多功能微弧等离子喷涂技术与应用

等离子喷涂是一种材料表面强化和表面改性的技术，可以使基体表面具有耐磨、耐蚀、耐高温氧化、电绝缘、隔热、防辐射、减磨和密封等性能。 等离子喷涂技术是采用由直流电驱动的等离子电弧作为热源，将陶瓷、合金、金属等材料加热到熔融或半熔融状态，并以高速喷向经过预处理的工件表面而形成附着牢固的表面层的方法。 等离子喷涂亦有用于医疗用途，在人造骨骼表面喷涂一层数十微米的涂层，作为强化人造骨骼及加强其亲和力的方法。

多功能数字波控弧焊逆变电源专利目的

《多功能数字波控弧焊逆变电源》的目的在于克服2013年之前技术中的缺点与不足，提供一种多功能数字波控弧焊逆变电源。该逆变电源使焊机具备优异的一致性、可靠性和动态响应能力，基于电弧瞬态能量的精细化控制技术，优化利用焊接电弧能量，提高热效率，保证良好的电弧稳定性，实现多种电流脉冲波形输出控制，适应不同金属材料焊接，以获得优质的焊缝焊接质量。

多功能数字波控弧焊逆变电源技术方案

《多功能数字波控弧焊逆变电源》通过下述技术方案予以实现：一种多功能数字波控弧焊逆变电源，其特征在于：包括主电路、控制电路和送丝机模块；所述主电路包括依次连接的三相共模滤波模块、一次整流滤波模块、高频全桥逆变模块、功率变压器模块和二次整流滤波模块；所述控制电路包括ARM控制系统模块，以及与ARM控制系统模块连接的数字化面板模块、高频逆变驱动模块和送丝机驱动模块；

其中，所述主电路的三相共模滤波模块与三相交流输入电源连接；二次整流滤波模块的输出端一与送丝机模块的输入端连接，输出端二与焊接负载的输入端一连接；送丝机模块的输出端与焊接负载的输入端二连接；送丝机模块还与送丝机驱动模块信号连接；所述电压电流检测模块用于实时检测主电路电压电流值；所述高频全桥逆变模块与控制电路的高频逆变驱动模块连接，以实现由控制电路控制逆变电源的输出特性。

《多功能数字波控弧焊逆变电源》逆变电源具有优异的一致性、动态响应性能和扩展性；基于电弧瞬态能量的精细化控制技术，优化利用焊接电弧能量，提高热效率，保证良好的电弧稳定性，实现多种电流脉冲波形输出控制，适应不同金属材料焊接，以获得优质的焊缝焊接质量。同时通过采用数字化面板模块设置逆变电源输出特性参数，实现了全数字化控制，实现了多种焊接电流波形调节，使该发明逆变电源适应于多种金属材料的焊接，节省生产投入成本，提高生产效率。

所述控制电路还包括过流保护检测模块和过压欠压缺相检测模块；所述过流保护检测模块分别与ARM控制系统模块、高频逆变驱动模块和高频全桥逆变模块连接；所述过压欠压缺相检测模块分别与ARM控制系统模块和三相共模滤波模块连接。

所述控制电路还包括用于实时监测高频全桥逆变模块温度的温度检测模块；所述温度检测模块与ARM控制系统模块连接。

优选的方案是：所述ARM控制系统模块采用型号为STM32F405RGT6的ARM芯片；所述ARM芯片内固化有运行于FreeRTOS嵌入式实时操作系统的多功能数字波控软件系统。《多功能数字波控弧焊逆变电源》逆变电源以型号为STM32F405RGT6的ARM芯片为核心，型号为STM32F405RGT6的ARM芯片是ARM Cortex^TM-M4架构的32位RISC嵌入式微处理器，将FreeRTOS嵌入式实时操作系统移植到焊机的控制中，使焊机具备优异的一致性、可靠性和动态响应能力。

