专利名称：等离子体设备和系统的制作方法
技术领域：
0002本发明大体上涉及等离子体喷枪和等离子体系统，以及 更具体的涉及用于材料的等离子体处理和等离子喷涂的双等离子体喷
枪'
背景技术：
0003用于材料的等离子体处理和等离子喷涂的热等离子体系统 的效率和稳定性可由各种参数影响。正确地建立等离子流并维持等离子 流的工作参数可由例如形成与电极有可靠连接的稳定电孤的能力所影 响。类似地，电孤的稳定性也可为电极腐蚀和/或等离子流轮廓或位置的 稳定性的函数.等离子流的轮廓和位置的改变可导致由等离子体喷枪产 生的等离子流的特性的变化。另外，等离子体的轮廓、位置和特性的这 种变化可影响等离子体系统产生的等离子体处理材料或涂层的质量.
0004在如示于图1的传统的双等离子体设备100中，阴极头和阳 极头IO、 20通常布置成彼此成90度角。供给管道112，通常布置在头之间， 可提供待被等离子体处理的材料，部件通常布置成提供封闭的处理区 110，在该处理区中发生电弧耦合。彼此之间相对紧密的接近以及由其闺 封的小空间，通常会产生电弧不稳定的趋势，特别是在高压和/或低的等 离子体气体流率时。在电孤优先地将其本身连接到较低电阻通路时会发
生电弧的不稳定，通常称为"侧面起弧(sidearcing)".通常涉及使用 屏蔽气体来企图防止侧面起弧，但是，这种方法通常导致设计更加复杂， 并且导致等离子体的温度和焓较低.较低的等离子体的温度和焓从而导 致更低的处理效率.
0005所要求保护的主題的特征和优点将从下文中与其一致的 实施例的描述中变得明显，其中描述应该结合附图来考虑，其中
0006图l为传统的倾斜的双等离子体设备的实施例的详细示意
0007图2为双等离子体设备的示意0008图3a-b分别示意性地描述了与本发明 一致的阴极等离子体 头和阳极等离子体头的实施例；
0009图4为与本发明的一个方面一致的等离子体通道的实施例 的详细视图，其中等离子体通道包括三个具有不同直径的圆柱形部分；
0010图5为与本发明一致的具有形成模块的上游和下游部分的 形成模块的实施例的详细示意图.
0011图6示出了设置为将辅助等离子体气体输送到等离子体通 道的实施例；
0012图7a-b描述了与本发明一致的用于喷射辅助等离子体气体 的装置的轴向和径向横截面和剖面视0013图8a-b示出了设置为轴向喷射材料的单个双等离子体喷枪 的视0014图9a-c示出了设置为径向喷射材料的单个放等离子体喷
枪;
0015图10为包括两个双等离子体喷枪的等离子体喷枪组件的 示意0016图lla-b为等离子体喷枪组件的顶视图和底视图，该等离 子体喷枪组件包括设置为轴向喷射材料的两个双等离子体喷枪；以及
0017图12a-b示出了喷枪定位成50。时，等离子体气体流率和电 流对电弧电压的影响.
具体实施例方式
0018总的来说，本发明可提供双等离子体喷枪系统，双等离 子体喷枪系统的模块和元件，等等，它们可在各种实施例中显示以下 的一个或多个相对宽的等离子体参数工作窗口，更稳定和/或更均匀 的等离子流，以及更长的电极寿命.另外，本发明可提供可以控制待 被等离子体处理或等离子喷涂的材料喷射进等离子流的工具.因为双等离子体设备相对高的效率，其可在材料的等离子体处理、粉末球化、 废物处理、等离子喷涂等等中得到广泛的应用.
0019与本发明一致的双等离子体设备可提供基本上更高效率 的材料等离子体处理.部分地，可由相对低的等离子体流率和速度和 可为大概或低于大约70(M00的相关雷诺数来实现更高的效率，与这种 等离子体流率和速度一致，材料在等离子体流中的停留时间可足够长 以允许等离子能量的有效利用，所期望的等离子体处理期间的材料转 变可以以高的效率和生产率发生。另外，与本发明一致的双等离子体 设备也可减少，或消除側面起弧的发生，侧面起孤通常与高电压和/或 低的雷诺数有关.
