CN1011846B - 精确控制的等离子体产生系统及方法 - Google Patents

Abstract

一个产生等离子体的系统包括一等离子枪，该枪具有一个空心圆筒形阳极、一个与该阳极电隔离并同轴并置的空心圆筒形中间构件，形成一个通过该中间构件和阳极构件以及一轴向可移动阴极构件的等离子体形成气的通道。该中间构件包括由紧压夹持的弹性绝缘间隔环间离的管段形部件。由这些部件内槽的曲折和进一步由陶瓷挡环阻止至间隔环的电弧辐射。响应于电弧电压测量的电机或气动活塞连续地调节阴极顶端相对阳极喷管的位置，以便维持预定的电弧电压。

Description

本申请是1986年6月13日提出的序号为874，209的美国专利申请的一个部分继续，本发明涉及可精确控制等离子体状态的等离子体产生系统及方法，包括轴向可调节阴极的等离子枪，以及为维持预先决定的产生等离子体的电弧电压而调节阴极的方法。

等离子枪用于这样的目的，例如热喷涂，它涉及例如金属或陶瓷等等热可熔材料的热软化，并将软化材料以粒子状推到要涂复的表面，受热粒子碰击表面，就粘结在那里。典型地，供给等离子喷涂枪的热可熔材料是粉末状的，粉末粒度一般小于每平方英寸100网眼数的美国标准筛筛孔大小至约5微米。

在典型等离子体系统中，电弧产生于水冷喷管（阳极）与位于中央的阴极之间。惰性气体通过电弧，由此激发至高达15，000℃的温度，至少部分电离气体的等离子体，从喷管喷出，类似点燃的氧乙炔焰。

美国专利2，960，594（索帕）（Thorpe）揭示一种基本型的等离子枪。该专利中的图1表示一棒形阴极28和一阳极喷管32。阴极与阳极喷管置于同轴并离开一个空间，可操作地在阴极顶端和阳极喷管之间维持产生等离子体的电弧。形成等离子体的气体流进阴极周围的一个环状空间40（索帕）（Thorpe专利，图1）。这个基本结构（没有下面讨论的可调节阴极或极间部分）就是工业上用于例如等离子喷涂等应用的型式。

在该专利的图1中，索帕（Thorpe）也描述了阴极在电极夹3上的安装，该电极夹穿进枪体，以便提供阴极位置的调整。如该专利说明书第6栏第17至24行指出，电弧最初激发是通过将电极体拧向喷管 和缩回来获得的。所述的起弧的另一可供选择的方法是提供一个高频电流源，在电弧激发后，通过拧旋电极夹3，同样可能作出合适的调整。该专利也指出，电极的顶端也可位于离喷管入口处一段距离。（第6栏，第64-66行）。然而，这个“距离”被限于相当小的变化，索帕（Thorpe）专利中就阴极适合于什么位置或怎样决定这样一个位置，没有作出叙述和建议。

美国专利3，627，965（隋格）（Zweig）类同地显示具有带螺纹阴极夹的等离子枪（图4），并且建议它可用来变更燃弧隙，但关于螺纹夹的使用，隋格（Zweig）未给予进一步的启发。

美国专利3，242，305（凯恩等人）（kane    et    al.）揭示一种缩回起动炬，其中由一个弹簧将电极推到喷管来达到起弧。缩回到一个固定运行位置则是由冷却水的流体压力来实现的。

隋格（Zweig）也讲授到把粉末注进喷射枪内部的过程，在本技术领域中。众所周知的是这样内部的注入会造成喷管孔道内熔化粉末的积聚。因此，避免这样积聚的常规的粉末注入方法是将粉末注入喷管出口附近或外部的火焰内来达到的，正如美国专利3，145，287（西宾等人）（Siebein    et    al.）和4，445，021（艾恩斯等人）（Irons    et    al.）中所说明的那样。但这个注入位置造成降低加热粉末时的均匀性和有效性。

多个的电绝缘极间管段部件揭示在美国专利3，953，705（品特）（Painter）中。参阅品特（Painter）专利的附图，这些管段部件位于喷管组件8和一个管型的的尾部固定电极12之间，该尾部电极要求用作阳极。（第8栏，第47-57行）。起弧由施加20，000伏电压来达到，该电压可进一步增加，直至电弧出现。这样，品特（Painter）的等离子枪的运行方式和索帕（Thorpe）型等离子枪一般是不同的，后者有作为阳极的喷管，运行在高达仅仅约150伏的电压（索帕Thorpe 的表3）。在低电压方式中，电流是高的，即具有几百安培的数量级;而诸如电弧长度、气体类型和气体流量等因素则确立了运行电弧的电压。

如以上指出的、在上述专利中说明的，等离子体形成气体一般在上游电极的邻区引进。进一步，气体可在例如品特（Painter）专利中表示的下游的至少一点处注入。显示注入一个第二气体流的结构的其他的参考文献是美国专利Re.25，088（杜凯太（Ducati    et    al.）等人）和4，570，048（波尔）（Poole）。这些参考文献的每一种都显示了一个固定的阴极。

等离子枪通常能够运用例如氩或氮等惰性气体作为主要等离子体气体。对于氩，该气体经过一个或多个进孔以切向分量引入阴极附近的腔内，使等离子体引起涡流。理由是因为没有涡流，就不会将电弧带下喷管足够远，而造成低电压和低热效率。另一方面，对于氮气一般选择径向输入，因为涡流倾向于把氮电弧在喷管孔道内延伸一个长距离，从而引起起弧的困难。

然而，没有氮气的涡流，电压和效率是低的。因此，一种例如氢气的添加气体与氮气混合，有改进这些因素的效果。当使用氩时，即使具有涡流，效率亦是不合要求地低。在可能时，也添加氢，但氢气常常是认为不合乎要求的，因为它可能引起涂层的脆性。氦是一种另可作添加的气体，但它是昂贵的和较低效的。

