CN113909015B - 一种狭小空间超音速火焰热喷涂自动喷枪及其热喷涂装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种狭小空间超音速火焰热喷涂自动喷枪及其热喷涂装置，所述喷枪从内向外包括由依次连接的燃料雾化器、燃烧室、燃烧室喉部、扩张连接器、喷枪管、枪管调整器构成的核心单元、水冷套以及喷枪外套，在燃烧室内设置有陶瓷片，煤油和高压氧气经燃料雾化器混合雾化后经陶瓷片进入燃烧室，送粉针及点火针经陶瓷片将粉末送入燃烧室并点火实现超音速火焰热喷涂，所述核心单元中燃烧室喉部、扩张连接器、喷枪管、枪管调整器固连为一体，可由传动装置调控自由转动从而控制喷涂方向。本发明通过创新的结构设计，可以有效缩减整个装置所占空间，增加装置可活动范围，且实现喷枪焰流角度可自动调节的功能，可以应用于极为狭小的空间。

Description

一种狭小空间超音速火焰热喷涂自动喷枪及其热喷涂装置

技术领域

本发明涉及表面处理和再制造涂层领域，尤其涉及一种适合在复杂狭小空间进行超音速火焰热喷涂的喷枪及其热喷涂装置，可自动调整火焰方向，极大提升复杂狭小空间可喷涂的面积。

背景技术

超音速火焰喷涂技术经过四十年的发展，现已成为表面工程领域最重要的表面处理和再制造技术之一。常规的超音速火焰喷涂喷枪一般适用于零件的外表面喷涂，或者大零件有着足够大空间的零件内表面喷涂。对于狭小空间，特别是有着复杂多变的零件内孔面的喷涂，常规的超音速火焰喷枪不能完成。因为要得到结合强度高质量优的涂层，喷枪火焰与零件表面的角度一般90°左右，而喷枪枪体和尾部的管路严重限制了喷枪在狭小空间内姿态的变换，所以传统的超音速火焰喷涂喷枪不适合应用于复杂狭小空间零件喷涂工程中。

针对零件内孔超音速喷涂的问题，中国发明专利(CN 106591764 B)液体燃料内孔超音速火焰喷枪，通过采用液体燃料代替气体燃料提升燃烧压力，通过一个弯头连接器延长加速长度，对焰流进行多一次加速，来提升整体焰流速度，从而提高内孔涂层的结合强度。但是此发明与传统内孔超音速火焰热喷涂喷枪相比，喷枪的实际长度是增加了，只是通过牺牲了最佳喷涂角度来弥补了增加的喷枪长度，这种方式对于更小的内孔喷涂优化实在有限，并且该发明适用于规则的轴类内孔喷涂，不能适用于更复杂的狭小空间。中国实用新型(CN 205020271 U)一种枪口角度可控的超音速火焰喷涂喷枪，通过工具手动调整一种球形喷嘴的角度来改变枪口角度，从而适应小空间不同位置零件表面的喷涂角度。但是焰流在经过拉瓦尔喷嘴喉部后，速度提升到超音速，根据跨音速流体运动原理，球形喷嘴的小出口会降低出口焰流速度，并且球形喷嘴内壁也会阻碍焰流，降低焰流速度，从而影响涂层质量。如果喷涂粉末是一些硬质粉末，球形喷嘴的磨损会很严重。另外喷涂一个内表面，枪撤出来，调整一个枪口角度，再进枪喷涂另一个内表面，这样工作效率不太符合高效率工程要求。因此该实用新型不能解决实际复杂狭小空间的超音速火焰热喷涂工程问题。目前对复杂狭小空间的高效、稳定的超音速火焰热喷涂问题解决方案还处于空缺状态，并且亟需解决。

发明内容

本发明要解决的实际问题是：复杂狭小空间表面超音速火焰热喷涂制备涂层的问题。提供一种狭小空间超音速火焰热喷涂自动喷枪及其热喷涂装置，通过创新的喷枪结构设计，缩小喷枪长度，并设计气体和液体的传输管路走向，缩减整个装置所占的空间，增加装置可活动范围。通过对喷枪燃烧室到喷嘴结构的全新设计，实现喷枪焰流角度可自动调节的功能。

