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高稳定性电弧喷涂技术
作者:管理员    发布于:2018-05-14 21:54:15    文字:【】【】【
摘要:电弧是在一定条件下电荷通过两电极间气体空间的一种导电过程,或者说是一种气体放电现象。借助于这种特殊的气体放电过程,电能转换为热能、机械能和光能。电弧喷涂也是利用电弧的能量来熔化金属丝材,并借助于高压空气带走熔化的金属并雾化成微熔滴喷到工件表面,形成金属涂层的。

高稳定性电弧喷涂技术

 

一、 电弧喷涂技术基本原理

电弧喷涂技术由于其设备、材料的发展与更新,成为目前热喷涂技术中最受重视的技术之一。电弧喷涂是以电弧为热源将金属丝熔化并用气流雾化,使熔融颗粒高速喷到工件表面形成涂层的一种工艺。喷涂时,两根彼此绝缘的丝材分别接喷涂电源的正负极。在两根丝材短接前的瞬间,端部由于高电流密度产生电弧,同时,高压气体将电弧熔化的金属雾化成微熔滴并将微熔滴加速喷射到工件表面,经冷却、扁平化并沉积到基体上。而且,丝材经送丝机构连续、均匀地送进,从而实现了持续雾化、喷射、沉积并形成涂层的工艺过程。

二、 高速电弧喷涂的电弧特性

电弧是在一定条件下电荷通过两电极间气体空间的一种导电过程,或者说是一种气体放电现象。借助于这种特殊的气体放电过程,电能转换为热能、机械能和光能。电弧喷涂也是利用电弧的能量来熔化金属丝材,并借助于高压空气带走熔化的金属并雾化成微熔滴喷到工件表面,形成金属涂层的。在电弧喷涂过程中,电弧是在高气压、高速流动的气体(气压可高达0.8 MPa,气体流量可达6 m3/min,气体流速则可高达600 m/s)中燃烧的,并且气流方向与电弧轴向垂直,所以气体的流动必然对电弧的稳定燃烧产生影响。喷涂时电弧的稳定燃烧,是喷涂过程稳定的体现,也是喷涂层质量稳定的重要保证。

高速电弧喷涂工艺的电弧引燃方式是接触引弧。当两电极端部极小面积接触时,在大的电流密度下产生电阻热并快速将接触部分熔化,在高速雾化气流的拖拽作用下,熔化部分被吹走,于是在两极之间产生空隙。两极间空隙中的气体被电离成正离子和电子;在两电极间电场下,正离子和电子分别向两极定向移动,形成电流。而且由于高速气流的作用,首先被电离的离子被吹到丝材的前端,因此在丝的前端形成导电通路,从而引燃电弧。

由于高速电弧喷涂过程中阴极和阳极熔化的不对称性,阳极熔化速度较慢,且在阳极会形成较大的片状液滴。当阳极金属丝材的熔化量较多时,熔化部分在气流的吹动下移动到金属丝材的最前端,电弧随之移动扩展。在表面张力、两极间的电磁力和雾化气流的拖拽力的作用下,这些片状大熔滴将破碎并从丝材端部脱离,这时电弧熄灭。

高速雾化气流也能够熄灭电弧。在喷涂过程的某一瞬间,电弧高温区在高速气流影响下被拉长,其中的带电粒子离金属丝端较远,电弧的导电面积增大了。要维持电弧的稳定燃烧,则要求电源提供更大的能量。当电源的输出无法满足电弧燃烧所需能量时,在金属丝端无法产生足够的电子或使气体电离,电弧将熄灭。

电弧熄灭后,丝材的向前进给使两丝材重新接触,高的短路电流使丝材端部有迅速熔化,此时在两极之间的最近点重新引燃电弧。同时在雾化气流的作用下,电弧又随之移动扩展。由此电弧重复引燃-燃烧-熄灭-再引弧的过程中。

电弧喷涂过程中的这种引燃-燃烧-熄灭-再引弧的电弧特性,将引起电弧电压和电弧电流的很大波动,从而导致形成的熔滴尺寸在较大范围内变化,将直接影响到涂层的质量和性能。因此,控制电弧喷涂过程中的的电弧行为,减小电弧电压和电弧电流的波动,是改善涂层质量、提高涂层性能的根本途径之一。

三、 高稳定性高速电弧喷涂设备

1、电弧喷涂电源是电弧喷涂系统的关键设备之一,它为喷涂系统提供能量。电弧喷涂电源的发展主要经历了3个阶段:从普通的直流电源到具有平特性的稳压电源,再到现在利用逆变技术开发的逆变电源。

