用于熱涂覆表面的裝置的制造方法
【專利說明】用于熱涂覆表面的裝置
[0001] 說明書
[0002] 本發(fā)明涉及一種具有權(quán)利要求1的特征的用于熱涂覆表面的裝置。
[0003] 例如，在專利文獻(xiàn) US 6,372,298 BI、US 6,706,993 BI、US 5,808,270 A 和 W02010/112567 Al中描述用于熱涂覆表面的裝置。那里提到的裝置具有以下共同之處：用 于進(jìn)給可消耗金屬絲的金屬絲進(jìn)料裝置，其中金屬絲用作電極；用于產(chǎn)生等離子氣體流的 等離子氣體源；具有噴嘴口的噴嘴主體，等離子氣體流通過噴嘴口在一個(gè)金屬絲端引導(dǎo)為 等離子氣體射流；以及第二電極，其在等離子氣體流進(jìn)入噴嘴口之前設(shè)置在等離子氣體流 中。專利文獻(xiàn)US 6,610,959 B2*W02012/95371 Al也涉及這種類型的裝置。
[0004] 電弧通過噴嘴口在兩個(gè)電極之間形成。從噴嘴口出現(xiàn)的等離子射流沖擊金屬絲端 并且在那里通過電弧引起金屬絲熔化，并且在要涂覆的表面的方向上運(yùn)走熔化的金屬絲材 料。二次空氣噴嘴圍繞噴嘴口以環(huán)形形狀設(shè)置，其產(chǎn)生次級(jí)氣體射流，次級(jí)氣體射流沖擊已 經(jīng)從金屬絲端熔化掉的材料，因此引起熔化的金屬絲材料在要涂覆的表面的方向上的轉(zhuǎn)移 的加速和二次原子化。
[0005] 專利文獻(xiàn)W02010/112567 Al公開了電弧可以在陽極和陰極之間直接引燃，消除對(duì) 導(dǎo)引電弧的需要。然而，根據(jù)專利文獻(xiàn)US 5, 808, 270A( = DE 697 29 805 T2)的教導(dǎo)，導(dǎo) 引電弧是等離子氣體噴嘴和陰極之間的首先引燃。一俟這個(gè)電弧已經(jīng)引燃，電弧可以轉(zhuǎn)移 到金屬絲。此外，專利文獻(xiàn)US 5,808,270 A公開了陰極單元，其是由具有敷釷鎢的插入物 的銅殼體組成。陰極單元擰緊到陰極夾座。陰極夾座然后以傳統(tǒng)的方式插入到殼體中。
[0006] 專利文獻(xiàn)DE 10 2009 004 581 Al公開了用于金屬絲電弧噴涂的噴涂裝置，包含 自耗金屬絲電極、非自耗電極、用于產(chǎn)生和維持兩個(gè)電極之間的電弧的能量源和用于供應(yīng) 自耗金屬絲電極的金屬絲進(jìn)料裝置。指出可以通過控制單元監(jiān)控能量源的電壓和/或電流 強(qiáng)度?？刂茊卧凑漳芰吭吹碾娏鲝?qiáng)度和/或電壓自動(dòng)地控制金屬絲進(jìn)給速率。通過金屬 絲矯直裝置，當(dāng)自耗電極送入焊炬時(shí)，自耗電極變直，以便確保自耗金屬絲電極與非自耗電 極的軸向?qū)?zhǔn)和自耗金屬絲電極到非自耗電極的精確進(jìn)給。
[0007] 專利文獻(xiàn)W097/14527 Al涉及特別用于電弧工藝的金屬絲進(jìn)料裝置。專利文獻(xiàn) W097/14527 Al描述具有再循環(huán)滾珠螺桿的進(jìn)給裝置，其滾珠圍繞金屬絲在螺旋路徑上移 動(dòng)。這里，裝置的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成金屬絲電極的直線運(yùn)動(dòng)。
