DE20017117U1

DE20017117U1 - Plasma-Pulver-Schweißbrenner

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Publication number: DE20017117U1
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Priority date: 2000-10-04
Filing date: 2000-10-04
Publication date: 2000-12-21
Anticipated expiration: 2010-10-05

Description

Beschreibung: G OO 100

Peter Lülsdorf 53859 Niederkassel-Mondorf

Plasma-Pulver-Schweißbrenner

Die Erfindung bezieht sich auf einen Plasma-Pulver-Schweißbrenner zur Erzeugung einer auf einem Werkstück auftraggeschweißten Schicht aus einem pulverförmigen Matrixmaterial, umfassend ein Gehäuse mit einer zentrisch angeordneten Elektrode, die von einem koaxialen ringförmigen Zuführkanal für ein Plasmagas umgeben ist, der an der Elektrodenspitze in eine Plasmadüse für das Plasmagas mündet, sowie einem den Zuführkanal für das Plasmagas beabstandet umgebenden Zuführkanal für das Matrixmaterial mit einem die Plasmadüse umgebenden Austrittsende und einer diese umgebenden äußeren ringförmigen Austrittsöffnung eines Zuführkanals für ein Schutzgas, wobei zwischen Elektrode und Plasmadüse ein Pilotlichtbogen mittels Hochfrequenz zündbar ist und zwischen Elektrode und Werkstück ein durch den Pilotlichtbogen gezündeter Hauptlichtbogen erzeugbar ist.

Das Plasma-Pulver-Auftragschweißen ist eine Variante des Plasmaschweißens, eines Lichtbogenschweißverfahrens, wie es schematisch in der Figur 6 dargestellt ist. Es arbeitet mit einem eingeschnürten Lichtbogen zwischen einer Wolframelektrode 16 und dem Werkstück 2. Der Hauptlichtbogen b wird durch einen nicht übertragenen Pilotlichtbogen a zwischen der Wolframelektrode 16 und der Plasmadüse 100 mittels Hochfrequenz HF gezündet. Hauptlichtbogen b und Pilotlichtbogen werden von je einer

Stromquelle gespeist, die unabhängig voneinander geregelt werden. Ein Inertgas wie Argon umhüllt als Plasmagas d die Elektrode 16 und wird über den ringförmigen Zuführkanal 10 zugeführt. Im Lichtbogen wird das Plasmagas so stark erhitzt, daß es dissoziiert und ionisiert und somit als Plasmastrahl hoher Temperatur (20 000⁰C) und Energiedichte aus der Plasmadüse 100 austritt. Durch Aufheizung und erhöhte Einengung in der Plasmadüse erhält der Plasmastrahl eine Ausströmgeschwindigkeit bis zu 500 m/sek. Für die Beschichtung wird ein pulverförmiges Matrixmaterial e über den ringförmigen, das Plasmagas koaxial beabstandet umgebenden Zuführkanal 11 mittels eines Pulverfördergases zugeführt und tritt in einer ringförmigen Austrittsöffnung 100b neben der Plasmadüse 100 aus und wird im Pilotlichtbogen a vorgewärmt und im Plasmastrahl f verflüssigt und feinsttropfig auf das Werkstück 2 aufgebracht. Durch die hohe Energiedichte und geringe Wärmeeinbringung wird der Grundwerkstoff des Werkstückes dabei 5 oberflächig so angeschmolzen, daß zwischen Beschichtung 20 und Werkstück 2 eine echte Schmelz-Schweiß-Verbindung entsteht. Der Plasmastrahl wird des weiteren von einem Schutzgasmantel C umhüllt, der ringförmig um die Plasmadüse austritt und über den Zuführkanal 13 zugeführt wird. Der Plasma-Pulver-Schweißbrenner 1 umfaßt die Gehäuseteile 18, 17, 15, wobei zumindest die inneren Gehäuseteile mit einer Kühlung 3 ausgestattet sind. Die Zündung des Lichtbogens erfolgt mittels Hochfrequenz HF.

