CN101605663B - 等离子体设备和系统 - Google Patents

Abstract

一种等离子体设备，包括第一阳极等离子体头和第一阴极等离子体头。每个等离子体头包括电极、等离子体流动通道和布置在所述等离子体流动通道的至少一部分之间的主气体入口。第一阳极等离子体头和第一阴极等离子体头布置成相对彼此成一角度。等离子体设备也包括第二阳极等离子体头和第二阴极等离子体头。每个等离子体头包括电极、等离子体流动通道、以及布置在等离子体流动通道和电极的至少一部分之间的主气体入口，第二阳极等离子体头和第二阴极等离子体头布置成相对彼此成一角度。

Description

等离子体设备和系统

相关申请的参见

本申请要求2006年11月28日提交的美国申请No.11/564,080的优先权，在此以参见的形式引入其公开内容。

技术领域

本发明大体上涉及等离子体喷枪和等离子体系统，以及更具体的涉及用于材料的等离子体处理和等离子喷涂的双等离子体喷枪。

背景技术

用于材料的等离子体处理和等离子喷涂的热等离子体系统的效率和稳定性可由各种参数影响。正确地建立等离子流并维持等离子流的工作参数可由例如形成与电极有可靠连接的稳定电弧的能力所影响。类似地，电弧的稳定性也可为电极腐蚀和/或等离子流轮廓或位置的稳定性的函数。等离子流的轮廓和位置的改变可导致由等离子体喷枪产生的等离子流的特性的变化。另外，等离子体的轮廓、位置和特性的这种变化可影响等离子体系统产生的等离子体处理材料或涂层的质量。

在如示于图1的传统的双等离子体设备100中，阴极头和阳极头10、20通常布置成彼此成90度角。供给管道112，通常布置在头之间，可提供待被等离子体处理的材料。部件通常布置成提供封闭的处理区110，在该处理区中发生电弧耦合。彼此之间相对紧密的接近以及由其围封的小空间，通常会产生电弧不稳定的趋势，特别是在高压和/或低的等离子体气体流率时。在电弧优先地将其本身连接到较低电阻通路时会发生电弧的不稳定，通常称为“侧面起弧(side arcing)”。通常涉及使用屏蔽气体来企图防止侧面起弧，但是，这种方法通常导致设计更加复杂，并且导致等离子体的温度和焓较低。较低的等离子体的温度和焓从而导致更低的处理效率。

附图说明

所要求保护的主题的特征和优点将从下文中与其一致的实施例的描述中变得明显，其中描述应该结合附图来考虑，其中：

图1为传统的倾斜的双等离子体设备的实施例的详细示意图；

图2为双等离子体设备的示意图；

图3a-b分别示意性地描述了与本发明一致的阴极等离子体头和阳极等离子体头的实施例；

图4为与本发明的一个方面一致的等离子体通道的实施例的详细视图，其中等离子体通道包括三个具有不同直径的圆柱形部分；

图5为与本发明一致的具有形成模块的上游和下游部分的形成模块的实施例的详细示意图。

图6示出了设置为将辅助等离子体气体输送到等离子体通道的实施例；

图7a-b描述了与本发明一致的用于喷射辅助等离子体气体的装置的轴向和径向横截面和剖面视图；

图8a-b示出了设置为轴向喷射材料的单个双等离子体喷枪的视图；

图9a-c示出了设置为径向喷射材料的单个双等离子体喷枪；

图10为包括两个双等离子体喷枪的等离子体喷枪组件的示意图；

图11a-b为等离子体喷枪组件的顶视图和底视图，该等离子体喷枪组件包括设置为轴向喷射材料的两个双等离子体喷枪；以及

图12a-b示出了喷枪定位成50°时，等离子体气体流率和电流对电弧电压的影响。

具体实施方式

总的来说，本发明可提供双等离子体喷枪系统，双等离子体喷枪系统的模块和元件，等等，它们可在各种实施例中显示以下的一个或多个：相对宽的等离子体参数工作窗口，更稳定和/或更均匀的等离子流，以及更长的电极寿命。另外，本发明可提供可以控制待被等离子体处理或等离子喷涂的材料喷射进等离子流的工具。因为双等离子体设备相对高的效率，其可在材料的等离子体处理、粉末球化、废物处理、等离子喷涂等等中得到广泛的应用。

