CN87103360A - 具有可调径向和切向等离子气体流比的改进的等离子焰喷射枪的方法及装置 - Google Patents

Abstract

等离子枪有空心的、圆筒形的阳极喷管构件和在其中同轴配置的圆筒形阴极构件。两构件共同作用为形成等离子体的气体形成内部通道。在枪体内，通道一端包括邻近于阴极的环状进气腔。通道沿气体流方向前进，在阴极和阳极构件之间限定为环形空间，接着继续通过阳极喷管构件到达枪体外部。形成等离子体的气体通过各自的进口切向地和径向地引入进气腔。提供选择性地调节径向和切向引入的各自的气体量的装置可决定通过枪的气体涡流度。

Description

本发明涉及一种等离子枪装置以及其运用方法。通过改进等离子气体流的控制来提高效率。

等离子枪可特别使用于如热喷射那样的用途。热喷射涉及例如金属或陶瓷等热可熔材料的热软化，以及将软化材料以粒子的形状推射到要涂复的基片表面。热粒子撞到该表面上就粘结到那里。如等离子枪那样的常规的热射枪，既用来加热又用来推进粒子。在等离子喷射枪内，热可熔材料以粉状供给该枪，典型地由小粒子组成，例如低于每平方英寸100网眼数的美国标准筛筛孔大小至约5微米。

在典型的等离子装置中，电弧产生于水冷却喷管（阳极）与邻近配置的阴极之间。一种选用的惰性气体流经两电极之间并通过电弧后被电离并加热，就形成温度高达15，000℃的等离子体。在电极间的气体的运动有效地拉长了电弧，使更多的能量传递给电弧。由至少部分地电离的气体所组成的等离子体，从喷管射出，类似点燃的氧炔焰。

与本发明有关的通用类型的一种等离子“焰”喷射枪描述在1964年8月18日授给西宾（W.A.Siebein）等人的专利号为3，145，287、名为“等离子焰发生器和喷射枪”的美国专利中。这种类型的较新的枪结构在序号为646，734的美国专利申请中有揭示，该申请由狄拉西奥（Anthony    F.Dellassio）等人于1984年9月4日提出，申请的专利名称为“等离子喷射枪用的喷管组件”，已转让给与现在发明同一个受让人。现在的发明可以作为在西宾专利或狄拉西奥申请中所揭示的结构的变更来实行。

在这个时候，应当理解“径向”和“切向”是相对术语，正如在此使用的那样，“切向”不仅包括严格的切向流，而且也包括弦流，即具有有显著的切向分量的流。而且，使用的这些术语与等离子流径和/或者限定流径的结构例如孔或导管的轴线有关。

等离子枪习惯上能用氩或用氮作为主等离子气体来工作。对于氩来说，该气体以切向分量引入阴极附近的腔内，以便给予等离子体以涡流，这在例如专利号为3，823，302、名为“等离子喷射的装置和方法”的美国专利中有描述，该专利于1974年7月9日授给墨尔伯格（Muelberger）。那样做的理由是在不存在涡流情况下，电弧沿喷管携带得不够远（不能被气体流足够地拉长），这样就不会获得所要求的高电弧电压和高效率。

另一方面，在前述的美国专利3，145，287中所描述的径向气体流输入一般是用氮的，因为它较不容易电离，因涡流倾向于将电弧沿喷管延伸一个长距离，会导致电弧难以产生。

然而，如没有涡流，则对氮来说，电弧电压和效率是低的。因此，常将例如氢那样的辅助气体加给氮，具有易于起弧的效果，即使没有涡流也允许有效运行。氢在电弧起动后加入。控制氢辅助气体必然引起喷射运行复杂和花费大，也需要预防爆炸的特别措施。

甚至有涡流时，氩的效率亦是不合乎需要地低。在可能之处，氢再次利用作为添加物，但是，该气体由于其易燃性以及它会使喷射涂层脆裂，常常被认为不合乎要求的。氦是一种替代物，但是它是昂贵的和不太有效的。

一般地，每种等离子射枪是为一特定种类的形成等离子体的气体而造的，或具有径向进口，或具有切向进口。可以使用的任何一种气体的枪典型地有不同的气体分配环，这些环选择性地嵌在阴极附近，或提供径向流，或提供切向流;当变换气体时，就需要拆卸。几项尝试已经作出，以简化这种变换。美国专利3，313，908揭示了一种等离子焰炬，它具有给不同气体用的两种类型的气体进入口，利用两种外部气体导管接头中的任何一种，可择一地选择气体进入口。这种方法仍然需要改变那些枪接头，且没有提供涡流度的调节。

