專利名稱：具有圓錐形噴射的電弧熱噴槍伸展設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及熱噴射設備，特別涉及一種雙金屬絲電弧類型的熱噴槍。
熱噴射是熔化和推進熔化材料例如形成涂層的金屬的細小微粒的一種過程。可以使用一或兩根金屬絲或者粉末作為進料，通過電弧或燃燒火焰進行加熱。一種熱噴槍是雙金屬絲電弧熱噴槍，其中被送入的兩根金屬絲在金屬絲末端接觸，并且兩根金屬絲被流過金屬絲的電流產生的電弧所熔化。壓縮氣體(通常為空氣)的氣體射流吹過該末端以霧化熔化的金屬，且產生熔化金屬顆粒的噴射流。電弧電流一般是幾百安培的數量級。現已提出了各種各樣的氣體頭部結構，例如美國專利Nos.3,546,415、4,095,081、4,492,337、4,668,852、5,714,205和5,791,560中所公開的結構。
一些應用包括孔或其他限定區域例如汽缸的孔的內表面的涂層處理。為了這些應用，使用了一個伸展噴槍，其中，從邊側噴來的氣流使得射流偏離主軸線一定角度，因此可以把噴槍插入到孔中，并且成一定角度或偏離的射流噴向孔的表面。邊側氣體射流可以輔助中心霧化射流，并且可作為或也可不作為基本的霧化氣流。為了噴射一個孔例如內燃機的一個汽缸孔的內表面，必需圍繞其軸線轉動噴槍，或者在軸向移動噴槍的同時以相當快的速度轉動帶有孔的物體。這樣的物體例如汽缸體的轉動通常是不可行的。單金屬絲燃燒伸展噴槍或粉末噴槍可以與相應的機構一起轉動。美國專利No.5,245,153公開了一種帶有轉動的無損耗的電極的單金屬絲電弧噴槍，但是單金屬絲電弧噴槍在商業上還不可行，至少部分不可行，因為這樣的電極在高電流時的確不是所謂的“無損耗”。
美國專利No.4,853,513和本發明的發明人和受讓人在3/11/1998提出的專利申請系列No.09/038,435公開了傾斜雙金屬絲電弧噴槍。對于雙金屬絲噴槍，需要一個復雜的系統圍繞金屬絲轉動噴射頭部以避免扭轉。關于聚集的金屬絲可具有變化的幾何形狀，所以可期望得到不規則的噴射。使用雙金屬絲電弧噴槍的噴射成本很低，因此，它對于許多應用都是合適的。
相應地，本發明的一個目的是提供一種改進的雙金屬絲、伸展類型的電弧熱噴射設備以無需轉動噴射設備或物體而對物體中孔的內部進行噴射。另一目的是提供一種設備，該設備能夠產生圓錐扇形噴射以噴射孔的內部。又一個目的是給這樣的設備提供一種新穎的氣體帽蓋，以達到上述的目的。
使用一種向孔中噴射的電弧噴射伸展設備可以達到或至少部分達到上述和其他的目的。該設備具有一個噴射槍體、被所述槍體支承在一起以將兩根金屬絲引導至金屬絲末端接觸區域的一對管狀的金屬絲導向件、操作地連接以將金屬絲分別送入各金屬絲導向件的一個進線機構、附于槍體并向前伸展的一個氣體帽蓋。金屬絲分別帶有電弧電流以產生電弧且由此熔化金屬絲末端的金屬；氣體帽蓋具有多個小孔，在小孔中各被壓縮的氣體產生了氣體射流，在圓弧方向基本等間距地設置所述各個小孔，氣體射流帶有一個沿徑向向內的分量噴向接觸區域，以使霧化的熔化金屬變成噴射流，諸小孔的軸線一致地從徑向向前且相切地偏移以產生一個渦流，因此噴射流形成了一個圓錐扇形體的形式，因此從中心將噴射流插入一個孔中，這可環繞孔的內表面產生一個涂層。


