CN105755421A - 一种直流氩弧等离子粉喷枪及制备方法 - Google Patents

Abstract

一种直流氩弧等离子粉喷枪及制备方法。属于金属粉末及金属陶瓷粉末的火焰喷涂设备及技术领域。本发明采用了空心钨阴极外表面环状起弧直流等离子加热法和穿过氩弧心部的轴向送粉机构两项新技术，利用了电弧的负压区和送粉机构的位置配合，使本发明的粉喷枪不仅提高了长时间工作的稳定性，同时保证了金属粉末颗粒加热温度的均匀性，喷射速度的均匀性和喷涂层质量的稳定性。另由于枪体结构的改变，使本枪的技术应用领域明显扩大，预计将会对今后高科技的发展能起到有益的贡献。

Description

一种直流氩弧等离子粉喷枪及制备方法

技术领域

本发明属于金属粉末及金属陶瓷粉末的火焰喷涂设备及技术领域，提供了一种新型结构的直流氩弧等离子粉喷枪，能高质量的保证金属粉末及金属陶瓷粉末火焰喷涂层的质量及工艺的稳定性。扩大了直流氩弧等离子粉喷枪的技术应用领域。

技术背景

近40年的文献检索可知金属粉末的火焰喷枪的核心问题就是火焰喷枪的结构和技术参数控制问题，整个金属粉末喷涂技术的发展史实际上就是火焰喷枪的发展史。早期的火焰喷枪是由氧-乙炔气焊枪发展起来的，这种喷枪的高温火焰是由一定压力的氧-乙炔混合气体燃烧后形成的高温气体火焰，在喷枪的喷嘴前方形成一个高温、高压、高速(温度高达3500℃以上，速度高达30～40米/秒)的空间动态气团。

最初人们利用金属粉末颗粒的自重，将金属粉直接送入水平喷射的高温高速火焰中，发现确实可以将很多金属颗粒迅速熔化，并以较高的速度(动能)喷射沉积到钢的基板表面从而完成喷涂层的技术要求。近年来随着科技进步，新的火焰喷枪也有很大发展，先后出现了以不同燃料体系为主的如氧-天然气、氧-烷类气体、氧-乙醇、氧-氢等火焰喷枪，这些喷枪火焰的热源都是由可燃气体燃烧放出的热量加热的，其中以H₂-O₂火焰温度最高。

1960年以来国内外着手研究直流电弧加热的直流氩弧等离子火焰喷枪，已经发展出不同型号系列的多种产品。现在国际市场上最主流的能够工业化应用的等离子喷涂设备首推oerlikonmetco(欧瑞康美科)公司的系列产品，国内各厂家多款外送粉喷枪产品型号都是在其F4MB-XL、9MB、3MB、SinplexPro、TriplexPro等基础上仿制的。而能够工业化应用号称内送粉的喷枪主要为PRAXAIR公司的SG-100等型号，其送粉方式实际上多为等离子弧聚焦点后径向送粉。

从工艺要求来说，用作金属粉末喷涂设备的粉喷枪必须要满足以下技术要求：1.被熔化的粉末颗粒必须全部被加热熔化，且受热温度均匀。2.被熔化的颗粒在高速火焰中必须能获得尽可能相同的喷射(运动)速度。3.火焰中的气氛必须保证金属粉末不会发生不需要的化学反应(如氧化、碳化、氮化)。4.不允许5％(质量)分数以上的过冷(△t＝30℃～35℃)颗粒进入喷涂区，以保证涂层合金的烧结均匀性(密度一致，无裂纹)，及保证组织结构的均匀性。

按照上述要求来考查现有的火焰喷枪，可以看出，没有任何一种喷枪能同时满足上述四条要求，其原因主要是上述所有喷枪都存在两个致命缺点：1.没有发现和利用等离子弧负压区的可利用特征，而是均采用等离子弧聚焦点后的火焰内或火焰外径向送粉方式，所有金属粉末不能全部穿过火焰中心高温区，难以保证所有颗粒在火焰中均匀加热，并同时获得大致相同的运动速度；2.粉末的输送机构不能保证连续，定量的(克/分)将粉末送入到火焰中心的负压区，故难以保证雾状喷射锥体中液滴的质量稳定和温度稳定。

