CN104244557A - 一种气氛保护同轴送粉等离子枪 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种气氛保护同轴送粉等离子枪，所述等离子枪包括绝缘座、枪体、阳极喷嘴、阴极总成、石英管、阳极喷嘴压帽和保护气罩等；等离子枪采用一进一出的单水路实现了枪体、阳极喷嘴、钨极以及与枪体连接的零部件的水冷。良好的冷却效果使等离子枪稳定性好、工作效率高以及使用寿命长。石英管使钨极与枪体绝缘程度高、工作可靠性好。所述等离子枪可以实现同轴送粉、粉末利用率高。所述等离子枪可在阳极喷嘴前端形成惰性气体保护区，保护区有效地保护了合金熔池，并且有利于增强送粉均匀性和提高粉末的利用率，有利于增加引弧的可靠性和等离子弧的稳定性。

Description

一种气氛保护同轴送粉等离子枪

技术领域

本发明涉及一种等离子枪。更具体地，涉及一种气氛保护同轴送粉等离子枪。

背景技术

直流电弧等离子体作为一种相对廉价的高能束流，过去一直被用作等离子焊接、等离子切割的热源。随着科学技术的进步，近年来，直流电弧等离子体在高性能材料合成制备及表面工程领域得到了越来越多的应用，等离子熔敷、等离子合金化和等离子快速成形等技术均是近年逐渐发展起来的以直流电弧等离子体为热源的材料表面工程新技术。

等离子熔敷技术作为一种先进表面工程技术，具有很好的发展前景，其工作原理简述如下：针对不同使用目设计合金粉末成分配比，利用同步送粉装置将合金粉末送至等离子束与基材的交汇点，利用高能量密度等离子束加热，使合金粉末熔化，基材表面浅层同时熔化，在基材表面形成合金熔池，等离子束前移后，在基材的快速热传导和空气的辐射传热作用下，发生充分冶金反应的熔池迅速凝固，形成具有典型快速凝固特征的成分均匀、致密、组织细小、无显微气孔及裂纹且同基材形成良好冶金结合的等离子熔敷涂层。与激光熔敷技术相比，等离子熔敷技术具有操作简单、维修方便、设备造价低、电热转换效率高及生产效率高等优点，因此，等离子熔敷技术更适合民用工业大规模生产。目前，等离子熔敷技术已在矿山、冶金、机械、石化、电力、建工、交通运输、航海、航空等行业得到广泛应用，用于上述领域中关键零部件的抗磨损、抗腐蚀、抗氧化等表面强化处理。

等离子合金化是获得组织与性能同基材区别显著、同基材呈良好冶金结合涂层的另一种表面工程技术，其原理及过程与等离子熔敷都很相近，其区别在于：等离子熔敷时敷层材料完全熔化，基材熔化层极薄，对敷层的成分影响极小；而等离子合金化则是在基材表面熔融层中加入合金元素，从而形成以基材为基础的性能优越的合金层。等离子合金化与其他表面强化技术相比其具有冷却速度快、与基材之间形成冶金结合、合金层组织细密、涂层稀释率低、热影响区小、材料消耗少、易实现自动化等优点。由于其突出的优点目前在汽车工程、航空航天、机械动力等行业均得到了广泛的应用。

等离子快速制造技术是无需后续二次加工工序直接制造全致密金属部件的快速制造技术，是国外近年来兴起并迅速发展的金属零部件先进快速制造技术。由于该技术是将新材料技术、机械工程技术、快速成型技术与材料加工技术有机融为一体的先进快速制造新技术，代表着先进制造技术的发展方向和水平，对先进国防武器装备的快速研制、对国防武器装备性能和技术水平的提高，均具有极端的重要性，在航空、航天、武器、核能、船舶等先进国防武器装备快速研制及生产中具有十分广阔的应用领域。采用该技术可以快速生产制造国防武器装备所需的各种先进高温合金、钛合金、高合金钢、铝合金及其复合材料、高性能及梯度性能金属零部件，满足各种国防武器装备快速研制及快速生产的需要并同时大幅度降低生产成本。

