巴爾查斯PVD涂層機(jī)的起弧保護(hù)方式

王貴元

【摘要】隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，PVD等離子涂層業(yè)務(wù)也發(fā)展很快。在PVD等離子涂層中起弧保護(hù)是很重要的刀具保護(hù)措施之一。本文對(duì)針對(duì)巴爾查斯BAI1200PVD涂層設(shè)備的起弧保護(hù)進(jìn)行了研究，詳細(xì)分析了起弧保護(hù)的原理和動(dòng)作過(guò)程。

【關(guān)鍵詞】巴爾查斯；PVD涂層；起??；起弧保護(hù)

近年來(lái)，隨著中國(guó)工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，PVD涂層業(yè)務(wù)也發(fā)展很快。目前在國(guó)際市場(chǎng)上知名的PVD設(shè)備制造商有瑞士的巴爾查斯、德國(guó)的普拉提，荷蘭的豪澤等。其中巴爾查斯的涂層在國(guó)際上處于領(lǐng)先地位，市場(chǎng)占有率第一。在PVD涂層工藝過(guò)程中，起弧保護(hù)是重要的保護(hù)之一，好的起弧保護(hù)措施可以有效的避免加工零件灼傷，從而最大限度的保護(hù)工件。

一、巴爾查斯PVD涂層機(jī)介紹

巴爾查斯涂層設(shè)備最普遍的型號(hào)是BAI1200，在2006年后逐漸推出了新型號(hào)-INNOVA。無(wú)論是BAI1200和INNOVA設(shè)備涂層原理都是一樣的，都分為抽真空、刻蝕、涂層、冷卻、檢漏五個(gè)階段。其中最關(guān)鍵的階段是刻蝕和涂層：

刻蝕：是巴爾查斯涂層機(jī)特有的工藝。由弧電源在陰極和輔助陽(yáng)極間放電，對(duì)工藝氣體-氬氣進(jìn)行電離，從而形成氬氣的等離子體。等離子體中的帶正電的氬離子在偏壓電源產(chǎn)生的電場(chǎng)中進(jìn)行加速，高速撞擊工件的基體，把附在基體表面的氧化層打掉，從而增加了涂層的結(jié)合力。

涂層：金屬蒸發(fā)源（靶源）作為陰極，在真空的條件下通過(guò)它與陽(yáng)極腔體之間的弧光放電，使靶材蒸發(fā)并離化，形成空間等離子體。等離子體中的金屬正離子在偏壓電場(chǎng)的牽引下，鍍覆到工件基體表面形成涂層。

巴爾查斯涂層機(jī)的基本組成包括真空鍍膜室、陰極弧源、離子室、輔助陽(yáng)極、基片、負(fù)偏壓電源、真空系統(tǒng)、起弧保護(hù)裝置等。

二、“起弧”定義和判斷原理

“起弧”定義：在刻蝕和涂層階段，由涂層電源提供等離子體，在等離子體中包含大量的正離子和電子，如果此時(shí)在基體和腔體之間加上負(fù)向偏壓，則一部分正離子會(huì)被吸附到基體上，同時(shí)電子會(huì)被吸引到腔體，形成偏壓電流。正常情況下，偏壓電流均勻分布到基體和腔體之間。但是特殊情況下，偏壓電流突然上升，并且大部分電流都從工件上某個(gè)特定位置流過(guò)，這種情況我們稱之為“起弧”。起弧現(xiàn)象會(huì)引起工件灼傷，嚴(yán)重甚至報(bào)廢。

判斷原理：正常情況下，在刻蝕階段中的偏壓電流為10-20A，而在涂層階段的偏壓電流為30-50A。無(wú)論在刻蝕階段還是涂層階段偏壓電流都比較均勻。但是在“起弧”的時(shí)候，偏壓電流迅速上升，遠(yuǎn)超正常電流值。巴爾查斯設(shè)備就是根據(jù)測(cè)量偏壓電流和電流變化率的實(shí)際值來(lái)判斷是否有“起弧”現(xiàn)象發(fā)生。

“起弧”原因：關(guān)于起弧的原因有很多，在工作中我們發(fā)現(xiàn)除了設(shè)備不正常導(dǎo)致偏壓電流突然上升外，引起起弧的原因主要有兩個(gè)。在刻蝕階段主要是由于前處理（清洗和噴砂）不充分，導(dǎo)致工件過(guò)臟，這些雜質(zhì)在等離子體中會(huì)被二次電離，從而釋放出過(guò)多電子，導(dǎo)致偏壓電流突然上升。在涂層階段，基本上是由于工件在大盤(pán)（即裝載工件的架子，和偏壓電源陰極直接相連）上未進(jìn)行正確裝載，導(dǎo)致接觸電阻不斷變化。因?yàn)槠珘弘妷翰蛔?，所以電壓?huì)集中到電阻最大的地方，導(dǎo)致這個(gè)區(qū)域附近的工藝氣體發(fā)生電離，產(chǎn)生“起弧”。

