技术领域:
[0001] 本
发明属于表面工程学科喷涂技术领域,是电弧喷涂技术中的一种新型组合式结构类型的电弧喷涂设备。背景技术:
[0002] 表面工程是一
门综合性的新型学科,喷涂技术是表面工程学科中的一门非常重要的表面改性技术,由于具有极强的应用价值和重大的经济效益及社会效益,同时在节省
能源和资源、维修和再制造、环保和污染等方面体现出的优越性,所以有
力地推动了该技术的飞速发展。近年来在喷涂方法、设备、工艺、材料等方面创造出了很多新的成果,本发明是一种新式的电弧喷涂设备,用于
热喷涂领域中涂层的制备。
[0003] 电弧喷涂原理与
焊接不同,它是将两根作为
电极的丝材经
短路熔化,通过压缩空气将熔化金属雾化并以高速喷射到
工件表面形成涂层。实现良好的电弧喷涂工艺,必须由高性能的电弧喷涂设备来完成。目前的电弧喷涂设备一般分为“推丝式”和“
拉丝式”两大结构类型,本发明属“推丝式”电弧喷涂设备类型。
[0004] 众所周知,目前的推丝式电弧喷涂设备(
附图1)主要由喷涂电源1、送丝装置2、喷涂枪3的独立装置组成,他们之间由两根喷涂电源输出
电缆4、
送丝机多股控制线5、喷涂枪手动
开关控制线6、两根
导丝管电缆7、空气
压缩机8的高压气管9连接后工作。这类设备一般选用250A以上的中大型喷涂电源,喷涂效率高,是当前应用最为成熟和使用最为普遍的设备。这类设备的
输出电压调压方式通常采用大功率档位开关10,控制电源
变压器原端抽头来调节喷涂的电压,有的设备附加了电压微调钮11。这种结构的设备缺点是:①设备重体积大,喷涂单元装置之间的外接缆线较多,对搬运、安装拆卸或在某些场合(尤其是野外施工)使用很不方便。另外由于外接缆线较多,容易引起设备
接触不良而产生故障。②由于是档位有极调压方式,必须关机后才能调压,否则容易烧坏调压开关10或设备,所以在喷涂过程中调压很不方便。③由于丝盘12不封闭,喷涂
烟尘不可避免地会落在喷涂丝材13上,因此灰尘会随着送丝带入导丝管电缆7内和送丝轮14上,引起导丝管阻塞或送丝轮粘灰现象,直接影响平稳送丝和电弧稳定燃烧,从而会降低喷涂
质量。为了减轻设备的重量和提高设备的使用性能,如华中科技大学等单位研制了逆变式电弧喷涂电源,但体积仍然较大。
发明内容:
[0005] 从背景技术分析的“推丝式电弧喷涂设备”现状和特点可知,这类设备仍存在一定的
缺陷和问题:①设备重体积大(即使是逆变电源,体积也大),单元装置分散外接缆线多;②不能喷涂过程中无级调压;③送丝装置和丝盘封闭欠佳;④没有设置安全检丝措施。本发明的目的在于提供一种设备体积小、重量轻、性能安全可靠、使用方便、操作简单、喷涂质量稳定的一体推丝式电弧喷涂设备(附图2)。
[0006] 1.本发明的技术关键和方案:
[0007] 为了解决上述问题和不足,本发明采用逆变式喷涂电源,并将设备单元装置整体组合成一体式的技术方案。
[0008] 1.1喷涂设备引入逆变技术
[0009] 参照逆变电焊机的电气原理进行设计喷涂电源,其方案是:①为提高设备负载持续率,对主
电路系统的元器件功率参数进行调整;②对
电子控制电路系统进行改制,增加无级调压的功能;③对送丝电路系统的元器件功率参数进行调整,增大送丝输出功率。
[0010] (1)采用逆变技术设计的喷涂设备,目的是:众所周知的体积小重量轻,高效节能,动特性好,操作灵活。
[0011] (2)改制控制电路,使输出
电流(0~300A)和电压(10~50V)均为无级调节,目的是:在喷涂过程中可随意调节参数(避免停机调节电压值),从而容易获得最佳的喷涂工艺参数。
[0012] (3)主电路系统元器件功率参数的调整,使喷涂电流在300A条件下使用,负载持续率为100%,目的是:实现喷涂丝材小于Φ2.0mm正常喷涂电流条件下能连续作业。
