[0001] Die Erfindung betrifft einen Lichtbogenbrenner zur Beschichtung von Metalloberflächen mit einer Metall schicht sowie ein Verfahren zur Beschichtung von Metall oberflächen mit einer Metallschicht.

[0002] Zur Beschichtung von Metallflächen sind Lichtbo genbrenner im Gebrauch, die mittels der in einem Lichtbogen erzeugten Wärme Material aufschmelzen, welches dann, zum Beispiel mittels eines Gasstrahls, auf einer Werkstückober fläche geblasen wird. Das Material wird typischerweise in Form von mindestens einem Draht zugeführt. Während die weitaus meisten Metalltröpfchen auf der Werkstückoberfläche abgelagert werden, können einzelne Tropfen abprallen. Auch sonstige Effekte können dazu führen, dass ein gewisser Pro zentsatz der Metalltropfen nicht auf die Werkstückoberflä che gelangt sondern fehl geht. Diese vagabundierenden Trop fen ergeben einen Staub, der abgesaugt werden kann. Lagert sich solcher Staub oder noch breiige oder flüssige Tröpf chen, so genannter Overspray jedoch an Flächen des Lichtbo genbrenners an, bilden sich Ablagerungen. Solche Ablagerun gen können sich in Stücken lösen und auf die zu beschich tende Metallfläche gelangen. Dies beeinträchtigt die Gleichmäßigkeit und Qualität der zu erzeugenden Metallbe schichtung. [0003] Die EP 2941 493 Bl sieht dazu einen Brenner vor, der mit einem abnehmbaren Kunststoff- oder Gummimantel ver sehen ist, der zu Wartungszwecken von dem Brenner abgenom men wird. Dies geht aber mit einem Verschleiß des Kunst stoff- und/oder Gummimantels einher, weswegen in der EP 2 941 493 Bl im weiteren vorgeschlagen wird, das Gehäuse des Brenners mit einem Antihaft- und Isolierschichtsystem zu versehen, wobei eine von dem Brenner nicht lösbare Anti- haftoberflache auf einer elektrisch und thermisch isolie rende Schicht angeordnet ist, welche ihrerseits auf dem Ge häuse angeordnet ist.

[0004] Durch die Antihaftbeschichtung soll die Anhaftung von Overspray und/oder Spritzstaub auf der Vorrichtung ver mieden werden. Die Schaffung von Antihaftflächen, die kei nerlei Staubanlagerung zulässt, hat sich aber als schwierig erwiesen.

[0005] Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein sicheres und zuverlässiges Konzept zum Schutz einer zu er zeugenden Metallschicht vor Fremdkörpereinlagerung anzuge ben.

[0006] Diese Aufgabe wird mit dem Brenner nach Anspruch 1 sowie mit dem Verfahren nach Anspruch 15 gelöst:

[0007] Der erfindungsgemäße Brenner dient insbesondere zur Beschichtung von Metalloberflächen mit einer Metall schicht, zum Beispiel zur Beschichtung einer Aluminiumober fläche mit einer Stahlschicht. Der Brenner weist ein Gehäu se auf, dem über eine Anschlusseinrichtung drahtförmiges Beschichtungswerkstoff, als Pulver oder beispielsweise in Form eines oder mehrerer Drähte, zugeführt wird. Außerdem ist dem Brenner über die Anschlusseinrichtung ein Energie träger, wie z.B. Strom oder Brenngas, zur Speisung einer Wärmequelle zuführbar. Ist der Energieträger elektrischer Strom, kann er zur Speisung eines Lichtbogens dienen, der die Wärmequelle zum Aufschmelzen eines Beschichtungswerkstoffs bil den kann. Dem Brenner kann auch Gas zugeführt werden, um in einem Innenraum des Gehäuses z.B. mittels des Lichtbogens und mittels des zugeführten Gas einen Sprühstahl zu erzeu gen, der flüssigen Beschichtungswerkstoff, insbesondere flüssige Metalltropfen enthält. Der Sprühstrahl wird durch ein Fenster aus dem Gehäuse entlassen, wobei das Gehäuse eine Haftoberfläche aufweist. Das Gehäuse bezieht dabei be grifflich den Brennerschaft mit ein. Auch an diesem kann die Haftoberfläche ausgebildet sein.

[0008] Die Haftoberfläche ist Teil des Gehäuses und so mit vorzugsweise fest mit diesem verbunden. Die Haftober fläche kann unmittelbar an der Gehäusewand ausgebildet sein.