而对以上先进技术的主要制约因素在于对等离子枪的研究。目前的等离子枪的设计主要存在以下问题：1、现有等离子枪的结构对枪体、阳极喷嘴及阴极的冷却效果不理想，阳极喷嘴及钨极损耗比较快，等离子枪工作稳定性较差；2、现有的同步送粉装置送粉效果不理想，如专利号为ZL200420097160.4的专利，它在喷嘴两侧设两个出粉孔，虽然能够实现同步送粉，但送粉均匀性不好，可靠性较差，粉末利用率较低，涂层成形质量不理想，3、现有的转移等离子弧装置，并没有对阴极电极进行完全绝缘的设计，工作过程中，偶尔会出现电极与枪体之间意外放电现象，导致枪体或阴极损坏。

因此，需要提供一种能够实现高效双水冷、同步高效送粉以及绝缘性能好的等离子枪。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种气氛保护同轴送粉等离子枪。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：

一种气氛保护同轴送粉等离子枪，所述等离子枪包括从上至下依次连接设置的绝缘座、枪体和阳极喷嘴；所述等离子枪还包括装配在绝缘座、枪体和阳极喷嘴内部的阴极总成；所述钨极为钨-铈合金电极；

所述枪体内部设有用于与外部进水管相连通的第一冷却水通道，及第二冷却水通道；

所述阳极喷嘴内部设有喷嘴内腔和第一冷却水腔；

所述阴极总成包括阴极座和位于阴极座内部的钨极；所述阴极座内部设有第二冷却水腔；

所述绝缘座内设有至少一个过水孔道；所述阴极座的外壁与绝缘座的内壁之间设有第一密封圈和第二密封圈，在所述第一密封圈和第二密封圈之间的阴极座侧壁上开设有通孔；

所述第一冷却水通道与第二冷却水通道通过第一冷却水腔相连通；所述第二冷却水通道与过水孔道相连通，所述过水孔道通过阴极座上的通孔与第二冷却水腔相连通；

低温冷却水从外部进水管进入枪体中部的第一冷却水通道，并从第一冷却水通道进入位于阳极喷嘴内部的第一冷却水腔，低温冷却水首先对枪体以及阳极喷嘴进行冷却，保证了位于等离子枪最下端的对散热要求最高的阳极喷嘴首先得到充分冷却，阳极喷嘴的第一冷却水腔充满水以后低温冷却水上行，通过第二冷却水通道、过水孔道以及通孔进入阴极座内部的第二冷却水腔，对位于阴极座内部的钨极进行冷却；此时，温度略有升高的冷却水对散热要求相对不高的钨极进行冷却，冷却顺序比较合理。第一冷却水通道、第二冷却水通道、第一冷却水腔以及第二冷却水腔的过流截面积大，水流阻力小，冷却水流量大，冷却效果好。

所述枪体的内侧壁与阴极座的外侧壁之间设有用于与外部工作气输入管相连通的工作气通道，所述工作气通道与喷嘴内腔相连通。工作气从工作气通道进入喷嘴内腔，流经喷嘴内腔与钨极之间的环形空间时，在阳极喷嘴与钨极之间电压作用下工作气体发生电离成为高温低压等离子体，随后从喷嘴喷出形成等离子弧柱。

进一步地，所述阳极喷嘴外罩设有与枪体连接的阳极喷嘴压帽，所述阳极喷嘴与阳极喷嘴压帽之间设有锥形的第一送粉通道；

所述枪体内部设有用于与外部送粉管相连通的环形送粉通槽以及与环形送粉通槽相连通的第二送粉通道；

所述第一送粉通道一端与第二送粉通道相连通，另外一端与阳极喷嘴末端的送粉孔相连通。

粉末从环形送粉通槽进入第二送粉通道，继而进入圆锥形的第一送粉通道，最后通过阳极喷嘴末端的均匀分布的送粉孔喷出，粉末束的送粉轨迹延长线准确汇交在等离子枪的轴心线上，均匀、流畅的送粉通道和精确的送粉轨迹保证了大部分粉末被均匀送入等离子弧柱中，提高了粉末的利用率。

