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EP0135826B1 - Vorrichtung zum thermischen Spritzen von Auftragsschweisswerkstoffen - Google Patents

Vorrichtung zum thermischen Spritzen von Auftragsschweisswerkstoffen Download PDF

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Publication number
EP0135826B1
EP0135826B1 EP84110175A EP84110175A EP0135826B1 EP 0135826 B1 EP0135826 B1 EP 0135826B1 EP 84110175 A EP84110175 A EP 84110175A EP 84110175 A EP84110175 A EP 84110175A EP 0135826 B1 EP0135826 B1 EP 0135826B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
nozzle
combustion chamber
focussing
gas
ignition
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired
Application number
EP84110175A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0135826A1 (de
Inventor
Manfred Oechsle
Uwe Szieslo
Karl-Peter Streb
Wolfgang Simm
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ECG Immobilier SA
Original Assignee
Castolin SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Castolin SA filed Critical Castolin SA
Priority to AT84110175T priority Critical patent/ATE24420T1/de
Publication of EP0135826A1 publication Critical patent/EP0135826A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0135826B1 publication Critical patent/EP0135826B1/de
Expired legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • H05H1/42—Plasma torches using an arc with provisions for introducing materials into the plasma, e.g. powder or liquid
    • 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
    • B05B7/20—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 by flame or combustion
    • B05B7/201—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 by flame or combustion downstream of the nozzle
    • B05B7/205—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 by flame or combustion downstream of the nozzle the material to be sprayed being originally a particulate material
    • 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
    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
    • H05H1/36—Circuit arrangements

Definitions

  • the invention relates to a device for the thermal spraying of build-up welding materials, consisting of a coolable beam bundling nozzle with a space on the loading side for accommodating devices for controllable supply of the operating components, namely operating gases and build-up welding material, cf. DE-B-1 089614.
  • the mouth of the carrier gas powder outlet channel is arranged directly in the region of the junction into the jet bundling channel of the bundling nozzle, the expanded space around the nozzle only serving to supply oxygen, which is mixed into the carrier gas powder stream through an annular gap.
  • the nozzle is not designed to be adjustable, so that there are no possibilities for adaptation to different powders.
  • the entire device must be ignited from the front, which is also not without danger.
  • the invention is accordingly based on the object. to create a device working with comparable low spray losses.
  • which, working according to the so-called differential pressure principle, on the one hand does not require or does not require much more than previously required for flame spraying in terms of its outlay in terms of apparatus, and on the other hand the use of all combustible gases when the combustion chamber is adapted variably.
  • acetylene and different spray powders are also permitted and with which, in particular, the ignition or start-up process should also be controllable.
  • the extended space is designed as a combustion chamber with a flow-accelerating transition contour for the confluence of the bundling nozzle and in the combustion chamber with respect to the confluence of the jet bundling nozzle and an axially adjustable, differential pressure-charged burner nozzle or a Nozzle holder with a nozzle is arranged and that furthermore an ignition electrode which can be set on the nozzle is arranged in the wall of the combustion chamber and this is provided with a switching element which switches on the electrode after the flushing of the bundling nozzle and before the supply of the fuel gas.
  • the solution given is easiest to implement by combining the jet nozzle with a flame spray gun in such a way that the variability of the combustion chamber volume is retained. However, one remains dependent on the performance data of the spray gun used in each case. If you do not want this and can process wire as a spray additive in addition to powder, the nozzle holder is designed as a correspondingly adapted nozzle assembly while maintaining the basic principle.
  • the solution according to the invention results in the following advantages with regard to the application layers: With high-melting materials (oxides, cermets, high-melting metals, etc.), it has been shown that a significantly better layer quality can be achieved. The tightness in the application layer is significantly increased compared to conventional flame spray applications.
  • the adhesive strength is also significantly improved due to the higher kinetic energy of the spray particles, and there is also no impairment of the sprayed-on layer by powder particles which have baked in the beam-bundling channel and which sooner or later become detached again.
  • bundling the spray jet the otherwise unavoidable spray losses for targeted applications are significantly reduced.
  • the ignition device equipped with an electrode it has also proven essential for the device's long-term operability to be able to withdraw the electrode from the combustion chamber after it has been ignited, in order not to disturb the flow in the combustion chamber on the one hand and on the other to not to hinder the adaptation of the combustion chamber volume to the respective circumstances.
  • combustion chamber wall is also designed to be coolable.
  • the combustion chamber volume is variable due to the adjustability of the nozzle or the nozzle assembly, the residence time of the powder particles in the combustion chamber can thereby be influenced; that is, the powder is preheated in an adapted manner or brought to the desired temperature in a targeted manner before it reaches the jet bundling nozzle at high speed.
  • a flow-accelerating transition contour is present between the combustion chamber and the junction into the beam bundling channel, and advantageously with respect to the device axis with a convex shape, which is of particular importance in the present case as far as otherwise because the powder particles emerge at least already melted out of the combustion chamber, the powder particles can already start in the junction area of the beam focusing channel. If this area does not fully grow when the flow is unfavorable, such approaches lead to the risk of tearing off and if such tearing particles get into the application layer, this does not lead to optimal coating results.