鉴于前述，本发明的一个目的是提供一种新颖的等离子体产生系统和一种新颖的方法，可精确控制等离子体状态（如电弧长度和电压）。该方法无需给等离子体形成气体使用添加气体，即可维持预先决定的电弧电压。

另一目的是提供包括一个新颖粉末注入器的等离子体喷涂枪。

这些和还进一步的目的将从以下说明并联系附图看得清楚。

前述的目的是由等离子体产生系统来达到的，这个系统包括一个等离子枪，该枪包括一个空心的圆筒形阳极构件，一个空心的圆筒形的中间构件，该中间构件与阳极构件电绝缘并共轴地并置，以形成一个经过中间构件和阳极构件的等离子体形成气体的通道，以及一个具有前部阴极顶端的轴向可移动的棒形阴极构件。该阴极构件一般共轴地置于等离子体形成气体的通道内，和阳极构件隔开一个空间，可操作地在阴极顶端和阳极构件之间维持产生等离子体的电弧。该等离子体发生系统进一步包括一个包含有将等离子体形成气体向阴极顶端的后部引进等离子体形成气体通道的主气体进口的主气体装置，一个在一接近阳极构件的位置使等离子体形成气体引进而进入等离子体形成气的通道的辅助气体装置，一个连接在阳极喷管与阴极构件之间的电弧功率源，以及相对于阳极喷管连续地调整阴极顶端轴向位置以便维持一个预定的电弧电压的定位装置。中间构件基本没有另外的气体引入等离子体形成气通道。

在一个择优的实施例中，中间构件包括多个的管段形部件和绝缘组件，绝缘组件用来分隔这些管段形部件。该绝缘组件包括多个有弹性的间隔环，这些环受压地夹持在枪内。陶瓷阻挡环松驰地并置在邻近管段形部件之间的每一隔离环径向之内，以阻挡分隔垫圈受到电弧的辐射。邻近管段件之间的槽具有波形曲折，借此阻挡直接射到陶瓷阻挡环上的电弧辐射。中间构件基本没有另外的气体引入等离子体形成气通道。

图1包括图1（a）和1（b），是结合本发明的一个等离子枪的轴向剖面视图。

图2是沿图1中线2-2的箭头方向的横向剖面视图。

图3包括图3（a）和3（b），是结合本发明进一步实施例的等离子枪的轴向剖面视图。

图4是沿图3中线4-4的箭头方向的横向剖面视图。

图5是具有一个粉末注入口的喷管的纵向剖面。

图6是一个具有结合本发明的粉末供给组件的喷管的纵向剖面视图。

本发明的一个实施例描绘在图1中。图1以10总的表示一把等离子枪。大致上分为三个组件，即一个枪体组件12，一个包括管形喷管16的喷管组件14，以及一个阴极组件18。枪件组件12包括一个邻近喷管组件的一般管形的部件24D，该部件24D组成一个阳极。阴极组件包括一个阴极构件20，它与阳极部件24D隔开一个空间并同轴地放置，以致在等离子体形成气体的气流和直流电压的存在下，使产生等离子体的电弧维持在阴极顶端22和阳极之间。一个电弧电源示意地表示为23，阳极和阴极是以例如各自为铜和钨的常规材料制成的。

枪体组件12构成枪的中央部分，不包括阴极构件20，组件12包括至少一个，最好三、四或五个一般管形部件。图1显示三个这样的部件段24A，24B，24C，以及类同的阳极部件24D（在这里集体地表示为24），它们迭加起来形成组件12。部件24A，24B，24C限定为一个中间构件26，该中间构件不包括阳极24D，但包含等离子体形成气通道28的尾部部分，该通道延伸而让电弧及其连带的等离子体流通过。（与部件编号一起使用的字母A、B、C、和D在这里各自指示尾部、尾部中央、前部中央和前部部件。也正如在这里和权利要求中使用的那样，术语“前面的”、“前部的”，以及由此得来的术语或同义词或类似语，以等离子体焰从枪发出的一端为基准;同样地，“向后部的”、“向尾部的”等等表示相反的位置。）部件24最好用铜或类同材料制成。

部件24分别由盘形绝缘体30A、30B、30C彼此电绝缘，每一绝缘体在其中有一轴向圆形开口，每一绝缘体的内缘夹在相邻部件24之 间。一个同样形状的绝缘体30D，装在阳极部件24D的前端。这4个迭加的绝缘体形成一个绝缘构件30。这些加上一个尾部枪体构件32，以及一个位于前部的垫圈状护圈34，用三颗螺栓36固定在一起（图1中仅画出一颗这样的螺栓）。这样螺栓连结的绝缘体30的外缘部分38A、38B、38C、38D确立了枪体的刚性。

关于液体冷却，部件24的每一部分在其中都有一环形流道40，该流道由前承垫42和尾承垫44形成，前承垫42和尾承垫44将该流道限定在每一部件24的中部。一个这样的承垫，即在本例中每一部件的前承垫42，具有比另一承垫44较小的直径。一个抑制环46钎焊到前承垫42的外表面和另一承垫44面向前的表面，并且与盘形绝缘体30的内部表面相配合，这样就封闭成冷却液、典型地为水用的流道40，O形密封闭51适当地放置于接续部分的承垫42、44、环46以及盘形绝缘体30之间，用以阻挡冷却液。在环形流道40上制出提供和排除冷却液的常规接头（未画出）。

喷管组件14包括喷管16，该喷管有一通孔53，组件用三颗绝缘螺钉55（图1中画出一颗）固定到于枪体组件12前部的护圈34上。喷管孔道与枪体组件内的气体通道的尾部部位28同轴地对准，形成从尾部体构件至喷管孔前出口的完全长度的等离子体形成气体的通道28、63、53。喷管也用铜或类同材料制造，它与包括迭加部分24的枪组件12电隔离，这一绝缘隔离是用前部盘形绝缘体30D来完成的。

