CN88102744A - 具有可调阴极的电弧设备 - Google Patents

Abstract

一种电弧等离子体发生设备，其包括用于调整阴极和阳极之间间隔用的诸组件：一加接于阴极的活塞可在一圆筒件中滑动，且将圆筒件分成第一腔和第二腔。第一腔在减小的压力下接收排放的控制流体；一有选择地将控制流体输入到第二腔中的第一阀门；一有选择地排放来自第二腔的控制流体的第二阀门；加接于活塞和圆筒件的端板之间的可伸缩管道位于圆筒件中，用其将冷却流体送至阴极；一连接阴极和一电弧电流源的挠性电缆位于圆筒件中，故可被圆筒件中的流体冷却。

Description

具有可调阴极的电弧设备

本发明总的涉及一种如等离子枪的电弧设备，特别是涉及一种一轴向可调阴极的机构。

如等离子枪的电弧设备用于这样一些目的，如包括以金属或陶瓷这样的热熔性材料的加热软化和将软化的材料以粒子形式喷涂到被涂表面上的热喷涂。在通常的等离子体设备中，电弧是在水冷却的喷嘴（阳极）和居中的阴极之间形成的。隋性气体穿过电弧，并被激发至摄氏15，000度。从喷嘴喷出的至少部分电离的气体的等离子体类似一种开式氧乙炔火焰。

在委托给与本申请同一的代理人的、于1987年3月5日申请、申请号021958（律师号ME-3570.1）的联合待批专利申请中，等离子体发生设备包括一包含有一中空圆柱状阳极件;一与阳极件电绝缘且同轴并列的中空圆柱状中间件，以形成等离子体气体流经在中间件和阳极件的通道和一轴向可移动的阴极件的等离子枪。一个对于电弧电压值连续敏感的电机或气动活塞调整相对于阳极喷嘴的阴极端部的轴向位置，以便保持一预定的电弧电压。

这一能按照电压调整阴极的装置确凿地基本上改进了电弧枪性能。在联合待批专利申请中公开的电机和气动活塞的工作是十分有效的。但是它们有些苯重和复杂，或需要另外的设备（压缩空气）。

美国专利3，342，305公开了一种可伸缩的等离子体发生焰炬，在其中电弧的发生是靠一将一电极压于喷嘴上的弹簧实现的，在发生电弧时，利用作用于弹簧上的冷却水的流体压力使其缩至一固定的操作位置。

按照上述，本发明的一个目的是提供一种具有可以调节相对于阳极的阴极位置的改进的电弧设备。

本发明的另一目的是提供一种使用电弧设备所需的冷却流体的新型阴极调整装置。

利用一如等离子枪的电弧发生设备可以实现上述和其它目的，该设备包括一具有一阴极件的电弧装置，在该电弧装置中阴极件与阳极件是相互隔开一定距离，该距离能使在两者之间产生电弧。流体通道用于流过冷却电弧装置的压力输入冷却流体。流体流通装置设有排放装置，可在低于输入压力的中等压力值时排放冷却流体。按照本发明，用于调节阴极件和阳极件之间的轴向相对间隔的阴极固定装置包括一从电弧装置延伸的封闭圆筒件。阴极件上加接了一活塞，该活塞在圆筒件中滑动，并将圆筒件分隔成一第一腔和第二腔。

第一腔接收来自阳极出口通道的冷却流体，其具有有足够阻力的输出装置以保持在第一腔中的冷却流体的压力与中等压力值。有一第一阀门装置，其功能是将加压的液控流体有选择地注入第二腔，以对抗在第一腔中的冷却流体的中等压力而推动活塞，使阴极件沿相对于阳极的第一方向轴向移动。另有一第二阀门装置，其功能是有选择地排放来自第二腔的控制流体，这样，在第一腔中的冷却流体的中等压力对抗第二腔中的冷却流体而推动活塞，使阴极件沿轴与第一方向相反的第二方向移动。

