CN112911778A - 一种用于粉末球化处理或精细涂覆的等离子体发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明于热等离子体技术，具体为一种用于粉末球化处理或精细涂覆的等离子体发生器，包括阴极组件、绝缘套筒、阳极组件，阴极组件包括紫铜座、阴极头和阴极冷却套，阳极组件包括同轴安装的阳极和阳极冷却套，采用球形状钨棒作为阴极头并镶嵌在紫铜座内，有助于缓解电极烧蚀，延长电极使用寿命，阳极采用2～5mm的中空紫铜结构，工作气在阴极头与阳极之间的通道内汇聚后形成较大气压后再经过阳极通道而形成高速等离子体射流。本装置产生的等离子体射流束流直径在2～5mm之间，能量更为集中，射流的速度更快，有助于粉末能更好的吸热而融化，提高了球形粉制备或涂覆的效率。
Description
技术领域
本发明属于热等离子体技术，具体涉及一种用于粉末球化处理或精细涂覆的等离子体发生器。
背景技术
对于粉末球化处理或工件表面精细涂覆等领域来讲，它对热源的基本要求是温度高且能量集中，有助于提高其能量吸收效率。而热等离子体射流具有高温、高焓、高能量密度以及工质可调等特点，已广泛应用于在切割、环保等领域，未来有可能在粉末球化处理、损伤工件表面修复和工件表面涂覆以及各种涂层的制备等领域具有广阔的市场应用前景，同时亦可能成为替代现有以激光或电子束等为主的增材制造(3D打印)另一种热源。
一般来讲，直流电弧等离子体发生器主要有阴极和阳极所组成，工质气体在阴阳电极之间的电场作用下发生电离而产生高温电弧，并经过放电通道向发生器出口喷出而形成等离子体射流。根据其实际应用领域的不同，对等离子体射流的要求也就不同。如对于粉末球化处理或工件表面精细涂覆来讲，它要求射流的束流直径更小(直径2～5mm)，有助于粉末材料更好的吸收热量而熔融；而对环保领域来讲，它要求射流的面积大、活性高等。因此，应用领域的不同就对等离子体发生器的结构设计提出了不同要求。
现有等离子体发生器所产生的射流直径一般均较大，不太适合粉末球化处理、精细涂覆或增材制造等领域对射流直径等的实际要求，特别是难熔金属粉末球化和损伤工件的精密原位修复等领域。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于粉末球化处理或精细涂覆的等离子体发生器，其满足等离子体射流能量更集中，直径更小的要求。
本发明的技术方案如下：
一种用于粉末球化处理或精细涂覆的等离子体发生器，包括阴极组件和阳极组件，以及位于阴极组件和阳极组件之间的绝缘套筒；
所述的阴极组件包括紫铜座、阴极头和阴极冷却套；所述的紫铜座与阴极冷却套同轴安装，所述的阴极头设于紫铜座端部的沉孔内；所述的阴极冷却套一端开口作为冷却水入口，侧壁加工开口作为冷却水出口，所述的紫铜座设于阴极冷却套的另一端开口处；
所述的阳极组件包括同轴安装的阳极和阳极冷却套，所述的阳极冷却套为具有三层套体的双层夹层间隙结构，外层套体和中间层套体之间具有外夹层间隙中间层套体和内层套体之间具有内夹层间隙，其中内外层夹层间隙在端口相通；在外层套体上加工阳极冷却水出口，在中间层套体和外层套体上加工阳极冷却水入口，阳极冷却水出口与外侧夹层间隙相通，阳极冷却水入口与内层夹层间隙相通，阳极冷却水入口、内层夹层间隙、外侧夹层间隙和阳极冷却水出口形成的冷却水通道；阳极位于阳极冷却套内，且与阳极冷却套的内层套体密封固定连接；所述的阳极冷却套上设有工质气体入口；
