中性极堆叠用作等离子弧控制方法的单弧级联低压涂覆枪与流程

相关申请的交叉引用

该国际申请要求享有2018年2月20日提交的编号为62/632,899的美国临时申请的权益，该申请的公开内容明确地通过引用以其整体结合于本文中。

实施例涉及真空等离子枪，且更特别地涉及操作一种具有级联型等离子枪的中性极(neutrode)堆叠或优化的级联型等离子枪的中性极堆叠的真空等离子枪。

背景技术：

级联型等离子枪提供允许更高电压和更稳定等离子弧(导致更稳定的枪功率)的优点。此类枪的缺点在于，等离子弧沿相对长的中性极堆叠向下传播所导致的散热导致更高的热损耗且限制中性极堆叠的实际长度。较长的堆叠导致较高的热损耗，抵消较高电压和较稳定弧的优点。所需要的是一种优化冷却以便在不导致对中性极堆叠的热损坏的情况下限制热损耗的结构。

当前的中性极堆叠使用尽可能接近于等离子开孔来同心放置的钻孔，以便去除热量，该热量会导致对中性极、绝缘体或密封o形环的损坏。等离子开孔内部的等离子温度通常超过20000k，所以堆叠的冷却是防止对构件损坏的基本要求。

用于常规等离子枪喷嘴、水冷却通道和/或孔的现有冷却设计典型地尽可能接近于等离子枪开孔来放置，以保持开孔材料的温度尽可能低来防止损坏。该设计纳入用于中性极的设计中，作为冷却的有效方式。

最近的发明发现覆盖热优化的等离子枪喷嘴，例如编号为pct/us2013/076603的国际申请，发现喷嘴冷却可通过使水通路移动远离等离子枪开孔且允许铜材料移走热量减小峰值温度同时增加平均温度来改变。可减小水冷却截面来增加水速，以提供足以保持对于等离子枪喷嘴的合理温度同时允许平均温度上沿等离子喷嘴开孔增加的有效冷却。

技术实现要素：

实施例中，将中性极堆叠组件或优化的中性极堆叠组件结合到传统的真空等离子枪在真空等离子处理中提供特有的益处，特别地：消除氦或任何其它次级(secondary)气体，减小所需要的电流以便于更高功率的操作和/或更小的功率供应。现有的真空等离子枪总是需要次级气体，该次级气体主要限于单原子物，诸如氦，其为可变得稀缺或甚至得不到的不可再生资源。在2018年9月20日公开的编号为wo2018/170090的国际公开案中描述优化的中性极堆叠组件，该国际公开案要求保护2017年3月16日提交的编号为62/472,202的美国临时申请的权益，该申请的公开内容明确地通过引用以其整体结合于本文中。

本发明的实施例涉及操作真空等离子枪，该真空等离子枪修改成包括级联型等离子枪的中性极堆叠或优化的中性极堆叠。以该方式，虽然已知的真空等离子枪(诸如oerlikonmetco03cp)需要最高达2400安来支持一些涂层要求，可使用根据实施例修改的真空等离子枪以仅仅1200安来产生相同的涂层。以该方式，可对从现有技术的枪可得到的总功率施加实际限制。

除了将已知的中性极堆叠用于级联型等离子枪之外，本发明的实施例还涉及用于真空等离子枪中的热优化的中性极堆叠的设计和实现，以便减小对水的热损耗，同时最大限度地减小峰值堆叠温度。优化冷却将允许在没有高热损耗的害处的情况下使用更长的中性极堆叠。

在该方面，发明人发现，使水通路移动远离等离子枪开孔的技术(其允许中性极的铜材料移走热量减小峰值温度同时增加平均温度)可用于真空等离子枪的中性极堆叠以在对枪的行为没有不利影响的情况下改进冷却特性。

实施例中，可修改现有的oerlikonmetco03cp真空枪来包括用于oerlikonmetcotriplex和/或sinplex枪类型中的中性极堆叠布置，或包括本文中描述的优化的中性极堆叠。称为真空等离子喷涂(vps)、低压等离子喷涂(lpps、lvps)和减压真空喷涂(rpps)的工艺需要具有在减压环境中操作的特定设计考虑(其未结合到现有的级联等离子枪中)的枪。这些考虑例如包括在(-)负连接区域处的气密电气隔离以及用于生成减压羽流的喷嘴内部设计几何形状构造。

