CN218404367U - 等离子喷涂装置及等离子喷涂沉积系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了等离子喷涂装置及等离子喷涂沉积系统；其中，该装置中电源模块包括依次设置的集成控制单元、电源控制单元和电源单元，电源单元包括并联的多个等离子电源；多个等离子电源通过正极控制连接单元和第一水电集束连接单元与等离子喷枪的阳极连接，通过负极控制连接单元和第二水电集束连接单元与等离子喷枪的阴极连接，该装置中多个等离子电源采用并联控制方式，通过分散式逻辑自整流控制均衡负载；同时，通过集成控制单元和电源控制单元实现集成控制，确保了多电源同时输出负载绝对均衡；以及，通过连接模块还可以实现设定输出模式，满足不同等离子喷涂工艺和等离子喷枪的需求，实现了电源模块的通用性和不同类型系统装备的替换性。

Description

等离子喷涂装置及等离子喷涂沉积系统

技术领域

本实用新型涉及热防护涂层制备工艺技术领域，尤其是涉及等离子喷涂装置及等离子喷涂沉积系统。

背景技术

高温防护涂层制备的主要工艺技术由料浆渗、气相渗、化学气相沉积(CVD，Chemical Vapor Deposition)、物理气相沉积(PVD，Physical Vapor Deposition)和热喷涂(TS，Thermal spraying)等；其中，热喷涂技术具有低成本、高效率等优势，在抗高温氧化涂层、热障涂层和环境障涂层等各方面均有广泛应用，如超音速火焰喷涂技术(HVOF，High-velocity oxygen-fuel spraying process)、等离子喷涂技术(PS，Plasma Spraying)等，均利用高能射流熔融、软化和半熔融耦合沉积金属、陶瓷粉体，广泛应用在航空、航天、冶金、石化、重工业等领域。等离子喷涂包括大气等离子喷涂(APS，Air Plasma Spray)、内孔等离子喷涂(IPS，Inner Plasma Spray)、真空等离子喷涂(VPS，Vacuum Plasma Spray)、等离子物理气相沉积(PS-PVD，Plasma Spraying-Physical Vapor Deposition)等，在实际应用中，等离子喷涂采用直流等离子电源为等离子发生器(等离子喷枪)供电，等离子喷涂系统要求主电源具备较低的电流纹波率和快速的动态响应特性，以便在等离子弧阻抗发生变化时，快速调节输出电压，维持恒流输出的状态，从而维持等离子弧焰的稳定，获得高质量的涂层。

上述不同的等离子工艺的工作参数范围不同，如APS工艺中存在不同的等离子发生器，工作电流的范围为100A～1000A，工作电压的范围为30V～200V；也存在单等离子电源供电和三个等离子电源供电(三电极等离子喷涂)的工作模式。而PS-PVD工艺由于工作电流较高(≤3000A)，也采用了三个等离子电源的供电模式，以适应高输出电流的喷涂模式。因此，等离子电源的输出主要有两类：①高电压、低电流，提升热焓值的同时，使用较低等离子电流减缓阴阳极热腐蚀和损耗，通常大功率高热焓等离子喷枪采用此类模式；②低电压、高电流，是常规等离子喷枪常用的工作模式，这类等离子喷枪阴阳极通常寿命较短，由于负载电流较高，阴阳极容易烧蚀，其工作电流常规为500A～1000A，极限如PS-PVD喷枪电流最大为3000A。

针对上述不同等离子喷涂工艺要求，从80kW～200kW额定功率电源层出不穷，以满足不同的制备公司需求，导致了设计研制的难度、周期和费用支出，且针对不同等离子喷涂系统，电源基本无相互替换性，为工程应用和用户使用造成了极大的浪费。因此，等离子电源通用化(低纹波、高动特性和高稳定性、高功率)具有重要意义。其中，等离子电源通用化通过对不同负载输出稳定性优化和高频输出，减少传统晶闸管电源和可控硅电源受到电网供电输出频率和波形的干扰和影响，提高等离子体的输出稳定性，提高能量利用率，如后续发展了逆变电源和高频斩波电源均是这一技术发展趋势。