Mit dem bekannten Plasma-Pulver-Schweißbrenner kann in einem Arbeitsgang eine Schicht aus einem Matrixmaterial hergestellt werden, wobei dieses Matrixmaterial ein Einpulver oder ein Mischpulver sein kann. Das Plasma-Pulver-Auftragschweißen wird insbesondere zum Herstellen von hochwertigen Verschleißschutzschichten eingesetzt. Nachteilig ist es, daß dem Matrixmaterial beigemischte Hartstoffe im Plasmastrahl aufschmelzen können und nicht als Hartstoffe in der Matrixschicht eingelagert werden, wodurch bei der Erstarrung der auftraggeschweißten Schicht die Eigenschaften des Matrixpulvers und der zugegebenen Hartstoffe durch Bildung einer neuen Legierung verändert werden können. Es wurde daher

schon versucht, unmittelbar neben dem Plasmastrahl in einem stumpfen Winkel zu demselben zwischen Plasma-Pulver-Sschweißbrenner und Werkstück in einem Röhrchendraht eingefüllte Hartstoffe in die Schmelzpfütze auf der Beschichtung des Werkstückes einzubringen, um so ein Aufschmelzen der Hartstoffe zu vermeiden und den Charakter der auftraggeschweißten Schicht aus Matrixpulver und der eingelagerten Hartstoffe zu erhalten. Hierbei ist jedoch eine gleichmäßige Verteilung der außerhalb des Brenners dem Plasmastrahl und der Schmelzpfütze zugeführten Hartstoffe im Matrixmaterial nicht immer erreichbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Plasma-Pulver-Schweißbrenner zu schaffen, mit dem es möglich ist, eine auftraggeschweißte Schicht, umfassend mehr als einen Werkstoff, zu erzeugen, wobei die verschiedenen Werkstoffe gleichmäßig in der Beschichtung verteilt sind und 5 bei der Zugabe von Hartstoffen diese erhalten bleiben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Ausgestaltung eines Plasma-Pulver-Schweißbrenners gemäß den Merkmalen des Schutzanspruches 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch Ausgestaltung eines Plasma-Pulver-Schweißbrenners der gattungsgemäßen Bauweise dadurch, daß sich an die Plasmadüse für das Plasmagas in Ausströmrichtung eine Sekundärdüse mit gegenüber der Plasmadüse vergrößertem lichten Durchmesser anschließt und das Austrittsende des Zuführkanals für das Matrixmaterial in die Sekundärdüse einmündet und mindestens zwei weitere Zusatzkanäle für pulverförmige Komponenten vorgesehen sind und die Zusatzkanäle in die Sekundärdüse in Ausströmrichtung nach der Einmündung des Austrittsendes für das

Matrixmaterial einmünden, wobei die Zusatzkanäle gleichmäßig am Umfang der Sekundärdüse einmündend verteilt angeordnet sind.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung einer zusätzlichen Sekundärdüse, die sich an die Plasmadüse anschließt und die einen gegenüber der Plasmadüse vergrößerten Durchmesser aufweist, wird es ermöglicht, daß zusätzlich zu dem Matrixmaterial weitere Komponenten wie Legierungen und/oder Hartstoffe dem Plasmastrahl zugeführt werden können und eine gleichmäßige Verteilung vorwiegend am Rand des Plasmastrahls und auch innerhalb des Matrixmaterials vor dem Auftreffen auf dem Werkstück erfolgen kann. Da die zusätzlichen Komponenten nach der Zuführung des Matrixmaterials der Plasmaflamme zugeführt werden, ist die thermische Belastung für die zusätzlichen Komponenten nicht mehr so hoch, so daß es auch möglich ist, außer Legierungen auch Hartstoffe dem Matrixmaterial zuzugeben, ohne daß diese aufschmelzen und damit die Eigenschaften der Matrixlegierung und der Hartstoffe erhalten bleiben und qualitativ wesentlich verbesserte Verschleißschutzschichten oder Korrosionsschutzschichten erzeugt werden.

Der erfindungsgemäße Plasma-Pulver-Schweißbrenner ermöglicht, daß in einem Arbeitsgang Schichten aus einer einzigen Legierung und bis zu fünf verschiedenen Legierungen und/oder reinen Metallen und Hartstoffen zum Verschleiß- und/oder Korrosionsschutz von hochbelasteten Oberflächen aufgeschweißt werden.