[0013] (4)改制送丝电路,目的是:①设置手动/自动喷涂转换开关,便于选择不同的操作方式。②设置检丝/喷涂转换开关,避免电弧烧伤操作者和损坏设备,益于安全操作。③送丝电路元器件功率参数的调整,使送丝输出功率增大,满足喷涂丝材稳定送进(焊接是单丝送丝,喷涂是双丝送丝,送丝
电机功率大)。
[0014] 1.2设备单元装置的整体组合封闭(附图3)
[0015] 喷涂电源21、送丝装置22、丝盘
支架23整体组合并封闭成一体式结构,目的是:使设备整体布置紧凑、体积更小,同时减少外接缆线,拆装方便,减少故障。对喷涂电源和送丝装置上的操作元件组合简
化成一个控制面板,目的是:操作简易方便,减少误操作。
[0016] 1.3喷涂设备与喷涂枪配套
[0017] 选用自制的电弧喷涂枪(附图4),与整体组合的一体式设备配套成完整的一体推丝式电弧喷
涂装置。
[0018] 2.本发明过程中涉及的主要内容:
[0019] 2.1设备的主要性能参数
[0020] 输入电压: 380V±10%
[0021] 功率:15KVA
[0023] 喷涂丝直径:Φ1.6~Φ2.0mm
[0024] 喷涂电压10~50V
[0025] 喷涂电流:0~300A
[0026] 负载持续率100%
[0027] 设备重量:28kg(不包括丝盘)
[0028] 外形尺寸:W350×L650×H600mm
[0029] 2.2设备的电路设计(附图5)
[0030] 以满足喷涂工艺,达到性能指标,解决上述问题为依据,喷涂设备电路的设计参照逆变电焊机电气原理,设计内容有:主电路系统,电子控制系统,送丝控制系统。
[0031] (1)主电路系统-设计的主电路由输入电路(输入整流、C滤波)、逆变电路(MOSFET功率开关元件、逆变
降压变压器)、输出电路(输出整流、L滤波)组成。根据喷涂方法的要求,电源为平特性,直流输出。为满足喷涂工艺的要求,输出电流在0~300A和输出电压在10~50V宽范围内均为无级调节,负载持续率为100%,设计时选用了高性能大功率的元件。
[0032] (2)电子控制系统-设计的电路主要由驱动脉冲功率放大电路、时间比率(TRC)PWM控制电路、给定电路、反馈电路、比较放大电路和保护电路组成。采用市售的标准控制板,在整机调节时,由于部分参数不匹配,对个别元件进行了更换,并增设了无级调压控制。
[0033] (3)送丝控制系统-设计的电路由送丝电机整流电路、调节送丝速度的控制电路、程序控制电路组成。设计时采用了市售的标准PCB板,但喷涂送丝电机功率大,所以对整流电路和输出电路选用了高性能大功率的元件。同时对电路进行了改制,增设了喷涂/检丝和手动/自动喷涂功能。
[0034] 2.3设备的整体组合(附图3)
[0035] 2.3.1设备组合
[0036] 本发明的电弧喷涂设备是将逆变式喷涂电源21、送丝装置22和丝盘支架23(包括丝盘)整体组合并封闭成一体式。对喷涂电源和送丝装置上的操作元件经合并简化置放在设备的前面板上26。采用自制的电弧喷涂枪(附图4)与一体式电弧喷涂设备配套。
[0037] 设备主要由机箱20、逆变式喷涂电源21、送丝装置22、丝盘支架23、喷涂枪24和三根外连接缆线组成(不包括气管)。
[0038] (1)机箱20-由
机架25、操作面板26、后面板27、送丝装置罩28、喷涂丝材罩29、机箱侧板30组成。内装喷涂设备的电器元件、送丝装置22和丝盘支架23。
[0039] ●操作面板26-是喷涂操作的控制面板,装有需要调节喷涂参数和设置喷涂方式的控制元件。下方有通
风散热通道。
[0040] ●后面板27-装有输入电源
接线盒31和设备的总电源开关32,下方有散热风扇
通风孔33。
