ES2868176T3

ES2868176T3 - Lanza de revestimiento de plasma para revestimientos interiores

Info

Publication number: ES2868176T3
Application number: ES18730975T
Authority: ES
Inventors: Martin Stoeckli; Alexander Michla
Original assignee: Oerlikon Metco AG
Current assignee: Oerlikon Metco AG
Priority date: 2017-05-29
Filing date: 2018-05-29
Publication date: 2021-10-21
Anticipated expiration: 2038-05-29
Also published as: MX2019014335A; CN110914466A; WO2018219497A1; US20200255942A1; KR20200021942A; US11866826B2; BR112019024994A2; MY205318A; BR112019024994B1; EP3631037B1; EP3631037A1; AU2018277057B2; KR102604926B1; HUE054154T2; JP2020526659A; RU2019143076A3; PL3631037T3; RU2019143076A; AU2018277057A1; CA3065141A1

Abstract

Lanza de revestimiento para un proceso de plasma, en donde la lanza comprende un eje de plasma, un cuello de plasma y un cabezal de plasma, en donde el eje de plasma comprende un canal longitudinal que se extiende en una dirección axial a lo largo de un eje desde un primer extremo del eje hasta un segundo extremo del eje, en donde el cuello de plasma comprende un accesorio del eje y un accesorio del cabezal y al menos un canal del cuello que va desde el accesorio del eje hasta el accesorio del cabezal y el accesorio del eje está dispuesto en el segundo extremo del eje de manera que el canal longitudinal se abre en el al menos un canal de cuello, en donde el cabezal de plasma comprende un accesorio de cuello, una abertura de plasma y al menos un canal de cabezal que va desde el accesorio de cuello hasta la abertura de plasma y el accesorio de cuello del cabezal de plasma está dispuesto en el accesorio del cabezal del cuello de plasma de forma tal que el al menos un canal del cuello se abre hacia el canal del cabezal, caracterizada porque el curso del canal de plasma se desvía del eje de tal manera que el canal del cuello no está centrado con respecto al eje, es decir, se abre en el desplazamiento del canal del cabezal con respecto al eje.

Description

DESCRIPCIÓN

Lanza de revestimiento de plasma para revestimientos interiores

La invención se refiere a una lanza de revestimiento para un proceso de plasma para revestimientos interiores de superficies rotacionales, asimétricas o en forma libre. En este caso, las direcciones de curvatura de la superficie se incluyen tanto en forma cóncava como convexa.

En el proceso de revestimiento, se genera un plasma 5 con la ayuda de una mezcla de gases a través de un arco voltaico, en el que se inyecta una mezcla de polvo-gas o alambre. El material suministrado se funde parcialmente o se funde por la energía térmica del plasma y se desvía de la lanza de revestimiento en la dirección de la superficie por recubrir por la energía cinética del plasma. En este caso, es posible una inyección desde todas las direcciones. El material parcialmente fundido o fundido se acelera sobre el sustrato y se adhiere allí fijándose a la superficie. Las gotas dúctiles de material se deforman plásticamente, formando un enclavamiento mecánico con la superficie previamente activada (proceso de desbastado/socavados). Durante el proceso de solidificación, las gotas de material liberan la energía térmica previamente absorbida por el plasma al sustrato.

Procesos de fabricación mecánicos convencionales

En el estado de la técnica en la construcción de quemadores, se conocen los métodos de fabricación convencionales tales como torneado, taladrado, fresado, fundición y también soldadura y encolado de lanzas de plasma. En este caso, el diseño se ve muy a menudo afectado por los métodos de fabricación. Especialmente con herramientas de revestimientos interiores alargadas y delgadas (Fig. 1), los métodos de fabricación convencionales, tales como la perforación, alcanzan sus límites físicos. También en la fase de desarrollo, la viabilidad significativa a menudo se ve dificultada por el procedimiento de fabricación.

En el pasado, una lanza larga requerida con un diámetro reducido a menudo solo se podía realizar mediante un laborioso trabajo manual e innumerables pasos de procesamiento. En este caso, los tubos extruidos se doblaron y soldaron juntos. La función de los tubos era separar los diferentes medios en forma gaseosa, eléctrica y líquida entre sí, aislarlos y transportarlos al cabezal de plasma. Debido a la conexión no desmontable, “soldadura”, una revisión solo fue posible con dificultad o con gran esfuerzo (Fig. 2).

La técnica anterior se revela en las patentes US2008/185366 A1, US4970364 A y DE102013007737 A1.