在喷管16中提供有冷却液环形流道57。进出该流道用的以及给迭加部件24的环形流道用的冷却液输送管以任何方便的和常规的方式来提供（未画出）。

喷管孔53的形构和直径对于例如等离子体喷涂用途是知道的或是要求的。下面详细说明的一个实施例中，该孔扩大，从而包含一个粉末供给组件。为了配合喷管孔53的直径，前部（阳极）部件24D的连 接通道63的直径可从另一部件24C的尾部通道28的所要求的直径发散。

包括阴极构件20的阴极组件18一般为圆筒形，该组件同轴地附加于中间构件26的尾部。一个固定构件48有一凸缘50，它由三颗沿周边分开的螺钉（在54处画了一颗）固定到尾部枪体构件32的向后的表面，构件32是用例如可机加工的刚玉那样的刚性绝缘材料组成的。一个管形支承构件56加接在固定构件48内，由此向尾部延伸。支承构件56的前部有一凸缘58，该凸缘进入在尾部枪体构件32的面向后部的表面内的相应的凹处，这样就将支承构件56同轴地定位在枪体组件12之内。

尾部枪体构件32在其中有一横向气体输送管62，它用于从例如氩或氮的加压气体源64接受形成等离子体的气体。该输送管导向一个环形集气腔66，集气腔66在气体分配环68的外圆周内，气体分配环68位于环形进气口区70的圆周周围，该区或称为压力通气系统组成等离子体气体通道28、63、53的后端。气体分配环68包含一个或多个从环形集气管引进进气区70的进气孔72（画出二个），这些进气孔可以为如典型地对氮气所要求的径向的（如图示），或可以有一切向分量，以对氩气要求的方式，在通道28、63和53中形成涡流。也可有径向和切向进气孔的结合，至少一个进气孔可有向前的轴向倾斜。另一可供选择的是，环68可由多孔材料组成，以便将气体扩散进区域70。气体分配环68是可更换的，以便可选择不同的等离子体形成气体或电弧的条件。

重述阴极组件18，阴极构体20成形为具有向前阴极顶端22的棒状，电弧从这顶端向前延伸至阳极部件24D，阴极构件近似为气体通道28的长度，通道28被其他三部件24A，24B，24C所包围。阴极构件的向后（向尾部）端可形成为带锥度的基部71，并用螺纹73同轴地相连到阴极支承杆74的向前端，杆74可滑动地装在支承构件56内;支承杆74自由地轴向移动，使得在接近阳极部分24D的后端的最大延伸位置78（如画中虚线示）和接近进气腔的最大缩回位置之间的范围内给阴 极顶端22找位置。这一专门的范围如以下说明的运行来要求将是鉴赏的。图1中，阴极顶端22设定在此两个极限值之间的可能操作的状况。

阴极构件20的冷却液由同轴的流道以常用方式提供，轴向输送管80从支承杆74的尾部延伸进阴极构件20至阴极顶端22附近的一点。一根长管82轴向地放置在输送管80内，使管80形成为环形输送管。给管82和输送管80接上冷却液流进流出的连接管即可（未画出）。

如图1所示，各个环形槽86A、86B、86C、86D分别形成于各24部件的每一邻近对之间，以及阳极部件24D和喷管16之间，该槽被每一相应盘形绝缘体30的内表面88外向限界。在通道28内，在阴极顶端22和阳极24D之间产生强烈的电弧。这些槽子最好有约0.5至3毫米之间的宽度，用来使绝缘体30同电弧及等离子体的幅射及热的恶化效应相隔离。为了进一步保护绝缘体，一个径向曲折90形成在每一这样的槽86中。在图1的实施例中，是这样做到的，在86A、86B、86C每一槽内，在包围连续气体通道的一个部件的面上有一环形台肩或隆起物，以及在面向的部件的表面有一相应的环形台肩或凹区，该隆起物和凹区构成了阻止电弧幅射的径向曲折90。一个类同的曲折90D提供在前部阳极件24D和喷管16之间的槽86D内。然而，一个不同形构的槽86C可存在在前部部件24D和前中部件24C之间，正如下面即要说明的那样。

在一个择优的实施例中，等离子体形成气的辅助气源96在集气管66的主气体进口前方的横向辅助气体输送管98进入。如图2中所描述，这个辅助气体最好通过位于前部部件24D的后承垫44D的多个切向进孔100引进。大多数最好的切向进孔100这样定向，使得进孔的延长轴在电弧碰击阳极的平均位置内与阳极部件24D的孔径相等的同轴圆周基本上相切。例如，在该轴和圆周之间最近的分开距离S（图2），应该少于该圆周直径的大约百分之十，这个定向被发现在旋转阳极电 弧根部中是最有效的。

24D部件的后承垫44D中的一条环形沟和钎接到承垫44D上的紧密装配环104一起围成一个气体前部集气带106，输送管98连结于该集气带和外部辅助气体源96之间。

典型地，主、辅助气源64、96供应同一种气体，但它们可以有独立的流量控制。也可以，在要求之处，使用不同的气体，例如氩作为主气体，氮作为辅助气体。

对于操作可移动的阴极构件20，支承杆74可由任何已知的或要求的方法轴向地移动，包括手动，但最好用例如气动或用电机等机械装置来移动。

在图1的实施例中，支承杆74气动地移动和定位。一个活塞108同轴地附加到该支承杆的近似的轴向中点。活塞在细长的气缸110内轴向滑动，该气缸拧进固定构件48的尾端。气缸的长度是足够的，以使活塞将支承杆和阴极携带到要求的距离范围。最大延伸位置（向前，如图阴极在78）是由支承构件56和前挡块112建立的，该挡块分别接触支承杆74上的中央凸缘114和活塞108，最大缩回位置（向尾部）是由接触活塞108的尾挡块116和接触挡环117的端块124建立的。

