CN113046745A - 一种物理参数可控的电火花沉积/修复系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种物理参数可控的电火花沉积/修复系统及方法，其中的系统包括：上位机、垫板、下位机控制器、Z轴电机、Z轴导轨、Y轴导轨、L型固定器、X轴电机、传感器、电火花沉积/修复焊枪、可调焊枪夹具、X轴导轨、限位器、工件夹具、垫块、载物台及Y轴电机。本发明将电火花沉积平台与三维自动化平台相结合，可以有效解决现有电火花沉积工艺稳定性低、沉积效果差。沉积结果可重复性与可再现性差等问题，改进传统电火花沉积对大面积复杂工件修复耗时长、成本高等，可以应用在自动化程度高的工业生产中。

Description

一种物理参数可控的电火花沉积/修复系统及方法

技术领域

本发明涉及修复与再制造技术，具体涉及一种物理参数可控的电火花沉积/修复系统及方法。

背景技术

图19为电火花沉积过程放电示意图，该过程划分为四个阶段，第一阶段：焊枪往工件表面方向不断的移动，同时电极以特定角度接近工件。第二阶段：当电极的尖端接触到工件表面时，压力传感器开始记录受到的压力值，并反馈给控制器，电极与工件之间距离达到放电要求时，整个设备变形成了一个闭合回路，储能电容开始按脉冲形式释放能量，由于大的电流产生大量能量使材料熔化并气化，这就导致电极尖端产生液滴，母材产生微小熔池，随着温度的增加使电极与基材之间的气体离子化，熔滴迅速冲入熔池，同时对母材产生轰击作用最后凝固。具有特定角度的电极随着自动化平台设定的路径移动。第三阶段：熔化的电极液滴扩散到基体表面，并以极快的速度冷却下来。控制器依据不断变化的压力数值，调整Z轴，控制电极与基体的间距，使得接触力保持为设定值（误差±0.05N），保证整个沉积过程连续。第四阶段：完成沉积后，控制器控制电极离开工件表面时，沉积结束，冷却后形成致密的沉积层。

电火花沉积的应用领域：

沉积涂层。

制备新材料。

修复工件。

电火花沉积/修复技术的优点：

低的热输入，工件热影响及变形小。

涂层与基体呈冶金结合、不易剥落。

可沉积涂层或制备新材料。

柔性化，可现场实时修复再制造。

适用于复杂件的修复。

电火花沉积/修复技术的缺点：

工艺参数多，如电参数、物理参数、电极参数等。

自动化程度低，手工操作结果可重复性差、可再现性差。

对大面积复杂工件修复效率低、成本高。

致密性低，不适用于汽蚀场合。

图20为电火花沉积工艺总框图，目的是为了解决现有设备沉积过程中存在的问题，设计搭建了电火花沉积自动化设备平台，实现电极移动速度υ、沉积角φ（电极与工件间的夹角）和接触力F（电极与工件的接触压力）工艺参数的定量化，实时控制物理参数。电火花沉积技术的可控因素可分为电参数、物理参数和电极参数三种。

电参数由脉冲电源系统控制，包括频率ƒ、电容C、电压U、电流I等，评价因子为热输入。根据脉冲放电的能量公式：

可知，电火花沉积热输入与电容、电压和频率有关，热输入与电容、频率成线性关系，与电压成平方关系。

物理参数为电火花沉积过程工艺参数，当电极材料及尺寸选定后，工艺参数包括电极移动速度υ、沉积角φ（电极与工件间的夹角）、接触力F（电极与工件的接触压力）等。

电极参数为电极旋转速度N，电极直径D、沉积介质和保护气氛。沉积介质有空气、水、煤油等介质，保护气氛包括保护气体类型、气体流量G等。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种物理参数可控的电火花沉积/修复系统及方法，解决实际生产中存在的现实问题。通过运用现代控制理论与机械结合实现闭环控制，将传统电火花沉积技术与三维控制平台结合在一起，实时显示工艺参数值，实现工艺参数的定量可控。

根据本发明的一个方面，提供了一种物理参数可控的电火花沉积/修复系统，包括：

上位机、垫板、下位机控制器、Z轴电机、Z轴导轨、Y轴导轨、L型固定器、X轴电机、传感器、电火花沉积/修复焊枪、可调焊枪夹具、X轴导轨、限位器、工件夹具、垫块、载物台及Y轴电机；