[0009] Insbesondere kann die Haftoberfläche das Fenster des Gehäuses vollständig umschließen und/oder die Außenflä che des Gehäuses vollständig einnehmend ausgebildet sein. Die Haftoberfläche wirkt als Staub- und Tropfenfang. Me talltröpfchen oder Staubpartikel, die von der Haftoberflä che aufgenommen sind, verbleiben dort und bilden einen Me tallniederschlag. Dieser haftet an der Haftoberfläche so fest, dass eine Ablösung während des Betriebs nicht er folgt. Deswegen kann er die von dem Sprühstrahl auf dem Werkstück erzeugte Metallschicht nicht mehr beeinträchti gen.

[0010] Auch weitere Oberflächen, beispielsweise eine in dem Innenraum des Gehäuses angeordnete Düse oder derglei chen, können eine Haftoberfläche aufweisen. [0011] Das Gehäuse kann ein Metallgehäuse beispielsweise ein Aluminiumgehäuse sein. Die Düse kann aus Metall oder Keramik bestehen. Die Haftoberfläche ist vorzugsweise eine Oberfläche, die mit einer Verankerungsstruktur versehen ist. Diese weist vorzugsweise eine regellose Form auf. Ins besondere kann die Verankerungsstruktur durch eine Rau struktur gebildet sein. Diese weist vorzugsweise Rauheits kennwerte von R _z = 15 bis 30 (vorzugsweise 20) und/oder R _a = 5,5 bis 7 Mikrometer (vorzugsweise 6,3 Mikrometer) auf.

Es hat sich gezeigt, dass vagabundierende Metalltröpfchen auf einer solchen Fläche ausreichend Halt finden, um sich mechanisch mit der Oberfläche zu verzahnen und so während des Betriebs des Lichtbogenbrenners sicher gehalten blei ben. Andererseits lassen sie sich durch mechanische Einwir kung, wie Bürsten, Strahlen, Abkratzen oder dergleichen, relativ leicht von der Haftoberfläche lösen, ohne dies zu beschädigen. Damit kann die Haftoberfläche als verschleiß freie Fläche angesehen werden, die über die Standzeit des Lichtbogenbrenners erhalten bleibt.

[0012] Die Haftoberfläche ist vorzugsweise eine nichtme tallische anorganische Schicht, beispielsweise eine Kera mikschicht oder eine Aluminiumoxidschicht. Die Alumini umoxidschicht kann zum Beispiel eine auf einem Aluminiumge häuse ausgebildete durch anodische Oxidation erzeugte Oxid schicht sein, die auch als Eloxalschicht bezeichnet wird. Vorzugsweise weist die Aluminiumoxidschicht eine so geringe Dicke auf, dass die Rauheit der Aluminiumoberfläche, auf der sie aufgewachsen ist, auch die Rauheit der Alumini umoxidschicht bestimmt.

[0013] Alternativ kann die Haftoberfläche durch eine aufgebrachte Beschichtung gebildet sein, zum Beispiel eine keramische Beschichtung. Zur Aufbringung einer keramischen Beschichtung zur Ausbildung der Haftoberfläche ist jedes Beschichtungsverfahren, insbesondere PVD-Verfahren, CVD- Verfahren oder sonstige Verfahren zur Gasphasenabscheidung geeignet.

[0014] Vorzugsweise weist die Haftoberfläche eine im Hinblick auf die Temperatur und die Tröpfchengröße sowie die Materialbeschaffenheit der in dem Sprühstrahl enthalte nen Metalltröpfchen eine solche Härte und eine solche Tem peraturbeständigkeit auf, dass eine stoffliche Bindung zwi schen Metallniederschlag, d.h., auf der Haftoberfläche auf treffenden Metalltröpfchen, und der Haftoberfläche ausge schlossen ist. Insbesondere wird es als vorteilhaft angese hen, wenn die Schmelztemperatur des Materials, aus dem die Haftoberfläche besteht, höher ist als die Schmelztemperatur des Materials, das die Tröpfchen bildet. Außerdem wird es als vorteilhaft angesehen, wenn das Material der Haftober fläche auch nicht auf andere Weise, beispielsweise durch Zersetzung, durch die geschmolzenen Metalltröpfchen an greifbar ist. Die Haftoberfläche weist außerdem im Hinblick auf die Temperatur und Tröpfchengröße sowie die Materialbe schaffenheit der in dem Sprühstrahl enthaltenen Metall tröpfchen vorzugsweise eine solche Härte auf, dass die Haftoberfläche durch mechanisches Ablösen des Metallnieder schlags nicht veränderbar ist. Anders als bei Überzügen aus Kunststoff oder Gummi verändern auf die Haftoberfläche auf treffende Metalltröpfchen somit weder die chemische Be schaffenheit der Haftoberfläche noch wird diese von dem Me talltröpfchen verformt oder anderweitig angegriffen. Die Haftoberfläche ist somit gegenüber den auftreffenden Me talltröpfchen inert.

