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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine thermische
Spritzvorrichtung und ein Verfahren zum thermischen Aufspritzen
von Werkstoffen und insbesondere auf ein thermisches Plasma-Transferlichtbogen-Metalldrahtspritzgerät, das einen
mit hoher Geschwindigkeit fließenden
eingeschnürten
Plasmalichtbogen zur Erzeugung extrem dichter Werkstoffe verwendet,
wie Beschichtungen oder freistehende fast endgültige Formen, sowie eine Vorrichtung
zum Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtspritzbeschichten und ein entsprechendes
Verfahren, das durch thermisches Spritzen hochdichte Werkstoffe
formt, die auch höhere
metallurgische und physikalische Eigenschaften aufweisen.
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Eine
thermische Spritzvorrichtung gemäß dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1 ist aus der EP-A-282310 bekannt.
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Beim
thermischen Plasma-Lichtbogen-Spritzprozeß wird ein Zusatzwerkstoff,
gewöhnlich
in Form eines Metalldrahtes oder -Stabes, mittels eines eingeschnürten Plasmalichtbogens
aufgeschmolzen, so daß die
Spitze des Drahtes oder Stabes abschmilzt, wobei dann schmelzflüssiges Material
von einem aus einer eingeschnürten Öffnung oder Düse austretenden
Hochgeschwindigkeitsstrahl ionisierten Gases mitgerissen wird. Das
ionisierte Gas ist ein Plasma, woher der Name des Verfahrens kommt. Plasmalichtbogen
haben in der Regel eine Temperatur von 18.000°F–25.000°F (10.000°C–14.000°C). Ein Lichtbogenplasma ist
ein Gas, das in einem elektrischen Lichtbogen bis auf einen wenigstens
teilweise ionisierten Zustand aufgeheizt wurde, so daß es elektrischen
Strom leiten kann. Ein Plasma besteht in jedem elektrischen Lichtbogen,
aber der Begriff des Plasmalichtbogens wird mit Plasmageneratoren
verbunden, die einen eingeschnürten
Strahl verwenden. Eines der Merkmale, die Plasmalichtbogenvorrichtungen
von anderen Arten von Lichtbogengeneratoren unterscheiden, ist,
daß bei
einem gegebenen elektrischen Strom und Gasdurchsatz die Lichtbogenspannung
in der Vorrichtung mit eingeschnürtem Lichtbogen
deutlich höher
liegt. Außerdem
ist eine Vorrichtung mit eingeschnürtem Lichtbogen eine, die bewirkt,
daß der
gesamte Gasstrom mit seiner zusätzlichen
Energie durch die eingeschnürte Öffnung geleitet
wird, woraus sich sehr hohe Gasaustrittsgeschwindigkeiten ergeben,
im allgemeinen im Überschallbereich.
Es gibt zwei Verfahren zum Betreiben von eingeschnürten Plasmabrennern.
Eines der Verfahren ist als "transferloser" Betrieb bekannt.
Kennzeichnend für
den transferlosen Plasmabrenner ist, daß er eine Kathode und eine
Anode in Form einer Düse
hat. Im allgemeinen ist es wegen praktischen Erwägungen wünschenswert, den Plasmalichtbogen innerhalb
der Düse
zu halten, wobei der Lichtbogen an der Innenwand der Düse endet.
Unter bestimmten Betriebsbedingungen ist es jedoch möglich, den Lichtbogen
dazu zu bringen, bis außerhalb
der Düsenbohrung
zu reichen, wo er dann zurückknickt,
so daß für den Lichtbogen
ein Endpunkt erzeugt wird, der auf der Außenseite der einschnürenden Düse der Anode
liegt. Das andere Verfahren zum Betreiben eines Plasmalichtbogens
wird als "transferierter" Betrieb bezeichnet.
Bei dieser Plasma-Betriebsart reicht die Plasmasäule von der Kathode durch eine
verengende Düse
hindurch und tritt dann aus dem Brenner aus, um auf einem Werkstück als Anode
zu enden, das elektrisch im Abstand und isoliert von dem Plasmabrenner
liegt.
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Beim
Plasma-Transferlichtbogen-Metalldrahtspritzvorgang wird der Plasmalichtbogen
dadurch eingeschnürt,
daß er
durch eine Drosselöffnung
stromunterhalb der Kathodenelektrode geführt wird. Wenn Plasmagas durch
den Lichtbogen strömt, wird
es auf eine sehr hohe Temperatur erwärmt, dehnt sich aus und wird
beim Durchlaufen der eingeschnürten
Drosselöffnung
beschleunigt, so daß es beim
Austritt aus der Düse
in Richtung auf die Zusatzmetalldrahtspitze häufig Überschallgeschwindigkeit erreicht.
Meistens sind die verschiedenen Plasmagase, die für Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtspritzen
eingesetzt werden, Luft, Stickstoff oder ein Gemisch aus Argon und
Wasserstoff. Die Stärke
und Geschwindigkeit des Plasmastrahls wird von mehreren Variablen
bestimmt, darunter die Art der Gase, der Gasdruck, das Strömungsmuster,
die elektrische Stromstärke,
die Größe und Form
der Düse
und der Abstand zwischen der Kathode und dem Zusatzmetalldraht.
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Der
in 1 dargestellte herkömmliche Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtspritzprozeß ist eine schematische
Darstellung des in der US-Patentschrift Nr. 5,296,667 dargestellten
Gerätes.
Dieses Verfahren arbeitet mit Gleichstrom aus einer Konstantstromversorgung 17.
Die Kathode 11 ist über
einen Hochfrequenzgenerator 21 am negativen Pol der Stromversorgung 17 angeschlossen,
der zur Auslösung
eines elektrischen Lichtbogens zwischen der Kathode 11 und
der einschnürenden
Düse 10 dient. Der
Auslösekreis
für den
Hochfrequenzlichtbogen wird durch vorübergehendes Schließen eines
Leitlichtbogen-Relaiskontaktes 18 geschlossen, durch den
Gleichstrom vom positiven Pol der Stromversorgung 17 durch
einen Leitwiderstand 19 zur Düse 10 fließen kann, über den
Hochfrequenzlichtbogen, der zwischen der Kathode 11 und
der Düse 10 gebildet wird,
und durch den Hochfrequenzgenerator 21 zum negativen Pol
der Stromversorgung 17. Der Hochfrequenzkreis wird durch
den Bypass-Kondensator 20 geschlossen. Dadurch wird das
Plasmagas aufgeheizt, das durch die Öffnung 13 strömt. Die Öffnung 13 leitet
den erwärmten
Gasstrom von der Kathode 11 über die Spitze des Zusatzmetalldrahtes 14,
der am positiven Pol der Stromversorgung 17 angeschlossen
ist. Der Plasmalichtbogen legt sich dann an der Drahtspitze an bzw.
wird auf diese "transferiert" und wird daher als "Transferlichtbogen" bezeichnet. Der
Zusatzmetalldraht 14 wird mittels der Drahtvorschubrollen 16a und 16b vorgeschoben,
die von einem nicht dargestellten Motor angetrieben werden. Wenn
der Lichtbogen die Drahtspitze abschmilzt, reißt der auf die Drahtspitze
auftreffende Hochgeschwindigkeitsplasmastrahl schmelzflüssiges Metall
mit sich und zerstäubt
gleichzeitig die Metallschmelze in feine Partikel und beschleunigt
die so geformten Schmelzenpartikel, so daß ein Hochgeschwindigkeitsspritzstrahl
gebildet wird, der die feinen Schmelzpartikel mitreißt.
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Zur
Auslösung
des Transferplasmalichtbogens muß erst ein "Pilot-" oder Leitlichtbogen erzeugt werden.
Ein Leitlichtbogen ist ein Lichtbogen zwischen der Kathodenelektrode 11 und
der Düse 10. Dieser
Lichtbogen wird bisweilen als nicht-transferierter Lichtbogen bezeichnet,
weil er nicht bis auf den Zusatzmetalldraht transferiert wird oder überspringt,
im Gegensatz zu dem Transferlichtbogen, der dies tut. Ein Leitlichtbogen
stellt einen elektrisch leitenden Pfad zwischen der Kathode 11 in
der Plasmalichtbogen-Metalldraht-Spritzpistole und der Spitze des
Zusatzmetalldrahtes 14 her, so daß der transferierte Hauptplasmalichtbogen
gezündet
werden kann. Die am weitesten verbreitete Technik zum Anlassen des
Leitlichtbogens ist, einen Hochfrequenz- oder Hochspannungsgleichstrom-Lichtbogen
zwischen der Kathodenelektrode 11 und der einschnürenden Düse 10 zu
schlagen. Ein Leitlichtbogen entsteht dann in dem ionisierten Gas
und erzeugt eine Plasmaflamme. Wenn die Plasmaflamme des Leitlichtbogens
die Drahtspitze berührt,
wird ein elektrisch leitender Pfad von der Kathode zur Anodendrahtspitze
hergestellt. Der eingeschnürte
so transferierte Plasmalichtbogen folgt nun diesem Pfad zur Drahtspitze.
