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等離子噴涂過程的"凈能量"控制

熱噴涂技術

等離子噴涂過程的"凈能量"控制

分類:
涂層技術的最新發展
作者:
發布時間:
2006/11/17 00:00

許多復雜的熱噴涂涂層要求等離子的工藝過程可以更精確地加以控制。由于等離子噴涂的動態特性,而且過程控制的驗證和狀態診斷的要求又極為嚴酷,因此控制系統必須進行強大的系統設計和極其精準的計算機閉環控制。普萊克斯表面技術公司的7700型和 GTS型等離子噴涂控制系統所具有的“凈能量”控制,通過其先進的技術獲得獨一無二的等離子體穩定性。

什么是“凈能量”

“凈能量”是等離子焰流中的能量值,它給注入到焰流中的噴涂材料傳輸熱能。加熱等離子氣體的直流電弧在陽極上以極高的頻率(15000cps)波動和振蕩,因而產生極高的噪音。由于材料表面的燒損、粗糙化、不停的氧化以及它們金屬學成分的改變,在陰極和陽極電弧終止點(即弧根點,見右圖)和弧根點表面的狀態是變化的。這些變化會影響電壓、電流和(噴槍上的)那些零件的熱損失。這種狀況又會引起電弧的變化。在恒定功率輸入條件下(即系統功率或噴槍輸入功率),電弧的變化會使等離子焰流中的能量會隨時間而改變。簡言之,等離子能量(等離子弧焰的形態和溫度)越是穩定且保持不變,顆粒的加熱也更好且更有再現性,對等離子涂層性能也是如此。

“控制等離子的凈能量能減少噴涂時涂層性能的可變性,凈能量控制使我們能夠快速、精確地控制以往無法控制的等離子弧波動”

什么是凈能量控制?

“凈能量”控制是檢測等離子過程的硬件的物理狀態的變化,并通過調節直流(DC)功率(系統功率或噴槍輸入功率)的輸入來保持生成的等離子能量不變(即凈能量或噴槍輸出功率),這樣就使粉末的受熱條件保持不變。也就是說,系統功率(噴槍輸入功率)的閉環控制并不能保證等離子焰流的穩定。通過控制等離子焰流中的實際能量(凈能量)并進行“實時”調節,來保持期望的恒定的能量輸出。也就是說,凈能量(噴槍輸出功率)的閉環控制才能保證等離子焰流的穩定。帶有凈能量控制的7700GTS系統可以生產出高一致性、高穩定性的高質量等離子涂層。

凈能量控制的重要性

通過控制加熱粉末的能量,凈能量控制能保持每一次運行的工藝過程的再現性,即使標準噴槍的零件改變了或燒損了或者電纜老化了,也能做到?!皟裟芰俊钡目刂瓶墒瓜到y對等離子噴槍的效率進行實時監測和顯示。這一具有實用價值的參數可使控制系統對等離子工藝過程的硬件狀態做出反應,調節并維持目標等離子體,在運行參數超出預置限定值時,或零件失效或需要維護時,提醒操作者。

有了正確的能量值對涂層質量和涂層成本這二者都非常有利。下面列出了凈能量控制帶來的一些益處:
  • 能量使用的最優化——沉積效率的最大化即是優化能量使用的結果。
  • 降低材料使用,減少廢料產生——若焰流能量發生變化,平均的沉積效率也會低于預計值,從而要使用更多的材料,由此產生的必須去處理的廢料也增加了。
  • 易耗配件的使用降低——噴槍效率的監控會使噴槍零件的使用條件最為適宜,且零件的使用時間得到延長。
  • 產品質量更好——若只是簡單地監控各個單獨的參數,那些只有用金相實驗室工作才能發現的涂層質量變化,還是會發生的(見下圖)。從圖中可以看出,工藝參數只有非常小的變化,而涂層中的變化卻很能大。參數上不能發現,但可以從“凈能量”和噴槍效率的差異上看出這些不同。
  • 減少返工 / 降低成本 / 增加產量——更好、更穩定的涂層質量再現性降低了返工數量。低返工率與高沉積效率相結合,提高了工件的周轉量,這樣就降低了成本,解放了噴涂單元的能力,若有需要就能提高產量。
“凈能量”控制等離子噴涂

右圖是進行噴涂工藝試驗時,等離子噴涂金屬涂層的金相照片。發生變化的參數只有電壓、電流和冷卻水流量,其余不變。右側涂層的槍上功率是12.22 kW;左側涂層的槍上功率為11.63 kW。噴槍功率雖然僅下降了4.8%,但涂層質量卻發生了很大的改變,這令許多涂層工作者都會感到困惑,因為,若從獨立的工藝參數上去分析就很難解釋清楚。

如果有“凈能量”控制功能,那就較易辨別和解釋。因為右側涂層噴涂時的噴槍凈能量為4.4KW,噴槍效率為40.7%;而左側涂層的凈能量為3.2KW,噴槍效率為30.9%。二者相比,凈能量降低了27.3%,噴槍效率下降了24.1%。如此巨大的差異當然會引起涂層質量的變化。