最早期的电弧喷涂使用直流电焊机作电源。在焊接过程中,存在不断的燃弧-短路-燃弧的现象,电流和电压的波动很大,要求所使用的直流电源具有徒降的外特性。而电弧喷涂与焊接存在差别,电弧喷涂过程中,电弧一经点燃,便一直处于燃烧状态,电弧电压和电流波动幅度不大,不要求电源具有徒降的外特性,因此,使用这种电源进行电弧喷涂时,徒降的伏安特性虽可以保证电弧的稳定燃烧,但存在送丝速度与电流难以最佳匹配,而且喷涂的电弧电压较高(40V以上)导致涂层的碳烧损和氧化非常严重,使喷涂层的质量普遍不高。从防止喷涂金属氧化的角度出发,要求喷涂电源能在较低的工作电压下稳定工作。

基于电弧喷涂过程中金属型材熔化-雾化过程的特殊性,在弧长高频波动和送丝速率发生变化的情况下,为了保持电弧稳定,则要求电弧电流能跟随弧长的微小变化迅速增减,即当弧长变小是,电流能迅速上升到足够大,加速金属线材的熔化而恢复弧长;当弧长变大时,电流又能迅速减小,减小金属的熔化量而恢复弧长。根据这样的要求,电源外特性应是平特性或略带上升的动特性,动特性应有足够大的电流上升速率,平特性的喷涂电源具有良好的弧长自调节性能,电弧稳定。当确定喷涂电压以后,电流与送丝速率就会成比例改变,只需调节送丝速率就可以改变电流,维持合理的电流与生产效率的关系。因此电弧喷涂一般采用平特性的电源配合等速送丝装置。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用作电弧喷涂电源。

近年来,国内外的电弧喷涂电源主要为硅整流式电源,以硅二极管作为整流器元件,它通过改变变压器原边线圈的匝数来调节输出电压,以满足不同喷涂材料对电源的要求。电源的外特性主要是靠变压器本身调整电源的外特性,谈不上什么闭环控制,喷涂电压受外界影响因素很多。这种电源的效率较低、体积庞大、笨重、能耗高,电流的动特性一般通过串接电抗器来改善,还有待于进一步提高。

目前,电弧喷涂电源正朝着大功率、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个量级,这为电弧喷涂电源的大功率、小型化、高效、节能及智能控制技术在电弧喷涂领域额应用提供了技术条件。随着功率开关器件、微电子技术及控制技术的发展,新的技术成果和产品层出不穷,使得逆变电源进一步向高频化、轻量化、模块化、智能化和大容量的方向发展。特别是20世纪80年代以来你变技术在焊接领域的成功应用,为实现电弧喷涂设备的逆变化积累了丰富的经验。

正是在这种背景条件下,本公司集三十余年在焊接行业新产品开发的经验,倾力推出D3-300D3-450D3-600型逆变式电弧喷涂机。分别针对目前国内市场上拉丝(¢2.0)喷锌、喷铝;推丝(¢2.0)钢丝及粉芯丝及大面积防腐(¢3.0)锌、铝等。本系列电源的主要特点是:

 高冗余度和高可靠性设计、允许以高暂载率持续工作,能耐受电网电压±20%的较大波动。

 能抵抗现场恶劣环境条件影响,电源内部风道独立,三防处理,智能风机的使用,最大限度减少粉尘的吸入,过流、欠压、过热等完善的保护。

 本电源为推拉两用电源,方便用户灵活组合。

 喷涂电压采取双闭环方式,确保喷涂过程中电压稳定。

 可以在喷涂电压很低的情况下喷涂稳定,减少氧化烧损,提高沉积率。

 输出回路动特性线性可调,可以适当调整粗、细丝的雾化效果。

 气、电、丝等一键设定,方便操作。

 小巧灵活,各种防护骨架,方便现场移动作业。

 

2、电弧喷枪是电弧喷涂系统的核心设备,它集直流电、雾化气、金属线材与一体,其作用是将输入喷枪内的两根金属线材通过导电嘴与喷涂电源的正负极相连,两根金属线材端部相交后产生电弧,是金属线材熔化,压缩气体进入枪体后经过雾化喷嘴将电弧熔融的金属液滴雾化后喷涂在工件表面。电弧喷枪的结构和性能好坏直接影响到喷涂层的质量和性能。

电弧喷涂技术的进步与喷枪的改进和发展是密切相关的。最早的电弧喷枪雾化头结构比较简单,主要由导电嘴和空气喷射管组成,称为敞开式喷嘴,这种结构对熔化金属的雾化效果较差,喷出的金属颗粒比较粗大,并且粒子速度只有100-150 m/s。后来,发展了封闭式雾化喷嘴,喷涂速度可提高到200 m/s以上,涂层质量得到了很大提高。目前国际上先进的喷枪采用二次雾化结构,加装空气帽,将电弧区适当封闭,并将雾化气流分为两路,由辅助的二次雾化气流将电弧区适当压缩。这种喷嘴结构增加了电弧区的压力,提高了空气流的喷射速度和电弧温度,使喷施的金属粒子速度可达到200 m/s以上,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,本公司生产的电弧机D3-300型标配国产通用拉丝枪,D3-450标配(¢2.0)二次雾化喷枪,D3-600标配(¢3.0)高速电弧喷枪。也可以按客户要求定制。

 

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