多功能微弧等離子噴涂技術(shù)與應(yīng)用

等離子噴涂是一種材料表面強(qiáng)化和表面改性的技術(shù)，可以使基體表面具有耐磨、耐蝕、耐高溫氧化、電絕緣、隔熱、防輻射、減磨和密封等性能。 等離子噴涂技術(shù)是采用由直流電驅(qū)動的等離子電弧作為熱源，將陶瓷、合金、金屬等材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，并以高速噴向經(jīng)過預(yù)處理的工件表面而形成附著牢固的表面層的方法。 等離子噴涂亦有用于醫(yī)療用途，在人造骨骼表面噴涂一層數(shù)十微米的涂層，作為強(qiáng)化人造骨骼及加強(qiáng)其親和力的方法。

多功能數(shù)字波控弧焊逆變電源專利目的

《多功能數(shù)字波控弧焊逆變電源》的目的在于克服2013年之前技術(shù)中的缺點與不足，提供一種多功能數(shù)字波控弧焊逆變電源。該逆變電源使焊機(jī)具備優(yōu)異的一致性、可靠性和動態(tài)響應(yīng)能力，基于電弧瞬態(tài)能量的精細(xì)化控制技術(shù)，優(yōu)化利用焊接電弧能量，提高熱效率，保證良好的電弧穩(wěn)定性，實現(xiàn)多種電流脈沖波形輸出控制，適應(yīng)不同金屬材料焊接，以獲得優(yōu)質(zhì)的焊縫焊接質(zhì)量。

多功能數(shù)字波控弧焊逆變電源技術(shù)方案

《多功能數(shù)字波控弧焊逆變電源》通過下述技術(shù)方案予以實現(xiàn)：一種多功能數(shù)字波控弧焊逆變電源，其特征在于：包括主電路、控制電路和送絲機(jī)模塊；所述主電路包括依次連接的三相共模濾波模塊、一次整流濾波模塊、高頻全橋逆變模塊、功率變壓器模塊和二次整流濾波模塊；所述控制電路包括ARM控制系統(tǒng)模塊，以及與ARM控制系統(tǒng)模塊連接的數(shù)字化面板模塊、高頻逆變驅(qū)動模塊和送絲機(jī)驅(qū)動模塊；

其中，所述主電路的三相共模濾波模塊與三相交流輸入電源連接；二次整流濾波模塊的輸出端一與送絲機(jī)模塊的輸入端連接，輸出端二與焊接負(fù)載的輸入端一連接；送絲機(jī)模塊的輸出端與焊接負(fù)載的輸入端二連接；送絲機(jī)模塊還與送絲機(jī)驅(qū)動模塊信號連接；所述電壓電流檢測模塊用于實時檢測主電路電壓電流值；所述高頻全橋逆變模塊與控制電路的高頻逆變驅(qū)動模塊連接，以實現(xiàn)由控制電路控制逆變電源的輸出特性。

《多功能數(shù)字波控弧焊逆變電源》逆變電源具有優(yōu)異的一致性、動態(tài)響應(yīng)性能和擴(kuò)展性；基于電弧瞬態(tài)能量的精細(xì)化控制技術(shù)，優(yōu)化利用焊接電弧能量，提高熱效率，保證良好的電弧穩(wěn)定性，實現(xiàn)多種電流脈沖波形輸出控制，適應(yīng)不同金屬材料焊接，以獲得優(yōu)質(zhì)的焊縫焊接質(zhì)量。同時通過采用數(shù)字化面板模塊設(shè)置逆變電源輸出特性參數(shù)，實現(xiàn)了全數(shù)字化控制，實現(xiàn)了多種焊接電流波形調(diào)節(jié)，使該發(fā)明逆變電源適應(yīng)于多種金屬材料的焊接，節(jié)省生產(chǎn)投入成本，提高生產(chǎn)效率。

所述控制電路還包括過流保護(hù)檢測模塊和過壓欠壓缺相檢測模塊；所述過流保護(hù)檢測模塊分別與ARM控制系統(tǒng)模塊、高頻逆變驅(qū)動模塊和高頻全橋逆變模塊連接；所述過壓欠壓缺相檢測模塊分別與ARM控制系統(tǒng)模塊和三相共模濾波模塊連接。

所述控制電路還包括用于實時監(jiān)測高頻全橋逆變模塊溫度的溫度檢測模塊；所述溫度檢測模塊與ARM控制系統(tǒng)模塊連接。

優(yōu)選的方案是：所述ARM控制系統(tǒng)模塊采用型號為STM32F405RGT6的ARM芯片；所述ARM芯片內(nèi)固化有運行于FreeRTOS嵌入式實時操作系統(tǒng)的多功能數(shù)字波控軟件系統(tǒng)?！抖喙δ軘?shù)字波控弧焊逆變電源》逆變電源以型號為STM32F405RGT6的ARM芯片為核心，型號為STM32F405RGT6的ARM芯片是ARM Cortex^TM-M4架構(gòu)的32位RISC嵌入式微處理器，將FreeRTOS嵌入式實時操作系統(tǒng)移植到焊機(jī)的控制中，使焊機(jī)具備優(yōu)異的一致性、可靠性和動態(tài)響應(yīng)能力。

