CN102534456B

CN102534456B - 一种交流电弧喷涂设备

Info

Publication number: CN102534456B
Application number: CN2011101360890A
Authority: CN
Inventors: 黄鹏飞; 卢振洋; 姚明; 徐旦
Original assignee: WUXI ZHOUXIANG COMPLETE SET OF WELDING EQUIPMENT CO Ltd; Beijing University of Technology
Current assignee: WUXI ZHOUXIANG COMPLETE SET OF WELDING EQUIPMENT CO Ltd; Beijing University of Technology
Priority date: 2011-05-25
Filing date: 2011-05-25
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2031-05-25
Also published as: CN102534456A

Abstract

一种交流电弧喷涂设备属于电弧喷涂技术领域，具体涉及一种不同于传统直流电弧喷涂系统的交流电弧喷涂系统及其相关设备。该设备包括喷涂丝能量控制、DSP控制系统、两套送丝机构等创新点。通过比较精确的电弧能量分配，使不同材料的喷涂丝在熔化量和熔化速度上有一个较好的匹配。因为有独立的双闭环控制的伺服送丝机构可以满足各种不同速度的喷涂丝熔化速度。除了能解决传统的在各种工件表面喷涂高熔点金属物质的技术难题还能够实现更高水平的喷涂要求：1、几种不同材料的喷涂丝混合喷涂2、喷涂颗粒混合更均匀3、更高的喷涂效率4、更高的喷涂效率。

Description

一种交流电弧喷涂设备

技术领域

本发明属于电弧喷涂技术领域，具体指不同于传统直流电弧喷涂系统的交流电弧喷涂设备。

技术背景

随着喷涂技术的发展，追求高效化、个性化是前沿发展方向。在工程实际应用领域中，各种高精尖的表面工程如喷涂防腐等表面处理工艺上已经广泛使用电弧喷涂的办法。此类方法可以比较方便高效地使金属作为一种喷涂料均匀致密地覆盖于工件表面，达到防腐、耐磨等其他效果。而传统的喷涂工艺主要用于各种非金属材料的喷涂作业，这种方法完全不同于以往的传统喷涂工艺，具有广阔的应用前景。这种工艺手段在各种高级机械零件的加工生产、建筑安全工业、各种大型可靠性工程处理等行业的需求量非常大。但是现阶段国内市场上存在的主要双丝喷涂设备都是使用直流喷涂方法。因为这些传统直流喷涂设备往往只具备一套送丝系统只能喷涂一种材料而且送丝速度和喷涂丝直径都是固定的；两根喷涂丝分别处于固定的正极和负极端，由电弧物理特性我们知道处于电弧负极的喷涂丝熔化速度比处在正极的喷涂丝熔化速度更快所以喷涂料的混合比例不可调，说明两极喷涂丝获得的能量不一样。这样的喷涂缺陷将导致喷涂料颗粒的粒径大小不一致同时分布也不够均匀。此外这种喷涂方法比较单一对于很多不同的产品需求往往要设计专用的喷涂系统导致设备的生产远达不到人们的个性化使用要求。因此我们将电弧喷涂的发展方向转向交流电弧喷涂领域，但因国内相应配套喷涂交流电源控制系统和闭环控制送丝系统技术不够成熟而没有得到广泛的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种将交流电弧喷涂方法并利用控制电路维持其稳定性的方法。使用高频脉冲电源控制电弧极性在喷涂丝之间快速转换，在这种情况下内两根喷涂丝分别处于电弧正极或负极的概率可以由软件进行人为控制。这样产生喷涂粒子的半径范围比较均匀，在工件表面的分布较为致密。但是这时候我们还需要根据要求控制喷涂丝处在负极时间来使喷涂丝的正负极占有概率不是50％，而是一个我们要求的合理值。如进行铜、铝复合喷涂时我们要求铜基喷涂丝负极占有率为60％而铝为40％。

