专利名称：具有外部粉末加料器的等离子喷射装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及等离子喷射装置，特别是涉及一种带有外部粉末加料器的等离子喷枪。
热力喷涂，也被认为是火焰喷涂，包括诸如金属或陶瓷制品之类的热熔材料的热软化以及将已软化的颗粒状材料对着待喷涂面喷射。已加热的颗粒撞击到涂面而急冷硬化并粘结在被涂面上。传统的热力喷枪用于加热和喷射颗粒两个目的。有一种型号的热力喷枪，热熔材料是呈粉末状供给喷枪的。此种粉末一般由小颗粒组成，例如在100筛号美国标准筛孔尺寸(149微米)至约2微米之间。
如美国专利第4，674，683所揭示的等离子喷枪，利用由电弧热分解的等离子火焰产生热量来熔化粉末颗粒。等离子的原初气体一般为氮气或氩气，同时氢气或氦气通常也加到原初的气体中。用于输送粉末的运载气体一般是和等离子的原初气体一样的，虽然某些情况下可以使用其他的气体。等离子喷枪基本上包括与电源及等离子形成气体相连接的棒形阴极和管形喷嘴阳极。高温的等离子气流从喷嘴轴向地流过。为了达到遮蔽和冷却的目的，已揭示了多种用于在等离子气流周围产生辅助环流气体的结构。典型的结构为美国专利第2，922，869;4，389，559;4，558，201和4，777，342所揭示。
粉末注入等离子枪用来喷射涂面必须从等离子流的侧面完成，因为在中心已先设置了阴极。少量的粉末可能粘附于喷嘴面上，产生会妨碍喷射和涂覆的堆积物。比如，一侧的堆积物会引起喷射流歪斜，或一片堆积物可能剥落或成为涂层上的疵点。
如上述的美国专利第4，674，683号中所示，通过一个侧面的粉末加料器将粉末从外注入到射流中，使堆积物大大地减少了。然而，即使这样的加料器有时在靠近加料器的喷嘴面上也会产生有害的堆积物，将加料器从喷嘴移开虽有帮助，但要牺牲粉末的加热效能。
所以，本发明的目的在于提供一种能减少喷嘴表面上粉末堆积物的等离子喷射装置。另一个目的在于提供一种不会引起大量粉末堆积物而能提高加热效能的装置。
前述的和其它的目的是通过一种等离子喷射装置来实现的，它包括一个圆柱形喷嘴部件，其中有一包括有出口端和进口端的轴向通孔，进口端和阴极元件配合产生一种弧光等离子流并从出口端射出。出口端的喷嘴部件表面靠近通孔处有一与之同心的环形凹槽，凹槽由喷嘴部件的延伸部分向内形成。凹槽的深度约等于或小于凹槽的径向厚度。所设置的粉末加料器用来将粉末径向地注入喷嘴外靠近出口端的等离子流中。在操作喷枪过程中，由等离子流引开的周围大气迫使一种环形涡流积聚在凹槽内，涡流在喷嘴面上形成清扫气流以防止粉末堆积在喷嘴面上。
在一个较佳实施例中，凹槽部分地由一个和通孔大致成垂直的内表面形成槽的底部，并且装置还包括一个将弧形分布的气流沿着内表面注入的环形气体装置以致进一步推动涡流和形成清扫气流。环形气体装置可包括一个喷嘴部件的环圈部分形成凹槽的径向外周侧面，环圈内有一定数量弧形均布的小孔，具有径向向内的导向以使气流在内表面上掠过，小孔均匀地接受压缩气体。在还有一个实施例中，交替小孔和一个轴向元件是倾斜的以致分布气体以一定角度撞击在内表面上。
图1为实施本发明的一个等离子喷射装置的局部剖视侧视图。
图2为图1所示装置的部分侧剖视图，显示了有关的气流。
参见图1，它局部剖视地示出了实施本发明的等离子喷射装置或喷枪10。喷枪构造可包括机座(未示出)或部分示出的手柄部分12。在喷射枪内部为一阴极元件14，它一般为棒形的，在其一端(在沿着气流方向的前端)带有锥形顶端16，还有一空心圆柱形的阳极喷嘴部件18，它有一个可改变常规形状和断面尺寸的并和阴极元件同轴的轴向孔20。
喷嘴孔20有相应的向外呈锥形的端部及一个圆柱形中间部分。等离子流射出的那一端将在以下称为中心孔的出口端22，而另一端为进口端24。喷嘴18(一般为铜制的)装入用如黄铜之类导电金属制成的前枪体23，O型圈25用于密封需要，同时喷嘴由定位圈29固定。
阴极14类似地固定在一个导电的后枪体27内。两个枪体夹持一绝缘元件26，这个组合件通过绝缘螺栓连接在一起(图中未示出)。绝缘件同轴地围绕阴极14的中间部分，起到将阴极14和阳极18绝缘的作用，并形成一个环形空隙作为用来使等离子的原初气体通到喷嘴部件进口端的一个内部压力腔28。一种传统配置环(未示)可设在压力腔内。气体从一个至少含有一种等离子原初气体的气源32通过气体软管34经进口30供给到压力腔。传统水冷却通过一个位于喷嘴部件的冷却腔36来实现。
