattar varje pulverin- sprutningsport ett munstycke som är infört i ett radiellt hål eller öppning igenom ramelementet, och är åtminstone ett eller flera av de öppna genomgående hålen anpassade för inhysning av ett sådant munstycke. Följaktligen är ramelementet utrustat med ett flertal radiella genomgå- ende hål som sträcker sig från ramelementets utsida till dess insida och som tillåter något medium, såsom luft, att passera igenom dem- Åtminstone vissa av hålen är an- passade för att inhysa ett munstycke eller liknande. Till exempel kan vissa hål vara försedda med en gänga för in- grepp med ett munstycke, vilket resulterar i en mer an- vändningsflexibel anordning. 10 15 20 25 30 Ramelementet bör vara lösgörbart fästat mot ändstycket.

Till exempel skulle en del av ramelementet kunna vara an- passat för att dras på på ändstyckets ytterperiferi, var- vid den delen av ramelementet är försedd med fastgör- ningsskruvar som penetrerar igenom dess vägg. Någon typ av klämma eller liknande skulle också kunna användas i syfte att fixera ramelementet i förhållande till änd- stycket.

Enligt uppfinningen är den flamma som genereras av flam- genereringsmedlet en plasmastråle, vilken bildas genom att en gas tillåts flöda i en annulär gång mellan en katod och en anod. Typiskt når temperaturen hos en sådan stråle 15 OO0°C, och det pulver som introduceras i plas- mat kan uppnå en hastighet av upp till 500 m/s under det att det smälter och accelereras av plasmastrålen före det att det träffar substratet.

Ytterligare särdrag och fördelar med den föreliggande uppfinningen kommer att presenteras i den följande, detaljerade beskrivningen av ett föredraget utföringsex- empel på anordningen enligt uppfinningen.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Ett föredraget utföringsexempel på den föreliggande upp- finningen skall nu beskrivas med hänvisning till de bifo- gade ritningarna, på vilka: E Fig. 1 är en förstorad vy av ett ändstycke hos en anord- ning för termisk sprutning som är försedd med ett pulver- insprutningsmedel enligt tidigare teknik, 10 15 20 25 30 f" r. r' (I :W f? \. »_ *...J y ._ _ Fig 2 är en ändvy av den anordning som visas i fig l, Fig 3 visar ett första utföringsexempel pá anordningen enligt fig l, försedd med ett pulverinsprutningsmedel som innefattar två motsatta munstycken, anordnade på ett ram- element som bildas av två diskreta ringdelar, Fig 4 är en ändvy av den anordning som visas i fig 3, Fig 5 visar ett föredraget, andra utföringsexempel på anordningen för termisk sprutning enligt uppfinningen, Fig 6 är en ändvy av den i fig 5 visade anordningen, Fig 7 är ett tvärsnitt av det i fig 5 och 6 visade ram- elementet, och Fig 8 är ett tvärsnitt av en typisk plasmasprutanordning enligt uppfinningen.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Fig 1 och 2 visar ett ändstycke l hos en anordning för termisk sprutning, närmare bestämt en plasmasprutningsan- ordning, enligt tidigare teknik. Anordningen innefattar medel 2 för generering av en flamma, här en plasmastråle, Sådana medel innefattar en katod och en anod, såsom visas i fig 8, anordnade på ett i sig känt sätt och definie-“ rande en annulär gång mellan sig. Den innefattar även ett medel 3 för insprutning av ett pulver i plasmastrålen. 10 15 20 25 30 Ändstycket 1 innefattar ett rör med cirkulärt tvärsnitt och kan också inkludera anoden. Pulverinsprutningsmedlet 3 innefattar en skuldra eller en förhöjning 4 som är fäs- tad mot ändstycket 1. Skuldran eller förhöjningen 4 inne- fattar ett radiellt hål som genomskjuts av ett pulverin- sprutningsmunstycke 5 som definierar en port för pulverinsprutning mot flamman.

Fig 2 visar hur endast en liten del av flamman faktiskt utnyttjas vid insprutning från det enda munstycket 5. På grund av den lilla vinkelsektor som täcks av skuldran eller förhöjningen 4 kommer ett backflöde av återvän- dande, delvis smält pulver att genereras, vilket resul- terar i en icke önskad ansamling på munstycket 5.

Fig 3 och 4 visar ett första utföringsexempel på anord- ningen för termisk sprutning enligt uppfinningen. En flamma, eller en plasmastråle, genereras av samma medel som det som beskrivits i fig 1 och 2. Ett ramelement 6, bildat av två diskreta ringdelar 7, 8, täcker approxima- tivt l80° av en omkrets runt flamman. Med andra ord täcker den 50% av Omkretsen som en motsvarande kontinuer- lig ring skulle ha täckt. Här definierar varje ringdel 7, 8 en sektor som täcker åtminstone 90° av nämnda omkrets.