Die Menge der einzelnen Werkstoffanteile sowohl des Matrixmaterials als auch der zusätzlichen Komponenten bestehend aus Hartstoffen, und/oder Legierungen und/oder Metallen ist einstellbar, so daß gradierte Schichten erzeugt werden können. Diese Variabilität und Präzision wird durch die Trennung der Pulverzuführung für das Matrixmaterial von den zusätzlich einzeln zugegebenen anderen pulverförmigen Komponenten erreicht.

Für die Zuführung zusätzlicher Komponenten ist eine Sekundärdüse in Verlängerung der Plasmadüse, jedoch mit vergrößertem Durchmesser

gegenüber der Plasmadüse vorgesehen. Das Matrixmaterial tritt direkt bei Austritt des Lichtbogens aus der Plasmadüse in den heißen Plasmastrahl ein und wird in diesem aufgeschmolzen, während die zusätzlichen Komponenten erst danach in der Sekundärdüse und vor dem Verlassen der Plasmaflamme der Sekundärdüse über entsprechende Zusatzkanäle an die Randzone der Plasmaflamme herangebracht werden, wo die Temperaturen bereits etwas niedriger sind und zugleich die Zuführung und Dosierung der zusätzlichen Komponenten präzise erfolgen kann und eine homogene Verteilung in der Plasmaflamme und dem Matrixmaterial erfolgen kann.
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Die Zusatzkanäle weisen bevorzugt im Einmündungsbereich in die Sekundärdüse untereinander gleiche Querschnitte auf.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Plasma-Pulver-5 Schweißbrenners sind zwei, drei oder vier Zusatzkanäle für die Zuführung von pulverförmigen Komponenten wie Hartstoffen oder Legierungen vorgesehen, die im Querschnitt der Sekundärdüse betrachtet in gleichmäßigem Abstand voneinander in diesen mit gleichen Querschnitten einmünden.

Insbesondere ist es mit dem erfindungsgemäßen Plasma-Pulver-Schweißbrenner möglich, die Zusatzkanäle für die Komponenten in einem solchen Abstand von der Plasmadüse in die Sekundärdüse einmünden zu lassen, daß ein Aufschmelzen von als Komponenten zugeführten Hartstoffen in der Plasmaflamme zumindest weitgehend verhinderbar ist. Eine thermisch schonende Behandlung der zusätzlich über die Zusatzkanäle eingeführten Komponenten wird auch dadurch gezielt gefördert, daß die Zusatzkanäle für die Komponenten unter einem flacheren Winkel in bezug auf die Ausströmrichtung der Plasmaflamme, wie der Zuführkanal für das Matrixmaterial mit seinem Winkel in die Sekundärdüse einmünden. Besonders bevorzugt ist, daß die Zusatzkanäle unter einem Winkel &agr; von 85 bis 65° in bezug auf die Ausströmrichtung der Plasmaflamme in die Sekundärdüse einmünden. In weiterer Ausgestaltung des Plasma-Pulver-Schweißbrenners wird vorgeschlagen, daß der Zuführkanal für das Matrixmaterial unter einem

&idiagr; ·

Winkel &bgr; kleiner 65°, vorzugsweise kleiner 55° in bezug auf die Ausströmrichtung der Plasmaflamme in die Sekundärdüse einmündet.

Durch die Variation des Einmündungswinkels &agr; der Zusatzkanäle kann die Verweildauer der Hartstoffe in der Sekundärdüse und damit im Einflußbereich der heißen Plasmaflamme variiert werden. Im optimalen Fall ist es mit dem erfindungsgemäßen Plasma-Pulver-Schweißbrenner möglich, zum einen das zugeführte Matrixmaterial in der gewünschten Dosierung vollständig innerhalb der heißen Plasmaflamme aufzuschmelzen und auf dem Substrat aufzuschweißen, während gleichzeitig die über die Zusatzkanäle zugeführten zusätzlichen Komponenten lediglich an der Außenoberfläche der Plasmaflamme anliegend homogen verteilt zum Werkstück gefördert werden, ohne daß es zu einem Aufschmelzen oder Verdampfen dieser Zusatzmaterialien, beispielsweise Hartstoffen infolge der heißen Plasmaflamme kommt.

Andererseits ist es auch möglich, über die Zusatzkanäle zusätzliche Legierungen dem Matrixmaterial zuzuführen, wobei dieses gegebenenfalls mit aufgeschmolzen wird.