美国专利3，851，140号，名为“在基片上施加涂层的等离子喷射枪和方法”，于1974年11月26日授给考丘（Coucher），该专利显示了一种具有气体分配环的等离子喷射枪，该环具有枪的轴线倾斜的主开口以及径向定向的辅助开口。这两套进气开口同时地起作用。据认为该环控制气体流的变化，但是不改变环的话，决不会改变不同气体流;在运行期间，也决不会改变气体流的构造形式。

在1961年11月21日重新出版的突觊太（A.C.Ducati）等人的名为“关于增加基电极寿命的等离子流喷焰装置和方法”的美国再版专利Re.25，088中，描述了一种气体在两个轴向分开的位置上引入的等离子焰炬。在阴极附近，提供有一个径向源作为电弧和通过第一注孔从阴极区流出的有关的等离子体的部分。在第一注孔的大直径的下游的分开的腔区内，提供有切向气源。这些分开的进气源，在阴极邻区不提供进气控制，而且阳极和阴极分隔得那样宽，以致于电弧很难产生。这个问题很严重，以致电弧的产生必须通过瞬间地将例如一片石墨类的导体插到电极之间来达到。用这种电极分开的结构，就无法通过改变气体混合物或气体流特性来容易地产生电弧。

鉴于前述情况，现发明的目的是提供一种改进的等离子喷射方法与枪装置，该装置可以有效地单用氮气以涡流形式运行，它也不难起弧。

本发明的另一目的是提供一种易起弧的高效率氮气等离子焰喷射方法与喷枪装置，为了改良起弧特性，它避免了把氢或其他气体加给氮的需要。

本发明的进一步的目的和优点，从以下的描述和附图来看，是明显的。例如，本发明允许喷射枪使用氩，或使用氮，效率最佳，又使起弧容易。

为实现本发明，提供有一个等离子喷射枪，它具有一个圆筒形的阴极构件，以及一个与此同轴又从其分隔开的空心的圆筒形阳极喷管构件。该等离子枪有形成等离子体的气体用的内部通道，其一端延伸到枪的外部。通道的另一端（即内端）以邻近于阴极的环形进气腔起始，向着气流的方向（即下游）延伸，进入阴极构件与阳极构件之间的空间，从那里经过阳极喷管构件，直至枪身外部。等离子喷射方法包括通过各自的进口，径向地向内地及切向地将形成等离子体的气体引入进气腔，同时选择性地调节径向和切向引入的每种气体的各自的量，借此决定通过该枪的气体的涡流度。

图1是体现本发明的等离子喷射枪结构的侧视图，部分为剖面图。

图2是气体分配环的截面图，该环组成图1的等离子喷射枪的一个部分，它包括径向和切向进气口，该图示意地描绘了附加在所说进气口上的分开的调节器，这些调节器可分别地调节通过径向和切向进气口传送的气体量。

图3和图4是各自的运行曲线组，该曲线代表本发明的两种不同的运行方式，与利用氮氢结合的先前的运行方式作比较。

图5是一种图1和图2所示的气体分配环的变形的实施例的径向剖面。

参见附图，首先特别看图1，该图部分以剖面表示，描绘了实现本发明的一个焰喷射枪结构。这个枪结构由参考号10表示其整体，它可以包括柄把部分12（这里仅画出一部分）。枪的内部有一个阴极构件14，除了在其一端（朝气体流方向向前），是一个锥顶外;枪内部还有一个空心的阳极喷管构件16，它包含1个通孔17，其变化的外形和截面尺寸与阴极构件同轴。

如图所示，喷管构件孔17具有各自向外呈锥形的端部分18和20，以及一个圆筒形的中间部分22。锥端段20，是等离子焰发出处，在此后将称为孔17的向前端或外端，而漏斗形部分18则称为内端。孔17的内锥部分18的轴向长度实质上与阴极构件14的锥端15共同延伸。构件14上的锥度通常与孔17的内端18的锥度相互补，但前者的直径较小些，且同轴地在其中被容纳，这样就形成了一个环隙19，这个环隙的内外直径大小沿气体流方向（前向）减小。

在枪结构内，同轴地包围在阴极14的无锥度部分的，并与其有一径向距离的，是一个气体分配环28，它是由电绝缘材料制成的，用作阴极14和阳极16的绝缘，并形成一个环形进气腔24，该腔邻近环隙19的内端（大直径端）并与其有气流相通，从而对于通过孔17至喷管构件16的喷管外端的形成等离子体的气体形成了一个内部通道。