所述载物台底座上设有垫块和工件夹具；

X轴电机与X轴导轨通过螺母连接，Y轴电机与Y轴导轨通过螺母连接，Z轴电机和Z轴导轨通过螺母连接；

所述X轴导轨、Y轴导轨、Z轴导轨均通过L型固定器固定在载物台的横梁上；

所述X轴导轨、Y轴导轨、Z轴导轨的一侧分别设有限位器；

所述可调焊枪夹具与Z轴导轨之间通过固定件连接；

所述电火花沉积/修复焊枪通过可调焊枪夹具固定；

所述传感器与可调夹头使用可调节螺母连接；

所述垫板和下位机控制器位于载物台中的空板上；

所述上位机和鼠标位于垫板上；

所述上位机设有平台软件系统。

进一步地，所述平台软件系统包括：

状态监控单元，用以监控数控焊床实时状态，包括实时坐标、正限位、负限位；

Z轴校准单元，用于Z轴校准，包括接触力设定、Z轴上升行程；

按坐标行进单元，用于数控焊床按坐标行进，包括X轴坐标给定、Y轴坐标给定、Z轴坐标给定、速度给定；

圆形轨迹单元，用于圆形轨迹设置，包括外圆半径、圆环数量、圆形速度的设定；

方形轨迹单元，用于方形轨迹的设置，包括矩形长、矩形宽、矩形数量、矩形速度的设置；

运动轨迹显示单元，用于显示运动轨迹；

按钮单元，用于归零、暂停、继续、急停的操作。

更进一步地，所述按坐标行进单元包括数值类的属性单元，所述数值类的属性单元包括：

外观单元，用于工业上的应用，依据此外观支撑数控焊床及其他配套设备；

数据类型单元，用于显示数据类型；

数据输入单元，用于数据输入；

显示格式单元，用于显示数据格式；

说明信息单元，用于显示说明信息；

数据绑定单元，用于数据绑定；

快捷键单元，用于显示快捷键。

根据本发明的又一个方面，提供了一种物理参数可控的电火花沉积/修

复方法，包括：

接通上位机电源、控制器电源、电火花沉积/修复焊机电源，在上位机操作界面观察实时坐标、接触力，设定各个轴向位置初始值、校准焊头压力；设定沉积/修复路线，调整零点位置，调整焊枪角度，调整沉积速度；按下开始按钮进行沉积/修复；

上位机向控制板发出指令，传感器、限位器实时工作，通过控制板实时回传数据，在上位机操作界面可以观察到接触力数值、电火花沉积/修复的沉积/修复路线、沉积/修复速度，点选自动校准可实时保证接触力数值维持在特定范围内，沉积/修复角度、沉积/修复速度为特定值，从而确保电火花沉积/修复的物理参数可控，实现稳定的工艺和高质量涂层；

通过调节可调夹头设置焊枪与基体试样的角度，在上位机软件上设置沉积/修复速度、沉积/修复路径、焊头压力参数；

点击开始后，上位机系统与下位机系统进行数据传输上位机将数据传给下位机控制板，下位机控制板发出控制信号传递给驱动板，驱动板分别与步进电机、传感器、限位器、自制焊枪相连接，进行数据传输，此时方可开始沉积，传感器、限位器等实时将电信号反馈给下位机，下位机将各项参数传递给上位机，上位机进行回传处理后经过上位机软件处理并结合信号进行综合分析给出控制信号形成闭环控制，并实时显示在上位机操作界面，根据工艺需要实时调整电火花沉积/修复的物理参数，实现物理参数的实时控制，从而保证工艺的稳定性和可靠性，得到高质量涂层。

本发明的优点：

本发明将电火花沉积平台与三维自动化平台相结合，可以有效解决手工电火花沉积的操作不稳定性和沉积效率低、沉积效果差、手工操作结果重复性、可再现性差等问题，改进手工电火花沉积时对大面积复杂工件修复成本高等，可以应用在自动化程度高的工业生产中。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是电火花沉积/修复三维平台设备三维渲染示意图；

图2是电火花沉积/修复三维平台设备等轴视图；

图3是电火花沉积/修复三维平台设备正视图；

图4是电火花沉积/修复三维平台设备中轴向导轨连接视图；

图5是电火花沉积/修复三维平台设备Z轴导轨与焊枪连接视图；

图6是上位机操作平台；

图7是上位机X轴坐标初始值设定参数图；

图8是上位机与下位机系统连接框图；

图9是系统工作程序流程图；

图10是下位机系统流程图；

图11是传感器检测模块程序流程图；

图12是限位器检测模块程序流程图；

图13是用FEG-450热场发射扫描电子显微镜(SEM)对实施例1和实施例2方法沉积的WC-沉积层截面进行观察图，（图13(a)为采用实施例1方法沉积的WC-沉积层截面图，图13(b)为对应沉积表面图）；