[0015] Vorzugsweise weist die Haftoberfläche eine Härte auf, die größer ist, als die Härte der Gehäusewand. Weiter vorzugsweise ist die Härte des Materials, aus dem die Haft oberfläche besteht, mindestens so groß, wie die Härte des Beschichtungsmaterials. Dies trägt dazu bei, dass beim me chanischen Ablösen des Metallniederschlags von der Haft oberfläche, die Oberflächenstruktur derselben nicht verän dert wird.

[0016] Vorzugsweise ist die Rauheit der Haftoberfläche so eingestellt, dass die bei einem Ablöseversuch zu messen de HaftZugfestigkeit zwischen dem Metallniederschlag auf der Haftoberfläche und der unterliegenden Haftoberfläche zwischen 2 MPa und 30 MPa liegt. Damit ist einerseits si chergestellt, dass sich der Metallniederschlag von der Haftoberfläche im Betrieb nicht löst und andererseits im Reinigungsvorgang ablösbar ist. Vorzugsweise beträgt der Haftzugwert wenigstens 5 MPa.

[0017] Das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 15 nutzt das Gehäuse des Lichtbogenbrenners als Staub- und Oversprayfänger, indem die Haftoberfläche auftreffende Me talltröpfchen und darin eingebetteten Metallstaub als Me tallniederschlag sicher festhält und nicht auf die zu er zeugenden Oberflächen gelangen lässt.

[0018] Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungs formen der Erfindung sind Gegenstand der Zeichnung, der Be schreibung oder von Ansprüchen. Es zeigen:

[0019] Figur 1 einen Lichtbogenbrenner beim Beschich ten einer Metalloberfläche, in schematischer Darstellung,

[0020] Figur 2 den Lichtbogenbrenner nach Figur 1, in ausschnittweiser schematisierter und geschnittener Darstel lung, [0021] Figur 3 einen Ausschnitt aus der Gehäusewand des Lichtbogenbrenners nach Figur 1 und 2, in vergrößerter Darstellung.

[0022] In Figur 1 ist ein Lichtbogenbrenner 10 veran schaulicht, der dazu dient, die Oberfläche 11 eines Werk stücks 12 mit einer Metallschicht 13 zu versehen. Der Lichtbogenbrenner 10 dient zur Veranschaulichung der Erfin dung, die auch an Plasmabrennern, Gasbrennern oder anderen zur Beschichtung einer Oberfläche geeigneten und vorgesehe nen Brennern Anwendung finden kann. Der Beschichtungsvor gang hinterlässt eine Schicht aus einem Beschichtungswerk stoff, vorzugsweise eine Metallschicht aus einem dem Bren ner z.B. in Form eines oder mehrerer Drähte oder Bänder o- der als Pulver zugeführten metallischen Beschichtungsmate rial.

[0023] Der hier beispielhaft veranschaulichte Lichtbo genbrenner 10 erzeugt einen Sprühstrahl 14, der ein Gehäuse 15 des Lichtbogenbrenners 10 an einem Fenster 16 verlässt und gegen die Oberfläche 11 gerichtet ist.

[0024] Der Sprühstrahl 14 besteht aus geschmolzenen Me talltröpfchen 22, beispielsweise aus Stahl, die mittels ei nes Gasstrahls, beispielsweise StickstoffStrahls, auf die Oberfläche 11 getragen werden. Figur 2 zeigt dazu den prin zipiellen Aufbau des Lichtbogenbrenners 10. Diese weist ei ne Lichtbogenerzeugungseinrichtung 17 auf, zu der zum Bei spiel mindestens ein Draht 18 und eine Gegenelektrode 19 gehören können, zwischen denen ein Lichtbogen 20 brennt.

