电弧喷涂技术

电弧喷涂技术电弧喷涂技术是80年代兴起的热喷涂技术，应用领域非常广泛，受到许多部门的重视。

虽然国外从60年代就开始推广电弧喷涂技术，但真正广泛用于工业领域也是80年代才开始。

我国开始推广电弧喷涂技术是90年代初期，从1996年以后才受到各地政府及大型国家重点工程的重视。

如三峡工程、广船国际、港口各种储罐、电力工程铁塔等等。

一、电弧喷涂原理电弧喷涂是以电弧为热源，将熔化的金属丝用高速气流雾化，并以高速喷到工件表面形成涂层的一种热喷涂工艺。

喷涂时，两根丝状金属喷涂材料用送丝装置通过送丝轮均匀、连续地分别送进电弧喷枪中的两个导电嘴内，导电嘴分别连接电源正负极，并保证两根金属丝之间在未接触之前绝缘。

当两根金属丝端部相互接触时产生短路而形成电弧，时金属丝端部瞬间熔化，此时利用压缩空气把熔化的金属雾化，形成金属微熔滴，以很高的速度喷射到工件表面上，产生金属涂层。

二、电弧喷涂的技术特点a) 电弧喷涂的优点突出表现在其涂层所能达到的高强度和优异的涂层性能。

应用电弧喷涂技术，可以在不提高工件表面温度、不使用贵重打底材料的情况下获得高的结合强度。

一般电弧喷涂的结合强度可以达到20MPa以上是氧乙炔火焰喷涂的4~6倍。

最近大庆某工程公司在为国家某重点工程投标时，专门测验了电弧喷涂的结合强度。

用Φ40的Q235圆钢，切断后将两个断面磨平，经过喷砂处理，使粗糙度达到Sa2.5级以上，然后将其中一个断面用电弧喷涂方式喷锌，厚度为0.10~0.15mm，将另一个断面涂上强力胶水，与喷锌层断面相粘结，等胶水完全干燥后上拉力试验机，测得结果为：共用10根圆钢试样，平均结合强度为13.7吨，最小的为10.6吨，最大的为15.2吨，也就是平均结合强度为21.8MPa，最小的为16.9 MPa，最大的为24.2 MPa。

由于锌涂层属于比较软的涂层，其结合强度要低于不锈钢等硬质金属。

b) 电弧喷涂的高效率表现在单位时间内喷涂金属的重量大。

电弧喷涂的生产率与电弧电流成正比，以喷涂锌涂层为例，当喷涂电流为200A时，每小时可喷涂30Kg，喷铝或不锈钢也可达到20Kg。

这要比氧乙炔火焰喷涂提高5~6倍。

河南防腐集团公司在大连为油罐内外表面喷涂铝涂层时，仅用2个多月的时间，从施工组织到工程验收完毕，利用2台CMD-AS3000型电弧喷涂设备每天工作10~12小时，总喷涂面积达到10000平方米，喷涂厚度为0.5mm。

c) 电弧喷涂的能源利用率明显高于其他喷涂方法，节能效果十分突出。

电弧喷涂的能源利用率可达57%，而氧乙炔火焰喷涂的能源利用率为13%，等离子喷涂为12%。

d) 电弧喷涂是十分经济的热喷涂方法，能源利用率高，节能效果明显，其额定功率为12KVA，通常使用的电压为30~37V，电流为180~220A，每小时耗电仅为5.4~8.1度，喷锌30Kg时，每公斤耗电只有0.18度；喷铝或不锈钢时也只有0.4度。

e) 电弧喷涂只使用电和压缩空气，不用氧气、乙炔气等易燃气体，安全性很高。

三、电弧喷涂设备电弧喷涂设备系统由电弧喷枪、控制箱、电源、送丝机构等组成，另外，电弧喷涂需要使用压缩空气，因此，其辅助设备还应包括空气压缩机，有条件的应为空压机配备油水分离器、储气罐、空气干燥机等设备。

1、电源电弧喷涂设备的电源通常采用变压器—整流器式直流电源，以硅二极管作整流器元件，称作硅整流电源。

硅整流电源结构简单，坚固耐用，噪声小，维修方便。

硅整流电源属于平特性电源，具有良好的弧长自调节作用，当电弧长度受到外界因素而变动时，电源会产生很大的电流变化值，丝材的熔化速度随之有较大变化，促使电弧迅速恢复到原来的弧长。

