专利名称：具有圆锥形喷射的电弧热喷枪伸展设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及热喷射设备，特别涉及一种双金属丝电弧类型的热喷枪。
热喷射是熔化和推进熔化材料例如形成涂层的金属的细小微粒的一种过程。可以使用一或两根金属丝或者粉末作为进料，通过电弧或燃烧火焰进行加热。一种热喷枪是双金属丝电弧热喷枪，其中被送入的两根金属丝在金属丝末端接触，并且两根金属丝被流过金属丝的电流产生的电弧所熔化。压缩气体(通常为空气)的气体射流吹过该末端以雾化熔化的金属，且产生熔化金属颗粒的喷射流。电弧电流一般是几百安培的数量级。现已提出了各种各样的气体头部结构，例如美国专利Nos.3,546,415、4,095,081、4,492,337、4,668,852、5,714,205和5,791,560中所公开的结构。
一些应用包括孔或其他限定区域例如汽缸的孔的内表面的涂层处理。为了这些应用，使用了一个伸展喷枪，其中，从边侧喷来的气流使得射流偏离主轴线一定角度，因此可以把喷枪插入到孔中，并且成一定角度或偏离的射流喷向孔的表面。边侧气体射流可以辅助中心雾化射流，并且可作为或也可不作为基本的雾化气流。为了喷射一个孔例如内燃机的一个汽缸孔的内表面，必需围绕其轴线转动喷枪，或者在轴向移动喷枪的同时以相当快的速度转动带有孔的物体。这样的物体例如汽缸体的转动通常是不可行的。单金属丝燃烧伸展喷枪或粉末喷枪可以与相应的机构一起转动。美国专利No.5,245,153公开了一种带有转动的无损耗的电极的单金属丝电弧喷枪，但是单金属丝电弧喷枪在商业上还不可行，至少部分不可行，因为这样的电极在高电流时的确不是所谓的“无损耗”。
美国专利No.4,853,513和本发明的发明人和受让人在3/11/1998提出的专利申请系列No.09/038,435公开了倾斜双金属丝电弧喷枪。对于双金属丝喷枪，需要一个复杂的系统围绕金属丝转动喷射头部以避免扭转。关于聚集的金属丝可具有变化的几何形状，所以可期望得到不规则的喷射。使用双金属丝电弧喷枪的喷射成本很低，因此，它对于许多应用都是合适的。
相应地，本发明的一个目的是提供一种改进的双金属丝、伸展类型的电弧热喷射设备以无需转动喷射设备或物体而对物体中孔的内部进行喷射。另一目的是提供一种设备，该设备能够产生圆锥扇形喷射以喷射孔的内部。又一个目的是给这样的设备提供一种新颖的气体帽盖，以达到上述的目的。
使用一种向孔中喷射的电弧喷射伸展设备可以达到或至少部分达到上述和其他的目的。该设备具有一个喷射枪体、被所述枪体支承在一起以将两根金属丝引导至金属丝末端接触区域的一对管状的金属丝导向件、操作地连接以将金属丝分别送入各金属丝导向件的一个进线机构、附于枪体并向前伸展的一个气体帽盖。金属丝分别带有电弧电流以产生电弧且由此熔化金属丝末端的金属；气体帽盖具有多个小孔，在小孔中各被压缩的气体产生了气体射流，在圆弧方向基本等间距地设置所述各个小孔，气体射流带有一个沿径向向内的分量喷向接触区域，以使雾化的熔化金属变成喷射流，诸小孔的轴线一致地从径向向前且相切地偏移以产生一个涡流，因此喷射流形成了一个圆锥扇形体的形式，因此从中心将喷射流插入一个孔中，这可环绕孔的内表面产生一个涂层。
图1是按照本发明的一个电弧金属丝热喷射设备部分剖视的纵视图。
图2A是图1中的热喷射设备的后部的纵向剖视图。
图2B是图1中的热喷射设备的前部的纵向剖视图。
图3是图2B所示的一个支承构件的主视图。
图4是图2B所示的一个支承盘状件的主视图。
图5是图1和图2B所示的一个气体帽盖的主视图。
图6是图1和图2B所示的一个气体帽盖的侧视图。
图7是图1中的设备的立体图，该图示出了在孔中进行喷射的圆锥扇形体形式的一个喷射流。
除了在此描述的一个气体帽盖12，按照本发明的一个双金属丝电弧热喷枪10(图1)可以是传统的或其他想要的类型。在本例子中，一个枪体分为三部分，即前枪体14、细长的中间枪体16和一个后枪体18。后体部分通过一对软管电缆将气体和电源分隔开，而且还包含了一个金属丝驱动机构22。前枪体将两根金属丝24结合在一起以形成燃弧，并且前枪体具有气体帽盖12以将熔化的金属丝末端喷成雾状且产生喷射流。中间枪体是连接前后枪体的一个延伸件。一个控制台(未示出)特别地包含有一个整流器、一个气体调整器和金属丝卷轴的支承件，以将电能、金属丝和气体提供给喷枪。