Ramelementet 6 skjuter ut och förlänger ändstycket 1 i det senares längdriktning, vilken riktning är samma som- flammans riktning. Varje ringdel 7, 8 är försedd med ett eller flera radiella hål, av vilka åtminstone ett är penetrerat av ett pulverinsprutningsmunstycke 5. Varje munstycke 5 kan vara anordnat och riktat såsom beskrivits för de i fig 1 och 2 visade munstyckena enligt tidigare 10 15 20 25 30 10 teknik. Tack vare anordnandet av dubbla munstycken och närvaron av ramelementet 6, undertrycks tendensen till pulverbackflöde och uppnås en stabilare och bättre ut- nyttjad plasmastràle. Följaktligen uppnås ett högre ener- giutbyte i jämförelse med tidigare teknik.

I fig 5-7 visas ett föredraget, andra utföringsexempel på en anordning enligt uppfinningen. Anordningen innefattar Vmedel för genererande av en flamma, företrädesvis såsom beskrivits tidigare med hänvisning till fig l-4. Den skiljer sig från det i fig 3 och 4 visade utföringsexemp- let såtillvida att den innefattar ett ramelement 6 som är bildat av en enda, kontinuerlig ring.

Ringen 6 är lösgörbart fästad mot och skjuter ut en sträcka p förbi ändstyckets 1 ände i plasmastrålerikt- ningen. Ändstycket 1 har en innerdiameter d, varvid O,5d < p < 2d, och företrädesvis 2 p.

Ringen 6 har en cirkulär innerperiferi med en diameter D som är approximativt lika med ändstyckets 1 innerdiameterp d. Närmare bestämt, såsom i detta fall, motsvarar inner- diametern D ändstyckets 1 ytterdiameter d plus tjockleken hos ändstyckets 1 vägg.

Ramelementet 6 innefattar dessutom ett flertal radiella, genomgående hål 9 som är jämnt fördelade runt den utskju- tande delens periferi. Åtminstone vissa av hålen 9 är försedda med en gänga för ingrepp med ett pulverinsprut- ningsmunstycke 5 som kan inhysas i densamma. Alternativt skulle en separat uppsättning av hål, som ligger i linje med eller som inte ligger i linje med hålen 9 kunna vara 10 15 20 25 30 11 anordnade för att fungera som munstyckeinhysningshål eller pulverportar.

Hålen 9 ligger väsentligen i linje med varandra runt ringens 6 innerperiferi. De av hålen som inte inhyser ett pulverinsprutningsmunstycke 5 bidrar till en radiell kom- munikation mellan ringens insida och utsida. Normalt innefattar utsidan en luftatmosfär, och fungerar hålen 9 som luftkylningshàl som ytterligare stabiliserar stràlen och även motverkar pulverbackflöde mot munstycket 5.

Företrädesvis är munstyckena (eller pulverportarna) jämnt fördelade (med samma vinkelavstånd från varandra) runt ramelementets 6 innerperiferi. Antalet munstycken 5 kan variera, men det har visat sig vid datorsimulationer att tre munstycke ofta föredras, vilket resulterar i ett för- delaktigt pulverutbyte (låg förlust av pulver) och sta- bila flödesförhàllanden.

För att enkelt kunna fästas vid och lösgöras från änd- stycket 1 är pulverinsprutningsmedlet 3, här ramelementet 6, anordnat att förskjutas på ändstyckets 1 ände och fix- eras i position med hjälp av fixeringsskruvar 16. Andra förbindelsemedel, såsom klämmor eller liknande, skulle kunna användas som ett alternativ.

En plasmasprutanordning enligt uppfinningen visas schema- tiskt i fig 8. Anordningen innefattar en anod 10 som om-A ger en central katod ll och bildar ett munstycke eller en annulär passage för gaser, varvid denna typ av anordning är väl känd genom teknikens ståndpunkt och inte fordrar någon ytterligare detaljerad förklaring. En ljusbàge el- 10 15 20 25 f... f.. ._ (-.{_,t¿¶ vw-...x/ , ...... 12 ler plasmastråle genereras genom styrning av spännings- differensen mellan anoden 10 och katoden 11 och genom att man låter gaser flöda igenom munstycket. Anordningen innefattar dessutom ett medel 3 enligt uppfinningen för introduktion av en ström av pulverpartiklar 13 in i plas- mastrålen 12. Strålen 12 riktas mot ett substrat 15 och kommer att transportera pulverpartiklarna 13 mot substra- tet 15 under det att den samtidigt åtminstone delvis smälter nämnda partiklar 13.

En särskild fördel med uppfinningen är att ett ramelement 6, såsom beskrivits ovan, skulle kunna användas för att ersätta den enda skuldran och munstycksarrangemanget en- ligt tidigare teknik på vanligen använda plasmasprutpi- stoler som idag finns tillgängliga på marknaden, såsom F4-pistolen, utan nämnvärt arbete, vilket skulle resul- tera i förbättrat pulverutbyte, bättre plasmastråleeffek- tivitet och -stabilitet samt mindre risk för pulverport- sigensättning.

