电弧喷涂设备的发展趋势

电弧喷涂设备主要由电弧喷涂电源、电弧喷涂枪、送丝机构及控制柜等部分构成。喷涂电源为整个喷涂过程提供能量 ,其工作电压和电流是影响涂层质量的重要参数。喷涂电源应能够提供足够的能量并具备良好的外特性及动特性。电弧喷枪要完成送进丝材 ,使送出丝材端很可靠相交以维持电弧稳定燃烧、雾化与喷射熔化金属这三个基本功能 ,是喷涂的直接实现者。电源及喷枪是电弧喷涂设备中较为关键的部件。

1.电弧喷涂电源的进展

早期的电弧喷涂使用直流焊机作电源。具有陡降伏安特性的电源可以保证电弧的稳定燃烧 ,但存在送丝速度与电流难以较佳匹配及电弧电压较高的缺点(电弧电压较高会造成能源浪费及喷涂金属的严重氧化) 。平特性的电源具有何良好的弧长自调节性能 ,电弧稳定。当确定喷涂电压以后 ,电流与送丝速度就会成比例改变 ,只需调节送丝速度就可以改变电流 ,维持合理的电流与生产率的关系。因此电弧喷涂一般采用平特性的电源配合等速送丝系统。平特性的旋转直流发电机、硅整流、晶闸管整流器及逆变器都可以应用于电弧喷涂。近年来国内外的电弧喷涂电源主要为整流式电源。如 XDP - I、XDP - 2 、CMD -  AS 均为硅整流式 ,ASM - 630DN 型为晶闸管整流式。这些电源较早期的旋转直流发电机在性能上有较大的突破 ,特别是ASM - 630DN 型电源 ,由于采用了微机控制 ,具有优良的控制特性。但是上述电源均采用传统的整流方式 , 设备体积庞大、笨重 ,不便于现场使用; 能耗高、效率低;此外 ,电源的动特性一般通过串接电抗器来改善 , 还有待于进 - 步提高。逆变电源应用于电弧喷涂日前还很少见 ,正处于研发阶段。

日前 ,电弧喷涂电源同其它电力操作电源一样正朝着大功率、小型化 ;高效、节能及智能化的方向发展。而逆变技术的出现和发展为这种发展趋势提供了有效的途径。逆变电源运用先进的功率电子器件和高频逆变技术 , 比传统的工频整流电源材料减少 80 % ～ 90 % ,节能 20 %～30 % ,动态反应速度提高 2～3 个数量级。

根据电弧喷涂的工艺要求 ,电弧喷涂电源应具有以下特点: (1) 平的伏安特性 ,这可以通过采用电压负反馈的控制方式来实现。(2) 研究表明 ,电弧喷涂时 , 电弧长度在周期性地改变 ,电流在每一瞬间都在变化 , 所以电源应具有良好的动特性。逆变电源由于其开关管高频动作 ,本身具有较高的动态响应速度 ,辅以适合的控制方式 ,完全可以满足电弧喷涂所需的动特性的要求。(3) 电源应能够提供较大的功率。电弧喷涂时电弧电压一般为 15～40V ,电流达数百安培 ,所以要求电源能提供数十千瓦的功率。但随着功率的增大 ,模块的功率损耗及逆变器的功耗将随之增加; 电源的散热负担及元气件的工作热应力也会随之增大; 逆变器对参数变化的敏感性也会增加。由逆变器在焊接等领域的应用证明 ,这些问题可以通过对电源结构的优化设计得到一定程度的改善。