图14是采用实施例2方法沉积的WC-沉积层截面图及对应沉积表面图（图14(a)为采用实施例2方法沉积的WC-沉积层截面图，图14(b)为对应沉积表面图）；

图15是用FEG-450热场发射扫描电子显微镜(SEM)对实施例3和实施例4方法沉积的FeCrAl-沉积层截面和NiCr-沉积层进行观察图（图15(a)为采用实施例3方法沉积的FeCrAl-沉积层截面图，图15(b)为对应沉积表面图）；

图16采用实施例4方法沉积的NiCr-沉积层界面图；

图17是用FEG-450热场发射扫描电子显微镜(SEM)对实施例5方法沉积的WC-沉积层截面和进行观察图；

图18是用FEG-450热场发射扫描电子显微镜(SEM)对实施例1方法沉积的WC-沉积层微观组织与元素分布进行观察结果图；

图19是电火花沉积过程放电示意图；

图20是电火花沉积工艺总框图。

附图标记：

1为上位机、2为垫板、3为下位机控制器、4为Z轴电机、5为Z轴导轨、6为Y轴导轨、7为L型固定器、8为X轴电机、9为传感器、10为电火花沉积/修复焊枪、11为可调焊枪夹具、12为X轴导轨、13为限位器、14为工件夹具、15为垫块、16为载物台、17为固定件及18为Y轴电机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参考图1至图12，一种物理参数可控的电火花沉积/修复系统，包括：

上位机1、垫板2、下位机控制器3、Z轴电机4、Z轴导轨5、Y轴导轨6、L型固定器7、X轴电机8、传感器9、电火花沉积/修复焊枪10、可调焊枪夹具11、X轴导轨12、限位器13、工件夹具14、垫块15、载物台16及Y轴电机18；

所述载物台16底座上设有垫块15和工件夹具14；

X轴电机8与X轴导轨12通过螺母连接，Y轴电机18与Y轴导轨6通过螺母连接，Z轴电机4和Z轴导轨5通过螺母连接；

所述X轴导轨12、Y轴导轨6、Z轴导轨5均通过L型固定器7固定在载物台16的横梁上；

所述X轴导轨12、Y轴导轨6、Z轴导轨5的一侧分别设有限位器13；

所述可调焊枪夹具11与Z轴导轨5之间通过固定件17连接；

所述电火花沉积/修复焊枪10通过可调焊枪夹具11固定；

所述传感器9与可调夹头使用可调节螺母连接；

所述垫板2和下位机控制器3位于载物台16中的空板上；

所述上位机1和鼠标位于垫板2上；

所述上位机1设有平台软件系统；

下位机控制器3用于控制设备获取设备状况，控制相关设备的元件和驱动装置。

本发明将电火花沉积平台与三维自动化平台相结合，可以有效解决手工电火花沉积的操作不稳定性和沉积效率低、沉积效果差、手工操作结果重复性、可再现性差等问题，改进手工电火花沉积时对大面积复杂工件修复成本高等，可以应用在自动化程度高的工业生产中。

所述平台软件系统包括：

状态监控单元，用以监控数控焊床实时状态，包括实时坐标、正限位、负限位；

Z轴校准单元，用于Z轴校准，包括接触力设定、Z轴上升行程；

按坐标行进单元，用于数控焊床按坐标行进，包括X轴坐标给定、Y轴坐标给定、Z轴坐标给定、速度给定；

圆形轨迹单元，用于圆形轨迹设置，包括外圆半径、圆环数量、圆形速度的设定；

方形轨迹单元，用于方形轨迹的设置，包括矩形长、矩形宽、矩形数量、矩形速度的设置；

运动轨迹显示单元，用于显示运动轨迹；

按钮单元，用于归零、暂停、继续、急停的操作。

所述按坐标行进单元包括数值类的属性单元，所述数值类的属性单元包括：

外观单元，用于工业上的应用，依据此外观支撑数控焊床及其他配套设备；

数据类型单元，用于显示数据类型；

数据输入单元，用于数据输入；

显示格式单元，用于显示数据格式；

说明信息单元，用于显示说明信息；

数据绑定单元，用于数据绑定；

快捷键单元，用于显示快捷键。

参考图2，载物台底座上载有垫块、工件夹具，X轴电机与X轴导轨用螺母连接、Y轴电机与Y轴导轨用螺母连接、Z轴电机和Z轴导轨用螺母连接，各轴向导轨之间用L型固定器连接固定在载物台的横梁上（图4示出）、导轨与载物台之间用固定器固定、限位器位于各轴向导轨左侧、可调焊枪夹具与Z轴导轨之间使用固定器连接、焊枪使用可调焊枪夹具固定（图5示出）、传感器与可调夹头使用可调节螺母连接（图5示出）。垫板、上位机、下位机控制器、鼠标位于载物台中空板上，下位机控制板与垫板位于中空载物台上，上位机和鼠标位于垫板上，电火花沉积/修复焊机电源、保护气瓶及其他连接线等均未示出。