进一步地，所述阳极喷嘴压帽外罩设有用于与枪体连接的保护气罩，所述保护气罩与阳极喷嘴压帽之间设有锥形的第一保护气通道；

所述枪体内部设有与外部保护气输入管相连通的环形保护气通槽以及与环形保护气通槽相连通的第二保护气通道；

所述第一保护气通道与第二保护气通道相连通。所述第一保护气通道与第二保护气通道连接处的阳极喷嘴压帽上设有保护气均气槽。

保护气从环形保护气通槽，进入第二保护气通道，经过保护气均气槽后以稳定的流速、压力进入保护气罩和阳极喷嘴压帽之间的锥形的第一保护气通道，保护气均气槽可以让进入第一保护气通道中的保护气流速及压力分布更加均匀。保护气从第一保护气通道中高速流出，形成保护气帘，在进行等离子熔敷、等离子合金化以及等离子快速成形制造时，保护气帘隔断了外部空气,避免了空气中的氮气、氧气等气体进入合金熔池，在涂层中产生氮化物、氧化物等有害相，对合金熔池起到保护作用。保护气帘与等离子弧柱之间的区域为局部负压区，一方面该局部负压区会对粉末产生抽吸作用，使一些流动性不太好的粉末也能够顺利被送入等离子弧柱，有利于增强送粉的均匀性和提高粉末利用率，另一方面，局部负压有利于增加引弧的可靠性和提高等离子弧工作时的稳定性。

进一步地，所述枪体内部的阴极座的外侧壁上固设有与阴极座呈同轴设置的石英管，所述工作气通道位于枪体的内侧壁与石英管的外侧壁之间。石英管良好的绝缘性能，避免了非工作区域意外放电现象的发生，提高了枪的工作可靠性。

进一步地，所述阴极座的内部设有用于固定钨极的钨极夹和用于调整钨极垂直度的扶正套；所述钨极夹与钨极之间设有第七密封圈。

所述钨极夹为锥形弹性钨极夹，钨极夹与阴极座采用螺纹连接，装拆方便，阴极座内的扶正套来保证钨极在枪体中处于正确位置，即钨极轴线与喷嘴的轴线重合，从而保证等离子弧柱以喷嘴轴线为轴对称中心线对称分布，并保持挺直状态，防止钨极的非正常起弧。

所述第七密封圈用于防止第二冷却水腔里的水进入阳极喷嘴内腔。

进一步地，所述枪体内设有六个沿环形送粉通槽周向方向均匀分布的第二送粉通道。所述六个均匀分布的第二送粉通道用于使粉末均匀进入第一送粉通道。

所述枪体内设有四个沿环形保护气通槽周向方向均匀分布的第二保护气通道。所述四个均匀分布的第二保护气通道用于使进入第一保护气通道的保护气更加均匀，流速更加稳定。

进一步地，所述阴极座与绝缘座之间设有调节螺母，在不拆卸等离子枪的情况下，通过调整调节螺母来调节钨极的伸缩量，从而改变等离子枪的压缩比，获得所需要的弧柱长度和能量密度。

所述绝缘座和调节螺母的外部罩设有用于固定绝缘座和调节螺母的绝缘座压帽。

进一步地，所述阳极喷嘴与枪体的连接处设有第三密封圈和第四密封圈；所述第二冷却水通道与过水孔道的连接处的内侧与外侧设有第五密封圈和第六密封圈。

进一步地，所述阴极座上设有电极连接板。

进一步地，所述枪体上连接有工作气输入管、保护气输入管、进水管、回水管和送粉管；所述工作气输入管用于向枪体内部输入工作气，所述保护气输入管用于向枪体内部输入保护气，所述进水管用于向枪体内部输入低温冷却水，所述送粉管用于向枪体内部输入粉末，所述回水管用于输出使用过的冷却水。

所述阴极座的上端连接有用于与外部回水管相连的回水接头；该回水接头使得第二冷却水腔和回水管之间连通，便于冷却水从第二冷却水腔内流出。

本发明的有益效果如下：

采用上述结构的等离子枪具有以下有益效果：

1.本发明所提供的等离子枪冷却效果好，从而使等离子枪具备了稳定性好、工作效率高、使用寿命长的特点；

2.本发明所提供的等离子枪能够实现均匀、同轴送粉，粉末利用率高。

3.本发明所提供的等离子枪在工作中，可在喷嘴前端形成惰性气体保护区，保护区有效地保护了合金熔池，并且有利于增强送粉均匀性和提高粉末的利用率，有利于增加引弧的可靠性和等离子弧的稳定性。