弧长的自调节作用能保持一定的弧长，维持电弧稳定燃烧。

这对于控制雾化金属的粒子尺寸及金属的烧损率，稳定涂层质量十分重要。

此外，平特性电源的短路电流较大，引弧容易，还具有防止电弧回烧导电嘴的保护作用。

电弧喷涂电源的空载电压一般在18~40V之间，额定工作电流为300A。

以CMD-AS3000型电弧喷涂设备为例，其空载电压为27~40V，分八个档次调节，额定电流为300A。

过去曾有人用过直流电焊机电源作为电弧喷涂的电源，由于电焊机电源具有陡降的外特性，工作电压要在40V以上，使喷涂时金属丝碳烧损严重，降低表面硬度和结合强度。

现在使用的专门为电弧喷涂设计的平特性电源可以在较低的电压下工作，使喷涂时的碳烧损大为减少（一般可达50%），保持良好的弧长自调节作用，连续喷涂不断弧，能有效地控制电弧电压。

平特性电源可以随着调节喷涂电流的大小来控制送丝速度的快慢，维持稳定的电弧喷涂过程。

平特性电源操作非常简单，根据丝材的材质（熔点大小）选择一定的空载电压，利用调节电流来控制送丝速度，从而确定电弧喷涂的工作效率。

通常在喷锌或喷铝时的空载电压调节在30~32V，电流调节到180~200A即可；喷涂不锈钢、铜或其他硬质合金时，电压应在35~38V，电流在200~250A。

2、电弧喷枪电弧喷枪分为手持式和固定式（机卡式）两种。

手持式喷枪操作灵便，万能性强；固定式喷枪通常用于喷涂生产线或对涂层均匀性要求很高的工作，如轴类修复、较薄涂层等。

电弧喷枪由壳体、导电嘴、喷嘴、雾化风帽、遮弧罩等组成。

喷枪要完成使金属丝材准确对中，维持电弧稳定燃烧，熔化丝材及雾化喷射等功能。

喷枪中的导电嘴与喷嘴是关键零件，直接影响喷涂层的质量及喷涂过程的稳定。

金属丝材在导电嘴中既要导电，又要减少送丝阻力，这就要求导电嘴要有合适的孔径及长度。

孔径过小，送丝阻力大，孔径过大，导电性能不稳定，丝材对中的性能也差，甚至在导电嘴内引发电弧，产生粘连现象。

CMD-AS3000型电弧喷枪使用3mm直径丝材，其导电嘴孔径为3.2mm，也就是单边0.1mm的余量。

导电嘴内壁要保持清洁，粘上油污或氧化物会影响丝材的导电性能，增大送丝阻力。

导电嘴属易损件，应定期更换。

两个导电嘴之间的夹角一般在30°~60°之间。

喷嘴，也叫压缩空气喷嘴，它对熔化的金属起到有效的雾化作用。

由于盘状丝材从送丝机构经送丝管送入导电嘴时还会出现固有的弯曲现象，所以不能保证两根金属丝相交时总是处于中心位置，当交点偏离气流中心时，容易造成雾化气流波动。

为此，目前的电弧喷枪均采用使丝材端部在雾化气流内的方案。

这种方案可以保证稳定的雾化过程。

电弧喷枪因送丝方式的不同还分为推丝式和拉丝式两种。

由于拉丝式喷枪体积很大，也很重，一般都做成固定式（机卡式），适合于喷涂生产线使用。

但拉丝式喷枪由于送丝装置全在枪上，各种零件受重量限制，体积都很小，所以拉丝的力量有限，不能满足所有丝材的送丝要求，一般只能拉动小盘的锌、铝等材质较软的丝材。

推丝式喷枪是由专门的送丝机构通过两根特制的送丝软管推送到导电嘴中，所以枪体结构简单，重量轻，操作灵活，最适合手持作业，如果用于固定式操作，也能很方便地制作成机卡式喷枪，用于喷涂生产线使用。

CMD-AS3000型电弧喷枪就是采用推丝式设计，使用3mm直径丝材，喷涂时电弧稳定、可靠、不断弧，喷涂质量致密、平整，不仅可以喷涂锌、铝等材质较软的丝材，对于不锈钢、高铬镍合金、高硬度管状丝材等均可以很轻松地进行喷涂，也就是说，目前所有的金属丝材都可以使用。

