CN115627437B - 一种在小直径管道内表面制备金属涂层的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料表面处理装置领域，提供了一种在小直径管道内表面制备金属涂层的装置，该装置包括支撑管和固定在支撑管前端的工作台，工作台底部通过喷嘴支架连接有倾斜的焊枪喷嘴，工作台上固定有微型马达，微型马达的转轴上连接有齿轮，焊枪喷嘴外侧设置有与齿轮啮合的外套；还包括设置在支撑管外的焊机和支架。采用这种结构的装置，可利用电弧熔化丝材产生液态金属，在焊枪喷嘴内利用外套旋转的离心作用，结合自身重力以及保护气吹力将液态金属甩至待涂覆管道内壁形成涂层，涂层与管道内壁为机械结合和微冶金结合共同作用，从而解决小直径管道内壁无法进行常规电弧喷涂，而电弧堆焊无法制备与管材缺乏冶金相容性的金属功能层的难题。
Description
技术领域
本发明属于金属材料表面处理装置领域，提供了一种在小直径管道内表面制备金属涂层的装置。
背景技术
众多金属涂层如铝、锌及其合金等，对钢结构具有优良的防护效果，但是很多金属与钢冶金相容性差，不适合采用熔覆方法进行制备。电弧喷涂是以电能作为热源，两根喷涂材料金属丝为自耗性电极，利用电极端部产生的电弧热能使其熔化，同时用压缩气流雾化后喷射到基体的热喷涂方法，可形成各种耐磨、耐蚀、抗氧化等功能涂层，涂层与基体之间为机械结合和微冶金结合共同作用，涂层材料不受其与基体冶金相容性的限制。不过常规电弧喷涂中高速气流与空气摩擦会产生很大噪声污染，同时设备在小直径管道施工难以保证涂层质量。至今，在小直径管道内壁制备金属喷涂层仍存在诸多难点。
电弧喷涂涂层的质量与被喷涂金属在基体表面的扁平化程度密切相关。受电弧热作用形成的熔滴，在到达基体表面时的微粒速度越快、变形能力越强，这就导致微粒冲撞基体时的扁平化程度越大，形成的涂层质量越好。常规电弧喷涂时，有压缩空气作用，自耗性电极端部的熔滴被压缩气流雾化和加速，而随飞行距离的增加，熔滴的速度先增后降而其温度则迅速降低甚至凝固成颗粒。如果微粒在飞行速度最大且处于熔化或半熔化状态时正好到达被喷涂结构表面，则可得到最佳的微粒扁平化效果和涂层质量，因此电弧喷涂时要有一个合适的电弧能量、喷涂距离、气流速度匹配关系，而铝基涂层的最佳喷涂距离多在150～160mm之间，这个喷涂距离的要求使得常规电弧喷涂很难制备内径小于300mm的管道内壁涂层。去掉压缩空气驱动作用，使熔滴仅靠重力作用过渡，熔滴到达管道内壁时会因冲撞基体时的速度慢、熔滴可能已经凝固成固体微粒而无法实现扁平化以及涂层的良好成型，而且熔滴过渡频率低也降低了涂覆效率。至今，尚未见借助电弧喷涂原理，针对小直径管道内壁进行金属涂层制备的装置报道。
因此，能否提供一种适合小直径管道内表面金属涂层制备的装置成为本领域亟待解决的问题之一。
发明内容
本发明针对现有技术存在的诸多不足之处，提供了一种在小直径管道内表面制备金属涂层的装置，该装置包括支撑管和固定在支撑管前端的工作台，工作台底部通过喷嘴支架连接有倾斜的焊枪喷嘴，工作台上固定有微型马达，微型马达的转轴上连接有齿轮，焊枪喷嘴外侧设置有与齿轮啮合的外套；还包括设置在支撑管外的焊机和支架。采用这种结构的装置，可利用电弧熔化丝材产生液态金属，在焊枪喷嘴内利用外套旋转的离心作用，结合自身重力以及保护气吹力将液态金属甩至待涂覆管道内壁形成涂层，涂层与管道内壁为机械结合和微冶金结合共同作用，从而解决小直径管道内壁无法进行常规电弧喷涂，而电弧堆焊无法制备与管材缺乏冶金相容性的金属功能层的难题。
本发明的具体技术方案如下：
一种在小直径管道内表面制备金属涂层的装置，该装置包括支撑管和固定在支撑管前端的工作台，工作台底部通过喷嘴支架连接有倾斜的焊枪喷嘴，工作台上固定有微型马达，微型马达的转轴上连接有齿轮，焊枪喷嘴外侧设置有与齿轮啮合的外套；
上述焊枪采用电弧加热的方式，焊枪喷嘴包括中间套，中间套外侧套接有外套，中间套表面为抗高温自润滑陶瓷绝缘材料，可以确保外套在中间套外侧旋转，中间套尾部通过喷嘴支架固定连接在工作台底部，中间套内侧对称设置有一对导电块，导电块内固定连接有导丝管，导丝管的前端设置在外套内侧；中间套中心设置有保护气输送管；所述的微型马达通过电源线与外置电源及控制器直接连接，可以通过控制器调节转速。