位置关系：图1示出了电火花沉积/修复三维平台设备的三维示意图，图2示出了电火花沉积/修复三维平台设备的等轴视图，图3示出了电火花沉积/修复三维平台设备的正视图。根据图2示出，载物台底座上载有垫块、工件夹具，X轴电机与X轴导轨用螺母连接、Y轴电机与Y轴导轨用螺母连接、Z轴电机和Z轴导轨用螺母连接，各轴向导轨之间用L型固定器连接固定在载物台的横梁上（图4示出）、导轨与载物台之间用固定器固定、限位器位于各轴向导轨左侧、可调焊枪夹具与Z轴导轨之间使用固定器连接、焊枪使用可调焊枪夹具固定（图5示出）、传感器与可调夹头使用可调节螺母连接（图5示出）。垫板、上位机、下位机控制器、鼠标位于载物台中空板上，下位机控制板与垫板位于中空载物台上，上位机和鼠标位于垫板上，电火花沉积/修复焊机电源、保护气瓶及其他连接线等均未示出。

具体实施方式：

接通上位机电源、控制器电源、电火花沉积/修复焊机电源，在上位机操作界面（图6示出）观察实时坐标、接触力，设定各个轴向位置初始值（图7示出）、校准焊头压力；设定沉积/修复路线，调整零点位置，调整焊枪角度，调整沉积速度；按下开始按钮进行沉积/修复。上位机向控制板发出指令，传感器、限位器实时工作，通过控制板实时回传数据，在上位机操作界面可以观察到接触力、电火花沉积/修复的沉积/修复路线、沉积/修复速度，点选自动校准可实时保证接触力维持在特定范围内，沉积/修复角度、沉积/修复速度为特定值，从而确保电火花沉积/修复的物理参数可控，实现稳定的工艺和（得到）高质量涂层。

系统运行实施方式：通过调节可调夹头设置焊枪与基体试样的角度，在上位机软件上设置沉积/修复速度、沉积/修复路径、焊头压力参数。点击开始后，上位机系统与下位机系统进行数据传输（图9示出），上位机将数据传给下位机控制板，下位机控制板发出控制信号传递给驱动板（图10示出），驱动板分别与步进电机、传感器、限位器、自制焊枪相连接，进行数据传输，此时方可开始沉积，传感器、限位器等实时将电信号反馈给下位机（图11-12示出），下位机将各项参数传递给上位机，上位机进行回传处理后经过上位机软件处理并结合信号进行综合分析给出控制信号形成闭环控制，并实时显示在上位机操作界面（图6示出），根据工艺需要实时调整电火花沉积/修复的物理参数，实现物理参数的实时控制，从而保证工艺的稳定性和可靠性，得到高质量涂层。

一种物理参数可控的电火花沉积/修复方法，包括：

接通上位机电源、控制器电源、电火花沉积/修复焊机电源，在上位机操作界面观察实时坐标、接触力，设定各个轴向位置初始值、校准焊头压力；设定沉积/修复路线，调整零点位置，调整焊枪角度，调整沉积速度；按下开始按钮进行沉积/修复；

上位机向控制板发出指令，传感器、限位器实时工作，通过控制板实时回传数据，在上位机操作界面可以观察到接触力数值、电火花沉积/修复的沉积/修复路线、沉积/修复速度，点选自动校准可实时保证接触力数值维持在特定范围内，沉积/修复角度、沉积/修复速度为特定值，从而确保电火花沉积/修复的物理参数可控，实现稳定的工艺和高质量涂层；

通过调节可调夹头设置焊枪与基体试样的角度，在上位机软件上设置沉积/修复速度、沉积/修复路径、焊头压力参数；

点击开始后，上位机系统与下位机系统进行数据传输上位机将数据传给下位机控制板，下位机控制板发出控制信号传递给驱动板，驱动板分别与步进电机、传感器、限位器、自制焊枪相连接，进行数据传输，此时方可开始沉积，传感器、限位器等实时将电信号反馈给下位机，下位机将各项参数传递给上位机，上位机进行回传处理后经过上位机软件处理并结合信号进行综合分析给出控制信号形成闭环控制，并实时显示在上位机操作界面，根据工艺需要实时调整电火花沉积/修复的物理参数，实现物理参数的实时控制，从而保证工艺的稳定性和可靠性，得到高质量涂层。

本发明的关键点是可以将电火花手工沉积存在的问题转化为参数型可控变量，显著改善手工操作的不稳定性。电火花沉积自动化平台可以控制沉积移动速度、沉积角度以及电火花沉积时电极与工件接触力。

本发明针对现有技术的不足，而提供的一种解决方案。该技术方案可实现自动化沉积晶体材料涂层、非晶体材料涂层、纳米材料涂层，通过负反馈产生动态响应，可实现稳定的工艺和（得到）高质量涂层。

