等離子弧噴涂設備的研制

金文宇

（中國航空工業(yè)集團公司 沈陽發(fā)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(yōu)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(shù)眾多，任何一個參數(shù)的微小變化都會影響噴涂層的性能，因此其發(fā)展受到限制。在等離子弧噴涂工藝參數(shù)的控制方法中，以往多采用二極管矩陣對數(shù)十個繼電器進行開環(huán)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(fā)展和控制理論的不斷完善，出現(xiàn)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(xiàn)了用PLC可編程控制器對噴涂工藝參數(shù)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(xiàn)了對噴涂工藝參數(shù)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(wěn)定可靠的工作性能，性能良好的程序控制電路以及對突發(fā)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(wěn)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(lián)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(xiàn)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(xiàn)冷卻薄弱部位、出現(xiàn)冷卻水短路和死水區(qū)。

（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(huán)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(huán)、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(fā)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(lián)使用，以滿足等離子弧噴涂功率的要求。串并聯(lián)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(xiàn)由CF6B-1A晶閘管觸發(fā)器對四臺電源電流的同步調節(jié)，在四臺電源的飽和電抗器控制線圈中均串聯(lián)一只電位器，調節(jié)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(jié)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(jié)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(fā)器和輔助電路可實現(xiàn)對上述電流的調節(jié)。即通過單相半控橋整流電路，用電位器和PLC兩種方式調節(jié)CF6B-1A晶閘管觸發(fā)器的給定電壓，使主電路輸出電壓隨之改變，從而實現(xiàn)對等離子弧噴涂電流的調節(jié)。

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(tǒng)應能向等離子弧提供電、氣和水，以獲得理想的等離子?。煌瑫r，應對主電流、送粉速率、噴槍運動速度等參數(shù)進行調節(jié)?？刂乒袷菍崿F(xiàn)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(xiàn)對等離子弧噴涂過程的自動控制及對主要工藝參數(shù)的自動調節(jié)，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(tǒng)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(tǒng)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(shù)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(shù)眾多、操作復雜的過程，控制系統(tǒng)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(fā)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(tǒng)，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(shù)進行預調；（4）最后啟動送粉電機，進入正常噴涂工作狀態(tài)；（5）噴涂結束后，按下停止按鈕，系統(tǒng)將根據(jù)控制程序的設計恢復到初始狀態(tài)。

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(tǒng)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(tǒng)軟件設計。以S7-300型可編程控制器為核心的硬件系統(tǒng)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(shù)的數(shù)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?？刂瓢粹o。

根據(jù)等離子弧噴涂工藝要求編制的控制系統(tǒng)主程序由開始、起弧、參數(shù)調節(jié)、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(jié)、送粉電機的開關、噴涂槍的運動、起弧（或熄?。╇娏鞯倪f增(或遞減)等過程，主程序流程如圖5所示。

5 結論

（1）根據(jù)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(xiàn)了水、電、氣、粉及各工藝參數(shù)的自動調節(jié)與控制。該控制系統(tǒng)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(fā)器可精確調節(jié)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(wěn)定，噴涂層性能良好。

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[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(fā)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.

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[5]王赫瑩，吳衛(wèi)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.