在气缸110内，于活塞108和支承构件56之间形成了一个前部腔118。在支承构件56内的第一对O形圈120密封该前部腔，并为支承杆74提供了一个导向。在气缸中，于活塞和端块124之间形成一个后部腔122，该端块124拧到并闭合气缸的后部端。该端块124滑动地使支承杆同第二对O形圈126接合，此对O形圈126密封了后部腔122，进而给支承杆导向。第三对O形圈128密封在沿气缸壁的活塞滑面上，在腔118、122之间提供气动密封。进一步增加的O形圈（未编号）置处在关键地方，以维持腔的压力密封。

一根前置气体管130通过固定构件48与前部腔118连通，一根后 置气体管134通过端块124与后部腔122连通。前、后气体管连结到压缩气体源138，合乎要求的压缩空气各自通过第一和第二供气电磁阀140、142。第一和第二排气电磁阀144、146也各自连结到前、后气体管，以提供前、后部腔118、122向大气的选择性的排放。

操作中，要向尾部移动阴极构件20，就打开阀门140，让压缩空气迫使进入前部腔118，与此同时，将阀门146打开，排放后部腔122中的气体;要停止，就关闭阀门140。同样地，要向前部移动阴极构件20，就打开阀门142（此时阀门146闭合），让压缩空气进入后部腔122，与此同时，打开阀开144，排放前部腔118中的空气。第一供气和排放阀140、144最好在机械上或电气上结合（未画出），同样第二供气和排放阀结合，这样当第一阀门140闭合时，后部腔122自动地排放，当第二阀门142闭合时，前部腔118自动地排放。

图3包括图3（a）和3（b），表示一个根据本发明利用电机和其他特征的等离子枪的进一步的实施例。许多特征与上面图1叙述的那些相当类同。从以下的说明中，一定的区别将显得清楚。

一个中间构件226由4个管段部件224A、224B、224C、224D组成，这些管段部件迭加在绝缘间隔环230B、230C、230D之间并紧密地装进绝缘体管231，该绝缘体管固定在金属外套211内，该金属外套卡持在枪体212内。一个类同的环230A结合在尾管段部部件224A的后边。该绝缘体管231是由例如加玻璃填料的Delrin组成的。224部件的承垫242、244的周边有O形密封圈（未编号），使224部件内的环形流道240对绝缘体管231密封。到环形流道240去的冷却液通过绝缘体管231中的槽路来提供，该槽路包括一个在外套211中的纵向输送管404和一个在输送管404与每个环形流道240之间连通的横向输送管402。冷却液通过与第一输送管402在径向相对的第二组横向输送管402′从流道240排出，从那地方通过在套211 中的第二纵向输送管412流至一大的软管接头406。

间隔环230是由例如聚酰胺塑料那样的一种有弹性的材料形成的，每一环并置于224管段部件的相邻部件之间，用以分隔这些部件，每一间隔环紧压固定在这些部件之间。挡热环233由例如氮化硼那种抗电弧幅射的陶瓷材料构成，在每对相邻的部件之间并置一个，置于相应分隔环230径向向内之处，该环230也支持相应的挡热环233。这样，除了在相应槽内的曲折290（如关于图1的说明），该挡环进一步保护塑料间隔环，免受幅射的恶化效应。

同样弹性材料制的间隔环230E安装在前部管段部件224E和相邻部分224D之间，224E部件和喷管构件一起构成阳极结构。间隔环230E具有一个其中带一台阶235的径向向内表面。相应的挡环233E有一个其中具有与第一台阶相配合的第二台阶的径向向外的表面。目的是沿配合台阶提供一个路径长度，它足以阻挡在高频起动电压存在下相邻部件之间的电击穿。也要求每一对242、244的承垫的直径稍微不相等，例如0.005至0.010英寸的不同，以防止可能的视线跳火。

每一挡环233有一宽度，该宽度略微但是足够地小于挡环就位于相邻管段部件之间的空间，使其浮动自由，以使在等离子枪运行期间补偿部件之间的未加限制的热膨胀而不致遇到可能破裂此环的应力。这个宽度也足够地大，以阻挡间隔环受到电弧的幅射，如图3所示最好比间隔环230更宽。

阳极喷管216由一护圈环241固定在枪体212的前端，该护圈环由螺纹243固定到枪体的前面。如图1的实施例，喷管孔253和通过迭加的管段部件224的气体通道的尾部部分228组成等离子体形成气体的通道。电弧电流从阳极216通过前部管段部件224E以及枪体212至一个常规的电流连接器408。

喷管216有一环形冷却液流道410，它类同于224部件中的那些环形流道240。224E部件的不规则形状部分411将冷却液流引向喷管壁。螺钉（在412处画出一个）把前部管段部件224E和枪体212加接到外套211。冷却液从纵向输送管404输到流道410，输送管404和附在枪体212的常规连接器408互通，该连接器408是供给携带冷却液和阳极电流的输送冷却液的电力电缆连接之用。

继续参阅图3，迭加起来的管段部件224的尾部，一个细长的气体分配环268被一挡环233A轴向地与尾部管段部件224A分隔，该挡环类同于管段部件与管段部件之间其他的环233。分配环268的前部部分至少有一个气体进气孔272，由气体源经过环形集气腔266和横向的气体输送管（未画出，气体源类同于图1所示）进气。

类似地，第二个等离子体形成气源可通过外套211内的通道（未画）引进到前部部件224D外部的外集气腔297，从那里通过224E部件的多个外进气孔298，至一邻近于喷管216的内集气腔299和喷管216中的内进气孔300，从而如图1所说明的那样，将辅助气体引进气体通道228的前部部分。

图3的阴极组件218包括一棒形阴极构件220，该构件有前顶端222，构件的后端连接到阴极支承杆274，该支承杆滑动地安装在细长分配环268内，该环在此用作为支承构件，以便在轴向路径引导该支承杆。

