气稳等离子喷涂设备

出处：按学科分类—工业技术 北京工业大学出版社《特种加工手册》第283页（5409字）

5．5．2．1 设备组成

如图5-25所示，设备由整流电源、高频振荡器(引弧装置)、控制柜、送粉器、喷枪、冷却水供给装置(增压水泵及热交换器)及气瓶等部分组成，辅助设备包括喷涂柜、通风除尘装置、带动喷枪及工件运行的机械装置等，喷涂设备应置于有隔音效果的喷涂室内，喷涂室内还应有供给压缩空气的管道，在喷涂操作时作冷却气体及向防护头盔供给新鲜空气．

图5-25 气稳等离子喷涂设备的组成

1—整流电源；2—高频振荡器；3—控制柜；4—送粉器；5—喷枪；6—增压水泵及热交换器

5．5．2．2 整流电源

喷涂用的整流电源是向喷枪提供电能的装置，其外特性、动特性及供电参数都应满足喷枪产生等离子弧的要求，目前采用的整流电源类型，仍主要是磁放大器硅整流电源及可控硅整流电源，电源的性能要求及主要技术参数列于表5-10．

表5-10 等离子喷涂电源的性能要求及主要技术参数

等离子喷涂一般采用一台电源，为了适应大功率喷涂(喷枪功率≥80kW)，可以采用两台同样规格型号的电源并联运行，

由于电源输出电流大，与喷枪在电路上连接时，不通过接触器而直接接触，向喷枪供电的通断是通过整流电源变压器原边交流接触器来控制．

5．5．2．3 控制柜

控制柜集中安装电气控制系统和气路控制系统，实现对整个喷涂过程的动作程序和工艺参数的控制及调节，并在面板上显示工作状态．

气路控制系统的原理如图5-26所示，向喷枪供给工作气体的流量控制与调节，一般采用浮子流量计，通过调节阀调节流量；也有采用板孔式流量计，通过调节板孔两端的压差来调节流量．

图5-26 气路控制系统原理

1—电磁气阀；2—储气包；3—流量调节阀；4—浮子流量计；5—混气包；6—离子气；7—送粉器

电气控制系统一般包括：工艺动作程序控制电路、送粉器及其他执行机构的调速电路、整流电源电流调节器的控制电路、信号显示电路等．

工艺动作程序控制电路，是将各输入的条件信号(包括操作的开关信号、工作状态检测信号、输出反馈信号等)，经过逻辑组合(编程)，输出控制信号来控制执行机构(电气元件、电路单元等)，使其按工艺要求的顺序动作，并具有在不正常的工作状态时自行停止动作的保护功能，下面为目前采用的程序控制电路的类型．

(1)固定程序继电器控制电路 通过继电器接点的串并联来实现程序控制，由于可靠性差，程序固定，已逐步被淘汰．

(2)矩阵式顺序控制器 采用基本逻辑式控制器，核心部分是二级管矩阵板，通过在矩阵板上安插二级管实现逻辑组合，由于简单、经济、制造方便，目前正在应用，但改变程序不方便，不适于复杂的控制程序．

(3)可编程序控制器 又称PC机，是采用微电脑的可编程序的逻辑控制器，它是继计算机应用于工业控制后迅速发展起来的一种小型控制装置，由于编程采用继电器电路的梯形图，指令简单，容易掌握，编程方便，尤其是检查和修改程序很简便，而且工作可靠，抗干扰能力强，适应于复杂程序的编程，现在已开始在设备上应用，采用PC机的控制电路原理如图5-27所示．

图5-27 采用PC机等离子喷涂控制电路

XD₁～XD₁₁—信号指示灯；DF₁～DF₄—电磁气阀；1JD—交流接触器；1TL—电流调节器；1TS～5TS—可控硅调速电路；SY—水压开关；QY—气压开关；K—转换开关；AQ—启动按钮；AT—停止按钮；AJ—急停按钮

(4)计算机控制系统 采用微型计算机可对整个喷涂系统的动作程序、工艺参数自动控制和将数据存储，并在荧光屏上显示工作状态和工艺参数，该系统工艺控制精度高，是最先进的控制系统．

在设计工艺动作程序电路(编程或编写逻辑组合式)时，依据工艺动作程序图，对于一般等离子喷涂，工艺动作程序如图5-28所示．

图5-28 等离子喷涂工艺动作程序

5．5．2．4 送粉器

送粉器是贮放和向喷枪定量供给粉末的装置，基本要求是：供粉均匀，启闭灵敏，密封性好，能在较宽的范围内连续、定量地调节送粉量，送粉器结构形式较多，目前常用的是刮板式送粉器和带有小孔的转盘气吹式送粉器，前者适用于固态流动性好的粉末，后者可用于固态流动性差的粉末和微细粉末．

B5锤击式送粉器是国内常用的转盘气吹式送粉器，结构原理如图5-29所示．

图5-29 B5送粉器结构原理

1—电磁铁；2—同步振动器芯轴；3—复位弹簧；4—同步振动器压粉板；5—送粉孔盘；6—底座；7—锥齿轮；8—主轴；9—下密封垫；10—上密封垫；11—贮粉筒筒体；12—贮粉筒盖板；13—进气销；14—出粉口

5．5．2．5 供水装置

供水装置是向喷枪供给一定压力和足够流量的冷却水的装置，为了使喷枪有良好的冷却效果，最好采用蒸馏水循环使用．因此，供水装置包括增压水泵和热交换器，供水装置的技术要求列于表5-11，供水系统原理如图5-30所示．

