CN103510039A - 双弧电弧喷涂装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双弧电弧喷涂装置，包括恒压源、恒压源和一个三丝喷枪结构，两套恒压源并在一起。当第一恒压源的正输出端接三丝喷枪的A接头，第二恒压源的正输出端接三丝喷枪的C接头，恒压源的负输出端共同接三丝喷枪的B接头，则电弧可以在三丝喷枪的A接头和B接头以及B接头和C接头之间连续燃烧；当第一恒压源的负输出端接A接头，第二恒压源的负输出端接C接头，恒压源的正输出端共同接B接头，则电弧可以在喷枪的A接头和B接头以及B接头和C接头之间连续燃烧。本发明由三个导电嘴产生两个电弧，相当于将传统电弧喷涂的单电弧一分为二，这样每个电弧的温度、功率都会下降，热输入减小，可以降低氧化、减小腐蚀，达到更高的生产效率。

Description

双弧电弧喷涂装置

技术领域

本发明属于热加工技术领域，特别涉及一种双弧电弧喷涂装置。

背景技术

 电弧喷涂是将两根被喷涂的金属丝作为自耗性电极，利用两根金属丝端部短路产生的电弧使丝材熔化，用压缩气体将以熔化的金属雾化成微熔滴，并使其加速，以很高的速度沉积到基体表面形成涂层的一种工艺。电弧喷涂由四个过程组成：电弧区热量将丝材末端熔化、熔化的液滴在电弧区飞行、金属液滴在空气中的飞行、熔滴沉积到基体表面。

电弧喷涂技术的应用已经在各行各业取得了显著成效，主要用于重大工件的修复、耐磨防腐、制备装饰涂层和功能涂层及制作模具等，它具有很多优点，电弧喷涂的生产效率和喷涂电流成正比，所以它的生产效率高，表现在单位时间内喷涂金属的重量大；电弧喷涂温度高，粒子动能大，因而涂层与基材间具有较高的结合强度；对工件的热影响小，避免了工件的变形；电弧喷涂过程中电弧直接作用在喷涂金属的端部熔化金属，能源利用率可达90%；喷涂工艺灵活，其加工对象小到10mm的内孔，大到如铁塔、桥梁等大型构件；设备投资低，维护简单，经济效益好，且使用电和压缩空气，不用易燃气体，安全性大大提高；寿命长，封孔后的防腐电弧喷涂层使用寿命可达15年以上。

熔化的金属被雾化气体从丝材端部吹走，不断地被物化、被加速，最终沉积到基体上形成涂层。从提高涂层的结合强度出发，要求熔滴以高速度、大颗粒沉积到基体，这样才会有最大的动能，有利于提高涂层的结合强度，但是大颗粒熔滴又会使涂层孔隙增加，因而要综合考虑熔滴的速度。

喷涂粒子的运动轨迹基本是一条直线；喷涂粒子从喷嘴出来后，即在气流作用下被加速，但由于颗粒较大，所以绝对速度不大，随着粒子团的细化，粒子飞行速度达到最大值；随雾化气压的减小，粒子速度也随之下降，在正常的喷涂范围内，其速度基本保持不变，靠近轴线的粒子飞行速度较大，而且由于粒子的浓度较大其速度波峰滞后。电弧喷涂过程中，除电磁力外，雾化气流的动态行为对电弧燃烧的稳定性有贡献，由于喷涂枪内的雾化气流的气压分布不均一性，在电弧区产生紊流，紊流会使熔滴得到充分的混合。

工作电流的大小，在一定情况下，决定电弧喷涂枪的生产率，电弧电流愈大，金属颗粒的温度将愈高。当电压增加时，也能使金属颗粒平均尺寸有某些增加，因而减少了它们的冷却表面。喷涂层的致密度由熔化金属粒子大小决定，金属粒子大则喷涂层表面粗糙，金属粒子小则喷涂层表面致密。影响致密度因素主要取决于压缩空气的压力与流量，同时与电弧喷涂枪的喷嘴几何形状有关，与丝材直径无关，若设计合理的喷嘴结构，选择最佳的压缩空气压力、流量，使喷涂枪端部的所有侧面都暴露在压缩空气射流之中，没有被阻挡，丝材金属熔滴都良好地雾化，金属粒子的尺寸明显降低，涂层组织也会细化。