本发明的技术方案是提供了一种交流电弧喷涂设备，包括主电路部分、控制电路部分、高频稳弧部分、送丝传动部分以及气路和喷枪，喷枪上装有两根喷涂丝，其中两根喷涂丝之间的电弧极性呈周期性变化，通过对喷涂丝1和2处于正负极的时间比例进行控制，实现电弧能量在两喷涂丝之间的调节和分配。

上述交流电弧喷涂设备中，送丝传动部分由两套独立的送丝机构组成，两套送丝机构所使用的喷涂丝采用相同或者不同的材料；所用喷涂丝的直径相同或者不同。

在上述交流电弧喷涂设备中，主电路部分包括开关器件IGBT₁～IGBT₄模块，同时开通IGBT₁和IGBT₄并关断IGBT₂和IGBT₃使变压器电流流向为从A到B，同时开通IGBT₂和IGBT₃并关断IGBT₁和IGBT₄使变压器电流流向为从B到A；通过软件程序调节开关器件IGBT₁～IGBT₄模块的开通和关断时间使输出电流在电弧极性换向，电流变弱为零之前升高到300～400A以维持电弧过零前的高温。

在上述交流电弧喷涂设备中，高频稳弧部分包括开关器件IGBT₇～IGBT₁₀模块；当IGBT₅开通时，电流从C经VD₁、L₁、开关器件IGBT₅向R₁形成电流回路，此时开关器件控制IGBT₇和IGBT₁₀导通；当IGBT₆开通时，电流从变压器中部经R₁、IGBT₆、L₂、VD₄、D形成电流回路，此时开关器件IGBT₈和IGBT₉导通；产生的稳弧电压施加到电弧两端并持续一段时间，在电流过零时负载两端承受来自高压稳弧电路的高压；通过软件程序开通和关断开关器件IGBT₇～IGBT₁₀使高压稳弧电路输出高压脉冲，保证电弧过零后可以再次顺利引燃。

在上述交流电弧喷涂设备中，主电路部分包括高压整流器Z₁、滤波电容C₁与C₂、一次逆变开关器件IGBT₁～IGBT₄、变压器T、二极管VD₁～VD₄、高频电感L₁与L₂、二次逆变开关器件IGBT₅～IGBT₆、固定负载R₁；由工作在高频段的开关器件IGBT接受DSP的控制后，产生20KHz的交流电压；然后再经过变压器T降压和VD₁-VD₄整流后输出得到直流；IGBT₅和IGBT₆的切换实现二次逆变过程；整个主电路部分输入380v交流电压经前述电路处理后，喷涂丝1和喷涂丝2获得15～50v高频交流电进行工作。

本发明具有的有益效果：

本发明所提供的交流喷涂设备通过比较精确的电弧能量分配，使不同材料的喷涂丝在熔化量和熔化速度上有一个较好的匹配。因为有性能较好的伺服电机，所以能够达到较高的喷涂送丝效率要求。通过使用几种不同材料的喷涂丝进行混合喷涂使喷涂颗粒混合更均匀、更高效、更低成本和更具有个性化。

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1交流电弧喷涂系统主电路图

图2交流电弧喷涂设备总体系统方框图

图3电压脉冲波形图

图4电流脉冲波形图

图5能量比例控制电压、电流脉冲波形图

图中，Z1——整流器，C1、C2——滤波电容，IGBT1～10——开关器件，T——变压器，R1——固定负载，R2——限流电阻，VD1～4——二极管，L1～2——高频电感L1与L2

P1～2——整流器，1、2——送丝机构，T1——变压器，LEM1、LEM2——电流采样器件，(3)、(4)——一次、二次逆变驱动电路，(5)——保护电路，(6)——电流采样及滤波，(7)——电压采样及滤波，(8)——高压稳弧驱动电路，(9)——喷涂参数给定，(10)——喷涂参数显示，(11)——光电隔离，(12)——喷枪开关，(13)——送丝给定，(14)——气阀，(15)——送丝机调速电路，A——基本数据输出，B——送丝速度分配协调器，C——人机界面，D——DSP控制系统

