等離子弧噴涂設備的研制

金文宇

（中國航空工業集團公司 沈陽發動機設計研究所，遼寧 沈陽 110015）

0 前言

等離子弧噴涂技術是獲得材料表面金屬及陶瓷涂層的有效方法，它具有焰流溫度高、噴涂粒子飛行速度快、噴涂效率高等優點，且噴涂層結合強度較高、氣孔率低，自20世紀60年代以來得到廣泛應用[1-2]。但由于等離子弧噴涂工藝參數眾多，任何一個參數的微小變化都會影響噴涂層的性能，因此其發展受到限制。在等離子弧噴涂工藝參數的控制方法中，以往多采用二極管矩陣對數十個繼電器進行開環控制。因控制精度差、自動化程度低，難以滿足噴涂工藝要求。隨著計算機技術的發展和控制理論的不斷完善，出現了以MCS-51單片機控制等離子弧噴涂工藝過程的設備，隨之又出現了用PLC可編程控制器對噴涂工藝參數進行控制的設備，使等離子弧噴涂工藝自動化水平大大提高，實現了對噴涂工藝參數的自動控制[3-5]。

1 等離子弧噴涂設備的要求和組成

1.1 等離子弧噴涂設備的要求

等離子弧噴涂設備必須具備穩定可靠的工作性能，性能良好的程序控制電路以及對突發事件的保護能力（如過電壓保護、水壓和氣壓欠壓保護），并能實時檢測輸出電壓及引弧成敗等。

為保證等離子電弧的穩定性，等離子弧噴涂電源應具有垂直陡降的輸出特性。另外，在熄弧時，噴涂電源應具有可調的電流衰減速率；在起弧時，噴涂電源應具有可調的電流上升速率。

1.2 等離子弧噴涂設備的組成

等離子弧噴涂設備主要由三部分組成：第一部分是噴涂專用機械、噴涂槍、送粉器等；第二部分是由四臺同型號晶閘管整流電源串并聯后組成的等離子弧噴涂電源；第三部分是以PLC為核心的等離子弧噴涂控制柜，如圖1所示。

圖1 等離子弧噴涂設備配置示意

2 等離子弧噴涂槍設計

等離子弧噴涂槍集水、電、氣和粉于一體，槍體結構對噴嘴和電極的冷卻效果影響很大，其中水路、氣路和噴嘴結構是主要影響因素。

2.1 水路結構

由于噴嘴和電極在工作中承受極高的溫度，為避免過熱燒損，必須進行強制冷卻。為達到滿意的冷卻效果，噴涂槍水路設計主要考慮路徑、截面和水阻等因素，在設計中應滿足：

（1）對噴嘴和電極的周向冷卻均勻，防止在周向上出現冷卻薄弱點。

（2）對噴嘴和電極的軸向冷卻均勻，避免在軸向出現冷卻薄弱部位、出現冷卻水短路和死水區。

（3）水路水阻要小，以保證一定的冷卻水流量。

因此，冷卻噴嘴的前槍體水路采用沿周向均勻噴射的分水環結構，冷卻電極的后槍體水路采用沿軸向螺旋前進的結構，造成冷卻水紊流，水溫均勻。

2.2 氣路結構

氣路主要由進氣腔、斜鞘和氣室組成，隔熱環、電極和噴嘴之間的空腔形成氣室。氣體采用沿電極軸向進氣方式，從后槍體進入進氣腔，沿電極軸向通過斜鞘間隙進入氣室，然后隨等離子弧噴出槍體。

2.3 噴嘴結構

噴嘴必須由冷卻水強制冷卻，使微單元上積聚的熱量不足以達到材料熔化的溫度，避免其燒損。因此噴嘴結構應有利于熱量傳遞，其有效方法是增大對流換熱面積，為此采用肋型散熱結構，如圖2所示。

2.4 電極冷卻結構設計

圖2 噴嘴結構

由于熱電子發射和正離子轟擊，使電極端部溫度高達24000℃。為避免燒損，需對其進行有效冷卻。

電極由電極夾夾持，采用可調方式固定，冷卻方式為間接水冷，同時利用工作氣體直接冷卻電極，以加強對電極的冷卻效果。電極夾設計成肋片結構，以增大換熱面積，同時造成紊流，使水溫均勻。

基于以上對等離子弧噴涂槍主要結構的分析，所設計的噴涂槍總體結構如圖3所示。

圖3 等離子弧噴涂槍結構

3 電路設計

3.1 主電路設計

采用四臺同型號的整流直流電源串并聯使用，以滿足等離子弧噴涂功率的要求。串并聯后的電源空載電壓為210 V，額定電流1 000 A。在電源輸出端接入直流輸出電抗器，以限制起弧時的沖擊電流，避免沖擊電流過大。為實現由CF6B-1A晶閘管觸發器對四臺電源電流的同步調節，在四臺電源的飽和電抗器控制線圈中均串聯一只電位器，調節激磁電流的大小，以使四臺電源具有相同大小的輸出電流。

3.2 調節電路設計

起弧時，噴涂電源應具有可調的電流緩升速率；熄弧時，噴涂電源應具有可調的電流緩降速率。另外，噴涂不同材料時，對電源功率的要求不同，因此需要調節工作電流的大小以達到噴涂的功率要求。采用CF6B-1A晶閘管觸發器和輔助電路可實現對上述電流的調節。即通過單相半控橋整流電路，用電位器和PLC兩種方式調節CF6B-1A晶閘管觸發器的給定電壓，使主電路輸出電壓隨之改變，從而實現對等離子弧噴涂電流的調節。