优选的，导丝管10前端向靠近焊枪轴线的方向弯曲适当角度，使两金属丝15被送进至焊枪喷嘴前端时相距适宜距离，外套9与之相适配，再向前延伸一段与焊枪喷嘴轴线相平行，使熔滴在重力作用下滴落至焊枪喷嘴的前端平行段。
上述装置还包括设置在支撑管外的焊机和支架，其中支架为整个支撑管提供垂直方向的支撑，方便将整个装置送入小直径管道内侧，该支架可采用现有的各种形式支架，发明人不再赘述，在附图中也不再进行单独的标示。
所述的焊机为目前市售的电弧喷涂机，品牌和型号可任意选择，只需满足工作需要即可，焊机的电缆线通入支撑管内，并在支撑管前端穿出后与导电块连接，喷涂材料金属丝也通入支撑管内，并在支撑管前端穿出后进入导丝管；优选的所述金属丝通过送丝轮提供动力。
所述的焊枪喷嘴中心轴线与微型马达的转轴之间的夹角为30～60度，所述微型马达的转速范围为1200～2000rpm/min，喷嘴外套的转速为800～1600rpm/min，小直径管道的转速为40～60rpm/min。
采用上述结构的装置，首先将喷涂材料用的金属丝通过送丝轮逐次穿过支撑管并置于导丝管内，之后确保焊机的电缆线与导电块固定连接；之后即可将支撑管送入小直径管道内，并确保焊机喷嘴位于待涂覆的管道内壁位置，之后首先通过保护气输送管向焊机喷嘴内送入惰性气体，将整个焊机喷嘴及对应管道内的空气排出避免金属丝熔化后被氧化，确保惰性氛围后继续通入惰性气体，此时开启微型马达，微型马达的转轴带动齿轮转动，此时与齿轮啮合的外套开始旋转，而焊枪喷嘴并不随之旋转，此时开启焊机，导丝管内的金属丝在导电块和导丝管的作用下通电，金属丝的最前端产生电弧并在电弧热的作用下熔化为液态金属熔滴，该熔滴在重力作用下以液态滴落到外套的前端，由于外套此时是旋转状态，且焊枪喷嘴与管道内壁水平面呈一定的倾斜角度，此时的液态金属熔滴被从焊枪前端甩出，以螺旋形轨迹被甩至管道内壁，同时惰性气体的通入会实现对液态金属熔滴的进一步推进作用，因此可以通过控制外套的旋转速度以及惰性气体流量来调整液态金属熔滴的甩出距离，同时还可以通过调整焊机参数来调整液态金属熔滴的生成速度，通过上述调整即可实现对液态金属熔滴在管道内壁的涂覆情况的调整；为了使管道内壁能获得均匀的涂覆层，需要在小直径管道外侧设置旋转装置，带动小直径管道自身旋转，这样甩出的液态金属熔滴可以完整覆盖在管道内壁表面，同时可以通过调整管道自身旋转速度来控制涂覆层的厚度，降低管道自身旋转速度即可获得较厚的涂层，反之亦然；同时还可以通过控制支撑管的水平运动来配合获得更加均匀的涂覆层，确保管道内均能涂覆完全。
上述过程中，焊枪喷嘴的中间套尾部通过喷嘴支架固定连接在工作台底部，这可以确保中间套内侧的各个部件在工作过程中与工作台保持静止状态，同时确保只有外套自身的旋转，且这样可以保证金属丝持续的送入导丝管而不受到影响，这样获得的液态金属熔滴均匀性可以得到保证；通过上述手段液态金属熔滴具有更高的初速度，且由于焊枪喷嘴与管道内壁更近，使得该液态金属熔滴到达小直径管道内壁表面时的速度更快、运动距离更短，降温程度更低，且变形能力更强，这就导致液态金属熔滴冲撞管道内壁表面时的扁平化程度更大，形成的涂层质量更好，从而可以在小直径管道内壁获得更高品质的表面金属涂层，填补了本领域的空白。
本申请所采用的喷涂材料用的金属丝包括但不限于铝、锌及其他与钢冶金相容性差的金属，焊丝直径范围1.6～3.0mm，焊接电流范围120～500A，空载电压范围18～40V，惰性保护气体流量5～15L/min，送丝速度根据喷涂需要相应调节即可，本发明所针对的小直径管道内径为150～350mm。
常规电弧喷涂中高速气流与空气摩擦会产生很大噪声污染，噪声甚至高达120分贝，超出了噪声容许值，会对人体产生危害。而本申请提供的上述电弧喷涂装置，熔滴靠自身重力、离心力以及气流吹力的共同作用下从焊枪喷嘴甩出，气流吹力可适当降低，相应地可将噪声降低至80分贝，低于噪声容许值。