与本发明一致的双等离子体设备可提供基本上更高效率的材料等离子体处理。部分地，可由相对低的等离子体流率和速度和可为大概或低于大约700-100的相关雷诺数来实现更高的效率。与这种等离子体流率和速度一致，材料在等离子体流中的停留时间可足够长以允许等离子能量的有效利用，所期望的等离子体处理期间的材料转变可以以高的效率和生产率发生。另外，与本发明一致的双等离子体设备也可减少，或消除侧面起弧的发生，侧面起弧通常与高电压和/或低的雷诺数有关。

参看图2，双等离子体设备100可在阳极等离子体头20和阴极等离子体头10之间产生电弧7，其中阳极等离子体头20和阴极等离子体头10相应地连接到DC电源的正极端子和负极端子。如图2所示，等离子体头10和20可布置成彼此成α角，轴的会聚提供等离子体头10、20的耦合区。

参看图3，本发明可大体上提供包括描述于图3a中的阴极等离子体头和描述于图3b中的阳极等离子体头的双等离子体设备。如示出的，阳极和阴极等离子体头可通常有相似的设计。阳极和阴极等离子体头之间的主要不同可在于电极的设计。例如，在特定的实施例中，阳极等离子体头可包括阳极45a，其可由具有相对高的电导率的材料制造。示例性的阳极可包括铜或铜合金，其它合适的材料和结构也容易理解。阴极等离子体头可包括插入物43，其被插进阴极夹持器45b。阴极夹持器45b可由具有高电导率的材料制成。与阳极相似，阴极夹持器45b可为铜或铜合金等等。插入物43的材料可选择成当与特别的等离子体气体结合使用时，为插入物提供长的寿命。例如，当氮或氩用作等离子体气体时，有或没有附加的氢或氦时，镧化钨(LanthaneitedTungsten)或Torirated Tungsten可为合适的使用材料。类似的，在使用空气作为等离子体气体的实施例中，铪或锆插入物可为合适的材料。在其它的实施例中，阳极可具有与阴极相似的设计，并可包含钨或铪或其它可提高电弧的稳定性并可延长阳极的寿命的插入物。

等离子体头可大体上由电极模块99和等离子体形成组件97形成。电极模块99可包括例如以下的主要元件：电极壳体23；主等离子体气体供给通道25，其具有入口零件27；旋流螺母47，其形成等离子体气体的旋流部分；以及水冷式电极45a或45b。各种附加部件和/或替代部件可容易地理解并有利地与本发明的电极模块结合使用。

等离子体形成组件97可包括例如以下的主要元件：壳体11；形成模块30，其具有上游部分39和出口部分37；冷却水通道13，其与进水口15连接；绝缘环35。形成模块30可大致形成等离子体通道32。

在示出的示例性等离子体头中，主等离子体气体通过入口零件27供给到位于绝缘体51中的通道25中。随后，等离子体气体进一步被引导通过制造在旋流螺母47中的一组槽和孔，并通过阳极45a或阴极夹持器45b之间的槽44进入等离子体通道32和形成模块30的上游部分39中，其中阴极43安装在阴极夹持器45b中。其它各种结构可可替代地，或附加地被用于将主等离子体气体提供给等离子体通道32。

与本发明一致的等离子体通道32可独特地便于产生和可保持这样的受控电弧，即该电弧在相对低的主等离子体气体流率时显出减小或消失的侧面起弧的趋势，例如，其可显示大约800到1000的范围内的雷诺数，以及更具体的，显示低于700的范围内的雷诺数。

等离子体通道32可包括三个大体上圆柱形的部分，如在图4中更详细地示出的。等离子体通道32的上游部分38可布置成与电极例如阴极插入物43和阳极45b相邻，并可具有直径D1和长度L1。等离子体通道32的中间部分40可具有直径D2＞D1和长度L2。等离子体通道32的出口部分42可具有直径D3＞D2和长度L3。

上游圆柱形部分38可产生等离子流的优化速度，该速度提供等离子流向描述在图2中的耦合区12所进行的可靠扩展或传播。直径D1可比阴极直径D0大。通常，直径D1的最佳值取决于等离子体气体流率和电弧电流。例如，在一个实施例中，如果使用氮作为等离子体气体，并且等离子体流率在大约0.3-0.6gram/sec的范围内且电弧电流在大约200-400A的范围内，那么D1可通常在大约4.5-5.5mm的范围内。在利用更高等离子体气体流率和/或更高电弧电流的实施例中，通常可增大第一部分的直径D1。