0020参看图2，双等离子体设备100可在阳极等离子体头20和 阴极等离子体头10之间产生电弧7，其中阳极等离子体头20和阴极等离 子体头IO相应地连接到DC电源的正极端子和负极端子.如图2所示，等 离子体头10和20可布置成彼此成a角，轴的会聚提供等离子体头IO、 20 的耦合区。
0021参看图3，本发明可大体上提供包括描述于图3a中的阴极 等离子体头和描迷于图3b中的阳极等离子体头的双等离子体设备，如 示出的，阳极和阴极等离子体头可通常有相似的设计.阳极和阴极等 离子体头之间的主要不同可在于电极的设计.例如，在特定的实施例 中，阳极等离子体头可包括阳极45a，其可由具有相对高的电导率的材 料制造.示例性的阳极可包括铜或铜合金，其它合适的材料和结构也 容易理解，阴极等离子体头可包括插入物43，其被插进阴极夹持器45b. 阴极夹持器45b可由具有高电导率的材料制成，与阳极相似，阴极夹持 器45b可为铜或铜合金等等.插入物43的材料可选择成当与特别的等离 子体气体结合使用时，为插入物提供长的寿命.例如，当氮或氩用作
等离子体气体时，有或没有附加的氢或氦时，镧化鴒(Lanthaneited Tungsten )或Torirated Tungsten可为合适的使用材料。类似的，在使 用空气作为等离子体气体的实施例中，铪或锆插入物可为合适的材料， 在其它的实施例中，阳极可具有与阴极相似的设计，并可包含鵠或铪 或其它可提高电弧的稳定性并可延长阳极的寿命的插入物.
0022等离子体头可大体上由电极模块99和等离子体形成组件 97形成.电极模块99可包括例如以下的主要元件电极壳体23;主等离子体气体供给通道25,其具有入口零件27;旋流螺母47，其形成等 离子体气体的旋流部分；以及水冷式电极45a或45b,各种附加部件和/ 或替代部件可容易地理解并有利地与本发明的电极模块结合使用.
0023等离子体形成组件97可包括例如以下的主要元件壳体 11;形成模块30，其具有上游部分39和出口部分37;冷却水通道13， 其与进水口15连接；绝缘环35。形成模块30可大致形成等离子体通道 32.
0024在示出的示例性等离子体头中，主等离子体气体通过入 口零件27供给到位于绝缘体51中的通道25中.随后，等离子体气体进 一步被引导通过制造在旋流螺母47中的一组槽和孔，并通过阳极45a或 阴极夹持器45b之间的槽44进入等离子体通道32和形成模块30的上游 部分39中，其中阴极43安装在阴极夹持器45b中。其它各种结构可可替 代地，或附加地被用于将主等离子体气体提供给等离子体通道32。
0025与本发明一致的等离子体通道32可独特地便于产生和可 保持这样的受控电弧，即该电弧在相对低的主等离子体气体流率时显 出减小或消失的侧面起弧的趋势，例如，其可显示大约800到1000的范 围内的雷诺数，以及更具体的，显示低于700的范围内的雷诺数。
0026等离子体通道32可包括三个大体上圆柱形的部分，如在 图4中更详细地示出的.等离子体通道32的上游部分38可布置成与电极 例如阴极插入物43和阳极45b相邻，并可具有直径D1和长度L1。等离子 体通道32的中间部分40可具有直径D2〉D1和长度L2.等离子体通道32 的出口部分42可具有直径D3〉D2和长度L3。