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Im
praktischen Einsatz des thermischen Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtspritzprozesses
für das
Spritzen von elektrisch leitenden Drähten oder Stäben treten
mehrere Probleme auf. Eines der Probleme ist ein Zustand, der mit "Lichtbogenverdoppelung" bezeichnet wird.
Lichtbogenverdoppelung kann als Ergebnis einer von mehreren Ursachen
auftreten, wie z. B. ein Funktionsfehler im Drahtzufuhrsystem, ein
Knick im Draht, oder die unabsichtliche Abschaltung der Drahtzufuhr.
Das Ergebnis einer Lichtbogenverdoppelung kann ein ernsthafter Schaden
an der einschnürenden
Düse und
an anderen Komponenten sein, die zur Führung des Drahtes in den Plasmalichtbogen
verwendet werden. Das Problem der Lichtbogenverdoppelung ist in
einer Weise angegangen worden, wie sie in unseren US-Patentanmeldungen
Nr. 5,296,667 und 5,442,153 beschrieben ist.
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Ein
weiteres Problem besteht im praktischen Einsatz des Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtspritzprozesses
aufgrund der elektrischen Potentialdifferenz, die zwischen dem Draht
und der Düse
besteht. Durch diese Potentialdifferenz wird Metallstaub auf die
Stirnfläche
der Düse
gezogen. Wenn sich dann dieser Metallstaub anhäuft, können verschiedene elektrische
Kurzschlußbedingungen
zwischen der Düse
und dem Anodendraht auftreten. Elektrische Kurzschlüsse führen zu
schweren Schäden
an den Komponenten eines Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtschweißbrenners. Außerdem ist
ein Hauptproblem erkannt worden, wenn irgendeine Art von Verzögerung in
der Drahtzuführung
auftritt. Verzögerungen bei
der Drahtzufuhr können
durch einen beliebigen einer Reihe von Gründen hervorgerufen werden,
die alle entweder mit dem Zustand der Drahtoberfläche zu tun
haben (d. h. Knicke im Draht oder eine unebene Drahtoberfläche) oder
mit Störungen
des Drahtzufuhrmechanismus bzw. Drahtantriebes. Das Ergebnis von
Verzögerungen
in der Drahtzufuhr ist eine Neigung des transferierten Lichtbogens,
am Draht entlang zurückzuschlagen,
so daß es
zu schweren Schäden
an der Drahtführung
und Trägerkomponenten
des Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtspritzkopfes kommt. Wie aus der 1 zu erkennen ist, ist es
erforderlich, sowohl einen elektrischen Kontakt mit dem Draht 14 als
auch eine genaue Ausrichtung des Drahtes auf die Mittelachse des
Plasmastrahls zu gewährleisten,
damit so ein komplettes und gleichmäßiges Abschmelzen der Drahtspitze
gesichert ist, während
der Draht in den Plasmalichtbogen vorgeschoben wird.
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Zusätzlich kann
es beim Betrieb der Geräte und
Verfahren nach dem bisherigen Stand der Technik zur Beschichtung
von Bohrungen zum Aufbau von Beschichtungswerkstoff an der Außenfläche des Brenners
kommen, die der zu beschichtenden Oberfläche gegenüber liegt. Dies tritt insbesondere
beim Beschichten kleiner Bohrungen auf, weil ein kleiner Teil der
Schmelzpartikel, die auf das Substrat geschleudert werden, nicht
am Substrat haften bleibt und zurück auf die Brenneroberfläche prallt.
Da es beim Betrieb der herkömmlichen
Technik erforderlich ist, eine 90°-Geometrie
zwischen der Stirnfläche
der Düse
und der Drahtlängsachse
einzuhalten, um Sekundärlichtbogen
zu vermeiden, prallen die Schmelztröpfchen direkt auf den Plasmabrenner
zurück,
da der Einfallswinkel 90° beträgt, und
daher der Ausfallswinkel ebenfalls in der Regel 90° beträgt. Dieser Aufbau
von Metallpartikeln kann für
den korrekten Betrieb des Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtbrenners nachteilig
sein, da er dann zu elektrischen Kurzschlüssen der verschiedenen Komponenten
des Brenners führen
kann und den richtigen Gasstrom aus den verschiedenen Öffnungen
der Leitdüse
stören
kann.
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Des
weiteren können
Probleme beim Starten des Spritzvorganges auftreten, die zum "Spucken" führen, d.
h. der Bildung von großen
Schmelztropfen, die auf das Substrat geschleudert und in die Beschichtung
mit eingeschlossen werden, während
die Beschichtung aufgebaut wird. Dieses Problem tritt wegen unterschiedlichen
Zeitabständen
zwischen 50 und 100 Millisekunden auf, die zwischen dem Zeitpunkt,
zu dem die Lichtbogen-Stromquelle eingeschaltet wird, und dem Zeitpunkt,
zu dem der transferierte Lichtbogen vollständig hergestellt ist, auftreten können. Bei
einer typischen Drahtzufuhrgeschwindigkeit von 160 Zoll pro Minute
und einer variablen Zeitspanne von ca. 50 Millisekunden kann mehr
als 1/8 Zoll (3 mm) Draht über
den Lichtbogenpunkt hinaus gefördert
werden, bevor der transferierte Lichtbogen beginnt, den Draht abzuschmelzen.
Dieser Vorschub von 1/8 Zoll (3 mm) Draht kann dann den "Spucktropfen" bzw. Metalltropfen
bilden. Da ein veränderlicher
Zeitraum von 50 Millisekunden besteht, kann das Problem nicht einfach
dadurch gelöst
werden, den Startzeitpunkt der Drahtzufuhrvorrichtung zu steuern,
oder eine vorgegebene Beschleunigungsrate für den Drahtvorschub einzustellen.
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Der
vorliegenden Erfindung zufolge wird ein thermisches Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtspritzgerät zum Auftrag
einer Beschichtung auf eine Oberfläche gemäß Patentanspruch 1 gestellt.
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Weiterhin
wird erfindungsgemäß ein Verfahren
gemäß Patentanspruch
7 zum Beschichten einer Oberfläche
mit einem dichten Metallüberzug
unter Verwendung eines thermischen Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtspritzgerätes gestellt.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren und ein Gerät zum thermischen
Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtspritzen,
bei dem ein verlängerter Plasmastrahl-Lichtbogen
erzeugt wird, und der als ein Mittel zum elektrischen Kontaktieren
eines Metalldrahtes und gleichzeitig zum Zerstäuben und Beschleunigen der
Metallschmelzpartikel auf ein Substrat verwendet wird, so daß eine Beschichtung
mit sehr hoher Dichte gebildet und gleichzeitig das Rückschlagen
des Lichtbogens entlang dem Draht verhindert wird, und auch "Spucken" beim Anfahren des Vorganges
verhindert wird.
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Das
Gerät und
das Verfahren gemäß der Erfindung
verhindern Staubanziehung an die Stirnfläche der Düse und eliminieren Sekundärlichtbogen zwischen
der Drahtzuführung
und der Einschnürdüse.
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Des
weiteren verhindert das erfindungsgemäße Verfahren und Gerät zum thermischen
Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtspritzen das Auftreten von Anhäufungen
von Metallpartikeln an der Außenfläche der
Brennereinheit. Das Gerät
und Verfahren schafft hochleistungsfähige, gut bindende Beschichtungen,
die in ihrer Zusammensetzung im wesentlichen gleichmäßig sind
und eine sehr hohe Dichte bei sehr niedrigem Oxydgehalt in der Beschichtung
aufweisen. Das verbesserte Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtspritzgerät und dazugehörige Verfahren
ist einfach aufgebaut und kann mit relativ niedrigem Gasverbrauch
betrieben werden; außerdem
ist es relativ wartungsfrei. Weiterhin kann das verbesserte Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtspritzgerät und das
Verfahren dazu eingesetzt werden, eine thermisch aufgespritzte Beschichtung
auf der Innenseite von Zylinderbohrungen wie z. B. in Kraftfahrzeugmotor-Zylinderbohrungen
eingesetzt werden, indem der Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtspritzbrenner
um die Drahtachse gedreht wird. Das Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtspritzgerät und dazugehörige Verfahren
der vorliegenden Erfindung bildet extrem dichte Stoffe als Beschichtungen
oder auch als freistehende Formen mit fast endgültiger Gestalt, so daß die Probleme
mit der oben beschriebenen bisherigen Technik vermieden werden.