  • both high-melting and low-melting spray additives can be sprayed, and finally there is the possibility of supplying atomizing or additional gases, which make it possible to influence the operation of the device in a targeted manner.
  • the beam bundling nozzle is therefore advantageously designed in several parts, which will be explained in more detail.
  • the device When the device is designed with a nozzle assembly, powder conveyance is carried out by an external powder conveying system during powder spraying, so that uniform powder conveyance is made possible.
  • the wire In the case of processing wire as a spray additive, the wire is also fed via an external feed device of known type for the wire.
  • additional devices for forming such a jacket flow can then also be made in the half on the confluence, preferably in the area before the confluence, which can also be generated, for example, by supplying inert gas.
  • the injected gas which may also be a fuel gas, then forms a cladding layer in the channel, and baking of molten particles is practically no longer possible.
  • the inner channel of the jet bundling nozzle does not have to be cylindrical, but can also be designed to widen conically towards the nozzle mouth.
  • What is essential for the device according to the invention is therefore the formation of a combustion chamber in which the outlet nozzle for the fuel gases and the carrier gas stream is arranged so as to be adjustable in the longitudinal direction.
  • the size of the combustion chamber is therefore variable and only the gases burned out in the combustion chamber reach the beam bundle channel under acceleration. Since the powder particles thus also only get into the combustion chamber, they are melted or melted there in an adapted manner and in this state reach the bundling channel.
  • the arrangement of a retractable ignition electrode in the combustion chamber is essential in order to ensure the ignition of only a relatively small mixture of fuel gas in the combustion chamber when the device is started up.
  • the essential parts of the device are the flame spray gun 6 ′′, which is only indicated by dashed lines, an adapter 3 containing the combustion chamber 2, the beam focusing nozzle 1 and the ignition device with electrode 7.
  • the flame spray gun 6 ′′ requires no further explanation, as is known per se .
  • the adapter 3 must of course be dimensioned with respect to its receiving bore so that the head 6 'of the flame spray gun 6 ", in which the burner nozzle 5 is seated, can be used in the adapter 3, specifically with suitable elements in different positions to fix the To be able to adapt combustion chamber 2 to the respective requirements, the ignition device with the ignition electrode 7 also being adjustable with respect to its longitudinal axis, so that the suitable ignition distance to the nozzle 5 can be set and an ignition arc or ignition spark can occur briefly for ignition .
  • the ignition device is designed as follows:
  • the electrode 7 forms the armature of a magnetic coil 11 which, when excited, brings the electrode 7 into the ignition position (dashed line) to the nozzle 5 against the action of a return spring 12
  • the ignition current is switched on by a limit switch 13 (FIG. 6).
  • the electrode 7 is reset from the combustion chamber 2 by the spring 12. It is essential for the ignition process that the ignition does not take place only when the combustion chamber 2 is filled, but immediately at the beginning of the inflow of an ignitable gas mixture into the combustion chamber.
  • the beam bundling nozzle 1 including the adapter 3 is water-cooled, the cooling channels 14, 15 being connected to a connecting line 16.
  • the coolant inflow connection 17 for both cooling channels 14, 15 is arranged in the attachment area of the jet bundling nozzle 18 to the adapter 3, and a common coolant outflow connection 19 is provided for both channels 14, 15.
  • the beam bundling nozzle 1 can be formed from individual parts 22 which can be connected to one another and which are connected to one another with regard to the passage of coolant by bypass lines 23, provided that not every individual part 22 is provided with separate inlet and outlet connections.
  • one or more gas supply openings 21 are provided at the end on the adapter side, as shown schematically in FIG. 4.
  • openings 21 ' can additionally be provided in the region of the mouth-side half of the jet bundling nozzle 1, for example in the flow shadow of a gradation 24 (on the right in FIG. 4).
  • the part which is movable or adjustable with respect to the combustion chamber 2 (flame spray gun 6 "or nozzle holder 6 according to FIG. 2) is advantageously provided with a marking or with an adjustable stop in order to ensure that the part in question with its for the ignition process Nozzle 5 is brought into the correct ignition distance from electrode 7.
  • the ignition device or the electrode 7 is expediently arranged in the plug-in region 3 'of the adapter 3 containing the combustion chamber 2, so that the access opening in the adapter wall for the electrode 7 is covered even when the volume of the combustion chamber 2 is set to the greatest extent, which is in consideration of the high temperatures in the combustion chamber 2 is advantageous.
  • the embodiment according to FIG. 2 differs from that described in FIG. 1 practically only in that instead of the spray gun a correspondingly adapted nozzle assembly or nozzle holder 6 is provided and one is no longer bound to the performance data of the flame spray gun 6 " 2, the conveying elements for the wire-shaped spray material are not shown for the flame spray gun and the nozzle holder according to FIG. 2, since such elements are generally known.
  • the nozzle holder 6 according to FIG A connection for a powder storage container or for a powder supply line can be equipped with the corresponding parts of this embodiment according to Fig. 2 with corresponding reference numerals which are provided with a dash index.
  • the flame spray gun or the nozzle assembly, the electrode and corresponding connecting lines are not shown.