圖1是按照本發明的一個電弧金屬絲熱噴射設備部分剖視的縱視圖。
圖2A是圖1中的熱噴射設備的后部的縱向剖視圖。
圖2B是圖1中的熱噴射設備的前部的縱向剖視圖。
圖3是圖2B所示的一個支承構件的主視圖。
圖4是圖2B所示的一個支承盤狀件的主視圖。
圖5是圖1和圖2B所示的一個氣體帽蓋的主視圖。
圖6是圖1和圖2B所示的一個氣體帽蓋的側視圖。
圖7是圖1中的設備的立體圖，該圖示出了在孔中進行噴射的圓錐扇形體形式的一個噴射流。
除了在此描述的一個氣體帽蓋12，按照本發明的一個雙金屬絲電弧熱噴槍10(圖1)可以是傳統的或其他想要的類型。在本例子中，一個槍體分為三部分，即前槍體14、細長的中間槍體16和一個后槍體18。后體部分通過一對軟管電纜將氣體和電源分隔開，而且還包含了一個金屬絲驅動機構22。前槍體將兩根金屬絲24結合在一起以形成燃弧，并且前槍體具有氣體帽蓋12以將熔化的金屬絲末端噴成霧狀且產生噴射流。中間槍體是連接前后槍體的一個延伸件。一個控制臺(未示出)特別地包含有一個整流器、一個氣體調整器和金屬絲卷軸的支承件，以將電能、金屬絲和氣體提供給噴槍。
(在此處和權利要求書中，詞語“向前”和“前方”是指金屬絲被驅動的方向，“后方”和“向后”表示相反的方向，詞語“內部”、“向內”表示面向或指向噴槍軸線。)在本例子中，后槍體18包含了金屬絲驅動機構22。可以利用一個小型變速電動機或風動發動機(未示出)來作為金屬絲的驅動器，該驅動器驅動連接到電絕緣送料輪30上的齒輪，并且，一個彈性張力裝置32作用在位于送料輪之上的絕緣從動輥28上以保持每根金屬絲的滾輪張力。從金屬絲的卷軸或容器(未示出)經由彈性套管34引出的金屬絲24被滾輪送入金屬絲管子36中(圖2A)。對于本發明，金屬絲驅動器的類型和位置并不重要，可以使用任何其他合適的傳統或其他想要的機構。位于卷軸上的一個推動器可用來替換或補充噴槍中的金屬絲驅動器。
驅動機構前方的一個支承塊40包含有豎立的接觸支柱42，其基部連接在一個剛性管子43上，剛性管子43與電源電纜21相連接，而電源電纜21本身又連接到用以產生電弧的一個傳統電源45上。導電金屬絲管子36被固定以在支柱中的直徑孔中起到支承和電接觸的作用。這些管子在支承塊的逐漸變細部分44中向內傾斜，而后沿著中間槍體16成直線地平行延伸。這些管子被一個中心支柱46支承在逐漸變細部分中。
金屬絲管子36有利地包含有管襯47，管襯47較佳地用低摩擦材料例如嵌有聚四氟乙烯(PTFE)或MoS2的塑料來形成。管襯進入豎立支柱42的后方管子中，并且在中間槍體中的管子的內部繼續分布。中間槍體具有一個細長的圓筒形伸展殼體48，該殼體48在固定到逐漸變細部分前端部的后方具有一個端接件50。中間槍體對于一具體的應用情況具有一個可選擇的長度，例如30cm或60cm，這取決于將要噴射的孔的深度或其他限定區域。
前槍體14(圖2B)一般是圓筒形的，它包括一個螺紋連接到伸展殼體上的一個前方構件52。固定在前體中的一個支承構件54具有一對通孔55(圖3)，并且該支承部件54在相對兩側被切平57以使空氣流動(以下解釋)。支承構件在通孔中支承住一對傾斜的導向件60，該導向件60從這些裝配中向前伸展通過該支承構件，然后向內彎曲。這些導向件和孔55或者可以具有一個矩形或其他形狀的截面以便于制造。使用銷釘59將一對端連接件58固定在導向件60的后方，以連接到金屬絲管子36和管襯47上的前端。