Das Gerät
und Verfahren der vorliegenden Erfindung kann einen erweiterten
Lichtbogen und Überschall-Plasmastrahl
erzeugen. Ein als Anode wirkender Metalldraht wird kontinuierlich
in den Plasmastrahl eingeführt,
wo der erweiterte Plasmalichtbogen auf die Drahtspitze überspringt
und den Draht dort abschmilzt, und der Überschall-Plasmastrahl zerstäubt dann
die schmelzflüssigen
Metallpartikel und reißt
sie mit, so daß sie
dann extrem dichte Beschichtungen bilden. Das Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtspritzgerät und das
Verfahren der vorliegenden Erfindung kann auch dazu eingesetzt werden,
konkave Oberflächen
wie z. B. Bohrungen in Aluminiummotorblöcken innen mit einer dichten,
verschleißfesten
Beschichtung z. B. aus weichem Stahl zu überziehen.
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Das
Gerät zum
thermischen Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtspritzen gemäß der vorliegenden Erfindung
beinhaltet eine Plasmabrennereinheit mit einer Kathode und einer
Düse, die
wenigstens teilweise ein freies Ende der Kathode in einem gewissen Abstand
von dieser umgibt, und mit einer einschnürenden Düsenmündung gegenüber dem freien Ende der Kathode.
Plasmagas wird durch eine im Abstand von der Einschnüröffnung liegende
Mündung
unter Druck in die Düse
eingeleitet. Das Plasmagas umströmt
dann die Kathode und tritt durch die Einschnüröffnung der Düse wieder
aus. In der am meisten bevorzugten Ausführungsform wird das Plasmagas
tangential in eine Ringdüsenkammer
eingeleitet, so daß eine
Wirbelströmung
um die Kathode erzeugt wird. Bei bestimmten Anwendungen kann jedoch auch
eine laminare Strömung
bevorzugt werden, wo eine Drosselplatte in die Gaskammer in der
Düse eingesetzt
werden kann, um eine Laminarströmung
zu erzeugen.
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Der
als Kathode wirkende Zusatzmetalldraht wird kontinuierlich in den
Plasmastrahl eingeführt. Ein
transferierter Plasmalichtbogen baut sich dann am freien Ende bzw.
der Spitze des Zusatzmetalldrahtes auf, bringt dieses freie Ende
des Zusatzmetalldrahtes zum Schmelzen, und der Plasmastrahl zerstäubt und
schleudert die Zusatzmetallschmelze auf die zu beschichtende Oberfläche. In
den bevorzugten Ausführungsformen
des thermischen Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtspritzgerätes und
des Verfahrens der vorliegenden Erfindung werden der Zusatzmetalldraht
und die Düse
auf demselben positiven elektrischen Potential gegenüber der
Kathode gehalten, so daß eine
Lichtbogenverdoppelung und Metallstaubaufbau durch elektrische Potentialdifferenzen
zwischen dem Draht und der Düse
vermieden werden. Des weiteren wird in den bevorzugten Ausführungsformen
des Gerätes
und des Verfahrens der vorliegenden Erfindung eine separate Leit-Stromversorgung
verwendet, und bei richtiger zeitlicher Abstimmung des Startvorganges
ist es möglich,
die Bildung von groben "Spucktropfen" beim Starten des Spritzvorganges
zu verhindern. Der Spritzvorgang wird mittels einer Hochspannungs-Gleichstromquelle eingeleitet,
deren negativer Pol im Betrieb mit der Kathode verbunden ist, so
daß ein
negatives elektrisches Potential gebildet werden kann, und deren
positiver Pol im Betrieb mit der Düse verbunden ist, so daß ein positives
elektrisches Potential der Düse
erzeugt wird, wodurch ein elektrischer Lichtbogen zwischen der Kathode
und der Düse
geschlagen wird. Eine Gleichstromversorgung für einen Leitplasmastrahl mit
einem an der Kathode angeschlossenen negativen Pol und einem an
der Düse
angeschlossenen positiven Pol wird dann gestartet, um den Energiezustand
des elektrischen Lichtbogens anzuheben, so daß der elektrische Lichtbogen
durch die Düsenmündung hindurch
erweitert und ein eingeschnürter Plasmalichtbogen
gebildet wird, der sich an das freie Ende des Zusatzmetalldrahtes
anlegt. Wenn der Zusatzmetalldraht nicht ordnungsgemäß gegenüber der einschnürenden Düsenmündung positioniert
ist, knickt der eingeschnürte
Plasmalichtbogen wie eine "Haarnadel" zurück auf die
Düse bzw.
die Stirnfläche der
Düsenmündung. Dadurch
wird ein Zurückschlagen
entlang dem Draht und damit Schäden
an den umliegenden Komponenten des Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtspritzbrenners
vermieden. Schließlich
wird eine separate Haupt-Gleichstromquelle eingeschaltet, deren
negativer Pol an der Kathode angeschlossen ist, und deren positiver
Pol im Betrieb am Zusatzmetalldraht angelegt ist, um den Energiezustand
des eingeschnürten
Plasma-Lichtbogens
zu erhöhen,
und den Plasmalichtbogen auf das freie Ende des Zusatzmetalldrahtes
zu übertragen.
In der am meisten bevorzugten Ausführungsform des Gerätes und
des Verfahrens gemäß der Erfindung
werden der Zusatzmetalldraht und die Düse gemeinsam elektrisch angeschlossen,
um so dasselbe positive elektrische Potential an der Düse und am
Zusatzmetalldraht zu halten, so daß eine Lichtbogenverdoppelung
und die Anhäufung
von Metallstaub vermieden wird.
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Wenn
das thermische Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtspritzgerät und das
entsprechende Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung zur Beschichtung von Bohrungen verwendet wird, wird der Plasmabrenner
mit der Kathode und der Düse
um eine Längsachse
des Zusatzmetalldrahtes angeordnet, während dasselbe positive elektrische
Potential an der Düse
und dem Zusatzmetalldraht angelegt wird, so daß die Vorteile des Gerätes und
Verfahrens der vorliegenden Erfindung in einer Bohrungsbeschichtungsmaschine
erzielt werden. In der am meisten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird der Zusatzmetalldraht in Längsrichtung durch eine röhrenförmige, elektrisch
leitende Drahtführung
zugeführt,
und die Drahtführung
ist in ständigem
elektrischem Kontakt mit der Düse.
Der positive Pol der Hauptstromquelle wird dann an der elektrisch
leitenden Drahtführung
angeschlossen, damit dasselbe positive elektrische Potential am
Zusatzmetalldraht und an der Düse
eingehalten wird. Bei einer Bohrungsbeschichtungsmaschine kann die
Brennereinheit drehbar auf einem Drehteil montiert sein, dessen Bohrung
die Drahtführung
aufnimmt, die in elektrischem Kontakt mit der Anodendüse gehalten
wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
des Gerätes
und des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung, insbesondere
dort, wo eine Wirbelströmung
in der Düse
verwendet wird, kann eine den eingeschnürten Plasmalichtbogen umgebende
konische Sekundärgasabschirmung
verwendet werden, um den Plasmastrahl zu beschleunigen und zu stabilisieren.
In dieser Ausführungsform
beinhaltet das Gerät eine
zweite Gasquelle, und die Düse
hat eine allgemein konische Gasmündung,
die die einschnürende Öffnung der
an der Sekundärgasquelle
angeschlossenen Düse
umgibt. Diese ringförmige
konische Mündung
leitet das Sekundärgas
vorzugsweise zu einem Punkt stromunterhalb des freien Endes des Zusatzmetalldrahtes,
so daß der
ringförmige
konische Sekundärgasstrom
das freie Ende des Zusatzmetalldrahtes umhüllt. In der dargestellten Ausführungsform
beinhaltet die Düse
mehrere von einander beabstandete, konvergierende Gasmündungen,
welche die eingeschnürte
Düsenöffnung umgeben
und den konischen Sekundärgasstrom
bilden. Das bevorzugte Gerät
beinhaltet außerdem
eine Gasmündung, die
die Drahtführung
umgebend mündet
und an der Sekundärgasquelle
angeschlossen ist, die so Gas um die Drahtführung herum leitet und damit
die Drahtführung
und den Zusatzmetalldraht kühlt.
