Электродуговой испаритель металлов

 

Использование: в установках для обработки изделий. Сущность изобретения: катод дугового разряда выполнен вытянутым вдоль своей продольной оси из испаряемого материала и имеет поверхность испарения, расположенную вдоль продольной оси. Токоподводы катода подключены к управляемым ключам, электрически связанным через индивидуальные элементы включения с блоком управления. Токоподводы также соединены с источником постоянного тока, к которому подсоединен анод. Средство определения положения катодного пятна на поверхности испарения катода выполнено в виде датчика текущего положения катодного пятна с токоподводами на концах и электрически связано с блоком управления. Блок управления включает программирующее средство и средство сравнения, первый вход которого электрически связан с токоподводами датчика текущего положения катодного пятна, второй вход - с выходом программирующего средства, а выход соединен с индивидуальными элементами включения управляемых ключей. Дополнительный источник питания постоянного тока подключен к токоподводам, расположенным с противоположных концов катода, через дополнительный реверсирующий полярность ключ с индивидуальным элементом включения, соединенным с выходом средства сравнения. 1 ил.

Изобретение относится к установкам для обработки изделий, а более точно касается электродуговых испарителей металлов.

Известен электродуговой испаритель металлов, содержащий катод, выполненный из испаряемого материала и имеющий поверхность испарения и источник постоянного тока, соединенный с катодом и анодом [1] В данном испарителе обработка изделий осуществляется хаотически перемещающимся по поверхности катода катодным пятном электрической вакуумной дуги. Благодаря высокой концентрации энергии в катодном пятне дуги с поверхности катода происходит интенсивное испарение материала катода и осаждение испаренного материала катода на изделия, установленные напротив поверхности испарения катода.

При обработке этим испарителем длинномерных изделий необходимо использовать несколько таких же испарителей, установленных вдоль длинномерного изделия, что вызывает затруднения при эксплуатации этого испарителя.

Известен электродуговой испаритель металлов, содержащий катод, вытянутый вдоль своей продольной оси, выполненный из испаряемого материала и имеющий поверхность испарения, расположенную вдоль его продольной оси, и токоподводы с противоположных торцов катода, подключенные к управляемым ключам, электрически связанным через индивидуальные элементы включения с блоком управления и соединенным с источником постоянного тока, соединенным также с анодом, и электрически связанное с блоком управления средство определения положения катодного пятна на поверхности испарения катода [2] В указанном испарителе средство определения положения катодного пятна на поверхности испарения катода выполнено в виде датчиков конечного положения катодного пятна.

В этом испарителе катодное пятно под воздействием магнитного поля тока, протекающего по катоду, всегда движется в направлении токоподвода. Когда катодное пятно достигает торца катода, средство определения положения катодного пятна вырабатывает электрический сигнал, который поступает на блок управления. Блок управления обеспечивает включение управляемого ключа, расположенного у торца катода, противоположного тому, где находится катодное пятно, одновременно отключая другой ключ. Поскольку катодное пятно движется по поверхности катода с равномерной скоростью в промежутке между датчиками конечного положения катодного пятна, то такое движение обуславливает отсутствие возможности управления временем воздействия потока плазмы на отдельные участки обрабатываемого изделия по заданной программе, что ведет к неоднородности обработки на концах изделий по отношению к центральной зоне обрабатываемого изделия.

Известен электродуговой испаритель металлов содержащий анод, катод электродугового разряда вытянутый вдоль своей продольной оси, выполненный из испаряемого материала и имеющий поверхность испарения расположенную вдоль продольной оси и токоподводы с противоположных торцов катода, подключенные к управляемым ключам, электрически связанным через индивидуальные элементы включения с блоком управления и соединенные с источником постоянного тока, соединенным также с анодом, и электрически связанное с блоком управления средство определения положения катодного пятна на поверхности испарения катода, выполненное в виде датчика текущего положения катодного пятна с токоподводами на концах, при этом блок управления включает программирующее средство и средство сравнения, первый вход которого электрически связан с токоподводами датчика текущего положения катодного пятна, втоpой вход с выходом программирующего средства, а выход соединен с индивидуальными элементами включения управляемых ключей [3] В указанном испарителе, принципиально работающем аналогично предыдущему, имеется возможность управлять скоростью перемещения катодного пятна по поверхности испарения катода по заданной программе посредством внешнего управляющего воздействия. Однако при работе в окислительной атмосфере на поверхности испарения катода образуются неэлектропроводящие соединения, препятствующие перемещению катодного пятна на поверхности испарения катода. В результате чего внешнего управляющего воздействия на катодное пятно, создаваемого за счет тангенциального к поверхности испарения катода магнитного поля, недостаточно для обеспечения стабильного перемещения катодного пятна с заданной скоростью и как следствие в этом испарителе не обеспечивается заданная толщина наносимого покрытия по длине обрабатываемого изделия.