Der Draht 18 wird über eine nicht weiter dargestellte För dereinrichtung in Richtung auf die Gegenelektrode 19 zuge führt, wie in Figur 2 durch einen Pfeil 21 angedeutet ist. Während die Gegenelektrode 19 aus einem sich nicht verbrau chendem Material, beispielsweise Wolfram oder einer Wolf ramlegierung, ausgebildet ist, besteht der Draht 18 aus dem auf die Oberfläche 11 aufzubringenden Material, das von dem Lichtbogen 20 aufgeschmolzen wird. Dieses wird in Form von Metalltröpfchen 22 ausgetragen, die den Sprühstrahl 14 bil den. Zur Erzeugung desselben dient eine Gasdüse 23, der über einen Kanal 24 Gas, beispielsweise Stickstoff, zuge führt wird. Die dem Lichtbogen 20 benachbarte Gasdüse 23 bläst einen Gasstrahl durch den Lichtbogen 20. Der entste hende Sprühstrahl 14 kann dabei eine Maske oder Düse 25 passieren, die an der der Gasdüse 23 gegen überliegenden Seite des Lichtbogens 20 angeordnet ist. Die Düse 25 ist optional, sie kann auch entfallen.

[0025] Die Betriebsmedien, d.h., der elektrische Strom zum Betrieb des Lichtbogens 20 sowie das Gas für die Düse 23 werden dem Lichtbogenbrenner 10 über eine Schnittstelle 26 zugeführt, über die der Lichtbogenbrenner 10 an eine entsprechende Beschichtungsmaschine angeschlossen ist.

[0026] Das Gehäuse 15 weist eine aus Figur 3 ersichtli che Gehäusewand 27 auf, die außen eine Haftoberfläche 28 aufweist. Die Haftoberfläche 28 umgibt zumindest bei einer bevorzugten Ausführungsform das Fenster 16 vollständig und erstreckt sich in einer weiter bevorzugten Ausführungsform über die gesamte Außenfläche des Gehäuses 15.

[0027] Das Gehäuse 15 weist außerdem einen Schaft 29 auf, auf den sich die Haftoberfläche 28 erstrecken kann.

Die Haftoberfläche 28 kann bis zu der Schnittstelle 26 rei chen und somit auch den Schaft 29 mit einnehmen, der Teil des Gehäuses 15 ist.

[0028] Die Haftoberfläche 28 ist aus Figur 3 gesondert ersichtlich. Sie ist an der Außenseite der Gehäusewand 27 vorgesehen, kann aber auch dem Innenraum des Gehäuses 15 zugewandte Flächen des Gehäuses 15 oder sonstige Oberflä chenbereiche einnehmen. [0029] Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Haft oberfläche 28 eine Aluminiumoxidschicht, die auf die Außen seite der Gehäusewand 27 aufgewachsen ist. Die Haftoberflä che 28 weist dabei eine Rauheit auf, die ausreichend ist, um Metallpartikel 30 und den sich daraus aufbauenden Me tallniederschlag 31 sicher durch mechanische Verzahnung verankert zu halten. Dazu weist die Haftoberfläche 28 vor zugsweise eine Rauheit mit einem Rauheitskennwert R _z von 20 und R _a von 6,3 Mikrometern auf. Vorzugsweise liegt R _z zwi schen 10 bis 30 und R _a zwischen 5 und 8 Mikrometern.

[0030] Anstelle der Aluminiumoxidschicht können auch chemisch anderweitig beschaffene Oberflächen vorgesehen sein. Vorzugsweise sind diese jedoch gegenüber dem Metall niederschlag 31 temperaturbeständig und mechanisch bestän dig. Die Schmelztemperatur des die Haftoberfläche 28 bil denden Materials ist vorzugsweise größer als die Schmelz temperatur des Metalls, aus dem die Tropfen 22 besehen.

[0031] Vorzugsweise ist das die Haftoberfläche 28 bil dende Material bis zu Temperaturen oberhalb 1500° C weiter vorzugsweise bis 2000° C temperaturbeständig, d.h., form stabil. Außerdem ist es so gewählt, dass weder ein Verlöten noch ein Verschweißen der auftreffenden Metalltröpfchen 22, d.h., der Partikel 30 mit der Haftoberfläche 28 erfolgt.

