一种改进结构的电弧靶及其控制系统的制作方法

本发明涉及一种电弧靶，特别是涉及一种改进结构的电弧靶及其控制系统。属于真空电弧离子镀技术领域。

技术背景

目前，真空电弧离子镀已经技术广泛应用于工具与模具行业，提高了工模具产品的使用性能和服役寿命。对于常规工模具的涂层，由于其涂层膜厚要求一般只有几微米，进行涂镀时间最多需要几个小时，因此，使用常规电弧靶及其涂层设备就可满足技术要求。随着制造业的进步，真空等离子涂层已经获得更广泛的应用，对涂层的技术指标和技术要求更高。例如涡轮发动机叶片就要进行隔热涂层，其涂层厚度要求达到几十微米，连续涂层时间达24小时以上。此外，对于连续式带材真空等离子涂层设备，需要电弧靶连续涂层的时间也超过24小时。对于连续涂层时间很长的设备，需要解决的最大问题是如何使电弧靶长时间地稳定工作。

现有技术一般采用圆饼形电弧靶延长其工作时间。常规的圆饼形电弧靶，为了防止弧斑跑到外缘造成灭弧现象，通常在靶的外缘加一个挡圈，当弧斑跑到外缘时，利用所述挡圈使弧斑返回靶中心区域。另外，为了进一步稳定弧斑，还会在靶材的背后布置一块磁铁，定期进行调整磁铁与靶面的轴向距离，使弧斑稳定。现有技术的这种圆饼形电弧靶存在两个问题：一是靶材工作面的边缘弧斑很少烧蚀到，变成靶面烧蚀呈锅底凹状，靶材的利用率很低；二是要经常人工观察，手工调整，不利于涂层设备长时间的连续工作。

技术实现要素：

本发明的目的之一，是为了解决现有技术的靶材工作面边缘弧斑很少烧蚀到，变成靶面烧蚀呈锅底凹状，靶材利用率很低的问题，提供一种改进结构的电弧靶。该发明具有靶材利用率高、连续运行时间长、离化率高的特点。

本发明的目的之二，是为了解决现有技术的靶材要经常人工观察，手工调整，不利于涂层设备长时间的连续运行的问题，提供一种改进结构的电弧靶控制系统。

本发明的目的之一可以通过采取以下技术方案达到：

一种改进结构的电弧靶，包括靶桶、引弧电极、靶材、弧电流源和冷却装置；所述靶桶安装在涂层设备的真空室上，引弧电极设在靶材上并连通引弧电路；所述引弧电路连接端设在靶桶外壳上，靶材通过靶座安装在靶桶内；其结构特点在于：靶材呈截头圆锥状，冷却装置直接与靶座连接，构成对靶材的直接冷却结构；在靶座的外表面设有灭弧圈，以防止弧斑烧蚀靶座及冷却装置；在靶桶的外表面设有产生电磁场用于稳定电弧弧斑的可调式环形电磁线圈，环形电磁线圈的输入端连接直流电源。

本发明的目的之一还可以通过采取以下技术方案达到：

进一步地，所述冷却装置可以由进水管、出水管连通靶座的内部空腔，冷却水通过靶座循环，以带走热量实现电弧冷却。

进一步地，所述靶材中轴线可以与靶桶中轴线重合，靶材原始厚度为35mm，靶面烧蚀后的厚度最薄达3mm。

进一步地，环形电磁线圈可以由空心电磁线圈构成。

进一步地，空心线圈可以作为产生强电磁场的电磁线圈，其磁场方向与靶材轴线方向一致。

本发明的目的之二可以通过采取以下技术方案达到：

如前所述，改进结构电弧靶的控制系统，其结构特点在于：包括由靶桶、引弧电极、靶材、弧电流源、冷却装置、灭弧圈和环形电磁线圈构成的电弧靶和所述电弧靶的控制单元，在冷却装置中设置有水温传感器；控制单元的信号输入端连接水温传感器的信号输出端，控制单元的输出端之一连接弧电流源的控制输入端，控制单元的输出端之二连接直流电源控制输入端，直流电源的输出端连接环形电磁线圈的电源端；控制单元具有根据工艺参数电弧电流的大小，自动调节弧电流源和环形电磁线圈的直流电源的功能，保证两者电流的稳定输出，以及监控冷却水温度、水流量、水压力的功能，构成智能型电弧靶的控制系统。

本发明的目的之二还可以通过采取以下技术方案达到：

进一步地，控制单元的输出端连接引弧电路的控制输入端，通过控制引弧电路的输入信号，以控制调节引弧电极在靶材侧面产生电弧火花。

进一步地，控制单元由计算机及控制硬件与软件构成。

本发明的有益效果：

1、本发明由于在靶座的外表面设有灭弧圈，以防止弧斑烧蚀靶座；在靶桶的外表面设有用于稳定电弧的可调式环形电磁线圈。当需要靶材起弧工作时，通过控制单元发出的控制信号，使引弧电路经过引弧电极在靶材侧面产生电弧火花，而串接有空心电磁线圈的弧电流源，即时把电弧火花点燃成电弧弧斑。由于空心线圈产生的磁场强度非常大，并且磁场方向与靶材轴线的方向一致，空心电磁线圈产生的磁场把电弧推向靶材工作面，并可一直维持下去。因此，通过空心电磁线圈的磁场作用，不仅能维持靶面弧斑的稳定性，还能增强真空室内离子的离化率，而且具有结构简单、靶材利用率高和真空离子镀效果好的有益效果。

