CN1026071C - 热力喷枪的角形气帽 - Google Patents

Abstract

一种用于热力喷枪的气帽，包括一穿过其中的通道，通道有一进口槽道、一出口槽道及一连接在进出口槽道之间的中间槽道。进口槽道绕进口轴线成圆柱形，出口槽道绕一与进口轴线成45°角的出口轴线收敛成锥形。中间槽道与进出口轴线的平面相对称并有一较近部分和一较远部分。较近部分绕进口轴线成半圆柱形，较远部分绕一上述平面内的远轴线段成半圆柱形。此段从进口轴线沿远离气帽出口端的方向错开并与进口轴线成14°角，三轴线相交于一公共点。

Description

本发明涉及热力喷枪，特别涉及一种用于这种喷枪的气帽以使喷射流偏转一个角度。

热力喷涂，也称火焰喷涂，包括将诸如金属或陶瓷之类的热熔材料加热熔化，并以一定形式将熔化的材料对着待喷涂表面喷射。加热的颗粒喷击到此表面上，在那里急冷并粘结到此表面。在一种形式的热工喷枪中，热熔材料随着运载气体以粉末形式供给喷枪。这种粉末典型地由小颗粒组成，比如，在100筛号美国标准筛级（149微米）至约2微米之间的小颗粒。或者采用金属丝作为供给材料也可以。

热力喷枪一般采用燃烧室或等离子火焰来产生用来熔化粉粒的热量。也可采用其他的加热装置，比如用电弧、电阻加热器或电感加热器，而这些装置可以单独使用或与其他形式的加热器结合使用。

但有一个难题就是在限定区域（比如孔洞、管件之类）的内表面上喷涂。喷枪一般向前喷射，其喷射距离至少有若干厘米，而普通喷枪至少有15厘米长，限制了在小孔里向侧面喷射的能力。过去已有多种改进以喷涂内表面。在最简单的例子中，喷嘴在延伸部的端部转向侧面，如在美国专利No.3，171，599（Rotolico）中揭示的用于粉末火焰喷枪的例子。这不可能用于金属丝喷枪，因为延伸部必须容纳较硬的金属丝。因此提出了其他的偏转器，包括用侧面来的空气喷击熔融金属丝端（Dittrich的美国专利No.3，136，484）、使气帽弯曲（Wilson等人的美国专利No.3，122，321）以及这些手段的结合（Gilliland等人的美国专利No.3，056，558）。在一种等离子喷枪 中采用了双角度喷嘴（Rotolico等人的美国专利No.3，707，615）。

上述方法都不适合在新开发的由本申请人于美国专利No.4，865，252中揭示的高速热力喷枪上增加一个延伸部。高速气帽的复杂结构使之无法缩小尺寸以转向侧面，非常高速的火焰喷射流不能足够偏转，而传统的弯曲气帽易受侵蚀及发生粉末堆积现象。

因此，本发明的一个目的是提供一种用于热力喷枪的特别是极高速型喷枪的新型气帽，以一定角度喷涂到限定区域。另一个目的是提供一种改进的热力喷枪以喷涂到限定区域。

为实现上述及其他目的，用于热力喷枪的角形气帽包括一个气帽部件，有一通道穿过气帽部件延伸并有一进口端和一出口端，此通道从进口端接收热力喷头的喷射流。此通道包括一从进口端延伸的进口槽道及一延伸到出口端的出口槽道，还有一连接在进口和出口槽道之间的中间槽道。进口槽道于进口轴线上对称，出口槽道于出口轴线上对称，出口轴线的方向为与进口轴线成一选定角度，此角度大于0°，最好为约30°-60°之间，而进口轴线与出口轴线限定了一个平面。

中间槽道与此平面相对称并有一较近部分和一较远部分。较近部分一般绕进口轴线成半圆柱形。较远部分一般绕此平面内的较远轴线段成半圆柱形。此较远轴线段从进口轴线沿远离出口端的方向错开，其方向为与进口轴线成一在0°与所选定角度之间的中间角度，最好为三根轴线交叉在一个公共点上。较远部分有一远离较近轴线的壁面段并与入口的邻近壁面段及出口槽道相连。