4.本发明中的阳极喷嘴对中性好、冷却效果好、使用寿命长、装拆方便。

5.本发明所提供的等离子枪采用了绝缘座和石英管，绝缘程度高、工作可靠性好。

6.本发明所提供的等离子枪与外部工作气输入管、保护气输入管、进水管、回水管和送粉管连接可靠、拆装方便。

7.本发明所提供的等离子枪的钨极对中性好，由于设计了钨极夹和扶正套，使得钨极安装牢固、拆装方便；并且采用了调节螺母，使得钨极调节方便。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明的整体结构示意图。

图2示出枪体结构示意图。

图3示出枪体仰视图。

图4示出阴极总成结构示意图。

图5示出阳极喷嘴结构示意图。

图6示出阳极喷嘴仰视图。

图7示出阳极喷嘴压帽结构示意图。

图8示出阳极喷嘴压帽俯视图。

图9示出保护气罩结构示意图。

图10示出阳极喷嘴压帽与保护气罩的装配示意图。

图11示出绝缘座结构示意图。

图12示出绝缘座仰视图。

图13示出钨极夹结构示意图。

图14示出钨极夹俯视图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

一种气氛保护同轴送粉等离子枪，所述等离子枪包括从上至下依次连接设置的绝缘座3、枪体2和阳极喷嘴1；所述等离子枪还包括装配在绝缘座3、枪体2和阳极喷嘴1内部的阴极总成；

所述枪体2内部设有用于与外部进水管相连通的第一冷却水通道151，及第二冷却水通道152；

所述阳极喷嘴1内部设有喷嘴内腔100和第一冷却水腔101；

所述阴极总成包括阴极座4和位于阴极座4内部的钨极5；所述阴极座4内部设有第二冷却水腔401；所述阴极座4的内部还设有用于固定钨极5的钨极夹6和用于调整钨极5垂直度的扶正套8；所述钨极夹6与钨极5之间设有第七密封圈46。

所述绝缘座3内设有至少一个过水孔道31；所述阴极座4的外壁与绝缘座3的内壁之间设有第一密封圈18和第二密封圈19，在所述第一密封圈18和第二密封圈19之间的阴极座4侧壁上开设有通孔41；

所述阴极座4与绝缘座3之间设有调节螺母11，所述绝缘座3和调节螺母11的外部罩设有用于固定绝缘座3和调节螺母11的绝缘座压帽10。

所述第一冷却水通道151与第二冷却水通道152通过第一冷却水腔101相连通；所述第二冷却水通道152与过水孔道31相连通，所述过水孔道31通过阴极座4上的通孔41与第二冷却水腔401相连通；

所述枪体2的内侧壁与阴极座4的外侧壁之间设有用于与外部工作气输入管相连通的工作气通道141，所述工作气通道141与喷嘴内腔100相连通。所述枪体2内部的阴极座4的外侧壁上固设有与阴极座4呈同轴设置的石英管7，所述工作气通道141位于枪体2的内侧壁与石英管7的外侧壁之间。

所述阳极喷嘴1外罩设有与枪体2连接的阳极喷嘴压帽12，所述阳极喷嘴1与阳极喷嘴压帽12之间设有锥形的第一送粉通道112；

所述枪体2内部设有用于与外部送粉管相连通的环形送粉通槽161以及与环形送粉通槽161相连通的第二送粉通道162；

所述第一送粉通道112一端与第二送粉通道162相连通，另外一端与阳极喷嘴1末端的送粉孔102相连通。

所述枪体2内设有六个沿环形送粉通槽161周向方向均匀分布的第二送粉通道162。

所述阳极喷嘴压帽12外罩设有用于与枪体2连接的保护气罩13，所述保护气罩13与阳极喷嘴压帽12之间设有锥形的第一保护气通道123；

所述枪体2内部设有与外部保护气输入管相连通的环形保护气通槽171以及与环形保护气通槽相连通的第二保护气通道172；

所述第二保护气通道172与第一保护气通道123相连通。所述第二保护气通道172与第一保护气通道123连接处的阳极喷嘴压帽12上设有保护气均气槽121。

所述枪体2内设有四个沿环形保护气通槽171周向方向均匀分布的第二保护气通道172。

所述阳极喷嘴1与枪体2的连接处设有第三密封圈20和第四密封圈21；所述第二冷却水通道152与过水孔道31的连接处的内侧与外侧设有第五密封圈22和第六密封圈23。

所述阴极座4上设有电极连接板42。

所述阴极座4的上端连接有用于与外部回水管相连的回水接头9；所述枪体2上连接有工作气输入管14、保护气输入管17、进水管15、回水管和送粉管16。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种气氛保护同轴送粉等离子枪，其特征在于：所述等离子枪包括从上至下依次连接设置的绝缘座、枪体和阳极喷嘴；所述等离子枪还包括装配在绝缘座、枪体和阳极喷嘴内部的阴极总成；