Det skall inses att den ovan gjorda presentationen av uppfinningen har gjorts i exemplifierande syfte och att alternativa utföringsexempel kommer att vara uppenbarai för en fackman inom området. Emellertid är skyddsomfånget definierat i patentkraven, vilka stöds av beskrivningen och de bifogade ritningarna.

Claims (15)

10 15 20 25 30 13 ' I ao: .nu PATENTKRAV

1. Anordning för termisk sprutning, innefattande ett me- del (1) för genererande av en flamma och ett medel (3) för insprutning av ett pulver i flamman, varvid det flam- (1), ut ur vilket flamman riktas mot ett substrat som utsätts för genererande medlet (1) innefattar ett ändstycke sprutning, varvid pulverinsprutningsmedlet (3) innefattar ett ramelement (6) som skjuter ut i flame- (1), tet åtminstone delvis omger en flamzon som sträcker sig jekteringsriktningen från ändstycket och ramelemen- från ändstycket (1), kännetecknad av att åtminstone den del av ramelementet (6) som sträcker sig förbi ändstycket (1) i flamejekteringsriktningen innefattar åtminstone ett radiellt, öppet genomgående hål (9) för radiell kommuni- kation mellan ramelementets (6) insida och utsida. känne- 90°, företrädesvis 180°, av en omkrets runt en flamzon som

2. Anordning för termisk sprutning enligt krav l, tecknad av att ramelementet (6) täcker åtminstone sträcker sig från ändstycket (1).

3. Anordning för termisk sprutning enligt krav l, känne- tecknad av att ramelementet (6) täcker åtminstone 270° av en omkrets kring en flamzon som sträcker sig från änd- stycket (1).

4. Anordning för termisk sprutning enligt något av kraven 1-3, kännetecknad av att ramelementet (6) har en innerpe- riferi vars tvärsnitt motsvarar geometrin hos tvärsnittet hos ändstyckets (1) innerperiferi. 10 15 20 25 30 i. "- f ' 0 000 0 . _ 0 ; . 0 0000 .g 9, _, __ »J f _ :.,' :..: z : g' : ' ...U 00.: 0--0 g g z -_- 2 ' ;°; g; :. _. 2 2 14 '° 00 u oo nu nu'

5. Anordning för termisk sprutning enligt något av kraven 1-4, kännetecknad av att ramelementet (6) definierar ett ringformat element.

6. Anordning för termisk sprutning enligt något av kraven krav 1-5, kânnetecknad av att den innefattar ett flertal radiella, öppna genomgående hål (9).

7. Anordning för termisk sprutning enligt krav 6, kännetecknad av att den innefattar åtminstone 6, företrä- desvis fler än 10 radiella, öppna genomgående hål (9).

8. Anordning för termisk sprutning enligt något av kraven 6 eller 7, kännetecknad av att de öppna genomgående hålen (9) är jämnt fördelade kring ramelementets (6) periferi.

9. Anordning för termisk sprutning enligt något av kraven l-8, kännetecknad av att ändstycket (1) har en innervidd eller innerdiameter d och att ramelementet (6) skjuter ut en sträcka p, och att O,5d < p < 6d, företrädesvis 0,5d < p < 2d.

10. Anordning för termisk sprutning enligt något av kra- ven 1-9, kännetecknad av att ändstycket (1) har en innervidd eller innerdiameter d och att den utskjutande delen av ramelementet (6) har en motsvarande innervidd eller diameter D, och att D är lika med eller större än. d, och att företrädesvis D < l,2d.

11. ll. Anordning för termisk sprutning enligt något av kra- ven 1-10, kännetecknad av att två eller flera pulverin- 10 15 20 25 1 \ onøu u 0 n nu annons Û O 0 0 1. ua n.... on . no' 0 n nou- 0 nu 0 vw; 0 0 nooo oc o 0 0 9 0 a o n n : U u o u : O oo coca I 0 15 sprutningsportar (5) för riktande av ett pulver mot flam- man är fördelade kring ramelementets (6) innerperiferi.

12. Anordning för termisk sprutning enligt krav 11, kännetecknad av att pulverinsprutningsportarna (5) är jämnt fördelade runt ramelementets (6) periferi.

13. Anordning för termisk sprutning enligt krav 11 eller 12, kännetecknad av att varje pulverinsprutningsport (5) innefattar ett munstycke som är insatt i ett radiellt hål eller en öppning igenom ramelementet, och att åtminstone ett eller flera av de öppna genomgående hålen (9) är anpassade för inhysning av ett sådant munstycke (5).

14. Anordning för termisk sprutning enligt något av kra- ven 1-13, kännetecknad av att ramelementet (6) är lös- görbart fästat vid ändstycket (1).

15. Anordning för termisk sprutning enligt något av kra- ven 1-14, kännetecknad av att den flamma som genereras av flamgenereringsmedlet är en plasmastràle. I I 0000 p