[0001] Die Erfindung betrifft eine Lichtbogen-Draht spritzeinrichtung mit einer nicht verbrauchbaren Elektrode sowie ein Verfahren zur Kühlung derselben.

[0002] Lichtbogen-Drahtsprit zeinrichtungen dienen der

Beschichtung von Substraten mit Metall, beispielsweise der Beschichtung von Aluminiumkörpern mit einer Stahlauflage. Dazu wird das Beschichtungsmaterial mittels Lichtbogens aufgeschmolzen und durch einen Gasstrahl auf die zu be schichtende Fläche übertragen.

[0003] Eine solche Vorrichtung zum Lichtbogen-Draht spritzen ist beispielsweise aus der DE 102009 004 581 Al bekannt. Diese Lichtbogen-Drahtspritzeinrichtung weist eine DrahtZufuhreinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, ei nen Lichtbogenbrenner Draht zuzuführen. Der Lichtbogenbren ner weist eine Gegenelektrode auf, der ein Kühlkanal zuge ordnet ist, um die Gegenelektrode zu kühlen. Dazu ist die Gegenelektrode aus Wolfram oder aus mit Wolfram ummantelten Kupfer als Hohlkörper ausgebildet, sodass sie von dem Kühl mittel durchströmbar ist. Zur Kühlmittelzufuhr sind an die nicht verbrauchbare Gegenelektrode Kühlkanäle eines Kühl mittelkreislaufs angeschlossen.

[0004] Bei der direkten Einleitung von Kühlmittel in die Gegenelektrode kann es bei hohem Wärmeeintrag in die Gegen- elektrode zu lokaler Überlastung des Kühlmittels, zum Bei spiel zur Dampfblasenbildung kommen. Es ist einerseits er forderlich, die Gegenelektrode auf einer Betriebstemperatur zu halten, die eine thermische Elektronenemission ermög licht, andererseits aber muss ein Abschmelzen der Gegen elektrode vermieden werden.

[0005] Gelingt dies nicht, kann die Qualität der Be schichtung gemindert werden, indem von der nicht verbrauch baren Gegenelektrode Partikel aufgeschmolzen und als Fremd körper in die Beschichtung eingetragen werden. Andererseits ist bei zu niedriger Temperatur die Elektronenemission nicht ausreichend und die Lichtbogenqualität kann leiden.

[0006] Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ei ne Lichtbogen-Drahtspritzeinrichtung anzugeben, mit der sich Beschichtungen zuverlässig in hoher Qualität erzeugen lassen.

[0007] Diese Aufgabe wird mit der Lichtbogen-Draht spritzeinrichtung nach Anspruch 1 gelöst:

[0008] Erfindungsgemäß weist die Lichtbogen-Drahtspritz- einrichtung eine DrahtZufuhreinrichtung auf, mit der Draht in Richtung einer Gegenelektrode gefördert wird, um mit dieser einen Lichtbogen auszubilden. Dazu sind sowohl der Draht über eine Stromzufuhreinrichtung als auch die Gegen elektrode mit einer entsprechenden Stromquelle verbunden. Die Gegenelektrode ist im Betrieb typischerweise als Katho de geschaltet, d.h., mit dem vorwiegend negativen Pol der Stromquelle verbunden. Die Stromquelle kann eine Gleich stromquelle oder eine Stromquelle für gepulsten Gleichstrom oder auch mit einem Wechselstrom überlagerten Gleichstrom sein. [0009] Der Gegenelektrode ist ein Kühlkanal zugeordnet, der vorzugsweise vollständig außerhalb der Gegenelektrode angeordnet ist. Die Gegenelektrode ist vorzugsweise massiv ausgebildet und enthält keine kühlmitteldurchströmten Hohl räume. An ihrer Außenfläche kann sie jedoch von Kühlmittel umspült sein.

[0010] Durch die Anordnung des Kühlkanals außerhalb der Gegenelektrode werden sowohl eine Überlastung des Kühlmit tels als auch ein zu starker Wärmeaustrag aus der Gegen elektrode vermieden.

