专利名称：等离子喷涂设备及方法
技术领域：
本发明涉及一种借助高频率电磁场为大体积零件进行等离子喷涂的设 备和方法。
背景技术：
零件表面曝露在等离子中，选择不同的等离子参数时(如压力、温度和 等离子成分)，零件表面的功能和特性将被影响并有所不同。该项技术可使 任何材料表面的加工、改良或喷涂的工艺变得简单易行，在该项工艺中等离 子的粒子流和能量流都被利用。此外还有其它工艺，如等离子喷涂、电弧等离子融化、等离子热加工工艺、等离子-CVD工艺和等离子清洁等。零件表 面的功能的改变是通过等离子粒子的侵入作用所引起的。它能通过具有一定 的化学性质的粒子相互作用或通过等离子束来实现。在对零件进行等离子喷 涂的工艺过程中，涂层材料通过蒸汽状态或气体形态的能源输送且在零件表 面上从蒸汽或气体形态中分离。等离子的产生需要使用等离子喷枪。经电弧等离子喷枪，气流通过电弧 被电离且被加热到10000K至20000K。经高频等离子喷枪，气流通过在圆柱 体线圈上产生的高频电磁场被电离。在圆柱形的由绝缘材料制成的放电容器 内产生密集的带有高能量密度的等离子。这里等离子温度也能够达到 20000K。上面所描述的热等离子适用于加工抗高温的零件表面。对于塑料零件或 已经喷漆的零件(其最高只可承受温度100-200。C)来说这种方法并不适用。这样的等离子加工虽然适用于小型零件，但不适用于大型零件。因为这 时等离子只形成在相当有限的区域内而不能覆盖零件整个表面。对于大型零 件的整个表面的等离子加工来说，等离子束必须覆盖整个零件区域。对如汽 车车身这样的零件加工来说，它意味着长工时和高费用。产生能量密度小、稀薄的等离子同样要使用高频振荡器。其频率范围在 几百千赫到几十千兆赫之间。这种等离子常在电极或天线的表面产生并在空 间发散。涂层材料通过所谓镀膜靶的镀膜来吸取或者在物理气相沉积(简称 PVD)的过程中蒸发，接着在零件上析出。这种方式的缺点是，等离子的成 份和温度随等离子喷枪距离的变大而变化。因此零件整个表面均匀涂层的析 出变得很困难。除此之外这个工艺只能用于有限的涂层材料。PVD工艺用于大型零件整个表面的等离子处理，它的缺点是平均的自由路径长度必须足够大且真空室的压力必须非常小。这是因为与零件大小相关 的真空室尺寸与高技术要求和成本紧密相关。因此这种工艺不适用于切割、焊接、空腔和背切等用于汽车车身生产的 工艺上。超出等离子源的零件表面无法形成均匀的等离子涂层。位于等离子 源附近的表面上由于高的倾斜度无法保证处理均匀。这种问题也会出现在所 有以辐射工艺为主的处理过程中。发明内容与此形成对照，根据权利要求1中描述的相关设备发明和根据权利要求15中描述的相关方法发明具有以下优点使大型零件整体表面实现均匀有效 的等离子处理且提供均匀的涂层。处理和喷涂不仅包括外表面也包括内表 面。切割、焊接、空腔和背切都可以处理。可处理的范围还涉及到由多种元 件组成的特定零件。相应设备和方法发明可用于任意大小的零件。它特别适用于大型的零件 如汽车车身、飞机和机械部件(这里只列举几个例子)的处理。先决条件是真 空室足够大且输送设备要能满足输送这类零件的要求。
零件在等离子喷涂前被置于喷涂真空室中。然后零件接入具有高频振荡 器的振荡电路。振荡电路单极或双极与零件相连。在第一种情况下第二极应 接地。由此零件成为振荡电路的一部分。高频交流电流通过零件。零件的电 感和电容因此影响振荡电路的电感和电容。为了确保在零件上电功率最优化 耦合，由被加工的零件和它自身的电容和电感组成的振荡电路要非常匹配，-' 这将通过振荡电路的电容和电感的变化来实现。振荡电路的电容和电感的调 节可以手动，也可以自动。在自动调节时首先调节零件的电容和电感。振荡 电路的电容和电感的变化影响频率。 一旦参数被调定使零件表面等离子呈》然 烧状态，附加的与真空室相连的等离子喷枪点火，涂层材料通过等离子束导 入。包含涂层材料的等离子束紧接着扩展到真空室且与等离子在零件周围相 互作用，同时在零件整个表面上析出来自涂层材料的均匀涂层。