本发明涉及一种物理参数可控的电火花沉积/修复加工系统及方法。加工系统被构造成将电火花沉积/修复枪固定在专门的夹具上，通过控制电火花沉积/修复物理参数，实现电极移动速度υ、沉积角φ（电极与工件间的夹角）和接触力F（电极与工件的接触压力）工艺参数的定量化。与之配套的控制平台（上位机）实现电火花沉积/修复技术的可控性、自动化。物理参数可控的电火花沉积/修复加工装置及控制系统实现了电火花沉积/修复自动化，解决了沉积/修复结果重复性与再现性差的问题，提升了生产效率，具有通用性和可移植性。

在油气田开发过程中，石油防砂筛管对于油井的正常生产起着至关重要的作用。石油防砂筛管是油、气井固井专用钢管，用于封隔油、气、水层；保护井壁；防止井喷或井壁倒塌。但在应用过程中，石油防砂筛管一直要经受高温高压多元热流体成分的腐蚀作用和井下携砂流体的冲蚀作用，使筛管处于恶劣的服役环境中，严重缩短筛管的使用寿命。为此本发明采用实施例1-2以WC电极对不锈钢基体进行沉积，使其达到符合使用环境的抗冲蚀性能的钢管。

锅炉管道爆管不可避免的要进行停机维护，造成锅炉管道爆管的主要原因是该构件在高温高压下服役，加速了管道的氧化和腐蚀，导致管道减薄。这不仅影响到人们的日常生活，还会造成难以评估的经济损失。因此提高锅炉管道的性能，保证锅炉管道的安全可靠运行是一个重中之重的课题。为了解决这一问题，科学工作者提出了在材料表面涂覆具有不同功能的涂层来满足基体材料在不同环境下的性能要求，如抗氧化性能和抗腐蚀性能。FeCrAl和NiCr合金作为涂层材料在在工业上广泛应用，是一类最常用的高温合金，且具有良好的力学性能、抗高温氧化性能、抗腐蚀性能等，因此，本发明采用实施例3-4在P92钢表面制备FeCrAl和NiCr涂层以达到减少高温腐蚀的锅炉管道。

在各类模具中,热作模具的工作条件最为恶劣.热作模具用钢应具有足够的高温强度和高温硬度;良好的耐磨性和一定的韧性;高的热疲劳性能和抗氧化能力，为了提高模具的寿命，除了用常规的热处理手段外，日益成熟的各种涂层技术也是一个经济有效的方法。采用表面涂层技术能在保持模具心部原有成分和性能的基础上，赋予模具表面特殊的使用性能，大幅度提高模具的使用寿命，拓宽模具钢的应用范围，更重要的是还可以以价格低的普通模具钢取代价格高的优质模具钢，能够显著降低制造成本，同时可用于模具的修复，因此有广阔的应用前景。因此，本发明采用实施例5在5CrMnMo模具钢表面制备WC-12Co涂层以提高耐磨性和韧性，以达到提高模具寿命的目的。

实施例1

一种WC-电火花沉积修复方法，包括以下步骤：

S1：打磨去除试样和电极表面的氧化层，用丙酮进行超声波清洗20~30min、烘干。所述电极为：ø5的WC-12Co电极，试样为304不锈钢。

S2：采用电火花沉积/修复三维平台设备对试样表面进行沉积涂覆，电火花沉积工艺参数为：电容为150μF，电压为90V，频率为5000Hz，沉积角度为75°，沉积速度0.5mm·s^-1，保护气体为氩气，氩气流量为8L/min，电极转速为2600 r/min。

实施例2

一种WC-电火花沉积修复方法，包括以下步骤：

S1：打磨去除试样和电极表面的氧化层，用丙酮进行超声波清洗20~30min、烘干。所述电极为：WC-12Co电极。

S2：采用电火花沉积/修复三维平台设备对试样表面进行沉积涂覆，电火花沉积工艺参数为：电容为150μF，电压为90V，频率为5000Hz，沉积角度为45°，沉积速度0.5mm·s^-1，保护气体为氩气，氩气流量为8L/min，电极转速为2600 r/min。

实施例3

一种FeCrAl（APM）-电火花沉积修复方法，包括以下步骤：

S1：打磨去除试样和电极表面的氧化层，用丙酮进行超声波清洗20~30min、烘干。所述电极为：FeCrAl（APM）电极，试样为P92耐热钢。

S2：采用电火花沉积/修复三维平台设备对试样表面进行沉积涂覆，电火花沉积工艺参数为：电容为150μF，电压为90V，频率为5000Hz，沉积角度为60°，沉积速度0.75mm·s^-1，保护气体为氩气，氩气流量为8L/min，电极转速为2600 r/min。