  • the convex design of the transition contour 4 ′ from the combustion chamber 2 into the beam bundling channel 25 can be seen particularly clearly here, which widens somewhat conically toward the mouth 26.
  • Such an extension can also be provided in the embodiments according to FIGS. 1, 2.
  • the wall of the beam focusing channel 25 is formed as a molded body 27 made of porous, gas-permeable material.
  • the porous molded body 27 is surrounded by a cavity 28 which can be charged with compressed gas and to which the compressed gas is fed through a compressed gas charging connection 29.
  • the molded body 27 is, for example, formed of a sintered Al 2 0 3 or Zr0 3 or mixed forms thereof. Since the molded body 27 is gas-permeable over its entire surface, a constantly renewing gas cushion is formed in the sense of the aforementioned jacket flow, it being entirely possible to additionally arrange openings 21 in the immediate vicinity of the overflow contour 4 '.
  • the compressed gas supplied through the connection 29 can also be a fuel gas which provides for an additional acceleration of the entire flow in the beam focusing channel 25.
  • Corresponding relays K s , K 2 , K 3 , K 4 and corresponding circuit elements delayed on and off delay ensure the necessary functional sequence on the device according to FIG. 7, t 3 representing the actual operating phase.
  • the curves shown are of course only of qualitative importance.
  • E.g. illustrates the ignition curve that the ignition current only flows in the time interval t 2 , in which the fuel gas only begins to flow in.
  • the electrode curve shows that the electrode is withdrawn immediately after the interval t 2 .
  • the fuel gas supply drops immediately, but the oxygen supply can continue to run a little for purging purposes.

Landscapes

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum thermischen Spritzen von Auftragsschweißwerkstoffen, bestehend aus einer kühlbaren Strahlbündelungsdüse mit einem beschickungsseitig erweiterten Raum zur Aufnahme von Einrichtungen zur regelbaren Zuführung der Betriebskomponenten, nämlich Betriebsgasen und Auftragsschweißwerkstoff, vgl. DE-B-1 089614.
  • Vorrichtungen der genannten Art sind für das thermische Spritzen zum Auftragen von Pulvern nach der DE-B-1 089 614 bekannt. Der weitere Stand der Technik wird durch die EP-A-0 049 915 und durch die Zeitschrift « Metall Heft 3/83. Seite 238. Fig. 1 repräsentiert. Bei der letztgenannten Vorrichtung wird Stickstoff als Fördergas benutzt, wobei die Flamme (Brenngas ist Gemisch aus Methylacetylenpropadien und Sauerstoff) in der wassergekühlten Strahlbündelungsdüse gebildet wird. Das Verfahren nach der EP-A-0 049 915 setzt ein aufwendiges Dosiersystem mit elektronischer Steuerung und Regelung voraus, d. h. die zugehörige genannte Anlage ist sehr teuer und deren Anschaffung und Einsatz lohnt sich nur für bestimmte Einsatzfälle, obgleich mit einer solchen Anlage (die Betriebsmittelkomponenten werden nach dem Gleichdruckprinzip zusammengeführt) Spritzqualitäten erreichbar sind, die einen Vergleich mit dem beim Plasma- und Flammschockspritzen erreichbaren Spritzqualitäten ohne weiteres aushalten, d. h. sehr hochwertig sind. Da diese Anlagen nicht unter Verwendung reinen Acetylens betrieben werden können und, wie erwähnt, sehr teuer sind, verbietet sich deren Verwendung für gewissermaßen normale Spritzauftragsfälle, d. h. für solche Fälle konnte man mit einfacheren Mitteln, die mit einem solchen Verfahren und einer solchen Strahlbündelungsdüse (Pinchdüse) verbundenen Vorteile, nämlich Vermeidung bzw. Reduktion von Spritzverlusten, bessere Partikelaufschmelzung und höhere Partikelbeschleunigung, bisher nicht ausnutzen.
  • Bei der Vorrichtung nach der eingangs genannten DE-B-1 089 614 ist keine Brennkammer vorhanden. sondern die Mündung des Trägergas-Pulveraustrittskanals ist unmittelbar im Bereich der Einmündung in den Strahlbündelungskanal der Bündelungsdüse angeordnet, wobei der erweiterte Raum um die Düse lediglich der Sauerstoffzufuhr dient, der durch einen Ringspalt dem Trägergas-Pulverstrom zugemischt wird. Abgesehen von der Rückzündgefahr in dem Trägergas-Pulverzufuhrkanal ist die Düse nicht verstellbar ausgebildet, so daß hierbei keine Anpassungsmöglichkeiten an differente Pulver sich ergeben. Außerdem muß die ganze Vorrichtung von vorn her gezündet werden, was ebenfalls nicht ungefährlich ist.
  • Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde. eine mit vergleichbar geringen Spritzverlusten arbeitende Vorrichtung zu schaffen. die, nach dem sogenannten Differenzdruckprinzip arbeitend, einerseits hinsichtlich ihres apparativen Aufwandes nicht bzw. nicht wesentlich mehr verlangt als bisher für das Flammspritzen erforderlich, die andererseits bei angepaßter Veränderbarkeit der Brennkammer die Verwendung aller brennbaren Gase. insbesondere aber auch Acetylen und differenter Spritzpulver erlaubt und mit der insbesondere auch der Zünd- bzw. Anfahrvorgang sicher beherrschbar sein soll.