[0011] Die Gegenelektrode ist vorzugsweise in einem So ckel gefasst, der mit dem Kühlkanal in wärmeübertragender Verbindung steht. Während die Gegenelektrode vorzugsweise aus Wolfram oder einer Wolframlegierung, beispielsweise ei ne mit einem Metalloxid, beispielsweise Lanthanoxid legier ten Wolframwerkstoff besteht, ist der Sockel aus einem hoch wärmeleitfähigem Material, wie beispielsweise Kupfer, Alu minium oder dergleichen, ausgebildet. Der Sockel kann dabei der Wärmeverteilung dienen und somit die Ausbildung von Hotspots im Kühlkanal vermeiden. Anstelle von hochwärme leitfähigen Metallen, wie Kupfer oder Aluminium, kann der Sockel auch aus einem anderen Wärmeleitmaterial oder einer wärmeleitfähigen Legierung ausgebildet sein.

[0012] Der Sockel weist vorzugsweise eine mit der Gegen elektrode in Berührung stehende Wärmeaufnahmefläche sowie eine Wärmeabgabefläche auf, die größer ist als die Wär meaufnahmefläche. Dies führt zu einer Abschwächung, d.h. einer Verminderung der Leistungsdichte des Wärmeflusses von der Gegenelektrode zu dem Kühlkanal.

[0013] Die Wärmeabgabefläche steht vorzugsweise mittel bar oder unmittelbar mit in dem Kühlkanal strömenden Medium in Wärmeaustausch. Vorzugsweise kann der Kühlkanal in einer Fassung angeordnet sein, die dem Sockel zugeordnet ist. Der Sockel dient dazu, die Gegenelektrode lösbar mit der Fas sung zu verbinden. Der Kühlkanal kann den Sockel durchset zend oder auch diesen nicht durchsetzend ausschließlich in der Fassung angeordnet sein. Durchsetzt der Kühlkanal den Sockel, kann das Kühlmedium die Außenfläche der Gegenelekt rode direkt umspülen und dadurch einen hohen Wärmeaustrag aus der Gegenelektrode bewirken. Außerdem kann, wenn der Kühlmittelstrom einer Elektrodentemperaturregelung unter liegt, die Trägheit der Regelung vermindert werden.

[0014] Bei einer anderen Ausführungsform ist der Kühlka nal ausschließlich in der Fassung untergebracht. Der Wärme übergang von dem Sockel auf die Fassung erfolgt dann über Passflächen des Sockels und der Fassung. Die Passflächen bilden vorzugsweise eine Übergangspassung, sodass die Pass fläche des Sockels und die Passfläche der Fassung spaltlos, d.h. mit einer Spaltweite von Null, aneinander anliegen und so ein guter Wärmeübergang sichergestellt ist. Die Passflä chen können geschwärzt sein, um den Wärmeübergang noch zu verbessern.

[0015] Vorzugsweise ist der Kühlkanal mit einer Speise einrichtung verbunden, die hinsichtlich der Kühlmitteltem peratur und/oder der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmit tels regulierbar ausgebildet ist. Damit wird es möglich, während des Betriebs der Lichtbogen-Drahtspritzeinrichtung den Wärmeaustrag aus der Gegenelektrode zu regulieren und damit dafür zu sorgen, dass die Gegenelektrode einen ge wünschten Temperaturbereich nicht verlässt. Es ist möglich, die Temperatur der Gegenelektrode oder die Temperatur des Kühlmittels als Führungsgröße zu nutzen. Die Temperatur der Gegenelektrode kann beispielsweise pyrometrisch gemessen werden. Die Temperatur des Kühlmittels wird vorzugsweise von der Gegenelektrode gesehen stromabwärts im Kühlmit telstrom gemessen. Weiter ist es möglich, elektrische Kenn größen, wie zum Beispiel die zwischen dem Draht und der Ge genelektrode vorhandene Spannung und/oder den fließenden Strom zu überwachen und als Kriterium für die Erhöhung oder Verminderung der Kühlung der Gegenelektrode heranzuziehen.