由于等离子喷涂系统也在面向一体化设计制造(主设备和辅助设备、装置集成化)、多功能化(一机多能)和系统模块化集成化(将系统分为不同模块，通过一种集成控制系统控制不同的喷涂工艺实现)，而等离子电源作为集成多功能设备的核心供电装置，尤其关键，适配不同类型的等离子喷涂工艺(真空、内孔、旋转、大气等)及大气等离子喷涂不同特性喷枪的等离子电源及其组合控制技术是亟需解决的问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供等离子喷涂装置及等离子喷涂沉积系统，以缓解上述技术问题，不仅确保了多电源同时输出负载绝对均衡，还满足了不同等离子喷涂工艺和等离子喷枪的需求，实现了电源模块的通用性和不同类型系统装备的替换性。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种等离子喷涂装置，包括：电源模块、连接模块、水电转接箱、水冷机和等离子喷枪；其中，电源模块包括依次设置的集成控制单元、电源控制单元和电源单元，电源单元包括并联的多个等离子电源；连接模块包括正极控制连接单元和负极控制连接单元；水电转接箱包括：第一水电集束连接单元和第二水电集束连接单元；多个等离子电源的正极与正极控制连接单元的一端连接，多个等离子电源的负极与负极控制连接单元的一端连接；正极控制连接单元的另一端与第一水电集束连接单元的一端连接，负极控制连接单元的另一端与第二水电集束连接单元的一端连接，以及，第一水电集束连接单元的另一端与等离子喷枪的阳极连接，第二水电集束连接单元的另一端与等离子喷枪的阴极连接，且，第一水电集束连接单元和第二水电集束连接单元均与水冷机连接。

优选地，等离子电源为高功率逆变电源或者高频斩波电源。

优选地，每个等离子电源均配置有第一输出模式和第二输出模式；其中，第一输出模式为高电流低电压输出模式，第二输出模式为低电流高电压输出模式。

优选地，等离子电源的数量为3个。

优选地，水冷机包括出水口和回水口；其中，出水口通过第一管路与第一水电集束连接单元连接，回水口通过第二管路与第二水电集束连接单元连接。

优选地，该装置还包括采集模块；其中，采集模块包括第一采集单元和第二采集单元，第一采集单元设置在第一管路上，第二采集单元设置在第二管路上。

优选地，第一采集单元包括：出水压力传感器、出水温度传感器和出水流量传感器；第二采集单元包括：回水压力传感器、回水温度传感器和回水流量传感器。

优选地，等离子喷枪还包括阳极水电缆和阴极水电缆；其中，阳极水电缆的一端与阳极连接，另一端与第一水电集束连接单元的另一端连接，阴极水电缆的一端与阴极连接，另一端与第二水电集束连接单元的另一端连接。

优选地，等离子喷枪包括以下之一：内孔等离子喷枪、旋转等离子喷枪、单阴阳极级联等离子喷枪、三阴极等离子喷枪、三阳极等离子喷枪、三电极等离子喷枪和真空等离子喷枪。

第二方面，本实用新型实施例还提供一种等离子喷涂沉积系统，该系统包括上述第一方面的等离子喷涂装置。

本实用新型实施例带来了以下有益效果：

本实用新型实施例提供了等离子喷涂装置及等离子喷涂沉积系统，多个等离子电源通过正极控制连接单元和第一水电集束连接单元与等离子喷枪的阳极连接，通过负极控制连接单元和第二水电集束连接单元与等离子喷枪的阴极连接，该装置中多个等离子电源采用并联控制方式，通过分散式逻辑自整流控制均衡负载；同时，还通过集成控制单元和电源控制单元实现集成控制，确保了多电源同时输出负载绝对均衡；以及，通过连接模块还可以实现设定输出模式，实现了电流稳定输出，同时满足了不同等离子喷涂工艺和等离子喷枪的需求，从而大幅提升了电源模块的适配性，实现了电源模块的通用性和不同类型系统装备的替换性。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种等离子喷涂装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