  • Diese Aufgabe ist mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art nach der Erfindung dadurch gelöst, daß der erweiterte Raum als Brennkammer mit strömungsbeschleunigender Übergangskontur zur Einmündung der Bündelungsdüse ausgebildet und in der Brennkammer in bezug auf die Einmündung der Strahlbündelungsdüse eine axial verstellbare, differenzdruckbeschickte Brennerdüse bzw. ein Düsenhalter mit Düse angeordnet ist und daß ferner in der Wand der Brennkammer eine auf die Düse einstellbare Zündelektrode angeordnet und diese mit einem die Elektrode nach der Spülung der Bündelungsdüse und vor der Zufuhr des Brenngases einschaltendem Schaltelement versehen ist. Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Lösung ergeben sich nach den Unteransprüchen 2 bis 14.
  • Die gegebene Lösung ist am einfachsten zu verwirklichen, indem man die Strahlbündelungsdüse mit einer Flammspritzpistole kombiniert und zwar derart, daß die Veränderbarkeit des Brennkammervolumens erhalten bleibt. Dabei bleibt man allerdings von den Leistungsdaten der jeweils verwendeten Spritzpistole abhängig. Will man dies nicht und außer Pulver auch Draht als Spritzzusatzwerkstoff verarbeiten können, so wird der Düsenhalter als entsprechend angepaßter Düsenstock unter Beibehaltung des Grundprinzips ausgebildet.
  • Durch die erfindungsgemäße Lösung ergeben sich hinsichtlich der Auftragsschichten folgende Vorteile : Bei hochschmelzenden Werkstoffen (Oxide, Cermets, hochschmelzende Metalle usw.) kann, wie sich gezeigt hat, eine wesentlich bessere Schichtqualität erzielt werden. Die Dichtigkeit in der Auftragsschicht wird gegenüber herkömmlichen Flammspritzäufträgen wesentlich erhöht.
  • Die Haftfestigkeit ist aufgrund der höheren kinetischen Energie der Spritzpartikel ebenfalls wesentlich verbessert, und es treten auch keine Beeinträchtigungen der aufgespritzten Schicht durch im Strahlbündelungskanal angebackene und sich früher oder später wieder ablösende Pulverpartikel auf. Durch die Bündelung des Spritzstrahles sind die sonst unvermeidbaren Spritzverluste für gezielte Auftragungen wesentlich vermindert.
  • Es können bisher auch mit einer Flammspritzpistole allein nicht zu verspritzende Zusatzwerkstoffe eingesetzt werden. Ferner ist auch die Forderung nach der Verwendbarkeit aller in diesem Arbeitsbereich üblichen Brenngase insbesondere von Acetylen durch entsprechend optimal mögliche Einstellung des Brennkammervolumens erfüllt und schließlich verlangt der Betrieb einer solchen Vorrichtung keine aufwendige elektronische Steuerung, sondern nur eine einfache elektrische Schaltung und Regelung für die Gewährleistung der folgerichtigen 'Schritte zum Zünden. Für die betriebssichere Zündung bei Inbetriebnahme und somit für die Brauchbarkeit der Vorrichtung überhaupt ist es nämlich wesentlich, daß diese in folgenden Schritten vollzogen wird, um das brennbare Gas-Sauerstoff-Gemisch für die Anfahrphase auf ein Minimum zu reduzieren : Spülen mit reinem Sauerstoff. Wirksammachen der Zündeinrichtung und erst dann Zuführung des Brenngases. Würde diese Reihenfolge nicht eingehalten, so führt dies bei Zündung unmittelbar vor der Düse der Flammspritzpistole zu einer Explosion ggf. mit Auslöschen der Flamme oder bei Zündung an der Ausmündung der Strahlbündelungsdüse, wie das bei der Vorrichtung nach der DAS der Fall ist. zu einer Rückzündung in die Düse hinein und zu einem Verlöschen der Flamme. Diese für die Anfahrphase also wesentliche Reihenfolge ließe sich zwar an der Flammspritzpistole für die Gaszufuhr von Hand manipulieren, und zwar einschließlich der Einschaltung der Zündeinrichtung an der erfindungsgemäßen Vorrichtung, dies wäre aber zu umständlich und zu unsicher.
  • Bezüglich der mit einer Elektrode ausgestatteten Zündeinrichtung hat sich auch für eine dauernde Betriebsfähigkeit der Vorrichtung als wesentlich erwiesen, die Elektrode nach erfolgter Zündung aus der Brennkammer zurückziehen zu können, dies auch, um einerseits die Strömung in der Brennkammer nicht zu stören und zum anderen, um die Anpassung des BrennKammervolumens an die jeweiligen Gegebenheiten nicht zu behindern. In der Praxis bedeutet dies, daß die Düse und die Elektrode auf Zündstellung zusammengefahren werden und daß danach, je nach den Erfordernissen, das optimale Brennkammervolumen unbehindert von der Elektrode eingestellt werden kann.