在较佳实施例中，入口槽道大致为一具有入口半径的圆柱体，出口槽道为向出口收敛的圆锥形，出口半径小于入口半径。中间槽道的较近部分有一其值在入口半径和出口半径之间的较近半径，较远部分有一其值在较近半径和出口半径之间的较远半径。中间槽道还有一于入口轴线上对称的收敛圆锥部分从入口槽道连接到不包括 较远壁面段的较近部分和较远部分。

也可通过采用上述气帽的热力喷枪来实现目的。最好此热力喷枪为一极高速度型的喷枪。

本发明的新型气帽能使极高速型的喷枪的喷射流偏转至少45°角而无明显的冲蚀或在气帽内产生粉末积聚，从而可成功地对受限区域进行喷涂。这种新型气帽也能用于其他类型的热力喷枪，包括低速粉末喷枪、金属丝喷枪和等离子喷枪。

图1为一采用本发明的热力喷枪的纵向剖视图;

图2为包括本发明气帽组件的纵向剖视图;

图3为图2气帽的分解纵向剖视图;

图4为图3气帽的一个部件的端视图。

图1示出了本发明的热力喷涂装置。热力喷枪10基本包括一后枪体和一带有喷头14的延伸部12。后枪体（未示）包括有用来供给气体的阀门及通道。喷枪头最好是用于极高速度喷射的，如前述的美国专利No.4，865，252中所揭示。气帽16安装在喷头上。燃料、氧气和空气从各自的料源40、42和44以前述美国专利No.3，122，321中所说的传统方式供给到喷头。

用于燃料和氧气的通道与各自的从后枪体延伸的刚性管子18、20相连。含有来自进料器46的粉末的运载气体所用的第三管子22类似地延伸，这样三根管子保持平行并相互接近。粉末进料器46是传统的或所需要的类型，但必须能够在足够的高压下释放运载气体以携带粉末穿过喷嘴和气帽中的背压。或者粉末/运载气体管子22也可以用金属丝导管来代替以用于取代粉末的热力喷射金属丝。这些管子也起着刚性支撑喷头14的作用，喷头14从后枪部空间隔开一段相当于喷枪延伸部所选择的长度的距离，从15厘米到1米或更长。

在本例的喷头14中，圆柱形弯管塞24塞在相应的孔内，其上 有多个O形环26以保持气密封。弯管塞有一中央导管28，导管28有一接纳来自导管22的粉末/运载气体流的通道30。（弯管塞也可有一中央通道以供给金属丝来代替）。弯管塞内还有一环槽32及另一具有多个交错通道36（示出了一个）的环槽34。氧气从气源42通过导管18进入通道38，从那里流入环槽32并穿过通道36。类似的结构使燃气从燃料源40穿过导管20和通道50进入环槽34，与氧气混合，形成可燃混合气穿过另一个与通道36对齐的通道52进入环槽54。环槽54将混合气供入喷嘴部件58后部的多个通道56内。

为了方便，喷嘴部件58由一管状内部60和一管状外部62构成。（在此处及权利要求中，“内”指朝向轴线，而“外”指背离轴线。而“前”或“向前”指朝向喷枪的喷射端;“后”及“向后”指朝向相反端。）在内部和外部之间有一外部环形小孔64以将可燃混合气的环形流射入燃烧室。此环形小孔可用一圈等间隔的小孔来代替。这样，流自环槽54的可燃混合气经过小孔64以产生来自喷嘴前表面68的环形流，此环形流在端部凹入处70被点燃。

喷嘴螺母72和一衬管74将喷嘴58和弯管塞24固定在气头73上。喷嘴58延伸入气帽16，气帽16从喷嘴向前延伸。此喷嘴部件也有一轴向孔82，用于粉末导管28。喷嘴内的粉末小孔80从导管通道30向前延伸进喷嘴表面68内的另一个凹入处84。