根据零件的大小、形状、数量的不同，可以在真空室中安装一个或者多 个等离子喷枪。为此在真空室上可以设置若干开口以便安装等离子喷枪。这 些开口在不使用时可以用法兰封闭起来。所发明的设备和方法可以用于零件的多种处理。通过等离子粒子的化学 作用在等离子喷涂之前对零件表面做化学处理。通过等离子束能够影响和改 变零件表面的物理特征。紫外线-喷漆的交互可算作是一种应用。通过零件 表面的放电，可使零件表面产生电效应，可利用其进行加工。由于电极排列的不同，零件电极的间隔无法被调整。等离子通过涡流在 零件表面形成。流过零件的交变电流产生振荡磁场(其传播依赖于零件在其环境中的几 何特性)。随时间变化的磁场导致电场，该电场对在零件周围生成和维持等 离子起主要作用。因振荡电路而在零件表面产生的等离子的能量密度比较低。与此相关的 温度本身通常不够，而无法使涂层材料气化。辅助的等离子喷枪则负责使任
一涂层材料气化或者呈气态以供随时使用。材料能否被作为涂层材料使用不 取决于沸点温度而是取决于在辅助的等离子喷枪中的能量密度。例如使用二 氧化钛、钛-氢-醚丁氧化物、陶瓷、氯化锆或氯氧化物的涂层材料。涂层材 料在固态、液态或气态下由输送装置导入到等离子喷枪的等离子中。同时涂 层材料以单质的形式或以化学结合方式与其他材料结合存在。固体涂层材料 也可以以溶解的形式存在。这里需要留意可能的涂层材料光谱的额外扩展。辅助的等离子喷枪优选为具有阴极和阳极的电弧等离子喷枪。在电弧等 离子喷枪中，工作气体首先被加热到一个非常高的温度。紧接着涂层材料与 在阴极和阳极之间点燃的等离子混合在一起。同时根据不同涂层的化学要求 调整等离子喷枪中符合上述化学要求所需的温度和压力。这些可以通过比如 选择气流、直流电功率和等离子喷枪中适宜的气体通道的结构来实现。在等离子喷枪的辐射核心，其温度可以达10000至20000K。本发明的优点在于在真空室中运送零件的输送装置有一个或多个轨道 和驱动装置。这样轨道很容易与零件相匹配。为了使零件与真空室绝缘，在 轨道上或者在轨道范围内应有绝缘设计。本发明的另一个优点在于振荡电路的高频导线。真空室有为高频执行器 设计的电绝缘输送器。本发明的优点还在于在真空室中设计了金属板、管和/或隔栅。零件形 成了一个天线，在真空室的空间中接收发射的电磁波。这种作用在零件周围 空间可通过更多的类似天线的原理得到增强。此外板或隔栅为金属制。螺旋 状的管(如铜制管)也可以起相同作用。在这个部分，电磁波耦合且在与零件 有一确定距离时产生额外的等离子。用这种方式，等离子束在零件方向上可 以得到控制。本发明的优点还在于电弧等离子喷枪对不同涂层材料的混合有多个扩 张等级。每个扩张段都有一个输送装置，用于将气态、液体和/或粉末导入到 等离子中。不同扩张段均沿等离子束的方向逐级布置。同时不同扩张段的横 断面可以不同。更为优选地是，横断面随着扩张段沿辐射方向增大。也可以 通过选择合适的扩张比以达到具有涂层材料的等离子能够在真空室内流动 但不会流向等离子喷枪阴极方向的目的。等离子束在真空室中离开等离子喷 枪扩散时，在它与零件上的等离子相互作用之前冷却。本发明的另一优点是，在流动方向上混合室紧邻扩张段。在混合室中通 过等离子束涡流达到均匀搅拌不同的涂层材料的目的。同时等离子喷枪与混合室组成一个双拉伐尔喷嘴(Laval)。混合室的横断面先縮小以便接下来在流 动方向上可以再扩大然后重新縮小。本发明的优点还有，混合室作为阳极使用或置于与阳极等同的位能上。 由此在等离子喷枪内的温度能够保持较高值。此外，用这种方法使得在等离 子喷枪内的化学反应也可得到控制。本发明的优点还有，在真空室中提供工作气体。由此可以提高真空室中 的压力。比如压力可以达到1000Pa。工作气体与零件表面产生化学作用。不 同气体可以根据要求作为工作气体使用。本发明的另一优点是，辅助液体被蒸发且通过阀门送到真空室中。这种 蒸汽履行工作气体的职责。本发明的优点还有，可通过高频振荡器在振荡电路上输入从0.1到 lOMHz的交变电压，尤其是在1到4MHz之间的交变电压。本发明的另一优点是，真空室在0.05至1000Pa之间的压力下能被抽成 真空。不同于已公知的技术，此时的工作压力可根据需要提高到数十毫帕。 为此还可提供另一种机构，该机构控制与被加工零件表面相互作用的粒子的本发明的其他优点会在下面的附图和权利要求的说明中提到。
