手持式微弧氧化放電裝置的設計

呂鵬翔 尹婷婷 程良坤 王 松 許 鑫

（大連大學 機械工程學院，大連 116200）

1 研究背景

微弧氧化（Micro-arc Oxidation，MAO）是近些年發展起來的新興技術。俄羅斯學者將其稱為等離子體電解氧化（Plasma Electrolytic Oxidation，PEO）[1]；英國學者認為微弧氧化是陽極火花沉積（Anodic Spark Deposition，ASD）[2]現象；我國學者如狄士春等人稱其為微弧氧化[3]；德國與美國學者更愿意稱其為等離子微弧氧化（Plasma Micro-arc Oxidation，PMAO）[4]。

微弧氧化技術能夠使鋁、鎂、鈦及其合金等閥金屬表面氧化出一層兼具耐磨性與耐腐蝕性的陶瓷膜層[5]，對提高和強化鋁、鎂、鈦及其合金的機械性能具有重要作用。它的工作液對環境友好，不會造成污染，是一種環保的表面處理技術，受到了工業應用領域的關注。當前，微弧氧化處理系統主要由脈沖電源和作為對電極的工作液槽組成。工件接系統的正極，完全沉浸在工作液中。工作液槽作為對電極接系統負極，接通電源后通過復雜的電化學反應在金屬表面生成陶瓷膜層。

微弧氧化后，鋁、鎂、鈦及其合金基材與陶瓷膜層之間的硬度相差明顯[6]。這種硬度梯度會影響陶瓷膜層與基材之間的結合力，導致工件在工作中銀膜層脫落而失效。另外，因為工件具體結構復雜多變，很難一直保證零件所有表面的電場均勻一致，甚至可能因工件尺寸過大而使其局部露在工作液外，導致處理后陶瓷膜層均勻性降低，使處理后的零件在使用中出現局部脫落的現象，尤其是那些受到較強摩擦力的部分。為了避免發生生產事故，保證零件能夠繼續使用，這些脫落表面需要利用微弧氧化局部修補技術進行處理。

微弧氧化局部修補技術的主要工作目標是僅在脫落的局部進行微弧氧化處理。對于安裝精度較高且復雜的零件，會因為拆解修補造成生產系統停工，導致時間和經濟上的巨大浪費。此外，現有微弧氧化的浸沒式處理方式，需要將整個零件運到現場進行修補，實施非常困難。若零件出現局部膜層脫落，裸露在外的部分會受到工作環境中的酸堿等物質的腐蝕，從而加速零件的損壞。輕者工件報廢，延誤工期，增加成本，重者造成生產事故，破壞生產設備，帶來重大損失。因此，設計一種便攜式的微弧氧化系統十分必要。

2 裝置的總體方案設計

基于上述背景的分析，研制了一種機理上與微弧氧化相同的手持式便攜裝置。具體設計方案是利用管狀電極作為放電的對電極代替工作液槽，工作液從內部噴出，增加了放電間隙的調控與保持的控制機構，使處理過程中的放電穩定均勻，以利于手持式微弧氧化處理的加工。

針對上述變化，本文設計了手持式陰極噴槍，降低了電源功率，并設計了安全保護措施。它的工作原理如下：電源向極間提供參數可調的放電波，待修補零件接電源陽極，掃描噴槍的管狀電極接電源陰極，而管狀電極的一端接水泵；修補處理時，工作液由管狀電極的另一端噴至修補表面，在極間形成微弧氧化放電與冷卻環境，放電后回流至溶液收集池，凈化后循環使用。

2.1 手持式微弧氧化電源設計

脈沖放電波在極間的電場具有尖端效應，使得放電微孔的熔融氧化物溢出增多，有利于修補膜層的連續生長，且能保證膜層降低孔隙率，提高硬度，使膜層具有更好的耐磨擦性與耐腐蝕性。因此，本文選用脈沖電源。