[0008] 現(xiàn)代的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)或其發(fā)動(dòng)機(jī)缸體一一尤其具有在其汽缸孔上的鐵或金屬 層一一可以由金屬或例如鋁、鋁塊這樣的輕合金鑄造。金屬層可以通過熱工藝噴涂。除雙 金屬絲電弧噴涂方法（TWA)、HVOF (高速氧燃料）噴涂方法和等離子粉末噴涂方法以外，已 知的熱噴涂方法包括等離子金屬絲噴涂方法或PTWA(等離子轉(zhuǎn)移金屬絲電弧）方法。通過 等離子金屬絲噴涂方法即通過PTWA涂覆汽缸孔，是有利的，因?yàn)橐赃@種方式產(chǎn)生涂層是可 能的，與由灰鑄鐵制成的鑄造襯墊提供的傳統(tǒng)襯里相比，涂層在降低磨損因子和具有降低 油耗的發(fā)動(dòng)機(jī)的較長(zhǎng)使用壽命方面具有積極效果。
[0009] 然而，用于熱涂覆的已知裝置和利用該裝置實(shí)施的方法具有一些缺點(diǎn)。例如，已知 裝置送入要涂覆的汽缸孔中，并且在操作中，旋轉(zhuǎn)自身同時(shí)進(jìn)行線性上下運(yùn)動(dòng)。這里明顯 的是，在裝置的旋轉(zhuǎn)期間，流入汽缸孔的工藝氣體以與葉片相似的方式由裝置上的平坦表 面一一尤其殼體上的平坦表面一一攜帶，引起附加湍流。
[0010] 對(duì)于較高的金屬絲進(jìn)給速率，需要相應(yīng)較高的電流，并且這些同時(shí)引起裝置上較 高的熱應(yīng)力。來自等離子體和來自液體噴涂微粒的熱量輸入，引起孔的表面的劇烈加熱，并 且出現(xiàn)非常高的表面溫度。流出孔的加熱的工藝氣體，導(dǎo)致裝置的附加加熱。除高工作溫 度以外，噴涂粉末和過度噴涂微粒也代表關(guān)于焊炬的可靠的長(zhǎng)期操作的問題。
[0011] 不是所有的液體噴涂微粒粘附到表面，孔中的施加效率大約87%，因此伴隨例如 l〇kg/h這樣的相應(yīng)較高的金屬絲進(jìn)給速率，生成非常大量的粉末。這些噴涂粉末是熱的面 糊狀的微粒，其通過孔中的流動(dòng)的工藝氣體從（鋁）表面或從已經(jīng)形成的噴涂層偏轉(zhuǎn)。這 些微粒然后可以導(dǎo)致在裝置表面上一一特別是在其殼體上一一的沉積物，并且這些可以隨 著噴涂時(shí)間增加而成長(zhǎng)為厚層，并且接著可以作為大塊以不受控制的方式剝落，大塊然后 可以使自身嵌入到功能涂層中或?qū)е卵b置上的短路。一俟在裝置的外表面上形成封閉的導(dǎo) 電層，可以發(fā)生這種短路。
[0012] 此外，已知裝置以這樣的方式形成尺寸，它們可以不再按照成功所需的參數(shù)涂覆 汽缸孔，歸因于所述孔不斷減少的直徑。
[0013] 在這種情況下，本發(fā)明的根本目的是表明用于熱涂覆表面的改進(jìn)的裝置，通過該 裝置，伴隨圍繞內(nèi)軸的旋轉(zhuǎn)同時(shí)進(jìn)行線性運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)甚至小于60mm的相對(duì)小的孔直徑 的內(nèi)涂層，提供高的施加速率和增加的使用壽命，同時(shí)使維護(hù)減少到最低程度。
[0014] 這個(gè)目的是通過具有權(quán)利要求1的特征的裝置實(shí)現(xiàn)。在從屬權(quán)利要求中公開本發(fā) 明的更多特別有利的實(shí)施例。
[0015] 應(yīng)該指出的是，在下面的說明中單獨(dú)詳細(xì)說明的特征可以以任何所需的技術(shù)上有 意義的方式彼此結(jié)合并且公開本發(fā)明的更多改進(jìn)。說明書一一尤其連同附圖一一進(jìn)一步描 述并且詳細(xì)說明本發(fā)明。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明，用于熱涂覆表面的裝置包含至少一個(gè)殼體、陰極、主要?dú)怏w分配器、 次級(jí)氣體分配器、電和熱作用絕緣元件和陽極，陽極設(shè)計(jì)為可消耗金屬絲并且通過金屬絲 導(dǎo)引裝置引導(dǎo)到噴嘴中，其中噴嘴以居中的方式安裝并且具有徑向設(shè)置在其側(cè)面中的一個(gè) 上的一個(gè)平面上的開口。