所述的绝缘套筒位于阴极冷却套外，且与阴极冷却套具有一定间隙作为工质气体通道，所述间隙与阳极上的阳极通道相通；绝缘套筒与所述的阳极冷却套的内层套体紧密贴合，所述的绝缘套筒上的周向均匀布置8～10个工质气体进气孔，其中一个与阳极冷却套上的工质气体入口相通。
所述的阴极冷却套的另一端侧壁上设有螺旋通道。
所述的螺旋通道为突出的螺旋结构。
所述的绝缘套筒的一端与阴极冷却套螺纹密封连接，另一端与阴极冷却套上的螺旋通道接触。
所述的阳极的中心轴向加工通孔作为阳极通道，阳极一端加工成中空的锥体结构，其与绝缘套筒连接，并且与阳极冷却套的内层套体密封连接，阳极另一端加工成突出部，且边缘带有翻边结构，突出部通过阳极固定法兰与阳极冷却套连接固定。
所述的锥体结构的大端与等离子体工质气体通道相通，小端与阳极通道相通，阳极的出口处设置有两端对称的送粉口，送粉口与阳极通道相通。
所述的中间套体的端部加工成向内倾斜的锥体结构，外层套体端部加工阶梯状。
所述的紫铜座一端加工成阶梯结构用于与阴极冷却套定位安装，另一端加工为锥面中心加工有沉孔，沉孔内紧密安装阴极头。
所述的阴极头头部伸出锥面一端端面，且阴极头头部加工为球形。
还包括阴极连接法兰，其连接固定绝缘套管和阳极冷却套的底部。
本发明的显著效果如下：
采用球形状钨棒作为阴极头并镶嵌在紫铜座内，有助于缓解电极烧蚀，延长电极使用寿命；
阳极采用2～5mm的中空紫铜结构，工作气在阴极头与阳极之间的通道内汇聚后形成较大气压后再经过阳极通道而形成高速等离子体射流。
本装置产生的等离子体射流束流直径在2～5mm之间，能量更为集中，射流的速度更快，有助于粉末能更好的吸热而融化，提高了球形粉制备或涂覆的效率。
附图说明
图1为用于粉末球化处理或精细涂覆的等离子体发生器；
图中：1.阴极组件，2.绝缘套筒，3.阳极组件，4.送粉口，5.阴极头，6.紫铜座，7.阴极冷却套，8.阳极，9.阳极冷却套，10.阳极固定法兰，11.工质气体入口，12.阴极连接法兰；13.螺旋通道，14.阴极固定螺母，15.阴极冷却水入口，16.阴极冷却水出口，17.阳极冷却水入口，18.阳极冷却水出口，19.工质气体进气孔入口，20.等离子体射流出口。
具体实施方式
下面通过附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种用于粉末球化处理或精细涂覆的等离子体发生器包括阴极组件1，绝缘套筒2，阳极组件3，送粉口4。
其中，阴极组件1由紫铜座6、阴极头5和阴极冷却套7组成，紫铜座6通过螺纹连接在阴极冷却套7上组成，阴极冷却套7一端加工冷却水入口15和出口16，另一端加工沿周向均匀排布的6个螺旋通道13。
紫铜座6与上述的阴极冷却套7同轴安装，其一端加工成阶梯结构用于与阴极冷却套7定位安装，另一端加工为锥面中心加工有沉孔，沉孔内紧密安装阴极头5。该阴极头5表面与沉孔内壁紧密贴合，头部伸出锥面一端端面，且阴极头5头部加工为球形。
阴极组件1位于绝缘套筒2内，除了连接端密封连接，绝缘套筒2和阴极冷却套7管壁之间留有一定间隙。绝缘套筒2采用聚四氟乙烯支撑，位于阴阳极组件之间。在绝缘套筒2上的周向均匀布置8～10个工质气体进气孔19，绝缘套筒2的一端与阴极冷却套7螺纹密封连接，另一端与阴极冷却套7上的螺旋通道13接触。
