CN2411260Y - 低功率高效率等离子喷涂装置 - Google Patents

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本实用新型提供了一种喷涂金属、金属氧化物、金属炭化物、陶瓷和塑料等粉末材料用等离子喷涂装置。采用枪内送粉、直流电源和气体流量控制合为一体的控制技术。该装置的特征是电能消耗功率低在1.5～13kW之间,其喷涂能力相当于与40kW外送粉等离子喷涂,该装置为可移动型,能够现场作业和内孔喷涂。

Description

低功率高效率等离子喷涂装置
本实用新型提供了一种喷涂金属、金属氧化物、金属炭化物、陶瓷和塑料等粉末材料用等离子喷涂装置。
等离子喷涂是利用电能将氩气、氢气和氮气等气体转化为高温等离子体，其温度高达16000度以上，可以喷涂金属、金属氧化物以及塑料等粉末。等离子喷涂枪的内部结构决定着喷涂涂层的质量。目前市场上使用的等离子喷涂设备大都为40～200kW耗电量的设备。为了保持喷涂的安定性，大多采用从喷嘴的外部与等离子体流方向垂直把粉末添加到等离子体中。高温等离子体从喷嘴喷出后，受空气的影响温度急剧下降，用于加热粉末的热能仅为全体消耗电量的1/5～1/4，其余的大部分热量被水强制冷却或释放到周围空气中造成能量的白白浪费，粉末的外部添加要求产生等离子的电功率很大。因此电源供给和气体流量控制为独立的两部分，不易移动。此外，由于粉末的添加方向与等离子体喷出方向垂直，粉末喷涂后，沉积在工件表面的付着率很低只有40～60％，造成粉末的浪费。为了提高喷涂效率，美国专利4127760在喷嘴侧面开设了垂直送粉孔，将粉末垂直送到喷嘴的内孔，增加了喷涂效率，但是这种设备长期工作时常常造成粉末在喷嘴内孔堆积睹塞，影响喷涂层质量。另外，由于耗电功率大，喷涂时对被喷涂工件的热冲击也大，使工件表面高温氧化，或者产生内部热应力，造成工件变形。为了减少大功率等离子喷涂时对被喷涂工件的热冲击，要求喷枪喷嘴出口到被喷涂工件表面的距离大于150mm，而喷涂距离的增加又造成金属粉末在喷涂过程中的高温氧化引起涂层质量下降。除此之外，当喷涂圆孔型工件的内表面时，由于散热效果低，对被喷涂工件的热冲击较大。
本实用新型的目的在于提供一种低耗电量、高喷涂效率、能够现场喷涂的小型等离子喷涂装置。
实现这一目的的关键是等离子喷涂枪的内部结构设计和相应的电源供给、气体控制装置的匹配。本实用新型首先从喷枪的内部结构设计着手，为了使粉末和产生等离子用气体一同添加在阴极钨棒(2)和阳极喷嘴(3)之间，充分利用电弧等离子的热效应，使粉末在喷嘴内加热、加速，降低电能量的消耗。最佳的设计阴极钨棒(2)与阳极喷嘴(3)的几何形状，确定阴极钨棒(2)的外径为2-8mm，阳极喷嘴(3)内径为2-8mm，在阴极钨棒(2)的外围设置陶瓷保护管(4)，形成供气与供粉的通道，用来限定气体和粉末的流速，这样使通过阳极喷嘴内孔的粉末能够融化并且具有较高的速度，又能避免粉末在喷嘴内部的堆积，提高了喷涂层的质量。为了达到最佳喷涂状态，有必要调节阴极钨棒的位置，因此，本实用新型采用将阴极钨棒置于铜阴极(6)中，通过调节固定螺钉(1)达到调节阴极钨棒(2)前后移动的目的。为了提高喷涂层质量在喷嘴外盖(8)与喷嘴(3)之间设置了一个0.3～0.8mm的环状间隙，空气或者氮气等冷却气体从间隙中喷出，在等离子体外部与等离子体呈同一方向喷到工件表面。绝缘外壳(5)和金属体外壳(7)是为了绝缘和导热、导电的需要而使用的。通过以上的结构设计可使该等离子喷涂装置的电能消耗控制在1.5-13kW(根据粉末的不同有变化)，就能够喷涂包括难溶陶瓷粉末在内的所有喷涂粉末，并且，喷涂效率等于或者高于现行的40kW等离子喷涂设备。由于缩短了等离子体出口到被喷涂工件表面的距离，有利于防止粉末喷涂过程中的氧化。另外，由于阴极可移动，因此阴极钨棒的损耗部分可通过调节钨棒的位置恢复原位而不必更换新钨棒从而降低了成本。由于喷枪的长度尺寸小于130mm，可以以垂直方向喷涂直径大于140mm的内孔。另外，该装置的直流电源供给和气体控制为一体化，体积小于1700×700×500mm。
表1为本实用新型与其他等离子喷涂设备的参数比较。从中可以看出本实用新型等离子设备的电能消耗只有1.5～13kW，它的喷涂有效率和喷涂层质量却高于40kW等离子喷涂设备的效果。本实用新型设备经喷涂实验，连续喷涂Cr2O3和金属粉末2小时没有发生质量问题。表2为喷涂Cr2O3，Al2O3和Ni-Cr合金的喷涂层性能。表1.本实用新型与其他等离子喷涂设备比较参数
项  目   比较例1     比较例2      本发明
消耗电功率     40kW     40-80kW     1.5～13kW
喷涂有效率   40～60％     50～70％     60～80％
送粉形式 外部送粉 侧面内部送粉 X方向内部送粉
喷涂送粉量 高温合金Cr2O3ZrO2  70g/min38.3g/min90g/min 50～80g/min60～70g/min100～110g/min   35～40g/min50～60g/min90～100g/min
喷涂枪尺寸 φ 60×150mm φ90×140mm   95×42×50mm
使用气体 Ar，H2，N2，He Ar，H2，He   Ar，N2，H2，He
表2部分材料的喷涂性能
粉末名称 使用功率 送粉量 涂层气孔率   硬度
Cr2O3  5-7kW  55g/min     2.5％ 1400kg/mm2
Al2O3  5-7kW  46g/min     2.0％ 950kg/mm2
Ni-Cr  2-3kW  40g/min     1.0％ 360kg/mm2
图1是根据本实用新型提出的等离子喷枪的剖面图。该喷枪由绝缘外壳(5)、金属体外壳(7)、阳极喷嘴(3)、铜阴极(6)、阴极钨棒(2)及陶瓷保护管(4)构成，其特征在于阴极钨棒(2)前部与其外围的陶瓷保护管(4)之间有供通气与供粉的通道，阴极钨棒(2)与阳极喷嘴(3)轴向间隙对置，喷嘴外盖(8)与阳极喷嘴(3)之间有一个宽0.3～0.8mm的环状间隙，置于铜阴极(6)中的阴极钨棒(2)后部有调节阴极钨棒(2)前后移动与固定的固定螺钉(1)，喷枪长度方向尺寸小于130mm。粉末和气体进入喷枪内部后，通过陶瓷保护管(4)之间的通道加速，进一步通过在阳极喷嘴(3)和阴极钨棒(2)的间隙处产生等离子，粉末被加热后从阳极喷嘴(3)喷出。图中的固定阴极钨棒的螺钉(1)是为了调节阴极钨棒(2)和阳极喷嘴(3)的间隙而设置的。喷嘴外盖(8)与阳极喷嘴(3)之间的环状间隙，喷涂中空气或者氮气等冷却气体从间隙喷出，在等离子体外部与等离子体呈同一方向喷到工件表面，达到冷却工件表面的目的。
实现本实用新型的最好方式在于上述喷枪内部零件的组合。为了降低电能消耗，有必要采用内送粉，使粉末和产生等离子用气体一同添加在阴极钨棒(2)和阳极喷嘴(3)之间。同时为了避免融化粉末在喷嘴内沉积，应最佳的设计阴极钨棒(2)与阳极喷嘴(3)的几何形状，本实用新型最好阴极钨棒(2)的外径为3～8mm，长度为45mm，阳极喷嘴(3)内径为3～8mm。保护管(4)用来限定气体和粉末的流速，这样使通过阳极喷嘴内孔的粉末能够融化并且具有较高的速度，避免粉末在喷嘴内部的堆积。此外，为了能够调节阴极钨棒的位置，使阴极钨棒置于铜阴极(6)中，通过调节固定螺丝(1)改变阴极钨棒(2)的位置，使之达到最佳的输出功率状态(根据粉末不同有变化)。绝缘外壳(5)和金属体外壳(7)是为了绝缘和导热、导电的需要而使用的。为了喷涂内孔应尽量减小喷枪长度方向的尺寸，但是长度越小设计越困难。作为本发明的一例，长度为95mm。