实施例涉及一种真空等离子枪，该真空等离子枪包括：后枪体区段，其包括电极；以及级联区段，其构造成连接到后枪体区段。级联区段包括布置成形成中性极堆叠的多个中性极。

根据实施例，供应单种气体作为唯一的等离子气体源。

根据其它实施例，枪的操作电压大于65伏。

在其它实施例中，真空等离子枪还可包括联接到中性极堆叠端部的喷嘴，由此中性极堆叠将电极与喷嘴分离。

根据实施例，多个中性极中的每个可具有带有中心开孔的盘形状，且多个中性极可布置成使得中心开孔形成中性极堆叠的中心等离子开孔。可通过绝缘体使多个中性极彼此电气隔离。绝缘体可构造成保持相邻中性极之间的空气或气体间隙。此外，多个中性极中的每个可包括围绕中心开孔的多个冷却通道。多个冷却通道可包括延伸穿过盘的轴向开孔。而且，轴向开孔可界定于中性极内。在该方面，轴向开孔可具有穿过中性极的大体上圆形的几何形状。备选地，轴向开孔可为通向中性极外周边的凹部。轴向开孔可具有平行的侧壁和大体上垂直于侧壁的底壁。

根据还其它的实施例，多个中性极可包括具有中心轴向开孔、外周边表面和围绕中心轴向开孔的多个凹部的盘状体。

在其它实施例中，多个中性极可布置成使得多个凹部对准以在中性极堆叠中形成多个轴向冷却通道。

根据还其它的实施例，真空等离子枪可构造成用于真空等离子喷涂(vps)、低压等离子喷涂(lpps、lvps)或减压真空喷涂(rpps)工艺中的至少一种。

实施例涉及控制真空等离子枪中的等离子弧的方法，该方法包括将级联中性极堆叠连接到真空等离子枪的后体区段。

根据实施例，方法还可包括将复合等离子枪连接到单种气体，该单种气体用作唯一的等离子气体源。

在其它实施例中，方法还可包括向复合等离子枪供应大于65伏的操作电压。

根据还另外的其它实施例，级联中性极堆叠可包括多个中性极，其中每个中性极包括具有中心轴向开孔和围绕中心轴向开孔的多个凹部的盘状体。而且，方法还可包括使级联中性极堆叠中的多个中性极定向成使得多个凹部轴向对准以形成穿过级联中性极堆叠的多个轴向冷却通道。

本发明的其它示例性实施例和优点可通过查阅本公开内容和附图来确定。

附图说明

通过本发明的示例性实施例的非限制性示例，参照所提到的多个图，在随后的详细描述中进一步描述本发明，其中在图的若干视图各处相似的参考标号表示类似的部分，且其中：

图1示出由级联型等离子枪的级联区段和真空等离子枪后部形成的复合枪；

图2a-2e示出根据本发明的实施例的示例性优化的中性极的各个视图；

图3示出中性极堆叠的实施例的截面图，该中性极堆叠包括图2中描绘的多个优化的中性极；

图4示出图3中描绘的实施例，其中示出堆叠的优化中性极的外周边；以及

图5示出根据本发明的实施例的优化的中性极的另一实施例；以及

图6示出已知的级联等离子枪的常规中性极。

具体实施方式

本文中示出的细节仅是举例且出于说明性论述本发明的实施例的目的，且是为了提供被认为是本发明原理和构思方面最有用且容易理解的描述的内容来呈现的。在该方面，不去试图比基本理解本发明所必要示出的更详细地示出本发明的结构细节，该描述结合图使得本发明的若干形式可如何在实践中体现对本领域技术人员显而易见。

实施例中，复合(真空)等离子枪可由已知的真空等离子枪的部分来形成，该已知的真空等离子枪修改成包括使用中性极堆叠的级联型等离子枪的部分。以该方式，单弧级联低压涂覆枪使用中性极堆叠作为等离子弧控制和延伸的方法。特别地，如图1中示出的，复合等离子枪可包括：负(后)区段1，其具有对应于真空等离子枪(例如，oerlikonmetco03cp枪)的结构；以及正(前)枪区段2，其具有对应于级联型等离子枪的结构，该级联型等离子枪包括特殊设计的中性极堆叠组件。此外，设想到复合等离子枪可为改造的真空等离子枪，其中常规真空等离子枪的正(前)区段从负(后)区段1去除且用重新设计的级联型等离子枪的正(前)枪区段2来替换，该级联型等离子枪包括特殊设计的中性极堆叠组件。设计中性极堆叠组件使得与常规的oerlikonmetco03cp枪(其使用氩作为初级(primary)气体且使用氦作为次级气体以35至60伏来操作)相比在使用单种气体作为唯一的等离子气体源时枪的操作电压将高于65伏。复合等离子枪的前部结合适于以最高达2000安进行的枪操作的水冷却回路。