[0041] ●送丝装置罩28-安装在机箱前上方,能掀开和盖下。在安装喷涂丝和调节送丝轮时,应掀开该罩便于作业;在喷涂作业时,应盖下该罩,避免喷涂灰尘落入送丝装置内。
[0042] ●喷涂丝材罩29-安装在机箱后上方,能掀开和盖下。在安装喷涂丝盘和穿丝时,应掀开该罩便于作业;在喷涂作业时,应盖下该罩,避免喷涂灰尘落喷涂丝上。
[0043] (2)逆变式喷涂电源21-安装在机箱后下方,由喷涂设备的电器元件34、散热风扇35和
连接线组成,是喷涂设备的核心单元。
[0044] (3)送丝装置22-主要由送丝电机36、传动机构37和送丝总成38组成,负责将喷涂丝材送入喷涂枪24中。送丝总成38是采用五轮传动结构,送丝稳定。
[0045] (4)丝盘支架23-用于放置和固定装有喷涂材料的丝盘12(附图1)。
[0046] (5)喷涂枪24-主要由枪体41、枪把42、手动喷涂开关43和控制线44、导电嘴45、导丝管46、风帽47、气
阀48和快速接头49等组成,产品照片见附图5。负责将两根喷涂丝短路产生电弧,通过压缩空气雾化形成喷涂焰流。
[0047] (6)外连接管线-包括两根导丝管电缆7和一根高压气管9。导丝管电缆负责连接喷涂设备和喷涂枪;高压气管负责连接空气压缩机和喷涂枪。
[0048] 2.3.2操作面板26
[0049] ●电源指示灯51-显示喷涂设备供电状态,指示灯亮表示喷涂设备供电。
[0050] ●喷涂指示灯52-显示喷涂操作供电状态,指示灯亮表示喷涂供电正常,允许喷涂。
[0051] ●异常指示灯53-显示喷涂设备运行状态,指示灯亮表示设备有故障,需要检修。
[0052] ●电流显示表54-显示喷涂电流值。
[0053] ●电压显示表55-显示喷涂电压值。
[0054] ●电流调节钮56-调节喷涂电流值的大小。
[0055] ●电压调节钮57-调节喷涂电压值的大小。
[0056] ●电感调节钮58-调节设备电感值的大小。
[0057] ●喷涂开关59-是喷涂/检丝的转换开关,置于喷涂
位置时,喷涂电源接通,可进行喷涂作业。置于检丝位置时,喷涂电源切断,电弧不能燃烧,但送丝系统仍正常,允许调节和检查送丝情况,设置该开关的主要目的是为了安全操作,在安装、调节和检查喷涂丝材送丝时,由于喷涂丝材短路而不会引弧燃烧,可有效地避免电弧伤人和短路损伤设备。
[0058] ●自动喷涂开关60-是自动喷涂/手动喷涂的转换开关,置于自动位置时,喷涂是连续进行的,但喷涂枪上的喷涂开关不起作用。置于手动位置时,操作者通
过喷涂枪上的喷涂开关可以喷涂(按下开关)或停止(松开开关)作业。设置该开关的主要目的是为了喷涂作业方便,有选择性,减轻操作人员的劳动强度。
[0059] ●
喷枪开关
接口61-是连接喷涂枪手动开关控制线44的接口。
[0060] ●送丝电缆接口62-是用导丝管电缆7连接喷涂枪导丝管46的接口,为喷涂枪送丝和提供喷涂电流的汇合接口。
[0061] ●电源接线盒31-是连接网络配电盘的输入接线盒(位置在喷涂设备后面板上)。
[0062] ●总电源开关32-是喷涂设备供电的控制总开关(位置在喷涂设备后面板上)。
[0063] 2.3.3设备的安装
[0064] ●用三相四线电缆,将喷涂设备的电源接线盒31与配电盘连接。设备必须安全接地。
[0065] ●用导丝管电缆7,将喷涂设备的送丝电缆接口62与喷涂枪的导丝管46连接。
[0066] ●用喷涂枪上的喷涂开关控制线44与喷涂设备的喷枪开关接口61连接。
[0067] ●用高压气管9,将空气压缩机与喷涂枪的气阀48连接。
[0068] 2.3.4设备的喷涂操作程序
[0069] ●将带有喷涂丝材的丝盘12(附图1)安装在喷涂设备的丝盘支架23上,丝头方向朝下,并将丝头穿入送丝装置的送丝轮39槽中和导丝管电缆7内,压紧送丝轮39。
