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0引言
等离子喷涂是以电弧放电产生的刚性非转移型等离子弧为热源，以喷涂粉末为主要材料的热喷涂方法。此类加工方式在航空工业领域有着重要的应用。由于当今航空工业技术的高速发展，对飞行器零部件高熔点、高强度、高硬度及抗腐蚀的涂层提出更高的要求，而等离子喷涂具有射流温度高的特性，几乎能熔化所有材料，因此喷涂加工应用广泛，可制备性能优异的工件涂层。等离子弧的弧柱细，电流密度大，气体电离度高，因此具有温度高，能量集中，弧稳定性好，而且操作较为简便、加工速度快、效率高，适用于各种基体，被喷涂的零件尺寸范围宽，既可用于产品制造，也可用于旧件修复。
1等离子喷涂设备简介
1.1等离子喷涂设备工作原理
等离子喷涂设备是等离子喷枪产生的非转移型等离子弧作为热源，将涂敷材料加热到熔融或半熔融状态，以较高的速度喷射到预先处理过的零件表面，形成涂层，从而使零件被喷涂表面获得不同的硬度、耐磨、耐热、耐腐蚀、绝缘、隔热、润滑等各种特殊物理化学性能，以满足零件在不同工作条件的特殊要求。
1.2等离子弧的形成
喷枪的喷嘴（阳极）和钨电极（阴极）分别接等离子电源的正、负级，然后向喷枪供给一定的流量和压力的工作气体（氩气、氢气或者氮气、氦气，根据工艺要求使用相应工作气体），此时接通高频引弧装置在喷嘴与钨电极之间产生高频电火花，从而引燃直流电弧，工作气体在引燃后电弧的弧柱区被加热到高温约有1％以上的气体被电离，自由电子、离子、未电离的原子的动能接近于热平衡，形成等离子体，由于热收缩效应，自磁收缩效应和机械收缩效应的联合作用，电弧被压缩，形成非转移型等离子弧。这时工作气体迅速热膨胀，温度不断升高，受到压缩作用，喷射速度不断增大，形成高温高速等离子射流从喷枪的喷嘴喷出。同时由载气将粉末状的喷涂材料送进高达20000℃高温的等离子焰心，使其变成熔融或者半熔融状态，随等离子流高速撞击经过预处理的工件表面，并在工件表面形成牢固的覆盖涂层。
1.3等离子喷涂设备结构
图1.等离子喷涂设备结构示意图
等离子喷涂设备主要组成部分：等离子喷枪、等离子电源、高频振荡器、气体控制系统、搅拌器、送粉器、水循环热交换器、通风系统、中心控制装置以及辅助加工的机械手和转台。
2等离子喷涂设备"起弧"故障原因分析
"起弧"是进行喷涂加工的第一部操作，其故障也是等离子喷涂设备较为常见的故障之一。与火焰喷涂设备不同，等离子喷涂无法借助其他火源完成"起弧"，并且引起此类故障的因素较多，故障排查过程也较为复杂。因此，此类故障是等离子喷涂设备中不可忽视的难题。
2.1未达到"起弧"条件
"起弧"过程需要满足以下条件：
系统正常启动，PLC正常运行；
氩气气压>3bar，气流量50升/分；
水冷系统压力1.5Mpa，流量12~15升/分；
未达到"起弧"要求，等离子喷涂设备将无法正常"起弧"工作。可以通过检查电源、气站和水冷机分析此类故障并作出相应处理。
2.2等离子喷枪损坏
等离子喷枪实际上是一个非转移弧等离子发生器，是等离子喷涂设备最关键的部件。喷枪由前枪体、后枪体和绝缘体组成。前枪体用于安装喷嘴，后枪体用于安装钨电极，绝缘体用于连接前后枪体起绝缘作用。前后枪体分别通过水冷电缆将等离子电源的正、负级电源引入喷枪，并通过水冷系统冷却枪体。氩气和氢气从喷枪中部进入，在前后枪体之间混合喷涂粉末以高温高速喷出，汇集水、电、气、粉，其结构和性能的好坏直接影响喷涂工艺过程的稳定和涂层的质量。
若等离子喷枪因高温或者外力损坏，将影响设备正常"起弧"，日常保养中需要注意对喷枪进行清理，发现损坏、短路等现象需要及时更换。
2.3水冷电缆损坏
水冷系统需要通过水冷电缆冷却喷枪，使其不会被自身产生的高温烧毁。同时等离子电源也需要通过水冷电缆将高频电源导入喷枪正、负级，若其损坏意味着喷枪无法加载高频等离子电源，即，无法正常"起弧"。
水冷电缆的导电性非常好，电阻几乎为0Ω，检测它的电阻和水密封情况便可判断水冷电缆的好坏，并及时更换。
2.4高频振荡器损坏
高频振荡器也称点火盒、引弧装置。等离子喷枪需要高频振荡器在喷嘴与钨电极之间产生高频电火花，从而引燃直流电弧，使工作气体在引燃后电弧的弧柱区被加热到高温而发生电离，是"起弧"过程不可缺少的一部分。
检测喷枪和水冷电缆完好的情况下，手动模式接通高频振荡器，检查喷枪内是否有高频火花产生，同时伴随着高频"啪啪"声。若高频振荡器不能正常工作需要更换。
注意：高频振荡器输出的高频电无法通过万用表测量并且可能会对万用表造成永久性损坏。
2.5等离子电源
在等离子喷涂加工过程中，必须提供稳定的直流电源，以苏尔寿TristarIPS-1000直流电源为例。通过三项变压器和整流桥，将交流动力电转变成直流电，同时通过电容器滤波，将直流电传送至三个电源模块。在模块内，频率为20KHz的开关频率加在高速半导体开关上，使输出电压可进行调控，通过控制电压来控制等离子电流的大小。
若2.1~2.4中所述元器件都正常工作，需通过直流电源的电气图纸检查等离子电源内相应的继电器(TristarIPS-1000重点检查K31~K35继电器)是否正常通断；检查三个电源模块是否正常工作。
3总结
通过了解等离子喷涂设备的结构，对"起弧"故障的分析和处理过程有更深的认识，更深入更全面的掌握其工作原理，更好的应用此类设备完成各项加工任务。
参考文献
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[3]房洪杰,李洪亮,杨丽娟,等.等离子喷涂设备自制及调试[J].中国科技博览,2008(24):217-218.
论文作者:张宇航
论文发表刊物:《中国电气工程学报》2019年第2期
论文发表时间:2019/4/24
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