复合等离子枪的负(后)区段1包括后绝缘体成分3，其包括构造成保持电极(阴极)6的电极保持器4。将电极6进一步保持在中间绝缘体5内，中间绝缘体5邻接电极保持器4。电极6从负(后)区段2向外延伸。复合等离子枪的正(前)区段2包括中性极堆叠8。中性极堆叠8包括在内端处的具有锥形开口(其容纳电极6)的端件33以及在外端处的喷嘴(阳极)9。喷嘴9可例如包括粉末喷射器，其用于将粉末在离开喷嘴9之前供应到生成的等离子射流。气环7布置在负(后)区段1与正(前)区段2之间，以防止气体泄漏。

因此，该复合等离子枪与已知的oerlikonmetco03cp不同，因为它包括电极与喷嘴之间的中性极堆叠，其使弧更长，对于相同的功率水平允许更高的操作电压和更低的电流。这还允许复合等离子枪在不用过大电流损坏枪的情况下运行更高的电压，使得功率可增加到oerlikonmetco03cp的常规单种气体操作不可处理的水平。此外，已知的oerlikonmetco03cp需要最高达2400安来支持一些涂层要求，而可使用根据本发明的实施例的复合等离子枪以仅仅1200安产生相同的涂层。以该方式，可对从现有技术的枪可得到的总功率施加实际限制。

单弧级联低压涂覆枪(复合等离子枪)是在低压等离子喷涂涂覆生产领域中的改进。枪结合对于减压等离子喷涂的现有知识体系，且解决现有工艺内的已知问题，同时提高效率且降低应用成本。对此关键是添加中性极堆叠组件，以产生适于低压环境的“级联”等离子枪布置。关键的设计特征是它在不使用氦或者任何其它次级或三级(ternary)气体应用的情况下复制合格工业涂层的能力。

图6示出来自现有的级联等离子枪的常规中性极10的截面图。显而易见的是，常规中性极中的冷却由二十四(24)个孔12提供，孔12布置在中心等离子开孔14周围在开孔附近。此类常规中性极10可以以关于已知级联型等离子枪(诸如，例如oerlikonmetcotriplex和sinplex枪类型)中使用所描述的方式堆叠在一起。特别地，可通过将绝缘体定位在相邻的中性极10之间来使中性极10彼此电气隔离，以保持相邻中性极10之间的空气或气体间隙。此外，密封件可设在孔12与中心等离子开孔14之间，以防止冷却水泄漏到中心等离子开孔14中。

如在2018年9月20日公开的编号为wo2018/170090的国际公开案(该国际公开案要求享有2017年3月16日提交的编号为62/472,202的美国临时申请的权益，该申请的公开内容明确地通过引用以其整体结合于本文中)中描述的，与常规的中性极10相比，图2a-2e示出优化中性极堆叠的中性极20的示例性实施例的各个视图。如示例性说明中示出的，中性极20可包括十二(12)个轴向冷却通道22，其凹入中性极20体中，且通向中性极20的围绕中心等离子开孔24的外周边表面26。在该方面，轴向延伸穿过的凹部向外延伸以限定突起21，突起21包括外周边表面26的部分，使得外周边表面26周向不连续。在中性极20的第一侧(例如，在图2a中透视地示出且在图2c中以平面图示出的右手侧)上，脊23从位于突起21的右手侧下方的凹入表面25轴向延伸。在中性极20的第二侧(例如，在图2b中透视地示出且在图2d中以平面图示出的左手侧)上，脊27从表面29轴向延伸，表面29可与突起21的左手侧共面。图2e描绘中性极20的侧视图，其中脊23和27的轴向延伸部延伸超出突起21的左手侧和右手侧的平面。此外，在图2a-2e的非限制性示出的实施例中，除了冷却通道22的侧壁优选地彼此平行且底壁大体上垂直于侧壁之外，中性极大体上可具有齿轮形状。而且，在图2c和2d的平面图中，冷却通道22展现大体上方形的形状，其中凹部的宽度(其优选地在它的深度上恒定)基本等于凹部的深度。虽然在中性极20的示例性说明中形成十二个轴向通道，要理解的是，中性极20不限于仅十二个轴向通道，使得在不脱离本发明的精神和范围的情况下可在中性极20中形成更多或更少的轴向通道。