传统的电弧喷涂的喷涂枪中有两个导电嘴，导电嘴分别接电源正、负极，并保护两根丝之间在未接触之前的可绝缘性。当两根丝端部由于送丝而互相接触时，在端部之间短路并产生电弧，使丝材端部瞬间融化并由压缩空气把熔化金属雾化呈微熔滴，以很高速度喷射到工件表面，形成电弧喷涂层。但传统的电弧喷涂由两个导电嘴产生一个电弧，局部温度会比较高，功率和热量都比较大，当喷涂距离过大时，熔粒打击到基体表面的温度和动能不够，熔粒不能产生足够的变形，涂层疏松多孔，质量较差，结合强度较低；当喷涂距离过小时，可以保证熔粒的速度和温度较高，但基体和涂层被氧化严重而使粘结强度降低，并且随着氧化程度的增大，甚至会使基体和涂层完全失去粘结力。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种双弧电弧喷涂装置，由三个导电嘴产生两个电弧，达到更高的生产效率。

按照本发明提供的技术方案，所述双弧电弧喷涂装置包括喷涂枪和与喷涂枪连接的电路，其特征在于，所述喷涂枪具有三个导电嘴，所述与喷涂枪连接的电路包括第一恒压源电路、第二恒压源电路、主控电路和人机界面；所述第一恒压源电路和第二恒压源电路结构相同，均包括：直流恒压输出电路、直流恒压输出电路的驱动电路、电流采样及滤波电路、电压采样及滤波电路，直流恒压输出电路连接三相交流电输入并分别与所述直流恒压输出电路的驱动电路、电流采样及滤波电路、电压采样及滤波电路相连，所述直流恒压输出电路的驱动电路连接主控电路接收控制信号，所述电流采样及滤波电路、电压采样及滤波电路也与主控电路连接将采样信号反馈给主控电路，主控电路与人机界面相连；第一恒压源电路的正输出端和第二恒压源电路的正输出端分别接喷涂枪的第一导电嘴和第三导电嘴，第一恒压源电路和第二恒压源电路的负输出端接在一起共同接喷涂枪的第二导电嘴；或者第一恒压源电路的负输出端和第二恒压源电路的负输出端分别接喷涂枪的第一导电嘴和第三导电嘴，第一恒压源电路和第二恒压源电路的正输出端接在一起共同接喷涂枪的第二导电嘴；使得电弧能够在喷涂枪的第一导电嘴和第二导电嘴以及第二导电嘴和第三导电嘴之间连续燃烧。

进一步的，所述的直流恒压输出电路包括：整流桥电路BR1，滤波电容C1，功率开关管T1，T2，T3，T4，变压器B1，整流二极管D1，D2，和电感L1；三相交流电的U端、V端、W端分别与整流桥电路BR1的三个输入端即第一端、第二端、第三端连接，整流桥电路BR1的两个输出端即之间并联有滤波电容C1，整流桥电路BR1的第四端与功率开关管T1的集电极C端、功率开关管T2的集电极C端相连，整流桥电路BR1的第五端与功率开关管T3的发射极E端、功率开关管T4的发射极E端相连；功率开关管T1的发射极E端、功率开关管T4的集电极C端与变压器B1原边的第一端相连，功率开关管T2的发射极E端、功率开关管T3的集电极C端与变压器B1原边的第二端相连；变压器B1副边的第三端与二极管D1的阳极相连，变压器B1副边的中间抽头即第四端作为直流恒压输出电路的负输出端，变压器B1副边的第五端与二极管D2的阳极相连；二极管D1的阴极、二极管D2的阴极连接电感L1的一端，电感L1的另一端作为直流恒压输出电路的正输出端；功率开关管T1、T2、T3、T4的基极G均由所述直流恒压输出电路的驱动电路控制。