实施例4

一种NiCr-电火花沉积修复方法，包括以下步骤：

S1：打磨去除试样和电极表面的氧化层，用丙酮进行超声波清洗20~30min、烘干。所述电极为：NiCr电极，试样基体为P92耐热钢。

S2：采用电火花沉积/修复三维平台设备对试样表面进行沉积涂覆，电火花沉积工艺参数为：电容为150μF，电压为90V，频率为5000Hz，沉积角度为45°，沉积速度0.6mm·s^-1，保护气体为氩气，氩气流量为8L/min，电极转速为2600 r/min。

实施例5

一种WC-电火花沉积修复方法，包括以下步骤：

S1：打磨去除试样和电极表面的氧化层，用丙酮进行超声波清洗20~30min、烘干。所述电极为：WC-12Co电极。试样基体为5CrMnMo模具钢。

S2：采用电火花沉积/修复三维平台设备对试样表面进行沉积涂覆，电火花沉积工艺参数为：电容为150μF，电压为90V，频率为5000Hz，沉积角度为45°，沉积速度0.8mm·s^-1，保护气体为氩气，氩气流量为8L/min，电极转速为2600 r/min。

控制参数方法：

角度φ控制:通过可调夹头可以控制沉积枪与基体试样的角度为特定值。

操作过程：调节可调夹头（图2示出）的固定螺母，使可调夹头可以转动，调整可调夹头至合适角度（可用量角器测量），旋紧固定螺母，可以沉积枪与基体试样的角度控制在0-180°。

沉积速度υ控制：通过上位机界面可以控制特定沉积枪与基体试样的角度下的沉积速度为特定值。

操作过程：在上位机界面（图6示出）在“按坐标行进”界面中进行速度调节，调整范围为1-100，对应实际速度为0.01-1 mm·s^-1 _。

接触力F控制：通过上位机界面可以控制特定沉积枪与基体试样的角度、特定沉积速度条件下的接触力维持在特定范围下。

操作过程：接通上位机电源、控制器电源、电火花沉积/修复焊机电源后，在上位机操作界面（图6示出）“状态监控”界面中实时显示当前接触力，在“Z轴校准”界面中在“接触力设定”框中设定初始接触力，点击“自动校准”按钮，上位机发出指令到控制器，控制器控制Z轴向进行接触力的调整，同时，接触力传感器实时反馈数值到控制器，控制器处理后显示在上位机“状态监控”界面中的“接触力”框中，直到“接触力设定”框中的数值与“接触力”框中的数值相同，校准完成。也可以在“接触力设定”框中设定初始接触力后，点击“手动上升”、“手动下降”，同样，上位机发出指令到控制板，控制板控制Z轴向进行接触力的调整，待上位机“状态监控”界面中的“接触力”框中，直到“接触力设定”框中的数值与“接触力”框中的数值相同后，点击“校准完成”按钮。

实施例1：接通上位机电源、控制器电源、电火花沉积/修复焊机电源，在上位机操作界面（图6示出）观察实时坐标、接触力，分别设置X、Y、Z轴向位置初始值（0，0，0）（图7示出）、校准接触力为0 Pa；设定焊接/修复路线为直线，在上位机界面里手动调整零点位置，观察电火花沉积焊枪与304不锈钢基体试样的距离，使得电火花沉积焊枪与304不锈钢基体试样距离为1mm，调整焊枪角度为75°，调整沉积速度为0.5mm·s^-1；按下开始按钮进行沉积/修复。上位机发出指令，传感器、限位器实时工作，通过控制板实时回传数据，回传数据后，在上位机操作界面可以观察到焊头压力为0.5±0.02pa、电火花沉积的路线为直线、沉积速度为0.5mm·s^-1，点选自动校准可实时保证焊头压力为0.45pa、观察发现沉积路线没有偏移、上位机界面沉积速度稳定。确保了电火花沉积的物理参数可控，制得沉积均匀的电火花沉积涂覆层，检测得沉积层的平均显微硬度远大于304不锈钢基体试样，是其3.58倍。

其余实施例2-5均按实施例1步骤（数据不同）操作，得到相应的电火花沉积层。

通过下述实验对本发明实施例1-5的电火花沉积三维平台设备沉积的沉积效果进行观察。

（一）用FEG-450热场发射扫描电子显微镜(SEM)对实施例1和实施例2方法沉积的WC-沉积层截面进行观察，结果见图13，图13(a)为采用实施例1方法沉积的WC-沉积层截面图，图13(b)为对应沉积表面图，图14(a)为采用实施例2方法沉积的WC-沉积层截面图，图14(b)为对应沉积表面图；从图中可以看出，采用实施例2的方法对工件进行沉积，与实施例1的方法相比，实施例2的方法沉积层截面缺陷少、表面粗糙度较小、沉积层厚度较大、呈现冶金结合。