为了解决上述问题，本发明在50多年的研究基础上，开发了一种新型结构的直流氩弧等离子粉喷枪。

发明内容

本发明目的是为了解决现有技术当中采用等离子弧聚焦点后的火焰内或火焰外径向送粉方式，所有金属粉末不能全部穿过火焰中心高温区，难以保证所有颗粒在火焰中均匀加热，并同时获得大致相同的运动速度及粉末的输送机构不能保证连续，定量的(克/分)将粉末送入到火焰中心的负压区，故难以保证雾状喷射锥体中液滴的质量稳定和温度稳定的问题。

一种直流氩弧等离子火焰粉喷枪，由水冷式空心钨阴极系统、枪体、组合阳极、火焰喷枪的绝缘部分、火焰喷枪的空心螺旋送粉器五部分组成，同时采用了水冷式空心钨阴极外表面环状电弧加热方法和穿过氩弧心部的轴向即火焰内轴向送粉机构两项新技术，在设计中将阴-阳极靠近的曲面间隙采用拉瓦尔管形射流通道设计，在轴向送粉机构设计中利用了电弧的负压区和送粉机构的出料口最佳位置配合，使用本发明的粉喷枪，不仅提高了工作的稳定性和涂层质量稳定性，而且扩大了粉喷枪的技术应用领域。

水冷式空心钨阴极系统由上盖螺母、固紧螺母A、水冷管、阴极引电接线板、固紧螺母B、端面冷却室、阴极水冷导管、空心钨阴极构成。

其中阴极水冷导管是内部的水冷夹层和端面冷却室有水路相通，阴极水冷导管下部有内螺纹孔与空心钨阴极螺纹紧固，阴极水冷导管的心部沿轴线设有通孔与空心钨阴极的心部通孔贯通，此通孔是送粉器的工作空间；

上盖螺母用来固定送粉器的下导管；固紧螺母A用来联接并固紧阴极引电接线板；对称位置的两件水冷管与端面冷却室和阴极水冷导管相连；阴极引电接线板用以引入500～700A大电流直流电并作负极；固紧螺母B用来压紧端面冷却室上部的进出水管与绝缘板之间的漏气间隙；端面冷却室，用来降低阴极枪体工作室及绝缘板的工作温度。

枪体由固紧螺栓、O形密封圈A、水套上法兰、进出水管、枪体水套外筒、枪体水套内筒、枪体水套下法兰、O形密封圈B、氩气进气管构成.固紧螺栓是将枪体固定在绝缘板上，并通过压紧枪体密封O形圈A以保证工作氩气不外漏；O形密封圈B作用同上；固紧螺栓、水套上法兰、进出水管、枪体水套外筒、枪体水套内筒、枪体水套下法兰经组合焊接，形成完整的枪体水冷套；其功能主要是降低枪体内阴极，阳极以及各密封圈，绝缘板的温度以保证枪体能连续长时间工作。

组合阳极由阳极引电接线套、阳极基座、水冷进水管、水冷铜阳极、火焰内液滴喷射锥出水管、水冷出水管构成；阳极引电接线套为纯铜材料制的，用来联接并固定阳极外接线板，与阳极基座焊接或热压装联接；水冷进水管和出水管与水冷铜阳极通过焊接或管螺纹连接组成水冷喷嘴；阳极基座心部的水冷铜阳极上部设计有一段细牙管螺纹套筒，用来与枪体下法兰的螺纹联接固定，在管螺纹套筒的下段留有一定高度的直筒段，用来与枪体的O形密封圈形成径向可滑动式密封。

火焰喷枪的绝缘部分由绝缘板、绝缘隔离圈、0形密封圈C、0形密封圈D构成；绝缘板为聚碳酸脂或尼龙或聚四氟乙烯材质，用以将阴-阳极绝缘；0形密封圈C在阴极M30下段和进水管之间，0形密封圈D在出水管和绝缘板之间；0形密封圈C和0形密封圈D是为了保证阴极M30下段和进出水管1-1-3与绝缘板之间的间隙不漏气。

空心螺旋送粉器由送粉器外管、空心螺旋弹簧、粉末料仓、粉料拔钗、辅助气调控阀、调速电机构成；送粉器外管材质为不锈钢或塑料软管，空心螺旋弹簧是送粉的推进器，形状像一个被拉长的弹簧，内部为空心，整根弹簧十分柔软，可在任何弯曲状的管内自由旋转。明的新型结构的直流氩弧等离子粉喷枪示意图，其中钨阴极结构由棒状实体改为空心管状。送粉机构由火焰外送粉改为穿过氩弧心部(即钨阴极心部)的轴向送粉机构，这两处改进最大，也是本发明的创新之处。分述如下：