本发明通过以下技术方案实现：

一种狭小空间超音速火焰热喷涂自动喷枪，从内向外包括由依次连接的燃料雾化器、燃烧室、燃烧室喉部、扩张连接器、喷枪管、枪管调整器构成的基于拉瓦尔喷嘴原理的核心单元、水冷套以及喷枪外套，在燃烧室内设置有陶瓷片，煤油和高压氧气经燃料雾化器混合雾化后经陶瓷片进入燃烧室，送粉针及点火针经陶瓷片将粉末送入燃烧室并点火实现超音速火焰热喷涂，所述核心单元中燃烧室喉部、扩张连接器、喷枪管、枪管调整器固连为一体，可由传动装置调控相对于燃烧室自由转动从而控制喷涂方向。

所述的燃料雾化器整体是一个圆环形结构，内部有两个通道，一个通道通入高压氧气，一个通道通入燃料，然后两通道汇聚在一起，高压氧气气流会使燃料雾化，从内环喷出。进一步地，燃料雾化器与燃烧室侧面螺纹密封连接。

所述的燃烧室形状分为三部分，从尾部开始，先是燃烧段，为圆柱形，之后为汇聚段，呈圆锥形，最后也为汇聚段，但呈球面汇聚。进一步地，燃烧室尾部外侧面有一段螺纹，用于燃料雾化器、水冷套和/喷枪外套的固定；内侧面有一个圆环形小台阶，作用是对陶瓷片进行限位。

所述的陶瓷片是一种耐高温多孔陶瓷片，作为一种高温触媒可催化燃烧。进一步地，陶瓷片开有装配送粉针的通孔，开有装配点火针的通孔，另开有很多小孔，使雾化的液体燃料和氧气混合物均匀的传输到燃烧室内。进一步地，陶瓷片通过燃料雾化器和燃烧室内小凸台配合压紧固定。

所述的燃烧室喉部结构分为两部分，一部分为球形汇聚结构，该部分与燃烧室的球面汇聚段同球心紧密接触密封，形成一种“球阀结构”，可进行任意方向的活动；另一部分为圆柱形状，此部分内火焰通道最小，是整个拉瓦尔喷嘴原理的喉部位置。

所述的扩张连接器为圆台形状的通孔结构，通孔小头与燃烧室喉部的通过螺钉紧固，采用耐高温密封圈密封；通孔大头与喷枪管通过螺钉紧固，采用耐高温密封圈密封。进一步地，所述的扩张连接器作用是对跨音速焰流进一步加速。

所述的喷枪管结构采用常用的圆柱形枪管，喷枪管出口与枪管调整器紧密接触，采用耐高温密封圈密封。

所述的枪管调整器的表面采用球形，该球形的球心与燃烧室喉部汇聚段的球形球心位置在同一点，两者联动时，保证枪管调整器转动角度与燃烧室喉部的转动角度相等。进一步地，枪管调整器上钻有一通孔，该通孔与喷枪管紧密配合，耐高温密封圈密封。进一步地，枪管调整器与水冷套的头端形成球阀密封结构。

所述水冷套与核心单元之间形成密闭空间，作为进水通道，所述喷枪外套与水冷套之间形成密闭空间，作为回水通道，进水通道及回水通道通过水冷套头端的开孔连通，在水冷套侧壁上开有进水口，在喷枪外套上开有出水口。进一步的，水冷套包括枪管水冷套和燃烧室水冷套，枪管水冷套与燃烧室水冷套通过螺纹连接，密封圈密封；所述的燃烧室水冷套与燃烧室螺纹连接，密封圈密封，形成的空间为进水通道，所述的喷枪外套包括枪体套和枪管外套，所述的枪体套与燃烧室水冷套螺纹连接，密封圈密封，所述的枪管外套与枪体套螺纹连接，密封圈密封，它们形成的空间为回水通道。所述的枪管水冷套上开有通孔，该通孔使进水通道和回水通道连通。所述的进水口和出水口是从枪管水冷套与燃烧室水冷套侧面钻孔形成的。