本发明以全桥逆变电路构建直流恒压输出电路，作为最佳实施方式。也可以通过其它拓扑结构来实现直流恒压输出电路，如半桥电路，推挽电路等。

进一步的，所述的直流恒压输出电路输出电压为20V～44V；所述的直流恒压输出电路输出电流为100A～300A。

本发明的优点是：相比于传统的电弧喷涂，本发明最大的优势在于由三个导电嘴产生两个电弧，相当于将传统电弧喷涂的单电弧一分为二，这样每个电弧的温度、功率都会下降，热输入减小，可以降低氧化、减小腐蚀。因此，相比于传统的电弧喷涂装置可以达到更高的生产效率，单位时间内喷涂金属量更多；在常规基础上使涂层与基材之间的结合强度更高，更有利于工件成形，工件变形小；熔化丝材速度更快、更充分，能源利用率更高。

 

附图说明

图1为实施例一的系统框图。

图2为实施例二的系统框图。

图3为实施例一的电路原理图。

图4为实施例二的电路原理图。

图5为实施例一的主电路原理图。

图6为实施例二的主电路原理图。

图7为目前常用的电弧喷涂电路原理图。

图8a～d为实施例一的工作原理图；

其中图8a为功率开关管T1，T3导通时的电流回路；

图8b为功率开关管T2，T4导通时的电流回路；

图8c为功率开关管T5，T7导通时的电流回路；

图8d为功率开关管T6，T8导通时的电流回路。

图9a～d为实施例二的工作原理图；

其中图9a为功率开关管T1，T3导通时的电流回路；

图9b为功率开关管T2，T4导通时的电流回路；

图9c为功率开关管T5，T7导通时的电流回路；

图9d为功率开关管T6，T8导通时的电流回路。

具体实施方式

如图7所示，传统的电弧喷涂的喷涂枪中有两个导电嘴，导电嘴分别接电源正、负极，当两根丝端部由于送丝而互相接触时，在端部之间短路并产生电弧。本发明为一种新型双弧电弧喷涂装置，传统的电弧喷涂电路中有一套恒压源电路和一个双丝喷涂枪组成，本发明电路中由两个恒压源电路和一个三丝喷涂枪结构组成，两套恒压源电路并在一起。如图1所示，当第一恒压源电路1的正输出端接三丝喷涂枪的第一导电嘴A接头，第二恒压源电路2的正输出端接三丝喷涂枪的第三导电嘴C接头，第一恒压源电路1和第二恒压源电路2的负输出端接在一起共同接三丝喷涂枪的第二导电嘴B接头，这样电弧可以在三丝喷涂枪的A接头和B接头以及三丝喷涂枪的B接头和C接头之间连续燃烧。如图2所示，当第一恒压源电路1的负输出端接三丝喷涂枪的第一导电嘴A接头，第二恒压源电路2的负输出端接三丝喷涂枪的第三导电嘴C接头，第一恒压源电路1和第二恒压源电路2的正输出端接在一起共同接三丝喷涂枪的第二导电嘴B接头，这样电弧可以在三丝喷涂枪的A接头和B接头以及三丝喷涂枪的B接头和C接头之间连续燃烧。

因此，本发明所述的双弧电弧喷涂装置，所包括的喷涂枪具有三个导电嘴，与该喷涂枪连接的电路包括第一恒压源电路1、第二恒压源电路2、主控电路12和人机界面11；所述第一恒压源电路1和第二恒压源电路2结构相同，均包括：直流恒压输出电路、直流恒压输出电路的驱动电路、电流采样及滤波电路、电压采样及滤波电路，直流恒压输出电路连接三相交流电输入并分别与所述直流恒压输出电路的驱动电路、电流采样及滤波电路、电压采样及滤波电路相连，所述直流恒压输出电路的驱动电路连接主控电路12接收控制信号，所述电流采样及滤波电路、电压采样及滤波电路也与主控电路12连接将采样信号反馈给主控电路12，主控电路12与人机界面11相连。