0027上游圆柱形部分38可产生等离子流的优化速度，该速度 提供等离子流向描述在图2中的耦合区12所进行的可靠扩展或传播.直 径D1可比阴极直径D0大，通常，直径D1的最佳值取决于等离子体气体 流率和电弧电流。例如，在一个实施例中，如果使用氮作为等离子体 气体，并且等离子体流率在大约0,3-0.6gram/sec的范围内且电弧电流在 大约200-400A的范围内，那么Dl可通常在大约4.5-5.5mm的范围内，在
利用更高等离子体气体流率和/或更高电弧电流的实施例中，通常可增 大第一部分的直径D1。
0028第一部分的长度(Ll)可通常被选择为足够长以允许形 成稳定的等离子流。但是，在L1〉2D1时笫一部分中侧面起弧的可能性会增加。根据实验，比值L1/D1的期望值可描述如下
0.5<L1/D1<2 (1)
0029L1和D1之间的更优选的比值可描述如下
0.5<L1/D1<1.5 (la)
0030等离子体通道32的笫二部分40和第三部分42可允许提高 等离子体气体在通道内的电离水平，也可以允许进一步形成提供所期 望速度的等离子流.等离子体通道32的所述第二部分40和第三部分42 的直径可通常由关系D3〉D2〉D1表征。直径的前述关系可有助于在等 离子体通道32的所述第二部分40和第三部分42中避免进一步的侧面起 弧，也有助与降低工作电压。
0031第二部分的附加特征可描述如下
4mm>D2-Dl>2mm (2) 2>D2/D1>1.2 (3)
0032第三部分的附加特征可描述如下
6mm>D3-D2>3.5mm (4) 2>L3/(D3-D2)>1 (5)
0033对由上述关系和特征确定的锻造几何形状的各种修改和 变更也可在一些实施例中提供期望的性能。在图3和4中示出的实施例 中，等离子体通道32在三个大体为圃柱形的部分之间显示了台阶状剖 面.除了台阶结构，也可以适当地使用对连接这三个圃柱形部分的等 离子体通道的几何形状的各种不同选择.例如，圃柱形部分之间的圓 锥形或相似的过渡，以及台阶的圃化边缘，也可以用于同样的目的.
0034与上文的关系(1) - (5) —致的具有等离子体通道的双 等离子体设备，可提供在相对宽的工作参数范围内减少了或消除了侧 面起弧的稳定工作.但是，在一些情况下，当等离子体流率和等离子 体速度进一步减小时，仍然会发生"侧面起孤".例如，具有尺寸为 Dl=5mm、 Ll-3mm、 D2=8mm、 L2=15mm、 D3=13mm、 L3-6mm的等 离子体通道的双等离子体喷枪的示例性实施例可在电孤电流为150-350 安培、使用氮作为主等离子体气体并设置在大于0.35grams/sec的流率的 情况下工作而没有"侧面起弧".将氮流率降低到低于0.35g/sec，特别 是低于0.3g/sec时会导致"侧面起弧".根据本发明，进一步降低等离 子体气体流率并同时仍旧最小化或防止侧面起孤，是可以通过在形成模块30的结构中执行电绝缘元件来实现的.
0035也参看闺5，示出了形成模块30的实施例，其中由陶瓷绝
在这个示出的实施例中，密^0形环55可与绝缘环75协同使用.形成模 块30的上游部分39和下游部分37的电绝缘可导致电孤和等离子流附加 的稳定性，即，提供显示减少了或消除了側面起孤的等离子流，即使 在很低的等离子体气体流率以及相关的低值雷诺数时.例如，具有与 上述示例性实施例相同的等离子体通道尺寸并在相同电流水平下工作 的等离子体头，在对其示例性实施例进行测试期间，当氮流率降低到
0.25g/sec时，不会观察到侧面起孤，可能需要对模块30的各元件进行附 加的电绝缘以允许在最小化或消除側面起弧的同时更进一步减小等离 子体气体流率。这种附加绝缘可相应地增加双等离子体设备的复杂性.