根据开关管的开关方式逆变器可分为硬开关和软开关两大类型。采用硬开关技术 ,存在器件换流慢、承受的电压应力和电流应力仍然比较大的缺点 ,影响整机工作的安全性、稳定性和抗干扰能力。在硬开关的情况下 , 开关模块因为在开通与关断瞬间的能量转换而成为很强烈的干扰源。。为克服硬开关的缺点 ,70 年代发展了频率调制谐振技术 ,80 年代末又出现了脉宽调制软开关技术 ,特别是脉宽调制软开关技术 ( SPWM) 的问世 ,使大功率逆变技术的研究与应用水平上了一个新的台阶。脉宽调制软开关技术综合了传统脉宽调制技术和谐振技术的优点 ,仅在功率器件换流瞬间 ,应用谐振原理 ,实现零电压或零电流转换 ,而在其余大部分时间采用恒频脉宽调制方法 ,完成对电源输出电压或电流的控制。近 10 年来 , 脉宽调制软开关技术在功率逆变电路中逐渐占据主导地位。日前 ,大功率软开关逆变电源在焊接、高频感应加热、开关电源等方面已得到广泛的应用 ,有系列产品问世。华南理工大学研制成功 50kW 的大功率软开关等离子喷涂逆变电源 ,电路采用全桥结构 ,控制电路采用双闭环控制 ,实现电流内环反馈 ,能够对网压的变化进行立即补偿 ,对高频功率负载变化的干扰也能进行快速反应 ,具有内在的逐脉冲限流调整能力 ,有利于变压器保持动态磁平衡。工作频率为 25kHz ,主变压器采用开放式结构有效的解决了大功率变压器的散热问题。所有这些都说明电弧喷涂采用逆变电源是完全可行的。电弧喷涂电源的逆变化是其发展方向。

2.电弧喷涂枪的进展

电弧喷涂枪集电、丝、气于一体 ,其结构性能的好坏直接影响涂层的性能和质量。其作用是将输入枪内的两根金属丝通过导电嘴与喷涂电源的正负相联 , 两根金属丝端部接触后产生电弧 ,使金属丝熔化 ,压缩气体进入枪体后经过雾化喷嘴将液态金属雾化喷涂在工件表面。电弧喷涂枪按其结构可简单分为敞开式和封闭式两种 ,敞开式喷枪由于性能较差现已基本不用。封闭式喷涂枪可归类为一次雾化喷枪、具有二次雾化气流的喷枪及单丝电弧喷枪。其中一次雾化喷枪的压缩空气从喷枪圆截面口喷出 ,直接对熔滴金属进行雾化 ,由于丝材存在波动 ,熔滴金属时常逃出雾化区 ,因此雾化效果不理想 ,目前已较少采用。具有二次雾化气流的喷枪 ,其压缩空气被分成两路雾化气流 ,通过辅助的二次雾化气流 ,对电弧适当压缩。这种结构增加了弧区的压力 ,提高了空气流的喷射速度和电弧温度 , 加强了对熔化金属的雾化效果 ,使喷出的颗粒更加细微 ,同时提高了涂层与基体的结合强度。目前国内外较多采用。单丝电弧喷枪是国外 80 年代研制用于真空电弧喷涂的一种新型喷枪。由高压引燃喷嘴与丝材之间的电弧 ,具有较好的雾化条件和较少的气体消耗量。

与国外相比 ,特别是与美国相比 ,我国在电弧喷涂设备研制方面差距较大。90 年代初 ,美国推出了依据空气动力学原理设计的喷枪 ,涂层非常致密 ,其中包括超音速电弧喷涂 ,不仅喷涂效率很高 ,涂层质量也很高。90 年代后期 ,我国从事电弧喷涂的科技人员采用拉伐尔喷嘴和计算机辅助设计技术 ,优化了喷枪的设计 ,成功研制了超音速电弧喷涂枪 ,将粒子的速度提高到超音速 ,涂层质量接近等离子喷涂 ,代表了当今电弧喷涂发展的较高水平。今后 ,电弧喷涂枪将向着进一步高速、高效(雾化) 、稳定(送丝) 的方向发展。

3.结论

电弧喷涂作为一种很有前景的表面技术 ,已经在实际生产中得到 了较为广泛的应用 。但我国电弧喷涂设备的研究和制造水平相对滞后 。电弧喷涂电源的逆变化、智能化是其发展的必然趋势。电弧喷涂枪将向进一步高速、高效、稳定的方向发展。将逆变技术应用到电弧喷涂设备的更新换代并使之转化为生产力是我们的工作重点 。以上是山东鼎晟喷涂工程有限公司为大家讲解的关于电孤喷涂设备的知识。