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步描述。

实施方案一

如图3所示，本发明实施例一中第一恒压源电路1包括：直流恒压输出电路3、直流恒压输出电路的驱动电路5、电流采样及滤波电路7、电压采样及滤波电路9。第二恒压源电路2包括：直流恒压输出电路4、直流恒压输出电路的驱动电路6、电流采样及滤波电路8、电压采样及滤波电路10。直流恒压输出电路的驱动电路5，6由IGBT专用驱动芯片M57962组成，主控电路12由单片机PIC30f2020组成，人机界面11由常规的LED或LCD等显示电路和键盘、编码器等电路组成。

图5为实施例一的主电路原理图。所述的直流恒压输出电路3包括：整流桥BR1，电容C1，功率开关管T1，T2，T3，T4，变压器B1，整流二极管D1，D2，和电感L1；该电路可以实现恒压的直流输出特性，为常规的平特性电弧焊接电路；三相交流电的U端、V端、W端分别与整流桥电路BR1的输入端第一端、第二端、第三端连接，整流桥电路BR1的输出端第四端、第五端之间并联有滤波电容C1，整流桥电路BR1的输出第四端与功率开关管T1的集电极C端、功率开关管T2的集电极C端相连，整流桥电路BR1的第五端与功率开关管T3的发射极E端、功率开关管T4的发射极E端相连；功率开关管T1的发射极E端、功率开关管T4的集电极C端与变压器B1原边的第一端相连，功率开关管T2的发射极E端、功率开关管T3的集电极C端与变压器B1原边的第二端相连；变压器B1副边的第三端与二极管D1的阳极A端相连，变压器B1副边的中间抽头第四端作为直流恒压输出电路的负输出端，该端与三丝喷涂枪的B接头相连，变压器B1副边的第五端与二极管D2的阳极A端相连；二极管D1的阴极K端、二极管D2的阴极K端连接电感L1的一端，电感L1的二端作为正输出端，该端与三丝喷涂枪的A接头相连；功率开关管T1、T2、T3、T4的基极G受直流恒压输出电路的驱动电路控制。

所述的直流恒压输出电路4包括：整流桥BR2，电容C2，功率开关管T5，T6，T7，T8，变压器B2，整流二极管D3，D4，和电感L2；该电路可以实现恒压的直流输出特性，为常规的平特性电弧焊接电路；三相交流电的U端、V端、W端分别与整流桥电路BR2的输入端第一端、第二端、第三端连接，整流桥电路BR2的输出端第四端、第五端之间并联有滤波电容C2，整流桥电路BR2的输出第四端与功率开关管T5的集电极C端、功率开关管T6的集电极C端相连，整流桥电路BR2的第五端与功率开关管T7的发射极E端、功率开关管T8的发射极E端相连；功率开关管T5的发射极E端、功率开关管T8的集电极C端与变压器B2原边的第一端相连，功率开关管T6的发射极E端、功率开关管T7的集电极C端与变压器B2原边的第二端相连；变压器B2副边的第三端与二极管D3的阳极A端相连，变压器B2副边的中间抽头第四端作为直流恒压输出电路的负输出端，该端与三丝喷涂枪的B接头相连，变压器B2副边的第五端与二极管D4的阳极A端相连；二极管D3的阴极K端、二极管D4的阴极K端连接电感L2的一端，电感L2的二端作为正输出端，该端与三丝喷涂枪的C接头相连；功率开关管T5、T6、T7、T8的基极G受直流恒压输出电路的驱动电路控制。

主控电路12通过控制直流恒压输出电路3，4中功率开关管的交替导通，使电弧在喷涂枪的A接头和B接头，以及B接头和C接头之间燃烧；电流采样滤波电路7，8用于对流过电弧的电流采样信号滤波；所述的电压采样滤波电路9，10用于对电弧电压采样信号滤波。

图8a为功率开关管T1、T3导通的情况下，变压器原副边电流的流动情况。电流由变压器B1的第三端流出，经过二极管D1，电感L1，三丝喷涂枪的A接头和三丝喷涂枪的B接头，最终流回到变压器B1的第四端。电弧存在的位置在三丝喷涂枪的A接头和三丝喷涂枪的B接头之间。