在本发明的一个最佳实施例中，流体流通装置包括一具有一位于圆筒件中的流体入口和一在中等压力下将冷却流体排到第一腔中的出口通道的阴极冷却装置。在与电弧装置相对的圆筒件一端，由一能接收加压的冷却流体的流体通道的端板相连结。还有一可伸长的管道装置，其最好包括加接在活塞和端板之间的伸缩管道，该管道装置装在圆筒件中，用来接收加压的冷却流体并送至流体入口。

在阴极件与电源之间最好需连接一挠性电缆，该电缆装在圆筒件中，用在其中流动的流体冷却。

在一例如其中电弧装置是一等离子枪的最佳实施方式中，其阴极定位装置还包括测定阴极件与阳极件之间的电弧电压用的电压测定装置。控制装置与电压测定装置互连，用来有选择地控制第一阀门和第二阀门，以调节阴极件和阳极件之间的相对间隔，以便保持一预定的电弧电压。

附图是体现本发明的等离子枪的纵剖面图。

作为体现本发明的一个实例，一等离子枪是在上述联合待批专利申请中公开的一种类型，并在附图中已有表示。这种等离子枪大致有三个组成部分，即一枪体组件12，一喷嘴组件14和一阴极组件16。在各组件中和各组件之间，在关键之处装有合适的O形图（未标号），用以密封气体通道和其他流体通道。喷嘴组件包括一组成阳极的管状喷嘴件18。阴极组件包括一阴极件20，其与喷嘴共轴而相互间隔安装，以便当存在等离子体形成气流和直流电压时保持在阴极端部22和阳极之间产生电弧的等离子体。附图中的24表示电源。阳极和阴极分别采用如铜和钨这样的通用材料。

除阴极件20外，枪体组件12组成枪的中央部分。在本实例中，组件12包括一中间件26。

件26是由小段铜制管段26A、26B、26C、26D组成，这些管段分别叠合在几个绝缘隔圈28之间并紧密装到绝缘管30中，而绝缘管30是装在金属枪体32中的。在后部的管段26A的后侧上紧贴一类似的但更宽些的隔圈28A，在喷嘴件18和相邻的管段26D之间装入了另一隔圈28E（图中用来表示各组件号码的字母A、B、C、D、E分别表示后部、后-中间部、前-中间部、前部和最前部的组件。另外，此处所用的和在权项中采用的名词“前部”和由此引出的诸名词或与此同义的或类似的名词，均属于从其枪喷出等离子体火焰的这一端;同样，“后部”等名词则表示相反的位置。）

绝缘管30如用充有Delrin^TM的玻璃制成。诸管段26的边缘，沿其圆周上，有许多O形圈密封件（未标号），用以密封相对绝缘管30的管段26中的诸环形孔道34。通过绝缘管30中的横向孔道36和由位于绝缘管30外表面上的纵向缝形成的纵向孔道38，将冷却剂输送给每个管段中的环形孔道34。通过径向上与第一孔道38相对的第二组横向孔道40，然后再通过位于管子30和枪体32之间的第二纵向槽（缝）42，从诸环形槽34可将冷却剂放走。

隔圈28是用如聚酰亚胺塑料的材料制成，而每只隔圈是并列于在相邻管段26之间的缝中以将各管段隔开。并列设置多个由如氮化硼陶瓷材料制成的热障圈44，每个热障圈位于每对相邻管段之间，并位于相应隔圈28内径上。

阳极喷嘴18是靠一螺纹挡圈46固定在枪体32的前端。喷嘴孔48和通过几个叠合的管段26的气体通道50组成了等离子体气形成通道。电弧电流是通过枪体32从阳极18传导到一常用的电流电缆接头52，。

与诸管段26中的那些环形孔道34相似的，喷嘴18上有一环形冷却剂孔道54，该孔道中有一挡板56。冷却剂从纵向孔道38送到孔道54中，孔道38和接有通冷却剂的电源电缆58的常用接头52接通，电缆58从冷却剂源59处运送高压输入液体冷却剂（通常为水），及向阳极送电。

