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等離子噴涂過(guò)程的“凈能量”控制
許多復雜的熱噴涂涂層要求等離子的工藝過(guò)程可以更精確地加以控制。由于等離子噴涂的動(dòng)態(tài)特性，而且過(guò)程控制的驗證和狀態(tài)診斷的要求又極為嚴酷，因此控制系統必須進(jìn)行強大的系統設計和極其精準的計算機閉環(huán)控制。普萊克斯表面技術(shù)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(guò)其先進(jìn)的技術(shù)獲得獨一無(wú)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(yáng)極上以極高的頻率（15000cps）波動(dòng)和振蕩，因而產(chǎn)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(xué)成分的改變，在陰極和陽(yáng)極電弧終止點(diǎn)（即弧根點(diǎn)，見(jiàn)右圖）和弧根點(diǎn)表面的狀態(tài)是變化的。這些變化會(huì )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(huì )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(huì )使等離子焰流中的能量會(huì )隨時(shí)間而改變。簡(jiǎn)言之，等離子能量（等離子弧焰的形態(tài)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?lài)娡繒r(shí)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(wú)法控制的等離子弧波動(dòng)”
什么是凈能量控制？
“凈能量”控制是檢測等離子過(guò)程的硬件的物理狀態(tài)的變化，并通過(guò)調節直流（DC）功率（系統功率或噴槍輸入功率）的輸入來(lái)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(shuō)，系統功率（噴槍輸入功率）的閉環(huán)控制并不能保證等離子焰流的穩定。通過(guò)控制等離子焰流中的實(shí)際能量（凈能量）并進(jìn)行“實(shí)時(shí)”調節，來(lái)保持期望的恒定的能量輸出。也就是說(shuō)，凈能量（噴槍輸出功率）的閉環(huán)控制才能保證等離子焰流的穩定。帶有凈能量控制的7700和GTS系統可以生產(chǎn)出高一致性、高穩定性的高質(zhì)量等離子涂層。
凈能量控制的重要性
通過(guò)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(guò)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(jìn)行實(shí)時(shí)監測和顯示。這一具有實(shí)用價(jià)值的參數可使控制系統對等離子工藝過(guò)程的硬件狀態(tài)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(shí)，或零件失效或需要維護時(shí)，提醒操作者。
有了正確的能量值對涂層質(zhì)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(lái)的一些益處：
- 能量使用的最優(yōu)化——沉積效率的最大化即是優(yōu)化能量使用的結果。
- 降低材料使用，減少廢料產(chǎn)生——若焰流能量發(fā)生變化，平均的沉積效率也會(huì )低于預計值，從而要使用更多的材料，由此產(chǎn)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(huì )使噴槍零件的使用條件最為適宜，且零件的使用時(shí)間得到延長(cháng)。
- 產(chǎn)品質(zhì)量更好——若只是簡(jiǎn)單地監控各個(gè)單獨的參數，那些只有用金相實(shí)驗室工作才能發(fā)現的涂層質(zhì)量變化，還是會(huì )發(fā)生的（見(jiàn)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(fā)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(chǎn)量——更好、更穩定的涂層質(zhì)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(chǎn)量。
“凈能量”控制等離子噴涂
右圖是進(jìn)行噴涂工藝試驗時(shí)，等離子噴涂金屬涂層的金相照片。發(fā)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(zhì)量卻發(fā)生了很大的改變，這令許多涂層工作者都會(huì )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(shí)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(huì )引起涂層質(zhì)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(shí)，槍內的陰極和噴嘴陽(yáng)極間將生成非轉移電弧，工作氣體流經(jīng)此電弧時(shí)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(yáng)極弧根點(diǎn)上材料表面的燒損、蒸發(fā)和氧化，其金屬表面的化學(xué)成分也在不停變化。陰、陽(yáng)極弧根點(diǎn)表面狀態(tài)的變化不僅要從電弧中汲取能量，同時(shí)還會(huì )影響電壓、電流和噴上零件的熱損失。同時(shí)，工作氣體流經(jīng)電弧時(shí)的流體力學(xué)特性及二者的互相作用，也會(huì )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(huì )隨時(shí)間而改變。
因此，在進(jìn)行大批量工件噴涂生產(chǎn)時(shí)，要保證涂層質(zhì)量的一致性和再現性，凈能量控制能起到關(guān)鍵作用。同樣，若噴涂一個(gè)大工件，且耗時(shí)長(cháng)，如采用凈能量控制就能確保涂層質(zhì)量始終如一，而用不擔心噴槍狀態(tài)的細小變化對涂層產(chǎn)生影響。
凈能量控制系統的價(jià)值是什么？