Las Figuras muestran:

Fig. 1: Lanza de revestimiento

Fig. 2: Dibujo de instalación de soldadura manual

Fig. 3: Cabezal de plasma de fabricación aditiva de una aleación de cobre

Fig. 4: Cabezal de plasma de fabricación aditiva en detalle (orificios curvados internamente)

Fig. 5: Polo negativo de fabricación aditiva a partir de una aleación de cobre

Fig. 6: Lanza de perforación profunda

Fig. 7: Conjunto de cabezal de plasma, polo negativo y lanza

Fig. 8: Desplazamiento lateral para mantener la distancia a la pared del cilindro

Fig. 9: Desplazamiento lateral solo en el cabezal del quemador

Fig. 10: Revestimiento

Fig. 11: Relleno de perfil insuficiente debido a que las partículas no chocan en ángulo recto (efecto de sombra) Fig. 12: Relleno de perfil suficientemente lleno de los socavados

Fig. 13: Corrección de ángulo

Fig. 14: Ánodo refrigerado por gas (perfil de tubería de aleación de cobre, polo negativo fabricado aditivamente, aislamiento (negro), aislamiento de ánodo - cátodo (blanco))

Fig. 15: Línea central del F210 RotaCoupler™

La invención se refiere a una lanza de revestimiento para un proceso de plasma y a un procedimiento para producir una lanza de revestimiento de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 6 adjuntas.

Procedimiento de fabricación aditiva y perforación de agujeros profundos

El procedimiento de fabricación para la producción aditiva crea nuevas posibilidades en la fase de diseño constructivo. Se puede crear y fabricar cualquier forma. Gracias a esta ventaja, se pueden fabricar componentes muy compactos con superficies en forma libre independientemente de los métodos convencionales (Fig. 3). En particular, las perforaciones que con anterioridad tenían que hacerse en un diseño redondo o tenían que erosionarse laboriosamente con costosas herramientas de producción y solo eran posibles en un diseño recto, pueden tener cualquier diseño geométrico en la fabricación aditiva. Otra ventaja es la “perforación de la esquina”, lo que significa que los agujeros en trayectorias curvas pueden pasarse o cruzarse en diferentes planos pero no cortarse. Con estas ventajas, se puede garantizar un enrutamiento de línea optimizado y una utilización óptima del material, por lo que se puede garantizar la miniaturización de la lanza del quemador (Fig. 4).

Sería técnicamente posible fabricar la lanza completa mediante el procedimiento aditivo, pero esto sigue siendo antieconómico y actualmente no es necesario. Por esta razón, solo el cabezal de plasma (Fig. 4) y el polo negativo (Fig. 5) en el cabezal de plasma se producen mediante fabricación aditiva. En relación con la fabricación aditiva, el proceso de fabricación de “perforación de agujeros profundos” se utiliza para formar el eje de la lanza. Este procedimiento tiene una longitud limitada en relación con el diámetro del agujero. Para compensar esto, se pueden alinear y atornillar varios ejes perforados con agujeros profundos (Fig. 6). En teoría, esto no limitaría la longitud de la lanza. Para terminar la lanza de revestimiento, los componentes del cabezal del plasma fabricados aditivamente y la lanza perforada de agujeros profundos se atornillan entre sí (Fig. 7).

Lanza de plasma y RotaPlasma® HS1

En el pasado, la lanza de revestimiento se fabricaba utilizando los procedimientos de fabricación descritos con anterioridad. En el caso del proceso RotaPlasma®, se trata de un proceso de revestimiento rotatorio. Un paso giratorio transporta los medios desde la conexión estacionaria hasta un eje que gira sin fin. A este extremo del eje, se adapta una lanza de plasma, con la que se pueden recubrir internamente, por ejemplo, las superficies de rodadura de los cilindros de un bloque de motor.

Al revestir un sustrato, se debe mantener una velocidad superficial y cierta distancia. Cuando la lanza se gira con un avance en la dirección del eje del orificio y el proceso de fusión descrito con anterioridad, se crea una acumulación de capa en la superficie del sustrato. En este caso, la distancia entre la salida de plasma y la superficie del sustrato permanece constante. Dado que el eje del árbol giratorio del RotaPlasma® está dispuesto coaxialmente al eje de rotación del orificio, el cabezal de plasma debe desviarse lateralmente al eje del orificio para recubrir un orificio más grande. En diseños anteriores, toda la lanza de plasma se desviaba lateralmente, lo que generaba fuertes fuerzas centrífugas al aumentar la velocidad de rotación. Estas fuerzas centrífugas generaron vibraciones y cargas no deseadas en el sistema de accionamiento, pero también en la calidad de la capa sobre el sustrato. Para contrarrestar las fuerzas centrífugas, se colocaron contrapesos para equilibrar dinámicamente el desequilibrio de la desalineación lateral. Dado que, como se describió con anterioridad, toda la lanza se desplazó lateralmente, se provocó un enorme desequilibrio (Fig. 8).