  • In der Brennraumkammer, die bezüglich ihrer Größe auch bei der Flammspritzpistolen/Strahlbündelungsdüsen-Kombination variierbar sein muß, findet eine weitgehend kontrollierte Verbrennung der gemischten Gase statt, die ggf. zu Temperaturen führen kann, bei denen sogar Metallverdampfungen auftreten. Aus diesem Grunde ist auch die Brennkammerwand kühlbar ausgebildet.
  • Da bei der erfindungsgemäße Vorrichtung das Brennkammervolumen durch die Einstellbarkeit der Düse bzw. des Düsenstockes variabel ist, kann dadurch auf die Verweilzeit der Pulverpartikel in der Brennkammer Einfluß genommen werden, d. h., das Pulver wird angepaßt vorgewärmt bzw. gezielt auf gewünschte Temperatur gebracht und zwar noch ehe es hochbeschleunigt in die Strahlbündelungsdüse gelangt. In diesem Zusammenhang ist es wesentlich, daß zwischen Brennkammer und Einmündung in den Strahlbündelungskanal eine strömungsbeschleunigende Übergangskontur vorhanden ist, und zwar vorteilhaft in bezug auf die Vorrichtungsachse mit konvexer Formgebung, was im vorliegenden Fall insofern von besonderer Bedeutung ist, als sich sonst, da die Pulverpartikel schon mindestens angeschmolzen aus der Brennkammer austreten, die Pulverpartikel schon im Einmündungsbereich des Strahlbündelungskanales ansetzen können. Falls dieser Bereich bei strömungsungünstiger Ausbildung nicht ganz zuwächst, führen solche Ansätze zur Gefahr des Abreißens und wenn solche Abrißpartikel in die Auftragsschicht gelangen, führt dies nicht zu optimalen Beschichtungsergebnissen.
  • Durch Veränderung der Brennkammergröße, ggf. aber auch Veränderung der Länge der Strahlbündelungsdüse, können sowohl hochschmelzende als auch niedrigschmelzende Spritzzusatzwerkstoffe verspritzt werden, und schließlich ist die Möglichkeit der Zuführung von Zerstäuber- bzw. Zusatzgasen gegeben, die die Wirkungsweise der Vorrichtung gezielt beeinflußbar machen.
  • Bezüglich der Längenanpassung zum zu verarbeitenden Spritzwerkstoff ist deshalb die Strahlbündelungsdüse vorteilhaft mehrteilig ausgebildet, was noch näher erläutert wird.
  • Bei der Ausbildung der Vorrichtung mit einem Düsenstock wird beim Pulverspritzen die Pulverförderung von einem externen Pulverfördersystem übernommen, so daß eine gleichmäßige Pulverförderung ermöglicht wird. Im Falle der Verarbeitung von Draht als Spritzzusatzwerkstoff erfolgt die Drahtzuführung ebenfalls über ein externes Vorschubgerät bekannter Art für den Draht.
  • Insbesondere für eine längere Benutzungsdauer der Vorrichtung, auch dies gilt für beide Varianten, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, im Innenkanal der Strahlbündelungsdüse für die Ausbildung einer Mantelströmung zu sorgen, was apparativ einfach zu verwirklichen ist. Durch eine solche Mantelströmung kann nämlich ein Anbacken der aufgeschmolzenen Partikel an den Wänden des Innenkanales verhindert werden, was für eine längere Betriebsdauer wesentlich ist.
  • Je nach der Länge der Strahlbündelungsdüse können dann auch in der einmündungsseitigen Hälfte, vorzugsweise im Bereich vor der Einmündung, zusätzliche Einrichtungen zur Ausbildung einer solchen Mantelströmung getroffen werden, die bspw. auch durch Zufuhr von Inertgas erzeugt werden kann. Außerdem ist es aber auch möglich, mindestens einen Teil der Wand des Strahlbündelungskanals aus porösem Material zu bilden (bspw. Keramik) und diesen Formkörper mit einem mit Druckgas beschickbaren Hohlraum zu umgeben. Das eingepreßte Gas, das ggf. auch ein Brenngas sei kann, bildet dann eine Mantelschicht im Kanal, und ein Anbacken geschmolzener Partikel ist praktisch nicht mehr möglich.
  • Im übrigen muß einerseits der Innenkanal der Strahlbündelungsdüse nicht zylindrisch, sondern kann auch sich zur Düsenmündung hin konisch erweiternd ausgebildet sein.
  • Abgesehen von den praktischen Ausführungsformen, die im einzelnen noch erläutert werden, und den vorteilhaften Weiterbildungen, ist mit der erfindungsgemäßen Lösung eine in ihrer Konstruktion denkbar einfache Vorrichtung geschaffen, deren einer Teil sogar eine herkömmliche Flammspritzpistole sein kann, die durch einfache Anpaßbarkeit des Brennkammervolumens allen auf diesem Gebiet üblichen Brenngasen bzw. Brenngasgemischen zugänglich ist und die einen sicheren Zündvorgang gewährleistet.