（二）用FEG-450热场发射扫描电子显微镜(SEM)对实施例3和实施例4方法沉积的FeCrAl-沉积层截面和NiCr-沉积层进行观察，结果见图15、图16，图15(a)为采用实施例3方法沉积的FeCrAl-沉积层截面图，图15(b)为对应沉积表面图，图16采用实施例4方法沉积的NiCr-沉积层界面图；从图中可以看出，采用实施例3和实施例4的方法对工件进行沉积，均可以得到截面缺陷少、表面粗糙度较小、沉积层厚度较大、呈现冶金结合的沉积层。

（三）用FEG-450热场发射扫描电子显微镜(SEM)对实施例5方法沉积的WC-沉积层截面和进行观察，结果见图17，图17为采用实施例5方法沉积的WC-沉积层截面图，从图中可以看出，采用实施例5的方法对工件进行沉积，可以得到截面缺陷少、表面粗糙度较小、沉积层厚度较大的沉积层、呈现冶金结合的沉积层。

本发明实施例1-5的电火花沉积三维平台设备沉积的沉积效果进行观察后发现，实施例1-5均可沉积出沉积层截面缺陷少、表面粗糙度较小、沉积层厚度较大、呈现冶金结合的沉积层，无论采用哪种电极，采用本发明对工件进行自动化电火花沉积，沉积层与基体均存在较为明显的熔合线，界面与基体结合紧密，提高了沉积层与基体的结合力；沉积层组织致密，无明显的缺陷产生。

（四）用FEG-450热场发射扫描电子显微镜(SEM)对实施例1方法沉积的WC-沉积层微观组织与元素分布进行观察，结果见图18。

从图18中可以看出，沉积层与基体结合良好，界面处靠近基体侧组织无明显变化，说明电火花沉积过程未对基体组织产生影响。由线扫图可知，WC电极经过电火花沉积后，沉积层与304L不锈钢基体结合良好，界面处无明显孔隙，基体内部的Fe元素和Cr元素向沉积层发生了扩散；同时，沉积层的W元素经过界面扩散到基体中。在沉积过程中，电极与基体接触时，电容中储存的电能会瞬间放电，温度急剧上升，达到电极材料和基体的熔点，熔化的电极和基体表面材料会在电弧搅拌下发生充分合金化，使得沉积层的元素分布均匀。

从图14(a)中可以看出，沉积层界面结合处基体侧无明显的热影响区，一方面是由于电火花沉积过程中放电时间极短，放电面积又很小，导致放电产生的热作用只发生在工件表面的微小区域，且电火花沉积的冷却速率可以高达10⁶ K/s，使产生的热量通过周围的保护气和基体迅速散失掉；并且电火花沉积时的占空比很小，在每个周期传递或累计到基体的热量非常少，且由于电火花独特的接触放电方式，电极顶端与基体接触时会施加给基体一定的压力，而这种额外的压力可以适当减少基体中产生的热量。另一方面，由于电火花沉积过程中的沉积角、沉积速度一定，接触力维持在特定范围下，使得电极产生的熔滴具有一定的方向性，更容易附着在基体表面，电极熔滴与基体相熔后，以极快的速度冷却下来，使得少量的Cr与Fe进入沉积层中。

在某些情况下，可能需要通过将要处理的工件或零件放至可调工作台上，以沉积或修复尺寸过小的工件或零件，例如沉积1mm厚，2mm宽的不锈钢筛管丝。在某些情况下，可能希望通过将金属陶瓷制成的电极涂覆到不锈钢筛管丝上，在不锈钢筛管丝表面覆盖一层保护层或耐腐蚀层，从而极大延缓筛管在石油过滤时的腐蚀效应。在一些实例中，沉积/修复过程中需要保证涂覆均匀，因此需要固定在夹具上，从而利于操作和沉积强化/修复效果，保证基体试样的原有功能，在经过电火花沉积三维平台的沉积/修复后重新安装到原有位置时可重复使用。

本文描述的方法的各种实例可以适合在发电机组中的主蒸气管上，在P92钢上沉积FeCrAl和NiCr涂层可提高抗应力腐蚀能力，抗疲劳能力。

本文描述的方法的各种实例可以适合于修复、沉积强化、沉积强化/修复、各种为提高表面性能的待加工的原始材料等。如5CrMnMo模具钢表面制备WC-12Co涂层以提高耐磨性和韧性。