所述的喷枪外套包括枪体后盖，其与燃料雾化器的侧面螺纹连接，密封圈密封。进一步地，枪体后盖端面钻有放置送粉针和点火针螺纹孔，并采用密封圈密封；所述的枪体后盖的侧面钻有氧气进气口和燃料进料口螺纹通孔，与燃料雾化器的氧气进气口和燃料进料口同轴对应，螺纹相同，使得能通过螺纹转接头连接上氧气进气管和燃料进料管。所述送粉针穿过枪体后盖和陶瓷片的轴心，与枪体后盖螺纹连接，密封圈密封，与陶瓷片轴心通孔接触，采用耐高温密封圈密封。所述的送粉针弯头与送粉针尾部螺纹连接，作用是改变送粉管的布置方向。

所述的传动装置一端与微型电机连接，一端与枪管调整器连接，作用是使枪管调整器转动一定角度，从而带动枪管转动相同的角度。进一步地，传动装置主要包括齿条，转动齿轮和转动杆，传动装置一端固定连接枪管调整器，一端直接或间接连接齿条，齿条与转动齿轮配合，转动齿轮安装在转动杆上，转动杆安装在微型电机的转动轴上。进一步地，微型电机带动转动杆转动，带动转动齿轮转动，转动齿轮通过与齿条的配合，通过微型电机的转动的精确控制，从而控制齿条的移动速度和距离，从而控制枪管调整器的转动角度和速度。

所述喷枪还包括L形中空枪架、机械手、及集成控制柜，L形中空枪架一端与喷枪外套固定连接，另一端固定于所述的机械手上；内部用于各种管道和线路穿过；所述集成控制柜用于对机械手、喷枪和传动装置的联动控制，从而可实现在狭小空间的喷涂，尤其是可以通过喷枪角度调整、机器手转动，共同实现全方位喷涂，可使喷枪用最小的位置角度变化，自动喷涂狭小空间的所有面。此外，所述喷枪配备商用的送粉器、冷水机即可形成成套的热喷涂装置。

本发明的工作过程：

1.根据复杂狭小空间的形状，编写好机械手和所述传动装置的联动运动轨迹程序。

2.通过集成控制柜控制通入冷却水和送粉气，然后通入高压氧气和燃料，经过燃料雾化器混合雾化后，喷入内部空间，雾化混合物经过多孔耐高温陶瓷片均匀进入燃烧室。

3.控制点火针点火，使混合物在燃烧室充分燃烧，造成高温高压气流，并经过圆锥汇聚段和球形汇聚段进一步提升火焰速度，经过燃烧室喉部，使火焰成为跨音速火焰；通过扩张连接器和枪管进一步提升超音速火焰的马赫数，从枪管喷出；通过集成控制柜调整送粉量，并从燃烧室轴心送入喷涂粉末，粉末经过火焰的加热和加速，形成熔融的超音速焰流从枪口喷出。

4.执行机械手和传动装置程序，程序表现为：机械手通过L形中空枪架将喷枪移置狭小空间的合适喷涂位置，对容易施工的面进行喷涂，过程中遇到机械手不好调整的喷涂角度，通过喷枪的传动装置调整枪管调整器，来同步调整燃烧室喉部、扩张连接器和枪管的角度，即调整焰流的角度，通过焰流角度的精确微调完成狭小空间复杂面的一次喷涂。

5.一次喷涂完成，控制喷枪退出狭小空间，停止送粉并关枪，等待下一遍喷涂。

本发明的有益效果是：

本发明全新设计了超音速热喷涂喷枪中氧气和燃料的雾化和经过的路径，以及喷枪的水冷结构和路径，减少了喷枪的长度，并使喷枪结构更加紧凑。设计创新的可动燃烧室喉部、扩张连接器、枪管、枪管调整器、传动装置和微型电机组成的系统，实现喷枪自动改变喷射方向的功能。提供了复杂狭小空间表面超音速火焰热喷涂的解决方案，实现多面一次自动喷涂的功能，免去多面分多次喷涂的工艺，极大提升了涂层制备的统一性和喷涂效率。