В основу настоящего изобретения была положена задача создания электродугового испарителя металлов, в котором обеспечивалось бы стабильное управление положением катодного пятна на поверхности испарения катода при образовании на поверхности испарения катода неэлектропроводящих соединений, что, в свою очередь, позволило бы обеспечивать однородную обработку по всей поверхности обрабатываемого изделия, в том числе и в окислительной атмосфере.

Это достигается тем, что электродуговой испаритель металлов содержащий анод, катод электродугового разряда вытянутый вдоль своей продольной оси, выполненный из испаряемого материала и имеющий поверхность испарения расположенную вдоль продольной оси и токоподводы с противоположных торцов катода, подключенные к управляемым ключам, электрически связанным через индивидуальные элементы включения с блоком управления и соединенные с источником постоянного тока, соединенным также с анодом, и электрически связанное с блоком управления средство определения положения катодного пятна на поверхности испарения катода выполненное в виде датчика текущего положения катодного пятна с токоподводами на концах, при этом блок управления включает программирующее средство и средство сравнения, первый вход которого электрически связан с токоподводами датчика текущего положения катодного пятна, второй вход с выходом программирующего средства, а выход соединен с индивидуальными элементами включения управляемых ключей, согласно изобретению содержит дополнительный источник питания постоянного тока подключенный к токоподводам, расположенным с противоположных концов катода, через дополнительный реверсирующий полярность ключ с индивидуальным элементом включения, соединенный с выходом средства сравнения.

Такое выполнение патентуемого испарителя обеспечивает однородную обработку всей поверхности обрабатываемого изделия при работе в окислительной атмосфере.

На чертеже изображена общая схема испарителя с усилением управляющего воздействия (вакуумная камера показана в продольном разрезе).

Электродуговой испаритель металлов согласно изобретению описан на примере выполнения испарителя для электродугового нанесения покрытий на изделия вакууме.

Электродуговой испаритель металлов согласно изобретению содержит вакуумную камеру 1 являющуюся анодом. В вакуумной камере 1 размещены катод 2, вытянутый вдоль своей продольной оси, выполненный из испаряемого материала, например из титана, и имеющий поверхность 3 испарения, вытянутую вдоль его продольной оси. Поверхность 3 испарения катода 2 ограничивается изолированным от катода 2 экраном 4. Катод 2 имеет соответственно на своих торцах токоподводы 5, 6, выведенные через изоляторы 7, 8, вмонтированные в стенки камеры 1.

Токоподводы 5, 6 подключены к управляемым ключам 9 и 10, электрически связанным через индивидуальные элементы 11 и 12 включения с блоком 13 управления и соединенным с отрицательным полюсом источника 14 постоянного тока, положительный полюс которого соединен с вакуумной камерой 1, служащей, как было отмечено выше, анодом.

Электродуговой испаритель согласно изобретению содержит также электрически связанное с блоком 13 управления средство определения положения катодного пятна 15 на поверхности 3 испарения катода 2.

Указанное средство определения положения катодного пятна 15 на поверхности 3 испарения катода 2 выполнено в виде датчика 16 текущего положения катодного пятна 15 с токоподводами 17, 18 на его концах.

В электродуговом испарителе согласно изобретению датчик 16 текущего положения катодного пятна 15 на поверхности 3 испарения катода 2 выполнен в виде размещенного в вакуумной камере 1 протяженного проводника, изготовленного из материала с высоким удельным сопротивлением, например из нихрома, и имеющего на своих концах два токоподвода 17, 18. Длина проводника приблизительно равна длине катода 2. Проводник установлен параллельно поверхности 3 испарения катода 2 в непосредственной близости от нее. Токоподводы выведены через изоляторы 19, 20, вмонтированные в стенки камеры 1, наружу этой камеры и подключены ко входу блока 13 управления.

Блок 13 управления содержит средство 21 сравнения, первый вход 22, 22' которого соединен с токоподводами 17, 18 протяженного проводника датчика 16, а выход с индивидуальными элементами 11, 12 включения управляемых ключей 9, 10, и программирующее средство 23, выход которого соединен со вторым входом 24, 24' средства 21 сравнения.

В предлагаемом электродуговом испарителе токоподводы 17, 18 протяженного проводника соединены со стабилизаторами тока, которые выполнены в виде резисторов 25, 26. Резисторы 25, 26 соединены между собой и с положительным полюсом источника 27 постоянного тока, отрицательный полюс которого подсоединен к токоподводу катода 2.