在出口端22，喷嘴面38包括和孔20大致垂直、也就是和孔轴线42垂直的内表面40，以及一具有稍微收缩的平截头锥形表面46的延伸部分44，锥形表面46从内表面40向靠近孔20的出口端22收缩地向前延伸，例如和轴线成3.75°。延伸部分44的端面48应有一个与孔的出口端的直径相比较薄的环面宽度E，例如与孔的出口端直径7.9mm相比较，宽度E为1.3mm。
圆环件50同轴地固定到喷嘴18上。这个环件实际上可以和喷嘴部件构成一体或可以分别制造并银焊在喷嘴环内表面52上，或如本例中，可以由两部分组成，而用一对螺钉54将环件和喷嘴夹住似一个“哈壳”。在后一种情况下，不需要时环件可拆卸。环件有一前表面56一般和延伸的喷嘴部分44的端面48齐平。
环件50、内表面40和锥面46在喷嘴表面38内限定了一个环形凹槽58。参见图2，这个凹槽58的目的是为环形涡流60提供一个环形空间使之积聚在其内。这个涡流至少部分是由附近的空气流62推动的，空气流是由于从喷嘴18喷射出的紊流的高速等离子气流64挟带空气所造成的。因此等离子气流将空气从喷嘴延伸部分带走，诱发生成一个环流和涡流。
为了促进这种效果，凹槽58应较浅且里面没有明显的凹凸不平，比如没有大的槽来干扰凹槽里的气体环流。一般凹槽的深度应等于或小于凹槽的径向厚度T(图1)。最小的深度应足以满足使凹槽仍然能保持和积聚涡流。适当的深度大约为径向厚度的一半。同时，为了更增强气流，可以使凹槽制成圆角来代替上述各平面相交成角形的凹槽。
一个用于粉末加料管68的前伸夹具66固定于(用螺栓或焊接)环件的前表面，加料管68的方向和轴线42大致垂直。加料管从粉末加料器70经粉末加料管道72接纳载运气体里的粉末，这样任何规范或所需的等离子喷涂粉末可以添加到(如图2中74处)从出口端喷射出的等离子气流64中。借助这样的粉末加料器，使用一般的方法就可以实现用等离子枪进行喷涂。
喷嘴面上有了上述的凹槽58后，发现喷嘴表面上的堆积物大大地减少或消失了。这是由于积聚在凹槽内的涡流60所造成的，因为喷嘴表面上方和空气环流起到清扫的作用，从而防止粉末在喷嘴面上堆积。
然而，一层粉末薄膜仍然有可能堆积在喷嘴上。为了进一步减少这种可能，增加一个环形气体装置用来进一步提供气体清扫作用。这样，根据一个较佳的实施例，环件50有许多弧形的，等间隔的小孔76、78径向向内地对着内表面。这些小孔从外部连到环形压力腔80，压力腔80即为在环件表面上可方便地开一个槽并被一焊入的垫圈形环82封住。一对气体通道83和气体接头84由空气软管87和压缩气体源86连通。除非需要惰性气体，一般空气就合适了。压缩空气以这样一种方式均匀地从小孔76、78中通过，以进一步推动和增强涡流60，从而在喷嘴部件的表面产生一个增强的清扫气流。即使没有涡流，空气也能提供有益的清扫效果。
这样的小孔至少有8个，最好有16个，例如1.6mm直径。为了进一步加强，需要将小孔分成几组交替的垂直小孔76和倾斜小孔78。垂直小孔76大致和孔20垂直，其位置使压缩气体掠过内表面40。倾斜小孔78从带有一轴向部件的压力腔80向后倾斜，而使压缩空气撞击到内表面上。一个和垂直方向成5°的倾斜角是合适的。空气的压力和流率可调得较低，以不干扰喷射流和它的粉末输送，而足够用来增强清扫作用，比如16个小孔时为1.4kg/cm2(20磅/寸2)和3升/分钟流量。
尽管任何用于增强涡流的环形气体装置的合理结构都是满意的，但这种结构应避免干扰等离子流。所以如上述的将小孔径向地向着内表面定向，在更直接地使空气向后沿着喷嘴延伸部分平截头锥形表面的交替布置更为可取。这种直接向后的空气导向可能会干扰射流的粉末输送。沿着内表面40径向地加入的空气88(图2)将被足够地变向，而沿着喷嘴部表面46向后流动，并增强涡流而不会明显干扰喷射。
一个上述发明的实施例是珀金一埃尔默公司出售的Metco 3MB-Ⅱ型喷枪，它具有GH型喷嘴和＃4粉末喷口用来喷射氧化钇稳定(二)氧化锆粉末，粉末尺寸为-110+10微米。参数为氩主气体为7.0公斤/厘米2，32升/分钟，氢辅助气体为5.3公斤/厘米2，11升/分钟，氩载运气体为7.0公斤/厘米2，7.1升/分钟，600安培，60-70伏特和2公斤/小时的喷射率。2小时后同3MB-Ⅱ标准的喷枪2小时后产生大量堆积物相比基本上没有堆积物。
虽然在上面本发明已结合具体的实施例详细地描述，属于本发明的概念和所附权利要求书的范围内的各种变化和改进对本技术领域的行家是显而易见的。本发明因此只限于所附权利要求书或它们的等同资料。
权利要求