综上所述，采用本发明所述的结构装置，可利用电弧熔化丝材产生液态金属，在焊枪喷嘴内利用外套旋转的离心作用，结合自身重力以及保护气吹力将液态金属甩至待涂覆管道内壁形成涂层，涂层与管道内壁为机械结合和微冶金结合共同作用，从而解决小直径管道内壁无法进行常规电弧喷涂，而电弧堆焊无法制备与管材缺乏冶金相容性的金属功能层的难题，适用于制备内径小于350mm的管道内壁涂层。
附图说明
图1为本发明所述在小直径管道内表面制备金属涂层的装置的结构示意图；
图2为本发明所述焊机喷嘴的结构示意图；
图3为本发明所述装置工作状态下的结构示意图；
图4为实施例2获得的铝涂层截面图；
图5为熔滴仅靠重力过渡获得的铝涂层截面图；
由图4和5可知，本申请获得的铝涂层更加致密均匀，而仅靠重力过渡获得的涂层分布不均且孔隙率高。
具体实施方式
下面结合实施例来进一步说明本发明，可以使本领域技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明；
实施例1
如图1-2所示，一种在小直径管道内表面制备金属涂层的装置，该装置包括支撑管2和固定在支撑管2前端的工作台3，工作台3底部通过喷嘴支架5连接有倾斜的焊枪喷嘴6，工作台3上固定有微型马达4，微型马达4的转轴7上连接有齿轮8，焊枪喷嘴6外侧设置有与齿轮啮合的外套9；
上述焊枪喷嘴6包括中间套12，中间套12外侧套接有外套9，中间套12表面为抗高温自润滑陶瓷绝缘材料，可以确保外套在中间套外侧旋转，中间套12尾部通过喷嘴支架5固定连接在工作台3底部，中间套12内侧对称设置有一对导电块11，导电块11内固定连接有导丝管10，导丝管10的前端设置在外套9内侧；中间套12中心设置有保护气输送管16；所述的微型马达4通过电源线与外置电源及控制器直接连接，可以通过控制器调节转速。
本实施例中优选的导丝管10前端向靠近焊枪轴线的方向弯曲适当角度，使两金属丝15被送进至焊枪喷嘴前端时相距适宜距离，外套9与之相适配，再向前延伸一段与焊枪喷嘴轴线相平行，使熔滴在重力作用下滴落至焊枪喷嘴的前端平行段。
如图3所示，上述装置还包括设置在支撑管外的焊机13和支架，其中支架为整个支撑管提供垂直方向的支撑，方便将整个装置送入小直径管道内侧，该支架可采用现有的各种形式支架，发明人不再赘述；
所述的焊机13为目前市售的电弧喷涂机，举例但不限于三鑫SX-1080经济型电弧喷涂机，焊机13的电缆线14通入支撑管2内，并在支撑管2前端穿出后与导电块11连接，喷涂材料金属丝15也通入支撑管2内，并在支撑管2前端穿出后进入导丝管10；优选的所述金属丝15可通过送丝轮提供动力；送丝速度根据喷涂需要相应调节即可。
所述的焊枪喷嘴中心轴线与微型马达的转轴之间的夹角为30～60度，所述微型马达的转速范围为1200～2000rpm/min，那么喷嘴外套的转速为800～1600rpm/min，小直径管道的转速为40～60rpm/min。
实施例2
应用实施例1在小直径管道内表面制备金属涂层的方法，所述的金属涂层为铝涂层，所述小直径管道1内径为159.4mm，所采用的金属丝为直径为2mm的铝丝，所采用的惰性气体为氩气，其流量为12L/min；所述焊机的控制参数如下：焊接电流150A、电压32V；所述马达转速为1500rpm/min；所述的焊枪喷嘴中心轴线与微型马达的转轴之间的夹角为45度。
将小直径管道1设置在滚动装置17上，使其可以以固定的速度绕轴向定向旋转，转速为50rpm/min，所述的滚动装置为滚轮或其他现有的可以带动管道旋转的装置，具体涂覆过程如下：
首先将喷涂材料用的金属丝通过送丝轮逐次穿过支撑管并置于导丝管内，之后确保焊机的电缆线与导电块固定连接；之后即可将支撑管送入小直径管道内，并确保焊机喷嘴位于待涂覆的管道内壁位置，之后首先通过保护气输送管向焊机喷嘴内送入惰性气体，将整个焊机喷嘴及对应管道内的空气排出避免金属丝熔化后被氧化，确保惰性氛围后继续通入惰性气体；