[0017] 殼體可以是單部件或多部件設(shè)計(jì)，優(yōu)選是具有至少一個(gè)主要元件和至少一蓋元件 的兩部件設(shè)計(jì)，其中噴嘴具有主要?dú)怏w噴嘴和次級(jí)氣體噴嘴，其中主要?dú)怏w噴嘴以居中的 方式安裝在與次級(jí)氣體分配器并聯(lián)連接的主要?dú)怏w分配器上，并且具有徑向設(shè)置在朝著次 級(jí)氣體噴嘴定向的它的側(cè)面上的一個(gè)平面上的開口。開口可以具體體現(xiàn)為槽或孔。
[0018] 在有利的實(shí)施例中，可以為由兩種材料制成的主要?dú)怏w噴嘴作好準(zhǔn)備，其中優(yōu)選 的鎢合金芯優(yōu)選地用銅包封（銅被稱為根據(jù)本發(fā)明意義上的金屬）。因此，盡管高的熱負(fù) 荷，但通過鎢合金芯，實(shí)現(xiàn)在電弧附近伴隨小膨脹和高耐磨性的優(yōu)化的熱傳遞是可能的。也 可以實(shí)現(xiàn)在噴嘴壁區(qū)域中的電弧的冷卻以及因此的收縮。主要?dú)怏w噴嘴也可以由陶瓷材料 形成。
[0019] 主要?dú)怏w噴嘴絕緣也是有利的，以便無電位，確保電弧在陰極和陽極之間直接引 燃，陽極具體體現(xiàn)為金屬絲。因此，主要?dú)怏w噴嘴由陶瓷材料形成也是可能的，確保它是電 中性的。主要?dú)怏w噴嘴也用于捆綁主要?dú)怏w。如果主要?dú)怏w噴嘴具有圓柱形的外部形狀， 這是有利的，其中用于接合在主要?dú)怏w分配器的相應(yīng)凹部中的接合元件設(shè)置在朝著主要?dú)?體分配器定向的側(cè)面上，因此在所有情況下確保兩個(gè)組件相對(duì)于彼此的居中安裝。主要?dú)?體噴嘴可以具有或者圓柱形或發(fā)散的內(nèi)部形狀或者拉瓦爾輪廓。
[0020] 在共同的徑向平面中的開口，即孔或槽的布置與二此氣體噴嘴結(jié)合，導(dǎo)致次級(jí)氣 體迷宮的形成，因此使次級(jí)氣體能夠使用以冷卻主要?dú)怏w噴嘴。同時(shí)，考慮在電弧附近存在 最大熱應(yīng)力的事實(shí)。
[0021] 為了能夠用次級(jí)氣體實(shí)現(xiàn)主要?dú)怏w噴嘴的有利冷卻，有利地建議的是，徑向開口， 即孔/槽的數(shù)目對(duì)稱地大于次級(jí)氣體噴嘴中的次級(jí)氣體孔的次級(jí)氣體孔數(shù)目。例如，在一 個(gè)平面上設(shè)置的12個(gè)徑向槽可以提供在主要?dú)怏w噴嘴中，因此在次級(jí)氣體噴嘴中將可能 僅設(shè)置八個(gè)次級(jí)氣體孔。例如，如果提供了 10個(gè)槽，則六個(gè)次級(jí)氣體孔將是可能的。對(duì)于 從開口，即從主要?dú)怏w噴嘴的孔/槽到次級(jí)氣體噴嘴中的孔的氣流的分布，環(huán)形槽一一其內(nèi) 徑和外徑有利地對(duì)應(yīng)于開口平面，即槽平面中的次級(jí)氣體孔的產(chǎn)生的直徑一一可以結(jié)合到 主要和/或次級(jí)氣體噴嘴中以作為迷宮的另一部分?；旧?，主要?dú)怏w噴嘴居中在主要?dú)?體分配器中并且定次級(jí)氣體噴嘴的中心。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明，如果陰極是由兩種材料形成，這也是有利的，其中優(yōu)選的鎢合金芯是 優(yōu)選地用銅包封。這個(gè)實(shí)施例在優(yōu)化功率和熱傳遞方面具有有利效果，同時(shí)伴隨鎢合金芯 的高溫穩(wěn)定性和耐磨性，同時(shí)需要低的電子功函數(shù)。