由于等離子噴槍采用的是電弧等離子熱源。噴槍工作時,槍內的陰極和噴嘴陽極間將生成非轉移電弧,工作氣體流經此電弧時就被加熱或被電離,形成了等離子焰流,從而也獲得了加熱粉末的熱量和加速顆粒的速度。由于陰、陽極弧根點上材料表面的燒損、蒸發和氧化,其金屬表面的化學成分也在不停變化。陰、陽極弧根點表面狀態的變化不僅要從電弧中汲取能量,同時還會影響電壓、電流和噴上零件的熱損失。同時,工作氣體流經電弧時的流體力學特性及二者的互相作用,也會引起電弧的變化。在恒定功率輸入條件下,電弧的變化使等離子焰流中的能量會隨時間而改變。

因此,在進行大批量工件噴涂生產時,要保證涂層質量的一致性和再現性,凈能量控制能起到關鍵作用。同樣,若噴涂一個大工件,且耗時長,如采用凈能量控制就能確保涂層質量始終如一,而用不擔心噴槍狀態的細小變化對涂層產生影響。

凈能量控制系統的價值是什么?
 
一套凈能量控制系統的價值取決于現有的工作,應用和正在做的涂層工作量。要證明其真正的價值,就要將現在的成本與帶有凈能量控制系統的成本進行比較。進行這種實際運行的比較可能是一個費用較高的計劃,因而擬訂的一個商業模式,對比兩個給定的方案。下面的二個表中列出了某些數值的變化情況。

1.氧化鉻涂層的生產
改進
節省開支 (產量不變)
改善效果/%
帶來銷售增長(若單價為 $1.50/in2)
增長
/%
改善情況
10 to 8%
$1,747
2
$23,226
2
沉積效率
45 to 47%
$3,476
3
$46,452
4
噴涂速率
4 to 5 lb/hr
$2,828
2
$156,774
15
工件成本
$5.25 to $3.94/hr
$1,313
1
-
涂層厚度
0.012 to 0.011 in.
$6,698
6
$95,015
9
生產能力
50 to 55%
$104,516
10
$16,039
14
$605,988
60
2.碳化鎢涂層噴涂(Mach I)
改進
節省開支 (產量不變)
改善效果/%
帶來銷售增長
(若單價為 $1.50/in2)
增長%
項目
改善情況
返工
10 to 8%
$2,310
2
$7,720
2
沉積效率
65 to 67%
$3,214
2
$10,689
17
噴涂速率
3.0 to 3.5 lb/hr
$3,059
2
$57,900
17
工件成本
$5.25 to $3.94/hr
$1,310
1
-
厚度
0.012 to 0.011 in.
$8,854
6
$31,382
9
生產能力
50 to 55%
$34,740
10
總體
$17,491
12
$165,064
48

附注:
每個表中的數字代表了一個噴涂單位一年的產出,單班作業,50%的利用率。該對比商業模式使用的是標準的噴涂工藝參數,典型的材料、氣體和能源價格得出的上表中的數值。增長的效率可以看作節省的成本也可以看成是提高的產量,兩方案都做了計算。表中的沉積效率是“真實的”沉積效率。

可能得到的附加好處:
  • 由于增加了對涂層的控制,后處理的成本會降低。
  • 每個工件均留有工藝數據(有記錄保留)
如何作業才能從使用“凈能量”控制系統中獲益?
  • 采用自動化進行大批量生產,以獲得有競爭力成本
  • 單個工件的噴涂時間較長,期間存有變化的可能性
  • 大量不同的工件(或涂層)要求盡快進行工藝設計和施工
  • 生產的涂層要求精確地達到某些特性
  • 涂層訂單有較好利潤
  • 需要擴大的生產能力
  • 要求各生產單元之間有相同的可再現性
普萊克斯表面技術公司的 7700 型及 GTS 型 等離子噴涂控制系統都具備“凈能量”閉環控制功能??梢杂刹僮髡哝I入最佳參數,由控制臺完成工藝調整,比傳統的等離子系統調節得更快更精確。這些系統能與絕大部分的市售等離子噴槍匹配使用,但特別適合于SG100噴槍。

7700型凈能量計算機閉環控制等離子噴涂系統

7700型通用等離子控制器是現今市場上最先進的等離子噴涂工藝控制器之一。7700的特點是氣體采用閉環控制的質量流量控制(MFC),PC機控制觸摸屏操作界面終端(OIT)功能強大,PLC的過程控制又極其穩定可靠,兩者結合組成了強大的PC/PLC控制系統。

氣體采用質量流量控制,精度高,氣體流量的再現性好,而且對氣源的供氣壓力相對的不敏感。

GTS 型凈能量計算機閉環控制熱噴涂集成系統

GTS是一種先進的多重工藝控制技術,它具有最好的效率和控制及各種功能。GTS采用PC/PLC控制,用點擊或觸摸屏進行操作,直觀的屏幕使極為復雜的作業變成了簡單的操作。
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