气帽16由一螺纹夹持环88与一管形壳体86同轴相连，夹持环88提供了一个气密连接件。壳体向后延伸过气头14。气帽和壳体前端由一前轴承90安装在气头上，如果在采用延伸部时需要，前轴承90允许气帽/壳体组件在气头上旋转。此轴承最好用衬管压塞到气帽的后部外侧，并可滑动地塞进用淬硬钢板制成的也起着喷嘴夹持环作用的衬管74内。

壳体向后拧到一可旋转管形件92上，管状件92有效地构成壳体的后延伸部。锁定环94拧在管状件92上而顶靠壳体86以使壳体 锁定在此部件上。一个O型密封圈96置于壳体和此部件之间。

诸如滚针轴承的后轴承98支撑着管状件92并从而使壳体86可旋转地位于气头73上，与主轴线100精确对中。管状件延伸回后枪体并塞入枪体内的一个孔内，比如采用润滑过的双O型环以实现可转动的滑动密封。

用来使壳体绕入口轴线旋转的传统驱动装置（未示）可包括齿轮或管状件周面上的驱动滑轮。安装在后枪体上的电动机由类似地安装的齿轮箱减速，驱动轴从齿轮箱延伸。轴上的驱动齿轮或滑轮与轮齿或皮带配合以使管状件、壳件及气帽旋转，比如转速为200转/分。

空气或其它非可燃气体受气源44的压力穿过部件92及壳体86内的连接区域102和103，并穿过通道104到达区域102内的夹持环72内部的空间106。旁流孔105从旁边绕过轴承98以与区域102、103的部分相连通。在诸管子和管状件之间所剩下的空间以及在壳体和喷头之间所剩下的空间给空气从来自阀门的空气通道的流动提供了渠道。在钢衬筒74内的另一组孔108（示出了其中之一）然后引导空气到前环腔110与气帽相连通。空气受压流入喷嘴58外侧的气帽16，这样空气可以象外壳一样从喷嘴58的外表面和内向壁114之间的环形狭槽112流动。喷嘴前壁限定了一个燃烧室116，狭槽112通入其中。气流继续穿过燃烧室116，作为外部气流与内部气流相混合，然后流出气帽16内的出口端118。燃烧室116在其相反的向后端为喷嘴58的表面68所阻止。

最好喷嘴部件的内部60有多个平行内孔120，以产生围绕自喷嘴小孔80涌出的中央粉末给料的环形内层气流，比如空气流。此内层空气对减少粉末材料在壁114上的积聚起着重要作用。空气层可便利地从区域102经气头73内的导管（未示）引入邻近导管28的环形空间122。内层空气速度一般应为外层气流速度的1%至10%。

图2更详细地显示了45°的气帽，组装在具有另一种结构而没有在表层68内的凹入部的喷嘴上。本发明的气帽部件16为一角形气帽，有一角形弯曲通道穿过其中，气帽有一进口端126及一出口端118。如上面所解释的那样，通道124可从进口端接收热力喷头14的喷射流。此通道由从进口端延伸的入口槽道128延伸到出口端的出口槽道132，及一连接在入口和出口槽道间的中间槽道130。

由于形状复杂，气帽部件16最好由两个部件合成一体，这两个部件首先如图3中分解显示的那样分开制作。第一部件134包括进口槽道128和中间槽道130，第二个部件136包括出口槽道132。为形成45°气帽，第一部件134有一与入口轴线144成向前45°的角度A的远端面138，还有一与轴线的法线成向后18.5°的角度B的近端面140，两个端面在轴线144上交于拐角142。第二部件136的远配合面148与出口轴线146相垂直，近配合面150与该轴线的法线向前成26.5°的角度C，这些表面也在轴上交于拐角152。两个部件的表面焊在一起，而拐角142、152并置，形成了一体的气帽。

入口槽道128于入口轴线144上对称。出口槽道132于出口轴线上146对称，出口轴线146与入口轴线成一个大于0°的选定角度。所选角度应对热喷射流有足够的侧向分力以在管状工件之类的侧壁上产生优质涂层。因此角度可以是任何大于0°的角度，且一般应在约30°到最少60°之间，如图示的45°。