气体通过进气口（26为其中一个），再经过环28供给腔24，环28和腔24一起形成气体分配装置。

以下连系图2，更完全地进行描述。通过气体分配环28引入的形成等离子体的气体，要经过至少一个径向注孔和至少一个切向注孔。（图1中仅表示有一个径向注孔26）。

示意地表示的直流电弧发生器32通过通-断开关34接在阴极14与阳极16之间。通-断开关37与常规的高频、高压启动器35一起与电流发生器32并联，这在图中有类似地表示。当开关34闭合时，一直流电位施加于阴极14与阳极16之间;然后，当开关37闭合，瞬时地将启动器35输出迭加上去，流过环隙19的气体的电离激发等离子体的形成。

如图号30所示，在阳极喷管16的嘴边，提供有粉末注入喷管，以便为从阳极喷管16发出的等离子体引入一股气体携带的涂复粒子流。从阳极喷管16射出的等离子体吸收气体携带的涂复粒子，熔化或软化它们，将它们导向要涂复的表面。

因为，在等离子枪内部的基本热量是由电弧产生的，所以等离子枪的内部必须要冷却;这通常用例如水等冷却液经过枪的内部通道的循环来达到。因为该内部冷却通道的安排对理解本发明是不需要的，故而图中未加描绘。然而，应当理解到这些通道必须提供。适用的通道在有关的专利中，例如前述美国专利3，145，287和前述美国专利申请编号646，734中都有图示。

图2是通过气体分配环28的截面图，表示了径向进气注孔（26，26A）和切向进气注孔（36，36A），它们让形成等离子体的气体进入包围阴极14的腔24内;尽管单一径向进气口和单一切向进气口对于实现本发明是足够的，但最好有每种类型的多个进气口，从而在图2中，画出了每种类型的两个进气口。根据现在的发明，径向和切向进气口气体流必须可以分别地控制。在图2中示意地表示了达到这一要求的气源系统，该系统包括径向气体流线38和40，它们由从气源44出来，流过径向气流调节器42的气体来提供。同样地，气体流线46和48一起接到两个切向气体进气口36和36A，从气源44流出并经过切向气流调节器50来的提供气体。当然，如果提供给两个不同系统的气体是同样的话，气源44和52可以合并。

径向气流调节器42可以装有手动调整，在符号上由调整旋钮54表示。同样地，切向气流调节器50可以装有手动调整控制，符号上由调整旋钮56表示。

气流调节器42和50，可以由自动系统控制器62，通过在图上58和60所指出的连接，自动地进行控制。从而，可用手动调整，或由自动系统控制，各自的气体流可以相对于另一个进行调整，达到控制切向流对轴向流的比例，并根据涡流度来控制通过枪的气体比例。如果切向流相对于径向流增加时，涡流度就随之而增大。

为了提供从枪喷管出来的等离子“焰”的恒定的喷射，时常要求维持一个固定的气体总比率。从而，当切向流对径向流的比率改变时，常常要通过增加一种气流和减少另一种气流来达到维持同一总流。利用自动系统控制器62可以实现这一要求。

本发明运用的最有用的方式之一，在于获得容易起弧和高运行效率的结合。当把氮用为形成等离子体气体时，这个目的特别有用。氮作为形成等离子体的气体是所要的，因为它在化学性能上是惰性的，必然安全，特别地因为氮作为一种双原子气体，利用其分子分离和再结合的特性，具有传递热的潜力。然而，已经发现，在强气体涡流存在下，用氮难以起弧。起弧的这一困难明显地是伴随着涡流增加电弧路径有效长度的结果。然而，一旦起动后，为了获得从电弧到气体的能量传递的较高的效率，从而提供给气体更大的加热，通过引起增大的涡流来增加电弧路径的有效长度，是所要求的。

这样，本发明运用的最有用的方式之一是仅用径向流来开始该过程，触发电弧，接着引入切向流;此后，增加切向流分量，最好成比例地减小径向流分量，以便维持一个基本不变的总流，在此期间，增加从电弧传递到气体的能量。当氮用作为形成等离子体的气体时，这种运行方式特别有用。

显著地，本发明允许单独使用氮来产生电弧，电弧的产生是容易的，同时实现了从热观点来看高度有效的连续运行的方式。与用氮的通常的装置相比，它表示出有显著的优点及经济性，在通常的装置里，为了有助起弧、且同时达到高效率的运行特性，必须使用例如氢那样的气体添加物。

在以上描述的装置中，当电弧起弧时，如只用径向流，则从电弧供给气体的功率是相当低的。然而，随着切向分量的增加，合成涡流通过电极（14，16）间的通道（19），并流经喷管的气体流道22，20，逐渐地增加电弧长度，由此增加电压，并增加从电弧给予形成等离子体的气体的能量。因此，传递给电弧的功率量，通过调节切向引入气体与径向引入气体的比率，是可以调整的。