第一部分的长度(L1)可通常被选择为足够长以允许形成稳定的等离子流。但是，在L1＞2D1时第一部分中侧面起弧的可能性会增加。根据实验，比值L1/D1的期望值可描述如下：0.5＜L1/D1＜2            (1)

L1和D1之间的更优选的比值可描述如下：0.5＜L1/D1＜1.5          (1a)

等离子体通道32的第二部分40和第三部分42可允许提高等离子体气体在通道内的电离水平，也可以允许进一步形成提供所期望速度的等离子流。等离子体通道32的所述第二部分40和第三部分42的直径可通常由关系D3＞D2＞D1表征。直径的前述关系可有助于在等离子体通道32的所述第二部分40和第三部分42中避免进一步的侧面起弧，也有助与降低工作电压。

第二部分的附加特征可描述如下：4mm＞D2-D1＞2mm            (2)2＞D2/D1＞1.2              (3)

第三部分的附加特征可描述如下：6mm＞D3-D2＞3.5mm          (4)2＞L3/(D3-D2)＞1           (5)

对由上述关系和特征确定的锻造几何形状的各种修改和变更也可在一些实施例中提供期望的性能。在图3和4中示出的实施例中，等离子体通道32在三个大体为圆柱形的部分之间显示了台阶状剖面。除了台阶结构，也可以适当地使用对连接这三个圆柱形部分的等离子体通道的几何形状的各种不同选择。例如，圆柱形部分之间的圆锥形或相似的过渡，以及台阶的圆化边缘，也可以用于同样的目的。

与上文的关系(1)-(5)一致的具有等离子体通道的双等离子体设备，可提供在相对宽的工作参数范围内减少了或消除了侧面起弧的稳定工作。但是，在一些情况下，当等离子体流率和等离子体速度进一步减小时，仍然会发生“侧面起弧”。例如，具有尺寸为D1＝5mm、L1＝3mm、D2＝8mm、L2＝15mm、D3＝13mm、L3＝6mm的等离子体通道的双等离子体喷枪的示例性实施例可在电弧电流为150-350安培、使用氮作为主等离子体气体并设置在大于0.35grams/sec的流率的情况下工作而没有“侧面起弧”。将氮流率降低到低于0.35g/sec，特别是低于0.3g/sec时会导致“侧面起弧”。根据本发明，进一步降低等离子体气体流率并同时仍旧最小化或防止侧面起弧，是可以通过在形成模块30的结构中执行电绝缘元件来实现的。

也参看图5，示出了形成模块30的实施例，其中由陶瓷绝缘环75将形成模块30的上游部分39与形成模块的下游部分37电绝缘。在这个示出的实施例中，密封O形环55可与绝缘环75协同使用。形成模块30的上游部分39和下游部分37的电绝缘可导致电弧和等离子流附加的稳定性，即，提供显示减少了或消除了侧面起弧的等离子流，即使在很低的等离子体气体流率以及相关的低值雷诺数时。例如，具有与上述示例性实施例相同的等离子体通道尺寸并在相同电流水平下工作的等离子体头，在对其示例性实施例进行测试期间，当氮流率降低到0.25g/sec时，不会观察到侧面起弧。可能需要对模块30的各元件进行附加的电绝缘以允许在最小化或消除侧面起弧的同时更进一步减小等离子体气体流率。这种附加绝缘可相应地增加双等离子体设备的复杂性。

图3a-b示出了双等离子体设备的实施例，其中等离子体气体，或等离子体气体的混合物，仅通过气体供给通道27和旋流螺母47提供。在一些情况下，环绕着电极提供等离子体气体可引起电极的过度腐蚀，特别是如果等离子体气体混合物包括空气或另一种活性气体时。根据本发明的一个方面，可通过如上文描述的经由旋流螺母47提供惰性气体例如氩并在电极周围通过来减少或防止电极的腐蚀。活性的或附加的辅助气体或气体混合物，可分别供给到槽44的下游，槽44在阳极45a或阴极43和形成模块30的上游部分39之间。图6示出了为阴极等离子体头提供等离子体气体的辅助引入的实施例。容易理解用于阳极等离子体头的相应的结构。可通过位于分配器41内部的气体入口81将辅助等离子体气体供应到气体通道79。自通道79，辅助气体可通过位于形成模块30的上游部分39的槽或孔77供给到等离子体通道32。也参看图7，以轴向和径向横截面示出了用于辅助等离子体气体供给的一个可能特征的示例性实施例。在示出的实施中，四个槽77可设置在上游部分39中以将辅助等离子体气体供应到等离子体管道32。如示出的，槽77可被布置成将辅助等离子体气体大致相切地引入等离子体通道32。也可以合适地使用其它布置。