(在此处和权利要求书中，词语“向前”和“前方”是指金属丝被驱动的方向，“后方”和“向后”表示相反的方向，词语“内部”、“向内”表示面向或指向喷枪轴线。)在本例子中，后枪体18包含了金属丝驱动机构22。可以利用一个小型变速电动机或风动发动机(未示出)来作为金属丝的驱动器，该驱动器驱动连接到电绝缘送料轮30上的齿轮，并且，一个弹性张力装置32作用在位于送料轮之上的绝缘从动辊28上以保持每根金属丝的滚轮张力。从金属丝的卷轴或容器(未示出)经由弹性套管34引出的金属丝24被滚轮送入金属丝管子36中(图2A)。对于本发明，金属丝驱动器的类型和位置并不重要，可以使用任何其他合适的传统或其他想要的机构。位于卷轴上的一个推动器可用来替换或补充喷枪中的金属丝驱动器。
驱动机构前方的一个支承块40包含有竖立的接触支柱42，其基部连接在一个刚性管子43上，刚性管子43与电源电缆21相连接，而电源电缆21本身又连接到用以产生电弧的一个传统电源45上。导电金属丝管子36被固定以在支柱中的直径孔中起到支承和电接触的作用。这些管子在支承块的逐渐变细部分44中向内倾斜，而后沿着中间枪体16成直线地平行延伸。这些管子被一个中心支柱46支承在逐渐变细部分中。
金属丝管子36有利地包含有管衬47，管衬47较佳地用低摩擦材料例如嵌有聚四氟乙烯(PTFE)或MoS2的塑料来形成。管衬进入竖立支柱42的后方管子中，并且在中间枪体中的管子的内部继续分布。中间枪体具有一个细长的圆筒形伸展壳体48，该壳体48在固定到逐渐变细部分前端部的后方具有一个端接件50。中间枪体对于一具体的应用情况具有一个可选择的长度，例如30cm或60cm，这取决于将要喷射的孔的深度或其他限定区域。
前枪体14(图2B)一般是圆筒形的，它包括一个螺纹连接到伸展壳体上的一个前方构件52。固定在前体中的一个支承构件54具有一对通孔55(图3)，并且该支承部件54在相对两侧被切平57以使空气流动(以下解释)。支承构件在通孔中支承住一对倾斜的导向件60，该导向件60从这些装配中向前伸展通过该支承构件，然后向内弯曲。这些导向件和孔55或者可以具有一个矩形或其他形状的截面以便于制造。使用销钉59将一对端连接件58固定在导向件60的后方，以连接到金属丝管子36和管衬47上的前端。
导电金属丝导向件61用螺纹连接在倾斜导向件60的会聚的前端中。金属丝导向件穿过保持在前方构件52中的支承盘状物64(图4)中的相应孔63。这些管子与金属丝电接触以提供流过金属丝的电流，并使金属丝会聚在金属丝的接触区域66。当在金属丝中应用了一个传统的电弧电源(一般是直流)时，就会形成一个电弧，由此熔化金属丝的末端。从电源45(图1)，从其线电源(line source)供应电能，借助于控制台中的整流器，而后通过电缆21、金属丝管子36、倾斜导向件60和金属丝导向件61，将电能送至金属丝24。
如图示部分，按常规所有的构件通过螺钉、螺纹、环氧树脂、压配合件(press fitting)或诸如此类的方法固定在一起。但至少后枪体具有一个可拆卸的帽盖，以能够接触到驱动机构。适当的零件用电绝缘材料例如硬塑料形成，这些部分包括后枪体中的逐渐变细部分和前枪体中的支承件。
从压缩气体的一个基本源62(图1)得到的雾化空气或其他气体通过电缆软管21和刚性管子43被送到支承支柱42的基部(与电能一起)。支柱中的侧向孔72将空气送入支承块40中的腔室70中。支承块的前壁74中的四个孔(未示出)将空气引入逐渐变细部分44中的第二腔室72(图2A)中，而后空气穿过由中间枪体的壳体48形成的管道74。空气流过切平的支承构件54后进入了前方腔室76中。使用O形密封环65来密封压缩气体。