[0023] 在有利的實(shí)施例中，陰極在它的優(yōu)選鎢合金芯具體體現(xiàn)為手指形狀，并且這結(jié)合 主要?dú)怏w噴嘴的收斂入口區(qū)域，導(dǎo)致輕微的電弧收縮，從而允許在電弧起點(diǎn)的有用的溫度 分布，這相應(yīng)地對(duì)陰極的使用壽命是有利的。同樣，在陰極的邊緣沒有湍流流動(dòng)。如果主要 氣體噴嘴具有用于主要?dú)怏w的入口區(qū)域，這是有益的，其相對(duì)于陰極以居中的方式收斂或 發(fā)散地收斂，因此確保主要?dú)怏w中的湍流的減少，以便實(shí)現(xiàn)較小湍流的主要?dú)怏w流。
[0024] 在有利的實(shí)施例中，包封的銅套是帽子形設(shè)計(jì)，例如，具有套筒部分和整體形成在 其上的凸緣。手指形一一優(yōu)選鎢合金一一芯容納在套筒部分中。手指形芯的特征在于它越 過套筒部分通過它的優(yōu)選圓形的頂端突出。在手指形芯的頂端區(qū)域中形成至少一個(gè)圓形 槽，也是可能的。外螺紋，其與殼體的--優(yōu)選地蓋元件中的--相應(yīng)內(nèi)螺紋相互作用，其 設(shè)置在套筒部分的外周上。這里有本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)，其中陰極可以擰緊到殼體中，優(yōu)選地 擰緊到蓋元件中。陰極因此通過螺紋部分并且通過凸緣以居中的方式有利地設(shè)置在殼體里 面，并且也保持在這個(gè)中心位置，盡管在操作期間有明顯的熱作用。陰極因此可以摩擦地并 且剛性地有利地連接到殼體，避免在殼體里面對(duì)陰極的簡(jiǎn)單的非剛性支撐，確保熱作用在 螺釘接頭的不需要的松動(dòng)方面不具有有害效應(yīng)，并且有害的熱應(yīng)力在陰極的可能位移方面 也不再有任何影響。在已經(jīng)描述組件和在下面將要給出更多細(xì)節(jié)的仍要描述的組件中，這 個(gè)優(yōu)點(diǎn)也是顯而易見的。如果鍵表面外部地設(shè)置在銅套的凸緣部分上，即從殼體的外部可 接近，這是有利的。以這種方式，在不需要打開整個(gè)殼體的情況下，可以僅通過擰松陰極來 檢查和/或更換陰極。
[0025] 在優(yōu)選實(shí)施例中，殼體（在下面將給出其更多細(xì)節(jié)）是由黃銅制成，因此允許熱應(yīng) 力以及因此螺紋接頭的強(qiáng)度，歸因于鎢合金/銅/黃銅的不同的熱膨脹系數(shù)。通過凸緣和 殼體之間的O型環(huán)，可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)于殼體的陰極的密封，也就是說，例如，相對(duì)于蓋元件的 陰極的密封。如果殼體是多部件結(jié)構(gòu)，也就是說，例如是兩部件結(jié)構(gòu)，主要元件和蓋元件當(dāng) 然是由黃銅形成。
[0026] 在另一有利的實(shí)施例中，主要?dú)怏w分配器是由陶瓷材料形成，并且除它的實(shí)際氣 體分配功能以外，因此也用作殼體、陰極和主要?dú)怏w噴嘴之間的熱和電絕緣體。在優(yōu)選實(shí)施 例中，主要?dú)怏w分配器具有收斂地和/或同中心地設(shè)置的孔，孔從下側(cè)延伸到朝著主要?dú)?體噴嘴定向的側(cè)面。因此，均勻的氣體分布和通過主要?dú)怏w的同時(shí)陰極冷卻，是可能的。利 用孔的有利布置和實(shí)施例，主要?dú)怏w中的湍流是可避免的，并且這相應(yīng)地在相對(duì)于湍流主