[0016] Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kühlung einer als Kathode betriebenen nicht verbrauchbaren Gegenelektrode eines Lichtbogenbrenners dient dazu, der Gegenelektrode über ein Kühlmittel Wärme zu entziehen. Dabei wird die Leistungsdichte des abzuleitenden Wärmeflusses von der Ge genelektrode zu dem Kühlmittel hin reduziert, indem der Wärmefluss über eine Wärmeaufnahmefläche in einen Sockel und von diesem über eine Wärmeabgabefläche auf das Kühlmit tel geleitet wird. Der Flächeninhalt der Wärmeabgabefläche ist größer als der Flächeninhalt der Wärmeaufnahmefläche. Damit werden lokale Hot-Spots im Kühlmittelkanal vermieden.

[0017] Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungs formen der Erfindung sind Gegenstand der Zeichnung, der zu gehörigen Beschreibung und/oder von Ansprüche. Es zeigen:

[0018] Figur 1 einen Brenner einer Lichtbogen-Draht spritzeinrichtung beim Beschichten einer Bohrungsfläche, in schematischer Darstellung,

[0019] Figur 2 den Brenner nach Figur 1, in schemati scher VertikalSchnittsdarstellung,

[0020] Figur 3 eine Gegenelektrode mit ihrem Sockel und der zugeordneten Fassung des Brenners nach Figur 1 und 2, in schematisierter Vertikalschnittdarstellung, [0021] Figur 4 den Brenner und seine Kühleinrichtung, in schematischem Funktionsbild,

[0022] Figur 5 eine abgewandelte Ausführungsform der Fassung des Sockels und der Gegenelektrode, in schemati scher VertikalSchnittdarstellung.

[0023] In Figur 1 ist ein Lichtbogenbrenner 10 einer Lichtbogen-Drahtspritzeinrichtung veranschaulicht, der zur Veranschaulichung seiner Funktion in eine Bohrung 11 eines Werkstücks 12 eintauchend veranschaulicht ist. Der Lichtbo genbrenner 10 dient dazu, die Bohrungswandung 13 mit einer Metallschicht, insbesondere einer Stahlschicht, zu verse hen. Das Werkstück 12 kann beispielsweise ein Motorblock oder ein anderer Gegenstand, insbesondere ein Gegenstand aus Aluminium sein. Zur Beschichtung der Wandung 13 erzeugt der Lichtbogenbrenner 10 einen aus Metalltröpfchen beste henden Sprühstrahl 14, der auf die Wandung 13 gerichtet ist.

[0024] Der Aufbau des Lichtbogenbrenners 10 ist schema tisch aus Figur 2 ersichtlich. Über eine in Figur 1 ledig lich symbolisch angedeutete DrahtZufuhreinrichtung 15a wird ein Draht 15 dem Lichtbogenbrenner 10 mit kontrollierter Geschwindigkeit und/oder kontrolliertem Bewegungsprofil zu geführt. Zwischen dem an seinem Ende stets abschmelzenden Draht 15 und einer sich in Betrieb nicht wesentlich ver brauchenden Gegenelektrode 16 brennt ein Lichtbogen 17. Ei ne neben dem Lichtbogen 17 angeordnete Blasdüse 18 dient dazu, von dem Draht 15 abschmelzende Metalltröpfchen in Form eines Strahls, beispielsweise eines Fächer- oder Ke gelstrahls auszutragen und so den Spühstrahl 14 zu bilden.

[0025] Die Gegenelektrode 16 weist an ihrem dem Draht 15 zugewandten Ende eine Kegelspitze 19 auf, an die sich ein beispielsweise zylindrischer Schaft 20 anschließt. Die Spitze kann scharf oder gerundet oder abgeflacht ausgebil det sein. Die Kegelspitze 19 und der Schaft 20 sind vor zugsweise als einziges Teil nahtlos aus ein- und demselben Material ausgebildet. Beispielsweise besteht die Gegen elektrode 16 aus einer Wolframlegierung, vorzugsweise einer Legierung aus Wolfram und ein Metalloxid, beispielsweise Wolfram und Lanthanoxid oder Toriumoxid. Diese Zusammenset zung stellt sowohl eine hohe Elektronenemissionsfähigkeit als auch die nötige thermische Standfestigkeit der Gegen elektrode 16 sicher.