考慮到手持式微弧氧化系統以修復為主要目標，主要用來保護因裸露而遭到工作液酸堿腐蝕的膜層，因此耐腐蝕性能是膜層的首要特征，耐磨性較為次要。在微弧氧化放電模式中，最常見的有單向和雙向兩種放電模式。其中，單向放電獲得的陶瓷膜層具有很好的耐腐蝕性能。單向放電模式具有電源體積小和功率低、波形控制簡單以及總體結構簡單易于設計等優點。因此，本設計采用單向脈沖電源。

電源的輸出方式有恒壓方式和恒流方式兩種。恒壓方式是在微弧氧化放電過程中始終保持電源的輸出電壓不變，直到放電結束。該方式有利于控制膜層的最終厚度與粗糙度，且膜層孔隙率較低，具有較好的耐腐蝕性。恒流方式是在微弧氧化放電過程中始終保持電源的輸出電流不變，直到放電結束。該方式膜層生長較快，但是膜層粗糙度和孔隙率較高，MC硬度較高。考慮到耐腐蝕性是修補膜層的首要性能，故而選擇恒壓輸出方式。

2.2 脈沖電源方案設計

本文設計了以絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）為核心器件的單向恒壓電源。該電源是典型的閉環控制，工頻電壓的形成過程為升壓、整流、濾波和由IGBT斬波后得到脈沖波形輸出到極間。電源的參數控制主要由單片機與CPLD和IGBT驅動芯片共同實現。單片機負責采集與比較輸入信號，將脈寬與脈間值解碼后傳給CPLD。CPLD將其轉變為控制信號后輸送給驅動芯片，最終控制IGBT導通與關斷，形成脈寬與脈間送往極間進行放電。極間的檢測電路采集到電信號后，再輸送到單片機進行比較，最終形成閉環反饋。

2.3 手持部結構的設計

手持式微弧氧化系統的陰極為內充液式管狀結構，材料為316不銹鋼，安裝固定在手柄內部。手柄的采用絕緣材料制成，如圖1所示。

圖1 手持端子結構模型

工作液經過水泵由管狀陰極后端輸入，再由前端噴向工件。管狀陰極表面敷有一層高可靠性的絕緣材料，以防止漏電而傷害操作人員。圖2中的擋板結構主要是為了防止工作液的反向噴濺，也起到了保護操作人員的作用。管狀陰極與電源陰極導線相連接，并用螺釘緊固保證鏈接可靠。進行手持式微弧氧化處理時，操作人員需握住手柄，使管狀陰極的前端接觸到待加工表面。調節好放電間隙后，在工件表面慢慢移動，隨著放電的進行，會在修復表面生成微弧氧化膜層。

工作液在手持式微弧氧化系統的工作過程中是循環利用的。噴向工件表面的工作液主要起到提供放電環境和冷卻的作用，進行局部修補處理的同時，在工作區域下方利用收集池進行收集，等待二次利用。需要指出的是，循環動力源使用的是耐強酸強堿潛水泵。

3 安全保護措施的設計

由于電子器件的限制，在手持式修復處理過程中，陰極與陽極不可發生短路。然而，人工手持操作很難保證萬無一失，且很難保證極間的放電間隙穩定。因此，本文設計了極間距離調節機構，以滿足上述要求。在管狀陰極的外表面安裝一個絕緣的硬管，該管緊貼在管狀陰極表面，可手動調節，不易滑脫。加工時，根據修復工藝的要求，選擇適當的放電間隙，然后調節絕緣硬管至超出管狀陰極放電端，使得管狀陰極包含在硬管內部。工人使用時，只需要將硬管的端部緊貼在修復表面，慢慢移動即可。硬管端部設有鋸齒，以便工作液流出。整個裝置在工人使用時非常方便與安全，能夠很好地提高加工效率和膜層的質量。

4 結語

本文設計了手持式微弧氧化放電裝置，包括有利于局部修復工藝的小功率單向恒壓脈沖電源設計、基于管狀陰極的手持式噴液機構的設計以及極間放電間隙的解決方案的設計，并設計了相關安全保護措施。