Zur Schaffung eines kompakten und an vorhandene Anlagen einfach adaptierbaren Plasma-Pulver-Schweißbrenners wird vorgeschlagen, daß der Zuführkanal für das Matrixmaterial, die Zusatzkanäle für die Komponenten und die Zuführung für das Schutzgas ausgehend von entsprechenden Anschlußöffnungen am Gehäuse an die Zuführleitungen anschließbar sind, innerhalb des Gehäuses verlaufend angeordnet sind.
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Da das Matrixmaterial und die Komponenten in der Regel pulverförmig vorliegen und z. B. mittels entsprechender Trägergase in den Plasma-Pulver-Schweißbrenner gefördert werden, haben diese auf die jeweiligen Kanäle eine starke abrasive Wirkung, so daß zur Verlängerung der Lebensdauer vorgeschlagen wird, daß der Zuführkanal für das Matrixmaterial und/oder die Zusatzkanäle für die Komponenten innenseitig mit einer verschleißbeständigen Beschichtung ausgerüstet sind. Eine solche verschleißbeständige Beschichtung kann beispielsweise durch Aufbringen einer entsprechenden Schutzschicht

nach dem PVD-Verfahren auf die mit dem geförderten Matrixmaterial oder Komponenten in Kontakt kommenden Oberflächen der jeweiligen Kanäle geschaffen werden.

Da der Plasma-Pulver-Schweißbrenner im Betrieb einer erheblichen thermischen Belastung infolge der hohen Temperaturen der Plasmaflamme ausgesetzt ist, kann das Gehäuse ferner Kühlkanäle für die Durchleitung eines Kühlmediums aufweisen, um eine ausreichende Abfuhr der entstehenden Wärme sicherzustellen.

Alle Komponenten werden ebenso wie das Matrixmaterial mittels eines inerten Transportgases in den Brenner, d. h. in die Kanäle eingebracht.

Die gleichmäßige Anordnung der Einmündungen der Zusatzkanäle in die Sekundärdüse ermöglicht nun, den Plasmastrahl in der Sekundärdüse beim Austritt aus der Sekundärdüse mittels des durch die Zusatzkanäle strömenden Transportgases für die Komponenten zu zentrieren, da die Transportgase den Plasmastrahl einhüllen.

Für die Komponentenzuführung zu den Zusatzkanälen kann jedem Zusatzkanal ein individueller Pulvergeber zugeordnet sein, wobei die einzelnen Pulvergeber mit den gleichen und/oder voneinander verschiedenen Komponenten beschickbar sind. Bei Ausbildung eines Zuführkanals für das Matrixmaterial und vier Zusatzkanälen können zusätzlich zum Matrixmaterial bis zu vier verschiedene Komponenten eingesetzt werden.

Für eine möglichst homogene Verteilung der Zusatzkomponenten wird erfindungsgemäß für die Zusatzkanäle eine zentrale Pulverzuführung vorgeschlagen mit entsprechend der Anzahl der Zusatzkanäle außerhalb des Gehäuses angebrachter Pulververteiler, mittels derer eine gleichmäßige Verteilung der pulverförmigen Komponenten auf die Zusatzkanäle erfolgt. Ein solcher externer Pulververteiler für die zusätzlichen Komponenten kann beispielsweise von einem Pulvergeber kommend das Pulver in zwei Schritten

zunächst auf zwei, dann auf vier einzelne Zusatzkanäle verteilen, die dann in die Sekundärdüse einmünden. Ein solcher erfindungsgemäßer Pulververteiler soll sicherstellen, daß bei Einsatz nur eines Zusatzpulvers der Pulverstrahl gleichmäßig aufgeteilt und in die Sekundärdüse eingedüst wird. Darüber hinaus erlaubt der modulare Aufbau des Pulververteilers auch den gleichzeitigen Einsatz von zwei unterschiedlichen Zusatzpulvertypen, die dann in jeweils zwei Linien geteilt werden und ebenso symmetrisch in die Sekundärdüse eingebracht werden können.

Die erfindungsgemäße Ausbildung der Sekundärdüse in Verbindung mit den Zusatzkanälen und gegebenenfalls den Pulververteilern für die zusätzlichen Komponenten führt zu einer gleichmäßigen und homogenen Verteilung der zusätzlichen Komponenten im das Matrixmaterial aufweisenden Plasmastrahl und in den auftraggeschweißten Schichten.