[0070] ●将喷涂开关59置于检丝位置,自动喷涂开关60置于手动位置,打开喷涂设备总电源开关32,电源指示灯51亮。按动喷涂枪的手动喷涂开关43,将两根喷涂丝送出喷涂枪的导电嘴45外2mm左右为止(两根丝不许接触短路)。
[0071] ●将喷涂开关59置于喷涂位置,喷涂指示灯52亮,按下喷涂枪的手动喷涂开关43进行喷涂,松开喷涂枪的手动喷涂开关43停止喷涂。
[0072] ●喷涂工艺参数的调节可以在喷涂过程中进行,通过喷涂枪上的气阀48调节雾化气体流量,通过电流调节钮56和电压调节钮57调节喷涂电流和电压值。
[0073] 3.由于采用了上述技术方案,本发明取得了如下效果:
[0074] (1)采用了逆变喷涂电源,设备达到了体积小重量轻,高效节能,动特性好,操作灵活方便,性能稳定,喷涂质量好的效果。
[0075] (2)设计的输出电流(0~300A)和电压(10~50V)均为无级调节功能,实现了在喷涂过程中随意调节参数而不用停机的目的,更重要的是很方便就能调节出最佳的喷涂工艺参数,大大地提高了喷涂质量的效果。
[0076] (3)考虑到常用喷涂丝材直径小于Φ2.0mm,使用喷涂电流在300A一下,设计的负载持续率为100%,能满足连续喷涂作业的能力。
[0077] (4)设置的手动/自动喷涂转换开关,能方便地选择操作方式,满足了连续、断续喷涂作业方式的需要。设置了检丝/喷涂转换开关,能有效地避免操作人员在喷涂丝材安装、调节和检查时,由于丝材短路电弧伤人和损伤设备,起到了操作安全的效果。
[0078] (5)设备单元部件的整体组合和操作控制元件的合并简化,达到了如下的效果:①由原来的6根外接缆线减少到3根(不包括气管),有效地克服了由于控制线接触不良引起的设备故障,提高了设备使用的可靠性,同时也减少了外接缆线的拆装工作量。②操作控制元件的合并简化,有效地减少了喷涂过程中的误操作次数,使操作简便易掌握。③设备的整体组合和封闭,有效地避免了喷涂烟尘落在送丝装置和喷涂丝材上,减少了导丝管阻塞和送丝轮粘灰现象,提高了设备送丝平稳,电弧燃烧稳定的可靠性,保证了良好的喷涂质量;同时也起到了防止其它物体飞落在喷涂丝上造成丝材短路或损伤的作用。④设备整体组合紧凑布置合理,体积缩小,便于拆装搬运,适宜野外或高空作业。
附图说明:
[0079] 附图1是目前的推丝式电弧喷涂设备示意图;
[0080] 附图2是本发明的一体推丝式电弧喷涂设备产品照片;
[0081] 附图3是本发明的一体推丝式电弧喷涂设备示意图;
[0082] 附图4是自制的电弧喷涂枪产品照片;
[0083] 附图5是本发明的一体推丝式电弧喷涂设备电气原理方
框图。
[0084] 附图1标记说明:
[0085]标注号 名称 标注号 名称 标注号 名称
1 喷涂电源 6 喷涂枪手动开关控制线 11 电压微调钮
2 送丝装置 7 导丝管电缆 12 丝盘
3 喷涂枪 8 空气压缩机 13 喷涂丝材
4 喷涂电源输出电缆 9 高压气管 14 送丝轮
5 送丝机控制线 10 档位调节开关
[0086] 附图3标记说明:
[0087]标注号 名称 标注号 名称 标注号 名称
7 导丝管电缆 33 风扇通风孔 49 快速接头
9 高压气管 34 喷涂设备的电器元件 51 电源指示灯
20 机箱 35 散热风扇 52 喷涂指示灯
21 逆变式喷涂电源 36 送丝电机 53 异常指示灯
22 送丝装置 37 传动机构 54 电流显示表
23 丝盘支架 38 送丝总成 55 电压显示表
24 喷涂枪 39 送丝轮 56 电流调节钮
25 机架 41 枪体 57 电压调节钮
26 操作面板 42 枪把 58 电感调节钮
27 后面板 43 手动喷涂开关 59 喷涂开关
28 送丝装置罩 44 手动喷涂开关控制线 60 自动喷涂开关