所述ARM芯片的ADC端口直接與電壓電流檢測模塊相連；ARM芯片的GPIO端口分別與過流保護(hù)檢測模塊、過壓欠壓缺相檢測模塊和溫度檢測模塊直接相連；ARM芯片的PWM端口分別與高頻逆變驅(qū)動模塊和送絲機(jī)驅(qū)動模塊相連；ARM芯片的CAN端口與數(shù)字化面板模塊直接相連。

《多功能數(shù)字波控弧焊逆變電源》的原理是：主電路采用全橋逆變式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用高空載慢送絲的引弧方式。全橋逆變脈寬的調(diào)制是通過在FreeRTOS嵌入式實時操作系統(tǒng)中進(jìn)行實時任務(wù)調(diào)度，通過PID控制算法來實現(xiàn)給定信號與反饋信號的比較運算，把PID控制器運算輸出結(jié)果通過ARM控制系統(tǒng)模塊的TIMER模塊輸出數(shù)字化的PWM信號，通過高頻逆變驅(qū)動模塊進(jìn)行隔離放大，控制高頻全橋逆變模塊的功率開關(guān)管IGBT按照一定的時序?qū)ㄅc關(guān)閉，實現(xiàn)高頻交直流轉(zhuǎn)變。電流反饋是在逆變電源輸出端用電壓電流檢測模塊檢測電壓電流輸出值，得到采樣信號，經(jīng)過放大、比較，再輸送到ARM控制系統(tǒng)模塊，改變高頻全橋逆變模塊中功率管IGBT的導(dǎo)通與截止時間，實現(xiàn)占空比的調(diào)節(jié)以達(dá)到功率調(diào)節(jié)的目的，使逆變電源的瞬時輸出能量保持穩(wěn)定，達(dá)到焊接過程精細(xì)化控制的目的。

多功能數(shù)字波控弧焊逆變電源改善效果

1、《多功能數(shù)字波控弧焊逆變電源》逆變電源對焊接電弧的瞬態(tài)能量進(jìn)行實時精細(xì)化控制，一階階躍響應(yīng)實現(xiàn)無超調(diào)控制，使整個焊接過程中電弧能量得到精確和柔性控制，保證良好的電弧穩(wěn)定性和挺度，更易于獲得優(yōu)質(zhì)的焊接質(zhì)量；

2、《多功能數(shù)字波控弧焊逆變電源》逆變電源實現(xiàn)了全數(shù)字化控制，具有優(yōu)異的一致性、動態(tài)響應(yīng)性能和擴(kuò)展性；

3、《多功能數(shù)字波控弧焊逆變電源》逆變電源實現(xiàn)了多種焊接電流波形調(diào)節(jié)控制，針對不同焊絲，通過專家數(shù)據(jù)庫調(diào)出對應(yīng)的焊接波形，以適應(yīng)各種焊接金屬材料，實現(xiàn)多種焊接方法，一機(jī)多用，節(jié)省生產(chǎn)投入成本，提高生產(chǎn)效率。

在等離子噴涂的基礎(chǔ)上又發(fā)展了幾種新的等離子噴涂技術(shù)，如：

1.真空等離子噴涂（又叫低壓等離子噴涂）

真空等離子噴涂是在氣氛可控的，4～40Kpa的密封室內(nèi)進(jìn)行噴涂的技術(shù)。

因為工作氣體等離子化后，是在低壓氣氛中邊膨脹體積邊噴出的，所以噴流速度是超音速的，而且非常適合于對氧化高度敏感的材料。

2.水穩(wěn)等離子噴涂

前面說的等離子噴涂的工作介質(zhì)都是氣體，而這種方法的工作介質(zhì)不是氣而是水，它是一種高功率或高速等離子噴涂的方法，其工作原理是：

噴槍內(nèi)通入高壓水流，并在槍筒內(nèi)壁形成渦流，這時，在槍體后部的陰極和槍體前部的旋轉(zhuǎn)陽極間產(chǎn)生直流電弧，使槍筒內(nèi)壁表面的一部分蒸發(fā)、分解，變成等離子態(tài)，產(chǎn)生連續(xù)的等離子弧。由于旋轉(zhuǎn)渦流水的聚束作用，其能量密度提高，燃燒穩(wěn)定，因此，可噴涂高熔點材料，特別是氧化物陶瓷，噴涂效率非常高

3.氣穩(wěn)等離子噴涂

氣穩(wěn)等離子噴涂的原理是由等離子噴槍（等離子弧發(fā)生器）產(chǎn)生等離子射流（電弧焰流）。噴槍的電極（陰極）和噴嘴（陽極）分別接整流電源的正、負(fù)極，向噴槍供給工作氣體（Ar、N2等），通過高頻火花引燃電弧。電弧將氣體加熱到很高的溫度，使氣體電離，在熱收縮效應(yīng)、自磁收縮效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)的作用下，電弧被壓縮，產(chǎn)生非轉(zhuǎn)移性等離子弧。高溫等離子氣體從噴嘴噴出后，體積迅速膨脹，形成高溫高速等離子射流。送分氣流推動粉末進(jìn)入等離子射流后，被迅速加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，并將等離子射流加速，形成飛翔基材的噴涂離子束，陸續(xù)撞擊到經(jīng)預(yù)處理的基材表面，形成涂層。大氣等離子噴涂用氬氣、氮氣、氫氣作為等離子氣。