第①部分：水冷式空心钨阴极系统，其零部件及功能如下：

图1中：1-1-1为上盖螺母；1-1-2为固紧螺母A(两件)；1-1-3为水冷管；1-1-4为阴极引电接线板；1-1-5为固紧螺母B；1-1-6为端面冷却室；1-1-7为阴极水冷导管；1-1-8为空心钨阴极。

其中1-1-7阴极水冷导管是一个结构复杂的零件，其内部的水冷夹层和端面冷却室1-1-6有水路相通。阴极水冷导管1-1-7的材料是用3％(质量)(纳米级)W—Cu合金制成，其下部有内螺纹孔与空心钨阴极1-1-8螺纹紧固。阴极水冷导管1-1-7的心部(沿轴线)设有Φ4mm直径(长120mm)的通孔与空心钨阴极1-1-8的心部(沿轴线)Φ4mm(长60mm)通孔贯通，此通孔是送粉器的工作空间。这种结构设计在喷枪工作时，通过空心钨阴极1-1-8下方头部的外表面与水冷铜阳极3-1-4锥形口的内表面起弧，使工作Ar(氩)气穿过环状电弧区以获得氩弧等离子火焰，而金属粉末是从火焰心部穿过，不会干扰火焰的稳定性。

其中各部件的作用如下：

1-1-1上盖螺母，用来固定送粉器的下导管5-1-1；1-1-2固紧螺母A(两件)，用来联接并固紧阴极引电接线板1-1-4；1-1-3水冷管(对称位置两件)，用来向端面冷却室1-1-6和阴极水冷导管1-1-7供循环水；1-1-4阴极引电接线板，用以引入大电流(500～700A)直流电并作负极；1-1-5固紧螺母B用来压紧端面冷却室1-1-6上部的进出水管与绝缘板4-1-1之间(见4-1-3O型密封圈位置)的漏气间隙；1-1-6端面冷却室，用来降低阴极枪体工作室及绝缘板4-1-4的工作温度以保证喷枪能长时间工作。

1-1-7阴极水冷导管，其作用有三：1.降低空心钨阴极及枪体工作室温度。2.给空心钨阴极1-1-8输送大电流。3.其心部的管状通道即为送粉通道，兼有送粉及粉末降温作用。

1-1-8空心钨阴极，作用有三：1.通过空心钨阴极外表面与铜阳极环状放电(起弧、稳弧)使工作氩气穿过电弧后产生超高温(5000～6000℃)等离子体火焰。2.通过空心钨阴极1-1-8头部外形曲面与水冷铜阳极3-1-4锥形口内表面间隙的空间造型应形成拉瓦尔管形射流通道，从而使氩气流在压力一定的情况下，尽量提高喷射速度(达到1.2马赫)。3.空心钨阴极1-1-8沿轴线中心处设有中心送粉通道与上部阴极水冷导管1-1-7贯通，并保证出粉口的位置处在火焰中心的负压送粉区。这样除能保证粉末不会反喷(反向远动)，又可保证粉末因靠近火焰而不会过早烧结。

第②部分：为枪体，其零件及功能如下：

2-1-1为固紧螺栓，其作用是将枪体固定在绝缘板4-1-1上，并通过压紧枪体密封O形圈A2-1-2以保证工作氩气不外漏；2-1-2为O形密封圈A(作用上述)；2-1-3为水套上法兰；2-1-4(两件)为进出水管；2-1-5为枪体水套外筒；2-1-6为枪体水套内筒；2-1-7为枪体水套下法兰。由上述六件，经组合焊接，可形成完整的枪体水冷套。其功能主要是降低枪体内阴极，阳极以及各密封圈，绝缘板的温度以保证枪体能连续长时间工作。特别应指出的是，下法兰2-1-7上，除在其外径上设计有细牙管螺纹与阳极基座3-1-2联接外，在其下端仍设计有(43.5mm)密封槽孔，并与O形密封圈2-1-8B配合以保证工作气体不外漏，同时还可保证，阴-阳极间的放电间隙可调；2-1-8为O形密封圈B(功能已上述)；2-1-9为氩气进气管，氩气进气管与2-1-5枪体水套外筒及2-1-6枪体水套内筒焊接密封联接，向电弧区提供稳定的气流，气体经过电弧区电离之后形成等离子气体由3-1-4水冷铜阳极喷嘴射出。