所述枪体内部设有用于与外部进水管相连通的第一冷却水通道，及第二冷却水通道；

所述阳极喷嘴内部设有喷嘴内腔和第一冷却水腔；

所述阴极总成包括阴极座和位于阴极座内部的钨极；所述阴极座内部设有第二冷却水腔；

所述绝缘座内设有至少一个过水孔道；所述阴极座的外壁与绝缘座的内壁之间设有第一密封圈和第二密封圈，在所述第一密封圈和第二密封圈之间的阴极座侧壁上开设有通孔；

所述第一冷却水通道与第二冷却水通道通过第一冷却水腔相连通；所述第二冷却水通道与过水孔道相连通，所述过水孔道通过阴极座上的通孔与第二冷却水腔相连通；

所述枪体的内侧壁与阴极座的外侧壁之间设有用于与外部工作气输入管相连通的工作气通道，所述工作气通道与喷嘴内腔相连通。

2.根据权利要求1所述的一种气氛保护同轴送粉等离子枪，其特征在于：所述阳极喷嘴外罩设有与枪体连接的阳极喷嘴压帽，所述阳极喷嘴与阳极喷嘴压帽之间设有锥形的第一送粉通道；

所述枪体内部设有用于与外部送粉管相连通的环形送粉通槽以及与环形送粉通槽相连通的第二送粉通道；

所述第一送粉通道一端与第二送粉通道相连通，另外一端与阳极喷嘴末端的送粉孔相连通。

3.根据权利要求2所述的一种气氛保护同轴送粉等离子枪，其特征在于：所述阳极喷嘴压帽外罩设有用于与枪体连接的保护气罩，所述保护气罩与阳极喷嘴压帽之间设有锥形的第一保护气通道；

所述枪体内部设有与外部保护气输入管相连通的环形保护气通槽以及与环形保护气通槽相连通的第二保护气通道；

所述第一保护气通道与第二保护气通道相连通；所述第一保护气通道与第二保护气通道连接处的阳极喷嘴压帽上设有保护气均气槽。

4.根据权利要求1所述的一种气氛保护同轴送粉等离子枪，其特征在于：所述枪体内部的阴极座的外侧壁上固设有与阴极座呈同轴设置的石英管，所述工作气通道位于枪体的内侧壁与石英管的外侧壁之间。

5.根据权利要求1所述的一种气氛保护同轴送粉等离子枪，其特征在于：所述阴极座的内部设有用于固定钨极的钨极夹和用于调整钨极垂直度的扶正套；所述钨极夹与钨极之间设有第七密封圈。

6.根据权利要求3所述的一种气氛保护同轴送粉等离子枪，其特征在于：所述枪体内设有六个沿环形送粉通槽周向方向均匀分布的第二送粉通道；

所述枪体内设有四个沿环形保护气通槽周向方向均匀分布的第二保护气通道。

7.根据权利要求1所述的一种气氛保护同轴送粉等离子枪，其特征在于：所述阴极座与绝缘座之间设有调节螺母，所述绝缘座和调节螺母的外部罩设有用于固定绝缘座和调节螺母的绝缘座压帽。

8.据权利要求1所述的一种气氛保护同轴送粉等离子枪，其特征在于：所述阳极喷嘴与枪体的连接处设有第三密封圈和第四密封圈；所述第二冷却水通道与过水孔道的连接处的内侧与外侧分别设有第五密封圈和第六密封圈。

9.根据权利要求1所述的一种气氛保护同轴送粉等离子枪，其特征在于：所述阴极座上设有电极连接板。

10.根据权利要求1所述的一种气氛保护同轴送粉等离子枪，其特征在于：所述枪体上连接有工作气输入管、保护气输入管、进水管、回水管和送粉管；所述阴极座的上端连接有用于与外部回水管相连的回水接头。