導電金屬絲導向件61用螺紋連接在傾斜導向件60的會聚的前端中。金屬絲導向件穿過保持在前方構件52中的支承盤狀物64(圖4)中的相應孔63。這些管子與金屬絲電接觸以提供流過金屬絲的電流，并使金屬絲會聚在金屬絲的接觸區域66。當在金屬絲中應用了一個傳統的電弧電源(一般是直流)時，就會形成一個電弧，由此熔化金屬絲的末端。從電源45(圖1)，從其線電源(line source)供應電能，借助于控制臺中的整流器，而后通過電纜21、金屬絲管子36、傾斜導向件60和金屬絲導向件61，將電能送至金屬絲24。
如圖示部分，按常規所有的構件通過螺釘、螺紋、環氧樹脂、壓配合件(press fitting)或諸如此類的方法固定在一起。但至少后槍體具有一個可拆卸的帽蓋，以能夠接觸到驅動機構。適當的零件用電絕緣材料例如硬塑料形成，這些部分包括后槍體中的逐漸變細部分和前槍體中的支承件。
從壓縮氣體的一個基本源62(圖1)得到的霧化空氣或其他氣體通過電纜軟管21和剛性管子43被送到支承支柱42的基部(與電能一起)。支柱中的側向孔72將空氣送入支承塊40中的腔室70中。支承塊的前壁74中的四個孔(未示出)將空氣引入逐漸變細部分44中的第二腔室72(圖2A)中，而后空氣穿過由中間槍體的殼體48形成的管道74。空氣流過切平的支承構件54后進入了前方腔室76中。使用O形密封環65來密封壓縮氣體。
對于本發明的目的，電弧噴槍設備的上述部分的結構細節是不重要的，也不限于本例子中的樣子，可以使用其他類型的結構。例如，可以省略伸展殼體48，替換為用來傳送金屬絲、電能和氣體且在前后槍體之間提供支承的剛性管子，如前述美國專利No.4,853,513中所揭示的那樣，除了一些直的管子，將與傳送和支承的相關的部分援引在此，以供參考。(對于特定的噴射結構，這些管子不一定是直的。)相似地，殼體和管子的實際連接的細節是不重要的。金屬絲的電接觸類型對于本發明也是不重要的，可以使用其他傳統或想要的接觸方式例如通過滾輪。例如，可以遠離噴槍例如在金屬絲的卷軸的支架處進行電接觸。概括地說，一般更需要的是電源與金屬絲的連接，通過包括兩根金屬絲、一個金屬絲驅動機構(它可以位于金屬絲連續線路的任何地方)、將金屬絲聚集在接觸區域以產生電弧的一個前槍體和供應到前槍體的電能和氣體(除非將電能傳導至后方某處的金屬絲)的噴槍來進行。除非孔較淺，對于前槍體一般需要一個伸展支承件。
氣體帽蓋12(圖2B、5和6)通過一個螺紋保持環78(或其他合適的固定裝置例如螺釘、鎖銷(detent)或氣體帽蓋的螺紋)連接到前槍體的前方構件52上。氣體帽蓋具有一個基部84，該基部84帶有從其上面向前伸展的一個突出部分86。該基部適于使氣體帽蓋固定于槍體上，例如在本例中它具有一個凸緣88以被環78保持住。因此當磨損或需更換其他類型的氣體帽蓋時可容易地替換該氣體帽蓋。氣體帽蓋具有一個中心開口89和容納金屬絲導向件61的一個合適尺寸的中心腔體91，通過該開口使金屬絲24聚集在一起。