三、“起弧”現(xiàn)象的處理過(guò)程

“起弧”檢測(cè)是基于偏壓電流的測(cè)量（如圖1），它的核心元件是起弧保護(hù)裝置12。偏壓電流是通過(guò)一個(gè)快速電流傳感器（1）和電流變化閾值比較器（2）來(lái)檢測(cè)的?？涛g和涂層階段的電流動(dòng)態(tài)閾值分別通過(guò)兩個(gè)可調(diào)電位計(jì)（3，4）設(shè)定。任何高于閾值的電流變化都被認(rèn)為是一次“起弧”。同時(shí)任何遠(yuǎn)高于正常電流絕對(duì)值也被認(rèn)為是一次“起弧”。為了防止損壞工件，起弧保護(hù)裝置和PLC馬上采取行動(dòng)來(lái)抑制“起弧”，最大限度地保護(hù)工件。下面詳細(xì)介紹這個(gè)保護(hù)的工作過(guò)程：

在檢測(cè)到一個(gè)“起弧”后，起弧保護(hù)裝置內(nèi)部的一個(gè)快速電子開(kāi)關(guān)（6）馬上把偏壓電源（7）從工件上斷開(kāi)，并驅(qū)動(dòng)一個(gè)晶閘管把偏壓電源（7）的兩個(gè)輸出端短接起來(lái)。這樣即使快速開(kāi)關(guān)（6）未及時(shí)斷開(kāi)，晶閘管（7）也能通過(guò)將偏壓電源輸出端短路引起電源的自我保護(hù)，從而抑制偏遠(yuǎn)電源的輸出。然后起弧保護(hù)裝置發(fā)送一個(gè)信號(hào)給PLC，PLC把偏壓電源的使能信號(hào)斷開(kāi)。延時(shí)一段時(shí)間后，PLC將偏壓電源的使能信號(hào)置位，工藝恢復(fù)。

（只有在刻蝕階段）：在“起弧”發(fā)生后，弧電源的電流有可能通過(guò)輔助陽(yáng)極（13）→工件（5）→離子室陰極（14）形成另外一個(gè)電流通路。這樣即使把偏壓電源斷開(kāi)后仍不能保證熄弧，工件仍然有被灼傷的危險(xiǎn)。為了避免這種風(fēng)險(xiǎn)，起弧保護(hù)裝置還要驅(qū)動(dòng)另外一個(gè)晶閘管（9）并使其動(dòng)作，短接弧電源兩端，使其能量不再輸出。同時(shí)讓PLC把等離子體電源的使能信號(hào)斷開(kāi)，弧電源關(guān)閉。延時(shí)一段時(shí)間后，PLC把弧電源和偏壓電源的使能信號(hào)同時(shí)置位，工藝恢復(fù)。

四、主要技術(shù)數(shù)據(jù)

刻蝕電流變化閾值：5A/ms

涂層電流變化閾值：13.5A/ms

偏壓電流最大值：100A（不管電流變化率如何，偏壓電流的絕對(duì)值大于100A，設(shè)備就認(rèn)為有”起弧”現(xiàn)象發(fā)生

短接晶閘管型號(hào)：T130N800，額定電流：800A

快速開(kāi)關(guān)型號(hào)：BB467828，功率元件IXYS MCO500

起弧抑制時(shí)間：2S

五、“起弧”數(shù)量和頻率的監(jiān)控

綜上所述，為了最大限度地保護(hù)工件，BAI1200設(shè)備為“起弧”現(xiàn)象做了完善的保護(hù)動(dòng)作。這個(gè)保護(hù)動(dòng)作會(huì)持續(xù)2S，也就是說(shuō)，在這2S的過(guò)程中，偏壓電源和弧電源處于關(guān)閉狀態(tài)。但設(shè)備總的刻蝕和涂層時(shí)間是程序設(shè)定好的，不能改變。如果“起弧”數(shù)量過(guò)多，就會(huì)導(dǎo)致刻蝕和涂層時(shí)間不足。刻蝕時(shí)間不足會(huì)導(dǎo)致刀具結(jié)合力不好，涂層時(shí)間不足會(huì)導(dǎo)致涂層厚度降低，不符合質(zhì)量要求。另外起弧數(shù)量過(guò)多也會(huì)導(dǎo)致電源頻繁開(kāi)啟/關(guān)斷，對(duì)設(shè)備也是一種沖擊。從質(zhì)量和設(shè)備的角度出發(fā)，設(shè)備需要對(duì)“起弧”數(shù)量進(jìn)行監(jiān)控。

“起弧”數(shù)量的監(jiān)控是由工控機(jī)來(lái)完成的。PLC接收到從起弧保護(hù)裝置發(fā)送來(lái)的信號(hào)后，同時(shí)傳送給工控機(jī)。工控機(jī)接收到信號(hào)后開(kāi)始計(jì)數(shù)，如果在采樣周期內(nèi)“起弧”數(shù)量超過(guò)設(shè)定值（在刻蝕階段為90S/最大10個(gè)，在涂層階段為900S/最大100個(gè)），則，設(shè)備產(chǎn)生報(bào)警，自動(dòng)循環(huán)停。

巴爾查斯的起弧保護(hù)裝置，抑制起弧能力強(qiáng)，關(guān)斷可靠。缺點(diǎn)是抑制時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，在有過(guò)多“起弧”的情況下，涂層厚度不能得到有效保證。而且裝置復(fù)雜，價(jià)格較高。

參考文獻(xiàn)

[1]歐瑞康巴爾查斯公司.BAI1200 涂層機(jī)操作手冊(cè)，2003（07）.

[2]過(guò)增元，趙文華.電弧和熱等離子體.科學(xué)出版社，1986（12）.