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Bei
den in den obengenannten US-Patentschriften offenbarten thermischen
Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtspritzmaschinen
nach dem bisherigen Stand der Technik mußte der Zusatzmetalldraht derart
quer im Winkel in den Plasmalichtbogen eingespeist werden, daß kein Teil
des Drahtes näher
an dem transferierten Plasmalichtbogen lag als das in Vorschubrichtung vordere
Ende des Zusatzmetalldrahtes. Dadurch lag die Längsachse des Zusatzmetalldrahtes
im allgemeinen senkrecht zu dem eingeschnürten Plasmalichtbogen. Die
zerstäubten
Zusatzmetalldraht-Schmelzpartikel prallten dann direkt auf das Gerät zurück, da der
Einfallswinkel und der Ausfallswinkel je 90° betrugen. Dieses Problem kann auch
mit dem Gerät
und dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung vermieden werden,
weil ja der Zusatzmetalldraht und die Düse auf demselben elektrischen
Potential liegen. In einer bevorzugten Ausführungsform des Gerätes und
des Verfahrens der vorliegenden Erfindung bildet daher die Längsachse des
Zusatzmetalldrahtes einen Winkel von weniger als 90° mit dem
Plasmalichtbogen, so daß der
Ausfallswinkel der zerstäubten
Partikel bzw. der Rückprall
von der beschichteten Oberfläche
größer als
90° ist,
womit das geschilderte Problem ausgeschaltet wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren,
bei dem das oben beschriebene verbesserte Gerät zum thermischen Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtspritzen
der Erfindung gemäß eingesetzt
wird, beinhaltet, ein Plasmagas unter Druck in eine Düse zu leiten,
welche die Kathode umgibt, und es durch die eingeschnürte Düsenmündung wieder
austreten zu lassen. Nachdem Starten beinhaltet das Verfahren dann die
Erzeugung eines eingeschnürten
Plasmalichtbogens zwischen der Kathode und dem freien Ende des Zusatzmetalldrahtes,
während
gleichzeitig dasselbe positive Potential zwischen dem Zusatzmetalldraht und
der Düse
angelegt wird. Der eingeschnürte
Plasmalichtbogen bringt dann die Spitze bzw. das freie Ende des
Zusatzmetalldrahtes zum Schmelzen, und das aus der eingeschnürten Düsenmündung austretende
Plasma zerstäubt
das schmelzflüssige
Zusatzmetall und schleudert die so zerstäubte Zusatzmetallschmelze auf
die zu beschichtende Oberfläche unter
Bildung einer wie oben beschriebenen dichten Metallbeschichtung.
Der bevorzugte Anlaßvorgang. beinhaltet
das Auslösen
eines elektrischen Leitlichtbogens zwischen der Kathode und der
Düse durch Erzeugen
einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen den beiden, wobei
die Kathode ein negatives elektrisches Potential hat, und die Düse ein positives elektrisches
Potential hat. Das Verfahren beinhaltet dann die Ausdehnung des
elektrischen Lichtbogens durch die eingeschnürte Düsenöffnung hindurch durch das Anheben
des elektrischen Energiepegels des elektrischen Lichtbogens, und
Bildung eines eingeschnürten
verlängerten
Plasmalichtbogens, der dann wie oben beschrieben abknickt und zurück auf die
Fläche
der Düse
bzw. der Mündung
schlägt. Schließlich beinhaltet
das Verfahren die Überführung des
eingeschnürten
ausgedehnten Plasmalichtbogens von der Düse auf das freie Ende des Zusatzmetalldrahtes
unter Verwendung einer getrennten Hauptstromquelle, indem ein elektrisches
Potential zwischen dem freien Ende des Zusatzmetalldrahtes und der
Kathode erzeugt wird, worin der Zusatzmetalldraht und die Düse wie oben
erläutert
dasselbe positive elektrische Potential haben. In der am meisten
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird das Plasmagas wie oben beschrieben und
Druck tangential in eine ringförmige, die
Kathode umgebende Düsenkammer
eingeleitet, so daß eine Wirbelströmung um
die Kathode gebildet wird, und dann aus der eingeschnürten Düsenmündung wieder austritt.
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Das
Verfahren zum Beschichten einer konkaven Innenfläche wie z. B. einer Innenfläche einer Bohrung
gemäß der vorliegenden
Erfindung beinhaltet die Einleitung eines Plasmagases von einer
Plasmagasquelle in die Düse,
welches die Düse
umgibt und aus der eingeschnürten
Düsenmündung wieder austritt.
Das Verfahren beinhaltet dann die Erzeugung eines eingeschnürten Plasmalichtbogens
zwischen der Kathode und der Drahtspitze bzw. dem freien Ende des
Zusatzmetalldrahtes, so daß das freie
Ende des Zusatzmetalldrahtes abgeschmolzen wird, und worin der eingeschnürte ausgedehnte
Plasmalichtbogen das geschmolzene Zusatzmetall zerstäubt und
das so aufgeschmolzene Zusatzmetall vorwärts auf die konkave Innenfläche schleudert. Schließlich beinhaltet
das Verfahren auch das Drehen der Plasmageneratorbrennereinheit
um die Längsachse
des Zusatzmetalldrahtes bei gleichzeitiger Wahrung einer elektrischen
Verbindung zwischen dem Zusatzmetalldraht und der Düse, wodurch
die zerstäubte
Zusatzmetallschmelze bogenförmig
auf die konkave Innenfläche
geschleudert wird. Wenn dieses Verfahren zur Beschichtung einer
Innenfläche einer
Bohrung eingesetzt wird, wird das Gerät gleichzeitig auch durch die
Bohrung hin- und herbewegt, während
die Plasmabrennereinheit um die Längsachse des Zusatzmetalldrahtes
gedreht wird, so daß eine
kontinuierliche gleichmäßige Beschichtung
auf der Innenfläche
der Bohrung aufgebaut wird. Auf diese Weise wird der transferierte
Lichtbogen aufrecht erhalten, während
der Plasmageneratorbrenner insgesamt konzentrisch um die Drahtachse
herum in Drehung versetzt wird, wodurch ein kontinuierliches Abschmelzen
des freien Endes des Zusatzmetalldrahtes gewährleistet wird, während gleichzeitig
der Plasmastrahl die Schmelze zerstäubt und die an der Drahtspitze
geformten und zerstäubten
Schmelztröpfchen
beschleunigt und gegen die Innenwand der Bohrungsstruktur schleudert.
Gleichzeitig geht die gesamte Einheit in der Bohrung hin und her.
Das Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtspritzgerät zur Beschichtung von Bohrungen
gemäß der vorliegenden Erfindung
kann auch dazu verwendet werden, mehrere Bohrungen gleichzeitig
zu beschichten, z. B. Bohrungen in einem Motorblock, indem mehrere drehbar
montierte Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtspritzgeräte nach
der vorliegenden Erfindung parallel auf einem hin- und herbeweglichen
Träger montiert
werden.
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Die
Erfindung soll nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beispielartig
näher erläutert werden;
dabei zeigt:
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1: eine schematische Ansicht,
welche eine Plasma-Lichtbogen-Anlage nach dem bisherigen Stand der
Technik darstellt;
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2a: eine Darstellung eines
Beispiels eines Plasmabrenners nach dem bisherigen Stand der Technik,
bei dem ein erweiterter Plasmalichtbogen in einer laminaren Strömung des
plasmabildenden Gases erzeugt wird;
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2b: eine Darstellung eines
Beispieles eines Plasmabrenners nach dem bisherigen Stand der Technik,
bei dem ein erweiterter Plasmalichtbogen in einer Wirbelströmung des
Plasmagases erzeugt wird;
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3: eine schematische Darstellung
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, welche die Ausgestaltung eines verbesserten
thermischen Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtspritzsystems
darstellt;
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4: eine quergeschnittene,
schematische Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform des
Plasmabrenners;
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5: eine quergeschnittene
Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform des thermischen Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtspritzgerätes nach der
vorliegenden Erfindung;
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6: eine quergeschnittene
Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines thermischen
Plasma-Lichtbogen-Metalldraht-Bohrungsbeschichtungsgerätes nach
der vorliegenden Erfindung; und
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7: eine Stirnansicht des
in 6 dargestellten Gerätes.
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Es
sei nun Bezug genommen auf die 2a und 2b, welche Darstellungen
eines Plasmabrenners sind, der einen erweiterten Plasmalichtbogen 35 in einem
Plasmagas-Wirbelstrom 36 (2a) und in einem Plasmagas-Laminarstrom 44 (2b) erzeugt. 2A veranschaulicht die Situation,
wo ein starker Plasmawirbel erzeugt und durch eine einschnürende Düse 31 mit
einer kurzen Einschnürungsmündung 34 geleitet
wird. Der Plasmalichtbogen 35 reicht von der Spitze bzw.
dem freien Ende der Kathode 32 durch die im Zentrum des
Plasmagasstrudels geformte Niederdruckzone bis auf eine gewisse
Entfernung hindurch, welche die maximale Lichtbogenlänge darstellt,
und an diesem Punkt 40 knickt der Lichtbogen um bzw. bildet
eine "Haarnadel" zurück zur Stirnfläche der
Düse 31 durch
das den Plasmalichtbogen umgebende Plasmaschild 41. Die
Gesamtlänge
des "Haarnadel"-Lichtbogens 35 von
der Spitze der Kathode 32 bis zum Punkt 40 der
größten Lichtbogenlänge und
zurück
zur Stirnfläche
der Düse 31 bestimmt
die Plasmalichtbogenspannung. Die Länge des ausgedehnten Plasmalichtbogens 35 wird
beeinflußt
von der Höhe
des Plasmalichtbogenstromes, der vom positiven Pol der Gleichstromquelle 37 durch die
Leitung 38 zur einschnürenden
Plasmadüse 31 fließt und dann
von der Kathode 32 durch die Leitung 39 zum negativen
Pol zur Stromversorgung 37 zurückkehrt. Die Kathode 32 ist
mittels eines Isolierteiles 33 elektrisch von der einschnürenden Düse 31 isoliert,
welches das rückwärtige Ende
der einschnürenden
Düse 31 abschließt und so
eine die Kathode 32 umgebende ringförmige Düsenkammer 43 bildet.