为便于对本实施例进行理解，下面对本实用新型实施例进行详细介绍。

本实用新型实施例提供了一种等离子喷涂装置，该装置至少包括：电源模块、连接模块、水电转接箱、水冷机和等离子喷枪。

如图1所示，电源模块包括依次设置的集成控制单元11、电源控制单元12和电源单元；其中，电源单元包括并联的多个等离子电源13，优选地，等离子电源13为高功率逆变电源或者多相交错并联的高频斩波电源，以及每个等离子电源13与电源控制单元12之间还设置有对应的电源控制专用电路131，以使电源控制单元12对多个等离子电源13进行并联控制。具体地，若等离子电源13为高功率逆变电源，每台等离子电源13的额定功率为120kW，且，每个等离子电源13均配置有第一输出模式和第二输出模式；其中，第一输出模式为高电流低电压输出模式，即输出电流的范围为100A～1000A、电压范围为12V～120V，第二输出模式为低电流高电压输出模式，即输出电流的范围为50A～600A、电压范围为30V～200V，以适配不同工艺需求。若等离子电源13为多相交错并联的高频斩波电源，优选为三相交错或四相交错的高频斩波，这里以三相交错为例，则每个等离子电源13内部设置独立的三个电源子模块，每个电源子模块的额定功率为70kW，三个电源子模块三相交错输出，实现频率8kHZ的高频斩波，同时各相采用电容滤波，实现电流低纹波率和平稳输出。

在实际应用中，上述等离子电源13的数量为3个，且，采用并联控制方式进行控制。具体地，并联控制方式是指三个等离子电源13可以同时输出负载，也可以灵活的选择单电源、双电源和三电源同时输出；即每个等离子电源13均具有独立供电输出功能，集成控制单元11对等离子喷枪的输出进行监控和计算，并根据等离子喷枪和喷涂工艺判断电源负载的输出形式，以及将电源输出分配通讯下达至电源控制单元12，以使电源控制单元12控制三个等离子电源13的输出，这里电源控制单元12采用Modbus协议控制三个电源负载输出，主要控制输出喷涂总电流(It)的输出方式为单电源、双组输出还是三组输出，及控制单个等离子电源13的输出模式，例如输出It最大为2800A，当It＜500A时，使用单电源输出并根据等离子喷枪的电压切换单个等离子电源13的输出模式；当500A≤It≤1200A时，采用两组电源平均输出电流模式；当1200A＜It≤2800A，采用三组电源平均输出电流的模式；单台等离子电源13在切换输出模式时，当达到该等离子电源的最大输出电流或最大输出电压的80％时，自动切换输出模式。

需要说明的是，上述集成控制单元11优选为PLC(Programmable LogicController，可编程逻辑控制器)，上述电源控制单元12也可称为三路电源控制专用电路板)或电源集中控制器，且，集成控制单元11和电源控制单元12通信连接。以及，当双组电源或三组电源输出时，电源控制单元12还采用分散式逻辑自整流控制在多组电源输出时每个等离子电源13均衡负载，即自动按照设定的电流值，将电流负载均衡到不同的多组等离子电源13中，从而实现电流平衡。

对于上述连接模块，包括正极控制连接单元21和负极控制连接单元22；这里正极控制连接单元21也称为三路正极控制连接单元，负极控制连接单元22也称为三路负极控制连接单元，即连接模块包括正极3路和负极3路，不仅满足单电源、双电源和三组电源的输出，还具有易拆卸和安装的优点，便于适配不同组电源输出和不同类型等离子喷枪的转接需求。

对于上述水电转接箱，则包括第一水电集束连接单元31和第二水电集束连接单元32，实现了单电源、双组电源和三组电源的联合输出，如在三个等离子电源共同输出时并联输出；同时具有简单装卸功能，如拆卸后可满足三个等离子电源分别输出；以及，还采用快插的方式，采用密封圈密封水路，采用带绝缘隔离连接器连接电路，实现了水电转接。此外，水电转接箱还包括高频装置及电路33。

具体地，对于上述装置，多个等离子电源13的正极与正极控制连接单元21的一端连接，多个等离子电源13的负极与负极控制连接单元22的一端连接；正极控制连接单元21的另一端与第一水电集束连接单元31的一端连接，负极控制连接单元22的另一端与第二水电集束连接单元32的一端连接，以及，第一水电集束连接单元31的另一端与等离子喷枪40的阳极连接，第二水电集束连接单元32的另一端与等离子喷枪40的阴极连接，且，第一水电集束连接单元31和第二水电集束连接单元32均与水冷机50连接。

其中，水冷机50包括出水口和回水口；出水口通过第一管路与第一水电集束连接单元31连接，回水口通过第二管路与第二水电集束连接单元32连接。此外，该装置还包括采集模块；采集模块包括第一采集单元和第二采集单元，第一采集单元设置在第一管路上，第二采集单元设置在第二管路上。

