電弧噴涂設備的發展趨勢

電弧噴涂設備主要由電弧噴涂電源、電弧噴涂槍、送絲機構及控制柜等部分構成。噴涂電源為整個噴涂過程提供能量 ,其工作電壓和電流是影響涂層質量的重要參數。噴涂電源應能夠提供足夠的能量并具備良好的外特性及動特性。電弧噴槍要完成送進絲材 ,使送出絲材端很可靠相交以維持電弧穩定燃燒、霧化與噴射熔化金屬這三個基本功能 ,是噴涂的直接實現者。電源及噴槍是電弧噴涂設備中較為關鍵的部件。

1.電弧噴涂電源的進展

早期的電弧噴涂使用直流焊機作電源。具有陡降伏安特性的電源可以保證電弧的穩定燃燒 ,但存在送絲速度與電流難以較佳匹配及電弧電壓較高的缺點(電弧電壓較高會造成能源浪費及噴涂金屬的嚴重氧化) 。平特性的電源具有何良好的弧長自調節性能 ,電弧穩定。當確定噴涂電壓以后 ,電流與送絲速度就會成比例改變 ,只需調節送絲速度就可以改變電流 ,維持合理的電流與生產率的關系。因此電弧噴涂一般采用平特性的電源配合等速送絲系統。平特性的旋轉直流發電機、硅整流、晶閘管整流器及逆變器都可以應用于電弧噴涂。近年來國內外的電弧噴涂電源主要為整流式電源。如 XDP - I、XDP - 2 、CMD -  AS 均為硅整流式 ,ASM - 630DN 型為晶閘管整流式。這些電源較早期的旋轉直流發電機在性能上有較大的突破 ,特別是ASM - 630DN 型電源 ,由于采用了微機控制 ,具有優良的控制特性。但是上述電源均采用傳統的整流方式 , 設備體積龐大、笨重 ,不便于現場使用; 能耗高、效率低;此外 ,電源的動特性一般通過串接電抗器來改善 , 還有待于進 - 步提高。逆變電源應用于電弧噴涂日前還很少見 ,正處于研發階段。

日前 ,電弧噴涂電源同其它電力操作電源一樣正朝著大功率、小型化 ;高效、節能及智能化的方向發展。而逆變技術的出現和發展為這種發展趨勢提供了有效的途徑。逆變電源運用先進的功率電子器件和高頻逆變技術 , 比傳統的工頻整流電源材料減少 80 % ～ 90 % ,節能 20 %～30 % ,動態反應速度提高 2～3 個數量級。

根據電弧噴涂的工藝要求 ,電弧噴涂電源應具有以下特點: (1) 平的伏安特性 ,這可以通過采用電壓負反饋的控制方式來實現。(2) 研究表明 ,電弧噴涂時 , 電弧長度在周期性地改變 ,電流在每一瞬間都在變化 , 所以電源應具有良好的動特性。逆變電源由于其開關管高頻動作 ,本身具有較高的動態響應速度 ,輔以適合的控制方式 ,完全可以滿足電弧噴涂所需的動特性的要求。(3) 電源應能夠提供較大的功率。電弧噴涂時電弧電壓一般為 15～40V ,電流達數百安培 ,所以要求電源能提供數十千瓦的功率。但隨著功率的增大 ,模塊的功率損耗及逆變器的功耗將隨之增加; 電源的散熱負擔及元氣件的工作熱應力也會隨之增大; 逆變器對參數變化的敏感性也會增加。由逆變器在焊接等領域的應用證明 ,這些問題可以通過對電源結構的優化設計得到一定程度的改善。