1.一种等离子喷射装置，其特征在于包括具有一包括进口端和出口端的轴向通孔的圆柱形喷嘴部件，进口端和阴极元件共同作用产生弧光等离子流从出口端射出，喷嘴元件在出口端还有一喷嘴面；用于将粉末径向地注入到喷嘴部件外部靠近出口端的等离子流中的粉末加料器；以及将环形涡流积聚在喷嘴表面的涡流装置，涡流装置在喷嘴面形成一清扫气流以防止粉末堆积在喷嘴面上。
2.一种等离子喷射装置，其特征在于包括具有一包括进口端和出口端的轴向通孔的圆柱形喷嘴部件，进口端和阴极元件共同作用产生弧光等离子流从出口端射出，喷嘴部件在出口端还有一喷嘴面，喷嘴面上靠近通孔处有一同心的环形凹槽，凹槽从喷嘴部件的延伸部分向内形成槽的断面轮廓，凹槽有一径向厚度，凹槽的深度大致等于或小于径向厚度;以及用于将粉末径向地注入到喷嘴部件外部靠近出口端的等离子流中的粉末加料器;这样由等离子流引开的周围大气促使了环形涡流积聚在凹槽内，涡流在喷嘴面上形成一清扫气流以防止粉末堆积在喷嘴面上。
3.据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述深度大致为径向厚度的一半。
4.据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述装置还包括使弧形分布的气流沿延伸部分流动的环形气体装置，以使进一步驱动涡流和形成清扫气流。
5.据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的凹槽部分是由大致和通孔垂直的内表面形成槽底部并贯穿延伸部分，以及设置用于将弧形分布的气流沿着内表面径向向内地注入的环形气体装置。
6.据权利要求5所述的装置，其特征在于，环形气体装置包括喷嘴部件的环圈部件径向向外地形成凹槽，环件有一定数量的弧形均布的小孔径向向内地向着内表面，所述小孔能均匀地接纳压缩气体。
7.据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述孔分为几组相互交替的垂直小孔和倾斜小孔，垂直小孔大致和通孔垂直并其设置使在内表面上掠过分布气体，倾斜小孔倾斜于轴向元件以致使分布气体以一个角度冲击在内表面上。
8.据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述凹槽是由向着出口端收缩的平截头锥形表面的延伸部分径向地向内形成槽的断面轮廓。
9.一种等离子装置，其特征在于包括具有一包括进口端和出口端的轴向通孔的圆柱形喷嘴部件，进口端和阴极元件共同作用产生弧光等离子流从出口端射出，喷嘴部件在出口端还有一个喷嘴面，喷嘴面包括和通孔大致垂直的内表面以及从内表面向靠近通孔的出口端延伸的延伸表面;有一附着于喷嘴部件的环件以使环件、内表面和延伸表面在喷嘴表面上形成了一个环形凹槽，所述凹槽有一径向厚度，凹槽的深度大致等于或小于径向厚度，环件有一定数量弧形分布的小孔来均匀地接纳压缩气体，小孔由轴向元件径向向内地分置以致使压缩气体以一定角度撞击到内表面;以及用于将粉末径向地注入到喷嘴部件外部靠近出口端的等离子流中的粉末加料器;这样压缩气体在喷嘴表面生成清扫气流以防止粉末堆积在喷嘴面上。
10.据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述深度为径向厚度的一半。
11.据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述的一定数量的孔至少有8个。
12.据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述凹槽是由向着出口端收缩的平截头锥形表面的延伸部分径向地向内形成槽的断面形状的。
全文摘要
一种等离子喷射装置的喷嘴的前表面内有一环形浅凹槽。凹槽是由喷嘴的延伸部分为内侧面，环件为外侧面以及内表面为底部而形成的。环件内有一定数量的弧形均布的孔径向地对着内表面，孔和空气源相通。粉末被径向地注入到喷嘴部件外部靠近出口端的等离子流中。从孔中流出的空气流和由等离子流引开的周围大气促使环形涡流在凹槽内积聚，涡流在喷嘴表面形成清扫气流以防止粉末堆积在喷嘴面上。
文档编号H05H1/42GK1058359SQ9110250
公开日1992年2月5日 申请日期1991年4月18日 优先权日1990年5月18日
发明者安东尼·J·菲默费雷多, 约翰·E·内兹, 马丁·E·哈克, 冈瑟·海因 申请人:帕金-埃尔默有限公司