[0026] Die Gegenelektrode 16 ist als massiver Körper frei von Hohlkörpern ausgebildet und in einen Sockel 21 eingelassen, der aus einem Wärmeleitmaterial ausgebildet ist. Als solches eignen sich Kupfer, Kupferlegierungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen oder auch elektrisch und thermisch leifähige Keramikmaterialien wie zum Beispiel Si- liziumcarbid. Die Gegenelektrode 16 kann mit dem Material des Sockels 21 verschweißt, verpresst oder anderweitig fest verbunden sein. Die entstehende Kontaktfläche 22 bildet die Wärmeaufnahmefläche 22 des Sockels 21.

[0027] Vorzugsweise weist diese einen Flächeninhalt auf, der größer ist als die Außenfläche der Kegelspitze. Vor zugsweise ist die Wärmeaufnahmefläche 22 außerdem größer als die Oberfläche des gesamten aus dem Sockel 21 herausra genden Abschnitts der Gegenelektrode 16.

[0028] Der Sockel 21 kann nach Art eines Bolzens ausge bildet sein, der über eine Wärmeabgabefläche 23 mit einer Fassung 24 in Berührung steht. Die Wärmeabgabefläche 23 kann beispielsweise eine Zylinderfläche, eine Kegelfläche oder dergleichen sein. Vorzugsweise ist sie konzentrisch zu der Wärmeaufnahmefläche 22 angeordnet. Der Wärmeabgabeflä che 23 ist eine entsprechend geformte Anlagefläche 25 der Fassung 24 zugeordnet. Die Durchmesser der Wärmeabgabeflä che 23 und der Anlagefläche 25 sind vorzugsweise so aufei nander abgestimmt, dass sich eine feste Anlage der beiden Flächen 23, 25 aneinander ergibt. Vorzugsweise bilden diese eine Übergangspassung. Die Wärmeabgabefläche 23 und die An lagefläche 25 bilden somit Passflächen, die in montiertem Zustand spaltlos aneinander anliegen. Die Wärmeabgabefläche 23 und die Anlagefläche 25 sind vorzugsweise Zylinderflä chen. Sie können aber auch als übereinstimmende Kegelflä chen ausgebildet sein. Eine andere Möglichkeit zur Erzie lung einer spaltlosen Anlage zwischen der Wärmeabgabefläche 23 und der Anlagefläche 25 ist, die betreffenden Teile aus Materialien herzustellen, die einen unterschiedlichen Wär meausdehnungskoeffizient besitzen, wobei insbesondere der Sockel 21 einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten auf weist als die Fassung 24. Im warmen zustand entsteht somit eine Presspassung zwischen der Wärmeabgabefläche 23 und der Anlagefläche 25. Auch kann der Wärmeausdehnungskoeffizient der Fassung 21 kleiner sei, als der Wärmeausdehnungskoeffi zient der Gegenelektrode 16 bzw. des Schafts 20.

[0029] Die Gegenelektrode 16 ist mit dem Sockel 21 elektrisch verbunden, der seinerseits mit der Fassung 24 elektrisch verbunden ist. Die Stromzuführung zu der Gegen elektrode 16 erfolgt über das Gehäuse 10, die Fassung 24 und den Sockel 21.

[0030] An seinem von der Gegenelektrode 16 abliegenden Ende weist der Sockel 21 ein Gewinde 26 auf, das in ein entsprechendes Gewinde 27 der Fassung eingeschraubt ist. Auch die beiden Gewinde 26, 27 tragen zur Wärmeübertragung von dem Sockel 21 auf die Fassung 24 bei.

[0031] Im Übergang zwischen dem Gewinde 26 und der Wär meabgabefläche 23 kann der Sockel 21 mit einer Schulter 28 versehen sein, die an einer entsprechenden Stufe der in der Fassung 24 vorgesehenen Aufnahmebohrung anliegt. Durch hier angeordnete Abstimmscheiben kann die Axialposition der Ge genelektrode 16 fein eingestellt werden.