图8b为功率开关管T2、T4导通的情况下，变压器原副边电流的流动情况。电流由变压器B1的第五端流出，经过二极管D2，电感L1，三丝喷涂枪的A接头和三丝喷涂枪的B接头，最终流回到变压器B1的第四端。电弧存在的位置在三丝喷涂枪的A接头和三丝喷涂枪的B接头之间。

图8c为功率开关管T5、T7导通的情况下，变压器原副边电流的流动情况。电流由变压器B2的第三端流出，经过二极管D3，电感L2，三丝喷涂枪的C接头和三丝喷涂枪的B接头，最终流回到变压器B2的第四端。电弧存在的位置在三丝喷涂枪的B接头和三丝喷涂枪的C接头之间。

图8d为功率开关管T6、T8导通的情况下，变压器原副边电流的流动情况。电流由变压器B2的第五端流出，经过二极管D4，电感L2，三丝喷涂枪的C接头和三丝喷涂枪的B接头，最终流回到变压器B2的第四端。电弧存在的位置在三丝喷涂枪的B接头和三丝喷涂枪的C接头之间。

由以上过程分析可知，无论功率开关管T1，T3导通，还是功率开关管T2，T4导通，副边一侧电流均由电感L1经过三丝喷涂枪的A接头和三丝喷涂枪的B接头流回到变压器4端。电弧存在于三丝喷涂枪的A接头和三丝喷涂枪的B接头之间。无论功率开关管T5，T7导通，还是功率开关管T6，T8导通，副边一侧电流均由电感L2经过三丝喷涂枪的C接头和三丝喷涂枪的B接头流回到变压器4端。电弧存在于三丝喷涂枪的B接头和三丝喷涂枪的C接头之间。

所述的直流恒压输出电路输出电压为20V～44V；所述的直流恒压输出电路输出电流为100A～300A。

所述的直流恒压输出电路，采用PWM(pluse width modulation)控制技术。控制功率开关管T1~T4和T5~T8的导通与关断，调整占空比，即可控制直流恒压输出电路输出电压的大小。

在工作过程中，电源电流传感器LEM1和LEM2用于反馈电路的输出电流，电源电压传感器LEM3和LEM4用于反馈电路的输出电压。将反馈结果送给主控电路12后，控制电路12将反馈结果与人机交互电路11设定的参数分别进行比较运算，传递信号给直流恒压输出电路的驱动电路，分别调节功率开关管T1、T2、T3、T4和T5、T6、T7、T8的导通和关断，最终实现输出电流和电压参数分别与人机交互电路11设定值相等。

实施方案二

如图4所示，本发明实施例二中，与喷涂枪连接的电路与实施例一结构相同，但与喷涂枪的连接方式有变。

图6为实施例二的主电路原理图。直流恒压输出电路3的负输出端与三丝喷涂枪的A接头相连，正输出端与三丝喷涂枪的B接头相连。直流恒压输出电路4的负输出端与三丝喷涂枪的C接头相连，正输出端与三丝喷涂枪的B接头相连。

图9a为功率开关管T1、T3导通的情况下，变压器原副边电流的流动情况。电流由变压器B1的第三端流出，经过二极管D1，电感L1，三丝喷涂枪的B接头和三丝喷涂枪的A接头，最终流回到变压器B1的第四端。电弧存在的位置在三丝喷涂枪的A接头和三丝喷涂枪的B接头之间。

图9b为功率开关管T2、T4导通的情况下，变压器原副边电流的流动情况。电流由变压器B1的第五端流出，经过二极管D2，电感L1，三丝喷涂枪的B接头和三丝喷涂枪的A接头，最终流回到变压器B1的第四端。电弧存在的位置在三丝喷涂枪的A接头和三丝喷涂枪的B接头之间。

图9c为功率开关管T5、T7导通的情况下，变压器原副边电流的流动情况。电流由变压器B2的第三端流出，经过二极管D3，电感L2，三丝喷涂枪的B接头和三丝喷涂枪的C接头，最终流回到变压器B2的第四端。电弧存在的位置在三丝喷涂枪的B接头和三丝喷涂枪的C接头之间。