特别地，根据本发明，中间槽道130与此两轴线不对称，而与轴线144、146所限定的平面相对称。槽道130包括一较近部分154和一较远部分156（图3）。“近”和“远”是相对于从入口轴线偏离一定角度的通道出口端而言。如端视图4所示，近槽道154部分一般绕近轴线158成半圆柱形，近轴线158与入口轴线144相接，最好是重合。

较远部分156一般也绕远轴线160成半圆柱形。此远轴线从近 轴线158沿远离出口端118的方向错开，与入口轴线成一介于0°与选定角度之间的中间角D。最好入口轴线158、出口轴线146及远轴线160都交于一公共点161。一种合适的角度D为14°，或约为本例中所选的45°角的三分之一。大致地，中间角应约在选定角度的五分之一至两分之一之间。

为了制造在槽道内具有半圆柱形较近和较远部分的气帽，最好用直径M略小于较近部分半径R₂的端铣刀镗出较近部分154（图4）。比如对于半径R₂为5.9毫米（0.233英寸）的较近部分，采用4.75毫米（0.1875英寸）的端铣刀。这不但产生大致半圆柱形的部分，也在邻近较远部分的较近部分区域162内产生更紧的半径M/2。而且在较近部分和较远部分之间有明显的分界边。最好这些分界边用端铣刀给断面166修切边缘（chamfer），否则会在靠近出口端198的气帽内产生一些粉末积聚。

出口槽道132应向出口收敛成锥形，比如在本例中与轴线146成7°角。出口端的出口半径R₄值应小于进口半径R₁。出口半径R₄应约为进口半径R₁的50%至75%之间，比如对进口半径为7.65毫米（0.301英寸），为4.85毫米（0.191英寸），即64%。出口槽道的进口168邻近较近和较远部分154、156，并修整半径以与对称的中间槽道的尺寸相配，其固有的小肩部妨碍不大。

槽道130的较近部分154的较近半径R₂值最好在进口半径R和出口半径R₄之间，比如5.9毫米（0.233英寸）。较远部分156的较远半径R₃值小于较近半径R₂，并最好大于出口半径R₄，比如较远半径为5.3毫米（0.210英寸）。

远离近轴线158的较远部分156的壁面段170位置可结合选择不同半径和轴线的相对位置来设定，以使进口槽道和出口槽道的各自邻近壁面段172、174大致连接。这提供了沿通道内角形弯曲的外侧面的较平滑流动。外壁连接部的小台阶或小台肩，比如本例所定 尺寸的气帽中的0.5毫米，实际上仍为尚可。

安装在本喷头的喷嘴上的气帽的进口通道128为圆柱形，最好有大致一定的半径R₁，这里系指进口半径。进口通道开始可较大并从进口端略收敛到半径R₁。然而为了方便，进口通道为圆柱形的，中间槽道130还有一于进口轴线144上对称的收敛锥形部176，从而将进口槽道连接到较小部分154、156上（不包括壁面相连处的较远壁面段176的微小改变）。

热力喷枪大致以前述美国专利No.4，865，252关于高速喷射中所描述的方式进行操作。在足够高的压力下将各股气体供给到圆柱形燃烧室内，比如至少超过常压两个大气压，并以如采用电火花装置之类的传统方式来点火，这样已燃气体和空气的混和气将从出口端射出，形成携有粉末的超音速流。燃烧热至少将粉末材料加热软化到将涂层沉积在一基材上。应该可以注意到菱形激波。

本发明的角形气帽能成功地将喷射流偏转至少45°角而无明显的冲蚀或在气帽内产生粉末积聚。不锈钢优质涂层经采用这里所述的旋转特点已施加到一固定的直径9厘米的管子的内部。