Der Einsatz des erfindungsgemäßen Plasma-Pulver-Schweißbrenners ist aber nicht an den Gebrauch und Einsatz der zusätzlichen Komponenten gebunden. Es besteht auch die Möglichkeit, den erfindungsgemäßen Plasma-Pulver-Schweißbrenner wie konventionelle Brenner auch nur mit der Primärinjektion,

d. h. nur mit Beschickung mit Matrixmaterial ohne zusätzliche Komponenten einzusetzen. Um einen möglichst gleichmäßigen Eintrag von Matrixpulver in die Sekundärdüse zu ermöglichen, wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, daß der Zuführkanal für das Matrixmaterial innerhalb des Gehäuses sich in eine Anzahl von Teilkanälen verzweigt und die Teilkanäle gleichmäßig voneinander beabstandet in einer sich senkrecht zur Ausströmrichtung erstreckenden Ebene in die Sekundärdüse einmünden und untereinander gleiche Querschnitte aufweisen.

Es besteht nun auch die Möglichkeit, eine zweite Zuführung für ein Matrixmaterial zu den Teilkanälen vorzusehen. Der Brenner kann nun konventionell mit nur einer Zuführung und einem Matrixmaterial oder aber über die zweite Zuführung mit einem weiteren Matrixmaterial beschichtet werden, wobei die beiden Matrixmaterialströme jeweils separat auf die verschiedenen

Teilkanäle verteilt werden. Zwei verschiedene Matrixmaterialien werden somit jedes für sich durch gesonderte Teilkanäle dem Plasmalichtbogen zugeführt, wodurch ein in vielen Werkstoffvarianten gestaltete auftraggeschweißte Schicht ermöglicht wird.
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Dies kann auch in Verbindung mit den getrennt zugeführten Zusatzkomponenten geschehen.

Weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Plasma-Pulver-Schweißbrenners werden anhand von lediglich schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen in der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 in schematischer Darstellung den erfindungsgemäßen Plasma-

Pulver-Schweißbrenner,
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Figur 2 die auszugsweise Aufsicht auf den Plasma-Pulver-Schweißbrenner

gemäß Figur 1,

Figur 3 eine schematische Teilschnittdarstellung durch den Plasma-

Pulver-Schweißbrenner,

Figur 4 in schematischer Darstellung die mittels des erfindungsgemäßen

Plasma-Pulver-Schweißbrenners erzeugbare Plasmaflamme,

Figur 5 ausschnittsweise das Detail nach Figur 3,

Figur 6 schematische Darstellung eines Plasma-Pulver-Schweißbrenners

gemäß Stand der Technik.

In der Figur 1 ist in einer schematischen Seitenansicht ein Plasma-Pulver-Schweißbrenner dargestellt, mit dem eine Beschichtung 20 aus mindestens zwei verschiedenen Werkstoffen auf einem Werkstück 2 aus Metall aufgebracht werden kann, um diesem z. B. eine verschleißbeständige

Oberfläche zu verleihen. Der Plasma-Pulver-Schweißbrenner umfaßt ein Gehäuse 1, welches in näheren Einzelheiten auch aus der schematischen Schnittdarstellung gemäß Figur 3 ersichtlich ist. Das Gehäuse 1 des Plasma-Pulver-Schweißbrenners umfaßt die zentrale Kathode 16, beispielsweise eine Wolframelektrode, die konzentrisch zur Mittelachse M von der Plasmaanode unter Ausbildung des ringförmigen Zuführkanals 10 für das Plasmagas PG umgeben ist. An der Kathodenspitze 16a schließt sich die Plasmadüse 100 an, in welche der Zuführkanal 10 für das Plasmagas einmündet.

Am Austrittsende der Plasmadüse 100 schließt sich eine Sekundärdüse 200 mit gegenüber dem Durchmesser D1 der Plasmadüse erweiterten Durchmesser D2 an. Am Ende der Plasmadüse 100 und zu Beginn der Sekundärdüse 200 mündet der Zuführkanal 11 für das Matrixmaterial MM ringförmig im mit Bezugsziffer 11 b gekennzeichneten Bereich in die Sekundärdüse 200 ein. Der Zuführkanal 11 ist ebenfalls koaxial ringförmig zur Mittelachse M des Brenners angeordnet und wird über den Eingang 11a gespeist. Der Zuführkanal 11 wird durch den Außenmantel 17 des Gehäuses begrenzt.