附图说明

图1.一种狭小空间超音速火焰热喷涂自动喷枪及其装置示意图；

图2.一种狭小空间超音速火焰热喷涂自动喷枪及其装置局部示意图；

图3.一种狭小空间超音速火焰热喷涂自动喷枪的燃料雾化器结构示意图；

图4.一种狭小空间超音速火焰热喷涂自动喷枪的燃烧室示意图；

图5.一种狭小空间超音速火焰热喷涂自动喷枪的燃烧室喉部示意图；

图6.一种狭小空间超音速火焰热喷涂自动喷枪的传动装置示意图；

图中：1-枪体后盖，2-燃料雾化器，3-陶瓷片，4-进水通道，5-燃烧室水冷套，6-回水通道，7-枪体套，8-燃烧室，9-燃烧室喉部，10-扩张连接器，11-进回水连通口，12-喷枪管，13-枪管调整器，14-枪管水冷套，15-枪管外套，16-传动装置，17-微型电机，18-L形中空枪架，19-出水口，20-进水口，21-氧气进口，22-燃烧进口，23-点火针，24-送粉弯头，25-送粉针，26-机械手，27-集成控制柜，81-圆柱燃烧段，82-圆锥汇聚段，83-球面汇聚段，161-连接杆，162-齿条，163-转动齿轮，164-转动杆。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施案例作进一步地阐述

参照图1和图2,展示了一种适用于复杂狭小空间超音速火焰热喷涂自动喷枪及其装置，其中

枪体后盖1与燃料雾化器2的侧面螺纹连接，密封圈密封。进一步地，枪体后盖1端面钻有放置送粉针25和点火针23的螺纹孔，并采用密封圈密封；枪体后盖1的侧面钻有氧气进气口21和燃料进口22的螺纹通孔，与燃料雾化器2的氧气进口21和燃料进口22同轴对应，螺纹相同，使得能通过螺纹转接头连接上氧气进气管和煤油供油管。

燃料雾化器2整体是一个圆环形结构，具体参照图3，侧面钻有两个进口，内部有两个通道，一个通道从氧气进口21接入高压氧气，一个通道从燃料进口22接入煤油供油管，然后两通道汇聚在一起，高压氧气气流会使燃料雾化，从内环喷出。进一步地，燃料雾化器2与燃烧室8侧面螺纹密封连接。

燃烧室8形状分为三部分，具体参照图4，从尾部开始，先是圆柱燃烧段81，之后为圆锥汇聚段82，最后是球面汇聚83。进一步地，燃烧室尾部外侧面有一段螺纹，用于连接燃料雾化器2、燃烧室水冷套5和枪体套7的连接；内侧面有一个圆环形小台阶，作用是对陶瓷片3进行限位。

陶瓷片3是一种耐高温多孔陶瓷片，作为一种高温触媒可催化燃烧。进一步地，陶瓷片3在轴心处开有装配送粉针25的通孔，开有装配点火针23的通孔，另开有很多小孔，使雾化的煤油和氧气混合物均匀的传输到燃烧室内。进一步地，陶瓷片通过燃料雾化器2和燃烧室8内小凸台配合压紧固定。

燃烧室喉部9结构分为两部分，具体参照图5，一部分为球形汇聚段91，该部分与燃烧室的球面汇聚段83同球心紧密接触密封，形成一种“球阀结构”，可进行任意方向的活动；另一部分为汇聚最小段92，此部分内火焰通道最小，是整个拉瓦尔喷嘴原理的喉部位置。

扩张连接器10呈现圆台形状结构，通孔小头与燃烧室喉部的通过螺钉紧固，采用耐高温密封圈密封；通孔大头与喷枪管通过螺钉紧固，采用耐高温密封圈密封。扩张连接器10作用是对跨音速焰流进一步加速。

喷枪管12结构采用常用的圆柱形枪管，喷枪管12出口与枪管调整器13紧密接触，采用耐高温密封圈密封。

枪管调整器13的表面采用球形，该球形的球心与燃烧室喉部9的球形汇聚段91的球心位置在同一点，两者联动时，保证枪管调整器13转动角度与燃烧室喉部9的转动角度相等。进一步地，枪管调整器13轴心处钻有一孔，该孔与喷枪管12紧密配合，耐高温密封圈密封。进一步地，枪管调整器13与枪管水冷套14的球形段也形成上述的“球阀”密封结构。