通过非限制性示例，当在图2c和图2d处中描绘的平面图中观察时，限定于突起21之间和/或凹入中性极体中且通向外周边表面26的通道22具有限定通道22区域的深度和宽度尺寸。在非限制性示例中，通道22可具有0.125"(3.175mm)宽乘0.097"(2.464mm)深的基础(base)尺寸，其提供0.1476平方英寸(95.22mm²)的总面积。当以例如每分钟二十二(22)升的水流操作时，通过通道的平均水速可为例如3.8m/s。然而，如上文提到的，对于通道的这些值仅为示例性的，且形成在突起21之间和/或凹入下方且通向中性极20的外周边表面26的冷却通道22的数量和尺寸取决于防止温度达到可损坏枪的水平所需要的水流。通过另外的示例，通道22可形成为理解成基本方形状的，因为关于深度的尺寸与关于通道22的宽度(其优选为恒定的宽度)的尺寸基本相同。此外，虽然基本方形状的通道具有形成通道基部的宽度尺寸与外周边表面下方的深度尺寸的大体上1:1的比率，要进一步理解的是，关于冷却通道的宽度与深度比率可在1:1-8:1之间的比率范围内变化。

图3示出中性极壳体38中的示例性中性极堆叠30的截面图，其包括同轴堆叠在一起的图2a-2e中描绘的多个优化中性极20，且图4示出图3的备选视图，其中示出中性极堆叠壳体38的截面图内的构件的外周边26，包括堆叠的优化中性极20的外周边。在示出的实施例中，当从中性极堆叠30的左手侧观察时，图2中描绘的中性极20可位于例如第二、第三和第四位置中。然而，各个中性极20彼此隔离(例如，电气隔离)且物理上隔开，使得在中性极堆叠30中相邻中性极20不接触彼此。此外，中性极壳体38可由例如塑料制成，以同样地保持中性极堆叠30中的相邻中性极20之间的隔离。

如图3中示出的，中性极20沿中心等离子开孔24同心对准，以形成中性极堆叠30。在有利的且非限制性的实施例中，如图4中描绘的，中性极堆叠30的每个中性极20可具有相同数量的冷却通道且定向成使得冷却通道22轴向对准。当在中性极堆叠30中的中性极20彼此隔离时，绝缘体36可布置在相邻中性极20之间作为分离物。绝缘体36可为例如氮化硼，且可位于脊23径向内部且径向向内延伸到中性极堆叠30的中心等离子开孔34。实施例中，中性极30的中心等离子开孔34内的绝缘体36与各个中性极20的中心等离子开孔24之间的过渡可为平滑的。如插图300中更特别示出的，绝缘体36适当地厚以保持相邻中性极20的脊27与第一中性极20的脊23的面对表面之间的例如约0.030"(0.76mm)的空气或气体间隙322。此外，在脊23的径向外部，密封件320(诸如o形环，其可由例如硅、合成橡胶(诸如，例如viton^®)、丁腈橡胶(诸如buna-n)或适于承受中性极堆叠30区域内生成的温度的其它适当水密封材料制成)可布置在相邻中性极20的面对表面之间，以便形成和覆盖空气或气体间隙322，且从而防止冷却水从冷却通道径向向内进入到空气或气体间隙322中。

在示出的实施例中，中性极堆叠30可夹在具有冷却水孔35的较大直径的盘31与具有冷却通道37的端件33之间，冷却通道37可为终止的或盲的冷却通道。如图1中示出的，端件33可包括轴向布置的锥形凹陷，电极(阴极)可定位到该凹陷中。在有利的且非限制性的实施例中，盘31包括多个冷却水孔35，其对应于每个中性极20中的冷却通道22的数量和端件33中的冷却通道37的数量。如图1中示出的，喷嘴(阳极)可定位在盘1的与端件33相反的表面上。如同中性极堆叠30中的相邻中性极20，绝缘体36和密封件320可布置在盘31与喷嘴之间，以便形成和覆盖空气或气体间隙322，其防止冷却水从冷却通道径向向内进入到该空气或气体间隙322中。