29 喷涂丝材罩 45 导电嘴 61 喷枪开关接口
30 机箱侧板 46 导丝管 62 送丝电缆接口
31 电源接线盒 47 风帽
32 总电源开关 48 气阀
[0088] 具体实施方例:
[0090] 电站
锅炉水冷壁抗冲刷磨损涂层的现场喷涂
[0091] 1.使用条件:水冷壁经长时间使用表面已损伤,需要修复。水冷壁的
温度约300℃,使用过程中承受
煤粉的冲刷磨损、煤烟气的
腐蚀和高温热
辐射,要求涂层具有一定的耐高温、抗冲刷磨损和腐蚀的性能,保证涂层在使用过程中不起层掉
块等影响使用性能的任何缺陷。
[0092] 2.涂层的设计:根据使用条件和对涂层质量的要求,选择NiCr/CrC喷涂药芯丝材,喷涂丝的规格尺寸全部选用Φ2mm,喷涂后的涂层厚度应>0.18mm。
[0093] 3.喷涂工艺:使用本发明的喷涂设备,采用手工操作喷涂作业方式。
[0094] 3.1对水冷壁表面粗化:采用
喷砂的方法,对水冷壁表面进行喷砂,达到表面有金属光泽。
[0095] 3.2工艺参数的调节:预调好雾化压缩空气压力和流量,喷涂电压,喷涂电流(即送丝速度)。该工艺参数的调节与喷涂丝材的材质种类、喷涂丝材的规格直径大小有关,材质和直径的大小不同,所对应的参数也不同。压缩空气的压力为0.8Mpa,压缩空气的气体流量大小以喷涂焰流的雾化效果而定,流量太大或太小,喷涂电弧焰流均会发散而不集中。喷涂电压为32V,喷涂电流为160A。气体流量、电压、电流都可以在喷涂中进行调节,以喷涂电弧焰流直径最小、喷射力最强时为最佳状态。
[0096] 4.喷涂:水冷壁的喷涂为高空作业,需要搭建操作架方能喷涂,采用本发明的设备,由于体积小、重量轻、外接缆线少等特点,能方便的搬运到操作加上,而且在操作架上也容易挪动,所以节省了很多时间,提高了喷涂效率,作业非常方便。由于喷涂丝采用了封闭措施,9天的喷涂过程中,从来未产生过阻丝和其它设备故障问题。
[0097] 5.涂层检验:通过检查,没有发现涂层有起裂、掉块、鼓包的缺陷,涂层表面平整,涂层最小的厚度为0.20mm。
[0098] 6.使用结果:喷涂后的水冷壁经使用,其寿命比新水冷壁提高3倍多,寿命成本降低了1.5倍以上。
[0099] 实施例二:
[0100] 煤气管道表面防腐涂层的野外施工喷涂
[0101] 1.使用现状:沿海一带中小城市煤气管道的铺设,很多管道均暴露在潮湿的大气中,有的管线高架在空中,经几年时间的使用后,表面的
镀锌层或油漆防护层均出现剥离腐蚀现象。如果重新刷漆,使用寿命比较短,如果更换的新管线,必须停气,而且施工周期长,影响人们的正常生活,另外成本也很高。采用喷涂的方法可以解决这些问题,但野外空中作业十分不便,采用本发明的喷涂设备,由于体积小、重量轻、外接缆线少,操作灵活等特点,能方便地实现该工程的施工。
[0102] 2.涂层的设计:根据海洋性大气腐蚀防护机理,选择了Zn-Al-Mg喷涂丝材,众所周知,这种材料的防护寿命最低可达30年以上,而且具有涂层结合强度高、涂层致密、喷涂成本低的特点,所以能显著地提高管线的使用寿命。选用Φ2.0mm的喷涂丝,喷涂后的涂层厚度>0.10mm,可大大地降低制造成本。
[0103] 3.喷涂工艺:考虑到成本问题,采用河流砂进行管道的表面喷砂粗化处理。采用本发明的喷涂设备,通过手工操作喷涂方式作业,喷涂后的涂层采用规定
颜色的油漆进行封孔处理。
[0104] 4.喷涂的实现:管线的空中作业施工,由于本发明的设备重量轻、体积小,采用吊篮的方式,将设备放置在吊篮中,吊篮用可移动
滑轮挂在管线上,一边喷涂,一边滑动吊篮进行施工,作业非常方便,喷涂效率也很高。
[0105] 5.涂层检验:通过检查,没有发现涂层有任何缺陷,而且涂层表面平整、光洁、致密。采用榔头的平面敲击涂层,涂层不会被砸掉。