进气孔19与绝缘套筒2外的阳极冷却套9上的工质气体入口11相通，且与绝缘套筒2和阴极冷却套7之间的间隙连通，再与设有6个周向均匀排布的螺旋通道13一起形成等离子体工质气体通道。所谓的螺旋通道13就是加工在阴极冷却套7外的凸出的螺纹结构。
阳极冷却套9位于绝缘套筒2外部，且底部与阴极连接法兰12通过螺钉/螺栓固定连接，头部与阳极8固定连接，工质气体入口11位于阳极冷却套9上。
阳极组件3包括紫铜制成的阳极8和阳极冷却套9，紫铜的阳极8中心轴向加工通孔作为阳极通道，孔直径为2～5mm，阳极8一端加工成中空的锥体结构，其与绝缘套筒2连接，并通过密封圈与阳极冷却套9密封固定，阳极8另一端加工成突出部，且边缘带有翻边结构，突出部通过阳极固定法兰10与阳极冷却套9连接固定。锥体结构的大端与等离子体工质气体通道相通，小端与阳极通道相通，阳极8的出口处设置有两端对称的送粉口4。送粉口4与阳极通道相通。
阳极冷却套9本身为具有三层套体的双层夹层间隙结构，外层套体和中间层套体之间具有外夹层间隙，中间层套体和内层套体之间具有内夹层间隙，其中内外层夹层间隙在端口相通。在外层套体上加工阳极冷却水出口18，在中间层套体和外层套体上加工阳极冷却水入口17，阳极冷却水出口18与外侧夹层间隙相通，阳极冷却水入口17与内层夹层间隙相通，阳极冷却水入口17、内层夹层间隙、外侧夹层间隙和阳极冷却水出口18形成的冷却水通道。
中间套体的端部加工成向内倾斜的锥体结构，外层套体端部加工阶梯状，使得内层间隙到外层间隙的冷却水流动更加充分经过阳极8表面，冷却效果更好。
阳极8位于阳极冷却套9内，且与阳极冷却套9的内层套体密封固定连接。冷却水在冷却水通道中，通过内层夹层间隙向和外侧夹层间隙的流动来冷却阳极8。
阴极组件1中的阴极冷却套7与绝缘套筒2之间通过螺纹连接，阴极连接法兰12通过连接固定绝缘套管2和阳极冷却套9的底部，将阴极组件1和阳极组件3连接为一体组成等离子体发生器。
设备工作时，在工质气体入口11通以工质气体(氩气或氮气等)，启动等离子体电源，在阴极组件1与阳极组件3之间形成的电场将工质气体击穿而产生等离子体射流，产生的射流从阳极8出口喷出。调整工质气体流量和电流，可以获得不同功率下的不同长度的稳定等离子体射流。
作为优选尺寸，所述阳极8通道半径为5mm，长度为60mm；阴极头6半径为4mm，长度为30mm；所述送粉口4的半径为3mm，与阳极通道轴向方向的夹角为30°～60°。
作为优选方案：
阴极头5镶嵌在紫铜座6内而组成阴极，阴极再通过螺纹与阴极冷却套7相连接而组成阴极组件1，并在紫铜座6和阴极冷却套7之间通过O型圈进行密封。阴极冷却套7左侧端部冷却水入口15，周向设置冷却水出口通道16。
阳极组件是由阳极8和阳极冷却套9组成，阳极的材质为中空结构的紫铜，两端开孔，直径为5mm。阳极8与阳极冷却套9之间通过O型圈进行密封，阳极冷却套9周向设有进水口17、出水口18和工质气体入口11，其材质为不锈钢。
绝缘套筒2轴向均匀布置8～10个直径为3mm的进气孔19，并与工质气体入口11一起形成工质气体通道。
送粉口4位于阳极8上，两端对称布置，直径为3mm，与阳极轴向通道的轴向方向的夹角为30°。
Claims (10)
1.一种用于粉末球化处理或精细涂覆的等离子体发生器，其特征在于：包括阴极组件(1)和阳极组件(3)，以及位于阴极组件(1)和阳极组件(3)之间的绝缘套筒(2)；