第③部分:为组合阳极，其零部件及功能如下：

3-1-1为纯铜材料制的阳极引电接线套，用来联接并固定阳极外接线板，与阳极基座3-1-2焊接(或热压装)联接，以保证大电流顺利通过交接面；3-1-2为阳极基座，主要用来输送强大的阳极电流给其心部的水冷铜阳极3-1-4，在其上部设计有一段细牙管螺纹套筒，用来与枪体下法兰2-1-7的螺纹联接固定，在管螺纹套筒的下段留有一定高度的直筒段，用来与枪体的O形密封圈B2-1-8形成径向可滑动式密封，这样又可保证在调整阴-阳极间隙时不会因枪体下法兰2-1-7与阳极基座3-1-2上下移动而漏气。

3-1-3和3-1-6为水冷进出水管，它与水冷铜阳极3-1-4通过焊接(或管螺纹连接)组成水冷喷嘴。其作用有三：1.是空心钨阴极放电产生超高温电弧以提供热源，将Ar气加热形成高温等离子气体；2.是将水冷铜阳极(特别是引弧区)工作时产生的大量热用水带走迅速冷却降温，以保证水冷铜阳极能连续起弧，稳定电弧持续工作；3.使阴-阳极之间靠近的曲面间隙即水冷铜阳极3-1-4锥形口内表面与空心钨阴极1-1-8头部外形曲面之间形成拉瓦尔(见空气动力学)管形射流通道，以提高氩气等离子体的喷射速度达到1.2马赫，同时造成空心钨阴极1-1-8中心通道(送粉通道)内的负压值，以利于送粉。

此处优选地说明：这种采用空心钨阴极外环起弧，中心送粉的设计思想是本发明的创新之处，是在充分研究了高温、高速的火焰气流特征后提出的，是研究者首次发现了阴-阳极之间靠近的曲面间隙。即空心钨阴极1-1-8头部外表面见图1与水冷铜阳板3-1-4锥形口内表面间的曲面间隙形成拉瓦尔管形射流曲面配合关系时，将会使空心钨阴极的中心孔道内可产生0.2～0.45kg/cm²的负压值，而且负压值的大小受中心孔出口位置H严重影响，本设计中H＝11～13mm。另发现在空心钨阴极内孔送粉或送气时，不会影响阴-阳极间的电弧的(电流-电压)稳定性，这一现象为进一步解决火焰内送粉的设计思想提供了便利条件。

第④部分：火焰喷枪的绝缘部分，其功能如下：

4-1-1为聚碳酸脂或尼龙或聚四氟乙烯材质的绝缘板，用以将阴-阳极绝缘；4-1-2为云母材质制成的绝缘隔离圈，作用同上；4-1-3为0形密封圈C；4-1-4为0形密封圈D，是为了保证阴极M30下段和进出水管1-1-3与绝缘板之间的间隙不漏气。

第⑤部分：火焰喷枪的空心螺旋送粉器，其零部件及功能如下：

5-1-1为送粉器外管，其材质可为不锈钢或塑料软管；5-1-2为空心螺旋弹簧，也就是送粉的推进器，其形状像一个被拉长的弹簧，内部为空心，整根弹簧十分柔软，可在任何弯曲状的管内自由旋转。本发明研究发现，将此空心弹簧放入到一个空管内(在空管内装有金属粉时)，当空心弹簧在空管内旋转时，由于弹簧的正螺旋推进作用，可将螺旋间的粉末向前推进，而且推进速度(dW)可按下式(1)计算：

dW＝·D²·h·d·v…(1)

dW-送粉速度(g/min)

K-系数(粉末粘滞系数)(可测定)

D-空管内径(cm)

h-弹簧丝之间的距离(cm)

d-粉末松装比重g/cm³)

v—弹簧转速(r/min)

当K＝1，D＝0.4cm，h＝0.3cm，d＝2.6g/cm3

v＝50r/min

dW＝0.7854×(0.4)2×0.3×2.6×50

＝4.9g/min

当v＝500r/min

dW＝49g/min

本发明中空心螺旋送粉器的优点有三：

1.可在任何弯曲的管道内送粉。

2.空心螺旋的心部可通过气体，实现气流和机械推进两种混合送粉方式。

3.可以在真空条件下完成送粉任务。

在本发明中空心螺旋弹簧的上部做成直线段的长轴形状，一方面要求有足够的长度，使其穿过粉料仓5-1-3的上盖并与外部调速电机5-1-6联接，另一方面，在粉料仓5-1-3内部长度上，能够安装有粉料拨叉5-1-4这样可保证在空心螺旋弹簧旋转时粉料拨叉可不断的将粉料打散，防止架空。5-1-5为辅助气流量调节阀，在补充通气时用。