3.3 控制電路設計

按照等離子弧噴涂工藝程序的要求，PLC自動控制系統應能向等離子弧提供電、氣和水，以獲得理想的等離子弧；同時，應對主電流、送粉速率、噴槍運動速度等參數進行調節。控制柜是實現等離子弧噴涂自動控制的核心，其采用西門子公司的S7-300型可編程控制器作為中心控制單元，以擴充模塊EM222、模擬量輸入輸出模塊EM235作為補充，實現對等離子弧噴涂過程的自動控制及對主要工藝參數的自動調節，控制電路如圖4所示。

圖4 PLC控制電路

3.4 抗高頻干擾措施

等離子弧需用高頻（150 kHz）、高壓（3 000~5 000 V）短路放電產生的火花來引弧，而PLC控制系統工作電壓較低，極易受到高頻、高壓脈沖的干擾，影響其正常工作。為保證等離子弧噴涂設備正常工作，防止高頻脈沖對PLC控制系統的干擾，采取以下三種措施：（1）在整流電源的輸入端加裝壓敏電阻，濾除從電網串入PLC控制電路的高壓脈沖；（2）在整流電源的輸入端接入高頻率、低通過濾波器，對所有的開關信號和模擬信號進行濾波，凈化電源；（3）電源主電路、信號檢測電路、輔助電路與PLC控制電路之間均采用數字光電隔離器，避免對PLC控制電路可能產生的干擾。

4 軟件設計

4.1 工作程序流程分析

等離子弧噴涂工藝是一個參數眾多、操作復雜的過程，控制系統所控制的開關量和模擬量較多。由于等離子焰流溫度較高，噴涂槍結構復雜、價格昂貴，所以對噴涂槍的水冷保護至關重要；同時對水壓不足、無水事件發生時的應急處理也必不可少。因此，在整個等離子弧噴涂工作流程中，水冷貫穿始終：（1）首先啟動冷卻水系統，接通主電源；（2）通工作氣體1（氬氣Ar），啟動高頻引弧，在引燃維弧后切斷高頻振蕩器；（3）通工作氣體2（氮氣N2或氫氣H2），對工作電流、工作電壓、工作氣體流量、送粉量、噴涂槍運動速度等參數進行預調；（4）最后啟動送粉電機，進入正常噴涂工作狀態；（5）噴涂結束后，按下停止按鈕，系統將根據控制程序的設計恢復到初始狀態。

4.2 PLC控制程序設計

采用先進的PLC控制技術，不但可簡化等離子弧噴涂工藝操作過程，而且能提高控制系統的可靠性和自動化水平。按照等離子弧噴涂工藝流程的要求，確定PLC輸入/輸出端口配置以及主控制系統軟件設計。以S7-300型可編程控制器為核心的硬件系統包括顯示器和控制器。顯示器包括指示燈及主弧電流、主弧電壓、送粉速率、噴槍擺動與行走速度等參數的數碼顯示；控制器包括自動、手動、停機檢查的轉換開關以及噴涂槍擺動、正反向行走、送粉的啟與停控制按鈕。

根據等離子弧噴涂工藝要求編制的控制系統主程序由開始、起弧、參數調節、噴涂、結束等幾部分組成，并配有相關子程序和中斷程序，分別控制工作電流的調節、送粉電機的開關、噴涂槍的運動、起弧（或熄弧）電流的遞增(或遞減)等過程，主程序流程如圖5所示。

5 結論

（1）根據等離子弧噴涂設備的冷卻要求，設計了噴涂槍的水路、氣路和噴嘴結構。

（2）以S7-300型可編程控制器為中心控制單元，對等離子弧噴涂過程進行控制，實現了水、電、氣、粉及各工藝參數的自動調節與控制。該控制系統可靠性和自動化程度高，修改方便。

圖5 PLC控制主程序流程

（3）采用CF6B-1A型晶閘管觸發器可精確調節電源的激磁電流，達到四臺電源同步輸出的目的，滿足不同等離子弧噴涂工藝要求。

（4）該等離子弧噴涂設備已成功用于金屬及陶瓷粉末的噴涂，運行可靠，工藝過程穩定，噴涂層性能良好。

：

[1]Leivo E M，Vippola M S，Sorsa P P A，et al.Wear and corrosion properties of plasma sprayed Al2O3and Cr2O3coatings sealed by aluminum hosphates[J].Journal of Thermal Sy Technology，1997，6（2）：205-210.

[2]彭 坤，王 飚，諸小麗.等離子噴涂陶瓷復材的性能和應用及其發展[J].昆明理工大學學報，2001，26（1）：41-45.[3]李京龍，田 麗，林謙生.PC控制等離子弧焊設備的研制[J].電焊機，1994，24（4）：22-24.

[4]陳克選，李春旭.PLC控制等離子噴涂設備的研制[J].甘肅工業大學學報，1999，25（1）：18-21.

[5]王赫瑩，吳衛楓，李德元，等.等離子噴涂設備的PLC自動控制[J].電焊機，2005，35（7）:46-47.