径向对切向气体流比率的调整也决定了在枪喷管内的电弧的物理位置，即电弧碰击阳极喷管16的内表面的平均位置。例如，已径发现，如果切向流增加得足够大，就有可能迫使电弧延伸喷管通道17的整个长度，并碰击阳极喷管构件16的外端面或与其相连。这个端面处于外界空气中，这个结果对该端面是有害的，因此是不合要求的。然而，这是用来说明当电弧变长时会发生什么情况。通过改变切向流的比率，可以选择不同的电弧长度，通过选择性地变化电弧终端位置，由此散布了电弧在喷管上的磨损，使喷管的寿命可以增加。

尽管本发明的一个主要优点是允许用例如氮那样单一气体的等离子枪作有效运行，在径向和切向地引进气流时，如用不同的气体，也可以有效地应用本发明。例如，有可能使用氮作为主气体，仅以径向引入，接着在电弧已起弧后，以切向流加入例如氢那样的辅助气体。氢添加物增加由电弧所取得的能量，造成涡流的切向流通过枪通道，也会增加由电弧所给出的能量，以致这两个因素协同地作用，由加长电弧来提高效率。从分开的气源引入分开的气体描绘在图2中。

图3和图4是两组曲线，描绘在本发明两种不同运行方式中的运行结果，并与先前的使用氮氢结合的运行方式进行比较。图3说明电弧电压是如何变化的，图4说明在不同运行条件下，热效率是怎样变化的。

先参见图3，最低曲线64描绘出在以氮作为形成等离子体的气体流中加入氢但没有任何涡流时，运行电压作为氢添加量的函数的变化情况。使用了每小时75立方英尺的恒定氮气流，加入的氢根据最下面的横坐标刻度而变化。这样，当氢量从零至每小时15立方英尺（15CFH）变化时，其运行电压的总增加量约为从60伏至70伏。

通过对照，曲线66表示仅用氮时，运行电压怎样随涡流的增加而增大。一个每小时75立方英尺（75CFH）的总流量维持不变，而切向气体流和因而产生的涡流的比例是增加的。在图3中切向流气体流速由横坐标上部的刻度表示。这样，不增加总的形成等离子体的气体流，实质上较高的电弧电压就可达到，如曲线66所示，这是通过简单地调整以切向流传送到进气腔24去的相对气体量，以便在结合的气体流内提供一个增大的涡流分量而达到的。

当由曲线66描绘的同一实验是用每小时75立方英尺（75    CFH）的氮与每小时15立方英尺（15    CFH）的氢的混合气体来重复做时，就获得由曲线68表示的性能结果。这样，可以看出，涡流和添加氢两者对于增加电弧电压都是有效的。

电弧电压通常是和从电弧传给形成等离子体的气体的能量方面的枪的热效率密切相关的，即高电压通常指示了高效率。然而，通过测量提供给电弧的电功率及通过减去因排给冷却水的热而引起的枪的功率损失量（温度升值乘以流速）就有可能测量实际热效率。这个差值表示了传递给等离子体的实际功率，以及涂复工艺上的有效性。热效率是该差值对功率源的比率。因4中的曲线64A，66A，68A描绘了前面分别参照图3中的曲线64，66，68所描述的每组运行条件的热效率。在图4中，表示有和图3相同的横坐标刻度。

非常有趣和显著的是即使存在涡流由曲线66A所描绘的纯氮气流试验的效率比起由曲线64A所描绘的氮氢结合的效率要高很多。而且，尽管图3中曲线66和68之间的电压特性分开得相当大，这两种运行方式的热效率却没有大的不同，如图可见，曲线66A和68A的间隔很接近。

虽然以上专门讨论的所有例子都涉及氮，或者氮和氢的结合，可以理解到，对于用其他例如氩那样的形成等离子体的气体，或者其他形成等离子体的气体的各种结合，本发明也是非常有用的。例如，用氩作为主气体，将氮作为辅助气体，也是可以的。

如附图图5中分配环28A内所示意地表示的那样，一些或全部的径向流口，例如26B、26C，可以在它们的径向平面内倾斜，以便它们和电极14，16的轴成锐角，这样流口的径向内端位于其径向外端的前方，于是就给予形成等离子体的气体的气流一个向前的轴向分量。