在本发明中空心螺旋送粉器的螺旋弹簧将一直伸入到空心钨阴极1-1-8的下方离出口12mm处，它以某种速度在送料管5-1-1中，以及阴极水冷导管1-1-7及空心钨阴极1-1-8的贯通的中心通道内不断旋转，将粉末直接送入到火焰负压区内，也可以同时通以辅助气体，可连续不断地将金属粉末送入到火焰心部的低温负压区(随火焰一同)喷出，并立即被火焰加热加速，完成送粉任务。在连续送粉的情况下，可在喷枪的前方获得一束稳定发散的由高温高速熔融液滴组成的雾状喷射锥体，显然将这种雾状喷射锥体喷向某种金属基板表面，再调控好各种工艺参数的条件下，即可完成各种涂层的喷涂工作。

当需要改变涂层合金的成分时，如需喷涂YG20硬质合金层时，需首先将YG20合金粉放入粉料仓5-1-3内开动送粉机构并按公式(1)先测出YG20合金粉的K值，然后再进行其它参数调控，进行涂层喷涂工作较为便利。

本发明采用的空心钨阴极，其材质实际是用纯钨粉(粒径2～3μm)，经冷等静压，热等静压制成的高密度(相对密度99.99％)钨管坯再经机加工制成的，外径Φ9mm、内孔为Φmm，一端有外螺纹M101的特制高密度钨制品，否则难以保证电弧的稳定性。

空心钨阴极头部外形曲面与水冷铜阳极锥形口内表面间隙即阴-阳极靠近的曲面间隙空间应形成拉瓦尔管形射流通道，以此才能保证空心钨阴极既能完成电弧加热又能使氩气加速到1.2马赫的作用，实施例中水冷铜阳极锥形口内表面的曲率半径为R₁＝16.5mm,空心钨阴极头部外表面曲率半径R₂＝15mm，射流夹角为45°,空心钨阴极内孔出口与火焰焦点距离H＝11～13mm(可调控)。

空心钨阴极的冷却问题，除设有端面冷却室外，还设有钨阴极水冷导管，而且的的材料是用3％(质量)纳米级W+Cu合金制成，以同时保证的刚度、强度和耐热性能，

空心钨阴极的心部沿中心线全部长度上设有Φmm的内径孔(送粉通道)，空心钨阴极的长度一般为20～70mm(过长不易生产)，空心钨阴极的另一端必须设计有螺纹,实施例中为(M101)，以便与阴极水冷导管联接，这样才能保证空心钨阴极一方面能连续不断的从铜阴极上获得大电流，另一方面把空心钨阴极端部电弧产生的热量带走，这种结构设计也是解决中心送粉易烧结的难题的有效方法之一，必须加以保护。

本发明的优点：

1.在阴极结构上由于采用空心钨阴极的外表面环状电弧加热(独立起弧、稳弧)，从而保证了氩气能稳定的穿过电弧区，而不受送粉气流和金属粉末流动的影响，提高了枪的工作稳定性和火焰空间内的温度均匀性。

2.在整个阴极中心孔通道内由于采用了空心螺旋送粉器从而保证了在任何转速，任何补助气压甚至真空下，以及送粉通道无论是垂直、水平或弯曲的条件下均可定量可控的顺利送粉，且结构简单，加工容易、成本低，容易推广。

3.由于采用在火焰心部的负压区轴向送粉方式，加之用空心螺旋送粉器与之配合，能使所有粉末颗粒100％的穿过火焰心部，保证受热均匀，每个颗粒都会被迅速加热、加速，故能彻底解决因颗粒温度不均，速度不均而造成的喷涂质量不均的问题。

4.由于阴-阳极之间靠近的曲面间隙采用拉瓦尔管形射流通道，在氩气压力一定的情况下可使氩弧等离子火焰加速到1.2马赫，从而可提高喷枪火焰内熔融液滴的喷射速度和沉积压力，有利于提高涂层密度。

5.可在送料管中通以某种液态反应物料，当其通过高温区后可进行各种液-固热转换反应。如Fe、Co、Ni、Li等的硝酸盐或硫酸盐水溶液，穿过高温火焰可直接获得氧化物粉末。