根据本发明也可将类似的角形气帽用于其他类型的热力喷枪，包括低速粉末喷枪、金属丝喷枪和等离子喷枪，这些类型已分别在前述的美国专利No.3，171，599、No.3，122，321及No.3，707，615中加以描述。因此这里及权利要求书里所广义所用的“喷头”一词是指燃烧喷嘴系统及电弧等离子发生器。气帽适合于具体类型的喷枪。比如在等离子喷枪中，气帽可以是阳极，进口槽道的内半径结合中央阴极适当选择。喷射流的粉末可以从内部（如上所述）或外部注入，就象传统等离子枪中的那样。另一种粉末注入方式还可以是从横向进入气帽，如由图1所示的通道202（虚线）以取代中央通道80。

虽然上面结合特定实施例对本发明进行了详细描述，落入本发 明的精神及后附的权利要求书范围内的各种修改和变化对本技术熟练人员是很显然的。因此，本发明只由后附的权利要求书或其等同文件来限定。

Claims (21)

1、一种用于热力喷枪的角形气帽，包括一个气帽部件，有一通道穿过其中延伸并有一进口端和一出口端，此通道从进口端接收热力喷头的喷射流，其特征在于：

此通道包括一从进口端延伸的进口槽道，一延伸到出口端的出口槽道及连接在进口槽道和出口槽道之间的中间槽道；

进口槽道于进口轴线上对称，出口槽道于出口轴线上对称，出口轴线与进口轴线成一个选定的大于0°的角度，这样进口轴线与出口轴线限定一个平面；以及

中间槽道与此平面对称并有一较近部分和一较远部分，较近部分一般绕一与进口轴线相邻接的较近轴线成半圆柱形，较远部分一般绕一较远轴线段成一半圆柱形，此较远轴线段位于一个从较近轴线沿远离出口端的方向错开的平面内，其方向为与进口轴线成介于0°与所选定角度之间的一个中间角。

2、如权利要求1所述的气帽，其特征在于，此较近轴线与进口轴线重合。

3、如权利要求2所述的气帽，其特征在于，进口轴线、出口轴线和较远轴线段相交于一个共同点。

4、如权利要求1所述的气帽，其特征在于，较远部分有一远离较近轴线并大致与进出口槽道的邻近壁面段相连的壁面段。

5、如权利要求1所述的气帽，其特征在于，所选定角度约在30°至60°之间。

6、如权利要求1所述的气帽，其特征在于，中间角约在所选定角度的五分之一至二分之一之间。

7、如权利要求5所述的气帽，其特征在于，中间角约为所选定角度的三分之一。

8、如权利要求1所述的气帽，其特征在于，较近部分和较远部分间的交界边经过边缘修切。

9、如权利要求7所述的气帽，其特征在于，进口槽道大致为圆柱形，其邻近中间槽道的进口半径一定，出口槽道向出口端成锥形收敛，出口端的出口半径值小于进口半径。

10、如权利要求9所述的气帽，其特征在于，出口半径约为进口半径的50%至75%之间。

11、如权利要求8所述的气帽，其特征在于，较近部分有一较近半径，其值介于进口半径和出口半径之间，较远部分有一其值介于较近半径和出口半径之间的较远半径。

12、如权利要求11所述的气帽，其特征在于，中间槽道还有一从进口槽道连接到较近和较远部分的于进口轴线上对称的收敛锥形部分。

13、如权利要求1所述的气帽，其特征在于，气帽部件与第一部件及第二部件形成一体，第一部件具有进口槽道及中间槽道，第二部件具有出口槽道。

14、一种用于热力喷枪的角形气帽，包括一气帽部件，有一通道延伸过其中并有一进口端和一出口端，此通道从进口端接收热力喷头的喷射流，其特征在于：

此通道包括一从进口端延伸的进口槽道、一延伸至出口端的出口槽道及一连接于进出口槽道之间的中间槽道;

进口槽道绕一进口轴线上大致成圆柱形，邻近中间槽道有一限定的进口半径，出口槽道向出口端成锥形收敛，出口端的出口端轴线与进口轴线成介于约30°至60°之间的一个选定角度，这样进口轴线和出口轴线限定了一个平面，出口端的出口半径约为进口半径的50%至70%之间;以及