对于本发明的目的，电弧喷枪设备的上述部分的结构细节是不重要的，也不限于本例子中的样子，可以使用其他类型的结构。例如，可以省略伸展壳体48，替换为用来传送金属丝、电能和气体且在前后枪体之间提供支承的刚性管子，如前述美国专利No.4,853,513中所揭示的那样，除了一些直的管子，将与传送和支承的相关的部分援引在此，以供参考。(对于特定的喷射结构，这些管子不一定是直的。)相似地，壳体和管子的实际连接的细节是不重要的。金属丝的电接触类型对于本发明也是不重要的，可以使用其他传统或想要的接触方式例如通过滚轮。例如，可以远离喷枪例如在金属丝的卷轴的支架处进行电接触。概括地说，一般更需要的是电源与金属丝的连接，通过包括两根金属丝、一个金属丝驱动机构(它可以位于金属丝连续线路的任何地方)、将金属丝聚集在接触区域以产生电弧的一个前枪体和供应到前枪体的电能和气体(除非将电能传导至后方某处的金属丝)的喷枪来进行。除非孔较浅，对于前枪体一般需要一个伸展支承件。
气体帽盖12(图2B、5和6)通过一个螺纹保持环78(或其他合适的固定装置例如螺钉、锁销(detent)或气体帽盖的螺纹)连接到前枪体的前方构件52上。气体帽盖具有一个基部84，该基部84带有从其上面向前伸展的一个突出部分86。该基部适于使气体帽盖固定于枪体上，例如在本例中它具有一个凸缘88以被环78保持住。因此当磨损或需更换其他类型的气体帽盖时可容易地替换该气体帽盖。气体帽盖具有一个中心开口89和容纳金属丝导向件61的一个合适尺寸的中心腔体91，通过该开口使金属丝24聚集在一起。
气体帽盖具有多个小孔80，较佳地为3至13(包括在内)个，例如示出的7个小孔。每个小孔的气体通道82从小孔连接到基部。支承盘状物64(图4)在其圆周上具有与气体通道成一直线的对应的多个缺口90。使用位于基部中的一个偏置销钉92(图6)将气体帽盖定位在提供校准的支承盘状物中的对应孔94中。从腔室76流出的气体穿过各个缺口和气体通道至每个小孔，以产生气体射流96。
在圆弧方向以基本等间距设置各个小孔80，因此气体射流带有一沿径向向内的分量喷向接触区域，以有效地使熔化金属雾化并变成喷射流。各个小孔具有较佳地从径向101向前偏移(图2B)的轴线100(示出一个)，径向垂直于喷枪的轴线98。各轴线成切线地偏离径向以产生一个涡流，因此喷射流成为圆锥扇形的形式。偏移量应当一致以产生一均匀喷射流，并且对偏移量进行选择以产生扇形的喷射流。偏离径向的向前偏移量应当在大约5°至60°之间，例如21°。偏离径向的切向偏移量应当在大约10°至30°之间，例如18°。(小孔的轴线无需与中心开口89相切。)小孔尺寸应当产生一个充分节流(choked)流动，以产生很好的雾化作用，例如其直径尺寸为2.0mm，且从气体源62产生的气体在小孔处的压力为5巴(75磅/平方英寸)。分别偏移21 °和18°的各个小孔的这些条件能够有效产生大约45°的圆锥扇形喷雾。可以选择其他小孔的尺寸、角度及空气压力，以协调地优化圆锥形喷射流。位于气体源和小孔之间在电缆和喷枪中的其他导管和管道应当足够大以不产生明显的压降。
为了使气体射流具有合适的喷射方向，气体帽盖较佳地具有一个面向前方、较浅的圆锥形表面，该表面紧靠着接触区域，并且小孔穿过此圆锥形表面。该表面相对于喷枪轴线的角度一般在大约45°至80°之间，例如合适的75°。也可以使用其他形状，例如一个曲面或面向内的圆柱形表面以使小孔穿过，或者气体射流可从垂直于喷枪轴线的一个前方表面上穿过。
将圆锥扇形喷射流102、如有需要将喷枪的前端一起从中心插入一个物体106例如汽缸体的一个孔104(图7)中，无需转动喷枪或物体，这就能够环绕孔的内表面产生一个涂层。可以用手握住枪体，但通常应该是安装在一个合适的传统操纵器上(未示出)，通常沿轴向108移动喷枪以沿内部表面的纵向进行涂层处理。孔的尺寸可以是径向喷射距离适用范围之内的任何数值，孔的半径一般在大约7cm至50cm之间。在此范围内，孔不需要一定是圆柱形的或在纵向具有一致的尺寸。该设备适于喷涂引擎缸孔、泵缸孔、导管、热交换器、燃烧罐、同步环(syncro ring)等等。
本发明的气体帽盖可以使用在其他形式的双金属丝电弧喷枪和不同类型的头部件中。在一个实施例中，气体帽盖包括从枪体上伸展并与其形成一体的一个简单突出部分。在其他实施例中，通过适当的改动按照本发明的气体帽盖可以固定在各种结构的喷枪上。