[0032] Die Fassung 24 enthält mindestens einen Kühlkanal 29, der sich in mindestens einer, vorzugsweise mehreren Windungen 29a, 29b um die Aufnahmebohrung für den Sockel 21 schlingt. Der Kühlkanal 29 kann dabei einer Schraubenlinie folgen. Sein Zulauf 30 ist vorzugsweise mit dem von der Ge genelektrode 16 fernliegenden Ende der schraubenförmigen Windungen 29a, 29b des Kühlkanals 29 verbunden. Der Ablauf 31 ist vorzugsweise mit dem der Gegenelektrode 16 nahen En de des schraubenförmigen Kühlkanals 29 verbunden. Eine al ternative Anordnung ist jedoch möglich.

[0033] Der Kühlkanal 29 wird vorzugsweise von einem flüssigen Wärmeträgerfluid insbesondere Wasser durchströmt. Bevorzugt wird dabei entionisiertes Wasser, gegebenenfalls zur Verminderung der elektrischen Leitfähigkeit mit einer Beimischung von Glykol. Damit ist der Kühlkreislauf elektrisch von der Gegenelektrode 16 trennbar.

[0034] Wie Figur 4 zeigt, ist der Draht 15 mit einer Stromzufuhreinrichtung 32, beispielsweise in Form von Schleifkontakten oder ähnlichem, verbunden, die den Draht 15 elektrisch mit einer Lichtbogenstromquelle 33 verbinden. Diese ist vorzugsweise als Gleichspannungs- oder Gleich stromquelle ausgebildet, wobei ihr negativer Pol vorzugs weise mit der Gegenelektrode 16 verbunden ist, die somit für den Lichtbogen 17 die Kathode bildet.

[0035] Der Kühlkanal 29 ist über einen Kühler 34 und ei ne Pumpe 35 zu einem Kühlkreislauf geschlossen. Die Kühl wirkung desselben kann fest eingestellt oder auch regulier bar sein. In dem in Figur 4 veranschaulichten Ausführungs beispiel wird die Regulierung der Kühlwirkung durch Rege- lung der Drehzahl der Pumpe 35 bewirkt. Eine dazu vorgese hene Steuereinrichtung 36 kann die Drehzahl der Pumpe 35 beispielsweise anhand der Temperatur der Gegenelektrode 16, anhand der Temperatur des Kühlmittels oder auch anhand elektrischer Größen regeln, die sich an dem Lichtbogen 17 ergeben. Dazu kann die Steuereinrichtung 36 den Lichtbogen strom und die Lichtbogenspannung erfassen, um daraus und anhand eines geeigneten Lichtbogenmodells den Kühlbedarf der Gegenelektrode 26 zu ermitteln. Zusätzlich oder alter nativ kann die Steuereinrichtung 36 mit der Lichtbogen stromquelle verbunden sein, um im einfachsten Fall synchron oder zeitversetzt zu der Lichtbogenstromquelle 32 ein- und ausgeschaltet zu werden.

[0036] Der insoweit beschriebene Lichtbogenbrenner 10 und die ihm zugeordneten Elemente arbeiten wie folgt:

[0037] In Betrieb wird zwischen dem stets zugeführten Draht 15 und der Gegenelektrode 16 die Lichtbogenspannung aufrechterhalten, wobei der Lichtbogen 17 mit dem nötigen von der Lichtbogenstromquelle 33 gelieferten Strom gespeist wird. Ein aus der Düse 18 entlassener Gasstrahl bläst dabei den Sprühstrahl 14 auf die Wandung 13. Zugleich rotiert der Lichtbogenbrenner um seine Achse 37 wobei er gegebenenfalls axial bewegt wird. Die als Kathode betriebene Gegenelektro de 16 heizt sich durch ohmsche Verluste sowie durch die Wirkung des Lichtbogens auf Temperaturen zwischen 2000°C und 3000°C auf und emittiert insbesondere an ihre Spitze Elektronen. Wie erwähnt kann das hier allgemein als „Kegel spitze 19" bezeichnete Ende der Gegenelektrode 16 zuge spitzt oder auch abgerundet oder abgeflacht ausgebildet sein. Ein Teil der vom Lichtbogen umgesetzten thermischen Leistung muss von der Gegenelektrode 16 abgeführt werden. Diese Wärme wird zunächst über die Wärmeaufnahmefläche 22 auf den Sockel und von diesem über die Wärmeabgabefläche 23 auf die Fassung 24 übertragen. Die Wärme wird dabei aus Sicht der Gegenelektrode 16 zunächst großräumig verteilt und kann über die erhebliche Länge des Kühlkanals 29 auf das Kühlmittel übertragen werden. Eine lokale Überhitzung, Dampfblasenbildung oder dergleichen ist ausgeschlossen.