在叠合的管段26的后面，利用一与位于诸管段之间的其他封圈44类似的阻挡圈44A将一气体分配环60与后部的管段26A沿轴向相互隔开。分配环60的前部分至少有一个气体入孔62，由此孔经过一环形支管64和一横向气体孔道使气体送至一等离子体形成气所需的接头。（图中未画出，供气方式是常用的）同样，通过一通道66和一些喷嘴18上的外孔68，通入第二等离子体形成气并送入气体通道50的前部。

阴极组件16包括棒形阴极件20，其有一前部尖端22并在其后端部与一阴极支承杆70相连接。支承杆是利用两只O形圈72滑动装在分配环60中，因而分配环60用作将支承杆沿分配环60的轴向上导向的支撑件。

中间体74是依靠螺纹中间环76经过拧到枪体32上的第一固定环上的凸肩77连接到枪体32上的。中间体74包住了一绝缘管30的后部分78。沿着绝缘管30向后延伸方向上是一加长的封闭圆筒件80，其装在枪体后部83中。枪体后部82依靠一带有螺纹后部固定板86的外部枪体84固定，外部枪体84上拧有一环形圈94，环形圈94靠在拧在中间环74上的第二固定环上的凸肩88上。圆筒件80的后端部被后部枪体82外侧上的和端件92内侧上的端板90包围住，端件92是用后部固定板86固定住的。圆筒件80的前端部是用分配环60连接的。

阴极支承杆70的后端部与活塞96是共心连接的，活塞96与O形圈98一起在圆筒件80中沿轴向滑动。圆筒的合理长度要足以使活塞能使得支承杆和阴极具有所需的移动距离范围。当活塞96滑动到使其抵住分配环的凸肩102时，这就是活塞的最大前伸位置（向前的位置，在阴极件处在用100表示的位置）;当活塞的后部突出部104碰到端件92的向前伸出的管状部分106时，这就是活塞的最大退回位置（向后的位置）。活塞96和端板90之间形成第一腔即后部腔108，而活塞96和分配环60之间形成的是第二腔即前部腔110。在管状部106的外侧的环状空间112是用作为达到最大退回位置专为后部腔提供的一些剩余空间，同理，分配环60中的环形孔道114也是专为前部腔提供的。

从喷嘴件18和中间件26进入的冷却剂是通过绝缘管30中的第二纵向孔道42，然后通过绝缘管中的孔道伸长部分116和一在端板90处与环形空间106连通的圆筒件80中的第一后部孔道118而进入后部腔108中，由于在诸冷却孔道中有通常的收缩处，进入腔108中的冷却剂的压力要比输入压力低。

圆筒件80中的第二后部孔道120将流体带出后部腔108后到通冷却剂和向阴极通电的常用的电缆接头122中。在124处的电缆管将冷却剂带至一排放口，如排放系统或循环泵入口，在此任一情况下的流体压力是较低的（如压力为O）。由于在这种电缆系统中存在因任选的专用收缩器造成的一些收缩，所以在后部腔108中的流体压力保持在向等离子枪的输入压力和排放压力之间的中等压力值上。

同轴的诸孔道提供对阴极件20的冷却。轴向孔道126从支承杆70的后部伸展到阴极件20中。长管128沿轴向位于形成外部环状孔道130的孔道中。孔道126的后端部形成一接近圆筒件80中的活塞96的流体入口131。

阴极20用的冷却流体是由共供阳极108用的同一流体源供给的。从孔道38向后伸出的支孔道132通过件80中的一中间孔道134和位于圆筒件80和后部枪体82之间的环形通道136连通。在后部枪体中的几条小孔道138（有两条画出）通向位于端件92和后部枪体82之间的第二环状通道140。至少有一条流体通道142（画出三条）将流体带向端件的中心轴。从流体管道142到阴极冷却用的流体入口131的连接可采用如一挠性管的圆筒件80中的可伸展的管道。