  • Wesentlich für die erfindungsgemäße Vorrichtung ist also die Ausbildung einer Brennkammer, in der in Längsrichtung verstellbar die Austrittsdüse für die Brenngase und den Trägergasstrom angeordnet ist. Die Größe der Brennkammer ist also variabel und erst die in der Brennkammer ausgebrannten Gase gelangen unter Beschleunigung in den Strahlbündelungskanal. Da die Pulverpartikel somit ebenfalls erst in die Brennkammer gelangen, werden diese dort angepaßt an- bzw. aufgeschmolzen und gelangen in diesem Zustand in den Bündelungskanal. Ferner ist wesentlich die Anordnung einer zurückziehbaren Zündelektrode in der Brennkammer, um die Zündung nur eines relativ kleinen Brenngasgemisches in der Brennkammer bei Inbetriebnahme der Vorrichtung zu gewährleisten.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
  • Es zeigt schematisch
    • Figur 1 im Schnitt die Vorrichtung einer Flammspritzpistolen/Strahlbündelungsdüsenkombination ;
    • Figur 2 im Schnitt die Vorrichtung in Form einer' Düsenstock/Strahibündelungsdüsenkombination ;
    • Figur 3 eine besondere Ausführungsform der Strahlbündelungsdüse ;
    • Figur 4 eine weitere besondere Ausführungsform der Strahlenbündelungsdüse zur Ausbildung einer Mantelströmung ;
    • Figur 5 eine bevorzugte Ausführungsform der Elektrodenausbildung :
    • Figur 6 ein Schaltschema für die Vorrichtung :
    • Figur 7 ein Funktionsdiagramm und
    • Figur 8 einen Schnitt durch einen Teil der Vorrichtung in einer weiteren Ausführungsform.
  • Gemäß Fig. 1 sind die wesentlichen Teile der Vorrichtung die nur gestrichelt angedeutete Flammspritzpistole 6", ein die Brennkammer 2 enthaltender Adapter 3, die Strahlbündelungsdüse 1 und die Zündeinrichtung mit Elektrode 7. Die Flammspritzpistole 6" bedarf, da an sich bekannt, keiner näheren Erläuterung. Der Adapter 3 muß natürlich bezüglich seiner Aufnahmebohrung so bemessen sein, daß der Kopf 6' der Flammspritzpistole 6", in dem auch die Brennerdüse 5 sitzt, in den Adapter 3 eingesetzt werden kann, und zwar mit geeigneten Elementen in unterschiedlichen Stellungen fixierbar, um die Brennkammer 2 an die jeweiligen ― Erfordernisse anpassen zu können. Die Zündeinrichtung mit der Zündelektrode 7 ist dabei in bezug auf ihre Längsachse ebenfalls verstellbar angeordnet, so daß die geeignete Zünddistanz zur Düse 5 einstellbar ist und kurzzeitig für das Zünden ein Zündlichtbogen bzw. Zündfunke entstehen kann.
  • Im vorliegenden Zusammenhang ist dabei die Zündeinrichtung gemäß Fig. 5 wie folgt ausgebildet : Die Elektrode 7 bildet den Anker einer Magnetspule 11, die bei Erregung die Elektrode 7 gegen die Wirkung einer Rückstellfeder 12 in Zündstellung (gestrichelt) zur Düse 5 bringt..In dieser Stellung ist von einem Endschalter 13 (Fig. 6) der Zündstrom eingeschaltet. Nach erfolgter Zündung, gekoppelt mit Stromabschaltung der Spule 11, wird die Elektrode 7 aus der Brennkammer 2 durch die Feder 12 zurückgestellt. Für den Zündvorgang ist wesentlich, daß die Zündung nicht etwa erst dann erfolgt, wenn die Brennkammer 2 gefüllt ist, sondern sofort zu Beginn des Einströmens eines zündfähigen Gasgemisches in die Brennkammer.
  • Die Strahlbündelungsdüse 1 einschließlich des Adapters 3 ist, wie aus Fig. 1 erkennbar, wassergekühlt ausgebildet, wobei die Kühlkanäle 14, 15 mit einer Verbindungsleitung 16 verbunden sind. Der Kühlmittelzuströmanschluß 17 für beide Kühlkanäle 14, 15 ist im Ansatzbereich der Strahlbündelungsdüse 18 zum Adapter 3 angeordnet, und für beide Kanäle 14, 15 ist ein gemeinsamer Kühlmittelabströmanschluß 19 vorgesehen.
  • Zwecks Längenanpaßbarkeit kann gemäß Fig. 3 (dies gilt sowohl für die Ausführungsform nach Fig. 1 als auch für die gemäß Fig. 2) die Strahlbündelungsdüse 1 aus aneinander anschließbaren Einzelteilen 22 gebildet sein, die hinsichtlich der Kühlmitteldurchleitung durch Überbrükkungsleitungen 23 miteinander verbunden sind, sofern nicht jedes Einzelteil 22 mit separaten Zu- und Abströmansch.lüssen versehen ist.
  • Zur Ausbildung der vorerwähnten Mantelströmüng innerhalb der Strahlbündelungsdüse 1 sind am adapterseitigen Ende eine oder mehrere Gaszufuhröffnungen 21, wie in Fig. 4 schematisch dargestellt, vorgesehen. Ferner können solche Öffnungen 21' zusätzlich im Bereich der mündungsseitigen Hälfte der Strahlbündelungsdüse 1, bspw. im Strömungsschatten einer Abstufung 24 (rechts in Fig. 4) vorgesehen werden. Diese Ausführungsformen können auch bei der Vorrichtung nach Fig. 2 zur Anwendung kommen.