[0038] Die Steuereinrichtung 36 kann dabei den Kühlpro zess regulieren um eine zu starke Kühlung der Gegenelektro de 16 ebenso zu verhindern wie eine zu geringe Kühlung der selben.

[0039] Figur 5 veranschaulicht eine abgewandelte Ausfüh rungsform des Sockels 21 und der Fassung 24 der Gegenelekt rode 16, für die die vorige Beschreibung unter Zugrundele gung gleicher Bezugszeichen unter Beachtung der nachfolgend erläuterten Besonderheiten entsprechend gilt:

[0040] Während der Kühlkanal 29 bei der Ausführungsform nach Figur 3 ausschließlich in der Fassung 24 verläuft, durchsetzt er bei der Ausführungsform nach Figur 5 sowohl die Fassung 24 als auch den Sockel 21. Dieser weist einen dem Kühlkanal 29 zugehörigen Innenraum 38 auf, der an dem von der Gegenelektrode weg liegenden Ende durch einen Stop fen 39 oder andere geeignete Mittel verschlossen ist. Der Innenraum 38 kommuniziert über eine Einlassbohrung 40 und mindestens eine Auslassbohrung 41 mit entsprechenden über Dichtungen abgedichteten Ringnuten der Fassung 24, die mit dem Zulauf 30 und dem Ablauf 31 kommunizieren.

[0041] Die Gegenelektrode 16 ist in dem Sockel 21 ge fasst und kann Wärme über die Wärmeaufnahmefläche 22 an den Sockel 21 abgeben, der seinerseits über die Wärmeabgabeflä che 23 Wärme direkt auf das Kühlmittel übertragen kann. Die von der Kegelspitze 19 weg weisende Stirnfläche der Gegen- elektrode 16 kann mit dem Kühlmittel in Berührung stehen. Die Wärmeabgabefläche 23 bildet hier eine Wandung des In nenraums 38 und somit des Kühlmittelreservoirs. Zusätzlich kann die Gegenelektrode 16 mit ihrem Schaft 20 in den In nenraum 38 ragen und somit auch an Abschnitten ihrer Man telfläche in direkten Kontakt mit dem Kühlmittel treten. Jedoch ist die Gegenelektrode 16 auch bei dieser Ausfüh rungsform massiv ausgebildet und frei von Hohlräumen.

[0042] Die erfindungsgemäße Lichtbogen-Drahtspritzein- richtung weist einen Lichtbogenbrenner 10 auf, der als Ano de einen stets zugeführten Draht 15 und als Kathode eine Gegenelektrode 16 aufweist, der ein Kühlkanal 29 zugeordnet ist. Dieser ist außerhalb der Gegenelektrode 16 angeordnet, die somit massiv und frei von Hohlräumen ausgebildet ist. Damit ist einerseits eine wirksame und über einen weiten Betriebsbereich funktionsfähige Kühlung der Gegenelektrode 16 geschaffen.

BezugsZeichen:

10 Lichtbogenbrenner

11 Bohrung

12 Werkstück

13 Wandung der Bohrung 11

14 Spray

15 Draht

15a DrahtZufuhreinrichtung

16 Gegenelektrode

17 Lichtbogen

18 Blasdüse

19 Kegelspitze

20 Schaft Sockel

Wärmeaufnahmefläche Wärmeabgabefläche und Passfläche Fassung

Anlagefläche und Passfläche Gewinde des Sockels Gewinde der Fassung Schulter Kühlkanal a, 29b Windungen des Kühlkanals 29

Zulauf

Ablauf

Stromzufuhreinrichtung

Lichtbogenstromquelle

Kühler

Pumpe

Steuereinrichtung

Achse des Lichtbogenbrenners 10

Innenraum

Stopfen

Einlassbohrung

Auslassbohrung