但是，与简便起见，按照如附图所示的最佳实施例，可伸展的管道是由若干可伸缩的管道组成的。将每根带有一前端内缘146和一后端外端148的几根依次变细的管状件144按同心相互滑装在一起。也具有一前端内缘的端件92的管状件106是一串管状件的外部和后部的一件。前部和内部的件150形成阴极支承杆70和流体入口131的后端部。当阴极充分伸展时，各个内缘146和外缘148相互咬合在一起，由此就限制了阴极的伸展（向前）位置。当阴极充分收回时，这些管状件就完全同心紧配起来。无论在这两个极限位置或中间的任一位置，伸缩管从端件92中的流体通道142将冷却流体送到阴极所需的流体入口131。尽管诸件144实际上是紧密滑配的，也不必在它们之间安装完全不透水密封件而满足下述的工作，因为向中间压力腔108中的少量漏泄不会有明显影响的。

至少一个通向活塞96的后部的横向孔152（画出两个孔）从外部环状孔道130将流出阴极的冷却剂送到圆筒件中的后部腔108中。孔道126、128中的收缩使阴极冷却剂以低于输入压力的压力流出。这样，流出的阴极冷却剂以中等流体压力值在后部腔108中与阴极冷却剂汇合。

利用常用的软管件154和通常不是必要的软管155可提供高压流体的第二入口，该软管接到用于冷却阴极和阳极的冷却流体的同一流体源59上。横向通道156将流体引入件80外面的支管158中，而几条径向孔道160（画出两条）则将高压流体引入活塞96前面的腔110中。在供应管路155中有两只阀门，其靠电磁阀操作。管路中的第一只阀门162使从流体源59引入前部腔的流体流过和切断。连接在第一阀门和软管件154之间的第二阀门164打开时从前部腔中放走流体（或返回以作再循环）。

利用第一和第二阀门可有效地使阴极20定位，与其有关的流体就用作控制流体。打开第一阀门162，关闭第二阀门164，高压流体流到前部腔110中，反抗在中间腔108中处于中等压力的流体推动活塞96，就把阴极向后推动。当两只阀门均关闭时，由于液体是不可压缩的，所以活塞上压力平衡，因此活塞和阴极件20保持在某一固定位置。然后打开第二阀门164，仍然关住第一阀门162，使控制流体从前部腔110中放出，在后部腔108中的流体的中等压力对活塞的作用下，使阴极向前移动。

通常在孔道38处的入口压力和送入腔110中的压力为45磅/平方英寸（3巴）～150磅/平方英寸（10巴），等离子枪中的各收缩口和流体出口使后部腔中的压力为中等压力，其大小为入口压力的20%～80%，例如入口压力为75磅/平方英寸，中等压力则为入口压力的58%。

我们已发现：采用位于后部腔的圆筒件中和可伸缩管外的挠性电缆166，能使对阴极的电弧电流连结十分有效。利用螺钉168将电缆的一头接在圆筒件80的后部壁上，主阴极电流电缆连接件122拧入电源连接用的圆筒件中。用第二螺钉170将挠性电缆的另一头接到与阴极有电联接的活塞的后表面上。由于电缆是完全浸在流体中而得到很好冷却，可以采用较小规格的电缆。通常的电缆可用绞合的，为6～18标准规格（美国电线标准），如9号标准规格的可带1000安培电流。这种电缆挠性要足够好，使不致于引起标准规格的电缆可能会发生的电缆活动问题。使用这种电缆可避免发生如不用此种电缆会将电弧电流经过移动件导至阴极上的问题。

对于使用本文所述的最佳等离子枪的这一实施例，确定阴极端部22的位置要与预定的电弧电压相适应。实际电压值可在阳极和阴极间测出，或在电弧电源24处测出，如附图中172处。

为工艺控制目的使电压维持恒定是所希望的。要达到这种目的必须确定电弧电压和调整阴极件位置使保持所需电压。实现这点，如果实际电压低，则可将阴极件相对于喷嘴朝后移动，如电压偏高，则朝前移动。