Claims (3)

1.一种低功率高效率等离子喷涂装置，由内送粉式喷枪，直流电源供给和气体流量控制为一体的控制柜，水冷却装置和粉末供给器组成，该装置喷涂中电能消耗在1.5～13kW之间。
2.根据权利要求1所述的喷涂装置，其特征是喷枪由铜阴极(6)，阴极钨棒(2)，阳极喷嘴(3)，陶瓷保护管(4)，绝缘外壳(5)，金属体外壳(7)，及喷嘴外盖(8)构成，阴极钨棒(2)前部与其外围的陶瓷保护管(4)之间有供通气与供粉的通道，阴极钨棒(2)与阳极喷嘴(3)轴向间隙对置，阴极钨棒(2)的直径为2～8mm，阳极喷嘴(3)内孔直径为2～8mm，喷嘴外盖(8)与阳极喷嘴(3)之间设有一个宽0.3～0.8mm的环状间隙，置于铜阴极(6)中的阴极钨棒(2)后部有调节阴极钨棒(2)前后移动与固定的固定螺钉(1)，喷枪长度方向尺寸小于130mm。
3.根据权利要求1所述的喷涂装置，其特征是直流电源供给和气体流量控制为一体的控制柜，其中气体流量控制为质量流量控制或者压力流量控制。
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