枪管水冷套14与燃烧室水冷套5通过螺纹连接，密封圈密封；燃烧室水冷套5与燃烧室8螺纹连接，密封圈密封，形成的空间为进水通道4。进一步地，枪管水冷套14上开有通孔，该通孔使进水通道4和回水通道6连通。枪体套7与燃烧室水冷套5螺纹连接，密封圈密封，枪管外套15与枪体套7螺纹连接，密封圈密封，它们形成的空间为回水通道6。

出水口19和进水口20是从枪管水冷套14与燃烧室水冷套5侧面钻孔形成的。

送粉针25穿过枪体后盖1和陶瓷片3的轴心，与枪体后盖1螺纹连接，密封圈密封，与陶瓷片3轴心通孔接触，采用耐高温密封圈密封。送粉弯头24与送粉针25尾部螺纹连接，作用是改变送粉管的布置方向。

传动装置16一端与微型电机17连接，一端与枪管调整器13连接，作用是使枪管调整器13自动转动一定角度，来带动枪管12转动相同的角度。进一步地，参照图6，传动装置16主要由连接杆161，齿条162，转动齿轮163和转动杆164四部分组成，连接杆161一端固定连接枪管调整器13，一端连接齿条162，齿条162与转动齿轮163配合，转动齿轮163安装在转动杆164上，转动杆164安装在微型电机17的转动轴上。微型电机17带动转动杆164转动，带动转动齿轮163转动，转动齿轮163通过与齿条162的配合，通过微型电机17的转动的精确控制，来控制齿条162的移动速度和距离，从而控制枪管调整器13的转动角度和速度。传动装置16可以设置两个，使枪管调整器13可进行二维内任意角度的调整。

L形中空枪架18，一端与枪体套7采用螺钉固定连接，一端通过螺钉固定于机械手26上；可将氧气管，送粉管，燃料管，水冷管，高压点火线，伸缩动力装置电线从内部经过，达到保护管路的作用；同时便于将喷枪伸入狭小空间中。

集成控制柜27接入氧气管，送粉管，燃料管，水冷管，高压点火线，伸缩动力装置控制线，集中统一控制和调节，特别是机械手26和枪管调整器13的联动控制，使喷枪用最小的位置角度变化，自动喷涂狭小空间的复杂面。

工作时：1.根据复杂狭小空间的形状，编写好机械手26和传动装置16的联动运动轨迹程序。

2.通过集成控制柜27控制通入冷却水和送粉气，冷却水充满进水通道4和回水通道6，对枪体进行冷却，然后先后通入高压氧气和燃料，经过燃料雾化器2混合雾化后，喷入内部空间，雾化混合物经过多孔耐高温陶瓷片3均匀进入燃烧室。

3.控制点火针23点火，使混合物在燃烧室8充分燃烧，造成高温高压气流，并经过圆锥汇聚段82和球形汇聚段83进一步提升火焰速度，经过燃烧室喉部9，使火焰成为跨音速火焰；通过扩张连接器10和喷枪管12进一步提升超音速火焰的马赫数，从喷枪管12喷出；通过集成控制柜27调整送粉量，并从燃烧室8轴心送入喷涂粉末，粉末经过火焰的加热和加速，形成熔融的超音速焰流从枪口喷出。

4.执行机械手26和传动装置16程序，程序表现为：机械手26通过L形中空枪架18将喷枪移置狭小空间的合适喷涂位置，对容易施工的面进行喷涂，过程中遇到机械手26不好调整的喷涂角度，通过喷枪的传动装置16调整枪管调整器13，来同步调整燃烧室喉部9、扩张连接器10和枪管12的角度，即调整焰流的角度，通过焰流角度的精确微调完成狭小空间复杂面的一次喷涂。

5.一次喷涂完成，控制喷枪退出狭小空间，停止送粉并关枪，等待下一遍喷涂。

Claims (6)