-
Plasmagas
wird in die so gebildete Kammer 43 tangential unter Druck
eingeleitet, so daß eine Gaswirbelströmung 36 erzeugt
wird. Das Plasmagas tritt durch den konischen Abschnitt 43 aus
der Kammer 42 wieder aus, der zur einschnürenden Öffnung 34 führt. Das
Prinzip der Einhaltung des Winkelmomentes erzeugt hier eine äußerst starke
Wirbelströmung
bei Senkung des Außendurchmessers
des Gasstromes. Ein Kern mit kleinem Durchmesser in dem so erzeugten
Wirbel weist dann einen Bereich von im Vergleich mit dem im Randbereich
der Mündung 34 herrschenden
Druck tiefen Druckes auf. Es ergibt sich eine verlängerte Plasmalichtbogensäule 35,
welche Lichtbogensäule
so positioniert ist, daß sie
durch die Tiefdruckzone läuft
und weit über
den Ausgang der einschnürenden Öffnung 34 reicht,
bis zu einem Punkt 40 maximaler Plasmalichtbogenlänge, und
dann durch den die Wirbelströmung
umgebenden Tiefdruckbereich bis zur Stirnfläche der einschnürenden Düse 31 zurückläuft.
-
2b stellt den Zustand dar,
wo das Plasmagas laminar durch die einschnürende Düse 31 geführt wird,
die eine kurze einschnürende Öffnung bzw.
Mündung 34 aufweist.
Der laminare Strom wird dadurch erzeugt, daß das Plasmagas G durch ein Drosselblech 45 mit
einer großen
Zahl von Löchern darin
von der Kammer 42a in der einschnürenden Düse in eine Kammer 42b geleitet
wird, wobei jedes Loch eine größere Bohrungslänge als
-Durchmesser aufweist. Dieser laminare Gasstrom durchläuft einen gleichmäßigen Übergang
von der Kammer 42b aus durch die einschnürende Mündung 34.
Durch Erzeugen eines hohen Druckes in der Kammer 42b, der üblicherweise über 100
psig (Pfund pro Quadratzoll Manometerdruck) liegt, bringt man den
Plasmalichtbogen dazu, über
den Ausgang der einschnürenden Mündung 34 hinaus
bis zu einem Punkt 40 zureichen, der die maximale Länge des
Lichtbogens darstellt. Von diesem maximalen Plasmalichtbogen-Dehnungspunkt 40 aus
springt der Lichtbogen "haarnadelartig" zurück zur Stirnfläche der
einschnürenden Düse, durch
den Niederdruckbereich hindurch, der den auf höherem Druck liegenden Plasmastrahl
umgibt, der seinerseits den verlängerten
Plasmalichtbogen umgibt. Die Dehnung des Plasmalichtbogens im Falle
des laminaren Plasmagasstromes erfolgt auf ähnliche Weise wie die Plasmalichtbogendehnung
im Falle der Plasmagas-Wirbelströmung,
mit Ausnahme dessen, daß keine
Niederdruckzone im Zentrum der laminaren Plasmaströmung entsteht,
und daß daher der
Lichtbogen in diesem Fall nicht so weit reicht wie im Falle der
Wirbelbedingungen, wenn alle anderen Bedingungen der Plasmagasströmung, des
Druckes und der Plasmastromstärke
gleich sind.
-
Es
sei nun Bezug genommen auf 3,
wo eine bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt ist. Sie zeigt
einen Plasma-Lichtbogenbrenner 50', der aus einer Düse 50 besteht,
welche in Form eines zylindrischen Körpers vorliegt, der aus einem
elektrisch leitenden Material wie z. B. Kupfer hergestellt sein
kann, mit einer einschnürenden Öffnung 55 an
einem Ende des zylindrischen Körpers
und mit einem anderen Ende, das mittels einer Isolierplatte 52 abgeschlossen
ist. Eine Kathodenelektrode 51, die aus zu 2% thoriertem Wolfram
bestehen kann, ist koaxial zur einschnürenden Düse 50 angeordnet und
durch die Isolierplatte 52 elektrisch von der einschnürenden Düse 50 isoliert,
so daß eine
ringförmige
Plasmagaskammer gebildet wird, die innen zwischen der Kathode 51 und den
Innenwänden
der einschnürenden
Düse 50 liegt. Zusätzlich wird
eine getrennte Kammer 53 im äußeren Abschnitt der einschnürenden Düse 50 gebildet, die
mit einer Vielzahl von nach innen im Winkel von einander beabstandeten
Bohrungen 54 in Verbindung steht, die in die einschnürende Düse 50 eingeformt
sind. Eine Drahtkontaktspitze und eine Drahtführung 57 stehen elektrisch
in Kontakt mit der einschnürenden
Düse 50,
durch welche ein Draht 56 mittels Drahtzufuhrrollen 58a und 58b kontinuierlich zugeführt wird.
Die Drahtzufuhrrollen werden mittels eines nicht dargestellten herkömmlichen
Motors angetrieben. Die dem Betrieb des Plasma-Lichtbogenbrenners 50' zugeordneten
elektrischen Schaltungen bestehen aus einer "Pilot-" oder Leit-Stromversorgung 61,
deren negativer Pol über
elektrische Leitungen 66 und 69 an der Kathodenelektrode 51 angeschlossen
ist. Die Leit-Stromversorgung besteht aus einer Gleichstrom-Konstantstrom-Leit-Stromversorgung 61a und
einer Hochspannungs-Gleichstromversorgung 61b,
welche elektrisch parallel zur Leit-Stromversorgung angeschlossen
ist. Eine geeignete Leit-Stromversorgung ist das Modell "PowerPro 55", das von der Smith
Equipment Division der TESCOM Corp. erhältlich ist. Ein Hochspannungs-Gleichstrom-Sperrfilter 61c ist
im negativen Zweig der Hochspannungsstromversorgung 61b angeordnet
und verhindert, daß Hochspannung
zurück in
die Leit-Stromversorgung 61a gelangt. Der positive Pol
der Leit-Stromversorgung 61 ist über eine Leitung 65 an
einem Leit- oder Pilot-Relaiskontakt 62 angeschlossen,
der über
die Leitung 64 mit der Drahtkontaktspitze bzw. dem freien
Ende des Zusatzmetalldrahtes und der Drahtführung 57 verbunden
ist, die wiederum in elektrischem Kontakt mit der einschnürenden Düse 50 steht.
Eine getrennte Hauptstromversorgung 59 für die Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtspritzmaschine
wird ebenfalls eingesetzt, deren positiver Pol mittels einer Leitung 63 an
der Leitung 64 angeschlossen ist, die wiederum mit der
Drahtkontaktspitze 57 verbunden ist, und ist mittels eines elektrischen
Kontaktes mit der einschnürenden
Düse sowie
mit dem Draht 56 verbunden. Der negative Pol der Stromversorgung 59 ist über eine
Leitung 67 mit den Kontakten eines Isolations-Steuerschützschalters 60 verbunden
und über
die Leitungen 68 und 69 mit der Kathode 51.
Eine geeignete Hauptstromversorgung ist das Modell PCM-100, das
von der Firma ESAB Welding & Cutting
Products erhältlich
ist.
-
Im
Betrieb tritt Plasmagas durch die Öffnung G1 in die innere Kammer
der einschnürenden
Düse ein,
und zwar tangential zur Wand der ringförmigen Innenkammer der einschnürenden Düse 50,
in einer solchen Art und Weise, daß eine Wirbelströmung 70 gebildet wird,
die aus der einschnürenden
Mündung 55 hinausgedrückt wird.
Ein geeignetes Plasmagas ist ein Gasgemisch, das aus 65% Argon und
35% Wasserstoff besteht. Andere Gase, wie z. B. Stickstoff, sind
auch verwendet worden. Um den Betrieb des Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtspritzvorganges einzuleiten,
ist es zunächst
notwendig, einen Pilot- oder Leitplasmastrahl auszulösen. Um
einen Leitplasmastrahl auszulösen,
wird die Leitplasmastromversorgung 61a eingeschaltet, und
der positive Pol wird durch den Leit-Relaisschütz 62 an der einschnürenden Düse 50 angelegt,
während
der negative Pol an der Kathodenelektrode 51 angeschlossen
wird. Gleichzeitig wird die Hochspannungsgleichstromversorgung 61b für einen
ausreichend langen Zeitraum pulsierend eingeschaltet, um einen Hochspannungslichtbogen
zwischen der Kathode 51 und der einschnürenden Düse 50 zu schlagen.
Der so gebildete Hochspannungslichtbogen bildet einen leitenden Pfad
für Gleichstrom
von der Leitplasmastromversorgung, so daß dieser von der Kathode 51 zur
einschnürenden
Düse 50 fließen kann.