氣體帽蓋具有多個小孔80，較佳地為3至13(包括在內)個，例如示出的7個小孔。每個小孔的氣體通道82從小孔連接到基部。支承盤狀物64(圖4)在其圓周上具有與氣體通道成一直線的對應的多個缺口90。使用位于基部中的一個偏置銷釘92(圖6)將氣體帽蓋定位在提供校準的支承盤狀物中的對應孔94中。從腔室76流出的氣體穿過各個缺口和氣體通道至每個小孔，以產生氣體射流96。
在圓弧方向以基本等間距設置各個小孔80，因此氣體射流帶有一沿徑向向內的分量噴向接觸區域，以有效地使熔化金屬霧化并變成噴射流。各個小孔具有較佳地從徑向101向前偏移(圖2B)的軸線100(示出一個)，徑向垂直于噴槍的軸線98。各軸線成切線地偏離徑向以產生一個渦流，因此噴射流成為圓錐扇形的形式。偏移量應當一致以產生一均勻噴射流，并且對偏移量進行選擇以產生扇形的噴射流。偏離徑向的向前偏移量應當在大約5°至60°之間，例如21°。偏離徑向的切向偏移量應當在大約10°至30°之間，例如18°。(小孔的軸線無需與中心開口89相切。)小孔尺寸應當產生一個充分節流(choked)流動，以產生很好的霧化作用，例如其直徑尺寸為2.0mm，且從氣體源62產生的氣體在小孔處的壓力為5巴(75磅/平方英寸)。分別偏移21 °和18°的各個小孔的這些條件能夠有效產生大約45°的圓錐扇形噴霧。可以選擇其他小孔的尺寸、角度及空氣壓力，以協調地優化圓錐形噴射流。位于氣體源和小孔之間在電纜和噴槍中的其他導管和管道應當足夠大以不產生明顯的壓降。
為了使氣體射流具有合適的噴射方向，氣體帽蓋較佳地具有一個面向前方、較淺的圓錐形表面，該表面緊靠著接觸區域，并且小孔穿過此圓錐形表面。該表面相對于噴槍軸線的角度一般在大約45°至80°之間，例如合適的75°。也可以使用其他形狀，例如一個曲面或面向內的圓柱形表面以使小孔穿過，或者氣體射流可從垂直于噴槍軸線的一個前方表面上穿過。
將圓錐扇形噴射流102、如有需要將噴槍的前端一起從中心插入一個物體106例如汽缸體的一個孔104(圖7)中，無需轉動噴槍或物體，這就能夠環繞孔的內表面產生一個涂層。可以用手握住槍體，但通常應該是安裝在一個合適的傳統操縱器上(未示出)，通常沿軸向108移動噴槍以沿內部表面的縱向進行涂層處理。孔的尺寸可以是徑向噴射距離適用范圍之內的任何數值，孔的半徑一般在大約7cm至50cm之間。在此范圍內，孔不需要一定是圓柱形的或在縱向具有一致的尺寸。該設備適于噴涂引擎缸孔、泵缸孔、導管、熱交換器、燃燒罐、同步環(syncro ring)等等。
本發明的氣體帽蓋可以使用在其他形式的雙金屬絲電弧噴槍和不同類型的頭部件中。在一個實施例中，氣體帽蓋包括從槍體上伸展并與其形成一體的一個簡單突出部分。在其他實施例中，通過適當的改動按照本發明的氣體帽蓋可以固定在各種結構的噴槍上。
參考具體的實施例，以上對本發明進行了詳盡的描述，在本發明的精神和所附權利要求書的范圍之內的各種變化和改進對于本技術領域中的技術人員而言都是顯爾易見的。因此，本發明僅局限于所附權利要求書及其等同范圍。
權利要求