0036图3a-b示出了双等离子体设备的实施例，其中等离子体气 体，或等离子体气体的混合物，仅通过气体供给通道27和旋流螺母47 提供.在一些情况下，环绕着电极提供等离子体气体可引起电极的过 度腐蚀，特别是如果等离子体气体混合物包括空气或另 一种活性气体 时。根据本发明的一个方面，可通过如上文描述的经由旋流螺母47提 供惰性气体例如氩并在电极周围通过来减少或防止电极的腐蚀.活性 的或附加的辅助气体或气体混合物，可分别供给到槽44的下游，槽44 在阳极45a或阴极43和形成模块30的上游部分39之间.图6示出了为阴 极等离子体头提供等离子体气体的辅助引入的实施例.容易理解用于 阳极等离子体头的相应的结构.可通过位于分配器41内部的气体入口 81将辅助等离子体气体供应到气体通道79.自通道79，辅助气体可通 过位于形成模块30的上游部分39的槽或孔77供给到等离子体通道32. 也参看图7，以轴向和径向横截面示出了用于辅助等离子体气体供给的 一个可能特征的示例性实施例.在示出的实施中，四个槽77可设置在 上游部分39中以将辅助等离子体气体供应到等离子体管道32.如示出 的，槽77可被布置成将辅助等离子体气体大致相切地引入等离子体通 道32,也可以合适地使用其它布置.
0037可以有各种可能的布置来实施一个或若干个根据本发明 的双等离子体设备以满足与材料的等离子体处理和等离子喷涂相关的 不同的技术要求.在这些布置中，可使用待被等离子体处理的材料的轴向的、径向的和轴向/径向相结合的喷射，图8-ll示出了与双等离子 体设备结合用于材料喷射的示例性结构，也可以合适地使用各种其它 结构.
0038图8和9示出了结合单个双等离子体喷枪执行喷射的结构， 分别提供了待处理的材料的轴向和径向的供给.阴极头10和阳极头20 之间的角ot可为确定耦合区的位置、电弧长度、以及从而电弧的工作 电压的主要参数之一.较小的角度a可通常导致较长的电孤和较高的 工作电压。实验数据显示，为了使陶瓷粉末有效地等离子体球化，在 45-80度内的角oc可被有利地使用，在大约50。〈ct〈60。范围内的角度特
别有利。
0039图8a-8b示出了阴极10和阳极20等离子体头，它们定向为 提供单个的成角度的双等离子体喷枪系统126。等离子体头IO、 20可由 电源130供电。轴向粉末喷射器120可布置在各自的等离子体头10、 20 之间，并可被定向为将喷射出的材料大体上引向耦合区。轴向粉末喷 射器120可由喷射器夹持器124相对于等离子体头10、 20支撑.在各种 实施例中，喷射器夹持器可使喷射器120与等离子体喷枪系统126电绝 缘和/或热绝缘。
0040图9a-c示出了提供材料径向供给的等离子体喷枪结构，如 示出的，径向喷射128可布置成与一个或两个等离子体头例如阴极等离 子体头10的端部相邻，径向喷射128可被定向为将材料喷射到从等离子 体头以大体径向的方向射出的等离子体流中.径向喷射器128可具有环 形橫截面的材料供给通道140，如图9c所示，但是，在其它实施例中， 定向成较长轴线沿着来自如图9b所示的等离子体头的等离子体流的轴 线定向的椭圆形或相似形状的管道136，可导致对等离子能量的更好利 用，以及，从而，导致更高的生产率.