Durch den Außenmantel 17 sind die Zusatzkanäle 12.1 bis 12.4 in die Sekundärdüse 200 einmündend ausgebildet. Diese Zusatzkanäle münden zwischen der Einmündung 11b für das Matrixmaterial und dem Austrittsende 200a der Sekundärdüse in die Sekundärdüse 200 in einer Ebene senkrecht zur Ausströmrichtung P ein. Wenn mehrere Zusatzkanäle vorgesehen sind, beispielsweise vier, so werden diese, mit 12.1, 12.2, 12.3, 12.4 bezeichnet, gleichmäßig über den Querschnitt verteilt in der Sekundärdüse 200 angeordnet und weisen sämtlich den gleichen Durchmesser auf. Die Einmündung der Zusatzkanäle ist jeweils mit 12b bezeichnet. Außen ist der ringförmige Zuführkanal 13 mit Eingangskanal 13a und ringförmiger Einmündung 13b anschließend an die Sekundärdüse 200 für einen Schutzgasmantel S vorgesehen, der zusätzlich mit einem Schutzmantel abgedeckt ist. Die Zusatzkanäle 12 werden an Zuführleitungen für zusätzliche Komponenten K angeschlossen. Die Zuführleitungen führen entweder direkt zu einem nicht dargestellten Pulvergeber, der jeder Zuführleitung zugeordnet ist, oder zu noch

einer nachfolgend erläuterten zentralen Pulverzuführung mit Verteilungseinrichtungen.

Der Brenner kann auch beispielsweise mit nur zwei Zusatzkanälen ausgerüstet sein, die dann diametral einander gegenüberliegend in die Sekundärdüse einmündend angeordnet werden. Bei Ausbildung von drei Zusatzkanälen werden deren Einmündungen in die Sekundärdüse ebenfalls voneinander gleichmäßig beabstandet mit einem Winkel von 120° auf einem Umfangskreis angeordnet.

Gemäß der vorangehend erläuterten Funktionsweise ist im Plasma-Pulver-Schweißbrenner aus einem Inertgas eine heiße Plasmaflamme mit Pilot- und Hauptlichtbogen erzeugbar, die aus dem Austrittsende 200a der Sekundärdüse 200 in Richtung auf das Werkstück 2 austritt.

Wie im Detail in der Figur 5 dargestellt, werden das Matrixmaterial und die zusätzlichen Komponenten K unter verschiedenen Winkeln in den Plasmastrahl eingeführt. Das Matrixmaterial MM wird hierbei unter einem spitzen Winkel &bgr; bevorzugt kleiner 55° in den Plasmastrahl über die ringförmige Einmündung 11b eingebracht. Die nachfolgend eingebrachte Komponente K hingegen wird unter einem in bezug auf den Winkel &bgr; flacher verlaufenden Winkel &agr; bevorzugt zwischen 65° und 85° in den Plasmastrahl eingebracht. Je nach Größe des Winkels &agr; kann die thermische Belastung der Komponente K gesteuert werden. Die Einmündungsachsen des Zuführkanals 11 bzw. der Zusatzkanäle 12 sind mit 11x und 12x bezeichnet.

Wie den Darstellungen gemäß Figuren 1 und 2 entnehmbar, sind am Gehäuse 1 des Plasma-Pulver-Schweißbrenners beispielsweise vier Zusatzkanäle 12.1 bis 12.4 gleichmäßig über den Umfangskreis verteilt angeordnet und mit ihren Anschlußöffnungen aus dem Gehäuse 1 herausgeführt, so daß auch die korrespondierenden Einmündungen 12b in die Sekundärdüse 200 gleichmäßig über den Umfangskreis verteilt ausgebildet sind und voneinander gleichen Abstand aufweisen. Um eine gleichmäßige Verteilung der zusätzlichen