图9d为功率开关管T6、T8导通的情况下，变压器原副边电流的流动情况。电流由变压器B2的第五端流出，经过二极管D4，电感L2，三丝喷涂枪的B接头和三丝喷涂枪的C接头，最终流回到变压器B2的第四端。电弧存在的位置在三丝喷涂枪的B接头和三丝喷涂枪的C接头之间。

由以上过程分析可知，无论功率开关管T1，T3导通，还是功率开关管T2，T4导通，副边一侧电流均由电感L1经过三丝喷涂枪的B接头和三丝喷涂枪的A接头流回到变压器4端。电弧存在于三丝喷涂枪的A接头和三丝喷涂枪的B接头之间。无论功率开关管T5，T7导通，还是功率开关管T6，T8导通，副边一侧电流均由电感L2经过三丝喷涂枪的B接头和三丝喷涂枪的C接头流回到变压器4端。电弧存在于三丝喷涂枪的B接头和三丝喷涂枪的C接头之间。

Claims (3)

1.双弧电弧喷涂装置，包括喷涂枪和与喷涂枪连接的电路，其特征在于，所述喷涂枪具有三个导电嘴，所述与喷涂枪连接的电路包括第一恒压源电路（1）、第二恒压源电路（2）、主控电路（12）和人机界面（11）；所述第一恒压源电路（1）和第二恒压源电路（2）结构相同，均包括：直流恒压输出电路、直流恒压输出电路的驱动电路、电流采样及滤波电路、电压采样及滤波电路，直流恒压输出电路连接三相交流电输入并分别与所述直流恒压输出电路的驱动电路、电流采样及滤波电路、电压采样及滤波电路相连，所述直流恒压输出电路的驱动电路连接主控电路（12）接收控制信号，所述电流采样及滤波电路、电压采样及滤波电路也与主控电路（12）连接将采样信号反馈给主控电路（12），主控电路（12）与人机界面（11）相连；第一恒压源电路（1）的正输出端和第二恒压源电路（2）的正输出端分别接喷涂枪的第一导电嘴（A）和第三导电嘴（C），第一恒压源电路（1）和第二恒压源电路（2）的负输出端接在一起共同接喷涂枪的第二导电嘴（B）；或者第一恒压源电路（1）的负输出端和第二恒压源电路（2）的负输出端分别接喷涂枪的第一导电嘴（A）和第三导电嘴（C），第一恒压源电路（1）和第二恒压源电路（2）的正输出端接在一起共同接喷涂枪的第二导电嘴（B）；使得电弧能够在喷涂枪的第一导电嘴（A）和第二导电嘴（B）以及第二导电嘴（B）和第三导电嘴（C）之间连续燃烧。

2.根据权利要求1所述的双弧电弧喷涂装置，其特征在于，所述的直流恒压输出电路包括：整流桥电路BR1，滤波电容C1，功率开关管T1，T2，T3，T4，变压器B1，整流二极管D1，D2，和电感L1；三相交流电的U端、V端、W端分别与整流桥电路BR1的三个输入端即第一端、第二端、第三端连接，整流桥电路BR1的两个输出端即第四端、第五端之间并联有滤波电容C1，整流桥电路BR1的第四端与功率开关管T1的集电极C端、功率开关管T2的集电极C端相连，整流桥电路BR1的第五端与功率开关管T3的发射极E端、功率开关管T4的发射极E端相连；功率开关管T1的发射极E端、功率开关管T4的集电极C端与变压器B1原边的第一端相连，功率开关管T2的发射极E端、功率开关管T3的集电极C端与变压器B1原边的第二端相连；变压器B1副边的第三端与二极管D1的阳极相连，变压器B1副边的中间抽头即第四端作为直流恒压输出电路的负输出端，变压器B1副边的第五端与二极管D2的阳极相连；二极管D1的阴极、二极管D2的阴极连接电感L1的一端，电感L1的另一端作为直流恒压输出电路的正输出端；功率开关管T1、T2、T3、T4的基极G均由所述直流恒压输出电路的驱动电路控制。

3.根据权利要求1或2所述的双弧电弧喷涂装置，其特征在于：所述的直流恒压输出电路输出电压为20V～44V；所述的直流恒压输出电路输出电流为100A～300A。

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