具体实施方式

在使用交流供电进行电弧喷涂作业时，将送丝系统输入的两根不同材料喷涂丝分别作为电弧正极与负极。然而电弧会在较小的基值电流下过零，所以控制电路中增加高电压、大电流驱动电路进行稳弧操作。

其中整个系统的控制电路部分包括喷涂丝能量控制部分、送丝调速控制部分和人机界面部分；其中的喷涂丝能量控制部分包括DSP控制单元(D)、一次逆变驱动电路(3)、二次逆变驱动电路(4)、以及喷涂材料和能量参数给定部分(C)；当交流极性在两根喷涂丝上不断交换时，DSP控制单元(D)软件实现对主电路的两根不同材料喷涂丝的电压极性控制以及对相应的极性占据时间长短进行控制；送丝调速控制部分由DSP控制单元(D)、基本速度给定输出部分(A)、送丝速度分配协调器(B)之间的速度控制数据传递组成第一条基本闭环控制回路，由DSP控制单元(D)、电压采样及滤波(7)、LEM₂、送丝速度分配协调器(B)、之间的速度控制数据传递组成第二条闭环控制回路；人机界面部分包括：由客户根据喷涂需要在参数设置(C)上的喷涂丝参数给定(9)和喷涂参数显示(10)进行速度和喷气的数据给定，这些数据将被相关的DSP控制系统(D)进行接收处理后输出基本速度值；这里面也包括相关的喷枪开关(12)、送丝给定(13)和送气气阀(14)的数据；

高频稳弧部分包括：整流电路、滤波电容、高频开关器件IGBT₇-IGBT₁₀，和限流电阻R₂。IGBT₅开通时，电流从C经VD₁、L₁、开关器件IGBT₅向R₁形成电流回路，此时开关器件IGBT₇和IGBT₁₀导通；IGBT₆开通时，电流从变压器中部经R₁、IGBT₆、L₂、VD₄、D形成电流回路，此时开关器件IGBT₈和IGBT₉导通；产生的稳弧电压施加到电弧两端并持续一段时间，在电流过零时负载两端承受来自高压稳弧电路的高压；

送丝传动部分可以由一个送丝电机带动两套送丝轮，从而使两根喷涂丝的送进速度保持相同，也可以由两套独立的送丝传动机构组成，两套送丝系统送出的喷涂丝速度不同。在喷涂过程中送丝系统受主控部分的实时监测，所述两个驱动电动机直接接收来自DSP控制系统(D)的输出数据，以适应电弧的实时状态。

如图1所示电路：通过IGBT₁、IGBT₂、IGBT₃、IGBT₄构成全桥电路一次逆变的到540v变压器输出，然后经滤波及IGBT₅～IGBT₆二次逆变输出高频交流电压值喷涂系统的正、负极喷涂材料。开关管IGBT₇和IGBT₁₀或IGBT₈和IGBT₉同时瞬间导通，高压稳弧脉冲加在喷涂丝之间；实现变极性的双向稳弧作用。如图5中的电压脉冲波形，其中基值电压比较低而尖端脉冲电压则高达300～400V可以形成一个非常高的间隙电场利用高压电弧的场发射维持电路的导通，这就是高压稳弧的方法。

为了进一步控制频繁的喷涂丝极性交换过零过程中的电弧稳定性，控制电路还要保证电源输入为0时也就是电路电流降低直到电路相当于开路时要给出一个能够维持几十μs到几ms时间段的大电流脉冲。此时电流尖峰脉冲时刻，电流可能达到300～400A。因为这个高电流可以使电弧在输入电流降低到一定值时电弧温度仍不致骤降。