Komponente K auf die Zusatzkanäle 12.1 bis 12.4 gemäß Figur 4 beispielsweise zu erreichen, wird eine zentrale Pulverzuführung 8 vorgesehen. In einem ersten Pulverteiler 7 wird das Pulver auf zwei Zuführleitungen 8.1 und 8.2 gleichmäßig verteilt und dann in zwei weiteren Pulververteilern 7.1 und 7.2 auf jeweils zwei weitere Pulverzuführungen 8.1.1 und 8.1.2 sowie 7.2.2 und 7.2.1. Auf diese Weise ist eine gleichmäßige Beschickung der Zusatzkanäle mit der Zusatzkomponente K ermöglicht. Es ist auch möglich, beispielsweise bei zwei Komponenten, die zusätzlich zum Matrixmaterial zugeführt werden sollen, je ein Material über die Zuführleitung 8.1 bzw. 8.2 je einem Pulververteiler 7.1 und 7.2 zuzuführen und diese dann gleichmäßig den Zusatzkanälen des Plasma-Pulver-Schweißbrenners zuzuführen. Wenn jeder Zuführleitung 8.1.1, 8.1.2, 7.2.2, 7.2.1 eine verschiedene Komponente zugeführt wird, so können zusammen mit dem Matrixmaterial fünf verschiedene Werkstoffe in einer Auftragschweißung zu einer Beschichtung 5 auf ein Werkstück aufgebracht werden.

In der Figur 4 ist die Plasmaflamme schematisch dargestellt. Der Pilotlichtbogen PL wird im Bereich der Plasmadüse 100 gezündet, der Hauptlichtbogen HL wird vom Pilotlichtbogen zwischen Kathode und Werkstück 2 gezündet. In der Sekundärdüse 200 erweitert sich die Plasmaflamme und es wird das Matrixmaterial MM zugeführt und anschließend die Komponenten K. Das Matrixmaterial MM dringt direkt in die heiße Plasmaflamme ein und wird dort vollständig aufgeschmolzen. In größerem Abstand bereits vom heißesten Bereich werden die Komponenten K innerhalb der Sekundärdüse 200 zugeführt, wobei sie aufgrund des größeren Abstandes von der Elektrode sowie dem gewählten Auftreffwinkel &agr; nicht mehr einer so hohen thermischen Belastung ausgesetzt sind, so daß Hartstoffe von der Plasmaflamme nicht mehr aufgeschmolzen werden, sondern lediglich fein verteilt innerhalb des Matrixmaterials MM und des Plasmas auf das Werkstück 2 auftreffen. Nach dem Austritt aus der Sekundärdüse erfolgt die Umhüllung des Plasmastrahls von dem Schutzgasmantel S.

Der erfindungsgemäße Plasma-Pulver-Schweißbrenner ermöglicht durch die Injektion der Komponenten, insbesondere von Hartstoffen erst im kälteren Teil des Plasmas eine geringere thermische Belastung derselben, so daß nur ein geringer Anteil von Hartstoffpartikeln in der Plasmaschmelze in Lösung geht. Die gleichmäßige Injektion von Komponenten durch die Zusatzkanäle auch unterschiedlicher Pulverbestandteile in das Plasma ermöglicht den Aufbau homogener Schichten, deren Verschleißbeständigkeit somit günstig beeinflußt wird.

Claims

1. Plasma-Pulver-Schweißbrenner zur Erzeugung einer auf einem Werkstück auftraggeschweißten Schicht aus einem pulverförmigen Matrixmaterial, umfassend ein Gehäuse mit einer zentrisch angeordneten Elektrode, die von einem koaxialen ringförmigen Zuführkanal für ein Plasmagas umgeben ist, der an der Elektrodenspitze in eine Plasmadüse für das Plasmagas mündet, sowie einem den Zuführkanal für das Plasmagas beabstandet umgebenden Zuführkanal für das Matrixmaterial mit einem die Plasmadüse umgebenden Austrittsende und einer diese umgebenden äußeren ringförmigen Austrittsöffnung eines Zuführkanals für ein Schutzgas, wobei zwischen Elektrode und Plasmadüse ein Pilotlichtbogen mittels Hochfrequenz zündbar ist und zwischen Elektrode und Werkstück ein durch den Pilotlichtbogen gezündeter Hauptlichtbogen erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich an die Plasmadüse (100) für das Plasmagas in Ausströmrichtung (P) eine Sekundärdüse (200) mit gegenüber der Plasmadüse (100) vergrößertem lichten Durchmesser (D2) anschließt und das Austrittsende (11b) des Zuführkanals (11) für das Matrixmaterial in die Sekundärdüse (200) einmündet und mindestens zwei weitere Zusatzkanäle (12) für pulverförmige Komponenten vorgesehen sind und die Zusatzkanäle (12) in die Sekundärdüse (200) in Ausströmrichtung (P) nach der Einmündung des Austrittsendes (11b) für das Matrixmaterial einmünden, wobei die Zusatzkanäle gleichmäßig am Umfang der Sekundärdüse in einer sich senkrecht zur Ausströmrichtung P erstreckenden Ebene einmündend verteilt angeordnet sind.