图5-30 供水系统原理图

1—电机；2—增压水泵；3—调节阀；4—压力表；5—贮水箱；6—热交换器Ⅰ；7—热交换器Ⅱ；8—喷枪；9—放水阀

表5-11 等离子喷涂供水装置技术要求

5．5．2．6 喷枪

喷枪是等离子弧发生器，旨在产生高焓、高速等离子射流和将喷涂粉末流畅地送入射流中，喷涂工艺参数的优化选择及喷涂过程的稳定性，在很大程度上取决于喷枪的性能，喷枪汇集水、电、气、粉，功率大、质量轻，且结构较复杂，喷枪关键在于喷嘴、电极和水路、气路的设计．

(1)喷枪结构 喷枪的总体结构，从绝缘体所处正、负电极间的位置，分为前后绝缘结构和内外绝缘结构，前后绝缘结构是由前枪体、后枪体及中间绝缘体三大部分组成；前枪体固定喷嘴，后枪体固定电极，图5-31中所示的大功率喷枪为这种结构形式，内部绝缘结构是由枪体、中间绝缘套及电极杆三大部分组成；枪体前端固定喷嘴，电极杆前端固定电极，大功率喷枪结构如图5-32所示．

图5-31 前后绝缘式等离子喷枪结构

1—盖帽；2—下枪体；3—喷嘴；4—挡水环；5、9、10、11、12、23、25—“O”形密封圈；6—联接螺帽；7—绝缘环；8—密封圈；13—锁紧螺帽；14—盖帽；15—调节螺母；16—电极杆Ⅰ；17—上枪体；18—水管；19—电极杆Ⅱ；20—气管；21—隔热环；22—电极头；24—水管

图5-32 内外绝缘式等离子喷枪结构

1—盖帽；2—喷嘴；3、5、7—外枪体；4—挡水环；6—隔热环；8、9、10、17、18、23、25、26、27—“O”形密封圈；11—绝缘套；12—调节螺母；13—并紧螺母；14—电极杆Ⅰ；15—电极杆Ⅱ；16—锁紧压盖；19—气管；20—水管；21—气(粉)管；22—分气环；24—电极头

对于电极前后位置调整，在喷枪结构上可设计成可调式或固定式；在送粉位置上，可设计成枪内送粉或枪外送粉．

无论采用什么样的结构形式，在设计和制造上都要保证喷嘴和电极的同心度，绝缘强度和对水、气的密封性，对喷枪使用性能十分重要．

(2)喷嘴 喷嘴是喷枪的关键部件，也是易损件，喷嘴材料用紫铜，喷嘴的设计在于确定压缩孔道参数和几何形状，喷嘴几何形状的设计重点是围绕提高喷枪功率、解决喷嘴烧损问题，以及强制冷却所采用的措施．

喷嘴压缩孔道参数影响对电弧的压缩性和电弧的稳定性，一般采用的参数列于表5-12．

表5-12 等离子喷涂枪喷嘴压缩孔道参数

对喷嘴的冷却是对流换热过程，即通过冷却水的流动，使流体和喷嘴壁面之间产生热量传递，根据对流换热原理，要提高对流换热量，就要增加换热面积，降低流体的平均温度和提高对流换热系数，为此喷嘴在水冷结构上所采取的措施如图5-33所示，图中3种几何形状的结构以(c)冷却效果最佳．

在喷嘴前端钻送粉孔，即内送粉喷嘴，如不钻孔即为外送粉喷嘴，内送粉喷嘴一般钻三孔对称分布，粉孔中心线离端面距离一般在5mm左右．

图5-33 喷涂枪喷嘴水冷结构

(a)环形；(b)孔形；(c)槽形

(3)电极 电极(阴极)由于热电子发射和承受很大能量的正离子轰击，使电极端部温度高达24000K，在较小面积上流过近千安的电流，局部热负荷相当高，尽管电极由高熔点钨-铈或钨-钍材料制成，也很难避免烧损，电极一旦烧损就会断断续续喷射出熔化了的钨粒子，直至烧秃，破坏原设计的几何形状，造成电弧不稳和偏向喷嘴一侧，加速喷嘴烧损，同时钨粒子也污染了涂层．

提高电极承受热负荷能力，主要措施仍是加强冷却水对钨极端部的对流换热效果，同时电极杆应对钨有良好的传热效果，除增大钨极的换热面积外，电极头端部离水冷壁(对流横热面)的距离要短，对大功率喷枪可缩短到10mm左右，电极的头部结构如图5-34所示

图5-34 电极的头部结构

(4)气流结构 工作气体(离子气)在喷枪内流动状态称为气流结构，它主要取决于进气方式和气室结构，进气方式指气流进入喷嘴压缩锥面和电极锥面之间的狭小间隙，进而流向压缩孔道的路径，气室指工作气进入喷枪后，在进入狭小间隙前的空腔．

进气方式主要分切向旋流进气和径向直流进气两种，对于等离子喷涂来说，为了加强对等离子弧的压缩，并为获得电弧阴极斑点沿孔道壁面旋转的效果，大都采用旋流进气，为了造成强烈的旋涡，采取加装陶瓷导流环，环上有切向分布的导气孔，当工作气通过导气孔时形成旋流，为了获得强烈的旋流进气效果，气室不宜过长．