优选地，第一采集单元包括：出水压力传感器61、出水温度传感器62和出水流量传感器63；第二采集单元包括：回水压力传感器64、回水温度传感器65和回水流量传感器66。需要说明的是，每个传感器的数量可能为一个，也可能为多个，具体可以根据实际情况进行设置。

此外，等离子喷枪40还包括阳极水电缆41和阴极水电缆42；其中，阳极水电缆41的一端与阳极连接，另一端与第一水电集束连接单元31的另一端连接，阴极水电缆42的一端与阴极连接，另一端与第二水电集束连接单元32的另一端连接。在实际应用中，等离子喷枪40为适配不同等离子喷涂工艺的喷枪，包括但不仅限于：适配普通大气等离子喷涂工艺(涵盖外表面和内控喷涂等不同形式)的内孔等离子喷枪、旋转等离子喷枪、单阴阳极级联等离子喷枪、三阴极等离子喷枪、三阳极等离子喷枪、三电极等离子喷枪；适配真空等离子喷涂工艺的真空等离子喷枪；适配等离子物理气相沉积的大功率等离子喷枪；适配真空悬浮液喷涂沉积三电极等离子喷枪；以及适配其他所有特定等离子喷涂工艺输出功率小于300kW的等离子喷枪等，等离子喷涂工艺包括但不仅限于真空等离子喷涂、内孔等离子喷涂、旋转等离子喷涂、等离子物理气相沉积、常规大气等离子喷涂、悬浮液等离子喷涂和真空悬浮液等离子喷涂等，因此，等离子喷涂工艺和等离子喷枪具体可以根据实际情况进行设置。

以及，针对不同等离子喷涂工艺的单阴阳极等离子喷枪，采用第一水电集束连接单元31和第二水电集束连接单元32连接，按照等离子喷枪负载特点自动控制等离子电源13的输出；针对三阴极等离子喷枪、三电极等离子喷枪、三阳极等离子喷枪，拆卸/安装第一水电集束连接单元31和第二水电集束连接单元32的连接，以将正极或负极分三路进行连接。

对于真空等离子喷枪及适配等离子物理气相沉积的大功率等离子喷枪，在实际应用中，等离子喷枪工作在真空舱室内，第一水电集束连接单元31和第二水电集束连接单元32，以及正极控制连接单元21和负极控制连接单元22需要真空穿板连接等离子喷枪和水电转接箱，这里真空穿板具有1个阳极和4个阴极水电缆接口，阴极水电缆接口分别用于与三个等离子电源输出单独连接和1个水电集束连接单元输出连接，当未连接水电缆时，接口采用配置密封环的金属封堵装置进行封堵。

因此，上述等离子喷涂装置，采用三组高功率等离子电源并联控制方式，等离子电源采用集中控制器和分散式逻辑自整流控制每组电源均衡负载，同时在等离子喷枪前端的水电转接箱中设定两个水电集束连接单元，实现电流稳定输出同时，满足了不同等离子喷涂工艺和等离子喷枪的需求。即本实用新型实施例通过一种集成真空等离子、内孔等离子、大气等离子喷涂的集成装置研制并应用，发展了适配多工艺、多功能等离子喷涂沉积系统的多电源并联控制的等离子喷涂装置，缓解了现有技术中使用不同等离子电源适配不同等离子喷涂工艺的技术问题，实现了一个电源模块满足不同类型等离子喷涂和喷枪的需求，可以大幅度提升电源单元的适配性，实现了电源单元的通用性和不同类型系统装备的替换性。

综上，本实用新型实施例提供的等离子喷涂装置，具有以下优点：

(1)电源模块可以实现多种等离子喷涂工艺和等离子喷枪，即具有功能独立、适配性强、通用性高的技术特点，可适配目前已知和未来开发的直流等离子喷涂功率小于300kW的等离子系统设备；

(2)集成控制单元和电源控制单元优化电源类型和主要参量，并对控制方式和等离子喷枪的连接进行了约束，通过集中控制和电源独立控制双重保障，结合等离子喷涂工艺，实现多重保障下均衡电源负载的输出，另外采用电流均匀分配的分散式逻辑控制形式，提升了电流输出的稳定性；通过对高频斩波电源和逆变电源的约束，提升了电源模块总体性能；