在支承杆274的尾端，一个例如Delrin材料的塑料的圆柱308借助一轴向突出物374压进在支承杆274的终端的一个孔来装上，用销375固定。塑料圆柱308在细长的空心圆柱310内，圆柱310用一固定凸缘376轴向地加接到枪体212的尾部，该凸缘由一大扣环378固定，用螺纹连接379固定到枪体212上。塑料圆柱308在空心圆柱310内提供自润滑的滑动，并支承支承杆274的尾部。凸缘376和 前部管段部件224E一起也加压夹持枪体内的部件包括将保持在224部件之间的间隔环230压紧。定位环377、377′帮助在柱体212内定位部件。

为了给阴极构件220提供电弧电流的连接并且给枪提供冷却液，一个连结器块380装在支承杆274的接近尾端处。进一步示于图4中，这是在块380位置取得的枪的截面图。支承杆274通过延伸过该块的圆柱形小孔紧密地配合。

拧在塑料圆柱372和块380之间的支承杆上的螺母382将该块380靠定在支承杆274的接触凸缘384上。螺母、凸缘以及支承杆同该块380的接触表面提供了一个通向阴极的电弧电流路径。该块横向地从支承杆通过空心圆柱310内的槽385至在该块远端作出的冷却液输送电缆用的第二个常规连接器386之处。圆柱310内的第二个槽385′位于在直径上完全与第一个槽相反的地方也容纳这个块。

横向冷却液输送管388，从电缆连接器386至形成在支承杆274和块380之间的一个环形输送腔390，连通过该块。一个短通道392连通到支承杆274的中心，在那里一轴向输送管280将冷却液引导到阴极顶端222的附近。如图1的实施例，一根长管282提供冷却液的进出流道。

位于块380和支承杆274之间的第二环形输送腔394把轴向输送管280，通过第二个短通道396连接到一个小软管接头414。这二个相邻的环形输送腔390、394密封地分开，由三个O形圈416密封之。第二个小软管接头418装于凸缘376的尾部，通过两个流体孔420、421、和枪体上阳极电力/冷却液连接器408互通。一个柔性软管（示意地画在422处）连接在二个小软管接头414、418之间。这样，给阴极222的冷却液从连接器408上的进口放出，经过柔性软管422，进入阴极支承杆274和阴极构件220内的长管282。从管282外部流 出的冷却液流到横向输送管388，流向电缆连接器386。

第二个大的软管接头424从块380向尾部延伸在前部与横向输送管388相通。一个大直径的柔性软管（在425处示意表示）连接在第一和第二大软管接头406、424之间，并将冷却液从喷管216和整个管段部件224送至块380，从而从电缆连接器386出去。

冷却液也经过输送腔（部分画出）引导到形成在气体分配环中央部分中的一个环形区428，以便冷却该环。

再来说明连接块380，它刚性地固定在阴极支承杆274上，当阴极构件220在定位时，它与之一起轴向地移动。在圆柱310内的槽385、385′足够地长以便容纳这一运动。

块386的宽度略小于圆柱310的内部直径（图4）。槽385、385′在两边紧密地配合到该块，以防止该块转动。冷却液用的在接头406、414、418、424之间的柔性软管422、425也对此运动作出适应。

一蜗轮构件430从塑料圆柱308内的小孔向尾部轴向地延伸，该蜗轮构件与一驱动齿轮432啮合，齿轮432与一个常规的电驱动的线性激励型的步进电机434相联，该电机适当地装在枪尾部外壳436内。通入该电机的电流导线438有选择性地驱动该电机正向或反向旋转，以致轴向地转动蜗轮430，这样整个阴极组件就前向或后向地移动。如本发明所说明，该电流的提供是响应于电弧电压量值的。

在图3中，所示的电机434加接到外壳436内的固定环440，外壳436也支承圆柱310的后端。也希望采用常规的限位开关（示意地画在442处）装在蜗轮构件的末端极限位置（或其他方便位置），从而以停止电机的电流，来防止阴极构件超越预先决定的轴向运动的最大极端位置。

如前指出，主要的等离子体形成气是经过气体分配环268的前部部分引进的，该环也给阴极支承杆274提供导向。为了防止热气体和 粉末后泄进该导向区，迫使气体进入支承杆和分配器之间是合乎要求的。为做到这一点，用一放气孔444与输送管426互通，并且用形成在分配环268尾端附近的一个环压的开口446以及通过该环的多个内向指引的孔448相通。

虽然中间构件26或226（分别在图1或图3）可由一个部件构成，甚至可用陶瓷或类同材料制成，正如在这里叙述的，几个金属的段状部件是最好的。因为不受控制的电弧长度和电压可能跟着产生，电弧不致缩短至中间构件是重要的。陶瓷用用中间构件或其段状部件是可行的，但是它难以冷却以及可能恶化电弧环境。这样，这些部件最好由铜或类同材料制造。因此，用这几个段状部件的目的就是要让电弧电流通过中间构件流到阳极喷管产生更大的困难。

阴极顶端22或222的位置，相应于要求的预定电弧电压来选择。实际电压跨接阳极和阴极来测量，或跨接电弧电源23或223测量，分别如图1和图3的148或348示意地表示。通常较长电弧相应于较高电压，较高电压在传递给等离子体流的热功率方面也产生较高效率。（热效率一般地由从输入电功率减去给冷却液的热损失以及取该差对输入功率的比率来决定，冷却液的热损失即是温升乘以冷却液的流速）。

对于过程控制诸目的，维持不变电压是高度要求的。根据本发明，这是通过如要求决定电弧电压和重新定位阴极构件以维持该要求电压来达到的。如果实际电压低，将阴极构件相对于喷管向后移动;如果该电压高，阴极构件向前移动，这一要求就可达到。

最好采用例如电磁阀控制或电机等的定位系统通过一个控制器（示意地表示在图1的150处和图3的350处）电联接到电压测量系统，该系统响应于测量电压，以致电弧电压的改变造成阴极顶端的轴向位置的相应改变。用具有通常的或要求的比较电路控制器150或 350，就可容易地做到这点，该比较电路提供电弧电压与予置要求电压量之差。当该差超过一个规定的差别值时，一个电子继电电路闭合，发出移动支承杆的调节电流，该支承杆便根据该电压差值的正或负来向前或向尾移动。调节电流送至相应的电磁阀（图1），或送至适当的电机绕组（图3）。视可能情况而定。当任何电压变化发生时，例如阳极和/或阴极表面的烧蚀，其结果将产生小的（或如必要，大的）阴极调节。