图中描述了所发明的等离子喷涂设备构造实例，以下是该设备的说明:图1是等离子喷涂设备的前视图；图2是等离子喷涂设备的俯视图；图3是与图l和图2相关的电路图；图4是等离子处理的侧视图；图5是电弧等离子喷枪的纵向剖视图；图6是图5电弧等离子喷枪的原理图。附图标记说明1 零件2 轨道3 真空室4 电绝缘体5 高频振荡器6 同轴电缆7 外部振荡电路8 高频输入管9 高频执行器10 反射器11 反馈线圈12 外部振荡电路的电容器13 线圈14 线圈15 接地导线16 发射管17 零件18 支架19 电弧等离子喷枪20 等离子束22 阳极23 第一扩张段24 第二扩张段25 阴极阳极之间的喷嘴26 输送装置27 输送装置28 开口29 中空体30 漏斗型截面31 固定件具体实施方式
图1和图2所示为等离子喷涂设备的前视图和俯视图。被加工的零件1 通过轨道2和在图中未能显示的滚轮送入到真空室3中。在轨道2上安装了 电绝缘体4，它使零件1与真空室3实现绝缘。在到达轨道2的终端位置时 高频振荡电路与零件之间接触闭合。这要通过一个在图中未显示的滑动触点 (其通过形状配合连接在零件1上)来实现。零件1现在是在振荡电路的一部 分。振荡电路除零件1外由具有反馈线圈ll(图3所示)的高频振荡器5、同 轴电缆6、外部振荡电路7和高频输入管8(在其终端安装滑动触点)组成。真 空室3中有与高频输入管8配套的高频执行器9。在零件的上部有等离子反射器10。图3是与图l和图2相对应的设备的电路图。电路设计使等离子加工实 现最优化。高频振荡器5通过同轴电缆6供给振荡电路交流电。高频振荡器 5有一反馈线圈11，其电感可自动调节。在外部振荡电路7上有三个电容器 12。为了能改变总电容，三个电容器12能够全部或者部分与振荡电路结合 在一起。振荡电路的电感主要由零件1来确定。零件1通过高频输入管8与 外部振荡电路7连接。为使振荡电路的电感与零件相协调，在外振荡电路上 加入线圈13。另外在高频输入管8上紧邻线圈13处加入一个具有插头的线 圈14。该线圈14只在需要总电容匹配时才被并入系统。这种情况下高频输 入管8a替代高频输入管8使用。零件1可以选择通过地线15接地。通过输入极低功率的高频交流电可检测零件1与振荡电路之间的接触。 如果接触符合要求，真空室3将被抽真空。在真空室3中的压力根据加工方 法的不同达到一个确定值后，高频交流电被供给到振荡电路中。在零件l的 表面形成零件加工所必需的等离子。而零件表面等离子效应的控制则通过振 荡电路中通入交流电后调节发射管16的阳极电压来完成。在图中没有标出 发射管。通过对振荡电路的发射管16的电流-电压特征曲线的监测可以控制 等离子中电功率耦合效能。等离子加工期间振荡电路的精确调整是由振荡电 路反馈线圈的电感的变化来实现的。在前期，还存在一种可能，在被加工的 零件的振荡电路上通过加入附加的电感M或电容12来做系统的粗调。图4显示的是与图l和2相关的等离子喷涂设备的侧视图。与图l和2 所描述的不同之处在于，图4所示的真空室3中重叠安置了若干零件17。支 架18位于轨道2上用于安置零件。在图中可以看到电弧等离子喷枪19，其 产生等离子束20。等离子束20在真空室3内延伸到零件17上。等离子束 20的剖面轮廓从电弧等离子喷枪19开始随距离的增大而增大。等离子束20