0041图10-11示出了两个双等离子体喷枪组件132的可能布置. 每对阴极等离子体头10a、 10b和相应的阳极等离子体头20a、 20b的轴 线可处于各自的平面134a、 134b内，平面134a和134b彼此之间可形成 角P. —些实验性的结果已表明，在大约50-90度之间的角P ,更具体 的在大约55°<0<65。范围内的角P ，可提供陶瓷粉末的有效的等离子体 球化.在平面134a、 134b之间的角P减小到低于大约50度时可开始发 生侧面起弧。大于大约80-90度的角P可为轴向粉末喷射导致一些不利.0042如上文讨论的，用于材料的轴向供给的结构示于图8和11. 粉末喷射器120可安装在喷射器夹持器124中以提供喷射器120的位置 的可调整性，以适合各种处理要求.尽管未示出，但径向材料喷射器， 例如示于图9a-c，可类似地相对于等离子体头可调整地安装，例如，以 允许喷射器和等离子体流之间的间隔被调整，也允许沿着等离子体流 调整注入点。轴向喷射器120可具有圆形横截面140的材料供给通道， 但是，与径向喷射相似，可以使用椭圆形的或相似形状的喷射器通道， 例如，开口的较长轴线定向成如图llb所示的.这种结构可导致对等离 子能量的更好利用，其可转而再导致更高的生产率.在其它实施例中， 可通过组合的、同时的径向和轴向喷射待等离子体处理的材料来实现 对等离子体能量的更好利用.可理解有各种喷射选择，其可以允许针 对特定应用调整和优化等离子体和喷射参数。
0043尽管定制研发的电源可适合地与根据本发明的等离子体 系统结合使用，但应该理解，可控制和调整等离子体系统的工作电压 以适应能买到的电源的可用输出参数，例如ESAB(佛罗伦萨，南卡罗来 纳，USA)制造电源ESP-400，以及ESP-600，它们广泛地用于等离子体 切割和其它等离子体技术。这些能买到的电源也可有效地用于双等离 子体设备和系统.但是，该系列等离子体电源的最大工作电压在100% 的占空系数时为大约260-290伏特.从而，可调整双等离子体设备的设 计、等离子体气体类型、以及等离子体气体的流率以匹配ESP类型电源 的可用电压.可执行相似的调整以将双等离子体设备与其它能买到的， 或定制制造的电源匹配.
0044图12a-b示出了双等离子体喷枪的示例性实施例中等离子 体通道尺寸、等离子体气体流率和电流对电弧电压的影响，其中双等 离子体喷枪在相应阴极和阳极等离子体头之间设置有50°角.氮由于其 有高的焓、便宜及可获取性，可经常成为用于各应用的有吸引力的等 离子气体。但是，仅应用氮作为等离子体气体可需要大约310伏特的高 工作电压，如由示于图12a-b中的曲线l示出的，可通过使用例如具有优 化流率的氩和氮的混合物来实现该工作电压的降低，例如降低到由能 买到的等离子体电源输送的电压输出范围内，在图12a中由曲线2-5示 出.也可以通过优化等离子体通道32的轮廓和尺寸来实现工作电压的 降低。示于图12a的数据是使用双等离子体喷枪而获得的，其中每个等
ii离子体头的等离子体通道32具有由Dl=4mm、 D2-7mm以及D3-11限定 的轮廓。与每条曲线l-5相关的等离子体气体和流率分别如下曲线l 和la: N2， 0.35g/sec;曲线2: Ar， 0.35g/sec， N2, 0.2g/sec;曲线3: N2， 0.25g/sec;曲线4: Ar， 0.5g/sec，N2， 0.15g/sec;以及曲线5: Ar， 0.5g/sec， N2， 0.05g/sec'图12b示出了即使直径D1、 D2、 D3相对不显著地从相 应的4mm、 7mm和llmm增加到5mm、 8mm和12mm，也可导致工作电 压从大约310伏特降低到大约270-280伏特，其由图12b示出.
0045已经通过对与本发明一致的示例性实施例的描述阐述了 本发明的各种特征和优点。应该理解，对描述的实施例做出各种修改 和变更实质上不偏离本发明。因此，本发明不应仅限于所描述的实施 例，而应由本文所附的权利要求的全部范围提供。
权利要求
1.一种双等离子体设备，包括阳极等离子体头和阴极等离子体头，每个所述等离子体头包括电极和等离子体流动通道和布置在所述等离子体流动通道和所述电极的至少一部分之间的主气体入口，所述阳极等离子体头和所述阴极等离子体头定向为朝彼此成一角度；以及至少一个所述的等离子体流动通道包括第一大体圆柱形部分，与所述电极相邻并具有直径D1；第二大体圆柱形部分，与所述第一部分相邻，具有直径D2；以及第三大体圆柱形部分，与所述第二部分相邻，具有直径D3，其中D1＜D2＜D3。
2. 权利要求1的双等离子体设备，其中所述至少一个流动通道的所 述第一部分包括长度L1，以及其中O. 5<L1/D1<2。
3. 权利要求l的双等离子体设备，其中所述至少一个等离子体流动 通道的所述笫一部分包括长度L，以及其中0. 5<L1/DK1. 5.