(3)与传统的一个等离子喷涂系统配置一个特定电源不同，使用该电源模块可以搭建多功能等离子喷涂系统，适配所有一定功率范围内的等离子喷涂工艺，可大幅度提高电源和系统的利用率；

(4)提升了等离子喷涂装置输出的稳定性，等离子电源在满功率或接近额定功率长时输出时，输出稳定性降低同时高负载长时输出影响电子元器件寿命，通过多电源输出的切换模式，可以始终在不同工艺范围内，维持稳定输出负载的同时，提升等离子喷涂工艺稳定性。

进一步地，在上述等离子喷涂装置的基础上，本实用新型实施例还提供一种等离子喷涂沉积系统，该系统包括上述等离子喷涂装置，此外，还包括其它装置，如真空装置，夹持等离子喷枪的夹持装置等，具体可以参考现有等离子喷涂沉积系统，本实用新型实施例在此不再详细赘述。

本实用新型实施例提供的等离子喷涂沉积系统，与上述实施例提供的等离子喷涂装置具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体工作过程，可以参考前述装置实施例中的对应过程，在此不再赘述。

另外，在本实用新型实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

另外，在本实用新型提供的实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本实用新型的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本实用新型各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种等离子喷涂装置，其特征在于，包括：电源模块、连接模块、水电转接箱、水冷机和等离子喷枪；其中，所述电源模块包括依次设置的集成控制单元、电源控制单元和电源单元，所述电源单元包括并联的多个等离子电源；所述连接模块包括正极控制连接单元和负极控制连接单元；所述水电转接箱包括：第一水电集束连接单元和第二水电集束连接单元；

多个所述等离子电源的正极与所述正极控制连接单元的一端连接，多个所述等离子电源的负极与所述负极控制连接单元的一端连接；所述正极控制连接单元的另一端与所述第一水电集束连接单元的一端连接，所述负极控制连接单元的另一端与所述第二水电集束连接单元的一端连接，以及，所述第一水电集束连接单元的另一端与所述等离子喷枪的阳极连接，所述第二水电集束连接单元的另一端与所述等离子喷枪的阴极连接，且，所述第一水电集束连接单元和所述第二水电集束连接单元均与所述水冷机连接。

2.根据权利要求1所述的等离子喷涂装置，其特征在于，所述等离子电源为高功率逆变电源或者高频斩波电源。

3.根据权利要求1所述的等离子喷涂装置，其特征在于，每个所述等离子电源均配置有第一输出模式和第二输出模式；其中，所述第一输出模式为高电流低电压输出模式，所述第二输出模式为低电流高电压输出模式。

4.根据权利要求1所述的等离子喷涂装置，其特征在于，所述等离子电源的数量为3个。

5.根据权利要求1所述的等离子喷涂装置，其特征在于，所述水冷机包括出水口和回水口；其中，所述出水口通过第一管路与所述第一水电集束连接单元连接，所述回水口通过第二管路与所述第二水电集束连接单元连接。

6.根据权利要求5所述的等离子喷涂装置，其特征在于，所述装置还包括采集模块；其中，所述采集模块包括第一采集单元和第二采集单元，所述第一采集单元设置在所述第一管路上，所述第二采集单元设置在所述第二管路上。

7.根据权利要求6所述的等离子喷涂装置，其特征在于，所述第一采集单元包括：出水压力传感器、出水温度传感器和出水流量传感器；所述第二采集单元包括：回水压力传感器、回水温度传感器和回水流量传感器。

8.根据权利要求1所述的等离子喷涂装置，其特征在于，所述等离子喷枪还包括阳极水电缆和阴极水电缆；其中，所述阳极水电缆的一端与所述阳极连接，另一端与所述第一水电集束连接单元的另一端连接，所述阴极水电缆的一端与所述阴极连接，另一端与所述第二水电集束连接单元的另一端连接。

9.根据权利要求1所述的等离子喷涂装置，其特征在于，所述等离子喷枪包括以下之一：内孔等离子喷枪、旋转等离子喷枪、单阴阳极级联等离子喷枪、三阴极等离子喷枪、三阳极等离子喷枪、三电极等离子喷枪和真空等离子喷枪。

10.一种等离子喷涂沉积系统，其特征在于，所述系统包括上述权利要求1-9任一项所述的等离子喷涂装置。

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