的扩张取决于等离子喷枪和真空室之间的压力比。大压差时，等离子束剖面 急剧增大以致使零件全部或者部分处在等离子喷枪的等离子束下。如果这样 还不能满足对零件边缘喷涂的要求，则可以根据需要在真空室安装第二个或 者第三个等离子喷枪。 .图5所示为等离子喷枪19，具有阴极21、阳极22和两个扩张段23和 24。阴极21是前端具有圆锥的圆柱体。阳极22是包围着阴极21的管体。 阴极21和阳极22彼此共轴移动。待电离的气体由位于阳极与阴极之间的缝 隙式喷嘴25来输送。在第一扩张段23上，第一种涂层材料通过输送装置26 被导入到等离子体中，该等离子由位于阳极22与阴极21间的电弧点燃。同 样，在第二扩张段24上，第二种涂层材料通过输送装置27被导入到等离子 体中，该等离子由位于阳极22与阴极21间的电弧点燃。输送装置26和27 也被称作前端输送，它们是由垂直于阳极和阴极轴线的、连通的中空体29 和漏斗型截面30组成。根据使用情况，中空体和漏斗型截面与阳极和阴极 的轴线偏离还可以呈小于90度角。涂层材料也可以沿与阳极和阴极轴切线 方向以涡流状导入。在漏斗型截面30上可以接有粉末传送装置、剂量泵或 剂量阀导管或软管，这些没有在图中表示出。两个扩张段根据它们的开口截面来区别。第二扩张段24的内径大于第 一扩张段23的内径，由此可以防止通过输送装置26和27导入的涂层材料 回流到阴极21处。具有涂层材料的等离子束20在开口 28处从电弧等离子 喷枪中射出并到达真空室3。同时电弧等离子喷枪19由紧固件直接固定在真 空室3上。为了使等离子直至幵口 28时都能够保持高温，第一和第二扩张 段23和24要保持与阳极22相等的电势，如图6所示。如图5，在电弧等离 子喷枪19上，阳极22、第一扩张段23和第二扩张段24是由同一块材料制 成，当然也可由单独零件组合而成，为此可采用模型制做。扩张段在这种情 况下可根据使用情况和涂层材料一起来确定。
一旦由振荡电路和高频振荡器5产生的等离子在真空室3内的零件上扩散，电弧等离子喷枪19将点火。电弧离子等喷枪19产生的具有涂层材料的 等离子束20通过开口 28在真空室中扩散。等离子束20与等离子在零件17 上相互作用，由此涂层材料在零件17的表面均匀地析出。 一旦在零件表面 析出的厚度达到所需要的厚度，电弧等离子喷枪19和高频振荡器5就会关 闭。根据使用要求和涂层材料，电弧等离子喷枪19首先被关闭，紧接着高 频振荡器5在确定的延迟时间内关闭。当两个等离子喷枪刚刚关闭，真空室 3便开始通风，零件1或零件17与振荡电路脱离连接，并将零件1或零件 17从真空室3中移出。
权利要求
1.一种大型零件的等离子喷涂设备，包括具有一个或多个泵的真空室(3)，在真空室(3)中用于运送零件(1，17)的输送装置(2)，位于零件(1，17)与真空室(3)之间的电绝缘体(4)，具有高频振荡器(5)的振荡电路，振荡电路的可调节的电容和电感，至少一组用于连接振荡电路与零件(1)的连接线路，和至少一个安装在真空室(3)上的用于喷涂加工零件(1，17)的等离子喷枪(19)。
2. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述输送装置包括驱动 装置和一个或多个轨道(2)。
3. 根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述轨道(2)具有电绝缘 体(4)，用于零件(l， 17)与真空室(3)之间的绝缘。
4. 根据权利要求l、 2或3所述的设备，其特征在于，所述振荡电路具 有一个或多个高频输入管(8),且在真空室(3)上为高频输入管配有高频执行 器(9)。
5. 根据上述权利要求中任一权利要求所述的设备，其特征在于，所述 真空室(3)中装有金属板(10)禾口/或隔栅。
6. 根据上述权利要求中任一权利要求所述的设备，其特征在于，高频 振荡器(5)具有可调节电感的反馈线圈(11)。
7. 根据上述权利要求中任一权利要求所述的设备，其特征在于，通过开关使零件(l)上的电容和/或电感与振荡电路相应的电容(12)和/或电感(14)相协调。
8. 根据上述权利要求中任一权利要求所述的设备，其特征在于，振荡 电路具有用于输入交流电的发射管(16)。
9. 根据上述权利要求中任一权利要求所述的设备，其特征在于，等离 子喷枪为具有阴极(21)和阳极(22)的电弧等离子喷枪(19)。