如果着手应用标准高频起动电压实质上并不是不可能的话，一般地根据本发明为稳态运行的较长电弧是困难的。因此，根据本发明进一步的一个实施例，阴极构件起始定位于阳极附近的某延伸位置（图1中78处的虚线和图3的类同位置）。使要求的操作气体流动并且电弧电压源172或372（图1或3）接通，但是仍无电流流通。然后，当高频起动电压以正常方式瞬时加上时（例如在图1或3中闭合开关173或373），电弧激发，电弧电流流通。

当电弧起弧后（高频开关173或373打开），阴极退向其运行位置，由图1和图3中的位置近似地表示。利用激励电压比较和相应的电路，并借助控制器150或350中的一个电弧电流探测器，该退回运动是自动的。这样，当电弧始发时，该探测器接通，并确定该电压太低（由于短电弧），就立即给移动装置发信号，使阴极退回到相应预置电压条件的运行位置。

电弧电流也可预置，以便电流立即采取触发之后的要求值;或者电流在初始时置于低值，在触发后以通常方式或与电压信号的电子配合来增大之。

供给等离子体的功率可以如前述美国专利NO，4，445，021中的常规方式达到。然而，根据本发明的等离子枪特别适合在作为阳极的喷管中的内部供给，而不会产生粉末粘附于喷管孔壁这样的通常问题。 明显地这是由于阳极电弧根部的受控位置和辅助气体的消除作用。图5描绘一喷管216′，它可用来代替图3中的喷管216。其中一粉末口366在喷管孔内从通常的粉末源（未画）很好地导引粉末。

在一个择优的实施例中，用本发明的装置和方法控制电弧位置，允许把粉末供给组件放置在喷管孔内。图6表示一个位于喷管216″内的合乎要求的粉末供给组件151，该喷管可用来分别代替图1或图3中的喷管16或216。一个较长的圆柱形中心构件放在喷管孔253内，该孔有一扩大的孔径以容纳该组件。组件151的圆柱形中心构件152，用一固定臂154保持就位。等离子体流通路径提供在中心构件152和喷管壁之间的环形空间156内，该路径被固定臂分裂。

为了使电弧分裂和跳跃到中间构件上去的可能性减至最小，每部分圆柱形内表面的前后边缘都应弄成圆角的，这特别合乎要求。约在1毫米和3毫米之间的圆形边缘（图3中450）的半径是合适的。阳极后边缘半径（图3中452）应当在约4毫米和5毫米之间。这些半径发现是相当关键的。阳极边缘的圆形明显地和辅助气体的切向流配合，以便为防止当使用表示在图5中的粉末注入结构时粉末的累积形成而提供消除效应。

图6中冷却液输送管158提供在臂154内，进一步输送管160在中心构件中;让例如水那样的液体冷却剂循环，足以防止在等离子体流存在的情况下组件部件的迅速损坏。至少中心构件和固定臂的上游边缘162应当为气动力的弧形，以使等离子体流的干扰和冷却以及部件的烧蚀减为最小。

中心构件152有一粉末口166，向前地打开进入等离子体流的中心。该口166和固定臂中粉末输送管168相通，同轴地置于冷却液输送管中。粉末输送管连结到一个标准的或要求型式的粉末供给器（示意地表示在170处），该供给器用承载气体提供等离子体粉末。

本发明的装置一般用常规的等离子枪的参数操作，除了电压维持得较高一些，这是一种期望提供增加热效率的方式。最好电压维持在约80和120伏之间的一个确定的数值，该上限取决于电源特性。作为比较，常规枪使用附加的等离子体气体时的上限典型地为约80伏，电流可高达约1000安培，但是要小心不应超过功率量级，例如80kw，该功率量级取决于例如冷却液流量等因素。枪的内部直径也是习常的。喷管孔可以为约3.8毫米和12毫米之间的直径。在中间构件中气体通道28的合适的直径约为5毫米;电极构件20的直径约为2.5毫米。合适的阴极移动范围约为50毫米。

本发明的其他变化也是可能的。例如，阴极可相对于枪体保持固定，阳极喷管组件和中间构件则可与枪体成滑动关系。在这种安排中，气体分配环可相对于喷管固定，并与之滑动。进一步可能合乎要求的是将气体分配环相对于阴极构件固定，以便维持气体在相对于阴极顶端的最佳点引进，甚至当该顶端移动时也如此。这样，在进一步的实施例（图中未画）中，枪内阴极组件的轴向运动也携带气体分配环并行运动。也可能的是利用图1的等离子枪结构的前部部分同图3电机驱动机构结合，或者相反地，利用具有图3的枪和图1的气动装置相结合。

根据本发明方法的装置可以提供比先前业已证明为实用的等离子枪更高的电压进行运行，特别是比用于等离子体喷涂的那些高。高电压增加了系统的热效率，允许较高功率的运行时，同时可使高电流电弧在电极表面上的破坏效应减到最小。阴极按照电压的可调整性提供了优化电压的选择，而不需要附加气体并且没有其伴生的缺点。本发明也提供了连续和精确地维持预定电压，特别是基于电压测量的自动控制。本发明进一步允许简单起动并且自动调整到较高的状态，消除了起动高电压电弧的困难。本发明系统的其他优点在前面说明中是明显 的，还可以以下进一步提出的说明中看出。

令人吃惊地进一步发现，从本发明的等离子枪喷管喷出的是一高度均匀的等离子体火舌卷流。该均匀性是对于常规的等离子体喷涂枪的一个改进，例如对纽约韦斯特伯莱的帕金埃尔默公司销售的Metco    Type    9MB枪。这一结果是等离子体喷涂涂层性质可重复性方面的有意义的显著改进。该均匀性对于应用于逐渐加厚和连续的涂层以及例如Metco    601NS塑料-金属粉末混合物那类敏感于等离子体状况的均匀性的材料是重要的。