所述ARM芯片的ADC端口直接与电压电流检测模块相连；ARM芯片的GPIO端口分别与过流保护检测模块、过压欠压缺相检测模块和温度检测模块直接相连；ARM芯片的PWM端口分别与高频逆变驱动模块和送丝机驱动模块相连；ARM芯片的CAN端口与数字化面板模块直接相连。

《多功能数字波控弧焊逆变电源》的原理是：主电路采用全桥逆变式拓扑结构，采用高空载慢送丝的引弧方式。全桥逆变脉宽的调制是通过在FreeRTOS嵌入式实时操作系统中进行实时任务调度，通过PID控制算法来实现给定信号与反馈信号的比较运算，把PID控制器运算输出结果通过ARM控制系统模块的TIMER模块输出数字化的PWM信号，通过高频逆变驱动模块进行隔离放大，控制高频全桥逆变模块的功率开关管IGBT按照一定的时序导通与关闭，实现高频交直流转变。电流反馈是在逆变电源输出端用电压电流检测模块检测电压电流输出值，得到采样信号，经过放大、比较，再输送到ARM控制系统模块，改变高频全桥逆变模块中功率管IGBT的导通与截止时间，实现占空比的调节以达到功率调节的目的，使逆变电源的瞬时输出能量保持稳定，达到焊接过程精细化控制的目的。

多功能数字波控弧焊逆变电源改善效果

1、《多功能数字波控弧焊逆变电源》逆变电源对焊接电弧的瞬态能量进行实时精细化控制，一阶阶跃响应实现无超调控制，使整个焊接过程中电弧能量得到精确和柔性控制，保证良好的电弧稳定性和挺度，更易于获得优质的焊接质量；

2、《多功能数字波控弧焊逆变电源》逆变电源实现了全数字化控制，具有优异的一致性、动态响应性能和扩展性；

3、《多功能数字波控弧焊逆变电源》逆变电源实现了多种焊接电流波形调节控制，针对不同焊丝，通过专家数据库调出对应的焊接波形，以适应各种焊接金属材料，实现多种焊接方法，一机多用，节省生产投入成本，提高生产效率。

在等离子喷涂的基础上又发展了几种新的等离子喷涂技术，如：

1.真空等离子喷涂（又叫低压等离子喷涂）

真空等离子喷涂是在气氛可控的，4～40Kpa的密封室内进行喷涂的技术。

因为工作气体等离子化后，是在低压气氛中边膨胀体积边喷出的，所以喷流速度是超音速的，而且非常适合于对氧化高度敏感的材料。

2.水稳等离子喷涂

前面说的等离子喷涂的工作介质都是气体，而这种方法的工作介质不是气而是水，它是一种高功率或高速等离子喷涂的方法，其工作原理是：

喷枪内通入高压水流，并在枪筒内壁形成涡流，这时，在枪体后部的阴极和枪体前部的旋转阳极间产生直流电弧，使枪筒内壁表面的一部分蒸发、分解，变成等离子态，产生连续的等离子弧。由于旋转涡流水的聚束作用，其能量密度提高，燃烧稳定，因此，可喷涂高熔点材料，特别是氧化物陶瓷，喷涂效率非常高

3.气稳等离子喷涂

气稳等离子喷涂的原理是由等离子喷枪（等离子弧发生器）产生等离子射流（电弧焰流）。喷枪的电极（阴极）和喷嘴（阳极）分别接整流电源的正、负极，向喷枪供给工作气体（Ar、N2等），通过高频火花引燃电弧。电弧将气体加热到很高的温度，使气体电离，在热收缩效应、自磁收缩效应和机械效应的作用下，电弧被压缩，产生非转移性等离子弧。高温等离子气体从喷嘴喷出后，体积迅速膨胀，形成高温高速等离子射流。送分气流推动粉末进入等离子射流后，被迅速加热到熔融或半熔融状态，并将等离子射流加速，形成飞翔基材的喷涂离子束，陆续撞击到经预处理的基材表面，形成涂层。大气等离子喷涂用氩气、氮气、氢气作为等离子气。