此时开启微型马达，微型马达的转轴带动齿轮转动，此时与齿轮啮合的外套开始旋转，而焊枪喷嘴并不随之旋转，此时开启焊机，此时导丝管内的金属丝在导电块和导丝管的作用下通电，金属丝的最前端产生电弧并在电弧热的作用下熔化为液态金属熔滴，该熔滴在重力作用下以液态滴落到外套的前端，由于外套此时是旋转状态，且焊枪喷嘴与管道内壁水平面呈一定的倾斜角度，此时的液态金属熔滴被从焊枪前端甩出，以螺旋形轨迹被甩至管道内壁，同时惰性气体的通入会实现对液态金属熔滴的进一步推进作用，因此可以通过控制外套的旋转速度以及惰性气体流量来调整液态金属熔滴的甩出距离，同时还可以通过调整焊机参数来调整液态金属熔滴的生成速度，通过上述调整即可实现对液态金属熔滴在管道内壁的涂覆情况的调整；
滚动装置17带动小直径管道1自身旋转，这样甩出的液态金属熔滴可以均匀的覆盖在管道内壁表面，同时可以通过调整管道自身旋转速度来控制涂覆层的厚度，降低管道自身旋转速度即可获得较厚的涂层，反之亦然。同时还可以通过控制支撑管的水平运动来配合获得更加均匀的涂覆层，确保管道内均能涂覆完全。
通过上述过程获得的铝涂层截面图如图4所示，铝涂层中各熔滴的扁平化程度较高，那么所形成的铝涂层的均匀度和致密度较高，基本无孔洞及裂纹等缺陷，并且铝涂层与基体之间的机械结合和微冶金结合较好。
为了更好的进行比对，发明人还进行了比对实验，实验时关闭微型马达，液态金属熔滴仅靠自身重力作用滴落在管道表面获得铝涂层，截面结果如图5所示，熔滴的扁平化程度较低，铝涂层的致密性和均匀性下降，出现一些孔洞及裂纹等缺陷，并且与基体之间的结合较差。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围，以上实施案例的说明可用来帮助理解本发明的原理及方法。但是以上实施案例并不唯一，不应理解为对本发明的限制。同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明原理和方法，可在具体实施方式及应用范围上进行灵活的改变。
Claims (7)
1.一种在小直径管道内表面制备金属涂层的装置，其特征在于：包括支撑管(2)和固定在支撑管(2)前端的工作台(3)，工作台(3)底部通过喷嘴支架(5)连接有倾斜的焊枪喷嘴(6)，工作台(3)上固定有微型马达(4)，微型马达(4)的转轴(7)上连接有齿轮(8)，焊枪喷嘴(6)外侧设置有与齿轮啮合的外套(9)；
上述焊枪喷嘴(6)包括中间套(12)，中间套(12)外侧套接有外套(9)，且中间套(12)表面为抗高温自润滑陶瓷绝缘材料，中间套(12)尾部通过喷嘴支架(5)固定连接在工作台(3)底部，中间套(12)内侧对称设置有一对导电块(11)，导电块(11)内固定连接有导丝管(10)，导丝管(10)的前端设置在外套(9)内侧；中间套(12)中心设置有保护气输送管(16)；
还包括设置在支撑管外的焊机(13)，焊机(13)的电缆线(14)通入支撑管(2)内，并在支撑管(2)前端穿出后与导电块(11)连接，喷涂材料金属丝(15)也通入支撑管(2)内，并在支撑管(2)前端穿出后进入导丝管(10)；
所述导丝管(10)前端向靠近焊枪轴线的方向弯曲，外套(9)与之相适配；
所述管道内径为150～350mm。
2.根据权利要求1所述在小直径管道内表面制备金属涂层的装置，其特征在于：所述的微型马达(4)通过电源线与外置电源及控制器直接连接。
3.根据权利要求1所述在小直径管道内表面制备金属涂层的装置，其特征在于：所述的焊枪喷嘴(6)中心轴线与微型马达的转轴(7)之间的夹角为30～60度，所述微型马达的转速范围为1200～2000rpm/min。
4.根据权利要求1所述在小直径管道内表面制备金属涂层的装置，其特征在于：所采用的金属丝直径为1.6～3.0mm，所采用保护气为惰性气体，惰性气体为氩气，其流速为5～15L/min。
5.根据权利要求1所述在小直径管道内表面制备金属涂层的装置，其特征在于：外套(9)的转速为800～1600rpm/min，小直径管道(1)的转速为40～60rpm/min。
6.根据权利要求1所述在小直径管道内表面制备金属涂层的装置，其特征在于：所述金属丝(15)通过送丝轮提供动力。
7.根据权利要求1所述在小直径管道内表面制备金属涂层的装置，其特征在于：所述焊机的控制参数如下：电流范围为120～500A，空载电压18～40V。
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