2、本发明由于将电弧靶的靶材设置为截头圆锥状，靶材底端直接连接冷却结构，通过冷却水冷带走热量进行冷却，其连续工作时间最长可达70小时，因此具有靶材利用率高、连续运行时间长、原子离化率高的有益效果。

附图说明

图1为本发明具体实施例1的结构示意图。

图2是本发明在实际应用中的作用分析图。

图3为本发明具体实施例2的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的方法作进一步详细描述：

具体实施例1：

参照图1，本实施例涉及的改进结构电弧靶，包括靶桶1、引弧电极2、靶材3、弧电流源4和冷却装置5，引弧电极2设在靶材3上并连通引弧电路11；所述靶桶1安装在涂层设备的真空室12上，引弧电路11连接端设在靶桶1外壳上，靶材3通过靶座3-1安装在靶桶1内；靶材3呈截头圆锥状，冷却装置5直接与靶座3-1连接，构成对靶材的直接冷却结构；在靶座3-1的外表面设有灭弧圈6，以防止电弧弧斑烧蚀靶座3-1及冷却装置5；在靶桶1的外表面设有产生电磁场用于稳定电弧弧斑的可调式环形电磁线圈7，环形电磁线圈7的输入端连接直流电源8。

由前述改进结构的电弧靶和控制单元9构成的控制系统，包括由靶桶1、引弧电极2、引弧电路11、靶材3、弧电流源4、冷却装置5、灭弧圈6和环形电磁线圈7、直流电源8构成的电弧靶和所述电弧靶的控制单元9。在冷却装置5中设置有水温传感器10；控制单元9的信号输入端连接水温传感器10的信号输出端，控制单元9的输出端之一连接弧电流源4的控制输入端，控制单元9的输出端之二连接直流电源8控制输入端，直流电源8的输出端连接环形电磁线圈7的电源端。控制单元9具有根据工艺参数电弧电流的大小，自动调节弧电流源4和环形电磁线圈7的直流电源8的功能，以及监测冷却水温度、水流量、水压力的功能结构，构成智能型电弧靶的控制系统。在靶桶1中设有桶脚12。

本实施例中：

所述冷却装置5由进水管5-1、出水管5-2连通靶座3-1的内部空腔构成，冷却水通过靶座3-1循环带走热量实现电弧冷却。所述靶材3的中轴线与靶桶1的中轴线重合。靶材原始厚度为35mm，靶面烧蚀后的厚度最薄可达3mm。环形电磁线圈7由空心电磁线圈构成。空心线圈为产生强电磁场强的电磁线圈，其磁场方向与靶材3发射金属离子的方向一致。

控制单元9的输出端连接引弧电路11的控制输入端，通过控制引弧电路11的输入信号以控制引弧电极2在靶材3侧面产生电弧火花。控制单元9由计算机及控制硬件与软件构成。

本发明的工作原理：

如图1和图2所示，所述靶材3中轴线与靶桶1中轴线重合，靶材3工作面原始厚度为35mm，靶面烧蚀后的厚度最薄可达3mm，引弧电路11输出端通过引弧电极2连接到靶材侧面上，通过引弧电极2尖端在靶材3侧面产生放电电弧火花。该结构引弧工作稳定，容易实现。

引弧电极2的尖端与靶材3锥形侧面有放电间隙，当靶材3需要起弧工作时，控制系统触发外部的引弧电路11，通过引弧电极2在靶材3侧面产生电弧火花，这时弧电流源4即时把电弧火花点燃成电弧弧斑。由于直流电源8通过空心电磁线圈7产生的磁场强度非常大，并且磁场方向与靶面垂直，电磁线圈产生的强大磁场对靶材锥面的电弧弧斑产生一个沿靶材锥面的分力F1，使得在靶材侧面产生的电弧弧斑推向靶材工作面，并一直维持下去(见下图)。由于靶材侧面呈斜锥状，电磁场力会阻止电弧弧斑跑到靶材侧面，使得电弧弧斑一直被控制在靶面区域维持正常工作。另外空心电磁线圈7产生的强大磁场，大大增强了真空室内离子的离化率，其连续工作时间最长可超过70小时。

具体实施例2：

参照图3，本实施例2的特点是：电磁线圈的首尾分别串接在靶材3和弧电流源4之间，用弧电流源4输出的电流经过电磁线圈7再到靶材3。这种做法的优点是成本低，结构更简单，使用方便。其它结构和功能同具体实施例1。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。