在以上说明中，已经意指到所谓“切向”流是非常清楚地作了限定和可鉴别的，它与径向流大有区别。然而，应当理解，不在绝对径向方向的任何气体流，都可以考虑有一切向分量。从而，不脱离本发明的精神，可以合乎要求地对切向进气口提供一个气流进口，它并不给进入气体提供最大的切向效果，这可有意地将进气口在能提供纯径向输入的位置和能提供最大切向输入的位置之间装成一定角度来达到。另一方面，“径向”进气口实际上可能有一个小的切向分量，而“切向”进气口则有大切向分量。

本发明的另一有用特征是在控制方面可作简单的变化即在百分之一百的径向流和百分之一百的切向流之间作变化。径向流一般用氮，而切向流一般用氩。这样，该装置可以很快地从一种气体变至另一种气体。

尽管该发明已联系特定的最佳实施例进行图示和描述，但在这个技术中熟练的技术人员会想到各种变更和修改。从而，下面的权利要求用来限定本发明对于先前技术的有效范围，并且包括属于本发明真正精神和有效范围的所有变化和修改。

Claims (14)

1、一种使用等离子枪来产生等离子体的方法，该枪具有一个空心的圆筒形阳极喷管构件和一个圆筒形阴极构件，这两个构件同轴地配置并彼此分隔开，以便给形成等离子体的气体限定内部通道，该通道具有延伸至该枪外部的一端，由一邻近于阴极的环状进气腔形成的内端，和延伸于阴极与阳极构件之间的中间段，所说的方法包括：

将形成等离子体的气体径向地向内引入进气腔内，以及将形成等离子体的气体以具有切向分量的方式引入进气腔，同时选择性地调节径向和切向引入的气体的比例，由此建立和决定通过该枪的气体的涡流度。

2、根据权利要求1的一种方法，其中所说的径向和切向气体的引入是同时发生的。

3、根据权利要求1的一种方法，其中气体在初始时仅径向地引入，接着在阴极和阳极构件之间施加电压起弧，然后切向地引入气体以建立通过该枪的气体的涡流。

4、根据权利要求3的一种方法，其中形成等离子体的气体本质上由氮组成。

5、根据权利要求1的一种方法，包括的附加步骤为将电压施加在阴极和阳极构件之间用以起弧以及调整切向引入气体对径向引入气体的比率，借此控制传递给电弧的功率量。

6、根据权利要求1的一种方法，包括的附加步骤为在气体流建立后，将电压施加在阴极和阳极构件之间用以起弧，然后调整切向引入气体对径向引入气体的比率，由此控制在枪喷管内的电弧长度或电弧物理位置。

7、如权利要求1所述的一种方法，其中具有不同电离特性的不同气体，各自径向地和切向地引入。

8、权利要求1的方法，进一步包括径向和切向气体流作相反变化而保持总气体流不变。

9、一种包括等离子枪的产生等离子体的装置，包括：

一个枪体，该枪体具有空心的圆筒形的阳极喷管构件和配置在其中并与其分隔开的圆筒形的阴极构件，以便在枪内形成形成等离子体的气体流用的通道，并延伸到枪的外部，所说的阴极和阳极喷管构件共同作用，使得在所说的通道内产生形成等离子体的电弧，所说的通道的内端是由邻近阴极构件的环状进气腔形成的，并在隔开的阴极和阳极构件之间及通过所说的阳极喷管构件延伸;配置在所说的等离子枪体内用以将形成等离子体的气体引入所说的进气腔内的气体分配装置，该气体分配装置包括至少一个径向进气孔和至少一个切向进气孔，该孔延伸进并终止于所说的进气腔内，通过所说的各自的进气孔的径向和切向的形成等离子体的气体相互作用以产生通过所说气体通道的气体涡流;各自的调节装置，用于控制流过所说的径向和切向进气孔的气体量;及相对于另一个来调整所说的调节装置的装置，用以控制通过所说气体通道的气体的涡流对轴向流的比例。

10、根据权利要求9的一种装置，其中所说的气体分配装置包括多个径向进气孔和多个切向进气孔，这些进气孔沿所说的进气腔的周边间隔开。

11、根据权利要求9的一种装置，其中在所说的阴极和阳极喷管构件之间的空间的实质部分是一环形，且其中有一个所说的圆筒形阳极喷管构件与所说的阴极构件的实质上的轴向重叠。

12、根据权利要求11的一个装置，其中所说的环形有一个小的径向尺寸以便促使其间的电弧迸发。

13、根据权利要求12的一个装置，包括将气体携带的涂复粒子引入到等离子体流内的装置，该等离子体流从所说的喷管构件射出和从所说的阴极构件向下游流。

14、权利要求9的等离子体装置，其中所说的径向进气孔基本上径向地向内地对准所说阴极的中心轴线，但是在和所说的轴线公共的平面内有倾斜以便给所说的气体提供一个向前的轴向运动分量。

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