最好将电磁阀162，164经过一控制器174与电压测定系统172作电连接，控制器174对于电压测定是敏感的，这样，电弧电压一改变就会引起阀门动作和改变阴极端部22沿轴线上的位置。在控制器174中采用一常用的或所希望的比较电路后就容易达到这一点，此时会得到电弧电压与所需值的预定电压之间的差值。如当此差值超过一指定的差值时，一电子继电器电路就关闭，发出一调整电流，按照电压差值属正值还是负值的不同情况使支承杆向前或向后移动。调整电流是送至相应的电磁阀。如由于阳极和/或阴极表面的腐蚀造成任何电压改变，那么阴极调整量将是微小的（或者，必要时则需大调整）。

通常，如使用标准高频引弧是可能的话，那么产生用于稳态工作的长弧是困难的。因此，在本文所述的这个实施例中，最初要将阴极件放在接近阳极的前伸的位置上（图中100用虚线表示的）。当冷却水首先接通和打开阀门164（关闭阀门162）时，可以自动达到上述目的。虽然还没有电流流通，也可以接通所需的工作气流和电弧电压源24。然后，当按通常方式（如合上开关178）瞬时施加上高频引弧电压176时，电弧就引燃，电弧电流就流通。

当电弧已经引燃（和打开高频开关178）后，打开阀门162，关闭阀门164，此时的阴极就退回到如在附图中用此位置近似表示的阴极工作位置。这两个阀门的转换可由通过控制器控制的电弧电流传感器自动激发。这样，一旦电弧引燃，控制系统就会确定电压太低（由于电弧较短），并立即给阀门装置发出信号，使阴极退回到与预定电压条件相适应的工作位置。如采用计算机控制工作是十分希望的。

电弧电流或在起动时将其设定于所需值，或在最初时将其定在一低值，然后在起动后利用常用的方式或利用与电压信号协调的电子学方法将其值提高。

如需要的话，可用常用方法在等离子体中加入粉粒以便用于喷涂。

本发明的装置通常利用常用的等离子枪的一些参数进行工作的。电压最好保持在约80～120伏的给定值上，其上限值取决于电源特性。尽管要当心不能超过取决于如冷却剂流量的诸因素的功率，如80千瓦，然而电流可高达1000安培。内部尺寸也是按常用的确定，但要注意：流体通道中的收缩处要适当，以能保持如本文上述的中等流体压力以及正确的冷却条件。

可以预料一些对本发明的其他变化。例如，为了在相对于移动着的阴极端部位置最佳处，即使该阴极端部移动，也能保持输入气体的引入，希望根据阴极件固定气体分配环。这样，在另一个实施例（无附图）中，等离子枪中的阴极组件的轴向移动也将随带气体分配环作平行移动。按照本文所述的关于使用可调整位置的阴极的这种本发明构思的精神，可采用其他电弧装置用的设计方案，例如工件为阳极的转移型电弧装置。也可将腔108、110的功能倒过来，即用后部腔接收控制流体。

本发明的装置中的调整是简单的，因为只需用两只阀门。各组件比较简单而重量轻，整个装置尤其适用于轻量手持式等离子枪，或者，可伸缩型等离子枪适用于需进入小直径孔的场合。由于设备简单而且具有特有的冷却条件，所以该装置尤其适用于低压腔喷涂。

虽然参照了具体的实施例详细阐述了本发明，凡在本发明构思精神和待批专利权范围之内的各种改变和修改对于在熟悉本领域的人均是显而易见的。因此，本发明只受其权利要求或其同等物限制。

Claims (7)

1、一种电弧发生设备，其特征是包括一具有一与一阳极相互间隔开以在两者之间保持一电弧的阴极件，一用来接收加压的液状冷却流体以冷却电弧装置的流体通道装置，一在中等压力下排放冷却流体用的排放装置和一用于调整阴极件和阳极之间轴向间隔的阴极定位装置的电弧装置。其中阴极定位装置包括：

-从电弧装置延伸的封闭的圆筒，

-加接到阴极件上的活塞，其可滑动地位于圆筒件中并将汽缸分隔成一第一腔和一第二腔，第一腔接收来自排放装置的冷却流体，并有一有足够阻力的输出装置以在中等压力下保持第一腔中的冷却流体；