在各种实施例中，可以在沉积强化/修复之前清洁附着油脂和其他污物的表面，以去除表面污染。表面污染可包括非沉积表面材料与周围环境之间形成的氧化层，以及诸如有机微粒和不燃物质的异物。清洁包括使用一种或多种极性溶剂、非极性溶剂、酸性溶液、碱性溶液、清洁剂或磨料研磨等中的一种或其组合，但不改变工件部件的表面性质。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种物理参数可控的电火花沉积/修复系统，其特征在于，包括：

上位机（1）、垫板（2）、下位机控制器（3）、Z轴电机（4）、Z轴导轨（5）、Y轴导轨（6）、L型固定器（7）、X轴电机（8）、传感器（9）、电火花沉积/修复焊枪（10）、可调焊枪夹具（11）、X轴导轨（12）、限位器（13）、工件夹具（14）、垫块（15）、载物台（16）及Y轴电机（18）；

所述载物台（16）底座上设有垫块（15）和工件夹具（14）；

X轴电机（8）与X轴导轨（12）通过螺母连接，Y轴电机（18）与Y轴导轨（6）通过螺母连接，Z轴电机（4）和Z轴导轨（5）通过螺母连接；

所述X轴导轨（12）、Y轴导轨（6）、Z轴导轨（5）均通过L型固定器（7）固定在载物台（16）的横梁上；

所述X轴导轨（12）、Y轴导轨（6）、Z轴导轨（5）的一侧分别设有限位器（13）；

所述可调焊枪夹具（11）与Z轴导轨（5）之间通过固定件（17）连接；

所述电火花沉积/修复焊枪（10）通过可调焊枪夹具（11）固定；

所述传感器（9）与可调夹头使用可调节螺母连接；

所述垫板（2）和下位机控制器（3）位于载物台（16）中的空板上；

所述上位机（1）和鼠标位于垫板（2）上；

所述上位机（1）设有平台软件系统。

2.根据权利要求1所述的物理参数可控的电火花沉积/修复系统，其特

征在于，所述平台软件系统包括：

状态监控单元，用以监控数控焊床实时状态，包括实时坐标、正限位、负限位；

Z轴校准单元，用于Z轴校准，包括接触力设定、Z轴上升行程；

按坐标行进单元，用于数控焊床按坐标行进，包括X轴坐标给定、Y轴坐标给定、Z轴坐标给定、速度给定；

圆形轨迹单元，用于圆形轨迹设置，包括外圆半径、圆环数量、圆形速度的设定；

方形轨迹单元，用于方形轨迹的设置，包括矩形长、矩形宽、矩形数量、矩形速度的设置；

运动轨迹显示单元，用于显示运动轨迹；

按钮单元，用于归零、暂停、继续、急停的操作。

3.根据权利要求2所述的物理参数可控的电火花沉积/修复系统，其特

征在于，所述按坐标行进单元包括数值类的属性单元，所述数值类的属性单元包括：

外观单元，用于工业上的应用，依据此外观支撑数控焊床及其他配套设备；

数据类型单元，用于显示数据类型；

数据输入单元，用于数据输入；

显示格式单元，用于显示数据格式；

说明信息单元，用于显示说明信息；

数据绑定单元，用于数据绑定；

快捷键单元，用于显示快捷键。

4.一种物理参数可控的电火花沉积/修复方法，其特征在于，包括：

接通上位机电源、控制器电源、电火花沉积/修复焊机电源，在上位机操作界面观察实时坐标、接触力，设定各个轴向位置初始值、校准焊头压力；设定沉积/修复路线，调整零点位置，调整焊枪角度，调整沉积速度；按下开始按钮进行沉积/修复；

上位机向控制板发出指令，传感器、限位器实时工作，通过控制板实时回传数据，在上位机操作界面可以观察到接触力数值、电火花沉积/修复的沉积/修复路线、沉积/修复速度，点选自动校准可实时保证接触力数值维持在特定范围内，沉积/修复角度、沉积/修复速度为特定值，从而确保电火花沉积/修复的物理参数可控，实现稳定的工艺和高质量涂层；

通过调节可调夹头设置焊枪与基体试样的角度，在上位机软件上设置沉积/修复速度、沉积/修复路径、焊头压力参数；

点击开始后，上位机系统与下位机系统进行数据传输上位机将数据传给下位机控制板，下位机控制板发出控制信号传递给驱动板，驱动板分别与步进电机、传感器、限位器、自制焊枪相连接，进行数据传输，此时方可开始沉积，传感器、限位器等实时将电信号反馈给下位机，下位机将各项参数传递给上位机，上位机进行回传处理后经过上位机软件处理并结合信号进行综合分析给出控制信号形成闭环控制，并实时显示在上位机操作界面，根据工艺需要实时调整电火花沉积/修复的物理参数，实现物理参数的实时控制，从而保证工艺的稳定性和可靠性，得到高质量涂层。

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