2. Plasma-Pulver-Schweißbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei, drei oder vier Zusatzkanäle (12.1, 12.2, 12.3, 12.4) für die Zuführung von pulverförmigen Komponenten in die Sekundärdüse (200) vorgesehen sind und im Querschnitt der Sekundärdüse betrachtet in gleichmäßigem Abstand voneinander in diese einmünden.

3. Plasma-Pulver-Schweißbrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzkanäle (12) in einem solchen Abstand von der Plasmadüse (100) in die Sekundärdüse (200) einmünden, daß ein Aufschmelzen von als Komponenten zugeführten Hartstoffen in der Plasmaflamme verhinderbar ist.

4. Plasma-Pulver-Schweißbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der lichte Durchmesser der Sekundärdüse (200) mindestens doppelt so groß ist wie der lichte Durchmesser der Plasmadüse (100).

5. Plasma-Pulver-Schweißbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzkanäle für die Komponenten unter einem flacheren Winkel (α) in bezug auf die Ausströmrichtung (P) der Plasmaflamme wie der Zuführkanal (11) für das Matrixmaterial mit seinem Winkel (β) in die Sekundärdüse (200) einmünden.

6. Plasma-Pulver-Schweißbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzkanäle (12) unter einem Winkel (α) von 85 bis 65° in bezug auf die Ausströmrichtung (P) der Plasmaflamme in die Sekundärdüse (200) einmündet.

7. Plasma-Pulver-Schweißbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuführkanal (11) für das Matrixmaterial unter einem Winkel (β) kleiner 65°, vorzugsweise kleiner 55° in bezug auf die Ausströmrichtung (P) der Plasmaflamme in die Sekundärdüse (200) einmündet.

8. Plasma-Pulver-Schweißbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuführkanal (11) für das Matrixmaterial, die Zusatzkanäle (12) für die Komponenten und die Zuführung für das Schutzgas ausgehend von entsprechenden Anschlußöffnungen am Gehäuse (1) innerhalb desselben verlaufend angeordnet sind.

9. Plasma-Pulver-Schweißbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuführkanal (11) für das Matrixmaterial und/oder die Zusatzkanäle (12) für die Komponenten innenseitig mit einer verschleißbeständigen Beschichtung ausgerüstet sind.

10. Plasma-Pulver-Schweißbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) Kühlkanäle für die Durchleitung eines Kühlmediums aufweist.

11. Plasma-Pulver-Schweißbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Zusatzkanal (12) ein Pulvergeber zugeordnet ist und die einzelnen Pulvergeber mit den gleichen und/oder voneinander verschiedenen Komponenten beschickbar sind.

12. Plasma-Pulver-Schweißbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß für die Zusatzkanäle eine zentrale Pulverzuführung vorgesehen ist und entsprechend der Anzahl der Zusatzkanäle mittels außerhalb des Gehäuses (1) angeordneter Pulververteiler eine gleichmäßige Verteilung der pulverförmigen Komponenten auf die Zuführkanäle erfolgt.

13. Plasma-Pulver-Schweißbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuführkanal (11) für das Matrixmaterial sich in eine Anzahl von Teilkanälen verzweigt und die Teilkanäle gleichmäßig voneinander beabstandet in einer sich senkrecht zur Ausströmrichtung P erstreckenden Ebene in die Sekundärdüse einmünden und untereinander gleichen Querschnitt aufweisen.

14. Plasma-Pulver-Schweißbrenner nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Zuführung für ein Matrixmaterial zu den Teilkanälen vorgesehen ist.