也发现了喷涂效率的提高。例如，在同样功率和流量条件下，以每小时10磅的喷涂率，喷射601    NS，Type    9MB枪产生大约60%的沉积效率，而根据本发明图3的枪则产生大于80%的沉积效率。另外，以每小时20磅的喷涂率，Type    9MB枪实质上不能产生涂层，而本发明枪仍产生大于75%的沉积效率。

当以超音速喷涂时，即用较小直径的喷管时，相当明晰的震荡菱形激波图型可以见到，而用常规喷枪，图型较漫散。清楚明晰的菱形图型对于选择粉末注入等离子体流的位置是合乎要求的。

根据上述说明的图3实施例的等离子枪结构对于那些管段部件的结合，加压夹持的弹性分隔环以及陶瓷挡环是高度合乎要求的。在严酷的等离子体和电弧条件下，这个结构被发现可以使具有敏感于电弧幅射及由于热膨胀引起破裂的绝缘部件得以实际的组合。

尽管根据专门的实施例本发明已详细地如上说明了，属于本发明精神和所附权利要求范围之内的各种变化和更改将对这一技术领域中的熟练人员变得显而易见。因此本发明仅用所附权利要求或它们的等同物来限止。

Claims (24)

1、一个可精确控制等离子体状态的等离子体产生系统，包括

一支等离子枪，其有一空心圆筒形阳极构件，一个总体上管形的并电材料制成的中间构件，该中间构件和阳极构件电隔离并同轴地并置，形成一个等等离子体形成气通过中间构件和阳极构件的通道，和一个轴向可移动的棒形阴极构件，该阴极构件有一向前的阴极顶端，该顶端相对于阳极构件同轴地隔开放置，可操作地在阴极顶端和阳极构件之间在等离子体形成气中维持产生等离子体的电弧以产生等离子体流，阴极构件一般地放置于等离子体形成气通道内以致该阴极在中间构件内可轴向地移动；

主气体装置包括一主气体进口，该进口把等离子体形成气从阴极顶端的尾部引入等离子体形成气通道；

辅助气体装置，该装置在一接近阳极构件的位置使等离子体形成气体引进而进入等离子体形成气的通道；

把电弧电源连结到阳极构件和阴极构件之间的装置；

电压测定装置，用以测量阴极构件和阳极构件之间的电弧电压；

定位装置，用以连续调节阴极顶端相对于阳极构件的轴向位置，从而维持预定的电弧电压；

其特征在于：

中间构件由多个管段形部件和间隔这些部件的绝缘装置构成，这些部件同轴并置并由绝缘装置相互保持电隔离；此中间构件基本没有气体另外引入到等离子体形成气通道。

2、一个根据权利要求1的等离子体产生系统，其特征在于在中间构件和阳极构件之间形成一个前部的环形腔，而辅助气体装置则在前部环形腔的周边以涡流方式引进等离子体形成气。

3、一个根据权利要求2的等离子体产生系统，其特征在于辅助气体装置包括多个切向注入孔，其孔轴基本上和电弧碰击阳极构件的平均位置处的阳极构件孔直径相等之圆周相切。

4、根据权利要求1的等离子体产生系统，其特征在于定位装置包括在一高频起动电压存在下将阴极顶端定位至足够接近阳极而使电弧激发的装置，还包括电弧激发之后缩回该阴极构件使得阴极顶端相对于阳极定位，以便建立预定的电弧电压的装置。

5、一个根据权利要求1的等离子体产生系统，其特征在于等离子体枪进一步包括一个具有阳极构件的前部管段部件，而绝缘装置包括多个绝缘环，每一个这样的环介入在每对相邻管段部件之间，在相邻管段部件之间形成一个环形槽，每一个槽由相应的绝缘环为外向的界限。

6、一个根据权利要求5的等离子产生体系统，其特征在于所述管段部件之间的槽的宽度为约0.5毫米至3毫米之间。

7、一个根据权利要求5的等离子体产生系统，其特征在于在相邻管段部件之间形成每个所说的槽，一个这样的部件在其上有一环形台肩，绕着连续的气体通道一周，其相邻部件则在其内有一相应台肩凹陷，该凹陷与该环形台肩配合，在槽内形成一个径向曲折，以便阻止电弧幅射，不让其直接地射在相应的绝缘环上。

8、一个根据权利要求1的等离子体产生系统，其特征在于所述管段部件的数量为3、4或5只。

9、一个根据权利要求1的等离子体产生系统，其特征在于每一管段部件具有圆柱形内表面，该内表面的前边缘和后边缘磨成约1毫米至3毫米之间半径的圆边，阳极构件有一磨圆的后孔边缘，磨圆半径约为3毫米至5毫米之间。

10、一个根据权利要求1的等离子体产生系统，其特征在于：

所述的等离子枪进一步包括一个具有阳极构件的前部管段状部件，还包括固定这些部件和绝缘装置成为同轴关系的固定装置;

所说的绝缘装置包括多个弹性间隔装置，每个间隔装置并置于相邻管段部件之间，作间隔这些部件用，间隔装置由上述的固定装置紧压夹持;

所说的绝缘装置进一步包括多个陶瓷挡环，每一挡环径向地在一相应间隔装置内部并置于相邻管段部件之间。

11、一个根据权利要求10的等离子体产生系统，其特征在于每一间隔装置包括一个由弹性材料制成的支持该挡环的间隔环。

12、一个根据权利要求11的等离子体产生系统，其特征在于邻近于前部管段部件的间隔环具有一个径向向内的表面，该表面有一第一台阶，相应的挡环有径向向外的表面，此表面有一第二台阶，第二台阶和第一台阶相配合，以便提供一足够的路径长度，以阻挡在高频起动电压存在下该相邻二部件之间的电击穿。