可以有各种可能的布置来实施一个或若干个根据本发明的双等离子体设备以满足与材料的等离子体处理和等离子喷涂相关的不同的技术要求。在这些布置中，可使用待被等离子体处理的材料的轴向的、径向的和轴向/径向相结合的喷射。图8-11示出了与双等离子体设备结合用于材料喷射的示例性结构。也可以合适地使用各种其它结构。

图8和9示出了结合单个双等离子体喷枪执行喷射的结构，分别提供了待处理的材料的轴向和径向的供给。阴极头10和阳极头20之间的角α可为确定耦合区的位置、电弧长度、以及从而电弧的工作电压的主要参数之一。较小的角度α可通常导致较长的电弧和较高的工作电压。实验数据显示，为了使陶瓷粉末有效地等离子体球化，在45-80度内的角α可被有利地使用，在大约50°＜α＜60°范围内的角度特别有利。

图8a-8b示出了阴极10和阳极20等离子体头，它们定向为提供单个的成角度的双等离子体喷枪系统126。等离子体头10、20可由电源130供电。轴向粉末喷射器120可布置在各自的等离子体头10、20之间，并可被定向为将喷射出的材料大体上引向耦合区。轴向粉末喷射器120可由喷射器夹持器124相对于等离子体头10、20支撑。在各种实施例中，喷射器夹持器可使喷射器120与等离子体喷枪系统126电绝缘和/或热绝缘。

图9a-c示出了提供材料径向供给的等离子体喷枪结构。如示出的，径向喷射128可布置成与一个或两个等离子体头例如阴极等离子体头10的端部相邻。径向喷射128可被定向为将材料喷射到从等离子体头以大体径向的方向射出的等离子体流中。径向喷射器128可具有环形横截面的材料供给通道140，如图9c所示。但是，在其它实施例中，定向成较长轴线沿着来自如图9b所示的等离子体头的等离子体流的轴线定向的椭圆形或相似形状的管道136，可导致对等离子能量的更好利用，以及，从而，导致更高的生产率。

图10-11示出了两个双等离子体喷枪组件132的可能布置。每对阴极等离子体头10a、10b和相应的阳极等离子体头20a、20b的轴线可处于各自的平面134a、134b内。平面134a和134b彼此之间可形成角β。一些实验性的结果已表明，在大约50-90度之间的角β，更具体的在大约55°＜β＜65°范围内的角β，可提供陶瓷粉末的有效的等离子体球化。在平面134a、134b之间的角β减小到低于大约50度时可开始发生侧面起弧。大于大约80-90度的角β可为轴向粉末喷射导致一些不利。

如上文讨论的，用于材料的轴向供给的结构示于图8和11。粉末喷射器120可安装在喷射器夹持器124中以提供喷射器120的位置的可调整性，以适合各种处理要求。尽管未示出，但径向材料喷射器，例如示于图9a-c，可类似地相对于等离子体头可调整地安装，例如，以允许喷射器和等离子体流之间的间隔被调整，也允许沿着等离子体流调整注入点。轴向喷射器120可具有圆形横截面140的材料供给通道。但是，与径向喷射相似，可以使用椭圆形的或相似形状的喷射器通道，例如，开口的较长轴线定向成如图11b所示的。这种结构可导致对等离子能量的更好利用，其可转而再导致更高的生产率。在其它实施例中，可通过组合的、同时的径向和轴向喷射待等离子体处理的材料来实现对等离子体能量的更好利用。可理解有各种喷射选择，其可以允许针对特定应用调整和优化等离子体和喷射参数。

尽管定制研发的电源可适合地与根据本发明的等离子体系统结合使用，但应该理解，可控制和调整等离子体系统的工作电压以适应能买到的电源的可用输出参数。例如ESAB(佛罗伦萨，南卡罗来纳，USA)制造电源ESP-400，以及ESP-600，它们广泛地用于等离子体切割和其它等离子体技术。这些能买到的电源也可有效地用于双等离子体设备和系统。但是，该系列等离子体电源的最大工作电压在100％的占空系数时为大约260-290伏特。从而，可调整双等离子体设备的设计、等离子体气体类型、以及等离子体气体的流率以匹配ESP类型电源的可用电压。可执行相似的调整以将双等离子体设备与其它能买到的，或定制制造的电源匹配。