参考具体的实施例，以上对本发明进行了详尽的描述，在本发明的精神和所附权利要求书的范围之内的各种变化和改进对于本技术领域中的技术人员而言都是显尔易见的。因此，本发明仅局限于所附权利要求书及其等同范围。
权利要求
1.一种用于向孔中喷射的电弧喷射伸展设备，它包括一个喷射枪体、被所述枪体会聚地支承以将两根金属丝引导至金属丝末端接触区域的一对管状的金属丝导向件、操作地连接以将金属丝分别通过各金属丝导向件送入的一个进线机构、固定于枪体并向前伸展的一个气体帽盖和分别带有电弧电流以在金属丝末端产生电弧且由此熔化金属的金属丝；气体帽盖具有多个小孔，在小孔中各被压缩的气体产生了气体射流，在圆弧方向基本等间距地设置所述各个小孔，气体射流带有一沿径向向内的分量喷向接触区域，以雾化熔化的金属并使其变成喷射流，诸小孔的轴线一致地从径向向前且相切地偏移以产生一个涡流，由此喷射流形成一圆锥扇形的形式，因此从中心将喷射流插入一个孔中，这可环绕孔的内表面产生一个涂层。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述气体帽盖具有一个面向前方且紧靠接触区域的下凹圆锥形表面，同时所述小孔穿过所述圆锥形表面。
3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述多个小孔的数目是3至11个。
4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述小孔的数目是7个。
5.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述多个小孔的数目是3至11个。
6.如权利要求5所述的设备，其特征在于，所述小孔的数目是一个奇数。
7.在一个电弧喷射伸展设备中用以产生倾斜喷射流的一种气体帽盖，所述电弧喷射伸展设备包括一个喷射枪体、被所述枪体支承住以将两根金属丝引导至金属丝末端接触区域的一对管状的金属丝导向件、操作地连接以将金属丝分别通过各金属丝导向件送入的一个进线机构和分别带有电弧电流以在金属丝末端产生电弧且由此熔化金属的金属丝；所述气体帽盖包括一个基部和从所述基部伸展的一个突出部分，所述基部适于使所述气体帽盖固定在枪体上，且使所述突出部分向前伸展，所述突出部分具有多个小孔，在这些孔中个被压缩的气体产生了气体射流，在圆弧方向基本等间距地设置所述小孔，因此当气体帽盖附在枪体上时，气体射流带有一沿径向向内的分量喷向接触区域，以雾化熔化的金属并使其变成喷射流，诸小孔的轴线一致地从径向向前且相切地偏移以产生一个涡流，由此喷射流形成一圆锥扇形的形式，因此从中心将喷射流插入一个孔中，这可环绕孔的内表面产生一个涂层。
8.如权利要求7所述的气体帽盖，其特征在于，所述突出部分具有一个面向前方且紧靠接触区域的下凹圆锥形表面，同时所述小孔穿过所述圆锥形表面。
9.如如权利要求8所述的气体帽盖，其特征在于，所述多个小孔的数目是3至11个。
10.如权利要求9所述的气体帽盖，其特征在于，所述小孔的数目是7个。
11.如权利要求7所述的气体帽盖，其特征在于，所述多个小孔的数目是3至11个。
12.如权利要求11所述的气体帽盖，其特征在于，所述小孔的数目是一奇数。
全文摘要
在一个双金属丝电弧喷射伸展设备中,两根金属丝被引导接触,一个气体帽盖附在一枪体上。气体帽盖具有多个小孔,在小孔中被压缩的气体产生了气体射流,在圆弧方向基本等间距地设置各个小孔,气体射流带有一沿径向向内的分量喷向接触区域,以雾化熔化的金属并使其变成喷射流,小孔的轴线一致地从径向向前且相切地偏移以产生一个涡流,因此喷射流形成一圆锥扇形的形式,从中心将喷射流插入一个孔中,这可环绕孔的内表面产生一涂层。
文档编号C23C4/12GK1266746SQ0010098
公开日2000年9月20日 申请日期2000年1月13日 优先权日1999年3月11日
发明者R·贝纳瑞 申请人:塞泽·麦脱苛(美国)股份有限公司