Es ergibt sich aus dieser zusätzlichen
elektrischen Energie, daß das
Plasmagas intensiv aufgeheizt wird, wodurch das Gas, das sich in
einer Wirbelströmung
befindet, mit sehr hoher Geschwindigkeit aus der einschnürenden Düse austritt,
so daß es
in der Regel einen Überschall-Plasmastrahl bildet,
der von der einschnürenden Öffnung ausgeht.
Der so geformte Plasmalichtbogen ist ein erweiterter oder ausgedehnter
Plasmalichtbogen, der zuerst von der Kathode durch den Kern der
Plasmastrahl-Wirbelströmung
bis zu dem Punkt der maximalen Ausdehnung oder Länge reicht und dann "haarnadelartig" zurück auf die
Stirnfläche der
einschnürenden
Düse springt.
Der Hochgeschwindigkeitsplasmastrahl, der über den Punkt der größten Länge des
Lichtbogens hinaus reicht, bietet einen elektrisch leitenden Pfad
zwischen der Kathode 51 und der Spitze von Draht 56.
Sobald der Leitplasmastrahl hergestellt ist, wird der Isolationsschütz 60 geschlossen
und gibt damit zusätzliche
Leistung an den Leitplasmastrahl ab. Da der Draht 56 in
einem gewissen Abstand von der Kathode 51 positioniert ist,
so daß der
Abstand gleich oder geringfügig
kleiner als die zweifache (2×)
Länge von
der Kathode 51 bis zum Punkt der maximalen Lichtbogenausdehnung
ist, wie in den 2a und 2b dargestellt ist, springt
bzw. "transferiert" der erweiterte Plasmalichtbogen
von der Stirnfläche
der einschnürenden
Düse 50 auf
die Drahtspitze des Drahtes 56, so daß die Drahtspitze 56 abgeschmolzen
wird, während
sie kontinuierlich in den Plasmastrahl nachgeführt wird. Ein durch eine zweite Öffnung G2
eintretendes Sekundärgas,
z. B. Luft, wird unter Druck in die Kammer 53 eingeleitet.
Kammer 53 wirkt dabei wie ein Sammler und verteilt das
Sekundärgas über eine
Reihe von im Winkel von einander beabstandeten Düsenöffnungen 54. Der Sekundärgasstrom
stellt ein Mittel zur Kühlung
der einschnürenden
Düse 50 dar
und bildet einen den erweiterten Plasmalichtbogen umgebenden im
wesentlichen konischen Gasstrom. Dieser konische Hochgeschwindigkeitsgasstrom
schneidet den erweiterten Plasmastrahl stromunterhalb der Drahtspitze 56 und
bildet so zusätzliche
Mittel zur Zerstäubung
und Beschleunigung der Schmelzpartikel, die beim Abschmelzen des
Drahtes 56 gebildet werden.
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Eine
in der 4 schematisch
dargestellte andere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht eine Anordnung, in welcher
der Hauptteil des Brennerkörpers
so angeordnet ist, daß die
Achse des von der einschnürenden Öffnung 303 ausgehenden
Plasmastroms 301 in einem eingeschriebenen Winkel 306 von
weniger als 90° zur Längsachse
des Drahtes 302 liegt. Es ergibt sich aus dieser Konstruktion,
daß der
auf das Substrat 305 geschleuderte heiße Metallpartikelstrom 304 in
einem spitzen Winkel auf das Substrat 305 trifft, so daß ein Einfallswinkel 307 von
weniger als 90° gebildet
wird. Da der Einfallswinkel 306 gleich dem Ausfallswinkel 307 ist,
sammeln sich die heißen
Metallpartikel, die von dem Substrat wieder abprallen, nicht an
der Stirnfläche
des Brenners, solange der Einfallswinkel kleiner als 90° ist. Der
tatsächliche
Winkel hängt
dabei von den spezifischen Maßen
der Brenneroberfläche
sowie von dem jeweiligen Spritzabstand von der Oberfläche der
Leitdüse
zur Substratoberfläche
ab; jedenfalls wird das Problem in einem Winkel von 75° bis 85° gelöst. Die
Möglichkeit,
den Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtbrenner 300 so zu betreiben,
daß ein Winkel 306 zwischen
der Drahtachse und der Achse des Plasmastrahles 301 kleiner
als 90° ist,
besteht nur deshalb, weil der Draht und die Düse im Lichtbogen dasselbe elektrische
Potential haben, da es sonst zur Lichtbogenverdoppelung kommen würde.
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Es
sei nun Bezug genommen auf 5,
wo eine Detailansicht einer handelsüblichen Ausführungsform
eines Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtspritzgerätes 100 dargestellt
ist. Der Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtbrenner 100 besteht
aus einem Brennerkörper 101 mit
einer Plasmagasöffnung 102 und
einer Sekundärgasöffnung 108.
Der Brennerkörper 101 kann
aus einem elektrisch leitenden Metall wie Messing hergestellt sein.
Das Plasmagas ist über
die Öffnung 102 mit
einem Kathodenhalter 103 verbunden, durch den das Plasmagas
in den Innenraum der Kathodeneinheit 104 strömt, und
ihn durch tangentiale Öffnungen 105 im
Kathodenhalter 103 wieder verläßt. Das Plasmagas bildet eine
Wirbelströmung
zwischen der Außenseite
der Kathodeneinheit 104 und der Innenfläche der Leitplasmadüse 106 und
tritt dann durch die einschnürende Öffnung 107 wieder
aus. Der Vorteil davon, daß das
Plasmagas innen durch die Kathodeneinheit 104 fließt, bevor es
wieder austritt und eine Wirbelströmung bildet, ist, daß es dadurch
eine erhebliche Kühlung
der durch den Kathodenbetrieb abgegebenen Wärme bietet. Die Kathodeneinheit 104 kann
aus einem Kupfergehäuse
bestehen, welches einen Einsatz 104a aus einem Hochtemperaturwerkstoff
mit einer hohen Arbeitsfunktion enthält, wie z. B. 2% thorierter
Wolfram. Die Kathodeneinheit 104 ist mittels eines an beiden Teilen
(103 und 104) angebrachten Gewindeabschnittes
am Kathodenhalter 103 befestigt. Sekundärgas tritt in die Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtbrennereinheit 100 durch
eine Gaseinlaßöffnung 108 ein,
und die Öffnung 108 leitet
das Sekundärgas
zu einem Gassammelraum 109, der als ein zwischen einer
Drosselplatte 110 und dem Brennerkörper 101 angeordneter
Hohlraum ausgebildet ist. Der Werkstoff der Leiterplatte 110 muß hochtemperaturfeste und
elektrisch isolierende Eigenschaften haben. Dieser Werkstoff kann
z. B. ein Polyamid oder ein Polyimid sein. Der Sekundärgasstrom
wird gleichmäßig durch
die zahlreichen Öffnungen 111 in
einen nicht dargestellten zweiten Sammelhohlraum verteilt, der zwischen
der Leitdüse 106 und
der Drosselplatte 110 ausgebildet ist, und geht dann weiter
durch die im Winkel von einander beabstandeten Bohrungen 112, welche
die Außenseite
der Einschnüröffnung 107 umgeben.
Dieser Sekundärgasstrom
durch die im Winkel von einander beabstandeten Bohrungen 112 in
der Leitstrahldüse 106 sichert
die Funktion der Kühlung
der Leitstrahldüse 106 herunter
von der Wärme,
die normalerweise durch den Betrieb der Düse erzeugt wird, und dient
noch zu anderen nützlichen
Zwecken, die später
noch beschrieben werden. Ein Zusatzmetalldraht 113 wird
gleichförmig
und konstant durch eine Drahtkontaktspitze 114 geführt, deren
Aufgabe darin besteht, guten elektrischen Kontakt mit dem Zusatzmetalldraht 113 herzustellen, während dieser
durch die Drahtkontaktspitze 114 geleitet wird, und in
der vorliegenden Ausführungsform wird
diese von zwei Teilen (114a und 114b) gebildet, die
unter Federspannung oder unter Druckbelastung in Kontakt mit dem
Zusatzmetalldraht 113 gehalten werden, und zwar mittels
Gummiringen 116 oder anderen geeigneten Mitteln. Die Drahtkontaktspitze
besteht aus einem elektrisch gut leitenden Werkstoff wie Kupfer.