6.由于枪体采用中心送粉结构，可使被加热粉末快速穿过6000℃的高温区，因而使本枪的技术应用领域，产生了较大的变化。如(a)通过高温蒸发，分解制备超细或纳米级金属或氧化物粉末；(b)可将非球形颗粒粉末穿过高温火焰快速熔化而制成球形颗粒粉末，如用非球形钛粉、硼粉、钨粉制成球形钛粉、硼粉、钨粉，故可作为一种专门制备球粉的专用球化设备；(c)可将各种反应系混合粉末穿过火焰进行高温反应获得所需的复合粉末，如用Fe₂O₃+MnO+Co₂O₃+LiO+Ni₂O₃混合粉穿过高温火焰而形成上述氧化物的固溶体即单相粉末；(d)采用不同气源(或含有不同含量的下例气源如：N₂、H₂、CO、CH₄)穿过超高温区获得各种活性电离气体，并同时进行氮化、氢化、碳化反应；(e)用于3D打印、喷射沉积喷头。

附图说明

图1是本发明的新型结构的直流氩弧等离子粉喷枪示意图，

其中：1-1-1上盖螺母；1-1-2固紧螺母A(两件)；1-1-3水冷管；1-1-4阴极引电接线板；1-1-5固紧螺母B；1-1-6端面冷却室；1-1-7阴极水冷导管；1-1-8空心钨阴极；2-1-1固紧螺栓；2-1-2O形密封圈A；2-1-3水套上法兰；2-1-4进出水管；2-1-5枪体水套外筒；2-1-6枪体水套内筒；2-1-7枪体水套下法兰；2-1-8O形密封圈B；2-1-9氩气进气管；3-1-1阳极引电接线套；3-1-2阳极基座；3-1-3进水管、3-1-6出水管；3-1-4水冷铜阳极；3-1-5火焰内液滴喷射锥；4-1-1绝缘板；4-1-2绝缘隔离圈；4-1-30形密封圈C；4-1-40形密封圈D；5-1-1送粉器外管；5-1-2空心螺旋弹簧；5-1-3粉末料仓；5-1-4粉料拔钗；5-1-5辅助气调控阀；5-1-6调速电机。

具体实施方式

实施例：

现设计制造一台40KW(65V,600A)、喷粉速度40-60g/min的水冷粉喷枪。

采用的镍基合金粉，其比重d＝2.6g/cm³，工作气体为高纯氩气。

应按下列步骤完成：

1空心钨阴极系统设计

1.1空心螺旋弹簧参数设计

a:设空心螺旋弹簧外径D＝4mm，用直径Φ＝0.5mm，弹簧钢丝绕制弹簧。弹簧丝之间的间距h＝4mm，按公式(1)dw＝K·/4·D2·h·d·v计算，式中：K＝1、D＝0.4cm、h＝0.4cm、d(粉末松装比重)＝2.6g/cm³，则dw＝0.05026·2.6·v＝0.13069·v

b:调速电机的转速设为v＝500r/min，则dw＝65.34g/min，满足要求，故调速电机选为转速0-1500r/min，功率500瓦。

c:螺旋弹簧长L＝L₁(水冷阴极长)+L₂(空心钨阴极长)+L₃(送粉管长)

实施例中：L₁＝10(cm)，L₂＝7(cm)，L₃＝3.5(cm)

L＝20.5(cm)

1.2水冷铜阴极中心孔直径设计

在空心螺旋弹簧旋转时既要保证粉末不会纵向泄漏，又要保证旋转时所需的运动间隙关系，故水冷铜阴极的中心孔直径＝4+0.1+0.2(mm)

1.3空心钨阴极中心孔设计

送粉管5-1-1的中心孔直径以及空心钨阴极中心孔直径均为＝4+0.1+0.2(mm)

1.4空心钨阴极外径设计

考虑到钨阴极本身在水冷、气冷同时作用下其不发热的供电电流密度值为12A/mm²，而设计总功率40KW时电流达600A，故钨阴极不发热截面积因空心钨阴极内孔直径已设定为＝4mm，考虑到空心管截面的公式为

；-空心管外径(mm)，-空心管内径:4mm

或

故

实施例中设计为＝9mm即空心钨阴极外径Φ＝9mm，上部螺纹为M101。

1.5空心钨阴极头部表面与水冷铜阳极表面曲率半径设计

在保证火焰(出气夹角＝45o)汇聚焦点与出粉口距离H＝11mm时，气体压缩比为5时，由作图计算可知，水冷铜阳极3-1-4表面的曲率半径为＝16.5mm。空心钨阴极1-1-8头部外表面曲率半径为＝15mm,在间隙为0.35mm时可保证火焰出口速度达1.2马赫。空心钨阴极出料口与火焰焦点间距H＝11～13mm(可调)(按负压测定调控)。