Die Verbindung zwischen dem Metallniederschlag 31 und der Haftoberfläche 28 ist ein rein mechanischer Halt, der durch mechanische Einwirkung auflösbar ist. Die HaftZugfestigkeit der Verbindung zwischen der Haftoberfläche 28 und dem Me tallniederschlag 31 liegt vorzugsweise zwischen 2 MPa und 30 MPa. Die HaftZugfestigkeit kann als negativer Druck be griffen werden. Die Härte HV5 der Haftoberfläche 28 liegt vorzugsweise zwischen 350 N/mm ² und 2400 N/mm ² . [0032] Figur 3 veranschaulicht die Haftoberfläche 28 als Aluminiumoxidschicht auf einer aus Aluminium bestehenden Gehäusewand. Jedoch kann die Haftoberfläche auch auf und aus anderen Materialien ausgebildet sein. Beispielsweise kann das Material, an dem die Haftoberfläche ausgebildet ist, Stahl, zum Beispiel X39CRM017-1 sein. Dieser kann zur Ausbildung einer Haftoberfläche aufgeraut und nitriert sein. Die nitrierte Schicht kann 0,05 bis 0,1 mm dick sein. Die Härte HV5 kann zwischen 900 und 1200 N/mm ² liegen.

[0033] Die Haftoberfläche kann auch an keramischen Ober flächen ausgebildet sein. Beispielsweise einer Sinterkera mik, einer Oxidkeramik, einer Reaktionskeramik oder einer anderweitigen Keramik, aus der beispielsweise die Düse 25 ausgebildet sein kann. Auch kann die Haftoberfläche 28 an einer keramischen Oberfläche einer auf ein Metallteil auf gebrachten Schicht ausgebildet sein. Wiederum kann die Ke ramikoberfläche dabei als Haftoberfläche 28 ausgebildet sein, indem diese mit einer ausreichenden Rauheit bei spielsweise mit R _z von 20 und R _A von 6,3 Mikrometern verse hen ist.

[0034] Die erfindungsgemäße Ausbildung einer Haftober fläche 28 auf zumindest Teilen der Außenseite des Gehäuses 15 und/oder anderen Teilen beispielsweise einer Düse 25 des Lichtbogenbrenners 10 wird das unkontrollierte Ablösen von Partikeln während des Betriebs des Lichtbogenbrenners 10 verhindert. Durch die gezielte Gestaltung der Oberflächen rauheit wird eine gute Anhaftung des Oversprays und der sich daraus bildenden Metallablagerungen erzielt. Durch Anodisieren, insbesondere Hartanodisieren eines zum Bei spiel aus Aluminium bestehenden Gehäuses, zum Beispiel durch Ausbildung einer plasmakeramischen Schicht, wird ein Einbrand von Metalltröpfchen 22 in der Oberfläche verhin- dert. Die Reinigung der Gehäuseoberfläche ist in Betriebs pausen ohne Beschädigung des Brennerschafts 29 und/oder des Gehäuses 15 und/oder sonstiger Teile der Düse 25 möglich.

[0035] Durch Vorsehung einer Haftoberfläche 28 an Teilen eines Lichtbogenbrenners 10 wird sichergestellt, dass Me tallniederschlag 31, der an dem Brennerschaft 29 oder dem Gehäuse 15 anhaftet, dort verbleibt und sich nicht wieder ablöst und in die zu erzeugende Metallschicht 13 gelangt. Damit wird einem im Stand der Technik anzutreffenden Prob lem abgeholfen, bei dem mit Antihaftbeschichtungen gearbei tet wird, weil diese eine zumindest lose Auflagerung von Metallpartikeln ermöglichen können. Wenn diese losen Aufla gerungen sich während eines Beschichtungsvorgangs großflä chig ablösen, können solche Partikel in die Beschichtung der Metallschicht, beispielsweise einer Zylinderlaufbahn, gelangen. Ein solches Werkstück ist dann Ausschuss. Die er findungsgemäße Haftoberfläche 28 verhindert solche Vorgän ge.

BezugsZeichen :

10 Lichtbogenbrenner

11 Oberfläche

12 Werkstück

13 Metallschicht

14 Sprühstrahl

15 Gehäuse

16 Fenster

17 Lichtbogenerzeugungseinrichtung

18 Draht

19 Gegenelektrode

20 Lichtbogen Pfeil Metalltröpfchen Gasdüse Kanal Düse Schnittstelle Gehäusewand Haftoberfläche Schaft