1.一种狭小空间超音速火焰热喷涂自动喷枪，其特征在于，从内向外包括由依次连接的燃料雾化器、燃烧室、燃烧室喉部、扩张连接器、喷枪管、枪管调整器构成的基于拉瓦尔喷嘴原理的核心单元、水冷套以及喷枪外套，在燃烧室内设置有陶瓷片，煤油和高压氧气经燃料雾化器混合雾化后经陶瓷片进入燃烧室，送粉针及点火针经陶瓷片将粉末送入燃烧室并点火实现超音速火焰热喷涂，所述核心单元中燃烧室喉部、扩张连接器、喷枪管、枪管调整器固连为一体，可由传动装置调控相对于燃烧室自由转动从而控制喷涂方向；

所述的燃烧室喉部包括固连为一体的球形汇聚部分及圆柱 部分，球形汇聚部分设置在燃烧室的球面汇聚的汇聚段内侧且二者同球心紧密接触，形成一种“球阀结构”，可进行任意方向的活动；所述圆柱部分为整个核心单元中火焰通道最小处，即构成拉瓦尔喷嘴原理的喉部位置；

所述扩张连接器为圆台形状的通孔结构，通孔小头与燃烧室喉部紧固并密封，通孔大头与喷枪管紧固并密封；所述的喷枪管为圆柱形枪管；

所述的枪管调整器为球面结构，其球面的球心与燃烧室喉部球形汇聚部分的球面球心位置在同一点，枪管调整器上开有通孔，该通孔与喷枪管紧固并密封，枪管调整器设置在所述水冷套的端部内侧且二者形成球阀密封结构；

所述的传动装置包括齿条，转动齿轮和转动杆，转动杆一端与微型电机连接，另一端穿过喷枪外套、水冷套与转动齿轮固定，转动齿轮与齿条配合，齿条直接或间接与枪管调整器连接。

2.根据权利要求1所述的狭小空间超音速火焰热喷涂自动喷枪，其特征在于，所述的燃料雾化器为圆环形结构，其由外环向内环开设有两个通道，一个通道用于通入高压氧气，一个通道用于通入燃料，且两个通道最终汇聚在一起从而将高压氧气气流与燃料混合雾化，从内环喷出。

3.根据权利要求1所述的狭小空间超音速火焰热喷涂自动喷枪，其特征在于，所述的燃烧室从尾部向喷枪头部依次包括圆筒形的燃烧段、圆锥形的汇聚段、呈球面汇聚的汇聚段，燃烧室尾部外侧设有螺纹，用于与燃料雾化器、水冷套和/或喷枪外套螺纹固定；燃烧室尾部内侧设有一限位凸起，陶瓷片一端与限位凸起紧靠，另一端与燃料雾化器紧靠。

4.根据权利要求1所述的狭小空间超音速火焰热喷涂自动喷枪，其特征在于，所述水冷套与核心单元之间形成密闭空间，作为进水通道，所述喷枪外套与水冷套之间形成密闭空间，作为回水通道，进水通道及回水通道通过水冷套头端的开孔连通，在水冷套侧壁上开有进水口，在喷枪外套上开有出水口。

5.根据权利要求1所述的狭小空间超音速火焰热喷涂自动喷枪，其特征在于，所述喷枪外套包括枪体后盖，枪体后盖与燃料雾化器的圆环外壁螺纹连接并密封，且枪体后盖侧壁上与燃料雾化器的燃料入口处同轴对应开设燃料入口，枪体后盖端面上钻有放置送粉针和点火针螺纹孔，并采用密封圈密封；所述送粉针穿过枪体后盖和陶瓷片的轴心伸入燃烧室内，送粉针尾部螺纹连接送粉针弯头，点火针穿过枪体后盖和陶瓷片伸入燃烧室内，陶瓷片上均匀开有若干小孔，用于使雾化的燃料均匀传输到燃烧室内。

6.根据权利要求1所述的狭小空间超音速火焰热喷涂自动喷枪，其特征在于，所述喷枪还包括L形中空枪架、机械手、及集成控制柜，L形中空枪架一端与喷枪外套固定连接，另一端固定于所述的机械手上；内部用于各种管道和线路穿过；所述集成控制柜用于对机械手、喷枪和传动装置的联动控制，从而实现在狭小空间中的喷涂。

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