4. 权利要求l的双等离子体设备，其中所述至少一个等离子体流动 通道的第一和第二部分呈现关系2〉D2/D1〉1. 2。
5. 权利要求l的双等离子体设备，其中所述至少 一个等离子体流动 通道的第三部分包括长度L3，以及其中2〉L3/(D3-D2)〉1,
6. 权利要求1的双等离子体设备，其中所述至少一个等离子体流动 通道的所述笫一部分和所述第二部分之间的过渡包括台阶。
7. 权利要求1的双等离子体设备，其中所述至少一个等离子体流动 通道的所述第二部分和所述第三部分之间的过渡包括台阶.
8. 权利要求1的双等离子体设备，其中至少一个等离子体头包括上 游部分和下游部分，所述上游部分至少包括所述等离子体流动通道的 所述笫一部分，所述下游部分至少包括所述等离子体流动通道的所述 笫三部分，以及其中所迷上游部分电绝缘于所述下游部分.
9. 权利要求8的双等离子体设备，其中所述等离子体头的所述上游 部分包括所述等离子体流动通道的所述第二部分的至少一部分，以及 所述等离子体头的所述下游部分包括所述等离子体流动通道的所述笫 二部分的至少另一部分。
10. 权利要求1的双等离子体设备，还包括辅助气体入口，其布置 在所述至少一个等离子体流动通道的所述第一大体圆柱形部分的下游，
11. 权利要求l的双等离子体设备，还包括粉末喷射器，其设置成 将粉末材料引入由所述阳极和阴极等离子体头所产生的等离子体流 中。
12. 权利要求1的双等离子体设备，其中所述阳极等离子体头和所述 阴极等离子体头之间的角度在大约45度到大约8 0度之间.
13. 权利要求12的双等离子体设备，其中所述阳极等离子体头和所 述阴极等离子体头之间的角度在大约5 0度到大约6 0度之间。
14. 一种双等离子体设备，包括阳极等离子体头和阴极等离子体头，每个所述等离子体头包括电 极和等离子体流动通道和布置在所述等离子体流动通道和所述电极的 至少一部分之间的主气体入口，所述阳极等离子体头和所述阴极等离 子体头定向为朝彼此成一角度；以及至少一个所述等离子体流动通道包括第一大体圆柱形部分，与 所述电极相邻并具有直径D1;笫二大体圆柱形部分，与所述笫一部分 相邻，具有直径D2;以及笫三大体圃柱形部分，与所述第二部分相邻， 具有直径D3，其中D1〈D2〈D3，其中所述至少一个流动通道的所述笫一部分包括长度L1，以及其 中O. 5<L1/D1<2，并且所述至少一个等离子体流动通道的所述笫一和第 二部分呈现关系2〉D2/D1〉1. 2。
全文摘要
一种双等离子体设备，包括阳极等离子体头和阴极等离子体头。每个等离子体头包括电极和等离子体流动通道和在所述等离子体流动通道和所述电极的至少一部分之间的主气体入口。阳极等离子体头和阴极等离子体头定位成朝彼此成一角度。至少一个等离子体流动通道包括三个大体为圆柱形的部分。等离子体流动通道的这三个大体圆柱形部分减少了侧面起弧的发生。
文档编号B23K9/00GK101605625SQ200780043781
公开日2009年12月16日 申请日期2007年11月27日 优先权日2006年11月28日
发明者奥列格·P·索洛伦科, 安德里·V·斯米尔诺夫, 弗拉基米尔·E·贝拉斯琴科 申请人:弗拉基米尔·E·贝拉斯琴科;奥列格·P·索洛伦科;安德里·V·斯米尔诺夫