1.6铜外接引线板即图1中1-1-4及压紧螺母1-1-2与引线板和螺纹连接处的接触面积均按(3A/mm²)不发热值设计。

1.7端面冷却室即图1中1-1-6和阴极水冷导管1-1-7的水冷夹层厚度(尺寸)设计，只按电弧热量及辐射热量(总功率的1/10)考虑，并折合水的流量计算(略)，此处只设定进出水管1-1-3内径Φ＝6mm；端面夹层厚h＝5mm，水冷导管夹层厚h＝3mm。

2枪体水冷套：见图1中2-1-5、2-1-6设计

由于枪体工作时，枪体内的温度不高，故枪体水冷套夹层的热平衡计算一般省略。在实施例中设定进出水管2-1-4内径Ф＝5mm，水套夹层厚h＝10mm。此外在上部法兰2-1-3上设有密封槽2-1-2和固接螺栓2-1-1，下部法兰2-1-7的侧面，设有密封槽孔Φ101～Φ99(43.5)和(M1101)，细牙螺纹与阳极基座3-1-2连接。

3水冷铜阳极的设计见图1中3-1-1～3-1-6

3.1水冷铜阳极引电接线套即图1中3-1-1及阳极基座3-1-2，按照(所有电流流过的截面积)不发热电流密度不得超过(3A/mm²)原则设计。此外，引线板截面积为＝120mm²，阳极基座3-1-2侧壁厚7mm，底厚5mm。

3.2水冷铜阳极3-1-4锥形口内表面曲率半径为＝16.5mm(见1-1-5已叙述)。

3.3水冷阳极水套夹层，及进出水管直径，应严格按(电弧放热功率＝水冷效率)这一热力学平衡式计算并折合出水的流量来设计，此处免述。在实例中取进出水管(图1中3-1-3)内经为Ф6mm，水套3-1-4夹层为Φ60/Φ20，高15mm。

4绝缘层板设计：

绝缘层板采用尼龙-60材质板，加工尺寸为Φ115mm，厚15mm，中心孔Φ29mm。其他密封槽孔见图1。

5粉末料仓及送料机构设计

5.1图1中5-1-1为送粉管，用不锈钢管制成，内径为Φ＝4+0.1+0.2mm，其长度为60mm。

5.2送粉管5-1-1与阳极端头采用螺纹帽1-1-1压紧的形式相互联接，并保证送粉管内径与铜阴极中心孔道相通并精准对位。

5.3送粉器调速电机选用500W,220V交直流两用可调速电机，另电机轴端应设有便拆式卡头(Φ0～Φ12㎜)

6电源柜配置：

按常规40KW，65V,600A配置，如：初级端为单相，可控硅；调压(380V～50V)中间变压器：380V/120A/70V；650A，经整流获得65V；600A直流电源。

Claims (9)

1.一种直流氩弧等离子火焰粉喷枪，其特征在于喷枪由水冷式空心钨阴极系统、枪体、组合阳极、火焰喷枪的绝缘部分、火焰喷枪的空心螺旋送粉器五部分组成，同时采用了水冷式空心钨阴极外表面环状起弧直流等离子加热法和穿过氩弧心部的轴向即火焰内轴向送粉机构两项技术，在设计中将阴-阳极靠近的曲面间隙采用拉瓦尔管形射流通道设计。

2.根据权利要求1所述一种直流氩弧等离子火焰粉喷枪，其特征在于水冷式空心钨阴极系统由上盖螺母(1-1-1)、固紧螺母A(1-1-2)、水冷管(1-1-3)、阴极引电接线板(1-1-4)、固紧螺母B(1-1-5)、端面冷却室(1-1-6)、阴极水冷导管(1-1-7)、空心钨阴极(1-1-8)构成，其中阴极水冷导管是内部的水冷夹层和端面冷却室有水路相通，阴极水冷导管下部有内螺纹孔与空心钨阴极螺纹紧固，阴极水冷导管的心部沿轴线设有通孔与空心钨阴极的心部通孔贯通，此通孔是送粉器的工作空间；

上盖螺母用来固定送粉器的下导管；固紧螺母A用来联接并固紧阴极引电接线板；对称位置的两件水冷管与端面冷却室和阴极水冷导管相连；阴极引电接线板用以引入500～700A大电流直流电并作负极；固紧螺母B用来压紧端面冷却室上部的进出水管与绝缘板之间的漏气间隙；端面冷却室，用来降低阴极枪体工作室及绝缘板的工作温度。