所述的阴极组件(1)包括紫铜座(6)、阴极头(5)和阴极冷却套(7)；所述的紫铜座(6)与阴极冷却套(7)同轴安装，所述的阴极头(5)设于紫铜座(6)端部的沉孔内；所述的阴极冷却套(7)一端开口作为冷却水入口(15)，侧壁加工开口作为冷却水出口，所述的紫铜座(6)设于阴极冷却套(7)的另一端开口处；
所述的阳极组件(3)包括同轴安装的阳极(8)和阳极冷却套(9)，所述的阳极冷却套(9)为具有三层套体的双层夹层间隙结构，外层套体和中间层套体之间具有外夹层间隙中间层套体和内层套体之间具有内夹层间隙，其中内外层夹层间隙在端口相通；在外层套体上加工阳极冷却水出口(18)，在中间层套体和外层套体上加工阳极冷却水入口(17)，阳极冷却水出口(18)与外侧夹层间隙相通，阳极冷却水入口(17)与内层夹层间隙相通，阳极冷却水入口(17)、内层夹层间隙、外侧夹层间隙和阳极冷却水出口(18)形成的冷却水通道；阳极(8)位于阳极冷却套(9)内，且与阳极冷却套(9)的内层套体密封固定连接；所述的阳极冷却套(9)上设有工质气体入口(11)；
所述的绝缘套筒(2)位于阴极冷却套(7)，且与阴极冷却套(7)具有一定间隙作为工质气体通道，所述间隙与阳极(8)上的阳极通道相通；绝缘套筒(2)与所述的阳极冷却套(9)的内层套体紧密贴合，所述的绝缘套筒(2)上的周向均匀布置8～10个工质气体进气孔(19)，其中一个与阳极冷却套(9)上的工质气体入口(11)相通。
2.如权利要求1所述的一种用于粉末球化处理或精细涂覆的等离子体发生器，其特征在于：所述的阴极冷却套(7)的另一端侧壁上设有螺旋通道(13)。
3.如权利要求2所述的一种用于粉末球化处理或精细涂覆的等离子体发生器，其特征在于：所述的螺旋通道(13)为突出的螺旋结构。
4.如权利要求2所述的一种用于粉末球化处理或精细涂覆的等离子体发生器，其特征在于：所述的绝缘套筒(2)的一端与阴极冷却套(7)螺纹密封连接，另一端与阴极冷却套(7)上的螺旋通道(13)接触。
5.如权利要求1所述的一种用于粉末球化处理或精细涂覆的等离子体发生器，其特征在于：所述的阳极(8)的中心轴向加工通孔作为阳极通道，阳极(8)一端加工成中空的锥体结构，其与绝缘套筒(2)连接，并且与阳极冷却套(9)的内层套体密封连接，阳极(8)另一端加工成突出部，且边缘带有翻边结构，突出部通过阳极固定法兰(10)与阳极冷却套(9)连接固定。
6.如权利要求5所述的一种用于粉末球化处理或精细涂覆的等离子体发生器，其特征在于：所述的锥体结构的大端与等离子体工质气体通道相通，小端与阳极通道相通，阳极(8)的出口处设置有两端对称的送粉口(4)，送粉口(4)与阳极通道相通。
7.如权利要求6所述的一种用于粉末球化处理或精细涂覆的等离子体发生器，其特征在于：所述的中间套体的端部加工成向内倾斜的锥体结构，外层套体端部加工阶梯状。
8.如权利要求1所述的一种用于粉末球化处理或精细涂覆的等离子体发生器，其特征在于：所述的紫铜座(6)一端加工成阶梯结构用于与阴极冷却套(7)定位安装，另一端加工为锥面中心加工有沉孔，沉孔内紧密安装阴极头(5)。
9.如权利要求1所述的一种用于粉末球化处理或精细涂覆的等离子体发生器，其特征在于：所述的阴极头(5)头部伸出锥面一端端面，且阴极头(5)头部加工为球形。
10.如权利要求1所述的一种用于粉末球化处理或精细涂覆的等离子体发生器，其特征在于：还包括阴极连接法兰(12)，其连接固定绝缘套管(2)和阳极冷却套(9)的底部。
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