此外，如图4中描绘的，冷却水孔35、冷却通道22和冷却通道37可定向成使得轴向对准。更进一步，当包括周边表面26的中性极20的径向延伸部分在轴向方向上彼此分离时，在中性极堆叠30中形成周向冷却通道32。较大直径的盘31可联接壳体38，例如经由螺钉、螺栓、夹具等，且在如此做时也可使堆叠的优化中性极20、绝缘体36、密封件320和端件33一起偏置。有利地，偏置足以使得密封件320适当地接合相邻中性极的面对表面，以实现期望的水密封构造。实施例中，容易理解的是，中性极堆叠30可包括图2a-2e中描绘的更多或更加少的优化中性极。而且，要进一步理解的是，中性极堆叠壳体38可包括形成在壳体的外周边中或上的类似冷却通道。

图5示出中性极50的另一示例性实施例。该实施例中，中性极50可包括形成在中性极50的外周边56中和周围的八(8)个平冷却通道52。通过非限制性示例，形成在中性极50的周边56中的平通道52可为0.200"(5.08mm)宽乘0.0225"(0.572mm)深，其提供0.032平方英寸(20.65mm²)的总面积。当以每分钟9升的水流操作时，通过通道的平均水速为6.4m/s。然而，如上文提到的，关于通道的这些值仅为示例性的，且冷却通道的数量和尺寸取决于防止温度达到可损坏枪的水平所需要的水流。

根据实施例，如在例如图2a、图5中示出的，中性极堆叠可设有水冷却通道，该水冷却通道布置在每个优化的中性极的外周边处。通道的截面积可设计成产生高水速，例如，大于1.0m/s，优选地大于2.0m/s，且最优选地大于3.0m/s。每个通道可构造有从大致方形形状(例如，见图2a-2e)到伸长且平形状(例如，见图5)的范围内的形状，以便最大限度地增加中性极20的最外周边处的水冷却流。而且，通道还可构造或形成有三角形截面，且布置成最大限度地增加每个中性极的外周边处的水冷却流。冷却通道的数量以及尺寸和几何形状取决于防止温度达到可损坏枪的水平所需要的水流。在该设计中，不限制中性极堆叠中的中性极总数或中性极堆叠中的每个中性极的厚度。实际上，用根据实施例的优化中性极，较长的中性极堆叠现在可能有有限的热冷却损耗。

要提到的是，实施例不限于关于冷却通道的基部与深度比率的上述特定示例。要理解的是，关于冷却通道的基部与深度比率可最高达1:1以实现从较高的径向轮廓到大体上方形截面的范围内的冷却通道，大于8:1以实现更平的轮廓截面，以及在1:1与8:1之间范围内的任何比率。因此，比率可为但又不限于2:1、3:1、4:1、5:1、6:1、7:1以及其间任何比率的基部与深度的特定比率。

在根据如图5中描绘的那样使用由多个中性极50形成的中性极堆叠的所描述实施例的复合等离子枪中，如经由已知的计算流体动力学(cfd)软件所计算的等离子枪中的水流揭示，在每分钟8.1升水流的情况下，中性极堆叠中的平均水速高于3.2m/s。

测试如图3中描绘的结合中性极堆叠30的复合等离子枪，且使该复合等离子枪与包括使用水冷却翅片或通道来冷却等离子喷嘴的长喷嘴的相同总体设计的常规等离子枪相比。测试结果示出用根据本发明的实施例的使用中性极堆叠30的枪与常规冷却的喷嘴相比在热效率上10%的提高。其它测试示出，向等离子枪添加常规的中性极堆叠使热效率降低6%与10%之间。更进一步的测试示出，使关于等离子枪的常规中性极堆叠的长度加倍使热效率降低达20%，而以添加的优化中性极20来增加中性极堆叠30的长度在热效率上具有更加小的降低，其得出为约小于常规中性极堆叠的一半。而且，中性极堆叠30的持续时间测试示出没有不利的热影响，即使在用相同堆叠来测试的超过200小时之后。

要提到的是，前述示例仅出于解释的目的来提供，且决不视为本发明的限制。虽然参照示例性实施例来描述本发明，要理解的是，本文中使用的词语是描述和说明的词语，而不是限制的词语。在不脱离本发明在其方面的范围和精神的情况下，可在如目前记述和修正的所附权利要求书的范围内进行改变。虽然本文中参照特定器件、材料和实施例来描述本发明，本发明不意在限于本文中公开的细节；相反，本发明延伸到所有功能等同的结构、方法和使用，诸如在所附权利要求书的范围内的那些。