  • Für die einwandfreie betriebssichere Inbetriebnahme und damit für die Funktionsfähigkeit des ganzen Gerätes überhaupt. ebenfalls für beide Ausführungsbeispiele (Fig. 1, 2) gültig, ist es wesentlich, daß der Brenngaszufuhrregler 8 und der Sauerstoff- bzw. Preßluftzufuhrregler 9 der Flammspritzpistole 5" einerseits und das Einschaltelement 10 für die Zündeinrichtung derart ausgebildet miteinander gekoppelt und angeordnet sind, daß Spülung der Strahlbündelungsdüse mit Sauerstoff oder Preßluft. Einschaltung der Zündeinrichtung und Einströmen des Brenngases zwangsläufig nacheinander bewirkbar sind. Dafür sind geeignete Regel- und Steuerelemente ohne weiteres verfügbar.
  • Das in bezug auf die Brennkammer 2 bewegliche bzw. einstellbare Teil (Flammspritzpistole 6" bzw. Düsenhalter 6 gemäß Fig. 2) ist vorteilhaft mit einer Markierung oder mit einem einstellbaren Anschlag versehen, um zu gewährleisten, daß für den Zündvorgang das betreffende Teil mit seiner Düse 5 in die richtige Zünddistanz zur Elektrode 7 gebracht wird.
  • Die Zündeinrichtung bzw. die Elektrode 7 wird zweckmäßig im aufsteckseitigen Bereich 3' des die Brennkammer 2 enthaltenden Adapters 3 angeordnet, so daß auch bei größt eingestelltem Volumen der Brennkammer 2 die Durchgriffsöffnung in der Adapterwand für die Elektrode 7 abgedeckt wird, was in Rücksicht auf die hohen Temperaturen in der Brennkammer 2 vorteilhaft ist.
  • Die Ausführungsform nach Fig. 2 unterscheidet sich von der nach Fig. 1 beschriebenen praktisch nur dadurch, daß hierbei anstelle der Spritzpistole ein entsprechend angepaßter Düsenstock bzw. Düsenhalter 6 vorgesehen und man damit nicht mehr an die Leistungsdaten der Flammspritzpistole 6" gebunden ist. Außerdem kann hiermit sowohl pulverförmig oder drahtförmig zugeführter Spritzwerkstoff verarbeitet werden. Nicht dargestellt sind bei der Flammspritzpistole der Pulvervorratsbehälter und beim Düsenhalter gemäß Fig. 2 die Förderelemente für den drahtförmigen Spritzwerkstoff, da solche Elemente allgemein bekannt sind. Der Düsenhalter 6 gemäß Fig. 2 kann selbstverständlich auch mit einem Anschluß für einen Pulvervorratsbehälter oder für eine Pulverzufuhrleitung ausgestattet sein. Entsprechende Teile dieser Ausführungsform nach Fig. 2 sind deshalb mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet, die mit Strichindex versehen sind.
  • In Fig. 8 sind die Flammspritzpistole bzw. der Düsenstock, die Elektrode und entsprechende Anschlußleitungen nicht dargestellt. Besonders deutlich hierbei ist die konvexe Gestaltung der Übergangskontur 4' von der Brennkammer 2 in den Strahlbündelungskanal 25 erkennbar, der sich konisch zur Ausmündung 26 hin etwas erweitert. Eine solche Erweiterung kann auch bei den Ausführungsformen nach Fig. 1, 2 vorgesehen werden. Außerdem ist bei der Ausführungsform nach Fig. 8 die Wand des Strahlbündelungskanales 25 als Formkörper 27 aus porösem, gasdurchlässigen Material ausgebildet. Der poröse Formkörper 27 ist dabei mit einem mit Druckgas beschickbaren Hohlraum 28 umgeben, dem das Druckgas durch einen Druckgasbeschickungsanschluß 29 zugeführt wird. Vorteilhaft ist dabei, wie dargestellt, der Hohlraum 28 vom Beschickungsanschluß 29 aus mit einem kleinerwerdenden Hohlraumvolumen versehen, um eine möglichst gleichmäßige Druckgasaustrittsverteilung durch das poröse Material des Formkörpers 27 hindurch über dessen ganze Länge zu gewährleisten. Der Formkörper 27 ist bspw. aus gesintertem AI203 oder Zr03 bzw. Mischformen davon gebildet. Da der Formkörper 27 auf seiner gesamten Fläche gasdurchlässig ist, bildet sich gewissermaßen ein sich ständig erneuerndes Gaspolster im Sinne der vorerwähnten Mantelströmung, wobei es durchaus möglich ist, im unmittelbaren Anschluß an die Überströmkontur 4' zusätzlich Öffnungen 21 anzuordnen. Beim durch den Anschluß 29 zugeführten Druckgas kann es sich durchaus auch um ein Brenngas handeln, das für eine zusätzliche Beschleunigung der gesamten Strömung im Strahlbündelungskanal 25 sorgt.