Программирующее средство 23 выполнено известным специалистам образом и выполняет программу, согласно которой вырабатывает управляющее напряжение.

Кроме того, имеется дополнительный источник 28 питания постоянного тока, подключенный к токоподводам 5, 6 катода 2 через управляемый, реверсирующий полярность ключ 29 с дополнительным индивидуальным элементом 30 включения, электрически соединенным с выходом средства 21 сравнения.

На чертеже также показано обрабатываемое изделие 31 и схематично поток 32 металлической плазмы, генерируемой катодом 2.

Такое выполнение электродугового испарителя металлов обеспечивает наилучшую управляемость перемещением области испарения на рабочей поверхности вытянутого вдоль своей продольной оси катода, особенно при работе в окислительной среде, когда на поверхности испарения катода образуются неэлектропроводные соединения.

Принцип работы электродугового испарителя металлов согласно изобретению заключается в следующем.

Вакуумная камера 1 системой откачки воздуха (не показана) откачивается до давления, определяемого технологическими задачами. Диапазон рабочих давлений с верхней стороны ограничен 10 Па, а с нижней стороны практически не ограничен потому, что рабочей средой, через которую осуществляется перенос тока в разряде, являются продукты эрозии катода 2, ионизированные дуговым разрядом. После достижения заданного рабочего давления на анод (вакуумная камера 1) и катод 2 подается напряжение от источника 14 постоянного тока и с помощью поджигающего устройства (не показано, поскольку общеизвестно и не является предметом настоящего изобретения) на поверхности 3 испарения катода 2 возбуждается катодное пятно 15. Катодное пятно 15 генерирует поток 32 металлической плазмы, распространяющийся преимущественно в направлении, нормальном к поверхности 3 испарения катода 2.

Общеизвестным фактом является то, что в катодах, имеющих вытянутую форму и токоподводы с противоположных концов катодов, катодное пятно дугового разряда всегда движется в сторону включенного в данный момент токоподвода. Ток дугового разряда, проходя по вытянутому катоду 2, создает вокруг него магнитное поле такого направления, которое вынуждает катодное пятно 15 двигаться в сторону включенного ключа 9 или 10.

Поочередным включением ключей 9 и 10 осуществляют возвратно-поступательное движение катодного пятна 15 по поверхности 3 испарения катода 2. Генерируемый им поток 32 металлической плазмы замыкает цепь источника 27 постоянного тока через соответствующий участок, расположенный на датчике 16 текущего положения катодного пятна.

Стабилизаторы тока в виде резисторов 25, 26 и плечи датчика 16 текущего положения катодного пятна 15, образованные концами датчика и участком входа потока 32 плазмы, образуют измерительный мост, диагональ которого подключена ко входу 22, 22' средства 21 сравнения. Сопротивление каждого из резисторов 25, 26 таково, что оно по меньшей мере на порядок больше, чем сопротивление R проводника датчика 16. При соблюдении этого условия напряжение U на диагонали измерительного моста U i/2(r-R/2), где i ток в цепи датчика, r сопротивление ветви датчика между его концом и участком, воспринимающим поток плазмы.

Как следует из приведенного выражения, напряжение на диагонали моста однозначно определяет положение катодного пятна 15 на поверхности 3 испарения катода 2 и на первый вход 22, 22' средства 21 сравнения подается сигнал, непосредственно вырабатываемый на проводнике датчика 16. Одновременно на второй вход 24, 24' средства 21 сравнения подается сигнал от программирующего средства 23 и на входе средства 21 сравнения вырабатывается усиленный сигнал, величина которого пропорциональна разности напряжений на входах 22, 22' и 24, 24'. При нулевой разности напряжений на входах 22, 22' и 24, 24' средства 21 сравнения сигнал на его выходе равен 0 и при этом включены оба ключа 9 и 10. При включенных обоих ключах 9 и 10 оба направления движения катодного пятна 15 на катоде 2 равноценны (катодное пятно 15 перемещается хаотично). При изменении положения катодного пятна 15 изменится напряжение на проводнике датчика 16, а на входах 22, 22' и 24, 24' средства 21 сравнения появится сигнал рассогласования, который вызовет появление напряжения на выходе, отключающего тот ключ, в направлении движения к которому сигнал рассогласования увеличивается. При этом катодное пятно 15 начинает смещаться в направлении, при котором сигнал рассогласования уменьшается.

Таким образом, средство 21 сравнения и управляемые ключи 9 и 10, на которые оно воздействует, постоянно поддерживают положение катодного пятна 15 на катоде 2, при котором разность сигналов на входах 22, 22' и 24, 24' средства 21 сравнения равна нулю. Как только на выходе программирующего средства 23 сигнал изменится, то сразу же появится разность напряжений на входах 22, 22' и 24, 24' средства 21 сравнения, и блок 13 управления сработает таким образом, что катодное пятно 15 займет на катоде 2 новое положение, при котором восстановится равенство напряжений.