Debido a los métodos de fabricación de la nueva lanza de revestimiento descritos con anterioridad, solo el cabezal de plasma se desvía lateralmente. La lanza permanece dispuesta coaxialmente al eje giratorio del RotaPlasma®. Con este método, solo un pequeño centro de gravedad de la lanza de revestimiento se desplaza lateralmente del eje de rotación, lo que da como resultado una reducción significativa de la fuerza centrífuga y el desequilibrio dinámico resultante. Como resultado de ello, se garantiza una reducción de los pesos de equilibrio. Es posible casi cualquier distancia entre la salida de plasma y la superficie del sustrato (Fig. 9). Otra ventaja del nuevo procedimiento de fabricación son los puntos de masa constante de todos los componentes. Después de fabricar una lanza, se mide el desequilibrio y se fabrican los contrapesos. Cada lanza de plasma adicional con un desplazamiento lateral constante se puede equilibrar con los pesos previamente definidos. En comparación con la producción convencional (trabajo manual), cada lanza era una pieza única y solo podía equilibrarse con gran dificultad y en forma automatizada imprecisa. Es decir, se fabricó la lanza uno con un desplazamiento lateral x, luego se determinó el desequilibrio en una equilibradora y se definieron los contrapesos para fabricarlos y fijarlos a la lanza. Si la lanza dos se fabricó posteriormente con el mismo desplazamiento lateral que la lanza uno, entonces la lanza dos no tuvo el mismo desequilibrio. Esto dificultaba la producción automatizada en series pequeñas de las lanzas de plasma. La inexactitud resulta de la acumulación de tolerancia del trabajo manual en los procesos anteriores. En contraste con esto, los nuevos procedimientos de fabricación son muchas veces más precisos y consistentes.

Grado de relleno del socavado

Para lograr una adhesión entre las partículas fundidas y el sustrato durante el revestimiento (Fig. 10), la superficie de la pieza de trabajo debe tratarse previamente. En este caso, los procesos mecánicos y térmicos son conocidos. La generación de socavados en la superficie de la pieza de trabajo es decisiva en todos los procedimientos para lograr una adherencia entre el sustrato y las partículas fundidas. Aquí, los procedimientos térmicos son activación por láser. Por otro lado, están los procedimientos mecánicos de activación: granallado de corindón, chorro de agua pulsante y la herramienta de corte mecánica. La activación del corindón y del chorro de agua pulsante dan lugar a una geometría estocástica de socavación caóticamente desordenada. En contraste con esto, las placas de corte en la herramienta de corte generan un contorno en espiral a través de la rotación y el avance. La geometría de corte es similar a una cola de milano, que crea socavados ordenados. A diferencia de los procedimientos de activación descritos con anterioridad, esta realización requiere que las partículas derretidas golpeen casi en ángulo recto para evitar un llenado del perfil incompleto (Fig. 11) y lograr un llenado completo de la base en cola de milano (Fig. 12). Solo entonces puede haber suficiente fijación.

En el nuevo procedimiento de fabricación descrito con anterioridad, las geometrías del cabezal de plasma se pueden seleccionar libremente. La dirección del movimiento de las partículas fundidas está influenciada y desviada por el chorro de plasma. En particular, cuando se inyecta desde arriba, el chorro de plasma se desvía hacia abajo por la energía mecánica de la mezcla de polvo y gas. Esto es particularmente notable con mayores tasas de transporte. Para contrarrestar este fenómeno y corregir la trayectoria de las partículas y el ángulo de incidencia asociado a 90° con respecto a la superficie del sustrato, se debe corregir el ángulo de salida del plasma (Fig. 13).

Corrección del ángulo

• a = 0°

lanza y cabezal de plasma orientados verticalmente

• -90° < a < 0°

lanza vertical, cabezal de plasma girado a < 0 °

Carga de corriente de polo negativo

Para generar un plasma, además de una mezcla de gases, es necesaria la generación de un arco voltaico. Para ello, el cátodo y el ánodo se aíslan eléctricamente entre sí y se conducen al cabezal de plasma. Una chispa de encendido en el intervalo de kV hace que un arco voltaico salte del cátodo al ánodo. Esto convierte la mezcla de gases y el arco voltaico en plasma. Así, el voltaje se reduce repentinamente y, de manera análoga, el nivel de corriente aumenta. Esto crea una enorme carga de corriente térmica en el cátodo y el ánodo debido a la introducción de la corriente en el intervalo de 300 - 600 A y la resistencia de contacto resultante. En versiones anteriores de las lanzas de plasma para revestimientos interiores, la intensidad de la corriente y, por lo tanto, la producción de plasma eran limitadas. La carga superficial de la pequeña lanza de plasma, especialmente el cátodo, era un punto débil considerable. En el caso del ánodo, este fenómeno era menos crítico, ya que podía enfriarse con agua. Para reducir la carga de corriente en el riel del cátodo, el cátodo (polo negativo) se enfría activamente. Esto se hace utilizando la mezcla de gases necesaria para el proceso de plasma. La mezcla de gases de plasma se conduce al cátodo a través de un perfil tubular, donde se conecta al polo negativo, que se fabrica mediante fabricación aditiva (Fig. 14).