根據開關管的開關方式逆變器可分為硬開關和軟開關兩大類型。采用硬開關技術 ,存在器件換流慢、承受的電壓應力和電流應力仍然比較大的缺點 ,影響整機工作的安全性、穩定性和抗干擾能力。在硬開關的情況下 , 開關模塊因為在開通與關斷瞬間的能量轉換而成為很強烈的干擾源。。為克服硬開關的缺點 ,70 年代發展了頻率調制諧振技術 ,80 年代末又出現了脈寬調制軟開關技術 ,特別是脈寬調制軟開關技術 ( SPWM) 的問世 ,使大功率逆變技術的研究與應用水平上了一個新的臺階。脈寬調制軟開關技術綜合了傳統脈寬調制技術和諧振技術的優點 ,僅在功率器件換流瞬間 ,應用諧振原理 ,實現零電壓或零電流轉換 ,而在其余大部分時間采用恒頻脈寬調制方法 ,完成對電源輸出電壓或電流的控制。近 10 年來 , 脈寬調制軟開關技術在功率逆變電路中逐漸占據主導地位。日前 ,大功率軟開關逆變電源在焊接、高頻感應加熱、開關電源等方面已得到廣泛的應用 ,有系列產品問世。華南理工大學研制成功 50kW 的大功率軟開關等離子噴涂逆變電源 ,電路采用全橋結構 ,控制電路采用雙閉環控制 ,實現電流內環反饋 ,能夠對網壓的變化進行立即補償 ,對高頻功率負載變化的干擾也能進行快速反應 ,具有內在的逐脈沖限流調整能力 ,有利于變壓器保持動態磁平衡。工作頻率為 25kHz ,主變壓器采用開放式結構有效的解決了大功率變壓器的散熱問題。所有這些都說明電弧噴涂采用逆變電源是完全可行的。電弧噴涂電源的逆變化是其發展方向。

2.電弧噴涂槍的進展

電弧噴涂槍集電、絲、氣于一體 ,其結構性能的好壞直接影響涂層的性能和質量。其作用是將輸入槍內的兩根金屬絲通過導電嘴與噴涂電源的正負相聯 , 兩根金屬絲端部接觸后產生電弧 ,使金屬絲熔化 ,壓縮氣體進入槍體后經過霧化噴嘴將液態金屬霧化噴涂在工件表面。電弧噴涂槍按其結構可簡單分為敞開式和封閉式兩種 ,敞開式噴槍由于性能較差現已基本不用。封閉式噴涂槍可歸類為一次霧化噴槍、具有二次霧化氣流的噴槍及單絲電弧噴槍。其中一次霧化噴槍的壓縮空氣從噴槍圓截面口噴出 ,直接對熔滴金屬進行霧化 ,由于絲材存在波動 ,熔滴金屬時常逃出霧化區 ,因此霧化效果不理想 ,目前已較少采用。具有二次霧化氣流的噴槍 ,其壓縮空氣被分成兩路霧化氣流 ,通過輔助的二次霧化氣流 ,對電弧適當壓縮。這種結構增加了弧區的壓力 ,提高了空氣流的噴射速度和電弧溫度 , 加強了對熔化金屬的霧化效果 ,使噴出的顆粒更加細微 ,同時提高了涂層與基體的結合強度。目前國內外較多采用。單絲電弧噴槍是國外 80 年代研制用于真空電弧噴涂的一種新型噴槍。由高壓引燃噴嘴與絲材之間的電弧 ,具有較好的霧化條件和較少的氣體消耗量。

與國外相比 ,特別是與美國相比 ,我國在電弧噴涂設備研制方面差距較大。90 年代初 ,美國推出了依據空氣動力學原理設計的噴槍 ,涂層非常致密 ,其中包括超音速電弧噴涂 ,不僅噴涂效率很高 ,涂層質量也很高。90 年代后期 ,我國從事電弧噴涂的科技人員采用拉伐爾噴嘴和計算機輔助設計技術 ,優化了噴槍的設計 ,成功研制了超音速電弧噴涂槍 ,將粒子的速度提高到超音速 ,涂層質量接近等離子噴涂 ,代表了當今電弧噴涂發展的較高水平。今后 ,電弧噴涂槍將向著進一步高速、高效(霧化) 、穩定(送絲) 的方向發展。

3.結論

電弧噴涂作為一種很有前景的表面技術 ,已經在實際生產中得到 了較為廣泛的應用 。但我國電弧噴涂設備的研究和制造水平相對滯后 。電弧噴涂電源的逆變化、智能化是其發展的必然趨勢。電弧噴涂槍將向進一步高速、高效、穩定的方向發展。將逆變技術應用到電弧噴涂設備的更新換代并使之轉化為生產力是我們的工作重點 。以上是山東鼎晟噴涂工程有限公司為大家講解的關于電孤噴涂設備的知識。