中间槽道与此平面相对称并有一较近部分、一较远部分及一从进口槽道连接到较近和较远部分的于进口轴线上对称的收敛锥形部分;

较近部分绕进口轴线大致为半圆柱形，其较近半径值在进口半径和出口半径之间，较远部分绕较远轴线段大致成半圆柱形，其较远半径值在较近半径和出口半径之间，较远轴线段位于从较近轴线沿远离出口端的方向错开的平面内，其方向为与进口轴线成一介于所选角度的五分之一至二分之一之间的中间角，较远部分还有一远离较近线轴并大致与进出口槽道的邻近壁面段相连的壁面段，较近部分和较远部分的分界边经过边缘修切。

15、如权利要求14所述的气帽，其特征在于，所选定角度约为45°。

16、一种热力喷枪，包括产生喷射流的喷头和一安装在喷头上的气帽，气帽有一通道穿过其中并有一进口端和一出口端，从而通道可从进口端接收喷射流，其特征在于：

通道包括一从进口端延伸的进口槽道、一延伸到出口端的槽道及一连接于进出口槽道之间的中间槽道;

进口槽道于进口轴线上对称，出口槽道于出口轴线上对称，出口轴线与进口轴线成一大于0°的选定角度，这样进口轴线出口轴线限定了一个平面;中间槽道与此平面对称，并有一较近部分和一较远部分，较近部分绕较近轴线大致成半圆柱形，较近轴线位于与进口轴线邻接的平面内，较远部分绕较远轴线段大致成半圆柱形，较远轴线段位于从较近轴线延远离出口端的方向错开的平面内，其方向为与进口轴线成介于0°与所选定角度之间的一个中间角。

17、如权利要求16所述的热力喷枪，其特征在于，较近轴线和进口轴线重合，喷头有一带有喷嘴面的喷嘴部件，喷嘴部件穿过进口槽道同轴地延伸入中间槽道，中间槽道和出口槽道限定了以喷嘴面为边界的燃烧室，此热力喷枪还包括可燃气体装置以从喷嘴部件同轴地将燃气和氧气的可燃混和气的环形流在至少超过常压2巴的压力下注入燃烧室，还有外部气体装置将受压不可燃气体的外环流通过喷嘴部件外的进口槽道注入到燃烧室，还有供料装置以将运载气体内的热熔热力喷涂粉末从喷嘴部件同轴地供给到进口轴线附近的燃烧室，这样，通过可燃混和物的燃烧，带有细末形式的热熔材料的超音速喷射流通过出口端射出。

18、如权利要求17所述的热力喷枪，其特征在于，还包括内部气体装置以将压缩气体的内环流从喷嘴部件在可燃混和物和粉末运载气体之间同轴地注入燃烧室。

19、如权利要求16所述的热力喷枪，其特征在于，所选定角度约在30°至60°之间，中间角约在选定角度的五分之一至两分之一之间，较远部分有一远离较近轴线并大致与进出口槽道的邻近壁面段相连接的壁面段，较近部分和较远部分的分界边经过边缘修切，出口槽道向出口端成锥形收敛，进口槽道在邻近中间槽道处有一进口半径，出口端有一出口半径，其值约为进口半径的50%至75%，较近部分有一较近半径，其值在进口半径和出口半径之间，较远部分有一较远半径，其值在较近半径和出口半径之间，中间槽道还有一从进口槽道连接到不包括远壁面段的较近和较远部分的于进口轴线上对称的收敛锥形部分。

20、如权利要求16所述的热力喷枪，其特征在于，喷嘴部件有一外壁同轴地穿过进口槽道进入中间槽道，此外壁的结束部分为围绕喷嘴面的楔形收敛壁面部分。

21、如权利要求20所述的热力喷枪，其特征在于，喷嘴部件的楔形壁面部分被同轴地置于沿着较远部分的远壁面段的大约是中间处的位置。

Images