13、一个根据权利要求10的等离子体产生系统，其特征在于在相邻管段部件之间压形成一个环形槽，每一个槽由相应的挡环为外向的界限。

14、一个根据权利要求10的等离子体产生系统，其特征在于一个空间形成在具有挡环的相邻管段部件之间，该挡环有一足够地小于该空间的宽度，以补偿这些部件的热膨胀，而挡环的宽度又足够地大，以便阻挡对间隔装置的电弧幅射。

15、一个根据权利要求1的等离子体产生系统，其特征在于定位装置电连结到并且响应于电压测定装置，以致由电压测定装置探测到电弧电压的一个变化，相应地使阴极顶端的轴向位置得到调节，从而维持预定的电弧电压。

16、一个根据权利要求15的等离子体产生系统，其特征在于等离子枪进一步包括具有前端的支承杆，阴极的构件同轴地加接在该端上，和一个尾向就位的管形支承构件，上述支承杆滑动地安装在该支承构件中，以及一个包括驱动装置的定位装置，该驱动装置提供支承杆在支承构件内的轴向运动。

17、一个根据权利要求16的等离子体产生系统，其特征在于驱动装置包括一个可反转的电机，该电机联接到并驱动支承杆作轴向运动。

18、一个根据权利要求16的等离子体产生系统，其特征在于等离子枪进一步包括一个从支承杆构件向尾延伸的封闭气缸，一个同轴地加接到支承杆的活塞，该活塞在封闭气缸内滑动地设置，由此在气缸中形成一前部腔和一后部腔，一个流体密封装置介入在活塞和气缸之间，该等离子系统进一步包括前部供给装置，它在压力下将流体供给前部腔，以及后部供给装置，它在压力下将流体供给后部腔，这样给前部腔或后部腔的有选择的供给流体，以使阴极顶端相对于阳极构件的轴向位置得到调整。

19、一个根据权利要求18的等离子体产生系统，其特征在于前部供给装置包括一个加压流体源和一个连结在流体源和前部腔之间的第一供给阀，后部供给装置包括该流体源和一个连结在流体源和后部腔之间的第二供给阀，该等离子系统还进一步包括一个连接到前部腔的第一泄放阀和一个连接到后部腔的第二泄放阀，该第一和第二泄放阀各自和第二和第一供给阀配合，以便当第二供给阀打开让加压流体进入后部腔时，第一泄放阀打开让流体从前部腔排出，而当第一供给阀打开让加压流体进入前部腔时，第二泄放阀打开让流体从后部腔排出，第一和第二供给阀进一步在电气上连结到并且响应电压测定装置，以便在由电压测定装置探测到电弧电压中的一个改变时，第一或第二供给阀便打开以致调节阴极顶端的轴向位置来维持预定的电弧电压。

20、一个根据权利要求1的等离子体产生系统，其特征在于进一步包括一个喷管构件以及喷管构件中的粉末供给装置，该粉末供给装置将粉末引入由电弧产生的等离子体中。

21、一个根据权利要求20的等离子体产生系统，其特征在于喷管构件有一内壁，该内壁形成连续气体通道的喷管孔部分，而粉末供给装置包括一个安装在喷管孔内的供给组件，该供给组件包括一个圆柱形中心构件和一个附加在该中心构件和喷管壁之间的固定臂，中心构件基本上保持在喷管孔的轴向中心，给等离子体在中心构件和喷管壁之间形成一个环形流道，中心构件和固定臂每个都在其中有一冷却液输送腔用于充分地循环液体冷却剂，防止在等离子体存在下该中心构件和固定臂的迅速烧蚀，该中心构件在其中还有一轴向粉末口，该口用来向前地将粉末引进等离子体之中，而固定臂在其中也有一粉末输送管，该输送管连结到动力口，用来将粉末输送到动力口，该动力口将粉末输送到上述粉末口。

22、一个根据权利要求20的等离子体产生系统，其特征在于阳极构件包括喷管构件，该喷管构件在其中有一径向指向的粉末进料口，该进料口将粉末注进气体通道，该喷管孔有一后孔缘，该孔缘以约3毫米至5毫米之间的半径磨圆。

23、在等离子枪内产生精确控制的等离子体的方法，该枪有一空心圆筒形阳极构件，一个与该阳极电绝缘并同轴并置的空心圆筒形由导电材料制成的中间构件，以形成一个通过中间构件和阳极构件的等离子体形成气的通道，一个有一前部阴极顶端的轴向可移动的棒形阴极构件，该阴极构件一般地位于等离子体形成气的通道内并与相对阳极构件成间隔关系，该阴极构件可操作，把产生等离子体的电弧维持在阴极顶端和阳极构件之间;

主气体装置包括一主气体进口，该进口把等离子体形成气从阴极顶端的尾部引入等离子体形成气通道;辅助气体装置，该装置在一接近阳极构件的位置使等离子体形成气体引进而进入等离子体形成气通道;

中间构件由多个管段形部件和间隔这些部件的绝缘装置构成，这些部件同轴并置并由绝缘装置相互保持电隔离，此中间构件基本没有另外引入气体到等离子体形成气通道;

此方法特征在于，包括：

将主等离子体形成气从阴极顶端后部引入等离子体形成气的通道，将辅助等离子体形成气体在一接近阳极构件的位置引进而进入等离子体形成气的通道，在阳极和阴极之间施加一电弧电压，使在此之间产生电弧，测量此实际电弧电压，把它和一预定电弧电压作比较，并且连续地调节阴极顶端相对于阳极构件的轴向位置，以致维持实际电弧电压基本上等于该预定的电弧电压。

24、一个根据权利要求25的方法，其特征在于，进一步顺序地包括为了使电弧在一高频起动电压存在下激发，将阴极顶端置于足够地接近阳极构件处的一定位置，施加高频起动电压在阴极顶端和阳极构件之间，并且在电弧激发之后，退回阴极构件，使阴极构件的前端置于相对于阳极构件一定的位置以建立预定的电弧电压。

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