Beim Austritt aus der Drahtkontaktspitze 114 tritt der
Draht in eine Drahtführungsspitze 115 ein,
die im allgemeinen aus einem gehärteten
Werkstoff wie z. B. gehärtetem
Werkzeugstahl besteht. Zweck der Drahtführungsspitze ist es, den Zusatzmetalldraht 113 in
genaue Flucht mit der axialen Mittellinie der kritischen Öffnung 107 zu
bringen. Die Drahtführungsspitze 115 wird
in einem Drahtführungsspitzenblock 117 gehalten,
der aus Messing bestehen kann. Der Drahtführungsspitzenblock 117 sowie
die Drahtkontaktspitze sind in einem Isolatorblock 118 enthalten,
der für
elektrische Isolation zwischen dem auf einem negativen elektrischen
Potential gehaltenen Hauptkörper 101 und
dem bzw. der auf einem positiven Potential gehaltenen Drahtführungsspitzenblock 117 und
Drahtkontaktspitze 114 sorgt. Eine kleine Öffnung 119 im
Isolatorblock 118 erlaubt die Ablenkung eines kleinen Teiles
Sekundärgas
durch den Drahtführungsspitzenblock 117,
um so eine Wärmeabfuhr
aus dem Block 117 zu gewährleisten. Der Drahtführungsspitzenblock 117 wird
in Druckkontakt mit der Leitstrahldüse 106 gehalten, so daß eine elektrische
Verbindung zwischen der Leitdüse 106 und
dem Drahtführungsspitzenblock 117 gehalten
wird. Über
den Kathodenhalter 103 wird eine elektrische Verbindung
mit dem Hauptkörper 101 und
damit mit der Kathodeneinheit 104 vom negativen Pol der
Leit-Stromversorgung 61 (3)
sowie von dem negativen Pol der Hauptstromversorgung 59 (3) aus hergestellt, und
zwar durch den Isolationsschütz 60 (3) und eine elektrische
Leitung 61 (3).
Der positive elektrische Anschluß der Drahtkontaktspitze 114 des
Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtbrenners 100 erfolgt von der Leit-Stromversorgung 61 (3) her durch den Leitlichtbogen-Relaiskontakt 62 ( 3) und durch die Leitung 64 (3). Eine positive elektrische
Verbindung wird auch von der Hauptstromversorgung 59 (3) aus mit der Drahtkontaktspitze 114 hergestellt,
und zwar durch die Leitung 63 (3), welche an der Leitung 64 (3) angeschlossen ist.
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Der
Draht 113 wird zur Mittelachse der Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtbrennereinheit 100 hin geführt. Die
Mittelachse des Drahtes ist um etwa 4,5 mm von der Stirnfläche der
Leitdüse 106 beabstandet.
Die Kathodeneinheit 104 wird mit einer negativen Ladung
elektrisch bestromt, und der Draht 113 sowie die Leitdüse 106 sind
elektrisch positiv geladen.
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Um
den Betrieb des Systems einzuleiten, wird, nachdem ein (nicht dargestellter)
Betriebsschalter auf EIN geschaltet wurde, Plasmagas durch die Öffnung 102 zum
Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtbrenner
geleitet. Nach einem Anfangszeitraum von ca. 2 Sekunden werden die
Leit-Stromversorgung 61a (3)
und die Hochspannungs-Gleichstromversorgung 61b (3) eingeschaltet und gleichzeitig
der Leitlichtbogenrelaisschließer 62 bestromt,
so daß augenblicklich
ein Leitplasmastrahl aktiviert wird. Alternativ dazu kann auch eine
Hochfrequenz-Stromversorgung funktionsmäßig anstelle der Hochspannungsstromversorgung 61b (3) eingesetzt werden. Gleichzeitig
mit diesen Vorgängen
wird die Hauptstromversorgung 59 (3) eingeschaltet, und sobald der Pilot-
bzw. Leitplasmastrahl hergestellt ist, wird die Gleichstrom-Hochspannungsversorgung 61b (3) abgeschaltet, und der
Isolationsschütz 60 (3) wird geschlossen. Dabei
wird dem Leitplasmastrahl zusätzliche
Energie verliehen, und mit der starken Wirbelströmung des Plasmagases wird ein
verlängerter
bzw. erweiterter Leitplasmalichtbogen erzeugt. Dieser erweiterte
Plasmalichtbogen stellt den elektrischen Pfad für den Plasmalichtbogen, auf
dem dieser von der Düse
auf die Spitze des Drahtes 113 überspringen bzw. "transferiert" werden kann. Gleichzeitig
mit dem Schließen
des Isolationsschützes 60 (3) wird der Draht mittels
der Drahtzufuhrrollen 58a (3)
und 58b (3)
in den so geformten erweiterten Plasmalichtbogen eingespeist, so
daß der
transferierte Plasmalichtbogen selbst dann aufrecht gehalten wird,
wenn die Drahtspitze 113 wegschmilzt. Mit der kontinuierlichen Nachführung des
Drahtes 113 schmilzt die Spitze des Drahtes unter der intensiven
Hitze des transferierten Lichtbogens 120 und des damit
verbundenen, den Lichtbogen 120 umgebenden Plasmastrahls 121 ab. An
der Spitze des Drahtes 113 bilden sich schmelzflüssige Metalltröpfchen,
die durch die Trägheitsscherkraft
beschleunigt und sofort zerstäubt
werden, die zwischen dem mit extrem hoher Geschwindigkeit austretenden Überschall-Plasmastrahl
und der anfänglich
geringen Geschwindigkeit der Metallschmelztröpfchen entsteht. Die Schmelztröpfchen werden
durch den sehr viel höheren Massestrom
des Sekundärgases
noch weiter zerstäubt
und beschleunigt, das in einer Konvergenzzone 122 konvergierend
zusammenströmt,
die weiter als Plasmastrahl 121 reicht, welcher nun die
fein verteilten beschleunigten Partikel schmelzflüssigen Materials
enthält, die
auf die Substratoberfläche 123 geschleudert
werden, wo eine Beschichtung 124 abgelagert wird.
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Beim
Betrieb des Systems kommt es im Falle einer Verzögerung oder eines Abbruches
der Drahtzufuhr zu einem Abbrennen des Drahtes 113. Diese Verzögerung bzw.
Stehenbleiben der Drahtzufuhr kann bei bestimmten Unregelmäßigkeiten
der Drahtzufuhr zufällig
auftreten, wie sie z. B. durch Durchrutschen der Zufuhrrollen oder
durch Knicke im Draht 113 hervorgerufen werden. Wenn der
Draht 113 derart wegschmilzt, brennt die Drahtspitze am
Draht entlang zurück
und aus der Plasmaflamme 121 heraus. Dadurch, daß ein Plasmabrenner
mit transferiertem Plasmalichtbogen gestellt wird, bei dem der Draht 113 und
die Leitplasmadüse 106 elektrisch
zusammengeschlossen sind und auf demselben positiven Potential liegen,
springt dann der erweiterte Plasmalichtbogen "haarnadelartig" zurück
auf die Leitdüse, statt
einen weiteren Abbrand der Drahtspitze 113 zu verursachen.
In diesem Falle wird die Zerstörung
der Drahtführungsspitze
sowie anderer Brennerbauteile in dem umgebenden Bereich verhindert.
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Dies
ist ein Vorteil gegenüber
dem bisherigen Stand der Technik, bei dem vorgegebene kritische
geometrische Relationen zwischen dem Draht und umgebenden Teilen
des Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtbrenners
hergestellt werden mußten,
die auf einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen dem Draht
und der Drahtführung
gehalten wurden.
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Des
weiteren besteht das verbesserte Verfahren und Gerät aus einer
Anordnung, in der die Leitdüse 106 des
Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtbrenners 100 und der Draht 113 sowie
alle zum Draht 113 gehörenden
Komponenten (Drahtführungsspitze 115,
Drahtführungsblock 117 und
Drahtkontaktspitze 114) elektrisch zusammen angeschlossen
sind, also nicht unter irgendeiner elektrischen Potentialdifferenz
zwischen diesen arbeiten. Es ergibt sich aus der praktischen Null-Potentialdifferenz
zwischen dem Draht 113 und der Leitdüse 106, daß keine
elektrische Ladungsanziehung auftritt, die dazu führen könnte, daß Metallstaub
oder leitender Staub an die Stirnfläche der Pilot-Düse angezogen
wird. Beim Betrieb der bisherigen Technik bestand eine Potentialdifferenz
zwischen dem Draht und der Pilot-Düse, so daß Metallstaub an die Stirnfläche der
Leitdüse
angezogen wurde. Wenn sich dieser Staub bei den bisherigen Vorrichtungen
anhäufte,
konnte er elektrisch leitende Pfade zwischen der Leitdüse und den
dazugehörigen
umgebenden Komponenten bilden, wobei der Draht Kriechfunkenstrecken
zwischen diesen Komponenten bildete und somit schwere Schäden und/oder
die Zerstörung
dieser Komponenten nach sich zog. Dieser Zustand wird durch den
Einsatz des hierin beschriebenen verbesserten Verfahrens und Gerätes nach
der vorliegenden Erfindung vermieden.