1.一種用于向孔中噴射的電弧噴射伸展設備，它包括一個噴射槍體、被所述槍體會聚地支承以將兩根金屬絲引導至金屬絲末端接觸區域的一對管狀的金屬絲導向件、操作地連接以將金屬絲分別通過各金屬絲導向件送入的一個進線機構、固定于槍體并向前伸展的一個氣體帽蓋和分別帶有電弧電流以在金屬絲末端產生電弧且由此熔化金屬的金屬絲；氣體帽蓋具有多個小孔，在小孔中各被壓縮的氣體產生了氣體射流，在圓弧方向基本等間距地設置所述各個小孔，氣體射流帶有一沿徑向向內的分量噴向接觸區域，以霧化熔化的金屬并使其變成噴射流，諸小孔的軸線一致地從徑向向前且相切地偏移以產生一個渦流，由此噴射流形成一圓錐扇形的形式，因此從中心將噴射流插入一個孔中，這可環繞孔的內表面產生一個涂層。
2.如權利要求1所述的設備，其特征在于，所述氣體帽蓋具有一個面向前方且緊靠接觸區域的下凹圓錐形表面，同時所述小孔穿過所述圓錐形表面。
3.如權利要求2所述的設備，其特征在于，所述多個小孔的數目是3至11個。
4.如權利要求3所述的設備，其特征在于，所述小孔的數目是7個。
5.如權利要求1所述的設備，其特征在于，所述多個小孔的數目是3至11個。
6.如權利要求5所述的設備，其特征在于，所述小孔的數目是一個奇數。
7.在一個電弧噴射伸展設備中用以產生傾斜噴射流的一種氣體帽蓋，所述電弧噴射伸展設備包括一個噴射槍體、被所述槍體支承住以將兩根金屬絲引導至金屬絲末端接觸區域的一對管狀的金屬絲導向件、操作地連接以將金屬絲分別通過各金屬絲導向件送入的一個進線機構和分別帶有電弧電流以在金屬絲末端產生電弧且由此熔化金屬的金屬絲；所述氣體帽蓋包括一個基部和從所述基部伸展的一個突出部分，所述基部適于使所述氣體帽蓋固定在槍體上，且使所述突出部分向前伸展，所述突出部分具有多個小孔，在這些孔中個被壓縮的氣體產生了氣體射流，在圓弧方向基本等間距地設置所述小孔，因此當氣體帽蓋附在槍體上時，氣體射流帶有一沿徑向向內的分量噴向接觸區域，以霧化熔化的金屬并使其變成噴射流，諸小孔的軸線一致地從徑向向前且相切地偏移以產生一個渦流，由此噴射流形成一圓錐扇形的形式，因此從中心將噴射流插入一個孔中，這可環繞孔的內表面產生一個涂層。
8.如權利要求7所述的氣體帽蓋，其特征在于，所述突出部分具有一個面向前方且緊靠接觸區域的下凹圓錐形表面，同時所述小孔穿過所述圓錐形表面。
9.如如權利要求8所述的氣體帽蓋，其特征在于，所述多個小孔的數目是3至11個。
10.如權利要求9所述的氣體帽蓋，其特征在于，所述小孔的數目是7個。
11.如權利要求7所述的氣體帽蓋，其特征在于，所述多個小孔的數目是3至11個。
12.如權利要求11所述的氣體帽蓋，其特征在于，所述小孔的數目是一奇數。
全文摘要
在一個雙金屬絲電弧噴射伸展設備中,兩根金屬絲被引導接觸,一個氣體帽蓋附在一槍體上。氣體帽蓋具有多個小孔,在小孔中被壓縮的氣體產生了氣體射流,在圓弧方向基本等間距地設置各個小孔,氣體射流帶有一沿徑向向內的分量噴向接觸區域,以霧化熔化的金屬并使其變成噴射流,小孔的軸線一致地從徑向向前且相切地偏移以產生一個渦流,因此噴射流形成一圓錐扇形的形式,從中心將噴射流插入一個孔中,這可環繞孔的內表面產生一涂層。
文檔編號C23C4/12GK1266746SQ0010098
公開日2000年9月20日 申請日期2000年1月13日 優先權日1999年3月11日
發明者R·貝納瑞 申請人:塞澤·麥脫苛(美國)股份有限公司