Изменяя напряжение на выходе программирующего средства 23 по заданной программе перемещают катодное пятно по программе в заданном направлении.

Электродуговой испаритель металлов согласно изобретению, целесообразно использовать, например, при работе в окислительной атмосфере, когда на поверхности испарения катода 2 образуются неэлектропроводящие соединения, препятствующие перемещению катодного пятна 15 по поверхности испарения катода 2. В этом случае необходимо усилить управляющее воздействие на катодное пятно 15 путем увеличения тангенциального к поверхности 3 испарения катода 2 магнитного поля. Увеличение магнитного поля производится пропусканием тока по катоду 2 от дополнительного источника 28 постоянного тока. Величина тока источника 28 соизмерима с током дугового разряда, напряжение источника 2-3 В. Источник 28 питания подключен к торцам катода 2 посредством управляемого реверсирующего полярность ключа 29 с индивидуальным элементом 30 включения, соединенного с выходом средства 21 сравнения. Источник 28 питания подключен к ключу 29 с такой полярностью, чтобы направление токов в катоде 2 и от источников 14 и 28 совпадали. В этом случае магнитные поля токов обоих источников 14 и 28 суммируются, что приводит к суммированию образованных ими тангенциальных магнитных полей. Индивидуальный элемент 30 включения ключа 29 подсоединен так же, как и индивидуальные элементы 11 и 12 включения управляемых ключей 9 и 10 к средству 21 сравнения, поэтому их переключение в соответствии с заданной программой осуществляется одновременно.

Опытная модель электродугового испарителя была построена по схеме, изображенной на чертеже. Катод 2 из титана марки ВТ.1.1. имел размеры 30х120х1000. На расстоянии 60 мм от катода установлена проволока из нихрома диаметром 0,5 мм. Источник 14 питания обеспечивал величину тока разряда 200 А. Источник 27 питания обеспечивал величину тока в проводнике 38-0,5 А. Источник 28 питания обеспечивал величину тока в катоде 2 200 А. Управляемые ключи 9 и 10 и реверсирующий ключ 29 тиристорные. В качестве средства 21 сравнения применен операционный усилитель, программирующее средство 23 построено на базе десятичного счетчика, каждая из девяти свободных позиций которого соответствует определенному напряжению, задающему координату положения области испарения на поверхности вытянутого вдоль своей продольной оси катода. При работе в вакууме и атмосфере азота управляемость электродугового испарителя металлов достаточная с выключенным источником 28 питания. При переходе на работу испарителя в окислительной среде (напуска О₂ с целью получения окислов титана) управляемость перемещением области испарения ухудшилась и восстанавливалась только при включении источника 28 питания постоянного тока.

Электродуговой испаритель металлов, согласно изобретению, в частности, используемый для электродугового нанесения покрытий на изделия в вакууме позволяет получать различные профили покрытий заданной толщины.

Электродуговой испаритель металлов может быть использован для нанесения упрочняющих и декоративных покрытий на протяженные поверхности изделий, такие, как длинномерные валы, трубы, инструмент, шестерни, червячные фрезы, а также для любых видов вакуумно-плазменной обработки изделий, включая химико-термическую и термическую обработку изделий и очистку их поверхности.

Формула изобретения

ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ИСПАРИТЕЛЬ МЕТАЛЛОВ, содержащий анод, катод электродугового разряда, вытянутый вдоль своей продольной оси, выполненный из испаряемого материала и имеющий поверхность испарения, расположенную вдоль продольной оси, и токоподводы с противоположных торцов катода, подключенные к управляемым ключам, электрически связанным через индивидуальные элементы включения с блоком управления, и соединенные с источником постоянного тока, соединенным также с анодом, и электрически связанное с блоком управления средство определения положения катодного пятна на поверхности испарения катода, выполненное в виде датчика текущего положения катодного пятна с токоподводами на концах, при этом блок управления включает программирующее средство и средство сравнения, первый вход которого электрически связан с токоподводами датчика текущего положения катодного пятна, второй вход с выходом программирующего средства, а выход соединен с индивидуальными элементами включения управляемых ключей, отличающийся тем, что он содержит дополнительный источник питания постоянного тока, подключенный к токоподводам, расположенным с противоположных концов катода, через дополнительный реверсирующий полярность ключ, снабженный индивидуальным элементом включения, соединенным с выходом средства сравнения.

РИСУНКИ

Рисунок 1

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 27.04.2001

Номер и год публикации бюллетеня: 10-2003

Извещение опубликовано: 10.04.2003        

---