电弧喷涂的质量由不同喷涂丝的熔化速度的一致性和均匀性来保证。在普通的直流电弧喷涂工艺中因为不同极性电弧材料获得的能量不同那么熔化后的喷涂颗粒半径不一样，这样的不均匀势必造成喷涂质量下降。本发明将直流改为交流后两根熔化极喷涂丝可被严格控制获得的能量基本是相等的或是按客户需求进行可调的。了解到不同的具体需求后本设备的送丝实施过程是：1)由前所实现不同材料的喷涂丝能量配比之后则他们的熔化速度必不一样，然后由软件将DSPic30系列控制芯片内的能量数据传进行计算后输送给(A)部分进行两根喷涂丝的基本给定，如铜、铝丝配合电流在权利2中范围内速度范围在1～3m/min；2)数据经过速度分配协调器(B)进行比较精确的细微调整，这次调整的依据就是通过电压采样及滤波电路(C)和LEM2电流采集电路采集的喷涂实时电弧参数，通过这个参数一部分送给控制单片机分析电弧的实时状态给出合理的送丝基本速度，另一部分对于已经处理的速度进行微调实际上这个过程包括两个环路控制；3)经过处理的出的比较准确度送丝速度分别输入送丝机构1和送丝机构2的伺服系统输出合理送丝转速。

本发明的交流电弧过零方法，是在每个连续的电流正极、零值、负极的工作周期中有两种驱动方式辅助电路，进行电极交换过程中电弧顺利过零的方法。

为了保证施加高压稳弧时间准确性和及时性，采用中断与定时器联合控制方式。当程序运行过程中判断到喷涂丝正负极性转换时刻到来时，DSP发出驱动信号同时启动定时中断以保证在设定的时间到来时产生定时器中断以关掉高压信号。由图5可以看出在每次极性驱动由低到高的时刻，均产生一个短时间的高压稳弧驱动以保证电弧过零点的顺利引燃，避免断弧现象发生。

Claims

1.一种交流电弧喷涂设备，包括主电路部分、控制电路部分、高频稳弧部分、送丝传动部分以及气路和喷枪，特征在于：两根喷涂丝之间的电弧极性呈周期性变化，通过对喷涂丝1和2处于正负极的时间比例进行控制，实现电弧能量在两喷涂丝之间的调节和分配；

所述的送丝传动部分由两套独立的送丝机构组成，两套送丝机构所使用的喷涂丝采用相同或者不同的材料；所用喷涂丝的直径相同或者不同；

所述的主电路部分包括开关器件IGBT₁～IGBT₄模块，同时开通IGBT₁和IGBT₄并关断IGBT₂和IGBT₃使变压器电流流向为从A到B，同时开通IGBT₂和IGBT₃并关断IGBT₁和IGBT₄使变压器电流流向为从B到A；通过软件程序调节开关器件IGBT₁～IGBT₄模块的开通和关断时间使输出电流在电弧极性换向，电流变弱为零之前升高到300～400A以维持电弧过零前的高温；

所述的高频稳弧部分包括开关器件IGBT₇～IGBT₁₀模块；当IGBT₅开通时，电流从C经VD₁、高频电感L₁、开关器件IGBT₅向R₁形成电流回路，此时开关器件控制IGBT₇和IGBT₁₀导通；当IGBT₆开通时，电流从变压器中部经R₁、IGBT₆、高频电感L₂、VD₄、D形成电流回路，此时开关器件IGBT₈和IGBT₉导通；产生的稳弧电压施加到电弧两端并持续一段时间，在电流过零时负载两端承受来自高压稳弧电路的高压；通过软件程序开通和关断开关器件IGBT₇～IGBT₁₀使高压稳弧电路输出高压脉冲，保证电弧过零后可以再次顺利引燃；

所述的主电路部分包括高压整流器Z₁、滤波电容C₁与C₂、一次逆变开关器件IGBT₁～IGBT₄、变压器T、二极管VD₁～VD₄、高频电感L₁与L₂、二次逆变开关器件IGBT₅～IGBT₆、固定负载R₁；由工作在高频段的开关器件IGBT接受DSP的控制后，产生20KHz的交流电压；然后再经过变压器T降压和VD₁-VD₄整流后输出得到直流；IGBT₅和IGBT₆的切换实现二次逆变过程；整个主电路部分输入380V交流电压经前述电路处理后，喷涂丝1和喷涂丝2获得15～50V高频交流电进行工作。