En este caso, el polo negativo está diseñado de tal manera que un orificio de entrada a dos núcleos de enfriamiento discurre dentro del cátodo. Como resultado, el cátodo es enfriado activamente por el gas de plasma y la carga de corriente se reduce significativamente.

Se ha descrito una lanza de revestimiento para un proceso de plasma, en donde la lanza comprende un eje de plasma, un cuello de plasma y un cabezal de plasma, en donde el eje de plasma comprende un canal longitudinal que se extiende en una dirección axial a lo largo de un eje desde un primer extremo del eje hasta un segundo extremo del eje, en donde el cuello de plasma comprende un accesorio del eje y un accesorio del cabezal y al menos un canal del cuello que va desde el accesorio del eje hasta el accesorio del cabezal y el accesorio del eje está dispuesto en el segundo extremo del eje de manera que el canal longitudinal se abre en el al menos un canal de cuello, en donde el cabezal de plasma comprende un accesorio de cuello, una abertura de plasma y al menos un canal de cabezal que va desde el accesorio de cuello hasta la abertura de plasma y el accesorio de cuello del cabezal de plasma está dispuesto en el accesorio del cabezal del cuello de plasma de forma tal que el al menos un canal del cuello se abre hacia el canal del cabezal. El curso del canal de plasma se desvía del eje de tal manera que el canal del cuello no está centrado con respecto al eje, es decir, se abre hacia el canal del cabezal desplazado con respecto al eje.

Preferiblemente, el cuello de plasma se fija en forma liberable en el segundo extremo del eje. De manera especialmente preferida, el cabezal de plasma también está fijado en forma liberable al cuello de plasma.

El canal del cuello presenta preferiblemente al menos una curvatura, de manera especialmente preferida al menos dos curvaturas con signos diferentes.

El plano definido por el borde de la abertura de plasma se puede configurar ventajosamente en un ángulo a < 0° con respecto al eje.

Se describió un procedimiento para producir una lanza de revestimiento como se describió con anterioridad, produciéndose al menos el cuello de plasma, preferiblemente también el cabezal de plasma, por medio de un procedimiento de fabricación aditivo, preferiblemente por acumulación en capas.

El canal longitudinal en el eje de plasma se puede realizar al menos en parte, preferiblemente por completo, mediante perforación de orificios profundos.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Lanza de revestimiento para un proceso de plasma, en donde la lanza comprende un eje de plasma, un cuello de plasma y un cabezal de plasma, en donde el eje de plasma comprende un canal longitudinal que se extiende en una dirección axial a lo largo de un eje desde un primer extremo del eje hasta un segundo extremo del eje, en donde el cuello de plasma comprende un accesorio del eje y un accesorio del cabezal y al menos un canal del cuello que va desde el accesorio del eje hasta el accesorio del cabezal y el accesorio del eje está dispuesto en el segundo extremo del eje de manera que el canal longitudinal se abre en el al menos un canal de cuello, en donde el cabezal de plasma comprende un accesorio de cuello, una abertura de plasma y al menos un canal de cabezal que va desde el accesorio de cuello hasta la abertura de plasma y el accesorio de cuello del cabezal de plasma está dispuesto en el accesorio del cabezal del cuello de plasma de forma tal que el al menos un canal del cuello se abre hacia el canal del cabezal, caracterizada porque el curso del canal de plasma se desvía del eje de tal manera que el canal del cuello no está centrado con respecto al eje, es decir, se abre en el desplazamiento del canal del cabezal con respecto al eje.

2. Lanza de revestimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque el cuello de plasma está fijado en forma desmontable en el segundo extremo del eje.

3. Lanza de revestimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el canal del cuello presenta al menos una curvatura y preferiblemente presenta al menos dos curvaturas con diferentes signos.

4. Lanza de revestimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el plano definido por el borde de la abertura de plasma está inclinado con respecto al eje en un ángulo a < 0°.

5. Procedimiento de fabricación de una lanza de revestimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque al menos el cuello de plasma, preferiblemente también el cabezal de plasma, se fabrica mediante un procedimiento de fabricación aditivo, preferentemente por acumulación en capas.

6. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque el canal longitudinal en el eje de plasma se realiza al menos parcialmente mediante perforación de orificios profundos.