一套凈能量控制系統的價(jià)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(jià)值，就要將現在的成本與帶有凈能量控制系統的成本進(jìn)行比較。進(jìn)行這種實(shí)際運行的比較可能是一個(gè)費用較高的計劃，因而擬訂的一個(gè)商業(yè)模式，對比兩個(gè)給定的方案。下面的二個(gè)表中列出了某些數值的變化情況。
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表1.氧化鉻涂層的生產(chǎn)
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改進(jìn)
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節省開(kāi)支 (產(chǎn)量不變)
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改善效果/%
|
帶來(lái)銷(xiāo)售增長(cháng)(若單價(jià)為 $1.50/in2)
|
增長(cháng)
/%
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項 目
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改善情況
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返 工
|
10 to 8%
|
$1,747
|
2
|
$23,226
|
2
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|
沉積效率
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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
|
-
|
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|
涂層厚度
|
0.012 to 0.011 in.
|
$6,698
|
6
|
$95,015
|
9
|
|
生產(chǎn)能力
|
50 to 55%
|
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|
$104,516
|
10
|
|
|
|
|
|
|
|
|
總 體
|
|
$16,039
|
14
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$605,988
|
60
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表2.碳化鎢涂層噴涂(Mach I)
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改進(jìn)
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節省開(kāi)支 (產(chǎn)量不變)
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改善效果/%
|
帶來(lái)銷(xiāo)售增長(cháng)
(若單價(jià)為 $1.50/in2)
|
增長(cháng)%
|
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項目
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改善情況
|
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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(chǎn)能力
|
50 to 55%
|
|
|
$34,740
|
10
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總體
|
|
$17,491
|
12
|
$165,064
|
48
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附注：每個(gè)表中的數字代表了一個(gè)噴涂單位一年的產(chǎn)出，單班作業(yè)，50%的利用率。該對比商業(yè)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(jià)格得出的上表中的數值。增長(cháng)的效率可以看作節省的成本也可以看成是提高的產(chǎn)量，兩方案都做了計算。表中的沉積效率是“真實(shí)的”沉積效率。
- 由于增加了對涂層的控制，后處理的成本會(huì )降低。
- 每個(gè)工件均留有工藝數據（有記錄保留）
如何作業(yè)才能從使用“凈能量”控制系統中獲益？
- 采用自動(dòng)化進(jìn)行大批量生產(chǎn)，以獲得有競爭力成本
- 單個(gè)工件的噴涂時(shí)間較長(cháng)，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(jìn)行工藝設計和施工
- 生產(chǎn)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(chǎn)能力
- 要求各生產(chǎn)單元之間有相同的可再現性
普萊克斯表面技術(shù)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(huán)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(huán)控制等離子噴涂系統
7700型通用等離子控制器是現今市場(chǎng)上最先進(jìn)的等離子噴涂工藝控制器之一。7700的特點(diǎn)是氣體采用閉環(huán)控制的質(zhì)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(guò)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(zhì)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(huán)控制熱噴涂集成系統
GTS是一種先進(jìn)的多重工藝控制技術(shù)，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(diǎn)擊或觸摸屏進(jìn)行操作，直觀(guān)的屏幕使極為復雜的作業(yè)變成了簡(jiǎn)單的操作。
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