3、送丝系统送丝系统通常由送丝机构、送丝软管、丝盘等组成，送丝机构还包括直流伺服电机、减速器、送丝主动轮、送丝轮、压丝轮等。

送丝系统的作用是将两根相互绝缘的金属丝稳定地自动送入电弧区。

丝盘上的金属丝经过安装在减速器输出轴上的送丝主动轮驱动送丝轮，使金属丝进入送丝软管及喷枪内的导电嘴。

这种送丝系统是专门为推丝式喷枪设计的。

由于送丝系统是否工作可靠关系到电弧喷涂工作的生产率和涂层质量，所以，要求送丝系统具有优良的驱动性能及较小的送丝阻力。

CMD-AS3000型电弧喷涂设备的送丝机构为两轮驱动（2×4）型，即两个送丝主动轮驱动四个送丝轮和四个压丝轮。

由减速箱同时驱动两边的各一个送丝主动轮，每个送丝主动轮驱动两个带丝槽的送丝轮，当金属丝材放入送丝轮丝槽后用两个压丝轮分别压紧送丝轮，这样就可以靠摩擦力将金属丝材送入送丝软管。

压丝轮的主要作用是将送丝轮丝槽中的金属丝材压紧，使之产生一定的摩擦力，以便金属丝材可以送入送丝软管。

压丝力度一定要适中，过紧会增加送丝阻力，也会将金属丝材压变形；过松会使金属丝材在丝槽中打滑，造成送丝不畅，甚至中断。

压丝轮由压丝杆压紧，压丝杆上有松紧调节装置。

送丝软管是两根由橡胶、金属螺纹管、氟塑料、导线等材料特制的，不仅起到将金属丝材导入喷枪导电嘴的作用，而且两根送丝软管均为导电体，连接正负电极，使金属丝材通过导电嘴相交时产生电弧。

送丝软管的质量要求很高，软管内径控制很严。

如果送丝软管的内径过小，金属丝材与管壁接触面大，送丝阻力也会增大；送丝软管内径过大，金属丝材在送丝管中呈波浪状态，点接触过多，阻力亦很大，而且有可能使软一点的金属丝材产生折弯，造成导电嘴堵丝。

因此，在电弧喷涂操作过程中，应避免送丝软管弯曲过大，造成死弯；防止踩踏，使送丝软管变形，造成送丝阻力增大，甚至堵丝；绝对禁止将内芯抽出，造成送丝软管损坏。

要经常对送丝软管进行清理，一般的清理方法可用压缩空气定期喷吹送丝软管内壁，清除管内壁的金属氧化物及金属屑或油污等等。

四、电弧喷涂工艺1、表面预处理电弧喷涂工艺中的表面预处理是一项非常重要的工作，包括表面清洗、表面预加工、表面粗糙化等方面。

1）表面清洗表面清洗的主要目的是将待喷涂表面除油、去污、除锈等。

普通的表面处理方法，如电镀、镀锌、热浸锌等一般用酸洗的方法进行表面清洗，如果用这种方法进行电弧喷涂表面清洗，不仅不能使待喷涂表面粗糙化，而且容易造成环境污染。

现在已逐渐减少使用酸洗的方法进行表面清洗。

由于喷砂方式即可以去除待喷涂表面的油污、锈蚀、氧化层等，还可以使待喷涂表面粗糙化，所以，目前利用喷砂的方法进行表面清洗是最好的方法。

可以说，喷砂能够适合几乎所有方式表面处理前的预处理工作。

2）表面预加工由于电弧喷涂可以进行轴类及机械零件的修复，所以在修复之前必须对工件表面进行预加工，也就是要将工件表面磨损部位用车（适合于轴类）或铣、刨（适合于平面）的方式加工平整，然后经表面粗化处理，喷涂上所需金属。

表面预加工量视涂层厚度而定，一般要求在工件最大磨损量以下0.1~0.25mm。

预加工时应特别注意边角的过渡，喷涂层边缘，特别是锐边，有可能使喷涂层剥落，所以边角处应加工成较大的圆角或倒角。

平面预加工时，应将磨损最大处作为中心，向四周切削超过磨损部位较大的预加工面，中心处可以有较大的加工量，向四周扩散时逐渐平滑过渡到正常表面处，避免产生直角，造成边缘与正常表面结合处产生缝隙。

电弧喷涂后，工件可以进行机加工，但最佳方法是磨削。