10. 根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述电弧等离子喷枪(19) 具有多个扩张段(23， 24)以混合不同的涂层材料。
11. 根据权利要求10所述的设备，其特征在于，每个扩张段(23， 24) 具有向等离子中导入气体、液体和/或粉末的输送装置(26， 27)。
12. 根据权利要求10或11所述的设备，其特征在于，混合室与扩张段 (23， 24)在流动方向上相连。
13. 根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述等离子喷枪(19) 和混合室一起形成双拉伐尔喷嘴。
14. 根据权利要求12或13所述的设备，其特征在于，所述混合室作为 阳极(22)使用，或者所述混合室与阳极(22)具有相同电位。
15. —种大型零件等离子喷涂方法，特别是使用根据上述权利要求所述的设备，其特征在于将零件(l， 17)安置在真空室(3)内且将真空室抽成真空； 将零件(l， 17)与具有高频振荡器(5)的振荡电路连接； 相互协调零件(l， 17)上振荡电路的电感禾B/或电容； 通过等离子喷枪(19)产生等离子束(20); 向等离子束(20)中添加涂层材料； 将具有涂层材料的等离子束(20)导入到真空室(3)中。
16. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于，零件(l)和振荡电路之 间的接触通过振荡电路在低功率时导入高频交流电而被检测。
17. 根据权利要求15或16所述的方法，其特征在于，将工作气体送到 真空室(3)中。
18. 根据权利要求15或16所述的方法，其特征在于，将液体蒸发并通 过阀门送入到真空室中。
19. 根据权利要求15-18中任一权利要求所述的方法，其特征在于，通 过高频振荡器(5)，将具有0.1至lOMHz的交流电压，尤其是1到4MHz的 交流电压导入到振荡电路中。
20. 根据权利要求15-19中任一权利要求所述的方法，其特征在于，真 空室(3)在0.05至1000Pa的压力下被抽真空。
21. 根据权利要求15-20中任一权利要求所述的方法，其特征在于，在 真空室(3)中金属板(10)和/或隔栅就位。
22. 根据权利要求15-21中任一权利要求所述的方法，其特征在于，等 离子在零件(l， 17)表面通过振荡电路中导入的交流电的发射管阳极电压的变 化来调节。
23. 根据权利要求15-22中任一权利要求所述的方法，其特征在于，在 振荡电路上安装附加的电容(12)和/或电感(14)以实现对零件(1， 17)上振荡电 路的粗调。
24. 根据权利要求15-23中任一权利要求所述的方法，其特征在于，当 对零件(l， 17)上振荡电路精确调节时，改变振荡电路中反馈线圈(ll)的电感。
25. 根据权利要求15-24中任一权利要求所述的方法，其特征在于，确 定零件(l， 17)的电感和电容，振荡电路中的电感和电容要与零件的电感和电 容相匹配。
26. 根据权利要求15-25中任一权利要求所述的方法，其特征在于，等 离子喷枪(19)具有多个扩张段(23， 24)，涂层材料或某种组分涂层材料经由 每一扩张段(23， 24)被添加到由等离子喷枪(19)发出的等离子束(20)中。
全文摘要
用于大体积零件等离子喷涂的设备及方法。所发明的设备包括具有一个或多个泵的真空室(3)，用于向真空室(3)中运送零件(1，17)的输送装置(2)，位于零件(1，17)与真空室(3)之间的电绝缘体(4)，具有高频振荡器(5)的振荡电路，振荡电路的可调节的电容和电感，至少一组用于连接振荡电路与零件(1)的连接线路和至少一个安装在真空室(3)上的用于处理零件(1，17)的涂层材料的等离子喷枪(19)。
文档编号H05H1/42GK101156504SQ200680011765
公开日2008年4月2日 申请日期2006年4月11日 优先权日2005年4月11日
发明者S·洛尔 申请人:洛尔等离子技术有限公司