-用来选择地将加压的液状控制流体输入第二腔的第一阀门装置，以对抗第一腔中的冷却流体的中等压力而推动活塞，由此沿着向着第一腔的第一方向移动阴极件；

-用来选择地排放来自第二腔的控制流体的第二阀门装置，第一腔中的冷却流体的中等压力对抗第二腔中的排放控制流体而推动活塞，由此沿着在轴向上与第一方向相反的第二方向移动阴极件。

2、按照权利要求1所述的电弧发生设备，其特征是，液体通道装置包括一阴极冷却装置，其具有一位于圆筒件内的流体入口和一用于在中等压力下将控制流体排放到第一腔中的出口通道;阴极定位装置还包括位于圆筒件中的可伸展的管道装置，用其可接收加压的冷却流体并送至流体入口。

3、按照权利要求2所述的电弧发生设备，其特征是，流体入口置于接近活塞之处，圆筒件在其与电弧装置相对的一端与一端板连接，在端板中有一接收加压的控制流体的流体通道;伸展的管道装置包括若干个加接在活塞和端板之间的可伸缩导管。

4、按照权利要求1所述的电弧发生设备，其特征是，阴极定位装置还包括用于测定在阴极件和阳极件之间的电弧电压的电压测定装置，以及与用于选择地控制第一阀门装置和第二阀门装置的电压测定装置连通工作的控制装置。用此装置可调整阴极件和阳极件之间的间隔，以便保持一预定的电弧电压。

5、按照权利要求1所述的电弧发生设备，其特征是，阴极定位装置还包括一连接阴极件和一电弧电流源用的挠性电缆，其位于圆筒件中，以致能被其中的流体冷却。

6、按照权利要求1所述的电弧发生设备，其特征是，第二腔位于接近电弧装置的活塞一侧，一样，当第二阀门装置排放来自第二腔的控制流体时可使阴极件朝向阳极件移动，而当第一阀门装置将加压的控制流体送入第二腔中时使阴极件移离阳极件。

7、一种等离子体发生设备，其特征是，包括一具有一管状阳极件，一与阳极件共轴线且两者相间隔开用以在两者之间保持一等离子电弧棒形阴极件，一用来接收加压冷却流体并用于冷却阳极件的阳极流体通道装置，该装置具有一用于在中等压力下排放来自阳极流体通道装置的冷却流体的阳极出口通道，一具有一接收加压的冷却流体，并用于冷却阳极件的流体入口的阳极流体通道装置，该装置具有一用于在中等压力下排放来自阴极流体通道的冷却流体的阴极出口通道，和一用于连续调整阴极件与阳极件之间的轴向间隔的阴极定位装置，用以保持一预定的电弧电压的等离子枪，其中阴极定位装置包括：

一从等离子枪向后伸展的封闭的圆筒件;

一同轴线地加接于阴极上且滑动位于封闭的圆筒件中的活塞，其将圆筒件分成一位于远离等离子枪的活塞的一侧的第一腔和一第二腔。第一腔接收来自阳极出口通道和阴极出口通道的控制流体，它具有一阻力足以保持第一腔中的控制流体的压力与中等压力的输出孔和位于挨近活塞处的流体入口;

一用于选择地将加压控制流体输入到第二腔的第一阀门装置，以对抗第一腔中的流体的中等压力推动活塞，从而推动阴极件使其沿轴向远离阳极件;

一用于选择地排放来自第二腔的控制流体的第二阀门装置，使得第一腔中的控制流体的中等压力对抗第二腔中的排放控制流体而移动活塞，从而推动阴极件使其沿轴向趋近阳极件;

一在相对于电弧装置相反的一端与圆筒件连接的端板，其中有一接收加压控制流体的流体通道;

一加接于活塞和端板之间的可伸缩管道，用其将来自流体通道的加压冷却流体输到流体入口;

一位于圆筒件内、连接阴极件和电弧电流源的挠性电缆，圆筒中的流体能对其冷却;

一用于测量阴极件与阳极件之间电弧电压的电压测定装置，以及用于选择地控制第一阀门和第二阀门且与电压测定装置连通的控制装置，用这两装置可连续调整阴极件和阳极件之间的相对间隔，以保持一预定的电弧电压。

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