  • Im Schaltschema gemäß Fig. 6 haben nur die großen Bezugszeichen 5, 7, 8. 9. 10, 11, 13 und X. Y direkten Bezug auf entsprechende Bezugszeichen in den Fig. 1-5. An die Vorrichtung selbst gehören von dieser Schaltung nur die Elemente 5, 7, 8, 9, 11, d. h. die, die sich unter der Strichpunktierten Linie im rechten Teil des Schaltbildes befinden.
  • Durch entsprechende anzug- bzw. abfallverzögerte Relais Ks, K2, K3, K4 und zugehörige Schaltungselemente wird an der Vorrichtung der notwendige Funktionsablauf gemäß Fig. 7 gewährleistet, wobei t3 die eigentliche Betriebsphase darstellt. Die dargestellten Kurven haben selbstverständlich nur qualitative Bedeutung. Bspw. verdeutlicht die Zündkurve, daß der Zündstrom nur im Zeitintervall t2 fließt, in dem erst das Brenngas zuzuströmen beginnt. Die Elektrodenkurve verdeutlicht, daß unmittelbar nach dem Intervall t2 die Elektrode zurückgezogen wird. Im Intervall t4, d. h. nach Abschaltung bei S3 der Steuerung fällt die Brenngaszufuhr sofort ab, wobei jedoch zwecks Spülung die Sauerstoffzufuhr noch ein wenig weiterlaufen kann.

Claims (14)

1. Vorrichtung zum thermischen Spritzen von Auftragsschweißwerkstoffen. bestehend aus einer kühlbaren Strahlbündelungsdüse (1) mit einem beschicku'ngsseitig erweiterten Raum (2) zur Aufnahme von Einrichtungen zur regelbaren Zuführung der Betriebskomponenten, nämlich Betriebsgasen und Auftragsschweißwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß der erweiterte Raum als Brennkammer (2) mit strömungsbeschleunigender Übergangskontur (4') zur Einmündung der Bündelungsdüse ausgebildet und in der Brennkammer (2) in bezug auf die Einmündung (4) der Strahlbündelungsdüse (1) eine axial verstellbare, differenzdruckbeschickte Brennerdüse (5) bzw. ein Düsenhalter (6) mit Düse angeordnet ist und daß ferner in der Wand der Brennkammer (2) eine auf die Düse (5) einstellbare Zündelektrode (7) angeordnet und diese mit einem die Elektrode (7) nach der Spülung der Bündelungsdüse (1) und vor der Zufuhr des Brenngases einschaltendem Schaltelement (10) versehen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die strömungsbeschleunigende Übergangskontur (4') von der Brennkammer (2) zur Einmündung (4) derStrahIbündelungsdüse (1) in bezug auf die Vorrichtungslängsachse konvex ausgebildet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenhalter (6) in Form einer an sich bekannten Flammspritzpistole (6") verstellbar in der Bohrung eines Adapters (3) der Strahlbündelungsdüse (1) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verstellb are Zündelektrode (7) als Anker einer Magnetspule (11) ausgebildet, mit einer Rückstellfeder (12) und mit Zündstromschaltkontakt (13) versehen ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündelektrode (7) im aufsteckseitigen Bereich (3') des Adapters (3) der Strahlbündelungsdüse (1) angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand der Brennkammer (2) mit einem Kühlkanal (14) versehen und dieser mit dem Kühlkanal (15) der Strahlbündelungsdüse (1) verbunden ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelzuströmanschluß (17) für beide Kühlkanäle (14, 15) im Ansatzbereich (18) der Strahlbündeldüse (1) zur Brenrikammer (2) angeordnet und für beide Kanäle (14. 15) ein gemeinsamer Kühlmittelabströmanschluß (19) vorgesehen ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Strahlbündelungsdüse (1), sich über deren gesamte Innenlänge erstreckend, ein Düsenrohr (20) auswechselbar angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am adapterseitigen Ende der Strahlbündelungsd.üse (1) eine oder mehrere Gaszufuhröffnungen (21) zur Ausbildung einer Mantelströmung längs der Innenwand der Düse (1) angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der mündungsseitigen Hälfte der Strahlbündelungsdüse (1) eine oder mehrere Gaszufuhröffnungen (21') zur Ausbildung einer Mantelströmung längs der Innenwand der Düse (1) angeordnet sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlbündelungsdüse (1) aus mehreren untereinander verbindbaren Einzelteilen (22) gebildet ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand der Strahlbündelungsdüse (1) aus einem rohrförmigen, in den Düsenkörper eingesetzten Formkörper (27) aus porösem, gasdu.rchlässigem Material gebildet und dieser mit einem mit Druckgas beschickbaren Hohlraum (28) umgeben ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (28) vom Druckgasbeschickungsanschluß (29) aus mit einem kleinerwerdenden Hohlraumvolumen versehen ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet. daß das Schaltelement (10) für die Elektrode (7) und die Brenngaszufuhr (8) und Sauerstoff- bzw. Preßluftzufuhrregler (9) der Vorrichtung derart miteinander gekoppelt und angeordnet sind, daß die Spülung der Strahlbündelungsdüse (1), die Einschaltung des Zündstromes und das Einströmen des Brenngases nacheinander erfolgen.
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