3.根据权利要求1所述一种直流氩弧等离子火焰粉喷枪，其特征在于枪体由固紧螺栓(2-1-1)、O形密封圈A(2-1-2)、水套上法兰(2-1-3)、进出水管(2-1-4)、枪体水套外筒(2-1-5)、枪体水套内筒(2-1-6)、枪体水套下法兰(2-1-7)、O形密封圈B(2-1-8)、氩气进气管(2-1-9)构成；固紧螺栓，是将枪体固定在绝缘板上，并通过压紧枪体密封O形圈以保证工作氩气不外漏；固紧螺栓、水套上法兰、进出水管、枪体水套外筒、枪体水套内筒、枪体水套下法兰经组合焊接，形成完整的枪体水冷套；其功能主要是降低枪体内阴极，阳极以及各密封圈，绝缘板的温度以保证枪体能连续长时间工作。

4.根据权利要求1所述一种直流氩弧等离子火焰粉喷枪，其特征在于组合阳极由阳极引电接线套(3-1-1)、阳极基座(3-1-2)、水冷进水管(3-1-3)、水冷铜阳极(3-1-4)、火焰内液滴喷射锥出水管(3-1-5)、水冷出水管(3-1-6)构成；阳极引电接线套为纯铜材料制的，用来联接并固定阳极外接线板，与阳极基座焊接或热压装联接；水冷进水管和出水管与水冷铜阳极通过焊接或管螺纹连接组成水冷喷嘴；阳极基座心部的水冷铜阳极上部设计有一段细牙管螺纹套筒，用来与枪体下法兰2-1-7的螺纹联接固定，在管螺纹的下段留有一定高度的直筒段，用来与枪体的O形密封圈形成径向可滑动式密封。

5.根据权利要求1所述一种直流氩弧等离子火焰粉喷枪，其特征在于火焰喷枪的绝缘部分由绝缘板(4-1-1)、绝缘隔离圈(4-1-2)、O形密封圈C(4-1-3)、O形密封圈D(4-1-4)构成；绝缘板为聚碳酸脂或尼龙或聚四氟乙烯材质，用以将阴-阳极绝缘；0形密封圈C在阴极M30下段和进水管之间，O形密封圈D在出水管和绝缘板之间；O形密封圈C和O形密封圈D是为了保证阴极M30下段和进出水管1-1-3与绝缘板之间的间隙不漏气。

6.根据权利要求1所述一种直流氩弧等离子火焰粉喷枪，其特征在于空心螺旋送粉器由送粉器外管(5-1-1)、空心螺旋弹簧(5-1-2)、粉末料仓(5-1-3)、粉料拔钗(5-1-4)、辅助气调控阀(5-1-5)、调速电机(5-1-6)构成；送粉器外管材质为不锈钢或塑料软管，空心螺旋弹簧是送粉的推进器，形状像一个被拉长的弹簧，内部为空心，整根弹簧十分柔软，可在任何弯曲状的管内自由旋转。

7.根据权利要求2所述一种直流氩弧等离子火焰粉喷枪，其特征在于空心钨阴极头部外表面与组合阳极的水冷铜阳板锥形口内表面间的曲面间隙形成拉瓦尔管形射流曲面配合关系。

8.根据权利要求2所述一种直流氩弧等离子火焰粉喷枪，其特征在于阴极水冷导管的材料是用3％纳米级W—Cu合金制成，在喷枪工作时，通过空心钨阴极下方头部的外表面与水冷铜阳极锥形口的内表面起弧，使工作氩气穿过环状电弧区以获得氩弧等离子火焰，而金属粉末是从火焰心部穿过，不会干扰火焰的稳定性。

9.根据权利要求6所述一种直流氩弧等离子火焰粉喷枪，其特征在于当空心弹簧在空管内旋转时，由于弹簧的正螺旋推进作用，能将螺旋间的粉末向前推进，而且推进速度(dW)按下式(1)计算：

dW＝·D²·h·d·v…(1)，

dW-送粉速度(g/min)，

K-系数即粉末粘滞系数，

D-空管内径(cm)，

h-弹簧丝之间的距离(cm)，

d-粉末松装比重g/cm³)，

v—弹簧转速(r/min)，

当K＝1，D＝0.4cm，h＝0.3cm，d＝2.6g/cm3，

v＝50r/min

dW＝0.7854×(0.4)2×0.3×2.6×50

＝4.9g/min；

当v＝500r/min

dW＝49g/min。