图12a-b示出了双等离子体喷枪的示例性实施例中等离子体通道尺寸、等离子体气体流率和电流对电弧电压的影响，其中双等离子体喷枪在相应阴极和阳极等离子体头之间设置有50°角。氮由于其有高的焓、便宜及可获取性，可经常成为用于各应用的有吸引力的等离子气体。但是，仅应用氮作为等离子体气体可需要大约310伏特的高工作电压，如由示于图12a-b中的曲线1示出的。可通过使用例如具有优化流率的氩和氮的混合物来实现该工作电压的降低，例如降低到由能买到的等离子体电源输送的电压输出范围内，在图12a中由曲线2-5示出。也可以通过优化等离子体通道32的轮廓和尺寸来实现工作电压的降低。示于图12a的数据是使用双等离子体喷枪而获得的，其中每个等离子体头的等离子体通道32具有由D1＝4mm、D2＝7mm以及D3＝11限定的轮廓。与每条曲线1-5相关的等离子体气体和流率分别如下：曲线1和1a：N₂，0.35g/sec；曲线2：A_r，0.35g/sec，N₂，0.2g/sec；曲线3：N₂，0.25g/sec；曲线4：A_r，0.5g/sec，N₂，0.15g/sec；以及曲线5：A_r，0.5g/sec，N₂，0.05g/sec。图12b示出了即使直径D1、D2、D3相对不显著地从相应的4mm、7mm和11mm增加到5mm、8mm和12mm，也可导致工作电压从大约310伏特降低到大约270-280伏特，其由图12b示出。

已经通过对与本发明一致的示例性实施例的描述阐述了本发明的各种特征和优点。应该理解，对描述的实施例做出各种修改和变更实质上不偏离本发明。因此，本发明不应仅限于所描述的实施例，而应由本文所附的权利要求的全部范围提供。

Claims (8)

1.一种等离子体设备，包括：

第一阳极等离子体头和第一阴极等离子体头，它们每个都包括电极、等离子体流动通道、以及布置在所述等离子体流动通道和所述电极的至少一部分之间的主气体入口，所述第一阳极等离子体头和所述第一阴极等离子体头布置成相对彼此成一角度；以及

第二阳极等离子体头和第二阴极等离子体头，它们每个都包括电极、等离子体流动通道、以及布置在所述等离子体流动通道和所述电极的至少一部分之间的主气体入口，所述第二阳极等离子体头和所述第二阴极等离子体头布置为相对彼此成一角度；

所述第一阳极等离子体头和第一阴极等离子体头布置在第一平面中，所述第二阳极等离子体头和所述第二阴极等离子体头布置在第二平面中，所述第一和第二平面布置成彼此之间的角度在50度到90度之间。

2.权利要求1的等离子体设备，其中所述第一平面和所述第二平面布置为彼此之间的角度在55度到65度之间。

3.权利要求1的等离子体设备，其中每个等离子体头的等离子体流动通道包括：第一大体圆柱形部分，与所述电极相邻，具有直径D1；第二大体圆柱形部分，与所述第一大体圆柱形部分相邻，具有直径D2；以及第三大体圆柱形部分，与所述第二大体圆柱形部分相邻，具有直径D3，其中D1＜D2＜D3。

4.权利要求1的等离子体设备，还包括粉末喷射器，其与至少一个等离子体头相联，所述喷射器设置成将粉末材料引入由所述至少一个等离子体头产生的等离子体流中。

5.权利要求4的等离子体设备，其中所述粉末喷射器设置成相对于所述等离子体流大致径向地喷射粉末，以及其中所述粉末喷射器包括狭长的开口横截面，所述开口的长轴线定向为大致平行于所述至少一个等离子体头的所述等离子体流动通道的轴线。

6.权利要求4的等离子体设备，其中所述粉末喷射器设置成将粉末材料导向位于所述第一阳极等离子体头和所述第一阴极等离子体头的耦合区和所述第二阳极等离子体头和所述第二阴极等离子体头的耦合区之间的区域。

7.权利要求4的等离子体设备，包括第一粉末喷射器，设置成相对于所述等离子体流大致径向地喷射粉末；以及第二粉末喷射器，设置成将粉末材料导向位于所述第一阳极等离子体头和所述第一阴极等离子体头的耦合区和所述第二阳极等离子体头和所述第二阴极等离子体头的耦合区之间的区域。

8.权利要求1的等离子体设备，其中至少一个所述等离子体头包括辅助气体入口，在所述主气体入口的下游。

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