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Außerdem ist
bei dem verbesserten Verfahren und Gerät, bei dem die Leitplasmadüse 106 und der
Draht 113 elektrisch zusammengeschlossen sind, der Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtbrenner 100 einfacher
aufgebaut, da keine getrennten elektrischen Anschlüsse für die Leitdüse 106 und
den Draht 113 erforderlich sind. Das Gerät nach dem
bisherigen Stand der Technik erforderte eine elektrische Verbindung
zur Leitdüse
und einen getrennten elektrischen Anschluß für den Draht. Diese Anordnung
nach dem bisherigen Stand der Technik erforderte eine wesentlich
aufwendigere physische Gestaltung des Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtbrenners,
weil der elektrische Anschluß der
Leitdüse
nicht nur eine Gleichstrom-Potentialdifferenz hielt, sondern auch
das Hochfrequenzpotential führte,
das von dem elektrischen Gleichstrompotential des Drahtes isoliert
werden mußte.
Da das verbesserte Verfahren und Gerät der vorliegenden Erfindung
nur einen elektrischen Anschluß für den Draht 113 und
die Leitdüse 106 braucht,
die elektrisch gleichgeschaltet sind, ist nur eine Leitung erforderlich,
sowohl die Gleichstromversorgung als auch den Hochspannungsstartimpuls
zu führen,
so daß die
Konstruktion des Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtbrenners 100 deutlich
vereinfacht wird.
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Es
sei nun Bezug genommen auf die 6 und 7, wo eine Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtbrennereinheit
100 im Querschnitt und in Frontansicht dargestellt ist, die in einer
Art und Weise eingesetzt werden kann, die für den Auftrag einer einheitlichen Beschichtung 130 auf
eine konkave Oberfläche
wie z. B. auf die dargestellte Bohrung 131 geeignet ist. Diese
Ausführungsform
beinhaltet eine Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtbrennereinheit 100 ähnlich der
in 5 beschriebenen Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtbrennereinheit 100,
mit dem Unterschied, daß die
Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtbrennereinheit 100 auf einem
drehbaren Teil 133 angebracht ist, das eine Drehung um
die Längsachse
des Zusatzmetalldrahtes 132 konzentrisch zur Bohrung 131 mittels
eines nicht dargestellten motorischen Antriebes ermöglicht.
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Ein
drehbares Teil 133 ist dabei auf einer stationären Endplatte 134 angebracht.
Das drehbare Teil 133 ist mit einem isolierten Drahtzuführungskanal 135 verbunden,
der sich durch die Drehachse desselben erstreckt. Die Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtbrennereinheit 100 ist
an einem Ende des drehbaren Teiles 133 angebracht, das
dem Ende der stationären
Endplatte 134 gegenüberliegt,
so daß der Plasmastrahl 137 zur
Achse des Zusatzmetalldrahtes 132 reicht. Der Draht 132 wird
entlang der Mittelachse der Bohrung durch den Drahtzufuhrkanal 135 eingespeist,
der durch den starren, elektrisch isolierenden Drahtzufuhrkanal 135 elektrisch
gegenüber dem
drehbaren Teil 133 isoliert ist. Die Gasanschlüsse und
elektrischen Anschlüsse
der Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtbrennereinheit 100 werden
durch die stationäre
Endplatte 134 zum und durch das drehbare Teil 133 bis zum
Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtbrenner 100 geführt. Plasmagas
tritt durch die Öffnung 102 in
der stationären
Endplatte 134 ein, wo es dann in einer ringförmigen Kammer 102a im
drehbaren Teil 133 aufgenommen und dann durch die koaxial
mündende Öffnung 102b im
Gehäuse 100 weiter in
einen Ringraum 108a geleitet wird, der über die axial fluchtende Öffnung 108b mit
der Düse
kommuniziert. Die stationäre
Endplatte 134 wird durch nicht dargestellte Druckmittel
wie z. B. Druckfedern in Druckkontakt mit dem Ende des drehbaren
Teils 133 gehalten.
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Ein
erweiterter transferierter Plasmalichtbogen wird wie oben schon
erläutert
hergestellt und schmelzt die Spitze des Drahtes 132 ab,
während dieser
kontinuierlich in den Plasmastrahl 137 nachgeführt wird.
Beim Abschmelzen der Drahtspitze 132 werden schmelzflüssige Tröpfchen zerstäubt und
von dem Plasmastrahl auf die Innenwand der Bohrung 131 geschleudert.
Wenn das drehbare Teil 133 und die Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtbrennereinheit 100 in
Richtung des Pfeiles B (7)
gedreht werden, wird eine Beschichtung 130 gleichmäßig auf
der Wand der Bohrung 131 aufgetragen. Während durch die Drehbewegung
die Beschichtung 130 geformt wird, wird auch die aus dem
Drahtzufuhrkanal 135, dem Draht 132, der stationären Endplatte 134,
dem drehbaren Teil 133 und dem Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtbrenner 100 bestehende
Einheit axial in Richtung des Pfeiles 1 hin- und herbewegt,
in der Bohrung 131 vor- und zurückgehend, so daß die Beschichtung 130 über den
gesamten Umfang der Bohrung 131 sowie über die gesamte Länge der
Bohrung 131 gebildet wird. Durch diese kombinierten Bewegungen
und Vorgänge
wird die Bohrung vollständig mit
einer gleichmäßigen Beschichtung 130 überzogen.
Es versteht sich, daß der
in 4 gezeigte angewinkelt
montierte thermische Plasma-Lichtbogen-Metalldraht-Bohrungsbeschichtungsapparat 300 in ähnlicher
Weise drehbar montiert werden kann, so daß das Zurückprallen von zerstäubten Schmelzenpartikeln
von der Innenfläche
der Bohrung 131 auf die Düse verhindert wird.
-
Wie
der Fachmann auf dem Gebiet des Metallspritzens erkennen wird, hängt der
zu bevorzugende Zusatzmetalldraht oder -Stab, der in dem Gerät und dem
Verfahren nach der vorliegenden Erfindung einzusetzen ist, von dem
Auftrag der resultierenden Beschichtung ab. Der Draht kann einen
festen Kern mit derselben oder einer anderen Zusammensetzung haben,
z. B. ein koextrudierter Draht oder Stab mit einer äußeren Hülle aus
einem Werkstoff und einem inneren Kern aus einem anderen Werkstoff,
oder einen von einer röhrenförmigen Hülle umgebenen
Pulverkern. Auf Eisen basierende oder legierte Werkstoffe z. B.
werden bei vielen Anwendungsfällen
vorgezogen, wie z. B. beim Beschichten von Reibung unterliegenden
Bohrungen, und beinhalten weiche Stähle, Kohlenstoffstähle und
Edelstähle.
Andere Anwendungsfälle
können
auf/mit Aluminium, Nickel, Kupfer oder Bronze basierende oder legierte
Beschichtungen erfordern, wo dann der Zusatzmetalldraht den bevorzugten
Beschichtungswerkstoff enthält.
Besondere Überzüge und fast nacharbeitsfrei
geformte Formen können
auch unter Verwendung von Drähten
mit Pulverkernen hergestellt werden, z. B. verdichtete Kohlenstoffpulverkerne
mit einer röhrenförmigen Eisenhülle darum.
Die Begriffe Draht, Zusatzmetalldraht und -Stab sind gleichbedeutende
Begriffe. Schließlich
kann das thermische Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtspritzgerät und -Verfahren
nach der vorliegenden Erfindung auch eine zweite Zusatzmetallversorgung
aufweisen, die vorzugsweise stromunterhalb der offenbarten Zusatzmetalldrahtversorgung
angeordnet ist, wie sie z. B. in unseren US-Patentschriften Nr. 5,296,667 und 5,442,153
offenbart ist, wo über
eine Pulvereinspritzleitung Zusatzmetallpulver in den Plasmastrahl
eingeführt
wird.
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Bei
dem bisherigen Stand der Technik wurde ein Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtbrenner
eingesetzt, der konstruktionsbedingt einige Nachteile aufwies, die
erhebliche Stillstandszeiten beim Produktionseinsatz der Vorrichtung
hervorriefen, aufgrund des durch das Gerät erlittenen Schadens. Zusätzlich führte gelegentliches "Spucken" des Brenners zu
Defekten in der Beschichtung, so daß gemäß dem bisherigen Stand der
Technik beschichtete Teile aussortiert werden mußten, und so daß die so
ausgemusterten Teile entsorgt werden mußten. Das verbesserte Verfahren
und Gerät
zum Auftragen eines Überzuges auf
einer Innenoberfläche
einer Bohrung, bei dem die verbesserte Plasma-Lichtbogen-Metalldrahtbrennereinheit
verwendet wird, senkt ganz erheblich das Auftreten von Vorfällen, die
sonst die Produktionszahlen senken würden und fehlerhafte Beschichtungen
hervorrufen würden,
die wiederum den Ausschuß des Produktes
bedeuten würden,
und macht so das Verfahren und das Gerät wirtschaftlich nutzbar bei
Anwendungsfällen
mit hohen Produktionsstückzahlen, wie
z. B. beim Beschichten von Zylinderbohrungen in Kraftfahrzeugmotorblöcken.